樊進(jìn)朝
(山西陽(yáng)城皇城相府集團(tuán)皇聯(lián)煤業(yè)有限公司,山西 晉城 048000)
山西陽(yáng)城皇城相府集團(tuán)皇聯(lián)煤業(yè)有限公司煤礦位于陽(yáng)城縣城北東約12km北留鎮(zhèn)皇城村、溝底村、王街村一帶。批準(zhǔn)開(kāi)采3號(hào)~15號(hào)煤層,井田面積為9.6919km2,開(kāi)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(kāi)采3號(hào)煤層,3號(hào)煤層的瓦斯含量較高,研究3號(hào)煤層的瓦斯賦存規(guī)律對(duì)礦井安全高效開(kāi)采和3號(hào)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(cè),井田總體為一走向北北東向北西西傾伏的寬緩單斜構(gòu)造,地層走向北東,傾向北西,傾角約 2~4°。該區(qū)斷裂構(gòu)造不發(fā)育,僅在井田西北部開(kāi)采3號(hào)煤層巷道發(fā)現(xiàn)1條小型逆斷層,斷層落差6m(見(jiàn)圖 1)。井田內(nèi)未發(fā)現(xiàn)陷落柱構(gòu)造,未見(jiàn)巖漿巖侵入。地質(zhì)構(gòu)造對(duì)采區(qū)的劃分和工作面的連續(xù)推進(jìn)無(wú)影響,井田構(gòu)造總體屬簡(jiǎn)單類(lèi)型。
圖1 地質(zhì)構(gòu)造綱要圖
3號(hào)煤層是低灰、特低硫、特高發(fā)熱量無(wú)煙煤。3號(hào)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(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單~復(fù)雜,含0~4層矸石。該煤層井田內(nèi)全區(qū)穩(wěn)定可采,直接頂板為粉砂巖、泥巖、砂質(zhì)泥巖、細(xì)粒砂巖。直接頂下常有0~0.20m的炭質(zhì)泥巖及灰色泥巖偽頂,老頂為灰色細(xì)粒砂巖、泥巖互層。底板一般為泥巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖。根據(jù)開(kāi)采設(shè)計(jì),3號(hào)煤層布置一個(gè)生產(chǎn)能力1.20Mt/a的長(zhǎng)壁綜采放頂工作面,工作面長(zhǎng)度為120m。
測(cè)定3號(hào)煤層基礎(chǔ)瓦斯參數(shù)是研究煤層瓦斯賦存規(guī)律的關(guān)鍵,在3號(hào)煤層開(kāi)采過(guò)程中對(duì)瓦斯含量和瓦斯壓力進(jìn)行了測(cè)定。
采用井下直接法測(cè)定皇聯(lián)煤業(yè)3號(hào)煤層的原始瓦斯含量,測(cè)定結(jié)果如表1所示。
表1 3號(hào)煤層瓦斯含量測(cè)定結(jié)果
根據(jù)皇聯(lián)煤礦井下3號(hào)煤層的實(shí)際開(kāi)采情況,無(wú)施工穿層測(cè)壓鉆孔條件,而采用順層測(cè)壓鉆孔存在封孔難度大、封孔不嚴(yán)等難題,易導(dǎo)致測(cè)定壓力偏低,無(wú)法反映煤層的真實(shí)瓦斯壓力。因此采用間接法測(cè)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(dāng)煤層具有露頭或者煤層處于沖積層之下時(shí),煤層瓦斯會(huì)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(biāo)準(zhǔn)如表3。
表3 煤層瓦斯垂直分帶劃分標(biāo)準(zhǔn)
瓦斯風(fēng)化帶下界深度可根據(jù)下列指標(biāo)中的任何一項(xiàng)確定:
(1)煤層的相對(duì)瓦斯涌出量等于2~3m3/t處;
(2)煤層內(nèi)的瓦斯組分中甲烷及重?zé)N濃度總和達(dá)到80%(體積比);
(3)煤層內(nèi)的瓦斯壓力為0.1~0.15MPa;
(4)煤的瓦斯含量達(dá)到下列數(shù)值處:
① 長(zhǎng)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(wú)煙煤 5.0~7.0m3/t·r。
皇聯(lián)煤業(yè)3號(hào)煤層為無(wú)煙煤,選取6m3/t·r為瓦斯風(fēng)化帶下限深度確定值。根據(jù)計(jì)算,3號(hào)煤層瓦斯風(fēng)化帶下限埋深為322m,計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。
表4 3號(hào)煤層瓦斯風(fēng)化帶下界深度
對(duì)皇聯(lián)煤業(yè)3號(hào)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(gòu)造,該區(qū)斷裂構(gòu)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(gòu)造,未見(jiàn)巖漿巖侵入,地質(zhì)構(gòu)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(shí),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(yīng)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(duì)皇聯(lián)煤業(yè)3號(hào)煤層瓦斯含量和瓦斯壓力與煤層埋藏深度的關(guān)系進(jìn)行擬合,如圖2、圖3所示。
擬合后的皇聯(lián)煤業(yè)3號(hào)煤層瓦斯含量預(yù)測(cè)模型為:
y=0.0068x+2.8406
擬合后的皇聯(lián)煤業(yè)3號(hào)號(hào)煤層瓦斯壓力預(yù)測(cè)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(hào)煤層瓦斯含量與埋深關(guān)系圖
圖3 3號(hào)煤層瓦斯壓力與埋深關(guān)系圖
圖4 3號(hào)煤層瓦斯含量和瓦斯壓力等值線(xiàn)圖
皇聯(lián)煤業(yè)3號(hào)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(hào)煤層瓦斯含量及瓦斯壓力等值線(xiàn)圖,井田范圍內(nèi)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(nèi)3號(hào)煤層的埋深最大值為460m,對(duì)應(yīng)的3號(hào)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(gòu)造總體屬簡(jiǎn)單類(lèi)型,煤層埋深是影響3號(hào)煤層瓦斯賦存的主要因素,構(gòu)造只在其附近影響煤層瓦斯賦存。
(2)對(duì)皇聯(lián)煤業(yè)3煤層瓦斯賦存規(guī)律進(jìn)行研究,找出埋深分別與瓦斯含量和瓦斯壓力的關(guān)系,瓦斯含量梯度為0.0068m3/(t·m),瓦斯壓力梯度為0.0004MPa/m。3號(hào)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(hào)煤層瓦斯含量和瓦斯壓力等值線(xiàn)圖,豐富了礦井瓦斯資料,為瓦斯防治工作提供依據(jù),對(duì)礦井安全生產(chǎn)具有重要指導(dǎo)意義。