潞安集团王庄矿井后备区(深部)3＃煤层瓦斯赋存特征研究

张 亮,邢 元,雷东记

(1．潞安环能股份有限责任公司王庄煤矿, 山西 长治市 046000;2．河南理工大学 安全学院, 河南 焦作市 454000)

瓦斯,煤炭生成过程中的伴生物,现场实践表明,瓦斯的赋存和分布与地质因素有密切关系,瓦斯地质规律控制着煤层瓦斯的形成、分布和赋存特征[1]。在国外,前苏联的B．M．吉马科夫[2]和 A．Э．彼特罗祥[3]指出,瓦斯的分布与构造复杂程度、煤层围岩、煤变质程度有关,受地质因素控制,呈现不均匀分布的规律。英国的DAVID P．提出在煤层中的瓦斯分布特征主要受煤系地层中地质构造的影响[4]。Bibles CJ等学者在研究煤矿开采过程中的瓦斯涌出现象时,提出煤层瓦斯的生成条件、运移条件、保存条件都受矿区、矿井的构造运动格局的影响[5]。

在国内,周世宁院士研究了地质构造与瓦斯含量之间的关系,并细化了8项主要影响因素[6];张子敏提出了瓦斯赋存构造逐级控制理论[7-8];曹代勇研究了潞安矿区构造格局及其构造演化规律[9];关英斌研究了潞安矿区构造应力场及其形成机理[10];从以上研究可以看出,瓦斯赋存特征与地质构造的关系,早已被学者认可,并进行了大量研究,也说明地质构造对瓦斯赋存的影响应作为矿井安全生产的一个必要环节。

王庄矿作为潞安环能上市公司的主力矿井之一,瓦斯治理工作一直备受重视,尤其是在2012被鉴定为高瓦斯矿井以后。前期,煤层埋深较浅,瓦斯含量较低,随着后备区(深部)初步开采利用,瓦斯含量和涌出量都相应增大,其已成为制约矿井安全和生产的重要因素。而且深部区域还没有形成具有针对矿井生产实测数据而进行详细的瓦斯地质规律的研究成果。为此开展瓦斯赋存规律研究,旨在整体掌握不同地质条件下瓦斯治理工作如何开展,对指导现场安全生产具有重要意义。

1 地质构造对瓦斯赋存的控制

1．1 矿区地质构造控制特征

潞安矿区位于大型宽缓复式向斜的东翼,主体构造是NNE向、NE向展布的向、背斜褶皱及NEE向的断裂构造。区内NEE向的断裂形成于燕山中晚期,其构造应力场处于拉张状态,瓦斯大量逸散。受主体构造格局的控制,潞安矿区广泛发育了NNE、NE向裂隙和NW、NNW向的裂隙,现在构造应力场的方向为NNE,与现在构造应力场一致的NNE、NE向裂隙呈现开放态,瓦斯得到释放。据此,矿区的瓦斯赋存规律具有以下特征:轴向NEE向的正断层和轴向NNE向次级褶曲发育的区域,裂隙通道相对比较发育,煤层瓦斯极易通过断层和次级背斜顶部形成的裂隙通道得到逸散释放,形成构造控制下相对低瓦斯带;而区内高瓦斯带主要分布在应力集中的向斜轴部、断裂构造尖灭处及“S”型背斜的转折端等构造部位。所以,潞安矿区发育的NNE、NE向裂隙和NEE向大断裂,有利于瓦斯的逸散运移,而NW、NNW向的构造,有利于瓦斯保存,这对瓦斯抽采钻孔的布置与设计具有重要的指导意义。

1．2 矿井地质构造控制特征

后备区(＋540水平)夹持在安昌、中华断层以南至二岗山北断层间,它们是后备区的边界断裂构造,以NE-SW向为主,形成于燕山中晚期,由于区域构造应力方式发生了改变,使早期形成的断裂改造成为正断层,如井田内安昌断层、二岗山断层等,属于开放性断层,形成了瓦斯释放的良好通道,造成瓦斯大量逸散。

区内主要还发育着NNW、NW向的宽缓的向、背斜,其主干构造为中华向斜、崔邵向斜、中华背斜、崔邵背斜,轴向总体延展方向为NW向,呈反“S”形,由此产生的NW、NNW向裂隙多呈现封闭性,成为该区域的主要富气控气构造,瓦斯在此构造部位富集;同时受矿区构造控制,在第三纪形成NE、NEE向的断裂表现为伸展作用,因此,后备区张裂隙延展方向主要为NE向,NE向的裂隙发育区,瓦斯在此构造部位不易富集。

1．3 瓦斯地质单元划分

瓦斯地质单元划分受控于地质构造,其思想是地质构造与瓦斯赋存的耦合体,遵循以下两点,一是地质构造的复杂程度及其发育特征使得瓦斯赋存特征呈现差异性,即大的断裂构造控制着区域瓦斯赋存状态;二是瓦斯运移和赋存都与煤、岩层的孔隙及裂隙通道有关,大的断裂构造控制着裂隙通道与地下水的径流方向,从而也控制了瓦斯的分布情况。

