董振波,李德仁,趙海波

(1.陜西華彬雅店煤業(yè)有限公司,陜西 咸陽(yáng) 713500;2.中煤科工集團(tuán)沈陽(yáng)研究院有限公司,遼寧 撫順 113000)

0 引言

煤礦瓦斯是影響煤礦安全的重要因素之一,厘清煤礦瓦斯賦存規(guī)律,對(duì)于礦井有效進(jìn)行瓦斯防治,高效安全生產(chǎn)至關(guān)重要[1]。作為煤系地層的共生因素,煤層瓦斯賦存主要由含煤盆地的地質(zhì)條件和構(gòu)造演化決定。張子敏等[2]率先提出了瓦斯地質(zhì)方法,以煤系地層的地質(zhì)條件為主線,重點(diǎn)研究礦區(qū)和礦井的煤層瓦斯賦存規(guī)律,為多個(gè)礦井的煤與瓦斯突出防治和煤層瓦斯抽采等問(wèn)題提供了理論支持。煤層瓦斯賦存規(guī)律與煤系地層的沉積環(huán)境、構(gòu)造特征及其演化、構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)特征等因素密切相關(guān),構(gòu)建地質(zhì)因素與瓦斯因素的本質(zhì)關(guān)聯(lián),是厘清礦井瓦斯賦存的根本前提[3-5]。何俊等[6]應(yīng)用分形幾何理論,探討了井田內(nèi)構(gòu)造網(wǎng)絡(luò)的分形特征及其與瓦斯突出的內(nèi)在關(guān)聯(lián),為礦井突出區(qū)帶的劃分提供了可行的研究思路和方法。雷東記等[7]分析了九里山煤礦瓦斯突出與煤層厚度、斷層構(gòu)造等地質(zhì)因素關(guān)聯(lián),提出等性塊段疊加法準(zhǔn)確預(yù)測(cè)了該礦井的瓦斯突出危險(xiǎn)區(qū)。王子健等[8]采用可靠性理論探究了指標(biāo)不確定度對(duì)瓦斯突出預(yù)測(cè)結(jié)果可靠性的影響。WEI等[9]基于統(tǒng)計(jì)單元的標(biāo)準(zhǔn)化模型,量化了12種瓦斯地質(zhì)因素,建立瓦斯地質(zhì)復(fù)雜性指數(shù)(GCI)的關(guān)聯(lián)函數(shù),發(fā)現(xiàn)最可能發(fā)生瓦斯突出的區(qū)域不僅是極復(fù)雜的區(qū)域,而是不同GCI區(qū)域的過(guò)渡帶。談國(guó)文[10]以煤與瓦斯突出災(zāi)害致因及發(fā)生規(guī)律為基礎(chǔ),提出了瓦斯災(zāi)害多元化精準(zhǔn)防控技術(shù)結(jié)構(gòu)。王偉等[11]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研和數(shù)值模擬等方法,發(fā)現(xiàn)了壓扭性斷層是控制瓦斯突出的主要地質(zhì)因素,并提出了基于斷層預(yù)測(cè)的瓦斯綜合防治措施。綜上所述,前人的研究大量分析了礦井煤系地層構(gòu)造特征及其演化、地質(zhì)因素對(duì)瓦斯賦存的影響,厘清了礦井的瓦斯賦存規(guī)律,為礦井有效制定精準(zhǔn)的瓦斯防治措施提供了支持。在此基礎(chǔ)上,以瓦斯地質(zhì)理論為指導(dǎo),針對(duì)雅店煤礦瓦斯賦存規(guī)律問(wèn)題,定量研究構(gòu)造演化特征、煤層圍巖特性、煤層埋藏條件以及煤層厚度等因素對(duì)瓦斯賦存和瓦斯含量的影響,以期確定雅店煤礦煤層瓦斯賦存的主控因素,進(jìn)而為雅店煤礦瓦斯防治提供科學(xué)準(zhǔn)確的理論依據(jù)。

1 礦井概況

1.1 礦井概況

雅店煤礦隸屬陜西省彬長(zhǎng)礦區(qū),井田面積53.05 km2,可采地質(zhì)儲(chǔ)量為362.77 Mt,設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為4.0 Mt/a,服務(wù)年限為67 a。礦井采用立井單水平開(kāi)拓方式,走向長(zhǎng)壁式采煤方法,全部垮落法項(xiàng)板管理方法。礦井主采1號(hào)和4號(hào)煤層,開(kāi)采底板標(biāo)高為+480～+190 m,共劃分為4個(gè)采區(qū);目前布置有2個(gè)采煤工作面、1個(gè)備用工作面和2個(gè)掘進(jìn)工作面。

