新景礦3#煤層瓦斯賦存的不均衡性研究

魏若飛

(山西藍焰煤層氣集團有限責任公司, 山西　晉城　048000)

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·試驗研究·

新景礦3#煤層瓦斯賦存的不均衡性研究

魏若飛

(山西藍焰煤層氣集團有限責任公司, 山西晉城048000)

針對新景礦3#煤層瓦斯賦存不均衡的特殊情況，依據采掘資料和實驗證明了3#煤層中存在瓦斯包。認為構造應力狀態及其空間展布特征是影響瓦斯包形成與分布的決定性因素之一。在研究已采區瓦斯突(噴)出點分布的基礎上，給出了瓦斯包的地質背景識別標志和巷道及工作面識別標志。

瓦斯包；瓦斯噴出；瓦斯包識別；構造應力；煤層沖蝕

新景礦3#煤層瓦斯噴出現象頻發，且規模較小。在研究過程中，發現3#煤層各測試點瓦斯含量都較高，且在空間分布上具有明顯的規律性，其變化具有一定的方向性。通過構造應力的作用，煤層段巖體結構發生變化，導致了3#煤對瓦斯的吸附—解吸性能及吸附空間發生變化，使其瓦斯含量和壓力的分布發生變化。

研究過程中發現3#煤層瓦斯賦存存在不均衡性,瓦斯抽采困難,瓦斯賦存空間之間較難溝通,應有瓦斯包的存在[1].

1　“瓦斯包”存在的證據

在研究過程中，發現多個3#煤層存在瓦斯包的例證，認為3#煤層瓦斯突、噴出的特點與煤層普遍發育瓦斯包關系較大，主要原因有：

1) 3#煤層瓦斯動力現象的主要形式為瓦斯噴出，而不是通常形式的煤與瓦斯突出。在發生過瓦斯噴出的塊段，突出點往往呈密集分布(圖1)，認為每個瓦斯噴出點都為瓦斯包的釋放通道。在一次噴出發生后，由于多個小型瓦斯包的存在，附近瓦斯未有效排泄，故當采掘活動打開了瓦斯包的通道后，又繼而發生了多次瓦斯噴出。

圖1　工作面瓦斯噴(突)出點分布示意圖

圖1中7303工作面的瓦斯噴出密集塊段與次級向斜軸部彎曲、起伏所造成的相對擠壓帶和NNW向延伸的斷層有關[2]，通過褶皺和斷裂作用，煤層段和次級斷層兩側在作用范圍內被拖曳、擠壓、研磨形成軟煤分布區帶[3]，在軟煤內部，煤層橫向間相互連通性差，滲透性弱，瓦斯難以運移，從而為瓦斯包的形成奠定了基礎。

2) 3#煤層中，軟煤只在特定的構造或巖性組合部位發育，少見穩定連續、且大范圍分布的Ⅲ、Ⅳ類構造煤。大部分為原生結構煤,只在煤層中上部夾矸附近發育1層較薄的碎裂煤(圖2).

圖2　7207工作面采排580 m處煤壁示意圖

3) 距離較近的兩測試點瓦斯含量懸殊，瓦斯含量短距離急劇變化示意圖見圖3，3-151孔和3-173孔直線距離30 m，而瓦斯含量分別為12.8 m3/t和3.19 m3/t；3-148 孔和3-147孔相距500 m，瓦斯含量分別為38.17 m3/t和5.66 m3/t；瓦斯含量的急劇變化，在傳統瓦斯地質理論下較難解釋。

圖3　瓦斯含量短距離急劇變化示意圖

4) 根據研究礦井生產規定，3#煤層在開采之前一段時間要施工抽采孔對瓦斯進行抽采。抽采鉆孔一般在進風巷與回風巷之間順煤層施工，相鄰鉆孔間距5 m，長度接近于貫通工作面(大部分為170～200 m).負壓抽采方式抽采工作面中的瓦斯，一般連續抽采 6～8個月后才允許工作面進行回采，并且在工作面回采過程中，每天3班中有1班負責從工作面向推進方向施工瓦斯排放孔。即便如此，回采過程中瓦斯突(噴)出事件仍有發生。說明在瓦斯抽采鉆孔之間的5 m范圍內，仍有高壓瓦斯區域未被揭露。

