勇朋林 韓喬羽
(山東科技大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院,山東 青島 266590)
魯西地區(qū)局部含煤區(qū)構(gòu)造復(fù)雜,直接影響到了煤礦瓦斯地質(zhì)預(yù)測(cè)。葛亭礦井位于濟(jì)寧煤田的西北部,該區(qū)瓦斯較低,通過(guò)對(duì)該礦的瓦斯地質(zhì)條件進(jìn)行分析,解析影響瓦斯散布的關(guān)鍵因素,并對(duì)礦井瓦斯含量與絕對(duì)涌出量加以預(yù)測(cè),將會(huì)對(duì)葛亭煤礦(尤其是低瓦斯礦井)的瓦斯地質(zhì)特征研究與瓦斯涌出量預(yù)測(cè)做出巨大貢獻(xiàn)。葛亭煤礦中新生代斷層較為發(fā)育,為近南北向正斷層(圖1)。在南北兩側(cè)東西向構(gòu)造帶的影響下,區(qū)內(nèi)仍有東西向斷層;還有較少數(shù)量高差較小、展布較短的北西向斷層。
斷層會(huì)毀壞煤層的綿延性與完好性,改變瓦斯的賦存與散逸條件。斷層會(huì)對(duì)瓦斯的排放產(chǎn)生便利,但也有的會(huì)成為阻礙瓦斯排放的屏障,瓦斯賦存規(guī)律是鄰近斷層瓦斯絕對(duì)涌出量較低,偏離斷層與之相反。
圖1 井田主控?cái)鄬臃植技皡^(qū)塊劃分
向斜盆地區(qū)域中,當(dāng)煤層頂板有較好的阻擋環(huán)境時(shí),會(huì)對(duì)瓦斯在垂直地層方向上的擴(kuò)散有一定阻力,多數(shù)瓦斯想要流往地面只可沿著兩側(cè),但是盆地邊沿地帶,假使含煤地層有較大部分暴露在外,那么瓦斯的排放將會(huì)相當(dāng)便利。葛亭煤礦是近南北方向向斜褶曲的井田,且兩邊底板的埋深較淺,中心低,但因向斜兩翼的風(fēng)氧化帶過(guò)多,使瓦斯散逸嚴(yán)重。其軸部因擠壓,使瓦斯散逸受阻,但因后期較為復(fù)雜的構(gòu)造,以及被北東向、南北向及近東西向三向斷層割裂,且除了F3和F29斷層外,主要是張性斷層,使其形態(tài)不完整,從而對(duì)瓦斯的賦存產(chǎn)生重大影響,并加劇了瓦斯散逸。
在相同地質(zhì)構(gòu)造與相似地質(zhì)環(huán)境下,煤層埋藏深度與瓦斯賦存之間有相關(guān)性。研究表明,葛亭煤礦在瓦斯風(fēng)化帶之上,煤層埋藏深度與瓦斯含量呈正相關(guān)。葛亭煤礦屬構(gòu)造復(fù)雜區(qū),復(fù)雜的構(gòu)造是控制瓦斯賦存的主要因素,大的南北向構(gòu)造將礦區(qū)分割六個(gè)構(gòu)造單元,采區(qū)設(shè)計(jì)也是以構(gòu)造單元來(lái)劃分,在進(jìn)行煤層埋深與瓦斯研究時(shí),應(yīng)進(jìn)行不同地質(zhì)構(gòu)造單元?jiǎng)澐?,并進(jìn)一步研究煤層埋藏深度對(duì)瓦斯賦存的影響。此外,上覆基巖的厚度同樣會(huì)對(duì)瓦斯賦存產(chǎn)生影響,基巖厚不利于瓦斯逸散,反之亦然。
(1)遠(yuǎn)離斷層F29屬構(gòu)造中等的區(qū)塊瓦斯涌出量分析
對(duì)井田東部F35、F37、F43東側(cè)瓦斯涌出量進(jìn)行了分析歸納,構(gòu)造程度屬中等,透氣性一般,南北向斷層較為發(fā)育,構(gòu)造煤不發(fā)育。對(duì)比往年回采工作面瓦斯涌出量,并對(duì)其數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析,可得知瓦斯涌出量與埋深成正相關(guān),瓦斯涌出量梯度是 0.006m3/(min·m),見圖 2。
(2)靠近斷層F29屬構(gòu)造中等區(qū)塊瓦斯涌出量分析
