某矿低渗透煤层瓦斯富集敏感指标研究

丁元伟高级工程师

(1.四川煤矿安全监察局安全技术中心,四川 成都 610045;2.四川矿山安全技术培训中心,四川 成都 610045)

0 引言

对于煤矿而言,由于煤层赋存条件的差异,不同矿井的瓦斯富集影响因素也不同,目前,对于煤矿瓦斯赋存普遍性规律的研究较多,但针对具体矿井实际瓦斯赋存关键影响指标的研究与方法总结不多[1-4]。根据不同煤矿的实际情况,研究分析煤层瓦斯富集程度的主控因素、确定瓦斯富集敏感指标是煤层瓦斯地质规律研究的重要内容[5-7]。某煤矿所在矿区属落叶坝井田,区域构造主要是由南向北水平挤压应力作用形成的纵弯褶皱,主体褶皱控制了中小断层、顺层滑动及层间滑动构造(层间剪切带)的发育,由层滑构造派生的大量小断层,使矿井及采煤工作面地质构造复杂化,针对该矿瓦斯地质情况复杂、瓦斯灾害严重、开采深度日益增加、防治瓦斯工作难度增大等现状,研究该矿低渗透煤层瓦斯地质规律成为瓦斯治理的基础工作,同时也为瓦斯防治工程技术措施提供基本数据支撑[8]。因此,本研究确定该矿低渗透煤层瓦斯富集的主要敏感指标及指标敏感度的判据范围,为工程实践中具体矿井的瓦斯富集影响因素分析提供借鉴。

1 煤层瓦斯富集因素分析与指标选取

煤层瓦斯含量是煤层瓦斯富集程度的决定性因素,研究煤层瓦斯富集情况,需对影响煤层瓦斯含量的主要影响因素,如煤的变质程度、地层地质史、煤层与围岩透气性、煤层倾角和露头、煤层埋藏深度、地质构造和水文地质条件等进行分析[9-20]。

1.1 煤的变质程度

在同一煤矿区,煤的煤质差异显著影响其对瓦斯的吸附能力。高度变质的煤矿具备大量微小而连续的孔,富含丰富的有机物质,提供更多的吸附位点,使瓦斯分子可以更密集地附着在煤的表面。因此,高度变质的煤矿具备更强大的瓦斯储存能力。

该矿开采落叶坝井田的C19、C20、C24、C25煤层,各煤层均为低变质无烟煤,煤质以中低灰-中灰煤为主,煤质变化小,因此矿井范围内由于煤质变质程度所引起的瓦斯含量差异不大。

1.2 地层地质史

该煤矿开采的C19、C20、C24、C25煤层稳定单一,可采性稳定,平均厚度变化不大,结构简单,无夹矸,各煤层底板等高线平缓相似,可见煤矿各煤层产状相似。由此可推断煤层地质史差异不大,因此地层地质史因素所引起的瓦斯含量差异不大。

1.3 煤层与围岩透气性

分析该煤矿各煤层顶底岩性可知,各煤层顶底板多为泥岩或砂质泥岩,这2种岩层在致密性方面,由于颗粒排列紧密,孔隙微小,均属于相对不透水的岩石类型。故由煤层与围岩透气性因素引起的瓦斯含量差异不大。

1.4 煤层倾角和露头

该煤矿煤层倾角界于8°～37°之间,而井田西部矿界内煤层离露头比东部近,煤层倾角大,瓦斯含量相对较小。从煤层倾角和上覆盖层厚度变化这些构造特征分析,由南向北,煤层上方的基岩不断增厚,瓦斯扩散距离相应增加,扩散难度随之增加;同时,煤层上方基岩层厚度不均匀会出现应力集中的现象,高应力的地质结构带会限制瓦斯的流动,从而有助于瓦斯的积聚[21]。在矿井范围的西北部,煤层倾角较缓,上覆岩层亦较厚,是瓦斯储存的最有利地带,可见煤层倾角和露头因素仅对井田西北部瓦斯含量有影响。

