王來(lái)斌 疏義國(guó) 沈金山 高錫擎

(1.安徽理工大學(xué)地球與環(huán)境學(xué)院,安徽省淮南市,232001;2.安徽省礦山地質(zhì)災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,安徽省淮南市,232001;3.淮南礦業(yè)集團(tuán)有限公司潘三礦,安徽省淮南市,232096)

潘三礦13-1煤層瓦斯賦存規(guī)律及影響因素分析＊

王來(lái)斌1,2疏義國(guó)3沈金山1高錫擎1

(1.安徽理工大學(xué)地球與環(huán)境學(xué)院,安徽省淮南市,232001;2.安徽省礦山地質(zhì)災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,安徽省淮南市,232001;3.淮南礦業(yè)集團(tuán)有限公司潘三礦,安徽省淮南市,232096)

通過(guò)對(duì)潘三礦地質(zhì)構(gòu)造、地質(zhì)勘探鉆孔與采掘工作面實(shí)測(cè)瓦斯含量以及影響煤層瓦斯賦存因素的分析,研究了礦井13-1煤層瓦斯賦存規(guī)律。結(jié)果表明:井田瓦斯分布具有分區(qū)分帶的特點(diǎn),瓦斯風(fēng)化帶與瓦斯帶分界明顯,瓦斯帶瓦斯分布呈現(xiàn)出北低南高、東高西低規(guī)律。根據(jù)井田地質(zhì)構(gòu)造特征及煤層瓦斯運(yùn)移與保存條件,可劃分為3個(gè)瓦斯地質(zhì)單元,各瓦斯地質(zhì)單元瓦斯含量隨埋藏深度增加而增加,具有明顯的正相關(guān)關(guān)系,控制瓦斯分布的因素主要有埋藏深度、地質(zhì)構(gòu)造、圍巖性質(zhì)、構(gòu)造煤等。

瓦斯含量 賦存規(guī)律 瓦斯單元 影響因素

1 引言

瓦斯是一種地質(zhì)成因的氣體地質(zhì)體,其生成、運(yùn)移、賦存和富集同地質(zhì)條件有密切關(guān)系,并受地質(zhì)條件的制約。瓦斯災(zāi)害嚴(yán)重威脅著煤礦安全,已成為我國(guó)煤礦安全的“第一殺手”。國(guó)內(nèi)外大量研究資料表明,在同一井田范圍內(nèi),同一煤層由于地質(zhì)條件的復(fù)雜性,煤層瓦斯賦存具有不均衡性,存在著明顯的分區(qū)、分帶特征。只有查清影響煤層瓦斯分布的地質(zhì)因素,找出瓦斯分布的規(guī)律,才能有效地治理瓦斯,指導(dǎo)安全生產(chǎn),避免瓦斯事故的發(fā)生。

潘三礦位于淮南煤田西北部,為一現(xiàn)代化特大型礦井。該井田主要含煤地層為二疊系山西組及上、下石盒子組,可采煤層12層,目前主要開(kāi)采中、淺部13-1、11-2和8煤層。其中13-1煤厚度1.01～7.53 m,平均3.94 m,變異系數(shù)29%,為井田唯一穩(wěn)定可采煤層,煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,一般有1～2層夾矸,位于煤層頂部或底部,巖性為炭質(zhì)泥巖及泥巖。礦井投產(chǎn)以來(lái)共發(fā)生14次煤與瓦斯突出,13-1煤層13次,8煤層1次。為此,本文以礦井13-1煤層為例,研究煤層瓦斯分布特征,對(duì)影響瓦斯分布的地質(zhì)因素進(jìn)行分析,為深部煤層開(kāi)采瓦斯災(zāi)害的防治提供決策依據(jù)。

2 礦井地質(zhì)構(gòu)造特征

潘三礦井田構(gòu)造位于淮南復(fù)向斜潘集背斜南翼西部,總體形態(tài)為一單斜構(gòu)造。地層走向?yàn)镹WW-SEE,地層傾角一般為5～10°,呈淺部陡、深部緩的趨勢(shì)。井田褶曲與斷裂構(gòu)造發(fā)育,構(gòu)造發(fā)育規(guī)律主要表現(xiàn)為以下幾點(diǎn)。

