潞安集團王莊礦井后備區(qū)(深部)3＃煤層瓦斯賦存特征研究

張 亮,邢 元,雷東記

(1．潞安環(huán)能股份有限責任公司王莊煤礦, 山西 長治市 046000;2．河南理工大學 安全學院, 河南 焦作市 454000)

瓦斯,煤炭生成過程中的伴生物,現(xiàn)場實踐表明,瓦斯的賦存和分布與地質(zhì)因素有密切關系,瓦斯地質(zhì)規(guī)律控制著煤層瓦斯的形成、分布和賦存特征[1]。在國外,前蘇聯(lián)的B．M．吉馬科夫[2]和 A．Э．彼特羅祥[3]指出,瓦斯的分布與構造復雜程度、煤層圍巖、煤變質(zhì)程度有關,受地質(zhì)因素控制,呈現(xiàn)不均勻分布的規(guī)律。英國的DAVID P．提出在煤層中的瓦斯分布特征主要受煤系地層中地質(zhì)構造的影響[4]。Bibles CJ等學者在研究煤礦開采過程中的瓦斯涌出現(xiàn)象時,提出煤層瓦斯的生成條件、運移條件、保存條件都受礦區(qū)、礦井的構造運動格局的影響[5]。

在國內(nèi),周世寧院士研究了地質(zhì)構造與瓦斯含量之間的關系,并細化了8項主要影響因素[6];張子敏提出了瓦斯賦存構造逐級控制理論[7-8];曹代勇研究了潞安礦區(qū)構造格局及其構造演化規(guī)律[9];關英斌研究了潞安礦區(qū)構造應力場及其形成機理[10];從以上研究可以看出,瓦斯賦存特征與地質(zhì)構造的關系,早已被學者認可,并進行了大量研究,也說明地質(zhì)構造對瓦斯賦存的影響應作為礦井安全生產(chǎn)的一個必要環(huán)節(jié)。

王莊礦作為潞安環(huán)能上市公司的主力礦井之一,瓦斯治理工作一直備受重視,尤其是在2012被鑒定為高瓦斯礦井以后。前期,煤層埋深較淺,瓦斯含量較低,隨著后備區(qū)(深部)初步開采利用,瓦斯含量和涌出量都相應增大,其已成為制約礦井安全和生產(chǎn)的重要因素。而且深部區(qū)域還沒有形成具有針對礦井生產(chǎn)實測數(shù)據(jù)而進行詳細的瓦斯地質(zhì)規(guī)律的研究成果。為此開展瓦斯賦存規(guī)律研究,旨在整體掌握不同地質(zhì)條件下瓦斯治理工作如何開展,對指導現(xiàn)場安全生產(chǎn)具有重要意義。

1 地質(zhì)構造對瓦斯賦存的控制

1．1 礦區(qū)地質(zhì)構造控制特征

潞安礦區(qū)位于大型寬緩復式向斜的東翼,主體構造是NNE向、NE向展布的向、背斜褶皺及NEE向的斷裂構造。區(qū)內(nèi)NEE向的斷裂形成于燕山中晚期,其構造應力場處于拉張狀態(tài),瓦斯大量逸散。受主體構造格局的控制,潞安礦區(qū)廣泛發(fā)育了NNE、NE向裂隙和NW、NNW向的裂隙,現(xiàn)在構造應力場的方向為NNE,與現(xiàn)在構造應力場一致的NNE、NE向裂隙呈現(xiàn)開放態(tài),瓦斯得到釋放。據(jù)此,礦區(qū)的瓦斯賦存規(guī)律具有以下特征:軸向NEE向的正斷層和軸向NNE向次級褶曲發(fā)育的區(qū)域,裂隙通道相對比較發(fā)育,煤層瓦斯極易通過斷層和次級背斜頂部形成的裂隙通道得到逸散釋放,形成構造控制下相對低瓦斯帶;而區(qū)內(nèi)高瓦斯帶主要分布在應力集中的向斜軸部、斷裂構造尖滅處及“S”型背斜的轉折端等構造部位。所以,潞安礦區(qū)發(fā)育的NNE、NE向裂隙和NEE向大斷裂,有利于瓦斯的逸散運移,而NW、NNW向的構造,有利于瓦斯保存,這對瓦斯抽采鉆孔的布置與設計具有重要的指導意義。

