馮雨濤
(冀中股份內(nèi)蒙公司盛鑫煤業(yè)有限責(zé)任公司,內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000)
煤炭資源是保障我國國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要資源之一,瓦斯在煤炭開采過程中涌出,嚴(yán)重影響煤炭的高效生產(chǎn)。隨著淺部煤炭資源的逐步枯竭,開采深度逐年增加,地質(zhì)條件越來越復(fù)雜,瓦斯問題越來越突出。瓦斯伴隨著煤炭的演化作用生成的,生于、存儲于煤層及其圍巖中,以CH4為主要成分[1-2]。許多專家學(xué)者針對瓦斯的賦存規(guī)律及影響因素進(jìn)行研究,取得了一系列的成果,形成了瓦斯地質(zhì)相關(guān)理論。在借鑒學(xué)習(xí)前人的基礎(chǔ)上,以青龍煤礦為工程背景,結(jié)合井田地質(zhì)勘探的瓦斯地質(zhì)資料,對影響9 號煤層瓦斯賦存因素進(jìn)行分析,得到影響瓦斯賦存的主要因素,并結(jié)合得到的瓦斯分布規(guī)律,進(jìn)而預(yù)測9 號煤層在開采過程中的瓦斯涌出量,對礦井的開采過程中開采規(guī)劃、瓦斯防治提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù),從而指導(dǎo)青龍煤礦生產(chǎn)活動。
山西冀能青龍煤業(yè)有限公司青龍煤礦位于南距太原市區(qū)20 km,西距陽曲縣城8 km,隸屬陽曲縣黃寨鎮(zhèn)及東黃水鎮(zhèn)管轄,該礦處于礦井基建階段,設(shè)計生產(chǎn)能力為0.9 Mt/a,由于煤層埋藏較深,開拓方式均為立井開拓。該井田含煤地層包括二疊系下統(tǒng)山西組、石炭系上統(tǒng)太原組及石炭系中統(tǒng)本溪組,可采煤層主要賦存于太原組和山西組,可采煤層為6 層煤,首采煤層為9 號煤層,埋藏深度為390 ~650 m,煤層厚度為1.60 ~6.50 m,平均為4.79 m,其中煤層中含0 ~3 層夾矸,煤層結(jié)構(gòu)相對簡單,賦存于山西組下部,上距K4 砂巖45.5 ~79.75 m,平均60.04 m,下距11 號煤層9.06 ~14.68 m,平均12.83 m。煤層直接頂板為粉砂巖或砂質(zhì)泥巖,底板粉砂巖或細(xì)粒砂巖。該井田斷層主要可分北東、北西向兩組,其中北西向斷層多切割、錯斷北東向斷層,北西向斷層控制了井田的基本構(gòu)造格架,北西向斷層Fp4、Fp5、F29、F13、Fp2斷層將井田分成Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ5 個小區(qū)。
瓦斯作為一種氣體儲存在煤層中,影響煤層瓦斯含量及其分布規(guī)律的地質(zhì)因素有很多,主要有地質(zhì)構(gòu)造、煤層的埋藏深度、煤層的頂?shù)装鍘r性、煤層厚度等其它因素。由于影響因素較多,即使同一煤層中瓦斯賦存特征也會有差別,同一礦井的不同煤層瓦斯賦存也會不同,瓦斯含量及分布規(guī)律由上述影響因素綜合影響造成,但各控制因素的影響程度是不同的[3]。
通過對青龍煤礦井田地質(zhì)勘探的瓦斯地質(zhì)資料收集,并結(jié)合現(xiàn)場情況進(jìn)行分析,影響該礦瓦斯賦存影響因素如下。
2.2.1 煤層的埋藏深度
煤層埋藏深度是影響瓦斯賦存規(guī)律的重要因素[4],據(jù)統(tǒng)計,隨著埋藏深度的增加,地應(yīng)力隨深度的增加而增加,煤層頂?shù)装鍘r性致密度更加緊密,不利于瓦斯的逸散,9 號煤層埋藏深度為390~650 m,隨著9 號煤層埋藏深度的增加,瓦斯的含量相應(yīng)的增加。
2.2.2 地質(zhì)構(gòu)造
