李喜員田慧玲

(1.平頂山天安煤業(yè)股份有限公司通風(fēng)處,河南省平頂山市,467099; 2.平頂山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,河南省平頂山市,467099)

平煤十一礦瓦斯賦存規(guī)律研究

李喜員1田慧玲2

(1.平頂山天安煤業(yè)股份有限公司通風(fēng)處,河南省平頂山市,467099; 2.平頂山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,河南省平頂山市,467099)

根據(jù)平煤十一礦瓦斯地質(zhì)資料,運(yùn)用瓦斯地質(zhì)理論,研究了平煤十一礦的瓦斯地質(zhì)規(guī)律,得出了礦井瓦斯賦存分布規(guī)律。在分析礦井地質(zhì)構(gòu)造分布特征的基礎(chǔ)上,將井田劃分為兩個瓦斯地質(zhì)單元,即發(fā)育較多封閉型逆斷層的井田東翼為第Ⅰ瓦斯地質(zhì)單元,瓦斯含量高;正斷層為主的井田西翼為第Ⅱ瓦斯地質(zhì)單元,瓦斯含量較Ⅰ單元低。通過定量逐步線性回歸得到兩個地質(zhì)單元中瓦斯含量預(yù)測最優(yōu)方程,得出在東翼第Ⅰ地質(zhì)單元內(nèi)煤層厚度、上覆基巖厚度對瓦斯賦存影響顯著,在西翼第Ⅱ地質(zhì)單元內(nèi)頂板泥巖厚度、上覆基巖厚度對瓦斯賦存影響顯著。

斷裂構(gòu)造 煤層厚度 上覆基巖厚度 頂板巖性 瓦斯賦存 瓦斯含量預(yù)測

1 礦井概況

平煤十一礦目前開采有丁5－6煤層、戊9－10煤層、己16－17煤層及局部可采的己14－15煤層?，F(xiàn)有兩個水平:一水平標(biāo)高－180 m,二水平標(biāo)高－593 m。

己16－17煤層位于山西組下部,為礦井主采煤層,局部分岔為己16和己17煤層,可采性指數(shù)0.96,厚度變異系數(shù)51.8%,煤層厚0.27～20.54 m,平均6.42 m,屬基本全區(qū)可采的較穩(wěn)定煤層。煤層結(jié)構(gòu)簡單,局部含矸1～3層。井田內(nèi)煤層厚度變化趨勢為東、中部厚,西部薄,淺部變化較大,中深部較穩(wěn)定。其直接頂板為深灰色砂質(zhì)泥巖和泥巖,直接底板為黑色泥巖和砂質(zhì)泥巖,局部出現(xiàn)炭質(zhì)泥巖偽頂和偽底。

2 井田地質(zhì)構(gòu)造分布特征與瓦斯地質(zhì)單元劃分

十一礦井田位于平頂山礦區(qū)西部,處于李口向斜西南翼,主體構(gòu)造為淺部陡、深部緩、走向NW～SE、傾向NE的單斜構(gòu)造。由于受NE擠壓應(yīng)力作用,在井田南段淺部形成一緊閉褶皺,地層變得很陡,傾角高達(dá)67°,局部出現(xiàn)直立甚至倒轉(zhuǎn)現(xiàn)象;而井田深部的地層較緩,傾角一般為5°～8°,在走向上呈緩波狀展布。受區(qū)域構(gòu)造的影響,井田內(nèi)及附近發(fā)育的鍋底山正斷層、艾山逆斷層、邊莊逆斷層和張莊逆斷層等大中型斷層多為NW～SE向。斷層性質(zhì)如表1所示。十一礦井田內(nèi)東西兩翼地質(zhì)構(gòu)造差別較大,大的斷層主要分布在東翼,如鍋底山正斷層、艾山逆斷層、張莊逆斷層、邊莊逆斷層等均分布在東翼,且以逆斷層為主,西翼小斷層較發(fā)育,以正斷層為主。從礦井生產(chǎn)資料統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),己16－17煤層?xùn)|翼瓦斯含量為3.23～13.16 m3/t,瓦斯壓力為1.3～3.2 MPa;西翼瓦斯含量為2.28～10.38 m3/t,瓦斯壓力為0.35～0.5 MPa。由于東、西兩翼地質(zhì)構(gòu)造的差異性、瓦斯含量、瓦斯壓力分布不均性,將十一礦東西兩翼劃分為兩個瓦斯地質(zhì)單元研究瓦斯賦存規(guī)律,礦井東翼為第Ⅰ瓦斯地質(zhì)單元,礦井西翼為第Ⅱ瓦斯地質(zhì)單元,如圖1所示。

