增子坊礦煤層瓦斯賦存的地質控制因素研究

王燕杰

(山西潞安礦業有限責任公司,山西 長治 046204)

我國政府和相關部門近年來尤為注重煤礦安全生產問題,更是在安全監管方面投入很多精力,目前已經有所成效,降低了事故的發生率[1-2],為煤礦的高效率生產營造了良好的氛圍,但瓦斯事故死亡率仍然較高,約占到煤礦所有事故死亡率的30%。瓦斯的形成以及賦存往往伴隨著十分復雜的地質條件變化[3],而煤礦中的瓦斯又可以作為一種寶貴的自然資源被社會利用。我國的煤層中瓦斯儲備十分豐富,埋藏深度在2 000 m以上的瓦斯(煤層氣)資源總量達到36×1013m3,主要組成成分是甲烷氣體[4],燃燒產熱值高達35.8 MJ/m3。湯政等[5-10]研究了宿縣礦區構造煤壓縮特性,分析了構造煤的孔隙結構分形特征。裴向春[11]針對山西某礦所在井田特點,對煤層瓦斯賦存影響因素進行分析后發現,斷層以及埋深對瓦斯賦存影響顯著,斷層是控制瓦斯賦存的關鍵性地質因素。劉明舉等[12]基于潘二礦為高瓦斯突出礦井的實際情況,運用瓦斯地質理論,通過對地堪瓦斯資料和礦井揭露的瓦斯地質資料進行研究,分析了影響潘二礦瓦斯賦存的各種地質因素。通過分析得出,在潘二礦的瓦斯地質單元內,斷層是影響某點局部瓦斯變化的主要因素。

為保證增子坊煤礦5號煤層的安全高效回采,解決瓦斯隱患問題,有必要對該礦5號煤層瓦斯賦存規律及其控制因素進行分析,進而對增子坊礦井的瓦斯含量進行提前預測,為該礦的安全高效生產提供充分的保障。

1 工程背景

增子坊井田地處大同盆地的西南部,井田總體形態是一個北偏東傾斜的單斜結構,且是一個發育寬緩的波狀起伏,地層平緩,傾角一般為4°～6°,區內發現斷層8條,均為正斷層,井田的地質構造條件相對簡單。目前所采的5號煤層上部距離K3砂巖約為54.66 m,位于石炭系太原組的中部,除在本井田南部204、擴4、擴9孔及中南部受砂體沖刷煤層厚度接近零外,全井田內均有賦存,煤層厚度0～17.53 m,平均12.27 m。增子坊煤礦將整個井田劃分為單水平井田,水平布置在8號煤層中進行開采,5號煤層設置為輔助水平,輔助水平的標高為+1 310 m。增子坊煤礦系統升級改造完成后,應用中央分列式通風系統,即礦井工業場地內的副斜井為主要進風,主斜井為輔助進風,工業場地外的西部設有回風斜井進行回風,該礦通風的方式為壓入式通風。

根據山西省煤炭工業廳測試5301工作面所取得的煤樣,煤塵爆炸的相關定性分析結果為:火焰的長度平均約為103 mm,抑制煤塵爆炸的最低巖粉用量平均約為57%,鑒定結論為煤塵有爆炸危險性。根據對5301回采面的試樣檢測,5號煤層自燃等級為Ⅱ級,自燃傾向性質為自燃。

2 瓦斯含量測定

2.1 測定方法

本次測定工作在本礦現有開采區域進行,在5301回風巷掘進1 000 m、5301運輸巷掘進750 m、5302運輸巷掘進頭和5302回風巷掘進頭處進行瓦斯含量的井下實測工作。

本次實測利用鉆孔煤屑解吸法進行測定,這種測定方法是通過采集煤層中鉆孔的煤樣,使用解吸法直接對煤層瓦斯解吸量進行測定。測定原理是根據采集到的煤芯的瓦斯解吸量和相應的解吸規律,對煤樣從采集開始到裝罐解吸測定之前的瓦斯損失量進行推算,再利用解吸后測定的煤樣中剩余瓦斯量對煤層瓦斯含量進行計算。具體測定步驟如下。

1)在已經裸露的掘進作業空間或者回采作業空間煤壁上,打設直徑42 mm、深20 m的鉆孔,鉆至20 m時采集樣本,同時把此時的時間記錄為t1。

2)把所收集的樣品放入罐中,同時記錄下樣品的初始解吸時間t2,此處采用FHJ-2型號的解吸速率監測儀,如圖1所示。然后監測記錄樣品的累積瓦斯解吸總量在不同的時間t下的值Vi,監測時間通常為2 h,解吸測定完畢將樣品罐擰緊以防泄露,并移送到室內進行殘留瓦絲量測定。

