劉小鵬,王永紅,雷東記
(1.山西潞安礦業(yè)集團(tuán)慈林山煤業(yè)有限責(zé)任公司夏店煤礦, 山西 長(zhǎng)治市 046000;2.河南理工大學(xué), 河南 焦作市 454000)
我國(guó)煤礦瓦斯治理實(shí)施“可保盡保,應(yīng)抽盡抽”的戰(zhàn)略舉措取得了良好的安全效果[1-2],因此,瓦斯抽采措施是瓦斯治理重點(diǎn)工作之一[3-6],瓦斯治理工作要做到安全高效,瓦斯抽采技術(shù)要具有合理性和針對(duì)性,就必須了解煤層瓦斯的基本參數(shù)。本文通過(guò)對(duì)瓦斯參數(shù)的測(cè)定,分析瓦斯參數(shù)與地質(zhì)參數(shù)的關(guān)系,利用瓦斯地質(zhì)理論,分單元研究了瓦斯賦存規(guī)律,為礦井的通風(fēng)設(shè)計(jì)、瓦斯抽采設(shè)計(jì)和瓦斯防治工作提供了科學(xué)依據(jù)。
31采區(qū)3號(hào)煤層呈現(xiàn)西深、東淺、東南陡的賦存特征。3號(hào)煤層底板總體形態(tài)為一向北西傾的單斜構(gòu)造,地層總體產(chǎn)狀較平緩,傾角3°~9°,局部(東南部)較陡,達(dá)15°~18°。同時(shí)區(qū)內(nèi)尚發(fā)育多個(gè)斷裂構(gòu)造(DF1-DF5),及次一級(jí)的褶曲(S1向斜和S2背斜)波狀起伏。3號(hào)煤層最淺處在區(qū)內(nèi)東南部邊界附近,底板標(biāo)高約為+495 m,最深處在區(qū)內(nèi)西部,底板標(biāo)高約+320 m。3號(hào)煤埋深約在505 m~680 m。
31采區(qū)內(nèi)S1向斜影響著采區(qū)內(nèi)瓦斯賦存特征??拷蛐陛S部,應(yīng)力集中,含量較大,如鉆孔ZK3-3,地勘鉆孔瓦斯含量為13.29 cm3/g,向斜一翼煤層抬升,傾角變大,易于形成瓦斯解吸通道,瓦斯有所降低,如鉆孔0709,地勘鉆孔瓦斯含量為10.41 cm3/g,鉆孔0804,地勘鉆孔瓦斯含量為11.18 cm3/g,見(jiàn)表1。
表1 褶皺構(gòu)造與瓦斯含量關(guān)系
31采區(qū)3號(hào)煤層共展布NNW、NNE向斷層5條,其中正斷層4條,逆斷層1條。NNE采區(qū)內(nèi)主控構(gòu)造方向,其中NNE向的斷層DF1為逆斷層,斷裂斷面多為密閉性,為壓性斷層,附近瓦斯含量相對(duì)較高。因此,在 31采區(qū)內(nèi)進(jìn)行采掘活動(dòng)時(shí)應(yīng)著重對(duì)待斷層附近的瓦斯賦存情況。
31采區(qū)瓦斯地質(zhì)規(guī)律如下:
(1)主體構(gòu)造為 NNE、NNW 向的褶皺和斷層,主控構(gòu)造為S1向斜和DF1逆斷層;
(2)斷層尖滅處和構(gòu)造復(fù)合部位,如S1向斜和DF1斷層復(fù)合控制區(qū),瓦斯可能會(huì)異常高,鉆孔ZK3-3的地勘瓦斯含量就驗(yàn)證了這一現(xiàn)象。
對(duì) 31采區(qū)進(jìn)行瓦斯含量測(cè)定工作,布置了 6個(gè)測(cè)點(diǎn),滿足《細(xì)則》有關(guān)測(cè)點(diǎn)布置的要求,其中測(cè)點(diǎn)1,2,3為煤層走向測(cè)點(diǎn),測(cè)點(diǎn)4,5,6為煤層傾向測(cè)點(diǎn)。
依據(jù)瓦斯含量測(cè)定方法,對(duì)礦井3號(hào)煤層瓦斯含量進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定和實(shí)驗(yàn)室測(cè)定,測(cè)定結(jié)果如表2所示。
依據(jù) 31采區(qū)內(nèi)井下實(shí)測(cè)的瓦斯含量,并依據(jù)瓦斯地質(zhì)理論[7-9]和地勘期間的鉆孔瓦斯含量,對(duì)31采區(qū)瓦斯含量進(jìn)行補(bǔ)償及驗(yàn)證(見(jiàn)表3和表4)。
表3中,首先分析各個(gè)測(cè)點(diǎn)的所在區(qū)域,其次對(duì)揭露區(qū)測(cè)試的瓦斯含量進(jìn)行補(bǔ)償,將采區(qū)內(nèi)地質(zhì)勘探期間測(cè)定的煤層瓦斯含量與對(duì)其預(yù)測(cè)所得值進(jìn)行對(duì)比,并預(yù)測(cè)值與實(shí)際值比值定義為揭露后瓦斯含量的補(bǔ)償系數(shù),31采區(qū)地勘期間瓦斯含量與預(yù)測(cè)瓦斯含量相差1.4倍,考慮到0804、ZK3-3瓦斯成分高達(dá)80%,可認(rèn)為這兩個(gè)鉆孔瓦斯含量基本符合真實(shí)情況。然后,對(duì)預(yù)抽影響區(qū)測(cè)試的瓦斯含量進(jìn)行補(bǔ)償:對(duì)比地勘鉆孔與緊鄰測(cè)點(diǎn)的測(cè)試值可知,相差的煤層瓦斯含量值約為8.0 m3/t,以此作為預(yù)抽后測(cè)試的瓦斯含量的補(bǔ)償值。
