煤層瓦斯地質規律淺析

張赟蘭

(山西省煤炭工業廳煤炭資源地質局)

·試驗研究·

煤層瓦斯地質規律淺析

張赟蘭①

(山西省煤炭工業廳煤炭資源地質局)

瓦斯涌出是直接威脅煤礦安全生產和礦工生命的最大的災害,改善煤炭生產安全狀況應進行礦井瓦斯預測、瓦斯治理、瓦斯利用,其基礎是瓦斯地質規律。借鑒專家學者的研究成果和社會生產實踐統計資料,分析了煤層瓦斯地質規律,以揭示煤層瓦斯賦存、煤層與瓦斯突出的一般地質規律。

瓦斯賦存;地質規律;瓦斯涌出量;煤與瓦斯突出預測

煤炭是我國能源的主體。在我國一次性能源消費結構中,煤炭占 70%左右,預計 2050年仍將占50%以上,在相當長的一段時間內煤炭將一直是我國居支配地位的主要能源。而“瓦斯是我國煤礦安全的’第一殺手’”。研究瓦斯,探究其地質規律進行瓦斯涌出量預測、煤與瓦斯突出危險性預測尤為緊迫。雖然煤與瓦斯突出機理研究還處在假說階段。瓦斯地質研究的實踐認為,煤層瓦斯含量高是發生煤與瓦斯突出的基礎。瓦斯含量是指成煤過程中煤層經受地質歷史演化作用儲存在煤層中單位體積或單位質量的煤所含的瓦斯量,瓦斯含量取決于煤在經歷地質歷史演化過程中的瓦斯生成條件和瓦斯保存條件。瓦斯賦存分布受著不同地質條件的控制,從區域到礦區、礦井、采區、采面都存在著不同地質條件下的瓦斯賦存狀態,存在著不同級別的瓦斯地質規律。只有瓦斯地質規律弄清了,瓦斯涌出量預測、煤與瓦斯突出危險性預測、瓦斯資源量預測等模型才能可靠地建立。

1 瓦斯地質規律

煤炭形成后在長期的地質歷史時期,受成煤作用和構造演化控制,形成不同的煤體結構及儲層物性特征,使瓦斯(煤層氣)的生成、賦存、運移,以及在煤炭開采過程中的涌出方式遵循一定的規律,即瓦斯地質規律。

1.1 瓦斯賦存的一般規律

1)煤層埋深及產狀與瓦斯賦存具有線性關系。隨著煤層埋藏深度的增加,甲烷所占比例增大,瓦斯含量增大。

圖1 柳林興無煤礦4#煤層瓦斯的回歸分析

一般出露地表的煤層瓦斯容易逸出,而且空氣也向煤層滲透,因而煤層中含有CO2、N2等氣體,瓦斯含量少。在同一埋深下,煤層傾角越小,煤層瓦斯含量越高。

我國許多礦井淺部水平為低瓦斯礦井,隨著水平延伸,升級為高瓦斯礦井,到深部水平升級為突出礦井,從宏觀定性說明瓦斯含量、涌出量隨著埋深增加,成正相關關系,見圖1,圖2,圖3。

2)地質構造及組合對瓦斯賦存影響明顯。褶曲類型和褶皺復雜程度對瓦斯賦存均有影響。封閉的背斜有利于瓦斯的儲存,是良好的儲氣構造或稱圈閉構造。簡單的向斜盆地構造,其瓦斯排放條件往往是比較困難的。

高沼礦區基本分布在向斜軸部,背斜鞍部、鼻狀構造的傾斜端及“S”型背斜轉折端等,斷層的開放與封閉性決定于下列條件:

a)斷層的性質和力學性質。一般張性正斷層屬開放型,而壓性或壓扭性逆斷層封閉條件較好。b)斷層與地面或沖積層的聯通情況。規模大且與地表相通或與松散沖積層相連的斷層一般為開放型。c)斷層將煤層斷開后,煤層與斷層另一盤接觸的巖層性質。若透氣性好則利于瓦斯排放。d)斷層帶的特征。如斷層的充填情況、緊閉程度、裂隙發育情況不同,開放、封閉性也有差別。