(1)受區(qū)域性構(gòu)造應(yīng)力影響,井田內(nèi)發(fā)育一組次級(jí)褶曲,即董崗郢次級(jí)向斜和葉集次級(jí)背斜,兩者軸向大致平行,近于東西向,貫穿全井田與潘集背斜軸成15～20°夾角相交,向西傾狀,傾伏角3～5°。

(2)斷裂構(gòu)造極其發(fā)育,共發(fā)現(xiàn)斷層274條,其中正斷層222條,逆斷層52條,以正斷層為主,落差大于或等于10 m斷層67條,落差小于10 m的207條。斷層走向以NWW或NW向?yàn)橹?NE向次之。落差大、延伸長(zhǎng)的主斷層(組)走向主要為NWW或NW向,與褶曲軸走向基本一致或相近,展布形式呈斷續(xù)狀或接力狀,正、逆斷層均有發(fā)育,反映了井田相應(yīng)的構(gòu)造作用與力學(xué)性質(zhì),如F1斷層、F1-1-F24-F26斷層組、F5-F47-F49斷層組。小斷層(落差小于10 m)以正斷層為主,斷層方向以NE向?yàn)橹?延伸長(zhǎng)度不大,多以孤立的小斷層出現(xiàn)。

(3)構(gòu)造分區(qū)具有南北分帶性和東西分區(qū)性。以F1-1-F26-F24斷層組和F5-F47-F49斷層組為界可劃分為北部、中部和南部3個(gè)帶。北部復(fù)雜帶的地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜,大中型斷層多,斷層密度大;中部過(guò)渡帶為寬緩的向斜構(gòu)造,地層平緩,一般在5～10°之間,地質(zhì)構(gòu)造較北部簡(jiǎn)單;南部簡(jiǎn)單帶為礦井深部,斷層不發(fā)育,斷層密度較小。以十二勘探線為界分為東區(qū)和西區(qū),東區(qū)以正斷層為主,西區(qū)以逆斷層為主。

3 煤層瓦斯分布規(guī)律

3.1 瓦斯含量測(cè)定

潘三礦地勘期間和礦井生產(chǎn)期間進(jìn)行了大量瓦斯含量測(cè)試,其中地勘期間對(duì)65個(gè)鉆孔采集了75個(gè)瓦斯樣品,生產(chǎn)期間在16個(gè)采掘工作面采集了42個(gè)瓦斯樣品,瓦斯樣品采集深度為-450～-800 m。75個(gè)鉆孔瓦斯樣品中,有10個(gè)是各自從同一鉆孔煤芯中重復(fù)采集的平行樣品,瓦斯含量值取兩個(gè)平行樣品的瓦斯含量平均值。從測(cè)試結(jié)果來(lái)看,瓦斯成分甲烷含量為0%～94.61%,瓦斯含量為0～14.52 m3/t。

3.2 瓦斯含量分布特征

(1)瓦斯分區(qū)分帶性明顯。在煤層傾向上,沿煤層露頭向深部依次出現(xiàn)瓦斯風(fēng)化帶和瓦斯帶,兩帶分界大致在F1-1-F26-F24斷層組一線附近,煤層底板標(biāo)高大約為-550 m。煤層底板標(biāo)高-550 m以淺屬瓦斯風(fēng)化帶,瓦斯成分甲烷含量小于80%,瓦斯含量在3.0 m3/t以下。-550 m以深屬瓦斯帶,瓦斯成分甲烷含量大于80%,瓦斯含量在3.0～14.52 m3/t。在煤層走向上,以十二勘探線為界分為東區(qū)和西區(qū),東區(qū)瓦斯含量明顯高于西區(qū),在相同標(biāo)高處東區(qū)瓦斯含量一般比西區(qū)高出2 m3/t,且瓦斯含量遞增梯度也大,掘進(jìn)及回采過(guò)程中13次瓦斯動(dòng)力現(xiàn)象均發(fā)生在東區(qū)。

圖1 潘三礦13-1煤層埋深與瓦斯含量相關(guān)關(guān)系

(2)瓦斯含量分布特征。總體上來(lái)看,潘三礦13-1煤層的瓦斯含量總體上隨著煤層埋深的增大呈增大趨勢(shì),但相關(guān)性并不明顯,相關(guān)系數(shù)R2=0.3673,潘三礦13-1煤層埋深與瓦斯含量相關(guān)關(guān)系見(jiàn)圖1。由圖1可見(jiàn),不能簡(jiǎn)單地在全井田內(nèi)討論瓦斯含量與煤層埋深之間的關(guān)系。根據(jù)井田地質(zhì)構(gòu)造特征及煤層瓦斯運(yùn)移與保存條件,按瓦斯地質(zhì)單元研究瓦斯含量分布特征,將井田劃分為3個(gè)瓦斯地質(zhì)單元。

