李志勇

太原西山礦區(qū)煤層瓦斯賦存特征

李志勇①

(西山煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司地測處)

選擇太原西山礦區(qū)山西組2#煤和太原組8#煤為研究對(duì)象,對(duì)礦區(qū)瓦斯賦存特征進(jìn)行了研究。研究表明,主要煤層對(duì)瓦斯的吸附能力強(qiáng),瓦斯壓力、瓦斯含量普遍較高,同一礦區(qū)太原組8#煤的瓦斯含量高于山西組2#煤,并隨埋深增大而增高。煤層瓦斯含量與煤層的煤化程度,包括煤層埋深、圍巖條件及透氣性等煤層賦存條件、地質(zhì)構(gòu)造、水文地質(zhì)條件密切相關(guān)。

煤層;瓦斯;太原西山礦區(qū);賦存特征;規(guī)律

太原西山礦區(qū)是中國重要的煤炭生產(chǎn)基地之一,主要開采山西組和太原組煤層,具有機(jī)械化程度高和煤層開采瓦斯涌出量大等特點(diǎn)。目前,生產(chǎn)礦井9對(duì),多為高瓦斯礦井。近年來,隨礦區(qū)采掘向深部延伸及礦區(qū)開采強(qiáng)度的增大,各礦井瓦斯涌出量迅速增加,嚴(yán)重影響了礦井的安全生產(chǎn),其中瓦斯成為制約礦井安全高效生產(chǎn)的主要瓶頸之一。本文將重點(diǎn)討論太原西山礦區(qū)主要煤層瓦斯的賦存條件和規(guī)律。

1 地質(zhì)概況

太原西山礦區(qū)山西斷隆中部,重要的區(qū)域構(gòu)造形式有：橫貫山西北、中、南部近于等距離的東西向構(gòu)造;貫穿全省的南北向構(gòu)造;斜貫區(qū)內(nèi)的NEE～NE向構(gòu)造和其他組合構(gòu)造,多屬燕山運(yùn)動(dòng)以來的產(chǎn)物。西山煤田為一東西北向中心傾斜、向南開口、西翼陡東翼緩、軸部偏西呈“S”型展布的復(fù)式向斜,主要構(gòu)造為南北、東西向和NNE斷裂帶。規(guī)模較大斷層主要分布在礦區(qū)的東南及西南兩側(cè),表現(xiàn)為高角度正斷層,其斷層破碎帶緊閉、平面上呈弧形延伸,具有壓扭性特征。地層較平緩,傾角一般在5°～15°。礦區(qū)除北、東北和東部煤層埋深較淺外,一般埋深300～500 m以上,中部埋深達(dá)1 000 m左右。區(qū)內(nèi)巖溶陷落柱發(fā)育,礦區(qū)西部邊緣中段局部有燕山期堿性二長巖和閃長巖侵入體,造成局部的接觸熱變質(zhì)現(xiàn)象。

太原西山礦區(qū)含煤地層為太原組和山西組,煤炭資源豐富,品種齊全,煤質(zhì)優(yōu)良,可用儲(chǔ)量達(dá)65.2×108t。含可采煤層12～16層,其中,山西組2#煤層和太原組8#煤層是最主要的可采煤層。2#煤層厚0～9.02 m,平均厚3.90 m,8#煤層厚1.39～6.06 m,平均厚3.80 m。本文主要以2#煤層和8#煤層為代表進(jìn)行論述。

2 主要煤層物理特征

1)煤層煤巖特征。太原西山礦區(qū)煤層煤巖類型以光亮型和半亮型為主,夾少量半暗型煤和暗淡煤;煤層結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定。煤層內(nèi)生裂隙發(fā)育,為瓦斯儲(chǔ)層提供了良好的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和儲(chǔ)集空間。煤的顯微組分以鏡質(zhì)組為主,夾少量半鏡質(zhì)組及絲質(zhì)組,穩(wěn)定組和腐泥少見。鏡質(zhì)組含量一般在87%～97%之間,Romax在1.708%～2.302%,煤層處于中高變質(zhì)階段,有肥、焦、瘦、貧、無煙煤多個(gè)煤種,按資源量以貧、瘦煤為主。煤層變質(zhì)變化規(guī)律明顯,煤變質(zhì)因素以區(qū)域變質(zhì)為主。因各煤層埋深不同,煤種在平面上變化總趨勢是自西北向東南變質(zhì)程度逐漸增高,僅礦區(qū)西部邊緣因巖漿巖侵入使局部發(fā)生熱變質(zhì)作用,出現(xiàn)了小范圍的無煙煤和天然焦。

