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        西曲煤礦陷落柱發(fā)育特征及其對煤層氣開發(fā)的影響

        2019-04-09 03:19:44李瑞斌
        煤礦現(xiàn)代化 2019年3期
        關(guān)鍵詞:西曲井田煤層氣

        李瑞斌

        (西山煤電集團(tuán)有限公司西曲礦,山西 古交 030200)

        西山煤電西曲煤礦位于古交市方位335°直距0.5km處,井田東西長度是6km,南北長度是6.5km占地面積為40.693 km2。井田內(nèi)可采煤層為山西組2+3、4號煤層和太原組7、8、9號煤層,共5層煤層。礦井構(gòu)造分布具有一定的規(guī)律性,在礦井的西北部地質(zhì)構(gòu)造比較復(fù)雜,而東部相對簡單。地層走向 NW,傾向SW,傾角 3°~15°,一般為 5°左右。該井田煤層氣以及煤炭開采受到陷落柱分布于發(fā)育的很大影響。

        根據(jù)已有的實驗以及現(xiàn)場經(jīng)驗可知,陷落柱越是高度發(fā)育和密集分布時,煤層氣穩(wěn)定性以及分布均會受到較大影響。因此,對于西曲煤礦陷落柱發(fā)育特征以及分布規(guī)律的探討,在煤層氣安全開采以及最大開采化方面有著重要的意義。

        1 西曲煤礦陷落柱形成及控制因素

        陷落柱,也被稱為無炭柱,具體就是指煤田中可溶性巖層基于長時間地下水徑流作用后,逐漸被溶蝕成裂隙、較大的孔隙甚至孔洞,伴隨著上述徑流作用的強(qiáng)度及時間的加大,孔洞以及裂隙逐漸蔓延和發(fā)育,上部巖層基于地質(zhì)構(gòu)造作用以及巖層重力的共同作用最終發(fā)生垮落崩塌,形成的特殊構(gòu)造稱之為陷落柱。

        由于陷落柱形成過程復(fù)雜,因此其內(nèi)部巖石巖性以及成分也非常復(fù)雜。結(jié)合以往的研究結(jié)果得出,沁水盆地的陷落柱在其平面上呈現(xiàn)4中不同的形狀:圓形、橢圓形、長方形和不規(guī)則形;剖面上有6中不同的形狀:圓柱狀、圓錐狀、漏斗形、斜臥形、反漏斗形和不規(guī)則形。另外,依據(jù)陷落柱的發(fā)育程度及其與每層的接觸關(guān)系,將陷落柱分為3類:通天柱、半截柱和下伏柱;還可以由頂部巖石對應(yīng)的充填程度分類,即頂空柱和頂實柱。

        位于沁水盆地南部的西曲煤礦井田,根據(jù)地質(zhì)條件等因素發(fā)現(xiàn)其形成陷落柱以及控制因素有:構(gòu)造、下伏熔巖以及水動力等。

        1.1 水動力的影響

        位于西曲煤礦井田以及附近含水層根據(jù)從下到上順序依次是上馬家溝組巖溶裂隙含水層(O2s2+3)、峰峰組巖溶裂隙含水層(O2f2)、下馬家溝組巖溶裂隙含水層(O2x2+3)、奧陶系巖溶裂隙含水巖組、太原組砂巖夾薄層灰?guī)r裂隙含水巖組(C3t)、山西組砂巖裂隙含水層(P1s)、石盒子組砂巖裂隙含水層(P2s+P1x)、松散層孔隙含水層(Q)。富水性最強(qiáng)的含水巖層為奧陶系巖溶裂隙含水巖組,煤層氣開采以及煤炭回采均會受到該含水層帶來的較大影響;此外位于峰峰組含水層含水性在部分區(qū)域較強(qiáng),煤層氣開采也會因此受到一定影響。

