地勘階段煤層瓦斯圍巖封閉能力評(píng)價(jià)與應(yīng)用

石慶禮，李 杰

（貴州省煤田地質(zhì)局實(shí)驗(yàn)室，貴陽 550023）

地勘階段煤層瓦斯圍巖封閉能力評(píng)價(jià)與應(yīng)用

石慶禮，李 杰

（貴州省煤田地質(zhì)局實(shí)驗(yàn)室，貴陽 550023）

運(yùn)用瓦斯地質(zhì)學(xué)理論分析影響煤層瓦斯圍巖封閉性能的地質(zhì)因素，得出煤層頂?shù)装鍘r性、煤層封閉層泥巖比、有效巖層厚度效應(yīng)系數(shù)為圍巖封閉層主控地質(zhì)因素。提出了有效封閉能力綜合指數(shù)（ESCI）并建立了煤層瓦斯圍巖封閉能力評(píng)價(jià)模型。以評(píng)價(jià)模型為基礎(chǔ)對(duì)馬依西一井3號(hào)煤層瓦斯圍巖封閉能力進(jìn)行評(píng)價(jià)。結(jié)果表明：研究區(qū)3號(hào)煤層的封閉層劃分為Ⅰ-Ⅳ類，西翼3號(hào)煤層圍巖封閉類型屬于Ⅰ-Ⅱ類，具有強(qiáng)至較強(qiáng)的封閉能力，東翼3號(hào)煤層圍巖封閉類型主要屬于Ⅲ-Ⅳ類，封閉能力中等偏弱，在Ⅲ與Ⅳ類之間，有一小塊屬于Ⅱ類圍巖封閉。總體上，西翼較東翼的圍巖條件好，封閉瓦斯能力強(qiáng)，瓦斯含量高，隨著圍巖封閉條件自南西向北西逐漸變差，圍巖封閉瓦斯能力減弱，瓦斯含量降低。

圍巖封閉層；泥巖比；ESCI；評(píng)價(jià)

瓦斯災(zāi)害是煤礦主要災(zāi)害之一，嚴(yán)重制約著煤礦的安全生產(chǎn)。瓦斯地質(zhì)學(xué)理論表明，瓦斯圍巖的有效封閉使煤層瓦斯散逸通道減少而得以儲(chǔ)存[1]。地勘階段煤層圍巖未受采動(dòng)破壞，瓦斯處于原始儲(chǔ)存狀態(tài)。因此，可通過地勘階段地質(zhì)鉆孔揭露的圍巖厚度、巖性、節(jié)理及裂隙發(fā)育程度等分析煤層瓦斯儲(chǔ)存地質(zhì)因素，建立煤層瓦斯圍巖封閉能力評(píng)價(jià)指標(biāo)及評(píng)價(jià)模型。

1 圍巖封閉層

圍巖封閉層是指煤層縱向一定范圍內(nèi)的有效巖層，包括煤層的直接頂、老頂和底板，其作用是阻止煤層瓦斯的運(yùn)移和擴(kuò)散。通常，圍巖封閉能力差，瓦斯大量運(yùn)移擴(kuò)散，不利于后期的井巷施工和人員安全，在采掘活動(dòng)影響下，甚至易發(fā)生大量瓦斯涌出、煤與瓦斯突出等瓦斯災(zāi)害事故。反之，圍巖封閉能力強(qiáng)，瓦斯不易運(yùn)移擴(kuò)散，后期只要采用適合的瓦斯抽采及防突措施即可有效降低瓦斯災(zāi)害發(fā)生率。

多數(shù)學(xué)者研究認(rèn)為：圍巖對(duì)瓦斯的封閉能力主要取決于毛細(xì)管壓力、封閉層巖性、瓦斯壓力、煤層埋深、構(gòu)造發(fā)育程度等[2-3]，但主要還是取決于煤層頂、底板一定范圍內(nèi)圍巖的物理力學(xué)性質(zhì)和巖石結(jié)構(gòu)特征。本文以馬依西一井為例，運(yùn)用瓦斯地質(zhì)學(xué)方法對(duì)3號(hào)煤層瓦斯圍巖地質(zhì)因素進(jìn)行分析，評(píng)價(jià)其圍巖的封閉能力大小。

2 圍巖封閉層主控地質(zhì)因素

圍巖封閉能力大小是各種地質(zhì)因素和地質(zhì)作用綜合作用的結(jié)果。通常，若煤層瓦斯圍巖為隔氣性巖層（頁巖、泥巖、炭質(zhì)泥巖等），對(duì)瓦斯起封閉作用，瓦斯含量高；煤層瓦斯圍巖為透氣性巖層（中粒砂巖、裂隙發(fā)育的石灰?guī)r、白云巖等），則瓦斯儲(chǔ)存條件差，瓦斯含量較低。煤層頂?shù)装鍑鷰r的裂隙節(jié)理越發(fā)育，瓦斯擴(kuò)散通道越多，不利瓦斯儲(chǔ)存，封閉能力較差。封閉層有效厚度越大，瓦斯運(yùn)移擴(kuò)散越困難。為此，選取煤層頂?shù)装鍘r性、煤層封閉層有效厚度、煤層頂?shù)装辶严豆?jié)理發(fā)育程度作為圍巖封閉層主控地質(zhì)因素，并由此建立煤層瓦斯封閉層泥巖比、有效巖層厚度效應(yīng)系數(shù)、頂?shù)装鍘r性3個(gè)定量評(píng)價(jià)指標(biāo)[4-5]。

