賀西煤礦3號和4號煤層瓦斯含量與壓力的統計分析

王永文,吳世躍,董國民,盧 波,陳全秋,王燦召

(1.山西焦煤集團,太原 030024;2太原理工大學,太原 030024;3.賀西煤礦,山西 柳林 033300)

賀西煤礦前身為柳林縣地礦局勞動服務公司開辦的集體煤礦,1998年5月15日由山西汾西礦業集團公司兼并,經過三次技術改造,礦井核定生產能力達180萬t/a,目前是集團公司的主力生產礦井。煤炭科學研究總院沈陽研究院于2009年4月對賀西煤礦瓦斯涌出量的預測及突出危險性鑒定結論指出：賀西煤礦+560 m以上區域4號煤層為非突出煤層。但考慮到與賀西煤礦為鄰近礦井,且同屬一個煤田的華晉焦煤公司沙曲煤礦的4號煤層曾經被煤炭科學研究總院沈陽研究院于2005年4月鑒定為具有煤與瓦斯突出危險煤層,礦井為突出礦井,所以建議賀西煤礦每延深50 m,走向1 000 m進行突出危險性預測預報及突出危險性評價,以確保安全生產[1]。因此,及時預測煤層瓦斯含量和壓力對預先制定接替采區瓦斯治理方案,評價煤層瓦斯的突出危險性,確保礦井的安全生產具有非常重要的意義。

1 礦井概況

賀西煤礦位于柳林縣城東南15 km,陳家灣鄉賀家社村西。井田為一不規則多邊形,略呈方形,東西長約6 km,南北長3.2 km,面積18.909 km2。井田西北與金家莊煤礦相鄰,東北與南溝煤礦、賀家社煤礦、李家社煤礦接壤。煤礦現主要開采山西組3號和4號煤層,地質儲量1.06億t,屬低硫中灰特低磷主焦煤。

目前礦井開拓方式為斜-立井混合開拓方式,共設兩個水平開采,上組煤即第一水平,主斜井井底車場標高+740 m,副立井井底車場標高+780 m;下組煤即第二水平標高設在+660 m。除沿4號煤層底板布置集中運輸巷外,其余巷道都沿煤層布置。

采煤方法為走、傾向長壁、采空區自然垮落、綜合機械化采煤法。

目前,礦井開拓范圍為一采采區、二采區、三采區。一采區3號煤層、二采區3號煤層已經開采完畢,正在生產二采區4號煤層,三采區3號和4號煤層,正在回采或準備的工作面有：2403,2404,2405,3403,3405,3310和3311。同一采區煤層的開采順序先3號,后4號,沿煤層傾向開采。

通風方式為中央分區抽出式,三個進風井,兩個回風井。2008年經山西省煤炭工業局鑒定：瓦斯相對涌出量為38.41 m3/t,絕對涌出量為137.85 m3/min,屬高瓦斯礦井。煤層自燃傾向性為3類,屬不易自燃礦井,煤塵有爆炸危險性,煤塵爆炸指數為23%。

2 瓦斯賦存地質條件

本井田位于河東煤田中部,屬青龍城詳查勘探區東南部,根據本礦及相鄰礦井實際揭露的柱狀地質情況及現已探明的鉆孔資料。本井田地質構造簡單,基本呈一走向北西,傾向南西的單斜構造。煤層傾角3°～ 5°,最大為 11°,地表褶曲,斷層均不發育,僅在井下發現一條落差為9 m的正斷層,其余為落差小于2 m的層間小斷層。

本井田范圍內水文地質條件簡單,礦井涌水量不大。開采煤層上部含水層以K4,K7等中粗粒砂巖為主,含裂隙水,裂隙一般不發育,富水性弱。

3號煤層厚度1.55～2.71 m,平均 1.91 m;頂板巖性多為泥巖,個別為中細粒砂巖;底板巖性多為泥巖及粉砂巖。4號煤層上距3號煤層3.57～19.66 m,平均11.99 m,煤層厚1.25～1.87 m,平均 1.55 m,井田中北部與4號上煤層有小面積合并,合并區煤層厚3.45～4.59 m,平均4.06 m;頂板多為砂巖、砂質泥巖、泥巖,底板多為粉砂巖、泥巖。3號和4號煤層均為全井田可采的穩定煤層,傾角一般為3～5°,屬近水平煤層;3號、4號煤層煤質相近,都屬低硫中灰特低磷主焦煤。

