王貴余

(陜西建新煤化有限責(zé)任公司,陜西 延安 727300)

0 引言

中國(guó)煤炭資源豐富,煤炭生產(chǎn)及消費(fèi)量占比處世界的前列,煤炭資源是中國(guó)的主體能源[1-3],2021年的煤炭產(chǎn)量達(dá)到41.3億t,在一次能源中消費(fèi)占比為56%。煤層中含有的瓦斯資源與煤層的采深關(guān)系密切,隨著開(kāi)采強(qiáng)度增強(qiáng)煤層采深進(jìn)一步增加,煤層的瓦斯含量與瓦斯涌出量都隨之增加。據(jù)統(tǒng)計(jì),截止2021年在全國(guó)重點(diǎn)煤礦中,高瓦斯與突出礦井的煤礦占比將近50%。隨著機(jī)械化開(kāi)采水平的提高,煤層埋深的進(jìn)一步加大,煤礦瓦斯風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)一步加劇,瓦斯事故不容忽視[4]。

礦井瓦斯對(duì)煤礦的安全生產(chǎn)具有重大威脅,但同時(shí)瓦斯又是高效清潔能源[5],其伴隨著煤炭的漫長(zhǎng)生成過(guò)程而生成,煤層瓦斯抽采在優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、保障煤礦安全生產(chǎn)、助力實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)方面,意義重大[6-7]。西部煤炭資源中與煤伴生的瓦斯賦存量較大,尤其是黃陵礦區(qū),屬于典型的高瓦斯礦區(qū),礦區(qū)瓦斯災(zāi)害的防治形勢(shì)依然嚴(yán)峻。根據(jù)以往研究,影響煤層瓦斯賦存的關(guān)鍵因素有:煤層傾角、煤層埋深、區(qū)域地質(zhì)演化過(guò)程和井田構(gòu)造特征、煤層及圍巖的組合特征、煤質(zhì)特征、水文地質(zhì)條件、煤化程度等。在礦井井田區(qū)域內(nèi),部分因素起著區(qū)域性控制作用,不同因素在區(qū)域內(nèi)控制作用具有較大差異且差異性較大[8-9]。

地層中煤層的瓦斯含量受上述諸多因素影響,且每個(gè)因素對(duì)煤層瓦斯含量的影響程度不盡相同。這些影響因素所起的作用并不明確,并且有些因素具有灰色性,而灰色理論在處理不確定性及非線性問(wèn)題方面具有較大優(yōu)勢(shì)。根據(jù)建新煤礦4-2煤層瓦斯賦存特征,再結(jié)合4304工作面的地質(zhì)資料以及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的瓦斯含量數(shù)據(jù),定性研究建新煤礦4304綜放工作面的瓦斯賦存規(guī)律,為該礦的瓦斯治理提供參考。

1 工程背景

陜煤建新煤礦主采4-2煤層,煤層平均傾角3°,煤層的平均厚度8 m,屬于特厚煤層。其中掘進(jìn)工作面絕對(duì)瓦斯涌出量最大達(dá)到3.5 m3/min,回采工作面絕對(duì)瓦斯涌出量最大達(dá)到31.0 m3/min,自2015年開(kāi)始,鑒定為高瓦斯礦井。

試驗(yàn)的4304工作面位于43盤(pán)區(qū)東翼,工作面呈東北-西南方向布置,其西為4306工作面(未開(kāi)采),東界為4302工作面(未開(kāi)采),南界為43盤(pán)區(qū)大巷保護(hù)煤柱,北界為4-2煤層可采邊界。工作面地面標(biāo)高+1 290～+1 545 m,井下標(biāo)高+804～+880 m。工作面走向長(zhǎng)度2 380.3 m,可采走向長(zhǎng)度2 280.3 m,傾向長(zhǎng)度300 m,可采面積669 090 m2。工作面煤層傾角2°～6°,平均3°,煤層厚度6.2～12.6 m,平均9.6 m,煤層內(nèi)發(fā)育1～2層夾矸,單層厚度在0.2～0.3 m,平均0.6 m,煤層益厚9.0 m。工作面地質(zhì)儲(chǔ)量918.6萬(wàn)t,可采煤量806.9萬(wàn)t。