3)巖漿侵入活動改變瓦斯賦存狀態。巖漿侵入含煤巖系、煤層,使煤、巖層產生脹裂及壓縮。巖漿的高溫烘烤可使煤的變質程度升高。另外,巖漿巖體有時使煤層局部被覆蓋或封閉,有時因巖脈蝕變帶裂隙增加,造成風化作用加強,逐漸形成裂隙通道。

所以,在某些條件下巖漿侵入煤層有增加瓦斯生成量、保存瓦斯的作用,在某些條件下又有使瓦斯逸散的可能。因此,在研究巖漿巖對煤層瓦斯的影響時,要結合地質背景作具體分析。

4)煤層和圍巖的透氣性影響逸散。煤系地層巖性組合及其透氣體對煤層瓦斯含量有重大影響。煤層及其圍巖的透氣性大、瓦斯易逸散,瓦斯含量小;反之,瓦斯易于保存,煤層的瓦斯含量大。

5)地下水活動降低煤層瓦斯含量。地下水與瓦斯共存于含煤巖系及圍巖之中,它們的共性是均為流體,運移和賦存都與煤層和巖層的孔隙、裂隙通道有關。

由于地下水的運移,一方面驅動著裂隙和孔隙中瓦斯的運移,另一方面又帶動了溶解于水中的瓦斯一起流動。因此,地下水的活動有利于瓦斯的逸散;同時,水吸附在煤體裂隙和孔隙的表面,還減弱了煤對瓦斯的吸附能力。

1.2 地質構造帶及尖滅部位為構造應力集中帶

在斷層帶,尤其是逆斷層帶,仍存在較大的殘余構造應力。

在地質構造尖滅部位,雖然應力的集中度不足以形成構造,但也發生了應力集中。因為沒有形成構造,集中應力沒有得到釋放,且長期存在。

煤層厚度變薄或變厚的地區,也屬構造應力集中應力帶。

煤與瓦斯壓出表現出明顯的區域性 。

1)向斜軸部附近。2)向斜軸和另一斷裂或褶曲交匯地區。3)向斜軸部的局部隆起區域。4)小斷層群及頂板或底板凸起凹陷群區域。5)煤厚及傾角突然急劇變化區。

1.3 突出危險區

高應力區、高瓦斯區、構造煤發育區的復合部位是突出危險區。

國內外案例表明,高應力區、構造煤發育區和瓦斯富集區的疊加區是突出危險區。

2 礦井瓦斯涌出量測定方法

1)開采實踐表明,在一定深度范圍內,礦井相對瓦斯涌出量與開采深度呈如下線性關系,見圖4,圖5,圖 6。

2)瓦斯測定資料統計分析。

圖6 柳林莊上煤礦礦井總回風瓦斯涌出量曲線圖

瓦斯測定統計分析公式:

式中:

q—采區或工作面瓦斯涌出量的月平均值,m3/t;

Qi、Ci—月內每次測得的回風量,m3/min和回風流中瓦斯濃度,%;

n—統計月份的測定次數;

A—統計月平均日產量,t/d;

Hc—全礦井加權平均開采深度,m;