1-量管;2-水槽;3-螺旋夾;4-吸氣球;5-溫度計;6-彈簧夾;7-排水管;8-彈簧夾;9-排氣膠管;10-胸骨穿刺針頭;11-密封罐圖1 瓦斯解吸設備示意圖Fig.1 Schematic diagram of gas desorption equipment

2.2 結果分析

采用鉆孔煤屑解吸法對井下煤層瓦斯含量進行實測,結果如表1所示。增子坊井田總體形態是一個向北東傾斜的單斜構造,且是一個發育寬緩的波狀起伏,地層傾角一般約4°～6°,較為平緩,區內含有8個斷層,全是正斷層,井田的地質構造條件相對簡單。F3斷層落差約為30 m,F4斷層落差約為25 m,但這兩個斷層均位于井田邊界。F10斷層落差約為20 m,井田內延伸只有450 m,其余5個斷層均是井下揭露的小斷層,落差均不大于5 m。由此可以推斷,增子坊井田屬于一個瓦斯地質單元。

表1 井下煤層瓦斯含量Table1 Gas content of coal seam

3 煤層瓦斯賦存的地質控制因素

增子坊煤礦5號煤層中瓦斯的賦存規律受到多方面綜合因素的影響,其中主要的影響因素有井田地質構造、煤層的埋藏深度、煤厚以及煤巖特性等。此外,煤質、煤的孔隙特征等因素對其賦存特征也會表現出一定程度的影響。

3.1 礦區構造分析

根據分形理論可知,比例尺不同通常情況下不會影響到地質構造復雜程度的評價,故可以通過礦區地質報告與礦井地質作對比。但是在實際情況中,由于比例尺不同,精度也會不同,從而造成評價結果失真,例如落差小于10 m的斷層構造,在礦井地質構造圖中會將其標注,而在礦區地質構造圖中則會由于構造太小而被忽視。在此,通過對每個網格依次做出統計,在統計的同時將每個網格分別劃分為4個、16個、64個和256個小網格,再逐個統計不同級數的小網格中是否有構造出現,并通過線性回歸的數學方法,對所有區域內每個數據單元進行雙對數擬合,采用這種對數線性回歸的方式,將斷層網格逐個劃分,這樣得到的數據相關性較大。經過擬合之后得到的直線斜率即為該數據單元的分維值。增子坊區域的分維等值線圖如圖2所示。

圖2 增子坊煤礦的分維等值線圖Fig.2 Fractal dimension contour map of Zengzifang Mine

根據增子坊礦區的分維等值線圖,再結合增子坊煤礦的地質構造實際情況,將分維值1.0和1.4作為該礦地質構造復雜性的界限。結合增子坊礦的分維等值線和礦井構造發育實際情形做出地質構造復雜度分布圖,如圖3所示。

圖3 增子坊礦地質構造復雜度分布圖Fig.3 Complexity distribution of geological structure in Zengzifang Mine

3.2 構造對瓦斯賦存的影響

由于斷層在形成過程中會破壞煤層原有的完整性和連續性,構造形成,煤層內瓦斯運移流動的條件也會發生相應的變化。封閉性斷層由于斷層面附近煤層比較破碎,構造應力在此區域相對集中,吸附瓦斯能力比較高,所以此區域內瓦斯含量相對較高,并且封閉斷層面不透氣,所以會在此區域造成瓦斯聚積,形成瓦斯富集區。開放性斷層的斷層面是張開的,此時構造應力釋放會在此區域形成低壓區,附近煤層的瓦斯大量解吸,瓦斯含量降低,并且由于斷層面的開放性,瓦斯會沿著斷層面擴散和流動,從而使開放型斷層附近煤層的瓦斯含量迅速降低。

結合增子坊煤礦勘探結果可以看出,落差比較大的斷層均不太發育,小斷層比較發育,一般落差在5 m范圍內。對礦區有較大影響的斷層是F3、F4和F10斷層,小斷層分布不均勻,一般都集中發育形成斷層密集帶,在增子坊礦分布有小斷層密集帶,它們一般為密閉性斷層,容易造成瓦斯聚積,形成瓦斯富集區。大斷層一般為開放型斷層,煤層瓦斯容易釋放,降低附近瓦斯含量,如圖4所示。

根據圖4,藍色區域代表4條大斷層對瓦斯的影響區域。這四條大斷層均為開放型斷層,使得斷層面附近構造應力釋放形成低壓區,煤層附近瓦斯大量解吸,從而降低了區域瓦斯含量。由于斷層面的開放性,瓦斯會沿著斷層面而擴散,在此區域形成低瓦斯區。紅色區域是小斷層發育密集的區域,因為小斷層基本是密閉型斷層,斷層面不導氣,所以該區域內的瓦斯含量較高。