4304運(yùn)輸巷、回風(fēng)巷掘進(jìn)期間均采用FBDNO8.0/2×55 kW壓入式通風(fēng),風(fēng)筒配備直徑為φ1 000 mm的阻燃正壓風(fēng)筒。4304運(yùn)輸巷配風(fēng)量為680 m3/min。4304回風(fēng)巷配風(fēng)量為650 m3/min。4304大尺寸工作面采用“U”型通風(fēng)系統(tǒng),如圖1所示。

圖1 4304綜放工作面布置示意Fig.1 Layout of 4304 fully mechanized top-coal caving face

2 瓦斯含量的影響因素分析

在漫長(zhǎng)的地質(zhì)年代中,瓦斯伴生于煤層中。古植物經(jīng)歷漫長(zhǎng)地質(zhì)年代成煤過(guò)程,會(huì)生成大量的瓦斯氣體,其中大部分瓦斯氣體在地層的變動(dòng)中逸散到大氣中,留存于煤層中的瓦斯量的多少,由封蓋條件、地質(zhì)構(gòu)造、煤層的頂?shù)装鍘r性及煤層上覆巖層厚度等因素決定當(dāng)瓦斯在運(yùn)移過(guò)程中遇到較好的封蓋以及儲(chǔ)存條件時(shí),就難以散逸到大氣層中,從而積聚起來(lái)。

礦井瓦斯在生成、儲(chǔ)集和運(yùn)移過(guò)程中,因地質(zhì)條件的不同,導(dǎo)致在橫向上和縱向上立體空間中的分布不均衡,從而造成不同地質(zhì)塊段、不同煤層甚至是不同礦區(qū)的瓦斯分布不均衡。

2.1 瓦斯含量與地質(zhì)構(gòu)造的關(guān)系

2.1.1 斷層

地質(zhì)斷層使得煤層的連續(xù)性受到破壞,改變了煤層瓦斯的排放條件。封閉性斷層在斷層面附近煤體破碎、構(gòu)造應(yīng)力集中,吸附瓦斯的能力增大,煤層含氣量相對(duì)增高,同時(shí)斷層面不導(dǎo)氣,在斷層附近形成了瓦斯富集區(qū)。開(kāi)放性地質(zhì)斷層則相反,由于斷層面具有開(kāi)放特征,位于斷層面附件由于構(gòu)造應(yīng)力得以釋放變?yōu)榈蛪簠^(qū),使得煤層瓦斯大量解吸,斷層面成為瓦斯運(yùn)移逸散的極好通道,從而使煤層含氣量急劇下降。地質(zhì)斷層與瓦斯的賦存存在如下關(guān)系:①地質(zhì)斷層兩側(cè)對(duì)接巖層若為砂巖與泥巖,容易對(duì)瓦斯形成橫向密封。但對(duì)接若是砂巖與砂巖巖性的巖層,并且斷層面上沒(méi)有塑性的斷層泥,那么斷層就不具有橫向密封作用;②瓦斯賦存與構(gòu)造應(yīng)力的方向和大小有關(guān),壓性斷層利于瓦斯賦存,張性斷層利于煤層瓦斯逸散。

2.1.2 褶曲

地質(zhì)的褶曲構(gòu)造作用力來(lái)源于地應(yīng)力,地層在強(qiáng)大的作用力下被擠壓彎曲變形,但巖層依然連續(xù)。褶曲的軸部具有封蓋性,其煤層中一般存在高壓瓦斯,傾伏煤層的背斜軸部與相同埋深翼部對(duì)比,傾伏背斜區(qū)域的瓦斯含量較高。但若背斜軸部出現(xiàn)裂隙,將會(huì)造成瓦斯大量釋放,使軸部瓦斯含量低于翼部瓦斯含量。向斜構(gòu)造的軸部由于被地層的強(qiáng)力壓縮,因此軸部瓦斯明顯高于翼部。4304工作面基本沒(méi)有斷層,但存在較小的褶曲,因而該區(qū)域斷層、褶曲對(duì)瓦斯賦存影響不明顯。