Hi、Ai—鑒定月份第i采區的采深取,m和產量,t。

3)使用條件及要點。

a)生產礦井的延深水平、生產水平的新采區、與生產礦井鄰近的新礦井,在應用中必須保證預測區的開采技術條件、地質條件與生產區相同或類似。

b)某些礦井相對瓦斯涌出量與開采深度之間并不呈線性關系,即a值不是常數,此時,應首先根據實際資料確定a值隨開采深度的變化規律。

c)工作面從開切眼形成到第一次放頂期間,由于瓦斯涌出尚未達正常狀態,在該段時間內的測定數據不能在統計分析中應用。

d)在采煤不正常的情況下測得的瓦斯涌出量,以及地質變化帶采區瓦斯涌出量變化很大的情況下測得的瓦斯涌出量,均不能在統計分析中應用。

e)應用統計預測法時的外推范圍一般沿垂深不超過100～200 m,沿煤層傾斜方向不超過600 m。

f)在實施瓦斯抽放的采區和工作面,還應考慮抽放瓦斯的影響。

3 煤與瓦斯突出發生的條件

3.1 煤與瓦斯突出發生必要條件

煤與瓦斯突出發生的必要條件見圖7。

圖7 煤與瓦斯突出發生的必要條件

3.2 煤與瓦斯突出發生充要條件

煤與瓦斯突出發生充要條件,見圖8。

3.3 煤與瓦斯突出一般規律

1)煤層突出危險性隨采深增加而增大。對同一礦區、同一礦井、同一煤層來說,隨著開采深度的增加,煤層突出危險性增大,具體表現為突出次數增多、突出強度增大。在淺部開采為高瓦斯礦井,甚至為低瓦斯礦井,開采到深部后,由于煤層賦存條件的變化,煤層瓦斯壓力增大,而轉變為突出礦井;一些在淺部開采突出危害較輕的突出礦井,開采到深部后,轉變為嚴重突出礦井。

一般一個礦井或一個煤層有一個開始發生突出的深度,當小于該深度時不會發生突出,當開采大于該深度時,就有發生突出的危險,在煤與瓦斯突出領域,該深度稱為始突深度。始突深度一般取決于發生突出的最小瓦斯壓力和井田構造狀況,一般是瓦斯風化帶的深度深一倍以上。

2)絕大多數突出發生在煤巷掘進工作面見表1。

圖8 煤與瓦斯突出發生充要條件

表1 煤巷掘進工作面瓦斯突出統計

需要指出的是,石門揭煤工作面突出次數少,并不代表石門揭煤突出危險小,危害輕,而是礦井石門揭煤次數少。在防突技術落后的20世紀60～70年代,幾乎每次石門揭煤都要發生煤與瓦斯突出,而且一旦發生突出,往往發生特大型煤與瓦斯突出。我國的特大型突出幾乎都是在石門揭煤工作面發生的。

回采面突出次數少,而且回采面突出多數為危害相對較小的壓出型煤與瓦斯突出,但采面人員集中,短兵相接,容易造成特大人身傷亡事故,不可忽視。

3)石門突出危險性最大。在統計的9 845突出中,盡管石門突出次數少,但突出強度大,平均突出強度為316.5 t,是平巷平均突出強度50t的6倍以上,瓦斯噴出量超過數萬立方米,波及范圍廣,易造成非常嚴重的重大事故。

而且從石門工作面距煤層2 m起至穿過煤層全厚而進入頂板或底板2 m止,整個揭穿過程都有危險,也曾發生過僅2 m厚煤層在石門揭穿過程中突出兩次的實例。

在各種突出中,采面突出強度最小 ,平均突出強度為47.8 t。

4)煤層突出危險性隨煤厚增加而加大(見表2)。

表2 煤層突出危險性統計

對同一礦區、同一礦井來說,突出煤層厚度越大,突出危險性也越大,特別是軟分層的厚度的增加,突出的次數增多,突出度增大。

5)突出大多數發生在地質構造帶(見表3)。

表3 地質構造帶瓦斯突出統計

需要指出的是,對剛剛開始突出的突出礦井、突出煤層,突出幾乎都和地質構造有關,而對突出已有幾十年歷史的嚴重突出礦井、突出煤層,當作業地點無地質構造時,也可能發生煤與瓦斯突出。

