段宏躍, 張富明, 馬玉龍, 李鵬飛, 謝衛(wèi)東
(1.山西煤炭地質(zhì)物探測繪研究院, 山西 晉中 030600; 2.中國礦業(yè)大學(xué) 資源與地球科學(xué)學(xué)院, 江蘇 徐州 221116)
瓦斯是指賦存于煤層中成分包括N2、CH4、CO2和其他氣體的復(fù)合物,當(dāng)CH4的相對(duì)濃度介于一定范圍(5%~16%),具有爆炸危險(xiǎn)性[1-2]。礦井開采過程中,隨煤層深度的增加,地應(yīng)力也隨之增加,采掘工作的進(jìn)行會(huì)使得煤巖體破碎,瓦斯大量解吸,急劇運(yùn)動(dòng)噴涌而出,也就是通常所說的“煤與瓦斯突出”事件,遇明火極易發(fā)生爆炸,其與水災(zāi)、火災(zāi)、煤塵和頂板事故并成為煤礦“五大災(zāi)害”[3-5]。經(jīng)王東升[6]統(tǒng)計(jì),我國2001—2010年期間所公布的煤礦瓦斯災(zāi)害事件達(dá)2 308起,災(zāi)害類型包括瓦斯爆炸、瓦斯突出和瓦斯中毒窒息等,造成上萬人死亡。其中2005年2月阜新礦業(yè)集團(tuán)海州立井發(fā)生特大瓦斯爆炸事故造成214人死亡,同年12月,唐山市劉官屯煤礦發(fā)生井下瓦斯爆炸,造成了91人死亡,17人下落不明的嚴(yán)重后果。因而,煤礦開采過程中需重視瓦斯災(zāi)害的防治工作。王麒翔等、秦玉金等和馬晟翔等認(rèn)為礦井瓦斯含量受埋深、煤厚和地層傾角等多因素共同控制[7-9];董國偉等、楊海和范立民等認(rèn)為構(gòu)造類型、復(fù)雜程度和圍巖性質(zhì)控制著瓦斯賦存條件,影響煤與瓦斯突出的危險(xiǎn)性[10-12];曹田勇研究得出水文地質(zhì)條件對(duì)瓦斯賦存同樣有重要影響,認(rèn)為煤層與地下水的溝通有助于瓦斯的散失和排放[13];蔣靜宇等、徐傳偉等和于文龍等研究得出巖漿侵入與巖漿巖展布特征同樣控制著瓦斯的形成、富集和保存過程[14-16]。
大同煤田同忻礦發(fā)育侏羅紀(jì)和石炭—二疊紀(jì)多套煤層,采掘過程中存在瓦斯涌出事件,具有一定的瓦斯突出危險(xiǎn)性,因此為保證礦井安全生產(chǎn)工作的進(jìn)行,本次研究基于井田地質(zhì)資料,采集62口鉆孔共214個(gè)瓦斯氣樣,以開采實(shí)測數(shù)據(jù)為依據(jù),以實(shí)驗(yàn)測試為手段,以理論分析為方法,分析了瓦斯氣體主要成分及含量特征,劃分了各個(gè)煤層的瓦斯帶類型,厘定了礦井瓦斯類型,探討了瓦斯賦存影響因素及影響機(jī)理,預(yù)測了煤層瓦斯突出危險(xiǎn)性,提出了煤層開采注意事項(xiàng),研究結(jié)果對(duì)于大同煤田同忻礦的安全生產(chǎn)具有一定的理論意義。
大同煤田位于山西地臺(tái)北端呂梁山北部的黃土高原,周圍群山環(huán)繞,東南部為口泉山、東北部為雷公山、西部為西石山、西南部為洪濤山、西北部為牛心山[17]。同忻井田位于大同市西南方,大同煤田北部,區(qū)內(nèi)出露地層較新,大多為侏羅系(圖1),為侏羅紀(jì)和石炭—二疊紀(jì)雙紀(jì)煤田,但礦區(qū)為石炭—二疊紀(jì)礦井,發(fā)育上石炭統(tǒng)太原組和下二疊統(tǒng)山西組兩套含煤建造,共含煤13層,地層平均總厚約113 m,煤厚平均24.62 m,含煤系數(shù)高于20%,其中3-5#和8#煤層為主采煤層。構(gòu)造上,大同煤田處于天山—陰山緯向構(gòu)造體系及華夏系和新華夏系的北東—北北東向構(gòu)造體系的結(jié)合部位,區(qū)內(nèi)主要受北東—南西向展布的大同向斜控制,同忻井田位于大同向斜的南東翼,區(qū)內(nèi)大—中型斷裂構(gòu)造發(fā)育,多為拉張性正斷層,此外研究區(qū)南部發(fā)育3條大型褶皺,呈“兩向夾一背”特征分布。
