季長(zhǎng)江倪小明王永奎信 凱

(1.河南理工大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院,河南 454000;2.河南理工大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院,河南454000;3.山西霍州煤電集團(tuán)李雅莊礦,山西 031400;4.河南理工大學(xué)測(cè)繪與國(guó)土信息工程學(xué)院,河南 454000)

李雅莊井田瓦斯富集地質(zhì)主控因素研究

季長(zhǎng)江1倪小明2王永奎3信 凱4

(1.河南理工大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院,河南 454000;2.河南理工大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院,河南454000;3.山西霍州煤電集團(tuán)李雅莊礦,山西 031400;4.河南理工大學(xué)測(cè)繪與國(guó)土信息工程學(xué)院,河南 454000)

查明井田瓦斯富集的地質(zhì)主控因素,是制定瓦斯治理措施、保障煤礦安全生產(chǎn)的基礎(chǔ)。根據(jù)霍州礦區(qū)李雅莊井田的實(shí)際勘探資料,應(yīng)用地質(zhì)分析法,對(duì)該礦的高瓦斯成因進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)地質(zhì)演化后期的次生生物作用是該礦成為高瓦斯的主要原因;應(yīng)用線性回歸等數(shù)學(xué)建模,分別從井田斷層落差、煤層埋深、上覆基巖厚度、底板標(biāo)高和頂?shù)装迥鄮r厚度等方面對(duì)該礦的高瓦斯富集地質(zhì)主控因素進(jìn)行研究,揭示煤層埋深是該井田瓦斯富集的地質(zhì)主控因素。

瓦斯地質(zhì) 富集 煤層埋深 次生生物氣

對(duì)于高瓦斯井田,查明井田瓦斯富集的地質(zhì)主控因素對(duì)井田瓦斯防治措施制定和井田安全生產(chǎn)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。我國(guó)的瓦斯地質(zhì)工作者從各種地質(zhì)角度對(duì)瓦斯富集規(guī)律進(jìn)行了研究。黃建平、許彥鵬[1]等人通過實(shí)測(cè)資料,應(yīng)用線性回歸方法,得出瓦斯含量與煤層埋深呈正相關(guān)關(guān)系;付永乾、支光輝[2]等從構(gòu)造角度提出構(gòu)造形跡對(duì)瓦斯富集的影響;葉建平[3]以潞安地區(qū)煤礦為研究對(duì)象,提出水文地質(zhì)條件對(duì)瓦斯富集的影響。但都未能對(duì)高瓦斯富集的地質(zhì)主控因素進(jìn)行全面的系統(tǒng)的分析和研究。為了進(jìn)一步查明霍州礦區(qū)李雅莊井田瓦斯富集的地質(zhì)主控因素,筆者從該井田的瓦斯成因和影響瓦斯賦存的地質(zhì)因素兩方面進(jìn)行研究,以期為該井田安全生產(chǎn)及瓦斯治理提供理論指導(dǎo)。

1 地質(zhì)概況

李雅莊煤礦位于山西省南部臨汾盆地的北緣,隸屬于山西焦煤霍州煤電有限責(zé)任公司,系霍州礦區(qū)北端的一個(gè)井田,主采煤層為山西組2#煤層。李雅莊井田處在靈石隆起之什林撓褶斷裂帶北盤和霍山斷裂帶之西,受什林撓褶斷裂帶和霍山斷裂帶的控制。井田內(nèi)總體構(gòu)造為一走向北東,傾向東南的單斜構(gòu)造,地層傾角一般為10°左右。2#煤層平均厚度是2.75m,含氣量6.675m3/t,與曹村礦和白龍礦相鄰。曹村礦與白龍礦均屬于低瓦斯井田,含氣量幾乎為零。