        單斜構(gòu)造是西曲煤礦井田的最明顯地質(zhì)特征,井田內(nèi)部會聚集大量從東部流入的地下水,這也是形成陷落柱的最主要的水動力。

        1.2 下伏溶巖的影響

        西曲煤礦煤系地層有兩大發(fā)育地層,其一是山西組巖層;其二是太原組巖層。盡管太原組夾有石灰?guī)r,且具有很強(qiáng)的含水性,但是巖層很薄,不足以形成落差較大的陷落柱。差位較大的陷落柱通常多在中奧陶統(tǒng)(下馬家溝組、峰峰組及上)形成,厚度往往較大。此外,由于奧陶系石灰?guī)r與上覆含煤地層兩者距離較近,上覆地層可能會因為陷落柱的形成而被貫穿,因此煤層之間連接以及煤層頂?shù)装宸€(wěn)定狀態(tài)也可能會被破壞。因此,西曲煤礦陷落柱主要地層為奧陶系石灰?guī)r地層。

        1.3 地質(zhì)構(gòu)造的影響

        西曲井田位于太原西山向斜的北部邊緣,主要受NE、NEE向的斷裂構(gòu)造影響,西山煤田屬華北晚古生代聚煤盆地,其形成始于中石炭世,終止的時間從成煤的角度看,大致止于早二疊世晚期;而如果根據(jù)盆地發(fā)育方向來看,該煤田終止于中三疊世末。中生代燕山運(yùn)動是西山煤田構(gòu)造格局形成的直接因素,而改造主要受到了新生代喜山運(yùn)動的作用。

        奧陶系中的石灰?guī)r由于強(qiáng)烈的地質(zhì)構(gòu)造作用而發(fā)生裂隙發(fā)育現(xiàn)象,這也是含水層中水體流經(jīng)的通道,上覆巖層也會因此特殊地質(zhì)作用受到地下水帶來的溶蝕作用。隨著地下水在巖層中的長時間徑流作用,逐漸對可溶性巖層產(chǎn)生一定程度的溶蝕,進(jìn)而在巖層中形成裂隙和孔洞,如果孔洞以及裂隙發(fā)育程度不斷上升,上覆巖層會因為巖層重力以及巖層基地上升兩者作用發(fā)生坍塌與垮落現(xiàn)象,這也是陷落柱形成的直接原因。

        2 西曲煤礦陷落柱發(fā)育及分布特征

        2.1 陷落柱發(fā)育特征

        根據(jù)礦方提供的資料及實際采掘情況,西曲煤礦井田內(nèi)陷落柱大小不一,形狀各異,平面多為不規(guī)則的圓形或橢圓形。其長軸長度為11~160m,平均為45m;短軸為21~136m,平均為29m。陷落柱面積 16~16236m2,平均 1454m2??v斷面多呈錐形,柱壁角一般為75~85°,過去多采用75°?;谇叭搜芯糠治鼋Y(jié)果,將該礦區(qū)陷落柱壁角取84°左右。

        圖1 西曲煤礦已發(fā)現(xiàn)陷落柱情況

        對于西曲煤礦,由于不同巖層的堅硬程度不同,致使各層的塌陷范圍不等,所以,在不同高度,陷落柱對應(yīng)的大小以及平面形狀存在較大區(qū)別,圍巖和陷落柱的柱體兩者接觸面通常表現(xiàn)為鋸齒狀。陷落柱內(nèi)進(jìn)行充填的物體形狀雜亂,巖性也非常復(fù)雜,由砂巖、灰?guī)r等巖層構(gòu)成的巖塊,直徑較大的能達(dá)到幾米,較小的則僅僅幾毫米,泥巖、煤層等較軟弱巖層破碎成較細(xì)的顆?;蚍勰畛涮钣谑?guī)r和砂巖的塊隙之間。在其周圍煤層裂隙增多,并伴有小斷層,有些地方煤層傾角明顯增大,具牽引現(xiàn)象。