1．2 礦井地質(zhì)構造控制特征

后備區(qū)(＋540水平)夾持在安昌、中華斷層以南至二崗山北斷層間,它們是后備區(qū)的邊界斷裂構造,以NE-SW向為主,形成于燕山中晚期,由于區(qū)域構造應力方式發(fā)生了改變,使早期形成的斷裂改造成為正斷層,如井田內(nèi)安昌斷層、二崗山斷層等,屬于開放性斷層,形成了瓦斯釋放的良好通道,造成瓦斯大量逸散。

區(qū)內(nèi)主要還發(fā)育著NNW、NW向的寬緩的向、背斜,其主干構造為中華向斜、崔邵向斜、中華背斜、崔邵背斜,軸向總體延展方向為NW向,呈反“S”形,由此產(chǎn)生的NW、NNW向裂隙多呈現(xiàn)封閉性,成為該區(qū)域的主要富氣控氣構造,瓦斯在此構造部位富集;同時受礦區(qū)構造控制,在第三紀形成NE、NEE向的斷裂表現(xiàn)為伸展作用,因此,后備區(qū)張裂隙延展方向主要為NE向,NE向的裂隙發(fā)育區(qū),瓦斯在此構造部位不易富集。

1．3 瓦斯地質(zhì)單元劃分

瓦斯地質(zhì)單元劃分受控于地質(zhì)構造,其思想是地質(zhì)構造與瓦斯賦存的耦合體,遵循以下兩點,一是地質(zhì)構造的復雜程度及其發(fā)育特征使得瓦斯賦存特征呈現(xiàn)差異性,即大的斷裂構造控制著區(qū)域瓦斯賦存狀態(tài);二是瓦斯運移和賦存都與煤、巖層的孔隙及裂隙通道有關,大的斷裂構造控制著裂隙通道與地下水的徑流方向,從而也控制了瓦斯的分布情況。

后備區(qū)以寬緩的背向斜為主,區(qū)內(nèi)構造線方向近南北向。構造主體是NE-SW向的安昌斷層與二崗山北斷層夾持與呈反“S”形的NNW、NW向寬緩的背、向斜貫穿之中的構造格局,南北上受斷層的切割作用,呈南北邊界瓦斯低,中部高的分段特點,東西向上受NW向褶曲的控制,呈現(xiàn)沿軸部條帶分布的特點,因此,后備區(qū)可以劃分為一個瓦斯地質(zhì)單元,南北方向上以斷裂構造為主導的瓦斯賦存特征,具有靠近主干斷層附近瓦斯含量較低;東西方向上以NW向褶曲為主導的瓦斯賦存特征,靠近NW向褶曲軸部附近瓦斯含量較高。

2 煤層瓦斯賦存影響因素分析

后備區(qū)地質(zhì)構造主體是NE-SW向的安昌斷層與二崗山北斷層夾持與呈反“S”形的NNW、NW向寬緩的背、向斜貫穿之中的構造格局,瓦斯賦存特征主要受其控制。同時由于潞安礦區(qū)多發(fā)育陷落柱,從現(xiàn)場揭露的信息,后備區(qū)也較多發(fā)育陷落柱,以下從陷落柱和斷層褶曲兩個方面說明。

2．1 陷落柱對瓦斯賦存的影響

后備區(qū)發(fā)育的陷落柱大多發(fā)育在主干斷層和褶曲附近,表現(xiàn)出明顯的分區(qū)性和分帶性。從3＃煤層頂?shù)装褰衣兜那闆r來看,多數(shù)是漏斗形,也有少數(shù)倒漏斗形(見圖1)。統(tǒng)計已揭露的48個陷落柱的發(fā)育位置來看,20個陷落柱與主干斷層伴生發(fā)育,而且發(fā)育在主干斷層的上盤,上盤作為主動盤應力集中,同時陷落柱復合發(fā)育,造成大量的孔裂隙,使得局部瓦斯和水具有良好的導通渠道,在局部范圍內(nèi)促成了一些瓦斯低含量區(qū)。