圖1 同忻礦構(gòu)造位置及見煤鉆孔分布特征
本次研究共調(diào)研鉆孔62口,采集瓦斯氣樣214個(gè),其中山4#煤層18個(gè),2#煤層8個(gè),3-5#煤層53個(gè),8#煤層44個(gè)和9#煤層7個(gè),采樣點(diǎn)密度達(dá)0.7點(diǎn)/km2,選用地勘瓦斯解析儀和瓦斯罐現(xiàn)場采樣,做好密閉性處理。室內(nèi)脫氣測試分析實(shí)驗(yàn)選用PE/XL型氣相色譜儀,并配備真空脫氣裝置(圖2),相關(guān)實(shí)驗(yàn)在山西省地質(zhì)礦產(chǎn)研究院嚴(yán)格依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)完成。
圖2 PE型氣相色譜儀
瓦斯自然成分測試結(jié)果顯示氣體成分以N2、CH4和CO2為主,含少量C2-C8烴類氣體(表1),總而言瓦斯中CH4相對(duì)含量介于0.00~79.70%之間,山4#煤中平均為35.39%,2#煤中平均為17.19%,3-5#煤中平均為24.06%,8#煤中平均為35.04%,9#煤中平均為11.85%;瓦斯中CO2相對(duì)含量介于0.00~42.68%之間,山4#煤中平均為6.62%,2#煤中平均為6.24%,3-5#煤中平均8.76%,8#煤中平均為5.52%,9#煤中平均為6.63%;依據(jù)瓦斯分帶標(biāo)準(zhǔn)劃分,本區(qū)各煤層瓦斯采樣深度一般在300~500 m之間,干燥無灰基瓦斯中CH4含量計(jì)算結(jié)果大多在2 mL/g以下,成分中CH4相對(duì)含量小于80%,CO2小于20%,且本區(qū)揭露所采瓦斯樣的煤層均處于瓦斯風(fēng)化帶之內(nèi),各煤層瓦斯帶劃分如下:
表1 瓦斯成分測試結(jié)果
山4#煤為N2-CH4帶和N2帶;2#煤層中包括N2-CH4帶和N2帶;3-5#煤層中包括N2-CH4帶、N2帶和CO2-N2帶;8#煤層中包括N2-CH4帶和N2帶;9#煤層中包括N2-CH4帶和N2帶。
根據(jù)本區(qū)瓦斯樣測定CH4含量最高為2.48 m3/t,礦井瓦斯類型應(yīng)屬于簡單,2012年度礦井瓦斯等級(jí)和CO2涌出量鑒定結(jié)果只有絕對(duì)涌出量,年度絕對(duì)涌出量為27.25 m3/min,回采瓦斯最大絕對(duì)涌出量為4.79 m3/min,掘進(jìn)瓦斯最大絕對(duì)涌出量為1.47 m3/min,CO2絕對(duì)涌出量為16.01 m3/min,批復(fù)等級(jí)為高瓦斯礦井;2014年同忻礦全礦瓦斯與CO2涌出量測定結(jié)果為:絕對(duì)瓦斯涌出量為39.57 m3/min,相對(duì)瓦斯涌出量為1.47 m3/t;采面最大絕對(duì)涌出量為10.21 m3/min,掘進(jìn)面最大絕對(duì)涌出量為3.36 m3/min,鑒定為高瓦斯礦井;2015年同忻礦全礦瓦斯與CO2涌出量測定結(jié)果為:礦井瓦斯絕對(duì)涌出量為50.53 m3/min,瓦斯相對(duì)涌出量為1.50 m3/t,采面最大絕對(duì)涌出量為13.69 m3/min,掘進(jìn)面最大絕對(duì)涌出量為5.27 m3/min,鑒定為高瓦斯礦井;2016年同忻礦全礦瓦斯與CO2涌出量測定結(jié)果為:礦井瓦斯絕對(duì)涌出量為64.01 m3/min,瓦斯相對(duì)涌出量為1.98 m3/t,采面最大絕對(duì)涌出量為23.63 m3/min,掘進(jìn)面最大絕對(duì)涌出量為4.08 m3/min,鑒定為高瓦斯礦井;基于此,同忻礦定位高瓦斯礦井。