井田地面高程除大溝谷低于950 m外,一般在950～1 100 m之間,最高點在東南部,標高1 174 m。最低點在西南部溝谷中,標高885 m,最大高差289 m。3號、4號煤層地板等高線在410～810 m之間。

煤層瓦斯賦存規律一般受多種因素影響,一方面受煤質、埋藏深度、構造、煤的物理化學性質、煤層頂、底板巖性等等多種因素的制約[1],另一方面由于煤層瓦斯運移的總趨勢是由地層深部向地表運移[2],因此要準確反映煤層瓦斯壓力和含量與各種因素之間的復雜關系通常比較困難。但根據對賀西煤田瓦斯賦存地質分析,由于賀西煤田地質構造為一單斜構造,結構簡單,3號和4號煤層間距較小、頂底板巖性變化不大、煤質又相近,所以可以初步推斷3號和4號煤層瓦斯含量和壓力主要受控于煤層的埋藏深度,一般隨煤層層位降低埋深增大,瓦斯含量和壓力增加,從井田東北向西南方向,煤層瓦斯含量和壓力逐漸增大。

3 煤層瓦斯含量和壓力測定結果分析

由于賀西煤礦巷道大多為煤巷,煤層傾角較小,3號和4號煤層間距較近、先采3號層后采4號層的開采順序等原因使煤壁和煤層卸壓,所以一般情況下在井下難以選擇合適的位置測試煤層的原始壓力。賀西煤礦自生產以來,主要由煤炭科學院沈陽研究院在2008年和2009年進行過2次井下瓦斯含量和壓力測試,僅僅得到三采區回風巷下部4號煤層3個近似原始瓦斯壓力值,3310工作面材料巷下部4號煤層6個殘存瓦斯壓力值,2405工作面運輸巷開掘100 m內2個殘存瓦斯含量值,3405工作面運輸巷和回風巷開掘300 m內2個殘存瓦斯含量值。顯然,僅僅根據這樣幾個瓦斯基礎參數來指導全礦瓦斯防治工作是不夠的。但由于開采技術條件限制,井下直接測試本煤層瓦斯壓力技術困難,以及預測未揭露煤層瓦斯賦存參數的需要,所以根據地質勘探時期鉆孔探明的瓦斯參數,研究煤層瓦斯賦存規律,對于賀西煤礦正在生產的采區和接替采區瓦斯治理具有一定的指導意義。

在煤炭科學研究總院沈陽研究院2008年1月編制的《汾西礦業(集團)有限責任公司賀西煤礦礦井瓦斯涌出量預測及突出危險性鑒定報告》[3]和2009年1月編制的《汾西礦業(集團)有限責任公司賀西煤礦防治煤與瓦斯突出措施效果檢驗評價報告》[4]中,給出了山西煤田地質勘探一四八隊在4號煤層所測定的了16個鉆孔的瓦斯成分、瓦斯含量、采樣深度和煤質分析。在山西煤田地質勘探一四八隊編制的《汾西礦業(集團)公司賀西井田精查報告》[5]中,給出了3號煤層 6個鉆孔、4號煤層 6個鉆孔瓦斯成分、瓦斯含量,采樣深度、孔隙率和煤質分析。下文將對這些數據和吸附試驗結果進行統計分析,找出瓦斯含量和壓力與煤層埋藏深度的關系,為煤礦瓦斯災害防治提供依據。

4 3號和4號煤層瓦斯賦存規律統計

根據對3號和4號煤層瓦斯賦存地質條件的初步分析,由于瓦斯含量和壓力主要與深度有關,所以統計分析時不考慮其它因素,不區分3號和4號煤層間的差別。地質勘探報告測定的煤層瓦斯含量與深度的關系如圖1,統計分析得到如下關系式：

式中：w為瓦斯含量,m3/t;h為埋藏深度,m.

圖1 瓦斯含量與埋藏深度的關系

為了統計瓦斯壓力與埋藏深度的關系,可根據測定的瓦斯含量和相應的試驗吸附常數,由下式先求出煤層瓦斯壓力[6]：

式中：a為極限吸附量,m3/t;b為吸附常數,MPa-1;p為煤層瓦斯壓力,MPa;φ為煤的孔隙率;ρS為煤的視密度,t/m3;A ad為煤中的灰分,%;M ad為煤中的水分,%.