5) 項目實施過程中曾在3#煤層南五副巷 8橫貫北 10 m處，向 7207工作面方向施工2個瓦斯壓力測試孔，其中①號孔施工過程中，鉆進僅15 m時就出現了吸鉆、卡鉆現象，鉆屑量及孔口瓦斯濃度急劇增大。導致①號孔未能成功施工。繼而選取了①號鉆孔右上方約1.2 m處煤壁，繼續施工②號孔，未出現上述異常情況，鉆孔得以順利完成施工采樣工作。此現象說明，存在瓦斯賦存情況短距離內的驟變。

6) 從礦井抽采孔的記錄了解，工作面抽采鉆孔抽采瓦斯濃度較低，且各抽采孔抽采效率差異較大，抽采孔并未有效抽采，沒有形成井群效應。說明了3#煤層中缺乏有效的溝通，相鄰瓦斯儲集空間之間缺乏必要的運移通道或相互隔絕，且平衡狀態較難打破。通過課題的研究發現3#煤層瓦斯賦存情況的驟然變化具有一定的普遍性。

2　3#煤層瓦斯包的賦存

研究井田3#煤層中，孔隙連通性差，孔道多封閉，煤層滲透率極小，因此，3#煤層瓦斯包難以運移，形成后多原地保存。但是，由于本煤層瓦斯賦存的不均衡性，瓦斯包的運移和相鄰瓦斯包的合并在特殊的構造背景下也是可能實現的[4].

3#煤層瓦斯包規模大小不一，且在煤層中普遍發育，但是由于煤層滲透性差，瓦斯包之間難以相互溝通，平衡較難打破，故不易形成具有工業開采價值的煤層氣藏。瓦斯包內部主要包括構造軟煤和帶壓的流體，而瓦斯包的邊界主要包括：1) 煤層與圍巖滲透性較差的接觸面[5].2) 煤層內部節理裂隙發育帶與硬煤的界面。3) 煤層構造作用形成的差異面。4) 煤層中流體物性差異造成的封閉界面[6].研究認為這4種邊界條件及其組合形成的圈閉保證了瓦斯包內高壓瓦斯得以保存。

瓦斯包形成和分布取決于煤層的構造應力狀態及其煤層段巖性組合特征。構造應力對瓦斯包的控制作用表現為使煤層中殘留的瓦斯在橫向上分布不均一，改變了煤層中原本的流體壓力系統，并促使微裂隙發育，控制著瓦斯包的合并與分裂，進而形成大小不一的瓦斯包。

對于研究井田3#煤層，次級褶皺軸的轉折和起伏造成了局部的相對擠壓帶，煤層的后生沖蝕改變了煤層段的巖性組合，多條不同方向褶皺、小斷層的匯聚地帶，小斷層及其控制的范圍內，這些部位同時又是構造軟煤較發育的塊段，其分布具有明顯的規律性(圖4).

圖4　研究井田3#煤層段巖性組合示意圖

煤層由于頂板及煤層被沖蝕造成的巖性組合變化，加劇了褶皺構造過程中煤層所受的構造變動，形成了主要的軟煤分布(圖5)[7].

圖5　南六S661點附近頂板巖性改變處煤壁示意圖

頂板砂巖作為強硬層，在與煤層接觸后在褶皺作用下促進了軟煤的形成，并且可作為瓦斯包的圈閉邊界[8].因此，在煤層頂板砂巖沖蝕帶及附近瓦斯包較易于形成。

3　瓦斯包的識別標志

3.1地質背景識別標志

在井田范圍內,出現構造微裂隙的塊段一般構造應力相對較大,并形成了構造軟煤的相關地質標志,可作為瓦斯包的地質背景識別標志。主要包括：

1) 褶皺軸在平面上彎曲部位的內側和褶皺軸在垂向上起伏而出現的馬鞍狀部位。

2) 向斜與背斜之間產狀變化較大部位[9].