圖4 斷層構造處瓦斯含量突變圖Fig.4 Mutation map of gas content at fault structure

無論是陷落柱造成瓦斯含量突變還是斷層造成瓦斯含量突變,都只是說明陷落柱或者斷層占主導因素,并不排除其他構造因素對瓦斯含量及分布造成影響。

3.3 埋深對瓦斯賦存的影響

煤層的埋深是影響瓦斯賦存的重要地質因素之一,煤層中的瓦斯含量會隨著煤層埋深的增大而呈現增大趨向。5號煤層埋深等值線圖如圖5所示。

圖5 5號煤層埋深等值線圖Fig.5 Contour map of buried depth of No.5 coal seam

根據圖5可知，煤層埋深從礦區東北部到西南部逐漸加深,從東北至西南埋深從100 m變化至600 m,受到地質構造等因素的影響,中部和中北部區域埋深會出現局部增大區域。在埋深低于100 m的東北區域,瓦斯含量極低,在埋深比較大的南部區域,并沒有出現高瓦斯區,只有少部分的局部高瓦斯偶爾出現,這可能是地質構造等因素造成的。盡管如此,瓦斯含量還是與煤層埋深有緊密的聯系。

3.4 埋深對瓦斯壓力的影響

為了準確測得瓦斯壓力受埋深的影響,選擇在4個位置進行測定,結果如表2所示。當5號煤層埋深為420 m時,瓦斯壓力為0.273 MPa;埋深為500 m時,瓦斯壓力為0.389 MPa;埋深為530 m時,瓦斯壓力為0.57 MPa;埋深為580 m時,瓦斯壓力為0.705 MPa。由此可知,隨著埋深的增加,瓦斯壓力逐漸增大。

表2 5號煤層瓦斯壓力受埋深的影響Table 2 Gas pressure influenced by buried depth of No.5 coal seam

增子坊煤礦5號煤層瓦斯壓力與煤層埋深具有明顯的正相關關系。對增子坊礦5號煤層瓦斯壓力數據進行統計,并由此繪制出瓦斯壓力與煤層埋深的散點關系圖,如圖6所示。

圖中H為煤層埋深,m;p為瓦斯壓力,MPa;R2為擬合優度圖6 瓦斯壓力與煤層埋深的散點關系圖Fig.6 Scatter diagram of the relationship between gas pressure and buried depth of coal seam

3.5 頂底板巖性對瓦斯賦存的影響

煤系地層的透氣性和巖性的組合對煤層中瓦斯含量具有非常重要的影響。圍巖及煤層的透氣性越小,煤層中瓦斯則越容易賦存,瓦斯含量就會越大;反之,瓦斯就容易擴散和運移,煤層中瓦斯含量就會比較小。直接反映圍巖透氣性能的一個非常重要的瓦斯地質指標是煤層頂底板的巖性。假如煤層頂板以泥巖、砂巖或者炭質泥巖等為主,這些巖性透氣性較弱,有利于瓦斯的聚積;如果煤層頂板為粉砂巖或者砂質泥巖等透氣性較好的巖性,則煤層瓦斯容易通過這些巖層擴散,不利于瓦斯的賦存,瓦斯含量將會較低。根據地質資料和頂板巖性分布圖(圖7)可知,增子坊礦5號煤層的頂板有夾矸,成分為泥巖,直接頂為粉砂巖和砂質泥巖,東部區域有灰巖,頂板的透氣性較好。由圖7可知,該礦5號煤層底板以泥巖和砂質泥巖為主,底板透氣性相對頂板較弱。

圖7 5號煤層頂板巖性分布Fig.7 Roof lithology distribution of No.5 coal seam

通過統計5號煤層頂板砂厚度和泥厚度的比值,繪制了砂泥比等值線圖(圖8)。圖中顯示,增子坊礦大部分區域的砂泥比大于1,局部地區出現砂泥比在0～1范圍的區域,砂的成分多于泥成分,這樣更有利于煤層瓦斯擴散。

圖8 5號煤層砂泥比等值線圖Fig.8 Contour map of sand-silt ratio in No.5 coal seam

4 小結

增子坊煤礦瓦斯賦存的控制因素有很多種,分別有地質構造、煤層埋深、頂底板巖性、煤質以及煤的孔隙特征等,其中煤層埋深是瓦斯賦存的主要控制因素。

1)構造方面。增子坊煤礦對瓦斯賦存影響較大的是F3、F4及F10斷層,斷層面開放,瓦斯沿著斷層面擴散,從而導致煤層瓦斯不易富集,瓦斯含量相對降低。

2)煤層埋深方面。增子坊煤礦瓦斯含量會隨深度變化而變化,埋深是影響瓦斯賦存的主導因素之一。

3)頂底板巖性方面。增子坊煤礦5號煤層的頂板主要以粉砂巖、砂質泥巖和少部分泥巖為主,頂板透氣性相對較好,有利于煤層瓦斯的擴散,進而會降低煤層內瓦斯含量。