2)主要煤層強(qiáng)度特征。2#煤層堅(jiān)固性系數(shù)(f)為0.32～0.58,平均0.39;8#煤層堅(jiān)固性系數(shù)(f)為0.25～0.44,平均0.37。受構(gòu)造應(yīng)力作用明顯,節(jié)理裂隙發(fā)育,堅(jiān)固性系數(shù)較低。

3)主要煤層吸附特征見表1,表2。

表1 2#煤層瓦斯吸附特征

表2 8#煤層瓦斯吸附特征

由表1,表2可以看出,煤層對(duì)瓦斯的吸附能力很強(qiáng)。

3 煤層瓦斯壓力與瓦斯含量特征

1)主要煤層的瓦斯壓力與瓦斯含量。煤層瓦斯含量是指單位體積或單位重量煤體中吸附瓦斯和游離瓦斯在原始狀態(tài)下的總量。在煤層瓦斯含量中,一般吸附瓦斯含量占80%～90%。煤層中吸附瓦斯量取決于煤層對(duì)瓦斯的吸附能力和瓦斯壓力、溫度等條件;游離瓦斯由煤層的孔隙率及煤層瓦斯壓力決定?？筛鶕?jù)煤層對(duì)瓦斯的吸附特性和煤層中的瓦斯壓力確定煤層的吸附瓦斯含量,由煤層孔隙率及煤層瓦斯壓力計(jì)算煤層中游離的瓦斯,二者確定煤層的瓦斯總含量。其計(jì)算公式為：

式中：

W—煤層瓦斯含量,m3/t;

a,b—吸附常數(shù);

P—煤層的絕對(duì)瓦斯壓力,MPa;

Ad—煤的灰分,%;

Mad—煤的水分,%;

Fn—煤的孔隙體積,m3/m3;

r—煤的視密度,t/m3。

太原西山礦區(qū)各煤礦2#和8#煤層瓦斯壓力及瓦斯含量計(jì)算結(jié)果見表3。太原西山礦區(qū)主要煤層的瓦斯壓力、瓦斯含量普遍較高,同一礦區(qū)太原組8#煤的瓦斯含量高于山西組2#煤,并隨埋深增大而增高。杜兒坪礦、西銘礦、東曲礦、官地礦、屯蘭礦屬高瓦斯礦井。

2)影響瓦斯含量的主要地質(zhì)因素。煤層形成后,經(jīng)過漫長的地質(zhì)歷史煤化作用過程,每個(gè)煤化作用階段均生成瓦斯并多散逸,現(xiàn)在煤層中的瓦斯含量只是瓦斯生成量的殘余部分。影響煤層原始瓦斯含量的因素很多,主要有以下幾個(gè)方面：

a)煤化程度。一般來說,煤的煤化程度越高,成煤過程中生成瓦斯的數(shù)量越大,煤層保存瓦斯的結(jié)構(gòu)越有利,吸附瓦斯量就越多,因此,在相同深度下,隨著煤化程度的提高,從氣煤到無煙煤其瓦斯含量要相應(yīng)增大。礦區(qū)自西北向東南煤變質(zhì)程度逐漸增高,瓦斯含量平面變化趨勢與其相一致。

b)煤層賦存條件。包括煤層埋深、圍巖條件及透氣性等。煤層頂板巖層致密而完整,煤層中的瓦斯較多地被保存下來;煤層埋藏越深,瓦斯向地表運(yùn)移距離越長,地應(yīng)力增高使煤層及圍巖的透氣性變差,煤層瓦斯越難通過深厚的覆蓋地層散入大氣,其瓦斯含量就越高。

煤層及圍巖透氣性是指煤層對(duì)瓦斯流動(dòng)的阻力,通常用透氣性系數(shù)表示。煤層及圍巖透氣性越大,越有利于瓦斯的運(yùn)移和散逸,瓦斯含量就越少;反之,瓦斯含量就會(huì)越多,見表4,表5。從表4,表5中可看出,2#煤透氣性系數(shù)在0.004 9～1.610 2m2/MPa2.d;8#煤透氣性系數(shù)在0.091 5～0.651 0 m2/M Pa2.d,煤層透氣性較差,利于瓦斯的聚集,不利于瓦斯的運(yùn)移和散逸。

