增子坊矿煤层瓦斯赋存的地质控制因素研究

王燕杰

(山西潞安矿业有限责任公司,山西 长治 046204)

我国政府和相关部门近年来尤为注重煤矿安全生产问题,更是在安全监管方面投入很多精力,目前已经有所成效,降低了事故的发生率[1-2],为煤矿的高效率生产营造了良好的氛围,但瓦斯事故死亡率仍然较高,约占到煤矿所有事故死亡率的30%。瓦斯的形成以及赋存往往伴随着十分复杂的地质条件变化[3],而煤矿中的瓦斯又可以作为一种宝贵的自然资源被社会利用。我国的煤层中瓦斯储备十分丰富,埋藏深度在2 000 m以上的瓦斯(煤层气)资源总量达到36×1013m3,主要组成成分是甲烷气体[4],燃烧产热值高达35.8 MJ/m3。汤政等[5-10]研究了宿县矿区构造煤压缩特性,分析了构造煤的孔隙结构分形特征。裴向春[11]针对山西某矿所在井田特点,对煤层瓦斯赋存影响因素进行分析后发现,断层以及埋深对瓦斯赋存影响显著,断层是控制瓦斯赋存的关键性地质因素。刘明举等[12]基于潘二矿为高瓦斯突出矿井的实际情况,运用瓦斯地质理论,通过对地堪瓦斯资料和矿井揭露的瓦斯地质资料进行研究,分析了影响潘二矿瓦斯赋存的各种地质因素。通过分析得出,在潘二矿的瓦斯地质单元内,断层是影响某点局部瓦斯变化的主要因素。

为保证增子坊煤矿5号煤层的安全高效回采,解决瓦斯隐患问题,有必要对该矿5号煤层瓦斯赋存规律及其控制因素进行分析,进而对增子坊矿井的瓦斯含量进行提前预测,为该矿的安全高效生产提供充分的保障。

1 工程背景

增子坊井田地处大同盆地的西南部,井田总体形态是一个北偏东倾斜的单斜结构,且是一个发育宽缓的波状起伏,地层平缓,倾角一般为4°～6°,区内发现断层8条,均为正断层,井田的地质构造条件相对简单。目前所采的5号煤层上部距离K3砂岩约为54.66 m,位于石炭系太原组的中部,除在本井田南部204、扩4、扩9孔及中南部受砂体冲刷煤层厚度接近零外,全井田内均有赋存,煤层厚度0～17.53 m,平均12.27 m。增子坊煤矿将整个井田划分为单水平井田,水平布置在8号煤层中进行开采,5号煤层设置为辅助水平,辅助水平的标高为+1 310 m。增子坊煤矿系统升级改造完成后,应用中央分列式通风系统,即矿井工业场地内的副斜井为主要进风,主斜井为辅助进风,工业场地外的西部设有回风斜井进行回风,该矿通风的方式为压入式通风。

根据山西省煤炭工业厅测试5301工作面所取得的煤样,煤尘爆炸的相关定性分析结果为:火焰的长度平均约为103 mm,抑制煤尘爆炸的最低岩粉用量平均约为57%,鉴定结论为煤尘有爆炸危险性。根据对5301回采面的试样检测,5号煤层自燃等级为Ⅱ级,自燃倾向性质为自燃。

2 瓦斯含量测定

2.1 测定方法

本次测定工作在本矿现有开采区域进行,在5301回风巷掘进1 000 m、5301运输巷掘进750 m、5302运输巷掘进头和5302回风巷掘进头处进行瓦斯含量的井下实测工作。

本次实测利用钻孔煤屑解吸法进行测定,这种测定方法是通过采集煤层中钻孔的煤样,使用解吸法直接对煤层瓦斯解吸量进行测定。测定原理是根据采集到的煤芯的瓦斯解吸量和相应的解吸规律,对煤样从采集开始到装罐解吸测定之前的瓦斯损失量进行推算,再利用解吸后测定的煤样中剩余瓦斯量对煤层瓦斯含量进行计算。具体测定步骤如下。

1)在已经裸露的掘进作业空间或者回采作业空间煤壁上,打设直径42 mm、深20 m的钻孔,钻至20 m时采集样本,同时把此时的时间记录为t1。

2)把所收集的样品放入罐中,同时记录下样品的初始解吸时间t2,此处采用FHJ-2型号的解吸速率监测仪,如图1所示。然后监测记录样品的累积瓦斯解吸总量在不同的时间t下的值Vi,监测时间通常为2 h,解吸测定完毕将样品罐拧紧以防泄露,并移送到室内进行残留瓦丝量测定。

