樊進朝
(山西陽城皇城相府集團皇聯(lián)煤業(yè)有限公司,山西 晉城 048000)
山西陽城皇城相府集團皇聯(lián)煤業(yè)有限公司煤礦位于陽城縣城北東約12km北留鎮(zhèn)皇城村、溝底村、王街村一帶。批準開采3號~15號煤層,井田面積為9.6919km2,開采深度634~430m,生產(chǎn)規(guī)模1.20Mt/a,為高瓦斯礦井。礦井目前開采3號煤層,3號煤層的瓦斯含量較高,研究3號煤層的瓦斯賦存規(guī)律對礦井安全高效開采和3號煤層的瓦斯防治工作有著重要作用。
井田位于沁水盆地東翼南段,晉獲褶斷帶西側,井田總體為一走向北北東向北西西傾伏的寬緩單斜構造,地層走向北東,傾向北西,傾角約 2~4°。該區(qū)斷裂構造不發(fā)育,僅在井田西北部開采3號煤層巷道發(fā)現(xiàn)1條小型逆斷層,斷層落差6m(見圖 1)。井田內未發(fā)現(xiàn)陷落柱構造,未見巖漿巖侵入。地質構造對采區(qū)的劃分和工作面的連續(xù)推進無影響,井田構造總體屬簡單類型。
圖1 地質構造綱要圖
3號煤層是低灰、特低硫、特高發(fā)熱量無煙煤。3號煤層位于山西組下部,煤層厚5.68~6.59m,平均厚6.17m,其煤層結構簡單~復雜,含0~4層矸石。該煤層井田內全區(qū)穩(wěn)定可采,直接頂板為粉砂巖、泥巖、砂質泥巖、細粒砂巖。直接頂下常有0~0.20m的炭質泥巖及灰色泥巖偽頂,老頂為灰色細粒砂巖、泥巖互層。底板一般為泥巖、砂質泥巖、粉砂巖。根據(jù)開采設計,3號煤層布置一個生產(chǎn)能力1.20Mt/a的長壁綜采放頂工作面,工作面長度為120m。
測定3號煤層基礎瓦斯參數(shù)是研究煤層瓦斯賦存規(guī)律的關鍵,在3號煤層開采過程中對瓦斯含量和瓦斯壓力進行了測定。
采用井下直接法測定皇聯(lián)煤業(yè)3號煤層的原始瓦斯含量,測定結果如表1所示。
表1 3號煤層瓦斯含量測定結果
根據(jù)皇聯(lián)煤礦井下3號煤層的實際開采情況,無施工穿層測壓鉆孔條件,而采用順層測壓鉆孔存在封孔難度大、封孔不嚴等難題,易導致測定壓力偏低,無法反映煤層的真實瓦斯壓力。因此采用間接法測算煤層瓦斯壓力,如下表2。
表2 瓦斯含量反算瓦斯壓力表
當煤層具有露頭或者煤層處于沖積層之下時,煤層瓦斯會出現(xiàn)垂直分帶特征。煤層瓦斯帶狀分布是瓦斯治理的重要依據(jù)。根據(jù)氣體組分的差異,瓦斯垂直分帶劃分標準如表3。
表3 煤層瓦斯垂直分帶劃分標準
瓦斯風化帶下界深度可根據(jù)下列指標中的任何一項確定:
(1)煤層的相對瓦斯涌出量等于2~3m3/t處;
(2)煤層內的瓦斯組分中甲烷及重烴濃度總和達到80%(體積比);
(3)煤層內的瓦斯壓力為0.1~0.15MPa;
(4)煤的瓦斯含量達到下列數(shù)值處:
① 長焰煤 1.0~1.5 m3/t·r;
② 氣煤 1.5~2.0m3/t·r;
③ 肥煤與焦煤 2.0~2.5m3/t·r;
④ 瘦煤 2.5~3.0m3/t·r;
⑤ 貧煤 3.0~4.0m3/t·r;
⑥ 無煙煤 5.0~7.0m3/t·r。
皇聯(lián)煤業(yè)3號煤層為無煙煤,選取6m3/t·r為瓦斯風化帶下限深度確定值。根據(jù)計算,3號煤層瓦斯風化帶下限埋深為322m,計算結果見表4。
表4 3號煤層瓦斯風化帶下界深度
對皇聯(lián)煤業(yè)3號煤層瓦斯賦存條件的研究,井田總體為一走向北北東向北西西傾伏的寬緩單斜構造,該區(qū)斷裂構造不發(fā)育,僅發(fā)現(xiàn)1條小型逆斷層,未發(fā)現(xiàn)陷落柱構造,未見巖漿巖侵入,地質構造瓦斯賦存影響較小,影響煤層瓦斯賦存主控因素是煤層埋深。煤層露于地表時,瓦斯容易逸散,使得瓦斯含量和壓力較低。隨著煤層與地表距離增加,地應力增加,煤層和圍巖透氣性變小,瓦斯逸散難度增大,使得瓦斯含量和壓力較大。根據(jù)對皇聯(lián)煤業(yè)3號煤層瓦斯含量和瓦斯壓力與煤層埋藏深度的關系進行擬合,如圖2、圖3所示。
擬合后的皇聯(lián)煤業(yè)3號煤層瓦斯含量預測模型為:
y=0.0068x+2.8406
擬合后的皇聯(lián)煤業(yè)3號號煤層瓦斯壓力預測模型為:
P=0.0004x+0.0097
式中:
y-煤層瓦斯含量,m3/t;
P-煤層瓦斯壓力,MPa;
x-煤層埋深,m。
圖2 3號煤層瓦斯含量與埋深關系圖
圖3 3號煤層瓦斯壓力與埋深關系圖
圖4 3號煤層瓦斯含量和瓦斯壓力等值線圖
皇聯(lián)煤業(yè)3號煤層瓦斯賦存的主控因素是埋深,瓦斯含量和瓦斯壓力隨埋深增大而增加。3煤層瓦斯賦存規(guī)律為每增加100m埋深,瓦斯含量增加0.68m3/t,瓦斯壓力增加0.04MPa。根據(jù)3號煤層瓦斯含量及瓦斯壓力等值線圖,井田范圍內東北部瓦斯含量和壓力最大,向南部和西部逐漸減小。井田范圍內3號煤層的埋深最大值為460m,對應的3號煤層最大瓦斯含量為5.97m3/t,最大瓦斯壓力為0.194MPa。
(1)皇聯(lián)煤業(yè)井田構造總體屬簡單類型,煤層埋深是影響3號煤層瓦斯賦存的主要因素,構造只在其附近影響煤層瓦斯賦存。
(2)對皇聯(lián)煤業(yè)3煤層瓦斯賦存規(guī)律進行研究,找出埋深分別與瓦斯含量和瓦斯壓力的關系,瓦斯含量梯度為0.0068m3/(t·m),瓦斯壓力梯度為0.0004MPa/m。3號煤層最大瓦斯含量為5.97m3/t,最大瓦斯壓力為0.194MPa。瓦斯含量和瓦斯壓力整體上呈現(xiàn)“東北部大,南部小”的規(guī)律。
(3)根據(jù)皇聯(lián)煤業(yè)3煤層的瓦斯賦存規(guī)律,繪制3號煤層瓦斯含量和瓦斯壓力等值線圖,豐富了礦井瓦斯資料,為瓦斯防治工作提供依據(jù),對礦井安全生產(chǎn)具有重要指導意義。