2 李雅莊井田瓦斯成因

2.1 瓦斯成因

李雅莊井田位于沁水盆地西部。印支期,沁水盆地晚古生代煤系的埋藏深度持續(xù)增大。印支期末到燕山期初,構(gòu)造整體抬升導(dǎo)致煤系蓋層開始遭受剝蝕。燕山期中期,沁水盆地緩慢接受沉積。燕山晚期至喜馬拉雅早期,為持續(xù)抬升階段。整個(gè)盆地長(zhǎng)期處于隆升狀態(tài),煤系及其上覆地層遭受嚴(yán)重剝蝕,導(dǎo)致瓦斯大量散失。

圖1 煤層氣成因辨別圖 (模版引自Whiticar)

在對(duì)次生生物成因氣進(jìn)行的同位素研究中,以往學(xué)者以δ13C1<-55‰,δD1為-250～-150‰, δ13C(CO2-CH4)為45‰～65‰作為次生生物成因氣的界定范圍。由表1可得李雅莊井田瓦斯為次生生物成因 (圖1[4])。

2.2 地下水動(dòng)力條件

霍州礦區(qū)西部,呂梁山和北部靈石隆起大面積出露著煤系基盤寒武系 (只出露在呂梁山)、奧陶系灰?guī)r,出露面積1150平方公里。廣闊的石灰?guī)r裸露剝蝕區(qū),承受大氣降水的補(bǔ)給和汾河地下水的補(bǔ)給,在本區(qū)形成了良好的地下水補(bǔ)給區(qū)。地下水通過強(qiáng)烈的奧陶系灰?guī)r溶蝕巖溶通道,向東南和東徑流,形成了本區(qū)的徑流區(qū),并匯集于礦區(qū)南部郭莊一帶。

表1 2#煤層解吸氣分析結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

由于李雅莊井田大部分處于地下水的徑流區(qū),徑流區(qū)是次生生物氣生成的最佳場(chǎng)所,且李雅莊2#煤層多為肥煤,屬于低煤階煤。大量的次生生物氣在徑流區(qū)生成。同時(shí),由于李雅莊2#煤層頂、底板都有相對(duì)較厚的泥巖和粘土組成的相對(duì)穩(wěn)定的隔水層,使其各含水層間無水力聯(lián)系,不利于煤層瓦斯逸散,使得瓦斯在煤層中大量聚集。從而形成了現(xiàn)今李雅莊井田東南部瓦斯含量較高,西北部瓦斯含量較低的現(xiàn)狀。

3 影響李雅莊井田瓦斯賦存的地質(zhì)因素

根據(jù)前人經(jīng)驗(yàn)和已做的有關(guān)瓦斯賦存的研究,同時(shí)查閱了有關(guān)影響瓦斯賦存的資料,并結(jié)合李雅莊井田特有的地質(zhì)條件和生產(chǎn)實(shí)際,本文主要從井田斷層落差、煤層埋深、上覆基巖厚度、底板標(biāo)高和頂?shù)装迥鄮r厚度等方面對(duì)李雅莊井田瓦斯賦存的主控因素進(jìn)行研究。李雅莊瓦斯含量采樣分析結(jié)果如表2所示。

表2 2#煤層瓦斯含量表

3.1 井田斷層落差

瓦斯含量與斷層的落差關(guān)系密切。斷層的各要素如斷層的性質(zhì)、落差等都會(huì)對(duì)瓦斯的賦存造成影響。本文主要考慮斷層落差對(duì)瓦斯賦存的影響。井田內(nèi)小斷層較發(fā)育,落差多在20m以內(nèi)。煤層平均厚度在2.65m,頂板泥巖、砂巖平均厚300余m;底板泥巖、砂巖平均厚20余m。依據(jù)表2回歸分析得出瓦斯含量與其附近斷層落差的關(guān)系如圖2所示,相關(guān)回歸系數(shù) R2=0.7095。數(shù)學(xué)模型如下:

圖2 2#煤層斷層落差與瓦斯含量的關(guān)系散點(diǎn)圖

式中 x——煤層中的斷層落差,m;

y——瓦斯含量,m3/t;