表1 主要斷層特征一覽表

圖1 十一礦井田構(gòu)造綱要圖與瓦斯地質(zhì)單元劃分

3 礦井瓦斯賦存控制因素研究

3.1 斷裂構(gòu)造對瓦斯賦存的影響

開放型斷層透氣性較好,斷層面附近由于構(gòu)造應(yīng)力釋放而成為低壓區(qū),煤層瓦斯大量解吸,并從斷層面逸散,所以開放型斷層附近的瓦斯含量、瓦斯涌出量相對較小;封閉型斷層封閉性較好,斷層面附近應(yīng)力集中,使附近瓦斯壓力、瓦斯含量增大。

第Ⅰ瓦斯地質(zhì)單元內(nèi)發(fā)育有鍋底山正斷層、艾山逆斷層、邊莊逆斷層和張莊逆斷層等大中型斷層多為NW～SE向,且以發(fā)育逆斷層為主,逆斷層占斷層總數(shù)的64.2%,正斷層占35.8%。該方向的斷層在平頂山礦區(qū)長時期表現(xiàn)為受NW～SE向的擠壓作用,煤體破壞嚴(yán)重,目前為封閉性構(gòu)造,斷層附近瓦斯含量較高。如艾山斷層附近形成瓦斯富集帶,瓦斯含量和涌出量隨之增加,表現(xiàn)出煤層瓦斯含量和涌出量在距斷層越近時也越大的趨勢。如圖2、圖3所示。

第Ⅱ瓦斯地質(zhì)單元以正斷層為主,正斷層占92.3%,逆斷層占7.7%。由于正斷層在引張拖拽的作用下,形成開放性區(qū)域,造成正斷層影響區(qū)域內(nèi)煤體裂隙發(fā)育,延展性比較好,有利于瓦斯沿著形成的裂隙通道排出釋放。

斷裂構(gòu)造造成第Ⅰ瓦斯地質(zhì)單元含量高于第Ⅱ瓦斯地質(zhì)單元。從礦井生產(chǎn)資料統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)也可以看出,己16－17煤層第Ⅰ瓦斯地質(zhì)單元瓦斯含量為3.23～13.16 m3/t,第Ⅱ瓦斯地質(zhì)單元瓦斯含量為2.28～10.38 m3/t,第Ⅰ瓦斯地質(zhì)單元瓦斯含量高于第Ⅱ瓦斯地質(zhì)單元瓦斯含量,符合上述分析。

圖2 己16－17煤層艾山逆斷層、鍋底山斷層位置圖

圖3 己16－17煤層艾山逆斷層附近瓦斯含量的變化

3.2 頂板巖性對瓦斯賦存的影響

圍巖對瓦斯保存的影響取決于他的隔氣性能,透氣性好的砂巖頂板有利于煤層瓦斯的逸散,煤層瓦斯含量相對較低;透氣性差的泥巖、砂質(zhì)泥巖頂板對煤層瓦斯的逸散起阻礙作用,含量相對較高。井田內(nèi)細(xì)粒砂巖和中粒砂巖很少,僅存在于井田中淺部。一般來說,在相同的開采條件下當(dāng)煤層頂板為致密完整的巖石,如泥巖、炭質(zhì)泥巖、裂隙不發(fā)育的灰?guī)r時,有利于瓦斯的賦存,瓦斯含量和涌出量就大;而頂?shù)装鍨槎嗫紫痘虼嘈粤严栋l(fā)育的巖石,如礫巖、砂巖時,瓦斯就容易逸散有利于瓦斯的排放,砂質(zhì)泥巖的隔氣性比泥巖差,涌出量就會減小。