靠近F29斷層區(qū)局部出現(xiàn)了瓦斯異常,本次統(tǒng)計(jì)了4個(gè)工作面在靠近F29斷層處瓦斯涌出量的相關(guān)特征??拷麱29斷層,構(gòu)造情況相對(duì)復(fù)雜,瓦斯絕對(duì)涌出量偏大,最高達(dá)到了1.60m3/min,對(duì)靠近該斷層幾個(gè)工作面點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析,發(fā)現(xiàn)靠近斷層區(qū),瓦斯絕對(duì)涌出量與標(biāo)高呈正相關(guān),瓦斯涌出量梯度較前者增大,為0.01m3/(min·m),回歸標(biāo)高時(shí)仍然取正數(shù),與前者對(duì)比發(fā)現(xiàn),雖然靠近F29斷層處瓦斯絕對(duì)涌出量增大,但是其仍與底板標(biāo)高有一定關(guān)系,這說(shuō)明瓦斯涌出量受構(gòu)造和底板標(biāo)高共同控制。研究其偏大原因是該斷層可能屬于封閉性斷層,形成了局部的瓦斯富集帶,從而造成了斷層周圍瓦斯絕對(duì)涌出量增大,見圖3。
圖2 F35、F37、F43斷層帶東側(cè)遠(yuǎn)離斷層屬構(gòu)造中等的瓦斯涌出量與標(biāo)高關(guān)系
(1)靠近DF35工作面的瓦斯涌出量特征
該地質(zhì)單元位于靠近DF35處,共有3個(gè)工作面,即GT209、GT211、GT213,統(tǒng)計(jì)其數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析,發(fā)現(xiàn)其絕對(duì)瓦斯涌出量與標(biāo)高呈正相關(guān)關(guān)系,瓦斯涌出量梯度是0.007m3/(min·m),見圖4,因該斷層屬開放性斷層,對(duì)瓦斯賦存有一定的阻力,所以該區(qū)瓦斯涌出量偏低。
圖4 F6與 F35、F37、F43斷層帶工作面瓦斯涌出量特征
(2)遠(yuǎn)離DF35處的GT203和GT201工作面的瓦斯涌出量特征
該地質(zhì)單元位于靠近北部火成巖侵入地區(qū),通過(guò)線性回歸分析發(fā)現(xiàn),煤層與標(biāo)高呈線性關(guān)系,回歸梯度是0.005m3/(min·m),回歸標(biāo)高用正數(shù),說(shuō)明該區(qū)瓦斯涌出量和標(biāo)高呈正相關(guān)。該區(qū)瓦斯含量總體偏低,都在0.5m3/min以下,主要是由于斷層活動(dòng)是瓦斯散逸而造成的,見圖5。
圖5 遠(yuǎn)離DF35處的GT203和GT201工作面瓦斯涌出量特征
F4與F6之間的斷層區(qū)域,構(gòu)造程度屬簡(jiǎn)單,透氣性不好,北部受到火成巖影響,主要有GT221和GT219共兩個(gè)采區(qū),主要位于靠近F6斷層地區(qū)。對(duì)比往年回采工作面的瓦斯涌出量,并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析,得知瓦斯涌出量和埋深成正相關(guān),瓦斯涌出量梯度是0.002m3/(min·m),回歸標(biāo)高用正數(shù),瓦斯的涌出量整體偏低,在0.5m3/min以下,皆因F6斷層導(dǎo)致瓦斯大量散逸,見圖6。
圖6 GT221和GT219工作面瓦斯涌出量分析
F2與F3斷層之間有四個(gè)回采工作面,該區(qū)地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單,小斷層發(fā)育少,構(gòu)造煤不發(fā)育。