同忻井田構(gòu)造上位于大同向斜東翼,井田地層展布特征多為寬緩的單斜,傾角介于2°~20°之間,相對(duì)而言,井田東南部傾角較大。構(gòu)造軸跡總體沿北東—北北東向延伸,包括斷裂、褶皺、巖漿巖展布等,于井田內(nèi)部占絕對(duì)優(yōu)勢(shì),符合燕山期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的應(yīng)力場特征。經(jīng)統(tǒng)計(jì),井田內(nèi)部共揭露斷層55條,其中正斷層54條,逆斷層僅見1條(圖3)。不同類型斷層對(duì)應(yīng)不同地應(yīng)力條件,對(duì)瓦斯保存的影響也因之各異,正斷層屬于拉張性構(gòu)造,斷層面附近應(yīng)力集中煤體、巖體破碎、導(dǎo)通裂隙發(fā)育、滲透率明顯增大、壓力梯度小、破壞了煤巖體的完整性和氣體巖性圈閉條件,且研究區(qū)內(nèi)斷裂以拉張性為主,利于游離態(tài)甲烷釋放及吸附態(tài)甲烷的脫附過程的進(jìn)行;而逆斷層為壓扭性構(gòu)造,斷層面附近同樣為應(yīng)力集中區(qū),裂隙發(fā)育,但有別于前者,此類裂隙多為封閉性構(gòu)造,瓦斯難以大量迅速的透過斷層面運(yùn)移散失,利于構(gòu)造圈閉的形成,使得其附近瓦斯保存條件較好。
褶皺構(gòu)造是氣體富集的主要場所,一般而言,“向斜控氣,構(gòu)造高點(diǎn)成藏”。研究區(qū)內(nèi)發(fā)育刁窩嘴向斜、韓家窯背斜和北羊路向斜3條大型褶皺(圖3),此外,伴生一定量的次生小型褶曲。前文提及研究區(qū)地層傾角小,多為寬緩的單斜,這樣一來瓦斯的保存條件較好,以橫向運(yùn)移為主,沿煤田兩翼流向地表散失,垂向上散失作用微弱,總體而言,不利于瓦斯散失和排放;對(duì)比于各構(gòu)造點(diǎn)位的瓦斯含量測試結(jié)果,高瓦斯區(qū)多位于向斜軸部、背斜鞍部、鼻狀構(gòu)造的傾斜端及“S”型背斜轉(zhuǎn)折端等。此外,井田東部邊緣煤層出露地表,且露頭區(qū)附近的地層傾角大,瓦斯易于沿層理面或面割理等裂隙發(fā)生順層向上散失作用,區(qū)域測試結(jié)果顯示,瓦斯中CH4含量多小于0.50 mL/g(干燥無灰基),CH4相對(duì)含量在10%以下,明顯低于西部和中—北部的測試結(jié)果,沿井田中-西部和北部方向,煤層傾角逐漸變緩,與露頭區(qū)距離漸遠(yuǎn),瓦斯保存條件編號(hào),導(dǎo)致了瓦斯中CH4的相對(duì)含量增高。
井田開掘過程中在井田東部共揭露了12個(gè)陷落柱,性質(zhì)多為巖溶陷落柱,包括圓形、橢圓形、葫蘆形、長條形及不規(guī)則狀,橢圓和長條形陷落柱與斷裂延伸特征類似,多沿北東—南西向展布(圖3)。以上陷落柱均為侏羅系煤層開采中揭露,推測其極可能延伸至石炭系煤層,陷落柱對(duì)煤層瓦斯賦存同樣存在兩方面影響,其一,若陷落柱空間溝通導(dǎo)水裂隙帶、透水含水層、地表水體或老窯積水,導(dǎo)致煤礦開采中水體流量大,而瓦斯含量低的特點(diǎn),水體流動(dòng)驅(qū)動(dòng)裂隙和孔隙中的瓦斯發(fā)生運(yùn)移,同時(shí)水中可溶解一定量的瓦斯攜帶其流動(dòng),散失量較大避免了瓦斯的大規(guī)模富集;另一方面,若陷落柱空間的封閉條件較好,常隱伏于致密基巖之下,不存在與地面或地表水體溝通的開放性通道,為瓦斯富集提供儲(chǔ)集空間,形成巖性—構(gòu)造符合圈閉,瓦斯難以散失。