從統(tǒng)計(jì)的鉆孔來看,第Ⅰ瓦斯地質(zhì)單元64個鉆孔中,己16－17煤層直接頂板巖層為泥巖或砂質(zhì)泥巖的為41個,占64.1%;第Ⅱ瓦斯地質(zhì)單元49個鉆孔中,己16－17煤層直接頂板巖層為泥巖或砂質(zhì)泥巖的為30個,占61.2%。因己16－17煤層底板基本上都是泥巖或砂質(zhì)泥巖,所以己16－17煤層頂?shù)装宕蠖嗑哂辛己玫拿荛]性,對瓦斯起到了很好的封存保護(hù)作用。統(tǒng)計(jì)了十一礦己16－17煤層頂板30 m范圍內(nèi)的泥巖厚度得到第Ⅰ瓦斯地質(zhì)單元上覆泥巖厚度為10～24 m,第Ⅱ瓦斯地質(zhì)單元上覆泥巖厚度集中在10～18 m,底板泥巖厚度小于第Ⅰ瓦斯地質(zhì)單元,相比之下不利于瓦斯的賦存。為了更加系統(tǒng)地研究己16－17煤層頂板巖性與煤層瓦斯賦存含量及涌出量的關(guān)系,現(xiàn)將統(tǒng)計(jì)的頂板30 m的泥巖厚度及對應(yīng)測點(diǎn)的瓦斯含量進(jìn)行整理,并對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,見圖4。

圖4 煤層瓦斯含量與頂板泥巖厚度關(guān)系

從圖4可以看出,第Ⅰ瓦斯地質(zhì)單元、第Ⅱ瓦斯地質(zhì)單元內(nèi)煤層瓦斯含量整體上具有隨泥巖厚度相同的變化趨勢,隨著煤層頂板泥巖厚度的增加,瓦斯含量呈增加趨勢。另外,十一礦己16－17煤層頂板一般為泥巖、砂質(zhì)泥巖和砂巖,從此意義上說,瓦斯不易逸散出去也使瓦斯含量增大。

3.3 煤層厚度對瓦斯賦存的影響

瓦斯生成量的多少和煤層厚度直接相關(guān),厚煤地段為瓦斯富集提供了場所。在構(gòu)造應(yīng)力作用下,煤層厚度變化不僅為瓦斯的賦存提供了封閉條件,形成相對瓦斯富集的塊段,而且易于形成構(gòu)造煤。煤層厚度變化越大,瓦斯分布不均衡性越明顯,煤層厚度變化梯度一定程度上反映了瓦斯的變化梯度。

己16－17煤層有62.4%的煤層厚度集中在3.5～7.99 m,鉆孔煤層厚度達(dá)到特厚煤層8 m以上的有24.9%,處于薄煤層和中厚煤層的煤層厚度所占比例均較小分別為6.7%和6%,由此可知己16－17煤層厚度和瓦斯較大,屬于厚煤層,有利于瓦斯的保存。

己16－17煤層厚度和瓦斯含量對照關(guān)系見圖5。由圖5可以看出,總體上煤層厚度大的地方煤層瓦斯含量也相對較大,瓦斯含量的變化趨勢與煤層厚度變化趨勢基本一致,瓦斯含量和煤層厚度基本上呈正相關(guān)的關(guān)系,當(dāng)然不排除有其他因素影響的情況下煤層厚度大時瓦斯含量反而較小的情況。這能在一定程度上說明煤層厚度是影響煤層瓦斯賦存的一個因素。