3) 不對稱褶皺中，傾角較陡的一翼。

4) 多個不同方向的褶皺匯聚塊段。

5) 頂板沖刷處和頂板巖性過渡塊段。

6) 小斷層及其附近。

3.2煤層巷道及工作面識別標志

在掘進和工作面回采過程中，有以下識別標志：

1) 煤壁光澤暗淡，手試煤塊較易揉搓成粉狀或粒狀，煤層層理紊亂[10].

2) 煤層直接頂板為砂巖且煤層產狀變化，煤體破碎，多呈粉狀，頂板和煤體之間可見摩擦鏡面。

3) 掘進或回采過程中煤壁內部有異響。

4) 工作面及掘進巷道瓦斯抽放鉆孔施工過程中出現孔內異常現象(如卡鉆、吸鉆、頂鉆、鉆屑量增大等)的地段。

4　結　論

1) 依據瓦斯突(噴)出點密集分布、軟煤不發育、短距離瓦斯含量急劇變化、密集順煤層排采孔排采情況、兩個相鄰瓦斯壓力測試孔情況的截然不同和抽采孔瓦斯濃度低等現象提出了新景礦3#煤層普遍存在瓦斯包。

2) 從地質理論和觀測測試結果出發，提出了煤儲層內部的瓦斯包邊界。

3) 指出了構造變動、構造應力狀態及其空間展布特征是影響瓦斯包在煤層中賦存特征的決定性因素。

4) 提出了瓦斯包的地質背景識別標志和巷道及工作面識別標志，指導了安全生產。

[1]寧德義.我國煤礦瓦斯防治技術的研究進展及發展方向[J].煤礦安全,2016,25(2):36-38.

[2]楊昌永,湯友誼.新景礦3#煤層瓦斯賦存的主控因素分析[J].河北工程大學學報:自然科學版,2015,28(1):1-7.

[3]郝吉生.袁崇孚.構造煤及其對煤與瓦斯突出的控制作用[J].焦作工學院學報,2000,19(6):403-405.

[4]楊帆.臨汾地區構造特征及其構造應力場演化[J].山西焦煤科技,2015(5):36-39.

[5]李彥鵬.高瓦斯礦井瓦斯綜合治理技術研究[J].山西焦煤科技,2015(5):17-19.

[6]陳永慶.本煤層瓦斯預抽鉆孔封孔工藝實踐及分析[J].山西焦煤科技,2015(8):43-44.

[7]湯友誼，魏若飛.后生沖蝕對礦井瓦斯突(噴)出的控制作用[J].河南理工大學學報:自然科學版,2012,18(2):24-26.

[8]宋金星.煤層瓦斯產出流態判識方法研究[J].河南理工大學學報:自然科學版,2016,18(2)：34-35.

[9]郝春生.陽泉寺家莊礦煤儲層孔裂隙系統及滲透性特征[J].山西焦煤科技,2015(2):21-25.

[10]唐俊.煤與瓦斯突出機理與突出預測的關系及研究進展[J].煤礦安全,2016,7(4):6-9.

Study on Imbalance of No.3 Coal Seam Gas Occurrence in Xinjing Coal Mine

WEI Ruofei

Aiming at the special circumstances of No.3 coal seam gas occurrence imbalance in xinjing mine, according to excavation data and experiment proves No.3 coal bed existing gas bag. Thinks that tectonic stress state and the characteristic of spatial distribution is one of the determining factor to affect the formation and distribution of gas pocket. On the basis of research gas outburst points distribution of mining area, obtains geological background identification marks and roadway and working face identification mark of gas pocket.

Gas pocket; Gas outburst; Gas pocket recognition; Tectonic stress; Coal bed washout

2016-05-13

魏若飛(1986—)，男，河南西平人，2012年畢業于河南理工大學，碩士研究生，助理工程師，主要從事瓦斯治理和煤層氣勘探開發的研究工作，(E-mail)709340975@qq.com

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