1.2 瓦斯概況

礦井2021年絕對(duì)瓦斯涌出量為3.98 m3/min,礦井相對(duì)瓦斯涌出量為0.53 m3/t,瓦斯等級(jí)鑒定結(jié)果為高瓦斯礦井。依據(jù)地勘和生產(chǎn)期間的瓦斯參數(shù)測(cè)試結(jié)果,1號(hào)煤層最大瓦斯含量為1.24 m3/t,最大瓦斯壓力為0.25 MPa;4號(hào)煤層最大瓦斯含量為1.24 m3/t,最大瓦斯壓力為0.75 MPa。

1.3 地質(zhì)概況

雅店井田位于彬長(zhǎng)礦區(qū)的七里鋪西坡背斜與四郎河向斜之間,受礦區(qū)構(gòu)造控制,總體為一傾向NW的單斜構(gòu)造。井田地層平緩,構(gòu)造簡(jiǎn)單,地勘期間未發(fā)現(xiàn)斷層和巖漿巖。礦井三維地震勘探解譯斷層8條,斷層落差為0～12 m,斷層走向以NW和NNW向?yàn)橹?多數(shù)斷層僅發(fā)育在1號(hào)煤層或4號(hào)煤層,且影響范圍較小。

2 地質(zhì)構(gòu)造演化及賦存特征

2.1 區(qū)域構(gòu)造演化及瓦斯賦存特征

彬長(zhǎng)礦區(qū)大地構(gòu)造位置隸屬渭北隆起,煤系地層沉積后,先后經(jīng)歷了燕山期擠壓逆沖、抬升剝蝕,以及喜山早期的逆沖擠壓和晚期的伸展斷陷作用[12-13]。

成煤后的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)對(duì)彬長(zhǎng)礦區(qū)煤層瓦斯賦存影響顯著。燕山運(yùn)動(dòng)時(shí)期,彬長(zhǎng)礦區(qū)先后3次出現(xiàn)地殼抬升,沉積地層遭受剝蝕。第1次位于侏羅紀(jì)中期,由于地殼抬升,對(duì)煤的演化和生氣影響較小;第2次位于侏羅紀(jì)末期,煤系上覆地層遭受剝蝕,煤的熱演化及生氣停止,同時(shí)由于煤系蓋層的剝蝕,已生成的瓦斯大量逸散;第3次發(fā)生在早白堊世末期,持續(xù)到古近紀(jì)早期,表現(xiàn)為地殼全面隆升,在晚白堊世和古近紀(jì)幾乎沒(méi)有沉積,煤的演化、生氣處于停止?fàn)顟B(tài),先前生成的煤層瓦斯再次大量散失。喜山運(yùn)動(dòng)時(shí)期,彬長(zhǎng)礦區(qū)又出現(xiàn)了多次擠壓和斷陷過(guò)程,造成該區(qū)域內(nèi)煤層瓦斯含量的進(jìn)一步降低[14-15]。彬長(zhǎng)礦區(qū)構(gòu)造綱要與瓦斯含量等值線如圖1所示。

彬長(zhǎng)礦區(qū)瓦斯分布受褶曲構(gòu)造控制較為顯著。礦區(qū)范圍內(nèi),向斜和背斜間隔發(fā)育,控制著煤層瓦斯賦存的非均質(zhì)分布。多數(shù)向斜影響區(qū)域內(nèi),瓦斯聚集形成瓦斯富集區(qū),如大佛寺復(fù)向斜和南玉子向斜影響區(qū)域內(nèi),最高瓦斯含量分別達(dá)到10.36 m3/t和7.34 m3/t;而在多數(shù)的背斜控制區(qū)域內(nèi),煤層瓦斯得到充分逸散,未形成瓦斯富集區(qū),如七里鋪-西坡背斜和彬縣背斜區(qū)域內(nèi),瓦斯含量普遍低于5.00 m3/t[16-18],進(jìn)而形成了礦區(qū)瓦斯含量中南部高、北部低的分布特征[19-20]。

2.2 井田構(gòu)造演化及瓦斯賦存特征

受礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造控制的影響,雅店煤礦煤系地層同樣經(jīng)歷了燕山期抬升剝蝕和喜山期的伸展斷陷作用,導(dǎo)致煤層風(fēng)化剝蝕嚴(yán)重,瓦斯風(fēng)化帶較深,瓦斯含量較低。雅店煤礦位于彬長(zhǎng)礦區(qū)七里鋪-西坡背斜區(qū)域,總體為一傾向NW的單斜構(gòu)造,地層平緩,構(gòu)造簡(jiǎn)單,地勘期間未發(fā)現(xiàn)斷層和巖漿巖。受礦區(qū)背斜構(gòu)造的控制作用,雅店煤礦煤層瓦斯含量普遍較低,地勘和生產(chǎn)期間測(cè)試的最大瓦斯含量為2.14 m3/t。