斷裂構(gòu)造是地應(yīng)力使巖層發(fā)生脆性變形的一種表現(xiàn),不同類型、不同力學(xué)性質(zhì)的斷層對瓦斯的保存和排放有不同的影響。由于斷層的存在,煤層的連續(xù)、完整性被破壞,瓦斯的儲存條件發(fā)生變化。開放性斷層因構(gòu)造力的釋放,斷層面附近形成低壓區(qū),瓦斯逸散出去,瓦斯含量和瓦斯涌出量相對比較低;反之封閉型斷層密封性較好,瓦斯含量和瓦斯涌出量相對比較高[5-6]。青龍礦區(qū)內(nèi)共發(fā)現(xiàn)斷層38 條,斷層性質(zhì)以高角度正斷層為主,僅F25 為逆斷層。其中,落差≥100 m 的斷層4 條,≥50 ~100 m 的斷層2 條,≥30~50 m 的斷層4 條,>10~30 m 的斷層6 條,≤10 m 的斷層22 條。北西向斷層控制了井田的基本構(gòu)造格架,其中北西向斷層Fp4、Fp5、F29、F13、Fp2將井田分成5 個小區(qū),斷層構(gòu)造是影響青龍礦區(qū)瓦斯賦存的關(guān)鍵地質(zhì)因素。
2.2.3 頂?shù)装鍘r性
在瓦斯賦存規(guī)律中發(fā)現(xiàn),煤層頂?shù)装鍑鷰r的透氣性,直接影響著瓦斯的賦存、運移,致密且裂隙不發(fā)育的泥巖,有助于儲存瓦斯。9 號煤層的頂板為粉砂巖或砂質(zhì)泥巖,底板為粉砂巖或細(xì)粒砂巖,主要為致密結(jié)構(gòu)細(xì)碎屑巖,滲透性差,有利于瓦斯的保存,阻礙了煤層瓦斯的逸散。
為了探究瓦斯煤層賦存規(guī)律,在青龍礦區(qū)布置測點,得到了9 號煤層瓦斯測定結(jié)果,9 號煤瓦斯含量0.89 ~ 5.29 m3/t,平均2.63 m3/t,瓦斯成分中CH4占0.00~65.67%,平均18.06%。9 號煤層瓦斯成分CH4平均18.06%,氮氣平均72.69%,為N2、N2—CH4、N2—CO2帶。
表1 9 號煤層瓦斯含量及成分測定成果Table 1 Gas content and composition determination results of No.9 coal seam
瓦斯含量分布與煤層埋深、斷層分布特征關(guān)系密切,煤層埋深越大瓦斯含量越大,埋深較大區(qū)域個別點受斷層帶的影響瓦斯含量較低;9 號煤由淺部至深部,瓦斯含量逐漸增高;在F29 與F1-1 斷層之間表明尤為明顯,與煤層埋深規(guī)律一致。依據(jù)9 號煤層的埋藏深度以及瓦斯含量梯度,繪制了9號煤層瓦斯含量等值線圖,平面上各可采煤層在F29 斷層以東瓦斯含量較低,以西較高。9 號煤瓦斯含量等值線圖如圖1 所示。
為了保障青龍煤礦的安全生產(chǎn),依據(jù)礦井瓦斯賦存規(guī)律及生產(chǎn)規(guī)劃,利用分源預(yù)測法對礦井瓦斯涌出量進(jìn)行了合理預(yù)測,對礦井回采(包括開采層、圍巖和鄰近層)、掘進(jìn)及采空區(qū)瓦斯涌出量進(jìn)行計算,并結(jié)合河南理工大學(xué)編制的《山西冀能青龍煤業(yè)有限公司9 號、11 號和13 號煤層瓦斯涌出量預(yù)測》報告(以下簡稱“瓦斯涌出量預(yù)測”),預(yù)測結(jié)果為:青龍煤礦在開采9 號煤層時,礦井最大絕對瓦斯涌出量為10.64 m3/min,最大相對瓦斯涌出量為5.62 m3/t;回采工作面最大絕對瓦斯涌出量為3.42 m3/min;掘進(jìn)工作面最大絕對瓦斯涌出量為1.22 m3/min。山西冀能青龍煤業(yè)有限公司青龍煤礦目前處于礦井基建階段,瓦斯地質(zhì)參數(shù)較少,建議在開拓至新水平、新采區(qū)時,補充測定瓦斯參數(shù),并根據(jù)測定結(jié)果和采掘方案調(diào)整情況,及時修正礦井瓦斯涌出量預(yù)測結(jié)果。
圖1 9 號煤瓦斯含量等值線圖Fig.1 Gas content contour map of No.9 coal
通過對青龍煤礦9 號煤層瓦斯賦存影響條件進(jìn)行分析,并根據(jù)測定結(jié)果得到9 號煤層瓦斯含量等值線,對煤層開采過程中瓦斯涌出量進(jìn)行預(yù)測。
(1) 9 號煤層瓦斯賦存影響因素主要有煤層的埋藏深度、地質(zhì)構(gòu)造斷層、頂?shù)装鍘r性等因素;埋藏深度、斷層影響瓦斯賦存的關(guān)鍵地質(zhì)因素。
(2) 開采9 號煤層時,礦井最大絕對瓦斯涌出量為10.64 m3/min,最大相對瓦斯涌出量為5.62 m3/t;回采工作面最大絕對瓦斯涌出量為3.42 m3/min;掘進(jìn)工作面最大絕對瓦斯涌出量為1.22 m3/min,可為青龍煤礦在開采規(guī)劃、瓦斯防治提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。