陽泉礦區保安煤礦15#煤層瓦斯地質規律研究

張 華盧永戰李向革韓 穎

(1.河北工程大學資源學院,河北省邯鄲市,056038;2.山西煤炭運銷集團保安煤業有限公司,山西省陽泉市,045000;3.河南理工大學能源科學與工程學院,河南省焦作市,054000)

陽泉礦區保安煤礦15#煤層瓦斯地質規律研究

張 華1盧永戰1李向革2韓 穎3

(1.河北工程大學資源學院,河北省邯鄲市,056038;2.山西煤炭運銷集團保安煤業有限公司,山西省陽泉市,045000;3.河南理工大學能源科學與工程學院,河南省焦作市,054000)

通過整理礦井地質勘探和開采測試揭露的瓦斯地質資料,利用瓦斯地質研究方法揭示礦井現開采15#煤層瓦斯地質規律。結果表明,15#煤層瓦斯含量總體隨埋深增加而減小。究其原因,K2、K3和 K4石灰巖裂隙巖溶含水層是15#煤層直接充水含水層,在鉆孔3-5及保-1處15#煤層陷落柱發育,由于陷落柱可能存在導水現象,使得含水層與煤層具有水力聯系,在地下水運移過程中,煤層瓦斯也發生運移,造成煤層瓦斯含量降低。

瓦斯地質規律 地下水 地質勘探 保安煤礦

1 井田概況

保安井田位于沁水煤田東北邊緣,陽泉礦區西部,井田面積約14 km2。地質儲量1.86億t,可采儲量10677萬t,生產能力150萬t/a。含煤地層為石炭系太原組和二疊系山西組,可采煤層共6層,主采8#、15#煤層。15#煤層厚度3.32～5.27 m,平均3.91 m。井田總的構造形態為:西部地層走向近東西,傾向南,往東地層走向轉為北西,傾向南西的單斜構造。經鑒定8#和9#煤層為突出煤層,15#煤為非突出煤層,礦井為煤與瓦斯突出礦井。煤層不易自燃,煤塵無爆炸危險性。

2 瓦斯采樣與參數測試

采用MG-Ⅱ型密封罐進行礦井瓦斯采樣,FHJ-2型野外解吸儀現場解吸測定瓦斯解吸量和損失量,樣品送實驗室測定殘存瓦斯含量及自然瓦斯成分,并計算總瓦斯含量。由測試結果和15#煤瓦斯含量等值線圖看15#煤層自然瓦斯(CH4)成分平均在83.06%～88.03%之間;15#煤層瓦斯(CH4)含量平均在1.803～12.006 m3/t(無水無灰基),見表1、圖1。

圖1 15#煤層瓦斯含量等值線圖

表1 各煤層瓦斯測試成果匯總表

將15#煤層瓦斯等值線與煤層底板等高線迭加可看出:井田內北東向褶曲較發育,在構造轉折部位(即應力比較集中部位)以及褶皺軸部疊加部位瓦斯含量較高。

3 15#煤層瓦斯地質規律研究

15#煤層瓦斯的賦存特征受各種地質因素控制,其中主要包括埋深及上覆巖厚度、煤層頂底板巖性和水文地質條件。

3.1 埋深及上覆巖厚度對15#煤層瓦斯賦存的影響

15#煤層瓦斯含量統計結果見表2。參照原始數據對礦井鉆孔瓦斯含量進行篩選,將瓦斯濃度小于80%的數據和異常數據去掉。

表2 保安煤礦15#煤層地質勘探階段瓦斯含量測定結果統計表

圖2 15#煤層瓦斯含量與埋藏深度的關系散點圖

依據表2回歸分析瓦斯含量(y)與其埋藏深度(x1)的關系,相關系數R=0.9893,線性相關性較好,見圖2。

建立了數學模型:

式中:x1——埋藏深度,m;

y——瓦斯含量,m3/t;

R——相關系數。

依據表2,回歸分析瓦斯含量(y)與其上覆基巖厚度(x2)的關系(圖3),線性相關性較好,相關系數R=0.7882。

圖3 15#煤層上覆基巖厚度與瓦斯含量關系圖

建立了數學模型:

式中:x2——上覆基巖厚度,m;

y——瓦斯含量,m3/t;

R——相關系數。

依據表2,回歸分析瓦斯含量(y)與其煤層底板標高(x3)的關系,見圖4。

建立數學模型:

式中:x3——煤層底板標高,m;

y——瓦斯含量,m3/t;

R——相關系數。

由數值擬合結果可知,埋深是控制瓦斯含量的基礎,局部區域由于褶皺、陷落柱、地下水等因素的綜合影響,瓦斯含量出現變化。15#煤層瓦斯含量隨埋深增大總體呈現減小的趨勢。

圖4 15#煤層底板標高與瓦斯含量關系圖

3.2 煤層頂底板對15#煤層瓦斯賦存的影響

經統計鉆孔資料中泥巖厚度資料與瓦斯含量的關系見表3。

表3 煤層頂(底)板巖性統計

通過統計頂板內的泥巖厚度(x4)與對應瓦斯含量(y),排除其中異常數據,進行線性回歸,瓦斯含量總的趨勢隨著泥巖厚度的增加而變大,見圖5。

圖5 15#煤層頂板泥巖厚度與瓦斯含量回歸趨勢線

建立數學模型:

式中:x4——頂板泥巖厚度,m;

y——瓦斯含量,m3/t;

R——相關系數。

可以看出,頂板泥巖厚度變化對瓦斯含量的影響較明顯的。通過統計底板10 m內的泥巖厚度(x5)與對應瓦斯含量(y),進行線性回歸相關性較差,故認為底板泥巖厚度變化對瓦斯含量的影響不明顯。結合鉆孔和擬合分析,井田內15#煤層瓦斯含量隨著頂板泥巖厚度增加而增大,15#煤層的底板泥巖關系對瓦斯含量影響不大。

3.3 水文地質條件對15#煤層瓦斯賦存的影響

15#煤層的水文地質類型以巖溶充水頂板進水為主。含水層多夾雜泥巖或砂質泥巖,有裂隙發育但多被方解石充填,各個含水層均屬富水性弱含水層。井田位于地表分水嶺附近,排泄條件好,不利于大氣降水下滲補給,加之井田內斷裂構造不發育,且有穩定的隔水層存在,使各含水層間無水力聯系。受水文地質條件控制影響,不利于煤層瓦斯逸散,使得煤層瓦斯含量較高。

4 15#煤層瓦斯含量分布及預測

通過以上定性、定量分析,找出了影響15#煤層瓦斯含量的不同因素關系,見表4。即:15#煤層底板標高、頂板內泥巖厚度、上覆基巖厚度、埋藏深度對瓦斯含量大小影響較大,相關系數都大于0.65,而底板10 m內泥巖厚度的影響較小,說明上覆基巖厚度和煤層埋藏深度是影響15#煤層瓦斯含量分布的重要因素。

通過煤層埋深與瓦斯含量之間的關系來求取含量更具有普遍意義,為了使預測值對實際工作更具有指導作用,因此利用含量與埋深之間的回歸關系來預測瓦斯含量。

表4 15#煤層瓦斯含量與主要因素關系表

由以上分析,煤層埋深是影響保安煤礦15#煤層瓦斯含量的主要因素。由瓦斯含量與煤層埋深回歸方程y= -0.0933x1+82.178得:816.49 m處的瓦斯含量趨勢值是6 m3/t;795.05 m處的瓦斯含量趨勢值是8 m3/t;773.61 m處的瓦斯含量趨勢值是10 m3/t;752.18 m處的瓦斯含量趨勢值是12 m3/t;730.74 m處的瓦斯含量趨勢值是14 m3/t;709.3 m處的瓦斯含量趨勢值是16 m3/t。

5 結論

15#煤層瓦斯含量總體隨埋深增加而減小,究其原因,K2、K3、K4石灰巖裂隙巖溶含水層是15#煤層直接充水含水層,在鉆孔3-5及保-1處15#煤層陷落柱發育,由于陷落柱可能存在導水現象,使得含水層與煤層具有水力聯系,在地下水運移過程中,煤層瓦斯也發生運移,造成煤層瓦斯含量降低。地勘數據表明,越靠近陷落柱,鉆孔瓦斯含量越低。以上規律將為礦井瓦斯治理措施選擇、瓦斯災害預防方案制定、工作面瓦斯預測和礦井安全生產提供理論依據。

[1]包劍影,蘇燧,李貴賢.陽泉煤礦瓦斯治理技術[M].北京:煤炭工業出版社,1996

[2]胡殿明,林柏泉.煤層瓦斯賦存規律及防治技術[M].徐州:中國礦業大學出版社,2006

[3]于不凡,王佑安.煤礦瓦斯災害防治及利用技術手冊[M].北京:煤炭工業出版社,2000

(責任編輯 梁子榮)

Research of gas geological laws on#15 coal seam of Bao’an Coal Mine,Yangquanmining area

Zhang Hua1,Lu Yongzhan1,Li Xiangge2,Han Ying3
(1.School of Resources,Hebei University of Engineering,Handan,Hebei 056038,China;2.Bao’an Coal Mining Co.Ltd of Shanxi Coal Transportation and Sales Group,Yangquan,Shanxi 045000,China;3.School of Energy Science&Engineering,Henan Polytechnic University,Jiaozuo,Henan 054000,China)

Through collection of gas geological datum got frommine geological exploration and tryoutmining,the gas geological research method is used to bring to light the gas geological laws ofmining#15 coal seam.The results indicate that,gas content in#15 coal seam is getting lower along with the depth of coal seam underground.The reason is that,water-bearing strata of K2、K3、K4limestone fissured karst is the water filling resource directly to#15 coal seam.#15 coal seam downthrow column develops in 3-5drilling hole and Bao-1drilling hole.Due to the possible water flowing in downthrow columns,water connection exists between water-bearing strata and coal seams.With the water moving underground,coal seam’s gas is also moving,hence makes the gas content in coal seams reduced.

gas geological laws,underground water,geological exploration,Bao’an Coal Mine

TD712.6

A

張華(1983-),男,河北邢臺人,注冊安全工程師、采煤助工,河北工程大學采礦工程專業碩士研究生。