1.5 煤层埋藏深度

地层覆盖情况对瓦斯的赋存和释放产生直接影响,通常情况下,煤层埋深增加,其静压力也相应增加。同时,围岩和煤层的渗透性减小,瓦斯向地表运移变得更加困难。因此,在深层的煤层中瓦斯含量通常较高,而在浅层煤层和露头地区的渗透性较高,煤层中的瓦斯含量通常较低[22]。该煤矿各煤层瓦斯风氧化带深度大约为150m,各煤层开采深度均大于150m,在瓦斯风氧化带以下,再结合该矿不同开采深度的实测瓦斯综合分析,可见煤层埋藏深度对该矿实际开采区域瓦斯含量变化影响不大。

1.6 地质构造

落叶坝背斜为研究对象煤矿所在井田的主体构造,全长约31km,在井田内长约6km;有断层23条,其中地表断层22条,隐伏断层1条。断层作为一种常见的地质构造,对于煤层瓦斯的控制作用因其力学特性而异。一般情况下,正断层呈现为张开型断层,有助于瓦斯的释放;逆断层呈现为扭性、压扭性或封闭型,有助于煤层瓦斯的密封[23]。按断层性质划分,正断层10条,逆断层13条,产状各异,地质构造程度复杂,该煤矿由于地质构造因素造成的瓦斯含量差异较明显。

1.7 水文地质条件

该煤矿地下含水层发育,部分区域发育溶洞和地下暗河。在丰水季节,地下水丰富、裂隙岩溶发育的区域,其附近的瓦斯会随着水流发生运移。在枯水季节,瓦斯亦会随着水流流通的裂隙等通道而逸散。由此可得,煤矿水文地质条件因素对瓦斯含量的影响在地下含水层较发育区域影响较明显。综合以上影响因素,基于层次分析法归纳低渗透煤层瓦斯富集的研究指标,见表1。

表1 某矿低渗透煤层瓦斯富集研究指标Tab.1 Research indicators of gas enrichment in low permeability coal seam of a specific mine

2 瓦斯富集敏感性指标确定

2.1 瓦斯富集敏感性指标权重分析

通过上述分析,借助层次分析法的思路,在层次分析法中判别矩阵的特征向量就是权重向量。建立瓦斯富集敏感性指标判别矩阵,见表2;通过计算求得判断矩阵特征向量,特征向量各元素分别为各因素权重系数,经一致性检验,最终得到了各个指标的权重,见表3。可见,地质构造指标权重明显高于其他指标,通过分析将地质构造确定为该矿低渗透煤层瓦斯富集敏感性指标。

表2 低渗透煤层瓦斯富集影响指标判别矩阵取值表Tab.2 Evaluation matrix of gas enrichment influence index in low permeability coal seam

表3 低渗透煤层瓦斯富集影响指标权重Tab.3 Influence index weight of gas enrichment in low permeability coal seam

2.2 瓦斯富集敏感性指标判据分析

对地质构造指标做进一步细化研究,该矿地质报告及瓦斯基本参数测定资料显示:断层是煤矿主要地质构造,依据统计数据分别绘制C19、C20、C24煤层瓦斯含量与断层参数的变化关系图,如图1、2,图中黑色粗实线为趋势变化曲线。

由图1可见,断层落差小于1m时,曲线变化无规律性,当断层落差大于1m时,曲线基本呈现递减趋势,说明瓦斯含量随断层落差增大而减小。

由图2可见,断层倾角小于35°时,曲线基本呈现递减趋势,倾角小瓦斯含量大;断层倾角大于等于60°时,曲线基本呈现递减趋势,且存在倾角越大瓦斯含量越小的趋势;断层倾角大于等于35°小于60°时,曲线变化无规律性,其间存在个别异常数据,经分析,异常数据所在区域的断层落差都普遍大于1m,可见在此倾角范围内,当断层落差大于1m时,瓦斯含量受断层影响明显。