反演計算的瓦斯壓力與深度關系如圖2所示,經過統計分析得：

圖2 瓦斯壓力與埋藏深度的關系

因為吸附常數測定周期長,而且比較復雜,難以經常頻繁測定,所以生產實際中也難以根據預測的含量,由公式(2)快速反演計算出煤層瓦斯壓力。而根據已測定的瓦斯含量和相應的吸附常數,經過反演計算瓦斯壓力,然后再統計分析壓力與深度的關系,就可依據公式(3)和埋藏深度快速預測未知區域的壓力 ,這就是公式(3)的意義所在。

公式(1)和(3)表明3號和4號煤層瓦斯含量、壓力分別與埋藏深度近似成線性關系,且相關系數R都近似為0.8.這與前述瓦斯賦存地質條件分析結論一致。因此,在實際中可根據地形圖、煤層地板等高線圖及公式(1)和(3)快速計算出煤層中的瓦斯含量和瓦斯壓力,以評價煤層瓦斯災害的危險程度,確定瓦斯治理方案。

根據公式(1)預測的瓦斯含量除極個別鉆孔預測值外,絕大多數預測值與實測值比較,誤差小于20%。

從公式(3)可知,當h=206.4 m時,瓦斯壓力等于0,因此,該礦瓦斯風化帶深度大于200 m,若取風化帶壓力[6]為0.1 MPa,則風化帶深度為225 m。因此,公式(3)僅適應埋藏深度大于225 m的地層。

在瓦斯風化帶以下,煤層瓦斯壓力隨深度加大線性增加,故煤層瓦斯含量也隨深度增加而增大,盡管它反映了煤層瓦斯由深部向地表運移的總規律,并被大量實例所證實,但實際中使用上述統計公式推算煤層瓦斯含量和壓力過程中,當遇到較大的地質構造、頂底板巖性、煤質等賦存條件劇烈變化時,必須結合其他測量方法做出綜合預測,或在有條件時直接測定。

5 目前生產區域瓦斯含量與壓力預測

根據公式(1)和(3),礦井目前生產采區生產工作面附近相關勘探鉆孔和工作面瓦斯預測結果如表1,表1中實測含量無數值,表示該點沒有實測值,9號鉆孔壓力小于0.1 MPa,表明該處煤層已處于瓦斯風化帶內。根據表1,二采區4號煤層目前生產區域瓦斯含量在3.35～7.47 m3/t之間,壓力在0.1～1.144 MPa之間。三采區4號煤層目前生產區域瓦斯含量在5.51～8.64 m3/t之間,瓦斯壓力在0.616～1.459 MPa之間。沈陽煤炭研究院小范圍實測三采區4號煤層瓦斯壓力在0.78～1.2 MPa之間,二者結論基本一致。三采區3號煤層目前生產區域瓦斯含量在7.03～8.36 m3/t之間,瓦斯壓力在1.026～1.383 MPa之間。

6 結論

賀西煤礦地質結構較簡單,煤層瓦斯含量和壓力主要受埋藏深度控制,地質勘探時期鉆孔探明的瓦斯數據統計分析表明瓦斯含量和壓力分別與埋藏深度成近似線性關系。在實際中,若煤礦不具備井下直接測定瓦斯壓力的條件或要對未揭露的新區瓦斯賦存狀況進行預測,則可采用本文相同的方法,用地質勘探時期鉆孔探明的瓦斯資料,對新區或新工作面瓦斯壓力和瓦斯含量進行預測,以指導煤礦瓦 斯防治工作。

[1] 曹國華,田富超,郝從娜.地質構造對寺河礦煤層瓦斯賦存規律的影響分析[J].煤炭工程,2009(3)：56-60.

[2] 于不凡.煤礦瓦斯防治及其利用手冊[M].北京：煤炭工業出版社,2005：36-53.

[3] 煤炭科學研究總院沈陽研究院.汾西礦業(集團)有限責任公司賀西煤礦礦井瓦斯涌出量預測及突出危險性鑒定報告[R].2008.

[4] 煤炭科學研究總院沈陽研究院.汾西礦業(集團)有限責任公司賀西煤礦防治煤與瓦斯突出措施效果檢驗評價報告[R].2009.

[5] 山西煤田地質勘探一四八隊.汾西礦業(集團)公司賀西井田精查報告[R].2001.

[6] 俞啟香.礦井瓦斯防治[M].徐州：中國礦業大學出版社,1992：11-30.