2.2 瓦斯含量與頂?shù)装鍘r性的關(guān)系

煤層瓦斯的賦存受煤層圍巖透氣性好壞的直接影響,砂質(zhì)泥巖與泥巖頂板透氣性差,對(duì)煤層瓦斯逸散起阻礙作用,不利于煤層瓦斯散逸,煤層瓦斯含量相較于其他巖性頂板較高;砂巖頂板透氣性好,瓦斯易于逸散,瓦斯含量則較低;裂隙及孔隙相對(duì)發(fā)育的砂巖、礫巖和灰?guī)r的透氣系數(shù)大,其透氣性系高數(shù)千倍于低透氣的泥巖、頁(yè)巖。

建新煤礦4-2煤層地層區(qū)劃隸屬鄂爾多斯地層分區(qū)延河地層小區(qū)。含煤地層為侏羅系中統(tǒng)延安組,含煤地層一般厚度在85 m左右。煤系基底為三疊系上統(tǒng)瓦窯堡組灰綠色碎屑巖系,其上局部分布有厚約15 m的侏羅系下統(tǒng)富縣組紫雜色碎屑巖系;煤系上覆基巖為白堊系和侏羅系紫雜色碎屑巖系,因經(jīng)受不同程度的風(fēng)化剝蝕作用而厚度變化較大,其上覆蓋有厚度變化很大的第四系松散殘坡積物或沖洪積物。在漫長(zhǎng)的地質(zhì)歷史時(shí)期,由于沉積環(huán)境不同,局部地段延安組存在缺失,致使直羅組直接超覆于三疊系之上。4-2煤層的賦存層位,巖性主要為粉砂巖、碳質(zhì)泥巖及粉砂質(zhì)泥巖,具有明顯的2個(gè)次級(jí)沉積旋回,其中4-2煤層厚度大,分布穩(wěn)定,因此頂?shù)装鍘r性透氣性差,對(duì)瓦斯有一定的密封作用。

2.3 瓦斯含量與煤層厚度的關(guān)系

煤層作為瓦斯生成的物質(zhì)基礎(chǔ),但同時(shí)也是瓦斯賦存的載體。因此,在其他條件相似的情況下,煤層越厚,生成及保存的瓦斯越大,另一方面,在瓦斯壓力作用下,煤層中的瓦斯不斷地向圍巖逸散,在圍巖條件相同時(shí),相同面積的煤體瓦斯散逸總量基本相同,基于此,一般情況下厚煤層區(qū)域瓦斯較大,薄煤層區(qū)域瓦斯含量相對(duì)較小。對(duì)不同煤層厚度與瓦斯含量進(jìn)行擬合,其擬合公式如圖2所示。

圖2 瓦斯含量與煤層厚度之間的關(guān)系Fig.2 Relationship between gas content and coal seam thickness

4304工作面可采區(qū)煤層厚度6.2～12.6 m,平均9.6 m。該工作面4-2煤層內(nèi)發(fā)育1～2層夾矸,單層厚度在0.2～0.3 m,平均0.6 m,巖性以泥巖和碳質(zhì)泥巖為主,少量為粉砂巖。從圖2可以看出,煤厚與瓦斯含量呈線性正相關(guān)。煤厚直接影響著瓦斯含量,煤層厚度越厚,其瓦斯含量越大;煤層厚度越薄,其瓦斯含量越小。

2.4 瓦斯含量與煤層埋深的關(guān)系

針對(duì)不同埋深與瓦斯含量的關(guān)系,進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合,其擬合公式如圖3所示。