圖1 彬長(zhǎng)礦區(qū)構(gòu)造綱要與瓦斯含量等值線Fig.1 Structure outline and gas content isoline of Binchang mining area

3 瓦斯賦存規(guī)律研究

3.1 地勘瓦斯含量修正

由于巖心取樣的技術(shù)限制,地勘鉆孔測(cè)試的瓦斯含量通常低于采用井下直接測(cè)試法測(cè)試的瓦斯含量。因此,地勘瓦斯含量參與瓦斯含量預(yù)測(cè)時(shí),需要依據(jù)鉆孔附近井下實(shí)測(cè)的瓦斯含量值需要進(jìn)行修正,其修正系數(shù)計(jì)算見(jiàn)式(1),計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

Mw=W井下/W地勘

(1)

式中,Mw為地勘瓦斯含量修正系數(shù);W井下為井下實(shí)測(cè)瓦斯含量,m3·t-1;W地勘為地勘期間測(cè)試的瓦斯含量,m3·t-1。

由表1可知,雅店煤礦地勘瓦斯含量修正系數(shù)為2.16～8.60,平均修正系數(shù)為5.48。修正后的地勘瓦斯含量和生產(chǎn)實(shí)測(cè)的瓦斯含量見(jiàn)表2。

3.2 地質(zhì)構(gòu)造對(duì)瓦斯賦存的影響

地質(zhì)構(gòu)造對(duì)瓦斯含量的影響主要取決于在含煤地層的構(gòu)造演化和現(xiàn)存地質(zhì)構(gòu)造的分布特征。受地質(zhì)構(gòu)造演化的影響,雅店煤礦煤層風(fēng)化剝蝕嚴(yán)重,瓦斯風(fēng)化帶較深,瓦斯含量較低。同時(shí),雅店煤礦為一傾向NW的單斜構(gòu)造,坡度平緩,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單;井田范圍內(nèi)勘探期間未發(fā)現(xiàn)斷層,僅生產(chǎn)期間的三維地震勘探解譯了8條小斷層,見(jiàn)表3。但多數(shù)位于現(xiàn)開(kāi)采區(qū)域以外。因此,現(xiàn)存地質(zhì)構(gòu)造對(duì)開(kāi)采區(qū)域整體的瓦斯賦存和控制影響較小。

表1 雅店煤礦地勘瓦斯含量修正系數(shù)

表2 雅店煤礦瓦斯含量統(tǒng)計(jì)

表3 三維地震勘探解譯斷層表

值得注意的是,雅店煤礦現(xiàn)階段最大壓應(yīng)力為NNE向,導(dǎo)致NW-NNW向斷層多為封閉狀態(tài),易于形成瓦斯富集區(qū)帶,因此,當(dāng)回采經(jīng)過(guò)NW-NNW向斷層影響區(qū)域時(shí),如4號(hào)煤層一采區(qū)東翼DF3和DF5影響區(qū)域,應(yīng)當(dāng)采取必要瓦斯防治措施。

3.3 煤層頂板對(duì)瓦斯賦存的影響

煤層中的瓦斯會(huì)通過(guò)上覆巖層逸出,煤層圍巖的巖性及透氣性能,會(huì)直接影響煤層瓦斯的賦存、運(yùn)移或富集。隨著巖石滲透率的降低,巖石層的封閉作用增加,造成煤層瓦斯釋放量的減少和瓦斯含量的增加。煤層頂板的這種封閉作用,通常采用圍巖封閉系數(shù)進(jìn)行量化,其指標(biāo)依據(jù)圍巖巖性及其滲透系數(shù)的不同,分別取0.1～1.0。不同圍巖封閉系數(shù)的參考值見(jiàn)表4。

表4 圍巖封閉系數(shù)參考表

雅店煤礦4號(hào)煤層頂板以泥巖、粉砂巖和中砂巖為主,依據(jù)圍巖封閉系數(shù)參考表,分別對(duì)瓦斯含量點(diǎn)的煤層頂板巖性進(jìn)行了量化,并擬合了圍巖封閉系數(shù)(r)與煤層瓦斯含量(W)的相關(guān)關(guān)系,如圖2所示。擬合結(jié)果表明,隨著圍巖封閉系數(shù)的增加,圍巖封閉能力逐漸增加,煤層瓦斯含量也逐漸增加。但是,圍巖封閉系數(shù)與瓦斯含量增加的相關(guān)性并不高,其相關(guān)系數(shù)僅為0.26,這表明4號(hào)煤層頂板巖性對(duì)煤層瓦斯賦存分布的影響較小。

圖2 4號(hào)煤層瓦斯含量與圍巖封閉系數(shù)擬合相關(guān)圖Fig.2 Fitting relevance of gas content and surrounding rock closure coefficient of No.4 coal seam