        2.2 西曲煤礦陷落柱分布特點及規(guī)律

        由西曲煤礦采掘等地質(zhì)資料可知,目前已發(fā)現(xiàn)探明陷落柱多集中在背斜、斷層以及向斜周邊,多分布在中心軸部附近;呈現(xiàn)在平面上的形狀為圓形和橢圓形,分布比較均勻,如圖2所示。井田中西部為該礦陷落柱集中分布區(qū)域,主要采區(qū)有:南三、南四、南五以及南六。整體符合分區(qū)、分帶特性。在該分布范圍內(nèi)的2+3號煤層中陷落柱的密度達(dá)到每平米15個左右;井田內(nèi)所有的為每平米4.08個,而且下組煤內(nèi)的陷落柱分布的集中程度要大于上組煤的分布密度。煤層的連續(xù)性因為受到高度發(fā)育以及高密度分布的陷落柱而造成破壞,工作面正常采掘也因此受到很大影響。當(dāng)工作面進(jìn)行回采時,常常會因為遇到陷落柱而迫使工作面搬家或繞道,增加了回采難度,浪費(fèi)資源的同時又使采掘接替變的緊張;此外當(dāng)回采越過陷落柱時往往使得采出的煤灰分上升,煤質(zhì)也因此不斷下降。

        3 陷落柱對煤層氣分布及開發(fā)的影響

        圖2 西曲煤礦8號煤層采區(qū)劃分及陷落柱系數(shù)分區(qū)圖

        3.1 陷落柱對煤層氣分布的影響

        影響煤礦煤層氣分布的因素有很多,除了煤層自身的因素之外,還有一些諸如地質(zhì)構(gòu)造、水文條件等的外在因素,煤層氣被影響的主要地質(zhì)構(gòu)造因素最重要的因素之一便是陷落柱。如果陷落柱分布情況為帶狀或者區(qū)域性時,煤層氣受到陷落柱影響多表現(xiàn)為氣體含量中,也就是說煤層氣分布受到陷落柱雙重性的影響。

        1)煤層氣通常在陷落柱附近會發(fā)生積聚現(xiàn)象。煤層氣因為陷落柱本身的特征會發(fā)生運(yùn)移現(xiàn)象,通常在陷落柱內(nèi)為由下而上。如果上部的密封性較好,況且直通表土層的孔隙和通道也不存在,這時含水層的富水性和導(dǎo)水能力就會很差,煤層氣聚集區(qū)特別容易在陷落柱內(nèi)形成。陷落柱位于表土層下通常不會形成直通地面大量的通道與孔隙,煤層氣整體賦存條件良好,集中區(qū)域主要位于陷落柱周圍。下伏類的陷落柱盡管不能夠影響煤層氣的散失,但是由于煤層下伏地層的厚度降低,另一步加劇了煤層氣壓裂排采時的潛在危險。

        2)煤田內(nèi)的煤層氣含量可能因為存在陷落柱而得到下降。煤層氣成藏在沒有形成陷落柱前通常是完整封閉的系統(tǒng);但是這個完整系統(tǒng)會受到逐漸形成的陷落柱的破壞,首先是局部破壞,緊接著不斷有斷層和裂隙發(fā)展形成,最終陷落柱變?yōu)槊簩雍蛫W陶系中石灰?guī)r兩者的貫通連接通道。如果該通道也連接了地表水、老窖水或者是地層中的強(qiáng)含水層,此時的煤層氣會受到水的流動循環(huán)作用而被轉(zhuǎn)移在各個區(qū)域。此外,通常巖層的普氏系數(shù)要比煤層大很多,當(dāng)形成陷落柱時,煤層會受到巖層的垮落作用也發(fā)生坍塌垮落,煤層會因此而變形破碎,地下水沖刷煤層的幾率也會由此上升;地層壓力也會因為形成的陷落柱而發(fā)生下降,煤層機(jī)制表明的煤層氣特別容易發(fā)生解吸現(xiàn)象,這就會迫使陷落柱周圍以及內(nèi)部游離狀態(tài)的煤層增加。綜合前文提到的各種因素作用,位于陷落柱中的煤層氣含量下降幅度很大。陷落柱類型不同對煤層氣造成的效果也是不一樣的,如煤層氣在通天型陷落柱內(nèi)會直接運(yùn)移到地表;煤層氣位于半截型的陷落柱內(nèi)并不會直接被運(yùn)移到地表,但是該陷落柱可以將煤層頂?shù)装逯苯迂灤矔鸬酵瑯拥男Ч?,使煤層氣隨著地下水的流動發(fā)生運(yùn)移擴(kuò)散。