對(duì)50個(gè)8#煤層瓦斯涌出量與樣品點(diǎn)埋藏深度之間的關(guān)系作散點(diǎn)圖見圖1,反映瓦斯涌出量與煤層埋深成反比。

圖1 鉆孔瓦斯相對(duì)涌出量與埋藏深度散點(diǎn)圖

但埋藏在150 m以上時(shí)瓦斯涌出量為零,是處風(fēng)氧化帶的結(jié)果。隨著埋藏深度的增加,地應(yīng)力增大使得煤層及圍巖透氣性變差,瓦斯向地面運(yùn)移距離也增大,有利于瓦斯在煤層中的儲(chǔ)存。在表2數(shù)據(jù)中,馬蘭礦因處礦區(qū)西部邊緣、煤層埋深較淺,煤層瓦斯壓力及瓦斯含量相對(duì)較低;其他礦井因多處于礦區(qū)相對(duì)較深部位,煤層瓦斯壓力及瓦斯含量相對(duì)較高,多為高瓦斯礦井。

表3 太原西山礦區(qū)2#煤層堅(jiān)固性系數(shù)、孔隙率、吸附常數(shù)測定成果表

表4 2#煤層瓦斯壓力、瓦斯量含、透氣性系數(shù)測定表

c)地質(zhì)構(gòu)造。本礦區(qū)為一復(fù)式向斜見圖1,向斜軸部圍巖常因受擠壓透氣性變低,瓦斯封存條件較好,軸部瓦斯含量一般要比翼部高,這在杜兒坪礦、西銘礦、屯蘭礦表現(xiàn)較為明顯。斷裂構(gòu)造造成礦區(qū)瓦斯含量分布不均勻的主要原因。開放性斷層是煤層與地表相連的通道,有利于瓦斯的釋放,因此開放性斷層發(fā)育的煤層,其瓦斯含量較小,封閉性斷層可以阻斷煤層與地表的聯(lián)系,成為瓦斯向地表流動(dòng)的屏障,因而封閉性斷層發(fā)育的煤層,其瓦斯含量就較高。本區(qū)發(fā)育高角度正斷層,但斷層破碎帶緊閉,具有壓扭性特征,是礦區(qū)瓦斯含量較高的主要原因之一。

表5 8#煤層瓦斯壓力、瓦斯量含、透氣性系數(shù)測定表

此外,在火成巖侵入體附近,煤的煤化程度增高,瓦斯含量也可能會(huì)增加;由于陷落柱將地層各層聯(lián)通,有陷落柱的地方,瓦斯很容易散失,導(dǎo)致瓦斯含量降低。

d)水文地質(zhì)條件煤層中有較大的含水裂隙或有地下水通道時(shí),盡管瓦斯在水中溶解度很少,但由于長期作用的結(jié)果,水仍能從煤層中帶走大量瓦斯。而且這些裂隙本身也是瓦斯排放的直接通道,從而降低了煤層的瓦斯含量。形成許多礦井“水大瓦斯小,水小瓦斯大”的情況。

4 結(jié) 語

1)太原西山礦區(qū)主要煤層對(duì)瓦斯的吸附能力強(qiáng),瓦斯壓力、瓦斯含量普遍較高,同一礦區(qū)太原組8#煤的瓦斯含量高于山西組2#煤,并隨埋深增大而增高。

2)煤層瓦斯含量與煤層的煤化程度、包括煤層埋深、圍巖條件及透氣性等煤層賦存條件、地質(zhì)構(gòu)造、水文地質(zhì)條件密切相關(guān)。杜兒坪礦、西銘礦、東曲礦、官地礦、屯蘭礦屬高瓦斯礦井。

3)加強(qiáng)礦區(qū)瓦斯基礎(chǔ)地質(zhì)研究,提高礦井瓦斯檢測、預(yù)報(bào),是今后太原西山礦區(qū)做好瓦斯地質(zhì)工作、保障安全高效生產(chǎn)的努力方向。

Gas Occurrence Characteristics of Taiyuan Xishan Coal Mining Area

Li Zhi-yong

Selects the No.2 coal seam of Shanxi formation and No.8 coal seam of Taiyuan formation in Xianshan coal mining area of Taiyuan as the research object,the characteristics of gasoccurrence of the mining area is studied.The study shows that the main coal seam of high gas adsorption capacity,and gas pressure,gas content is relatively high,On the same mining area the gas content of 8th coal seam of Taiyuan formation was higher than that of 2nd coal seam of Shanxi formation,with depth increased,the gas content was increased.Gas contents of coal seam has close relationship with coal seam occurrence and other conditions,geological structure,hydro-geological conditions,such as degree of coalification,depth,surrounding conditions and permeability of the coal seam.

Coal seam;Gas;Taiyuan Xishan coal mining area;Occurrence characteristics;Law

TD132

A

1672-0652(2010)01-0034-03

李志勇 男 1971年出生 1992年畢業(yè)于山西礦業(yè)學(xué)院 工程師 太原 030053

2009-11-02