4304工作面4-2煤層賦存于延安組第一段下次級(jí)旋回的頂部,呈層狀產(chǎn)出,沿走向方向煤層底板呈由低至高之勢(shì),煤層埋深433.88～810.98 m。隨著煤層埋深的增加覆巖層的地應(yīng)力將逐漸增高,致使圍巖的透氣性變低,瓦斯與地表的距離變大,瓦斯在煤層中的運(yùn)移變得困難,瓦斯得到了良好的封存,因此,瓦斯壓力、瓦斯含量將隨著煤層埋深的增加而逐漸增加。

2.5 瓦斯含量與煤層底板標(biāo)高的關(guān)系

通過(guò)對(duì)4304工作面回風(fēng)巷及運(yùn)輸巷一側(cè)打孔,對(duì)煤層瓦斯含量進(jìn)行測(cè)試并得煤層瓦斯含量,根據(jù)進(jìn)風(fēng)巷及回風(fēng)巷地質(zhì)實(shí)測(cè)剖面圖,結(jié)合煤層底板標(biāo)高對(duì)其進(jìn)行分析,如圖4所示。從圖中可以看出,4-2煤層測(cè)試區(qū)域底板標(biāo)高在+810～+865 m之間,在中部凹陷處煤層傾角變小,平均不足3°,凹陷兩側(cè)煤層傾角變大平均為3°左右。4304工作面回風(fēng)巷和運(yùn)輸巷測(cè)試點(diǎn)煤層底板標(biāo)高變化不大,但隨著煤層底板標(biāo)高的增加瓦斯含量逐漸減小。

圖4 瓦斯含量與煤層底板標(biāo)高之間的關(guān)系Fig.4 Relationship between gas content and floor elevation of coal seam

3 4304工作面瓦斯賦存規(guī)律

基于對(duì)建新煤礦4304工作面煤層的瓦斯賦存特征研究和建新煤礦4304工作面的地質(zhì)資料分析,結(jié)合鉆孔瓦斯含量測(cè)定數(shù)據(jù),可以得到煤層的埋深是影響該工作面煤層瓦斯含量的主控因素。根據(jù)已有監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),采用Surfer 15軟件和AutoCAD軟件繪制瓦斯含量等值線,如圖5所示。Surfer 15是一款現(xiàn)代化的制作三維圖的軟件,在繪制等值線時(shí),一般選用“克里格”插值法[10]。

圖5 4304工作面瓦斯含量等值線Fig.5 Isolines of 4304 working face’s gas content

由圖5可知,4304工作面運(yùn)輸巷側(cè)向切眼呈現(xiàn)先緩慢增大后減小的過(guò)程,650～1 020 m處瓦斯含量較高,約在2.5～2.6 m3/t之間,回風(fēng)巷側(cè)750～1 000 m處瓦斯含量較高,約在2.5～2.6 m3/t之間。經(jīng)預(yù)測(cè)的瓦斯含量情況與掘進(jìn)過(guò)程瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測(cè)情況基本一致,說(shuō)明該瓦斯含量等值線圖反應(yīng)的瓦斯含量變化規(guī)律較為準(zhǔn)確。

4 結(jié)論

(1)建新煤礦瓦斯賦存的控制因素主要有地質(zhì)構(gòu)造、煤層埋深、煤層厚度、頂?shù)装鍘r性、底板標(biāo)高,其對(duì)瓦斯賦存影響明顯。

(2)結(jié)合建新煤礦的地質(zhì)條件和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可知,瓦斯含量與煤層厚度呈線性正相關(guān),煤厚直接影響著瓦斯含量,煤層越厚瓦斯含量越大;瓦斯含量隨埋深的增加而增大;瓦斯含量與底板標(biāo)高呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。

(3)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),繪制瓦斯賦存規(guī)律等值線圖,4304工作面運(yùn)輸巷側(cè)向切眼呈現(xiàn)先緩慢增大后減小的過(guò)程,650～1 020 m處瓦斯含量較高在2.5～2.6 m3/t之間,回風(fēng)巷側(cè)750～1 000 m處瓦斯含量在2.5～2.6 m3/t之間,瓦斯賦存情況與巷道掘進(jìn)過(guò)程監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)基本一致。