圖3 同忻礦構(gòu)造發(fā)育特征
埋深是影響瓦斯賦存的主要地質(zhì)條件之一,隨埋深的增加,地層溫度、壓力和封閉性能等環(huán)境條件相應(yīng)發(fā)生變化。因此,本次研究繪制了埋深與瓦斯含量相關(guān)性散點(diǎn)圖,發(fā)現(xiàn)二者呈線性正相關(guān)關(guān)系(R2=0.554 03),瓦斯含量隨埋深的增大而變高(圖4)。煤巖中CH4的吸附曲線符合Ⅰ型吸附等溫線特征,曲線初始階段隨壓力的提升吸附量迅速增大,隨后曲線上升速度變緩,逐漸達(dá)到飽和狀態(tài)(圖5)。
圖4 瓦斯含量與煤層埋深相關(guān)性散點(diǎn)圖
圖5 煤巖中CH4吸附等溫線[18]
而溫度的升高不利于煤巖中CH4吸附過程的進(jìn)行,呈明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系[19]。埋深的增大氣藏的封閉條件同樣變好,王世謙等認(rèn)為當(dāng)埋深<500 m時(shí),氣藏保存條件較差,一般不將其列為重點(diǎn)區(qū)域[20]。測試樣品取樣位置埋深介于300~1 000 m之間,多數(shù)點(diǎn)位埋深大于500 m,因此需將埋深列為重點(diǎn)影響因素之一。結(jié)合研究區(qū)樣品特征,正常壓力梯度(靜水壓力)下,地層壓力小于10 MPa,此時(shí),煤巖中的氣體吸附作用一般未達(dá)到平衡狀態(tài),壓力的正方向影響權(quán)重要遠(yuǎn)高于煤巖溫度的影響,故而壓力、溫度、埋深作用雜糅,三者相關(guān)耦合總體上造成了以上的相關(guān)性特征。
地質(zhì)歷史過程中,研究區(qū)曾發(fā)生多期巖漿侵入,主采煤層3-5#和8#煤層中煌斑巖大面積侵入,產(chǎn)狀以巖墻為主,主要分布于井田東部和井田西部區(qū)域,其侵入破壞了煤層的原有厚度和煤體結(jié)構(gòu),同時(shí)使得接觸帶區(qū)域放任煤巖變質(zhì)程度增高,煤類由正常演化階段的氣煤或1/3焦煤轉(zhuǎn)變?yōu)樨毭汉蜔o煙煤;瓦斯含量及成分變化同樣較大,其中受巖漿中揮發(fā)分成分的影響,瓦斯中CO2相對(duì)含量明顯增大,重?zé)N含量增加。另一方面,通過巖漿巖手標(biāo)本觀測發(fā)現(xiàn),其風(fēng)化嚴(yán)重,以碳酸鹽化作用為主,此外,發(fā)生接觸變質(zhì)作用的煤巖中裂隙和孔隙中均有不同程度碳酸鹽充填,說明區(qū)域內(nèi)風(fēng)化作用強(qiáng),瓦斯散失量大,且CH4相對(duì)含量一般低于正常煤煤巖瓦斯中。
本次研究中以揮發(fā)分產(chǎn)率表征煤巖煤化程度,揮發(fā)分產(chǎn)率愈低,煤化程度愈高,反之則愈低[21]。巖漿侵入?yún)^(qū)煤巖樣品的揮發(fā)分產(chǎn)率明顯低于無巖漿巖區(qū)(圖6和圖7),代表受巖漿熱作用影響煤化程度較高。巖漿侵入?yún)^(qū)揮發(fā)分產(chǎn)率與瓦斯含量總體呈線性負(fù)相關(guān)關(guān)系(R2=0.426 11)(圖6),說明區(qū)域內(nèi)高煤化程度和巖漿侵入有利于瓦斯的富集,一方面巖漿侵入過程使得地層增溫,部分煤層已變質(zhì)為天然焦,區(qū)域內(nèi)煤巖生烴能力顯著增強(qiáng),益于氣源充注,另一方面巖漿侵入,形成的巖墻、巖株和巖脈等封堵了原有裂隙同樣使得封閉條件變好,總體而言巖漿的侵入瓦提升了區(qū)域內(nèi)圈閉品質(zhì)。