1-量管;2-水槽;3-螺旋夹;4-吸气球;5-温度计;6-弹簧夹;7-排水管;8-弹簧夹;9-排气胶管;10-胸骨穿刺针头;11-密封罐图1 瓦斯解吸设备示意图Fig.1 Schematic diagram of gas desorption equipment

2.2 结果分析

采用钻孔煤屑解吸法对井下煤层瓦斯含量进行实测,结果如表1所示。增子坊井田总体形态是一个向北东倾斜的单斜构造,且是一个发育宽缓的波状起伏,地层倾角一般约4°～6°,较为平缓,区内含有8个断层,全是正断层,井田的地质构造条件相对简单。F3断层落差约为30 m,F4断层落差约为25 m,但这两个断层均位于井田边界。F10断层落差约为20 m,井田内延伸只有450 m,其余5个断层均是井下揭露的小断层,落差均不大于5 m。由此可以推断,增子坊井田属于一个瓦斯地质单元。

表1 井下煤层瓦斯含量Table1 Gas content of coal seam

3 煤层瓦斯赋存的地质控制因素

增子坊煤矿5号煤层中瓦斯的赋存规律受到多方面综合因素的影响,其中主要的影响因素有井田地质构造、煤层的埋藏深度、煤厚以及煤岩特性等。此外,煤质、煤的孔隙特征等因素对其赋存特征也会表现出一定程度的影响。

3.1 矿区构造分析

根据分形理论可知,比例尺不同通常情况下不会影响到地质构造复杂程度的评价,故可以通过矿区地质报告与矿井地质作对比。但是在实际情况中,由于比例尺不同,精度也会不同,从而造成评价结果失真,例如落差小于10 m的断层构造,在矿井地质构造图中会将其标注,而在矿区地质构造图中则会由于构造太小而被忽视。在此,通过对每个网格依次做出统计,在统计的同时将每个网格分别划分为4个、16个、64个和256个小网格,再逐个统计不同级数的小网格中是否有构造出现,并通过线性回归的数学方法,对所有区域内每个数据单元进行双对数拟合,采用这种对数线性回归的方式,将断层网格逐个划分,这样得到的数据相关性较大。经过拟合之后得到的直线斜率即为该数据单元的分维值。增子坊区域的分维等值线图如图2所示。

图2 增子坊煤矿的分维等值线图Fig.2 Fractal dimension contour map of Zengzifang Mine

根据增子坊矿区的分维等值线图,再结合增子坊煤矿的地质构造实际情况,将分维值1.0和1.4作为该矿地质构造复杂性的界限。结合增子坊矿的分维等值线和矿井构造发育实际情形做出地质构造复杂度分布图,如图3所示。

图3 增子坊矿地质构造复杂度分布图Fig.3 Complexity distribution of geological structure in Zengzifang Mine

3.2 构造对瓦斯赋存的影响

由于断层在形成过程中会破坏煤层原有的完整性和连续性,构造形成,煤层内瓦斯运移流动的条件也会发生相应的变化。封闭性断层由于断层面附近煤层比较破碎,构造应力在此区域相对集中,吸附瓦斯能力比较高,所以此区域内瓦斯含量相对较高,并且封闭断层面不透气,所以会在此区域造成瓦斯聚积,形成瓦斯富集区。开放性断层的断层面是张开的,此时构造应力释放会在此区域形成低压区,附近煤层的瓦斯大量解吸,瓦斯含量降低,并且由于断层面的开放性,瓦斯会沿着断层面扩散和流动,从而使开放型断层附近煤层的瓦斯含量迅速降低。

结合增子坊煤矿勘探结果可以看出,落差比较大的断层均不太发育,小断层比较发育,一般落差在5 m范围内。对矿区有较大影响的断层是F3、F4和F10断层,小断层分布不均匀,一般都集中发育形成断层密集带,在增子坊矿分布有小断层密集带,它们一般为密闭性断层,容易造成瓦斯聚积,形成瓦斯富集区。大断层一般为开放型断层,煤层瓦斯容易释放,降低附近瓦斯含量,如图4所示。

根据图4,蓝色区域代表4条大断层对瓦斯的影响区域。这四条大断层均为开放型断层,使得断层面附近构造应力释放形成低压区,煤层附近瓦斯大量解吸,从而降低了区域瓦斯含量。由于断层面的开放性,瓦斯会沿着断层面而扩散,在此区域形成低瓦斯区。红色区域是小断层发育密集的区域,因为小断层基本是密闭型断层,断层面不导气,所以该区域内的瓦斯含量较高。