瓦斯涌出量最高的主要集中在GT102工作面東部地區(qū),主要是是由于該區(qū)位于整個(gè)向斜肘部,且封閉性較好,因此,瓦斯賦存條件較好。對(duì)比往年回采工作面的瓦斯涌出量,并對(duì)其數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析,瓦斯涌出量梯度是0.783m3/(min·m),回歸標(biāo)高用正數(shù)(圖7),可得知瓦斯涌出量與埋深成正相關(guān)。
根據(jù)瓦斯涌出量分析發(fā)現(xiàn),該區(qū)瓦斯絕對(duì)涌出量較低,普遍低于1m3/min,屬于低瓦斯礦井,但是根據(jù)全區(qū)瓦斯涌出量分布規(guī)律,研究發(fā)現(xiàn),該礦瓦斯涌出量出現(xiàn)幾個(gè)異常區(qū):第一,靠近F29斷層兩側(cè)的GT202工作面西側(cè),出現(xiàn)了局部瓦斯涌出量超過(guò)1m3/min,以及靠近F29斷層的GT212工作面東側(cè),局部瓦斯涌出量超過(guò)1m3/min,最高達(dá)到了1.6m3/min;第二,靠近F3斷層西側(cè)的GT103工作面和GT102工作面,局部瓦斯涌出量超過(guò)1m3/min,屬于瓦斯異常區(qū),由于該礦主要受到構(gòu)造控制,其不同區(qū)塊瓦斯賦存特征控制機(jī)制中構(gòu)造成為主導(dǎo)因素,且根據(jù)歷年來(lái)水文地質(zhì)方面的研究發(fā)現(xiàn),這2個(gè)斷層導(dǎo)水性差,封閉性較好,因此,推測(cè)這兩個(gè)異常區(qū)可能受到了斷層的控制,這兩個(gè)斷層為封閉性斷層。
通過(guò)歷年的瓦斯涌出量數(shù)據(jù)分析,全區(qū)瓦斯涌出量受到構(gòu)造控制,東區(qū)構(gòu)造較復(fù)雜,瓦斯涌出量分區(qū)復(fù)雜,西區(qū)構(gòu)造較簡(jiǎn)單,瓦斯涌出量規(guī)律較簡(jiǎn)單,南部構(gòu)造復(fù)雜,北部構(gòu)造簡(jiǎn)單,巖漿侵入程度北部最強(qiáng),根據(jù)構(gòu)造復(fù)雜程度、埋藏深度以及距離火成巖遠(yuǎn)近,本文將礦井劃分5個(gè)區(qū)塊,每個(gè)區(qū)塊進(jìn)行瓦斯涌出量數(shù)據(jù)分析,并繪制出瓦斯含量分布與斷層關(guān)系,分析結(jié)果發(fā)現(xiàn),在不同區(qū)塊中,當(dāng)構(gòu)造復(fù)雜程度相差不多時(shí),瓦斯涌出量與煤層埋深呈正相關(guān),如在F29斷層周邊瓦斯涌出量偏高,主要是由于斷層性質(zhì)決定,全區(qū)除了F29和F3斷層為封閉性斷層外,其他斷層都為開放性斷層。
圖7 F2與F3斷層之間回采工作面瓦斯涌出量回歸分析
(1)葛亭煤礦屬低瓦斯礦井,在研究中逐漸發(fā)現(xiàn)了瓦斯涌出異常的現(xiàn)象,并利用瓦斯賦存規(guī)律反過(guò)來(lái)研究與預(yù)測(cè)斷層發(fā)育規(guī)律,發(fā)現(xiàn)瓦斯絕對(duì)涌出量較低處,靠近斷層,斷層較發(fā)育,而瓦斯較高處遠(yuǎn)離斷層,斷層較不發(fā)育。研究表明,在低瓦斯煤礦可以利用瓦斯涌出量預(yù)測(cè)斷層發(fā)育規(guī)律,這對(duì)低瓦斯礦井瓦斯地質(zhì)研究具有實(shí)際價(jià)值。
(2)本文統(tǒng)計(jì)了礦井內(nèi)瓦斯絕對(duì)涌出量的分布,運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法分析了不同構(gòu)造塊段回采工作面的瓦斯涌出規(guī)律,得出影響瓦斯賦存的關(guān)鍵因素為開采深度與斷層特征(封閉或開放),通過(guò)對(duì)瓦斯異常現(xiàn)象深入剖析,發(fā)現(xiàn):靠近F3和F29斷層附近為瓦斯絕對(duì)涌出量較高地區(qū),說(shuō)明F29和F3斷層為封閉性斷層。