表2 夏店煤礦31采區(qū)3號(hào)煤層瓦斯含量測(cè)定結(jié)果
表3 31采區(qū)井下實(shí)測(cè)與地勘鉆孔瓦斯含量對(duì)比分析
表4 31采區(qū)實(shí)測(cè)瓦斯含量修正
表4中,通過(guò)瓦斯賦存規(guī)律及顯著性檢驗(yàn)對(duì)修正值進(jìn)行驗(yàn)證(R>0.9)和進(jìn)行擬合,可知R=0.93,表明經(jīng)過(guò)對(duì)揭露區(qū)和預(yù)抽區(qū)的瓦斯含量進(jìn)行補(bǔ)償后,不僅符合瓦斯賦存規(guī)律,而且顯著性檢驗(yàn)可靠。據(jù)此,預(yù)測(cè) 31采區(qū)原始煤層的瓦斯含量,從公式可得出31采區(qū)的標(biāo)高范圍(350 m~610 m)的瓦斯含量分布范圍為6 m3/t~14 m3/t(見(jiàn)圖1)。
由于 31采區(qū)已處于煤層揭露階段,瓦斯壓力按殘存瓦斯壓力計(jì)算,煤層瓦斯壓力通過(guò)煤層實(shí)測(cè)的瓦斯含量反向計(jì)算確定。結(jié)合夏店煤礦實(shí)測(cè)的瓦斯吸附常數(shù)、孔隙率等參數(shù)結(jié)果,對(duì)3號(hào)煤層瓦斯壓力進(jìn)行計(jì)算及預(yù)測(cè)(見(jiàn)圖2),3號(hào)煤層參數(shù)如表5所示。
圖1 采區(qū)瓦斯含量與標(biāo)高關(guān)系
圖2 采區(qū)瓦斯壓力與標(biāo)高關(guān)系
據(jù)此,預(yù)測(cè) 31采區(qū)原始煤層的瓦斯壓力,從公式可得出31采區(qū)的標(biāo)高范圍(350 m~610 m)的瓦斯壓力分布范圍為0.01 MPa~1.10 MPa左右,瓦斯壓力梯度為0.45 MPa/100 m。
表5 3號(hào)煤層基礎(chǔ)參數(shù)
依據(jù)31采區(qū)瓦斯賦存特征,并結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際,以31采區(qū)控制性斷層DF3正斷層為界,劃分為2個(gè)瓦斯地質(zhì)單元,DF3右翼(淺部)為第一瓦斯地質(zhì)單元,DF3左翼(深部)為第二瓦斯地質(zhì)單元。
第一瓦斯地質(zhì)單元開(kāi)采標(biāo)高為430 m~610 m,瓦斯含量5.5 m3/t~11.5 m3/t,瓦斯壓力0.01 MPa~0.74 MPa,煤層厚度5 m~6.5 m,局部發(fā)育幾條NNW的小斷層,本單元瓦斯賦存的主控因素為煤層埋藏深度,瓦斯異常區(qū)域?yàn)镈F3斷層影響區(qū)內(nèi)。
第二瓦斯地質(zhì)單元開(kāi)采標(biāo)高為350 m~430 m,瓦斯含量11.5 m3/t~14 m3/t,瓦斯壓力0.74 MPa~1.10 MPa,煤層厚度5 m~6.5 m,此單元屬于復(fù)合構(gòu)造區(qū)域,F(xiàn)1、DF2逆、正斷層交替出現(xiàn),同時(shí)S1、S2 背向斜褶皺影響區(qū),本單元瓦斯賦存的主控因素為地質(zhì)構(gòu)造,瓦斯異常區(qū)域?yàn)?S1、S2構(gòu)造復(fù)合控制區(qū)域,+433 m及以深區(qū)域應(yīng)加強(qiáng)地質(zhì)勘探及瓦斯預(yù)測(cè)工作。
31采區(qū)瓦斯含量具有西高東低的趨勢(shì),向斜軸部附近的瓦斯含量比其它地方高。有高角度的正斷層附近,利于瓦斯的釋放,瓦斯含量低。結(jié)合瓦斯地質(zhì)理論,劃分了2個(gè)瓦斯地質(zhì)單元,第一瓦斯地質(zhì)單元瓦斯賦存的主控因素為煤層埋藏深度,瓦斯異常區(qū)域?yàn)镈F3斷層影響區(qū)內(nèi),附近50 m范圍內(nèi)受斷層剪滅擾動(dòng)應(yīng)力集中的影響,應(yīng)加強(qiáng)地質(zhì)勘探及瓦斯預(yù)測(cè)工作;第二瓦斯地質(zhì)單元屬于復(fù)合構(gòu)造區(qū)域,瓦斯賦存的主控因素為地質(zhì)構(gòu)造,瓦斯異常區(qū)域?yàn)镾1、S2構(gòu)造復(fù)合控制區(qū)域。433 m及以深區(qū)域應(yīng)加強(qiáng)地質(zhì)勘探及瓦斯預(yù)測(cè)工作。