3.4 上覆基巖厚度對瓦斯賦存的影響

第四系地層一般厚度變化較大,主要為形成時間較晚的黃土層,松散且易于搬運(yùn)、膠結(jié)性不好、孔隙度大、連通性好。煤層埋藏深度減去新生代第四系地層沉積厚度即為煤層的上覆基巖厚度。由于上覆基巖厚度變化大,造成煤系上覆地層垂向上變化較大,對煤層瓦斯賦存產(chǎn)生影響?，F(xiàn)將統(tǒng)計(jì)的上覆基巖厚度及對應(yīng)測點(diǎn)的瓦斯含量進(jìn)行整理,并對數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析,見圖6。

圖6 己16－17煤層瓦斯含量與上覆基巖厚度關(guān)系

圖6顯示在第Ⅰ、第Ⅱ瓦斯地質(zhì)單元內(nèi)總體上上覆基巖厚度大的地方煤層瓦斯含量也相對較大,瓦斯含量的變化趨勢與上覆基巖厚度變化趨勢基本一致。

4 井田瓦斯含量預(yù)測

通過上述分析斷裂構(gòu)造控制局部的瓦斯賦存和瓦斯的分帶性,在同一個瓦斯地質(zhì)單元內(nèi),存在一種或幾種主要因素控制著煤層瓦斯整體分布。下面運(yùn)用逐步回歸方法找到各瓦斯地質(zhì)單元最優(yōu)預(yù)測模型。

4.1 第Ⅰ瓦斯地質(zhì)單元瓦斯含量預(yù)測

頂板巖性、煤層厚度、上覆基巖厚度都影響著煤層瓦斯賦存,選擇瓦斯含量y為因變量,頂板30 m范圍內(nèi)泥巖厚度x1、煤層厚度x2和上覆基巖厚度x3為自變量,十一礦瓦斯含量及地質(zhì)因素測試數(shù)據(jù)如表2所示。運(yùn)用逐步回歸模型建立第Ⅰ瓦斯地質(zhì)單元瓦斯含量和各因素之間的最優(yōu)回歸模型。

復(fù)相關(guān)系數(shù)是測量一個變量與其他多個變量之間線性相關(guān)程度的指標(biāo),復(fù)相關(guān)系數(shù)越大,表明要素或變量之間的線性相關(guān)程度越密切;統(tǒng)計(jì)量是統(tǒng)計(jì)理論中用來對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、檢驗(yàn)的變量。

式(1)中,復(fù)相關(guān)系數(shù)R2＝0.977,統(tǒng)計(jì)量F＝28.24＞F0.95(3,4)＝6.59,這時回歸方程效果是顯著的。顯著性水平為95%。

分別對3個自變量做顯著性分析:

頂板30 m范圍內(nèi)自變量泥巖厚度x1:統(tǒng)計(jì)量F1＝0.0628＜F0.95(1,4)＝7.71,說明自變量x1回歸效果不顯著;

自變量煤層厚度x2:F2＝13.937＞F0.95(1, 4)＝7.71,說明自變量x2回歸效果顯著;

自變量上覆基巖厚度x3:F3＝103.587＞F0.95(1,4)＝7.71,說明自變量x3回歸效果顯著。

從式(1)中剔除自變量x1,做多元線性回歸得:

復(fù)相關(guān)系數(shù)R2＝0.966,統(tǒng)計(jì)量F＝42.391＞F0.95(2,4)＝6.94,這時回歸方程效果是顯著的。顯著性水平為95%。

4.2 第Ⅱ瓦斯地質(zhì)單元瓦斯含量預(yù)測

用同樣的方法在第Ⅱ瓦斯地質(zhì)單元進(jìn)行逐步回歸分析,建立最優(yōu)的回歸方程:

式(3)中,復(fù)相關(guān)系數(shù)R2＝0.745,統(tǒng)計(jì)量F＝10.22＞F0.95(2,8)＝4.46,這時回歸方程效果是顯著的。

分析表明,在第Ⅰ瓦斯地質(zhì)單元內(nèi)煤層厚度、上覆基巖厚度對瓦斯賦存影響顯著,而在第Ⅱ瓦斯地質(zhì)單元內(nèi)泥巖厚度、上覆基巖厚度對瓦斯賦存影響顯著。