6)大多數突出前有作業方式誘導(見表4)。

7)突出前大多有突出預兆(見表5)。

多數煤與瓦斯突出事例發生前,都會出現各種不同的有聲或無聲預兆。

8)煤體破壞程度越高突出危險性越大(見表6)。

表4 作業方式誘導瓦斯突出統計

表5 瓦斯突出預兆統計

表6 煤體破壞瓦斯突出危險性統計

隨著煤結構破壞程度的增大,煤的空隙體積增大,煤的強度減小,煤的瓦斯解吸和放散初速度增大。煤強度的減小,連結力和內摩擦角減小,使得煤在地壓和瓦斯壓力作用下更易于破碎,減少了破碎煤所需要的功。解吸速度的提高,使煤的瓦斯能量釋放速度加快。以上這些因素都為煤和瓦斯突出創造了有利條件。

焦作工學院、豐城礦務局等單位將不同類型的破壞煤厚度與煤層總厚度之比,稱為揉皺系數、軟煤比也列入突出地質指標,其目的是將地質指標定量化,其公式為:

式中:

R—揉皺系數;

mⅤ—V類煤厚度,m;

mⅣ—Ⅳ類煤厚度,m;

mⅢ—Ⅲ類煤厚度,m;

m—煤層總厚度,m。

一般認為:R≤0.2時,無突出危險;0.2< R<0.5時,有突出威脅;R≥0.5時,有突出危險(即Ⅲ-V類煤占50%以上)。

9)煤層突出危險區常呈區域條帶狀分布。突出危險區呈帶狀分布。究其原因,目前的觀點是突出危險區受到地質構造控制,而地質構造具有帶狀分布的特征,如斷層、向斜軸部、火成巖侵入地區、煤層扭轉地區、煤層產狀急劇變化、壓性及壓扭性斷層地帶、煤層構造分岔、頂底板階梯狀凸起地區,特別是軟分層變厚地區和各種地質構造交匯處都是突出點密集地區,發生大型甚至特大型突出地區。

采掘形成的應力集中帶,如采掘工作面鄰近煤柱、采止線、兩條巷道貫通之前的應力集中帶,相向采掘的兩工作面互相接近的采煤工作面集中應力帶內煤層突出危險性增大。這些地區往往也有帶狀分布的特點,在這些地帶不僅突出頻繁,而且極易發生大強度煤與瓦斯突出。

10)突出危險性隨著有硬而厚的圍巖存在而增大。主要是硅質灰巖和砂巖等堅硬巖層的存在,有時造成巷道或工作面支架大面積不接頂,給彈性潛能的積聚創造條件,同時增大工作面前方應力梯度。

[1] 張子敏.瓦斯地質學[M].徐州:中國礦業大學出版社,2009:240-241.

[2] 撫順煤炭科學研究院.山西柳林興無煤礦有限公司4#、5#煤層煤與瓦斯突出危險性鑒定報告[R].撫順:撫順煤炭科學研究院,2008.

[3] 河南理工大學.山西柳林莊上煤礦有限公司瓦斯涌出量預測及抽放可行性研究報告[R].焦作:河南理工大學,2009.

[4] 全國煤礦瓦斯地質圖編制技術工作組.煤礦礦區礦井采掘工作面瓦斯地質圖編制方法[G].北京:2009:13-15.

[5] 張子敏,張玉貴,衛修君,等.編制煤礦三級瓦斯地質圖[M].北京:煤炭工業出版社,2007:103-106.

Analysis on Geology Rule of Coal Seam G as

Zhang Yun-lan

Gas emission is the largest disasters of a direct threat to the safety production in coal mines and miners life,for improving safety production condition of coal mine should carry on gas forecast,gas control,gas use,its foundation is the gas geology rule.This article profited from experts’research results and the social practice statistical data has carried on the brief analysis,so as to show the general geology rule of coal seam gas occurrence,coal seam and gas outburst.

Gas occurrence;Geological rule;Gas emission;Forecast of coal and gas outburst

TD712

A

1672-0652(2010)06-0028-05

2010-03-19

張赟蘭 女 1966年出生 2009年畢業于太原理工大學 助理工程師 太原 030045