图1 煤层瓦斯含量与断层落差的关系图Fig.1 The relationship between gas content and fault drop of coal seam

图2 煤层瓦斯含量与断层倾角的关系图Fig.2 The relationship between gas content and fault dip angle of coal seam

通过上述分析,当断层倾角大于等于35°小于60°时,瓦斯运移的结果是释放还是富集均要充分考虑断层的落差影响,在此倾角范围内,只有当断层落差大于1m时,瓦斯含量变化较大,瓦斯含量对其较敏感,落差小于1m时,瓦斯含量对断层落差因素不敏感;当断层倾角小于35°或断层倾角大于等于60°时,瓦斯含量对倾角因素较敏感。将低渗透煤层瓦斯富集敏感性指标归结结果,见表4。

表4 低渗透煤层瓦斯富集敏感性指标Tab.4 Sensitivity index of gas enrichment in low permeability coal seam

2.3 结果讨论

(1)该矿查明的断层中,造成煤体破坏的断层有F69、F20、F62和隐伏断层F1。F69为自西南向东北向横穿井田中部的正断层,该断层倾角较大,加之F69断层出露地表且断层较为开阔,其间充填砂砾,封闭性较差,砂砾透气性较好,故在该断层附近煤层瓦斯会有所降低。F20、F62位于井田西端边界附近,为逆断层,其中F62造成煤层部分重叠,对煤层瓦斯有一定封闭作用。不利于瓦斯逸散,可能在局部区域容易形成瓦斯富集。将断层确定为该矿瓦斯富集敏感性指标,可对原有的瓦斯地质图的瓦斯含量曲线进行修正,使其与现场实际更加接近。

(2)本文瓦斯含量的敏感性分析主要是依据层次分析法,断层要素、褶皱要素对瓦斯含量的影响还需要更广泛的实测数据支撑,敏感指标判据临界值的确定还有待深入研究。

(3)在断层其他条件相近的条件下,还需要进一步查明断层倾角在何种范围内对瓦斯含量的影响较大,更有助于研究瓦斯地质规律。

(4)研究对象地质构造比较复杂,目前的地质构造情况主要基于原有的勘探资料,对未勘探区主要是在此基础上进行相似条件下地质构造的预测,随着煤矿开采区域的延伸,可采用届时瓦斯含量实测数据,结合开采区地质构造揭露情况,对敏感指标研究工作进行补充与修正。

(5)本文采用煤层瓦斯含量多影响因素权重分析与矿井瓦斯含量、地质资料等实测统计数据对比印证分析相结合的方式,最终确定瓦斯富集敏感指标,该研究思路为不同煤矿工程实践中具体煤层的瓦斯富集影响因素研究,提供方法参考,丰富研究手段,可对未进行储层改造的低渗透煤层瓦斯地质规律研究提供帮助。

3 结论

采用层次分析法思路,通过对某煤矿煤层瓦斯含量主要影响因素进行分析,得出以下结论:

(1)对煤变质程度、地层地质史、煤层埋藏深度、煤层与围岩透气性、煤层倾角和露头、地质构造和水文地质条件等影响煤层瓦斯含量的主要指标因素进行权重分析,地质构造指标权重为0.456,明显高于其他指标因素,将地质构造确定为该矿低渗透煤层瓦斯富集敏感性指标。

(2)断层是该矿主要地质构造,对瓦斯含量的影响最大,其次为水文地质条件,其他因素对瓦斯含量的影响相对较小。

(3)根据该矿地质报告及瓦斯基本参数测定资料,对煤层瓦斯含量与断层参数的关系进行细化分析,确定断层倾角、落差等敏感指标的判据取值,当断层倾角小于35°或断层倾角大于等于60°时,断层对瓦斯含量影响明显;当断层倾角大于等于35°小于60°时,且当断层落差大于1m时,断层对瓦斯含量影响明显。