表2 十一礦瓦斯含量及地質(zhì)因素測試數(shù)據(jù)

5 結(jié)論

(1)由于礦井東、西兩翼構(gòu)造差異性和瓦斯分布不均性,把十一礦按東西兩翼分為2個瓦斯地質(zhì)單元,礦井東翼為第Ⅰ瓦斯地質(zhì)單元,礦井西翼為第Ⅱ瓦斯地質(zhì)單元。

(2)通過對各瓦斯地質(zhì)單元瓦斯賦存控制因素研究,礦井第Ⅰ瓦斯地質(zhì)單元發(fā)育大量封閉性逆斷層,有利于瓦斯保存;礦井第Ⅱ瓦斯地質(zhì)單元大部分是開放性正斷層,有利于瓦斯逸散,從而造成第Ⅰ瓦斯地質(zhì)單元瓦斯含量高于第Ⅱ瓦斯地質(zhì)單元。各瓦斯地質(zhì)單元中頂板巖性、煤層厚度、上覆基巖厚度對煤層瓦斯賦存都存在一定程度的影響,影響存在差異性。

(3)通過定量逐步回歸分析,在第Ⅰ瓦斯地質(zhì)單元內(nèi)煤層厚度、上覆基巖厚度對瓦斯賦存影響顯著,建立了瓦斯含量最優(yōu)回歸模型;而在第Ⅱ瓦斯地質(zhì)單元內(nèi)泥巖厚度、上覆基巖厚度對瓦斯賦存影響顯著,建立了瓦斯含量最優(yōu)回歸模型。

[1] 張子敏.瓦斯地質(zhì)學(xué)[M].徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社,2009

[2] 魏國營,姚念崗.斷層帶煤體瓦斯地質(zhì)特征與瓦斯突出的關(guān)聯(lián)[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2012(5)

[3] 王來斌,疏義國等.潘三礦13－1煤層瓦斯賦存規(guī)律及影響因素分析[J].中國煤炭,2011(5)

[4] 張革委,張慧杰,楊睿.平煤六礦煤層瓦斯地質(zhì)規(guī)律研究與應(yīng)用[J].中國煤炭,2013(1)

[5] 朱恒忠,劉萍等.大灣礦11＃煤層瓦斯賦存特征研究[J].礦業(yè)安全與環(huán)保,2014(4)

(責(zé)任編輯 張艷華)

Study on gas occurrence law of the 11thCoal Mine of the Pingdingshan Coal Mine Co.,Ltd.

Li Xiyuan1,Tian Huiling2
(1.The Ventilation Department of Pingdingshan Coal Mine Co.,Ltd.,Pingdingshan,Henan 467099,China; 2.Pingdingshan Industrial Vocational School of Technology,Pingdingshan,Henan 467099,China)

The gas geological law was studied by applying the gas geological theory according to the gas geological data of the 11thCoal Mine of Pingdingshan Coal Mine Co.,Ltd.and the gas occurrence law was obtained.Based on the analysis of the distribution characteristics of the geological structure of the mine,the mine field was divided into two geological units,which are the gas geological unitⅠwith higher gas content that has more developing closed type inverse faults in the east wing of the mine field and the gas geological unitⅡwith lower gas content that has more normal faults in the west wing of the mine field.The optimal equation to predict gas content through quantitative stepwise linear regression was obtained.The analysis results of the optimal equation showed that the thicknesses of coal seam and overburden bedrock significantly impact on the gas occurrence of the gas geological unitⅠin the east wing of the mine field and the thicknesses of mudstone in the roof and the overburden bedrock significantly impact on the gas occurrence of the gas geological unitⅡin the west wing of the mine field.

fault structure,coal seam thickness,overburden bedrock thickness,roof rock feature,gas occurence,gas content forecast

TD712.2

A

李喜員(1966－),男,山西神池人,碩士,高級工程師,長期從事煤礦通風(fēng)管理方面的工作,現(xiàn)任平煤股份通風(fēng)處處長。