3.4 煤層埋藏條件對(duì)瓦斯賦存的影響

隨著煤層埋藏深度的增加,垂向煤層應(yīng)力逐漸增加,煤層的滲透率逐漸降低,從而導(dǎo)致煤層瓦斯含量和瓦斯壓力的升高。煤層埋藏條件的量化一般選用煤層底板標(biāo)高、煤層埋深和煤層上覆基巖厚度等參數(shù)確定。通過(guò)對(duì)雅店煤層修正后的地勘瓦斯含量和生產(chǎn)中實(shí)測(cè)的瓦斯含量數(shù)據(jù)與其對(duì)應(yīng)的煤層底板標(biāo)高絕對(duì)值(h)、煤層埋深(d)和煤層上覆基巖厚度(b),進(jìn)行線性擬合,分別得到了4號(hào)煤瓦斯含量隨煤層底板標(biāo)高、煤層埋深和上覆基巖厚度的變化趨勢(shì)(圖3)以及對(duì)應(yīng)瓦斯含量回歸方程(表5)。

圖3 瓦斯含量與煤層底板等高線擬合相關(guān)圖Fig.3 Fitting relevance of gas content and coal seam floor isoline

由擬合結(jié)果可知,隨著埋藏深度和基巖厚度的增加、煤層底板標(biāo)高的減小,4號(hào)煤層瓦斯含量逐漸增加。同時(shí),煤層瓦斯含量與埋藏條件的量化指標(biāo)均有較好的相關(guān)性,煤層瓦斯含量與煤層底板標(biāo)高、埋深和上覆基巖厚度的相關(guān)系數(shù)分別為0.75,0.73和0.62,這表明雅店煤礦4號(hào)煤層瓦斯含量賦存分布受其埋藏條件的控制作用比較明顯。

表5 瓦斯含量與煤層地質(zhì)參數(shù)的擬合關(guān)系

3.5 煤層厚度對(duì)瓦斯賦存的影響

煤層是瓦斯生成和儲(chǔ)存的空間,通常情況下,隨著煤層厚度的增加,瓦斯含量逐漸增加。雅店煤礦4號(hào)煤層的厚度為0.15～20.87 m,平均厚度為12.07 m,煤厚差異較大。通過(guò)對(duì)修正后的煤層瓦斯含量(W)與其對(duì)應(yīng)的煤層厚度(th)進(jìn)行線性擬合,得到了4號(hào)煤層的瓦斯含量隨煤層厚度的變化趨勢(shì),如圖4所示。由擬合結(jié)果可知,隨著煤厚的增加,4號(hào)煤層瓦斯含量逐漸增加,而且瓦斯含量與煤層厚度變化的相關(guān)性較高,其相關(guān)系數(shù)為0.75,這表明4號(hào)煤層瓦斯含量受煤層厚度的控制作用比較明顯。

圖4 4號(hào)煤層瓦斯含量與煤層底板等高線擬合相關(guān)圖Fig.4 Fitting relevance of gas content and coal seam floor isoline of No.4 coal seam

3.6 瓦斯賦存主控因素分析

綜上所述,雅店煤礦4號(hào)煤層瓦斯賦存主要受到煤層頂板巖性、煤層埋藏條件和煤層厚度的影響和控制。其中,煤層底板標(biāo)高和煤層厚度的影響最大,其相關(guān)系數(shù)均為0.75,其次是上覆基巖厚度和煤層埋深的影響,其相關(guān)系數(shù)分別為0.73和0.62,煤層頂板巖性的控制作用最弱,相關(guān)系數(shù)僅為0.26。

4 結(jié)論

(1)受礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造控制的影響,雅店煤礦煤系沉積后主要經(jīng)歷了燕山期擠壓逆沖和抬升剝蝕,以及喜山期的逆沖擠壓和伸展斷陷作用,煤層風(fēng)化剝蝕嚴(yán)重,瓦斯風(fēng)化帶較深,瓦斯含量普遍較低。

(2)雅店煤礦總體為一平緩的單斜構(gòu)造,井田內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單,斷層不發(fā)育,地質(zhì)構(gòu)造對(duì)瓦斯賦存的控制作用不明顯。然而,雅店煤礦的最大壓應(yīng)力方向?yàn)镹E向,導(dǎo)致區(qū)域內(nèi)近NW向斷層封閉,易于形成瓦斯富集區(qū),當(dāng)回采經(jīng)過(guò)此類(lèi)斷層影響區(qū)域時(shí)應(yīng)當(dāng)采取必要瓦斯防治措施。

(3)雅店煤礦4號(hào)煤層瓦斯賦存同時(shí)受埋藏條件和煤層厚度的控制,瓦斯含量與煤層底板標(biāo)高和煤層厚度的相關(guān)性均較好,采用這些指標(biāo)進(jìn)行瓦斯含量預(yù)測(cè),均能取得較為準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)結(jié)果。