圖6 巖漿侵入?yún)^(qū)瓦斯含量與煤巖揮發(fā)分產(chǎn)率相關(guān)性散點(diǎn)圖
而無巖漿巖區(qū),揮發(fā)分產(chǎn)率相對(duì)較高主體位于25%~45%,煤化程度相對(duì)較低,揮發(fā)分產(chǎn)率與瓦斯含量無明顯相關(guān)性,散點(diǎn)分布雜亂,難以直觀體現(xiàn)煤化程度對(duì)于瓦斯賦存的影響(圖7)。一般而言,隨煤化程度的提升,煤巖中有機(jī)質(zhì)熱成熟度提升,生烴作用增強(qiáng),煤巖中微、納米級(jí)孔隙更為發(fā)育,對(duì)于氣體的吸附能力和儲(chǔ)集能力都有較大提升。陳洋等認(rèn)為煤巖變質(zhì)程度對(duì)瓦斯賦存有重要影響,相同壓力下,煤化程度越大,氣體儲(chǔ)存能力越強(qiáng);范衡等的研究結(jié)果同樣表明揮發(fā)分與瓦斯含量相關(guān)性擬合,近似為雙曲線的一支,同樣呈負(fù)相關(guān)關(guān)系;李滿貴等同樣得出類似的研究結(jié)果[21-23]。而本次研究中出現(xiàn)相關(guān)性不明顯情況,分析是由于多因素相關(guān)雜糅,取樣點(diǎn)位受壓力溫度構(gòu)造條件共同影響造成的。
圖7 無巖漿區(qū)瓦斯含量與煤巖揮發(fā)分產(chǎn)率相關(guān)性散點(diǎn)圖
上文中分析了研究區(qū)構(gòu)造發(fā)育特征、煤層展布特征及樣品煤化程度等因素對(duì)于瓦斯賦存的影響,而瓦斯對(duì)于礦井安全的危害在于采掘過程中的突出事件,故而統(tǒng)計(jì)了采掘過程中日產(chǎn)3 000 t時(shí)的絕對(duì)涌出量實(shí)測值,發(fā)現(xiàn)涌出量值介于0~25 m3/min之間,并探討上覆基巖厚度的影響(圖8)。通常而言上覆基巖厚度的影響與埋深類似,僅存在古近系及第四系松散堆積物的厚度區(qū)別,絕對(duì)瓦斯涌出量與上覆基巖厚度總體呈線性正相關(guān)關(guān)系(R2=0.535 15),隨上覆基巖厚度的增大瓦斯涌出量隨之增加,相對(duì)于埋深的影響,上覆基巖厚度增大,一方面使得煤巖的氣體吸附能力增強(qiáng),另一方面基巖厚度大,延伸廣,穩(wěn)定性好,對(duì)于氣體的封蓋能力更強(qiáng),故而涌出量更高。此外,根據(jù)目前開采階段的瓦斯涌出量資料,礦井的絕對(duì)瓦斯涌出量大,相對(duì)瓦斯涌出量則較小,可知產(chǎn)量也是造成絕對(duì)瓦斯涌出量大的主要因素之一,因此在采掘過程中,要注意加大配風(fēng)和加強(qiáng)通風(fēng)管理,防止瓦斯超限,尤其是對(duì)于深埋藏煤層的開采。
圖8 絕對(duì)瓦斯涌出量與上覆基巖厚度相關(guān)性散點(diǎn)圖