由上式得出,瓦斯含量增長(zhǎng)梯度為0.1063m3/ t/m,線性相關(guān)性較好,煤層附近斷層落差的變化對(duì)瓦斯含量的影響明顯。

3.2 煤層埋深

參照原始數(shù)據(jù)對(duì)瓦斯含量進(jìn)行篩選,依據(jù)表2回歸分析瓦斯含量與其埋藏深度的關(guān)系如圖3所示,相關(guān)回歸系數(shù) R2=0.8173。數(shù)學(xué)模型如下:

式中 x——煤層埋深,m;

y——瓦斯含量,m3/t;

圖3 2#煤層瓦斯含量與埋藏深度的關(guān)系散點(diǎn)圖

由上式得出,瓦斯含量增長(zhǎng)梯度為0.0085m3/ t/m,相關(guān)性高,在生產(chǎn)實(shí)踐當(dāng)中,可以利用式(2)預(yù)測(cè)深水平的瓦斯含量。

3.3 上覆基巖厚度

依據(jù)表2回歸分析瓦斯含量與其上覆基巖厚度的關(guān)系如圖4所示,相關(guān)回歸系數(shù)R2=0.8044。數(shù)學(xué)模型如下:

圖4 2#煤層瓦斯含量與上覆基巖厚度的關(guān)系散點(diǎn)圖

式中 x——上覆基巖厚度,m;

y——瓦斯含量,m3/t;由上式得出,瓦斯含量增長(zhǎng)梯度為0.0146m3/ t/m,線性相關(guān)性較好,瓦斯含量隨上覆基巖厚度增加而增大。

3.4 底板標(biāo)高

依據(jù)表2,回歸分析瓦斯含量與底板標(biāo)高的關(guān)系 (圖5),相關(guān)回歸系數(shù) R2=0.6774。建立了如下數(shù)學(xué)模型:

圖5 2#煤層瓦斯含量與底板標(biāo)高的關(guān)系散點(diǎn)圖

式中 x——底板標(biāo)高,m;

y——瓦斯含量,m3/t;

由上式得出,瓦斯含量增長(zhǎng)梯度為 -0.0083m3/t/m,線性相關(guān)性較好,瓦斯含量與底板標(biāo)高成負(fù)相關(guān)關(guān)系,底板標(biāo)高增加,瓦斯含量降低。

3.5 頂、底板泥巖厚度

圍巖的透氣性對(duì)煤層瓦斯含量有著重要的影響,直接頂板屬泥巖、炭質(zhì)泥巖或砂質(zhì)泥巖,一般透氣性差,對(duì)煤層中瓦斯起封閉作用,2#煤層的直接頂板以泥巖為主,細(xì)粒、中粒砂巖頂板次之,有利于瓦斯賦存。為探討李雅莊煤礦2#煤層圍巖對(duì)瓦斯含量的影響,對(duì)頂板10m內(nèi)的泥巖厚度與對(duì)應(yīng)的瓦斯含量,進(jìn)行線性回歸,頂板泥巖厚度對(duì)瓦斯含量影響較為明顯。

根據(jù)表2回歸分析瓦斯含量與頂板泥巖厚度的關(guān)系如圖6所示,相關(guān)回歸系數(shù)R2=0.7096。數(shù)學(xué)模型如下:

圖6 2#煤層瓦斯含量與頂板泥巖厚度的關(guān)系散點(diǎn)圖

式中 x——頂板泥巖厚度,m;

y——瓦斯含量,m3/t;

由上式得出,瓦斯含量增長(zhǎng)梯度為0.607m3/t/ m,線性相關(guān)性較好,頂板泥巖厚度越大對(duì)瓦斯的保存性越好,瓦斯含量越大。

通過統(tǒng)計(jì)底板10m內(nèi)的泥巖厚度與對(duì)應(yīng)瓦斯含量,進(jìn)行線性回歸,底板泥巖厚度變化對(duì)瓦斯含量的影響也較為明顯。