图4 断层构造处瓦斯含量突变图Fig.4 Mutation map of gas content at fault structure

无论是陷落柱造成瓦斯含量突变还是断层造成瓦斯含量突变,都只是说明陷落柱或者断层占主导因素,并不排除其他构造因素对瓦斯含量及分布造成影响。

3.3 埋深对瓦斯赋存的影响

煤层的埋深是影响瓦斯赋存的重要地质因素之一,煤层中的瓦斯含量会随着煤层埋深的增大而呈现增大趋向。5号煤层埋深等值线图如图5所示。

图5 5号煤层埋深等值线图Fig.5 Contour map of buried depth of No.5 coal seam

根据图5可知，煤层埋深从矿区东北部到西南部逐渐加深,从东北至西南埋深从100 m变化至600 m,受到地质构造等因素的影响,中部和中北部区域埋深会出现局部增大区域。在埋深低于100 m的东北区域,瓦斯含量极低,在埋深比较大的南部区域,并没有出现高瓦斯区,只有少部分的局部高瓦斯偶尔出现,这可能是地质构造等因素造成的。尽管如此,瓦斯含量还是与煤层埋深有紧密的联系。

3.4 埋深对瓦斯压力的影响

为了准确测得瓦斯压力受埋深的影响,选择在4个位置进行测定,结果如表2所示。当5号煤层埋深为420 m时,瓦斯压力为0.273 MPa;埋深为500 m时,瓦斯压力为0.389 MPa;埋深为530 m时,瓦斯压力为0.57 MPa;埋深为580 m时,瓦斯压力为0.705 MPa。由此可知,随着埋深的增加,瓦斯压力逐渐增大。

表2 5号煤层瓦斯压力受埋深的影响Table 2 Gas pressure influenced by buried depth of No.5 coal seam

增子坊煤矿5号煤层瓦斯压力与煤层埋深具有明显的正相关关系。对增子坊矿5号煤层瓦斯压力数据进行统计,并由此绘制出瓦斯压力与煤层埋深的散点关系图,如图6所示。

图中H为煤层埋深,m;p为瓦斯压力,MPa;R2为拟合优度图6 瓦斯压力与煤层埋深的散点关系图Fig.6 Scatter diagram of the relationship between gas pressure and buried depth of coal seam

3.5 顶底板岩性对瓦斯赋存的影响

煤系地层的透气性和岩性的组合对煤层中瓦斯含量具有非常重要的影响。围岩及煤层的透气性越小,煤层中瓦斯则越容易赋存,瓦斯含量就会越大;反之,瓦斯就容易扩散和运移,煤层中瓦斯含量就会比较小。直接反映围岩透气性能的一个非常重要的瓦斯地质指标是煤层顶底板的岩性。假如煤层顶板以泥岩、砂岩或者炭质泥岩等为主,这些岩性透气性较弱,有利于瓦斯的聚积;如果煤层顶板为粉砂岩或者砂质泥岩等透气性较好的岩性,则煤层瓦斯容易通过这些岩层扩散,不利于瓦斯的赋存,瓦斯含量将会较低。根据地质资料和顶板岩性分布图(图7)可知,增子坊矿5号煤层的顶板有夹矸,成分为泥岩,直接顶为粉砂岩和砂质泥岩,东部区域有灰岩,顶板的透气性较好。由图7可知,该矿5号煤层底板以泥岩和砂质泥岩为主,底板透气性相对顶板较弱。

图7 5号煤层顶板岩性分布Fig.7 Roof lithology distribution of No.5 coal seam

通过统计5号煤层顶板砂厚度和泥厚度的比值,绘制了砂泥比等值线图(图8)。图中显示,增子坊矿大部分区域的砂泥比大于1,局部地区出现砂泥比在0～1范围的区域,砂的成分多于泥成分,这样更有利于煤层瓦斯扩散。

图8 5号煤层砂泥比等值线图Fig.8 Contour map of sand-silt ratio in No.5 coal seam

4 小结

增子坊煤矿瓦斯赋存的控制因素有很多种,分别有地质构造、煤层埋深、顶底板岩性、煤质以及煤的孔隙特征等,其中煤层埋深是瓦斯赋存的主要控制因素。

1)构造方面。增子坊煤矿对瓦斯赋存影响较大的是F3、F4及F10断层,断层面开放,瓦斯沿着断层面扩散,从而导致煤层瓦斯不易富集,瓦斯含量相对降低。

2)煤层埋深方面。增子坊煤矿瓦斯含量会随深度变化而变化,埋深是影响瓦斯赋存的主导因素之一。

3)顶底板岩性方面。增子坊煤矿5号煤层的顶板主要以粉砂岩、砂质泥岩和少部分泥岩为主,顶板透气性相对较好,有利于煤层瓦斯的扩散,进而会降低煤层内瓦斯含量。