煤與瓦斯突出是多因素疊加影響下的一種復(fù)雜的動(dòng)力現(xiàn)象,在煤體結(jié)構(gòu)遭受破壞的構(gòu)造煤區(qū)域發(fā)生危險(xiǎn)性較大,突出過程中伴隨數(shù)倍于煤層的原始瓦斯含量的瓦斯噴出[4],表明構(gòu)造煤與高能瓦斯和煤與瓦斯突出過程密切相關(guān),構(gòu)造煤是發(fā)生煤與瓦斯突出的物質(zhì)基礎(chǔ),而高能瓦斯則是煤與瓦斯突出的主要能源,可追溯為地質(zhì)構(gòu)造控制著煤層瓦斯的賦存,控制著煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性,故而將高能瓦斯與一定厚度的構(gòu)造煤的疊加區(qū)域列為煤與瓦斯突出危險(xiǎn)區(qū)。本次研究中參考前人研究成果,選取了瓦斯放散初速度(ΔP)、煤的堅(jiān)固性系數(shù)(f)和煤層瓦斯壓力(P)等參數(shù),依據(jù)礦區(qū)實(shí)測資料和《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》確定以各種指標(biāo)的突出危險(xiǎn)性臨界值(表2),預(yù)測了研究區(qū)主采煤層3-5#煤層的瓦斯突出危險(xiǎn)性,將達(dá)到或超過其臨界值時(shí)的各區(qū)域該煤層視為突出危險(xiǎn)煤層。
表2 預(yù)測煤層突出危險(xiǎn)性單項(xiàng)指標(biāo)
研究區(qū)3-5#煤層中瓦斯放散初速度ΔP、煤的堅(jiān)固性系數(shù)f和煤層瓦斯壓力P (MPa)均符合《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》規(guī)定中的無突出危險(xiǎn)性指標(biāo)范圍臨界值(表3),故而認(rèn)為其突出危險(xiǎn)性較小,即采掘過程中保證通風(fēng)系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn),特別是深埋藏煤層,保證生產(chǎn)工作的正常進(jìn)行及井工生命財(cái)產(chǎn)安全。
表3 研究區(qū)3-5#煤層瓦斯突出危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)結(jié)果
本次研究分析了同忻礦瓦斯類型,并結(jié)合礦井構(gòu)造特征、煤巖展布特征和巖漿巖等探討了瓦斯賦存的影響因素,探討了突出危險(xiǎn)性,主要得出以下幾點(diǎn)認(rèn)識(shí):
1)瓦斯成分以N2、CH4和CO2為主,山4#煤為N2-CH4帶和N2帶,2#煤層中包括N2-CH4帶和N2帶,3-5#煤層中包括N2-CH4帶、N2帶和CO2-N2帶,8#煤層中包括N2-CH4帶和N2帶,9#煤層中包括N2-CH4帶和N2帶;基于2012—2016年同忻礦全礦瓦斯與CO2涌出量測定結(jié)果,將其定為高瓦斯礦井。
2)研究區(qū)斷裂性質(zhì)多為正斷層,利于瓦斯氣體的垂向運(yùn)移和散失;向斜軸部、背斜鞍部、鼻狀構(gòu)造的傾斜端及“S”型背斜轉(zhuǎn)折端等構(gòu)造部位易于瓦斯的富集保存,靠近露頭區(qū)位置則利于瓦斯氣體與大氣溝通,及時(shí)散失;封閉性陷落柱為瓦斯賦存提供儲(chǔ)集空間,而與導(dǎo)水裂隙帶聯(lián)通的陷落柱則利于瓦斯氣體的散失。
3)瓦斯含量與煤層埋深呈正相關(guān)關(guān)系,與巖漿侵入?yún)^(qū)煤樣揮發(fā)分呈明顯負(fù)相關(guān)關(guān)系,而無巖漿巖區(qū),揮發(fā)分與瓦斯含量無明顯相關(guān)性;日采3 000 t時(shí)的瓦斯涌出量與上覆基巖厚度呈線性正相關(guān)關(guān)系,即煤層埋深越大,突出危險(xiǎn)性越高;基于多因素的瓦斯突出危險(xiǎn)性預(yù)測結(jié)果表明,研究區(qū)突出危險(xiǎn)性較小。