瓦斯地質(zhì)單元Ⅰ北至瓦斯風(fēng)化帶,南至董崗營(yíng)次級(jí)向斜軸,實(shí)測(cè)瓦斯含量值18個(gè);瓦斯地質(zhì)單元Ⅱ北至董崗營(yíng)次級(jí)向斜軸,南至井田南邊界,東至井田東邊界,西至十二勘探線,實(shí)測(cè)瓦斯含量值60個(gè);瓦斯地質(zhì)單元Ⅲ北至董崗營(yíng)次級(jí)向斜軸,南至井田南邊界,西至井田西邊界,東至十二勘探線,實(shí)測(cè)瓦斯含量值22個(gè)。通過(guò)3個(gè)單元的瓦斯含量與煤層埋深回歸分析,顯示出明顯的正相關(guān)關(guān)系,見(jiàn)表1。單元煤層埋深與瓦斯含量相關(guān)關(guān)系見(jiàn)圖2～4。表1列出的3個(gè)數(shù)學(xué)模型,基本反映了井田13-1煤層瓦斯分布的總體分布特征。

表1 13-1煤層瓦斯含量分布數(shù)學(xué)模型

4 影響瓦斯分布的因素

(1)煤層埋深對(duì)瓦斯賦存的影響。煤層埋藏隨深度增加,地應(yīng)力不斷增高而使煤層和圍巖的透氣性降低,同時(shí)瓦斯向地表運(yùn)移的距離也增大,有利于瓦斯的封存,不利于瓦斯的逸散,因此,表現(xiàn)出瓦斯含量隨著煤層埋藏深度增加而逐漸增大。3個(gè)瓦斯地質(zhì)單元瓦斯含量均表現(xiàn)出與埋藏深度呈線性正相關(guān)關(guān)系。采掘?qū)嵺`也表明,煤層埋藏深度是控制煤層瓦斯賦存的主要因素。

圖2 單元Ⅰ煤層埋深與瓦斯含量相關(guān)關(guān)系

(2)地質(zhì)構(gòu)造對(duì)瓦斯賦存的影響。地質(zhì)構(gòu)造往往對(duì)煤層的瓦斯賦存條件具有顯著的控制作用,控制著煤層瓦斯的自然流場(chǎng),并使瓦斯自然流場(chǎng)復(fù)雜化,是造成煤層瓦斯賦存分區(qū)分帶特征的主要原因。潘三礦整體上為一單斜構(gòu)造,在單斜構(gòu)造背景上發(fā)育有次級(jí)褶曲與斷裂構(gòu)造,斷層空間分布極不均勻。董崗營(yíng)次級(jí)向斜軸以北瓦斯地質(zhì)單元Ⅰ地層產(chǎn)狀較陡,大中型斷層發(fā)育,斷距大、延伸長(zhǎng),是煤層瓦斯運(yùn)移良好通道,瓦斯在垂向和側(cè)向上運(yùn)移、逸散條件相對(duì)較好,瓦斯含量較低。向斜軸以南瓦斯地質(zhì)單元Ⅱ、Ⅲ煤層產(chǎn)狀平緩,大中型斷層欠發(fā)育,小斷層斷距小、延伸短,對(duì)煤體結(jié)構(gòu)破壞嚴(yán)重,煤層透氣性大大降低,有利于煤層瓦斯保存,瓦斯含量較高。

(3)圍巖性質(zhì)對(duì)瓦斯賦存的影響。圍巖對(duì)煤層瓦斯的控制作用主要取決于煤層頂板,煤層頂板巖性直接影響煤層瓦斯的保存條件。透氣性好的砂巖頂板,有利于煤層瓦斯的逸散,煤層瓦斯含量相對(duì)較低;透氣性差的泥巖、砂質(zhì)泥巖頂板,對(duì)煤層瓦斯的逸散起阻礙作用,含量則相對(duì)較高。據(jù)鉆孔及礦井生產(chǎn)揭露資料,13-1煤層直接頂板主要為泥巖、砂質(zhì)泥巖與中細(xì)砂巖。13-1煤層頂板巖性分布示意圖見(jiàn)圖5,其中瓦斯地質(zhì)單元Ⅱ煤層頂板巖性以泥巖與砂質(zhì)泥巖為主,瓦斯保存條件較好;瓦斯地質(zhì)單元Ⅲ煤層頂板巖性頂板以中細(xì)砂巖為主,瓦斯保存條件相對(duì)較差。因此,在煤層走向上相同標(biāo)高單元Ⅱ瓦斯含量明顯高于單元Ⅲ。