后备区以宽缓的背向斜为主,区内构造线方向近南北向。构造主体是NE-SW向的安昌断层与二岗山北断层夹持与呈反“S”形的NNW、NW向宽缓的背、向斜贯穿之中的构造格局,南北上受断层的切割作用,呈南北边界瓦斯低,中部高的分段特点,东西向上受NW向褶曲的控制,呈现沿轴部条带分布的特点,因此,后备区可以划分为一个瓦斯地质单元,南北方向上以断裂构造为主导的瓦斯赋存特征,具有靠近主干断层附近瓦斯含量较低;东西方向上以NW向褶曲为主导的瓦斯赋存特征,靠近NW向褶曲轴部附近瓦斯含量较高。

2 煤层瓦斯赋存影响因素分析

后备区地质构造主体是NE-SW向的安昌断层与二岗山北断层夹持与呈反“S”形的NNW、NW向宽缓的背、向斜贯穿之中的构造格局,瓦斯赋存特征主要受其控制。同时由于潞安矿区多发育陷落柱,从现场揭露的信息,后备区也较多发育陷落柱,以下从陷落柱和断层褶曲两个方面说明。

2．1 陷落柱对瓦斯赋存的影响

后备区发育的陷落柱大多发育在主干断层和褶曲附近,表现出明显的分区性和分带性。从3＃煤层顶底板揭露的情况来看,多数是漏斗形,也有少数倒漏斗形(见图1)。统计已揭露的48个陷落柱的发育位置来看,20个陷落柱与主干断层伴生发育,而且发育在主干断层的上盘,上盘作为主动盘应力集中,同时陷落柱复合发育,造成大量的孔裂隙,使得局部瓦斯和水具有良好的导通渠道,在局部范围内促成了一些瓦斯低含量区。

另有23个陷落柱发育在褶曲区域,其中15个发育在褶曲的轴部区域,从现场的观测来看,在向斜轴两侧约300 m的距离内,其形态为椭圆型,长轴方向主要为近SN向,短轴方向为近EW向的形态(见图1)。这说明其形成是在区域应力场作用下,向斜的轴部附近形成局部拉应力场,由向斜轴部的拉张力作用造成的。

图1 井下实际所见陷落柱素描

陷落柱发育区瓦斯赋存情况,主要与陷落柱周围岩层裂隙发育程度和岩层性质有关(见图1),因此,陷落柱对瓦斯的影响是局部范围内的,结合陷落柱发育特征,重点预测主干断层和褶曲轴部的瓦斯赋存情况,比如在主干断层附近叠加岩性分布情况,在褶曲轴部叠加裂隙发育程度,来预测地质构造控制下的瓦斯赋存规律:在主干断层附近,结合已揭露的陷落柱,此区域瓦斯导通通道较好,瓦斯含量普遍偏低;而褶曲轴部附近,陷落柱只是局部影响了瓦斯低含量区的存在。

2．2 断层和褶曲对瓦斯赋存的影响

断层对瓦斯赋存的影响,主要取决于断层的性质与规模。后备区内的断层发育规模比较大的,南北边界性断层落差都在100 m以上,是该区域主干断层。从断层的性质来看,后备区内主要有NESW向断裂,经过早期发生的逆冲退覆构造逐渐发生反转[11-12],形成现在大量的张性正断层的分布,形成了瓦斯释放的良好通道;同时在第三纪形成NE、NEE向的断裂表现为伸展作用,而控制后备区张裂隙延展方向主要为NE向,故后备区以NNW、NW向的宽缓的向、背斜轴部区域多为封闭性裂隙,利于瓦斯的保存(见表1、表2)。

因此,在后备区断层、褶曲发育区,瓦斯赋存特点为:断层多为开放性正断层,瓦斯相对较低,在NW向展布的背向斜轴部区域,瓦斯含量较大,在NE向展布的背斜轴部相对较小(见表3)。

表1 后备区褶曲发育特征汇总

表2 后备区主干断层发育特征汇总

表3 后备区3＃煤地勘瓦斯含量统计

3 结 论

(1)后备区受主体构造的控制,瓦斯赋存形成南北分段、东西分带的特征:南北上受断层的切割作用,呈南北边界瓦斯低,中部高的分段特点;东西上受近南北向褶曲的控制,呈现沿轴部条带分布的特点。

(2)后备区域内伴生次生构造(陷落柱)受主体构造控制,陷落柱主要发育在主干断层与褶曲轴部附近,并结合顶底板岩性特征,容易造成瓦斯赋存局部形成低瓦斯区。

(3)在后备区断层、褶曲发育区,瓦斯赋存特点为:断层多为开放性正断层,瓦斯相对较低,在NW向展布的背向斜轴部区域,瓦斯含量较大,在NE向展布的背斜轴部相对较小。