另有23個陷落柱發(fā)育在褶曲區(qū)域,其中15個發(fā)育在褶曲的軸部區(qū)域,從現(xiàn)場的觀測來看,在向斜軸兩側約300 m的距離內(nèi),其形態(tài)為橢圓型,長軸方向主要為近SN向,短軸方向為近EW向的形態(tài)(見圖1)。這說明其形成是在區(qū)域應力場作用下,向斜的軸部附近形成局部拉應力場,由向斜軸部的拉張力作用造成的。

圖1 井下實際所見陷落柱素描

陷落柱發(fā)育區(qū)瓦斯賦存情況,主要與陷落柱周圍巖層裂隙發(fā)育程度和巖層性質(zhì)有關(見圖1),因此,陷落柱對瓦斯的影響是局部范圍內(nèi)的,結合陷落柱發(fā)育特征,重點預測主干斷層和褶曲軸部的瓦斯賦存情況,比如在主干斷層附近疊加巖性分布情況,在褶曲軸部疊加裂隙發(fā)育程度,來預測地質(zhì)構造控制下的瓦斯賦存規(guī)律:在主干斷層附近,結合已揭露的陷落柱,此區(qū)域瓦斯導通通道較好,瓦斯含量普遍偏低;而褶曲軸部附近,陷落柱只是局部影響了瓦斯低含量區(qū)的存在。

2．2 斷層和褶曲對瓦斯賦存的影響

斷層對瓦斯賦存的影響,主要取決于斷層的性質(zhì)與規(guī)模。后備區(qū)內(nèi)的斷層發(fā)育規(guī)模比較大的,南北邊界性斷層落差都在100 m以上,是該區(qū)域主干斷層。從斷層的性質(zhì)來看,后備區(qū)內(nèi)主要有NESW向斷裂,經(jīng)過早期發(fā)生的逆沖退覆構造逐漸發(fā)生反轉[11-12],形成現(xiàn)在大量的張性正斷層的分布,形成了瓦斯釋放的良好通道;同時在第三紀形成NE、NEE向的斷裂表現(xiàn)為伸展作用,而控制后備區(qū)張裂隙延展方向主要為NE向,故后備區(qū)以NNW、NW向的寬緩的向、背斜軸部區(qū)域多為封閉性裂隙,利于瓦斯的保存(見表1、表2)。

因此,在后備區(qū)斷層、褶曲發(fā)育區(qū),瓦斯賦存特點為:斷層多為開放性正斷層,瓦斯相對較低,在NW向展布的背向斜軸部區(qū)域,瓦斯含量較大,在NE向展布的背斜軸部相對較小(見表3)。

表1 后備區(qū)褶曲發(fā)育特征匯總

表2 后備區(qū)主干斷層發(fā)育特征匯總

表3 后備區(qū)3＃煤地勘瓦斯含量統(tǒng)計

3 結 論

(1)后備區(qū)受主體構造的控制,瓦斯賦存形成南北分段、東西分帶的特征:南北上受斷層的切割作用,呈南北邊界瓦斯低,中部高的分段特點;東西上受近南北向褶曲的控制,呈現(xiàn)沿軸部條帶分布的特點。

(2)后備區(qū)域內(nèi)伴生次生構造(陷落柱)受主體構造控制,陷落柱主要發(fā)育在主干斷層與褶曲軸部附近,并結合頂?shù)装鍘r性特征,容易造成瓦斯賦存局部形成低瓦斯區(qū)。

(3)在后備區(qū)斷層、褶曲發(fā)育區(qū),瓦斯賦存特點為:斷層多為開放性正斷層,瓦斯相對較低,在NW向展布的背向斜軸部區(qū)域,瓦斯含量較大,在NE向展布的背斜軸部相對較小。