依據(jù)表2回歸分析瓦斯含量與底板泥巖厚度的關(guān)系如圖7所示,相關(guān)回歸系數(shù)R2=0.7002。數(shù)學(xué)模型如下:

圖7 2#煤層瓦斯含量與底板泥巖厚度的關(guān)系散點(diǎn)圖

式中 x——底板泥巖厚度,m;

y——瓦斯含量,m3/t;

由上式得出,瓦斯含量增長(zhǎng)梯度為0.2234m3/ t/m,線性相關(guān)性較好,底板泥巖厚度對(duì)瓦斯含量的影響也較大,泥巖厚度增加,瓦斯含量也相應(yīng)的增大。因?yàn)槟鄮r具有良好的封閉性,泥巖厚度越大,瓦斯逸散越困難,對(duì)應(yīng)的瓦斯含量也越大。

通過以上對(duì)影響李雅莊2#煤層瓦斯含量的地質(zhì)因素的相關(guān)系數(shù)進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)煤層埋深是影響瓦斯含量的最重要地質(zhì)因素。煤層埋深是李雅莊井田瓦斯富集的地質(zhì)主控因素,隨著埋藏深度的增加,地層壓力增大,封閉性越好,越利于瓦斯賦存。因此,可以通過分析李雅莊井田的煤層埋深來研究李雅莊2#煤層的瓦斯富集規(guī)律。

4 結(jié)論

通過以上的研究和分析得出以下認(rèn)識(shí):

(1)應(yīng)用數(shù)值回歸方法對(duì)李雅莊的高瓦斯成因進(jìn)行了綜合分析。查明了煤層埋藏深度是李雅莊瓦斯富集的地質(zhì)主控因素。

(2)水文地質(zhì)和次生生物的共同作用生成了生物氣,在頂?shù)装迥鄮r、上覆基巖和煤層埋深的共同作用下次生生物氣得到良好的保存,形成了李雅莊現(xiàn)有的高瓦斯特征。

(3)隨著開采深度的增加,要密切關(guān)注瓦斯含量的變化;在斷層較為發(fā)育的地帶,應(yīng)提前對(duì)瓦斯的含量作出預(yù)測(cè),隨時(shí)做好瓦斯的防治工作,確保安全生產(chǎn)。

[1] 黃建平,許彥鵬,馮利民,王玉欽.井田瓦斯賦存規(guī)律研究 [J].煤炭工程,2009,9:83～85.

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(責(zé)任編輯 黃 嵐)

Study of Main Factors for Control of Gas Enrichment in Liyazhuang Mine Field

Ji Changjiang1,Ni Xiaoming2,Wang Y ongkui3,Xin Kai4
(1.Henan Polytechnic University,Henan 454000;2.Energy Science&Engineering College,Henan Polytechnic University,Henan 454000;3.Shanxi Huozhou Coal &Power Group,Shanxi 031400;4.Henan Polytechnic University,Henan 454000)

Making clear the geologic master factor for control of gas enrichment in the mine field is the foundation for safe production and for taking measures to control the gas.Based on the data obtained in actual prospecting of Liyazhuang mine field in Huozhou mining area,the authors have studied the origin of high gassiness by using geologic analysis method.They have found the secondary biologic effect in the later stage of geologic evolution is the main reason for the high gassiness.A linear regression mathematic model is established to study the master factor that controls high concentration of gas in the mine from many aspects,such as,throwof faults in the mine field,burial depth of coal seams,thickness of overlying base rocks,elevation of floor and thickness of mudstone floor rock,etc.It indicates the burial depth of coal seams is the master geologic factor the controls the gas enrichment in the mine field.

Gas geology;enrichment;burial depth of coal seams;secondary biogas

季長(zhǎng)江,男,江蘇徐州,河南理工大學(xué)碩士研究生,瓦斯地質(zhì)與煤層氣勘探開發(fā)專業(yè)。