(4)構(gòu)造煤對(duì)瓦斯賦存的影響。構(gòu)造煤是原生結(jié)構(gòu)煤在構(gòu)造應(yīng)力作用下形成的變形煤,通常具有孔隙度大、高吸附能力、低透氣性特點(diǎn),有利于瓦斯的保存,因而煤層中瓦斯含量高,常把構(gòu)造煤比作瓦斯包。通過(guò)鉆孔測(cè)井曲線判識(shí)與井下實(shí)際觀測(cè),發(fā)現(xiàn)13-1煤層構(gòu)造軟煤普遍發(fā)育,多分布在煤層的中下部,呈現(xiàn)出深部較淺部發(fā)育。13-1煤層構(gòu)造煤厚度等值線圖見(jiàn)圖6。瓦斯地質(zhì)單元Ⅱ比單元Ⅲ構(gòu)造煤更為發(fā)育,因構(gòu)造煤的滲透性差,易產(chǎn)生瓦斯積聚,使煤層的瓦斯含量較高,也是發(fā)生煤與瓦斯突出的重要原因。

5 結(jié)論

(1)潘三礦地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜,褶曲與斷裂構(gòu)造發(fā)育,構(gòu)造分區(qū)具有南北分帶性和東西分區(qū)性特征。地質(zhì)構(gòu)造特征及煤層瓦斯運(yùn)移與保存條件,井田可分為3個(gè)瓦斯地質(zhì)單元。

(2)13-1煤層瓦斯含量分布總體上由北向南、由淺而深瓦斯含量逐漸增大,但存在著明顯的分區(qū)、分帶特征。在煤層傾向上具有分帶性,煤層底板標(biāo)高大約-550 m以淺為瓦斯風(fēng)化帶,-550 m以深為瓦斯帶。在煤層走向上具有分區(qū)性,東區(qū)瓦斯含量明顯高于西區(qū),在相同標(biāo)高處東區(qū)瓦斯含量一般比西區(qū)高出2 m3/t,且瓦斯含量遞增梯度也大。

(3)煤層埋深、地質(zhì)構(gòu)造、圍巖性質(zhì)和構(gòu)造煤發(fā)育是影響煤層瓦斯賦存的主要因素。

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Analysis of regularity and it’s influencing factors of gas occurrence in seam 13-1 of Pansan Mine

Wang Laibin1,2,Shu Yiguo3,Shen Jinshan1,Gao Xiqing1
(1.College of Earth&Environment,Anhui University of Science&Technology,Huainan,Anhui 232001,China;2.Key Laboratory of Mine Geological Hazard Control,Huainan,Anhui 232001,China;3.The No.3 Coal Mine,Huainan Mining Group Corp.Ltd.,Huainan,Anhui 232096,China.)

Analysis of the geological structures,geological exploration drilling,gas content measured at working faces and factors influencing gas occurrence revels the regularity of gas occurrence in seam 13-1.It indicates that the gas occurrence in the minefield varies from zone to zone with a clear boundary between the gas weathered zone and the gas zone.Gas content tends to be higher in the eastern and southern parts of the gas zone and lower in the western and northern parts.The minefield may be divided into 3 gas geological units in light of the minefield’s geological features and conditions for gas migration and storage in the seam.The gas content in each gas geological unit presents a clear positive correlation with the buried depth-the greater the depth the higher the gas content.Main factors influencing gas distribution include buried depth,geological structure,characteristics of wall rock,deformed coal,etc.

gas content,regularity of occurrence,gas unit,influencing factor

TD712

A

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(40972105)

王來(lái)斌(1967-),男,安徽和縣人,副教授,博士,主要從事礦井地質(zhì)、瓦斯地質(zhì)等教學(xué)與研究工作。

(責(zé)任編輯 張艷華)