        西曲煤礦已發(fā)現(xiàn)的陷落柱通常垂直穿過各煤層,即在陷落柱存在區(qū)域附近各煤層呈連通狀態(tài),位于巖層煤層周邊的應(yīng)力會因為陷落柱的存在而得到釋放,煤層氣成藏的封閉系統(tǒng)也因此得到分解從而擴(kuò)散到附近位置。因此煤層氣聚集程度因為陷落柱的出現(xiàn)而發(fā)生較大幅度的下降。該礦區(qū)井田8#煤層尤其是南部、東部對應(yīng)的煤層氣含量很高,密度已經(jīng)超過了17m3/t,然而位于東部附近位置對應(yīng)的煤層氣密度較低。因此,西曲煤礦8#煤層對應(yīng)的煤層氣含量受到陷落柱作用而產(chǎn)生較大的影響。

        此外,基于現(xiàn)場實測的地質(zhì)等資料可知,該礦區(qū)內(nèi)的位于某采區(qū)工作面中陷落柱周邊巷道處的煤壁中,有陷落柱處測得的瓦斯含量為6.11~6.45m3/t,而無陷落柱處測得的瓦斯含量為12.39m3/t。這充分說明,瓦斯排放與陷落柱存在存在正向相關(guān)作用。當(dāng)煤層氣在抽采時碰到地層中的陷落柱時,抽采效果會因此下降,發(fā)生工程事故,由此帶來較大的經(jīng)濟(jì)損失。

        當(dāng)陷落柱位于煤層氣井壓裂過程當(dāng)中,會因為陷落柱而造成一定影響。通常將排水降壓技術(shù)運(yùn)用到煤層氣地面排水中,如果此時陷落柱與壓裂的煤層氣井互相貫通,不但抽排水為外來水,而且會導(dǎo)致排采降壓受阻,煤層氣壓裂井極易出現(xiàn)產(chǎn)水量大、氣少的現(xiàn)象,最終導(dǎo)致整個抽采工程的失敗。

        由上文分析可知,西曲煤礦內(nèi)部的陷落柱絕大多數(shù)都是處在奧灰?guī)r層與煤系地層兩者中間,雖然自然狀態(tài)中的陷落柱不導(dǎo)水,但是其導(dǎo)水性能處于回采動壓情況時也會發(fā)生改變,因此煤系地層和奧灰水巖層兩者常常因為陷落柱而被貫通。

        4 結(jié)論

        西曲煤礦陷落柱的分布特點為:呈散狀分布于井田斷層、向斜及背斜附近,呈圓形或橢圓形,具有整齊分散排列出現(xiàn)的特征。陷落柱的分布特征及規(guī)律影響著西曲煤礦煤層氣的分布與開發(fā)。

        1)西曲煤礦陷落柱的分布特征對8號煤層的煤層氣含量影響較大,陷落柱周邊區(qū)域內(nèi)煤層氣含量降低;

        2)陷落柱倘若貫通煤系地層與奧灰水巖層,將會對煤層氣鉆井、壓裂及其抽采產(chǎn)生不良的影響;

        3)只有精準(zhǔn)掌握井田內(nèi)煤層氣的分布特征及情況,同時制定相對合理可行的技術(shù)措施,西曲煤礦將來在煤層氣的開發(fā)工程中才能取得成功。

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