2.1 煤層頂?shù)装鍘r性

含煤地層中，多以粉砂巖、細(xì)砂巖、泥巖、石灰?guī)r沉積為主。因此，瓦斯圍巖封閉層基本上為以上各大巖石的組合。按巖性特征分析，主要考慮巖石的粒度、磨圓度、致密性、分選性、膠結(jié)類型、結(jié)構(gòu)構(gòu)造、巖漿巖侵入等方面的差異，它們所組成的瓦斯封閉層能力將各不相同[3]。在相同厚度的條件下，瓦斯圍巖封閉能力從大到小的排列順序?yàn)椋耗鄮r、炭質(zhì)泥巖（頁巖）、泥灰?guī)r、粉砂質(zhì)泥巖（鋁土質(zhì)泥巖）、泥質(zhì)粉砂巖、粉砂巖、細(xì)砂巖、中粒砂巖、粗粒砂巖、石灰?guī)r、斷層角礫巖。

2.2 煤層封閉層泥巖比

在煤層瓦斯圍巖中，泥巖的封閉能力最強(qiáng)，石灰?guī)r及斷層角礫巖因節(jié)理裂隙發(fā)育封閉能力最弱。為了定量研究封閉層段內(nèi)巖石的整體有效封閉能力，可將瓦斯圍巖有效封閉層段內(nèi)不同巖層按表1系數(shù)轉(zhuǎn)化為泥巖厚度之和占封閉層厚度的比值，該比值即為煤層封閉層泥巖比，取值為0～1，泥巖比越大表示在有效層段內(nèi)對(duì)瓦斯封閉能力越強(qiáng)，反之則對(duì)瓦斯封閉能力越弱。

表1 煤層頂?shù)装逵行Х忾]層段不同巖石轉(zhuǎn)化系數(shù)

2.3 有效巖層厚度效應(yīng)系數(shù)

為了準(zhǔn)確評(píng)價(jià)瓦斯圍巖封閉層對(duì)瓦斯的封閉能力，引入有效巖層厚度效應(yīng)系數(shù)（C）。它指圍巖有效封閉層段內(nèi)不同巖層厚度按表2權(quán)重分別轉(zhuǎn)化為封閉能力最強(qiáng)的泥巖厚度，依據(jù)其與煤層間距分別計(jì)算不同巖層對(duì)煤層瓦斯的封閉能力：

表2 瓦斯圍巖封閉層不同地質(zhì)因素相對(duì)權(quán)重

式中：C為有效巖層厚度效應(yīng)系數(shù)；Li為巖層厚度，m；ki為權(quán)重，按表2取值；hi為巖層底板至煤層頂板間距或巖層頂板至煤層底板間距，m。

煤層直接頂?shù)装鍘r層作為單獨(dú)指標(biāo)考慮，不參與公式計(jì)算。

通常，有效巖層厚度效應(yīng)系數(shù)越大，封閉瓦斯能力越強(qiáng)；反之，封閉瓦斯能力越弱。

3 圍巖封閉層段有效范圍分析

對(duì)頂?shù)装宸忾]層段泥巖比、有效巖層厚度效應(yīng)系數(shù)、頂?shù)装鍘r性的研究均涉及到瓦斯圍巖有效封閉范圍。統(tǒng)計(jì)范圍小，有效封閉瓦斯的巖層可能缺失，代表性差；統(tǒng)計(jì)范圍大，將不影響或影響很小的巖層參與統(tǒng)計(jì)，工作量增大而且會(huì)導(dǎo)致圍巖封閉層指標(biāo)計(jì)算出現(xiàn)偏差。因此，科學(xué)合理地確定有效層段，對(duì)研究圍巖瓦斯封閉能力至關(guān)重要。為了確定合理的有效封閉層段，在馬依西一井分別取距鉆孔3號(hào)煤層頂板10 m，20 m，30 m，40 m，50 m，60 m，70 m和距底板5 m，10 m，15 m，20 m，25 m，30 m范圍內(nèi)巖層段進(jìn)行研究，分析其與瓦斯含量的關(guān)系，見圖1。

圖1 3號(hào)煤層頂、底板巖層厚度與瓦斯含量相關(guān)系數(shù)

通過分析，選用50 m作為3號(hào)煤層頂板有效封閉厚度，20 m作為3號(hào)煤層底板有效封閉厚度。

4 煤層瓦斯圍巖封閉能力評(píng)價(jià)

4.1 建立評(píng)價(jià)指標(biāo)

上述分析，煤層瓦斯圍巖封閉能力與煤層頂?shù)装鍘r性、煤層泥巖比、有效巖層厚度相關(guān)。為此，以該3個(gè)瓦斯地質(zhì)因素作為基本評(píng)價(jià)指標(biāo)。在研究3個(gè)單項(xiàng)指標(biāo)與瓦斯圍巖封閉能力基礎(chǔ)上，提出反映3個(gè)基本指標(biāo)對(duì)瓦斯封閉綜合作用的有效封閉能力綜合指數(shù)（ESCI）。計(jì)算該綜合能力指數(shù)（ESCI）后，對(duì)馬依西一井3號(hào)煤層瓦斯圍巖封閉能力進(jìn)行評(píng)價(jià)。

4.2 評(píng)價(jià)模型

有效封閉能力綜合指數(shù)（ESCI），綜合了封閉層段泥巖比、有效巖層厚度效應(yīng)系數(shù)、頂?shù)装鍘r性3個(gè)指標(biāo)，其計(jì)算式為：

式中：Qi為量化后的煤層封閉層段頂?shù)装迥鄮r比、頂?shù)装逵行r層厚度效應(yīng)系數(shù)、頂?shù)装鍘r性。

在上述分析的圍巖封閉有效范圍內(nèi)，統(tǒng)計(jì)各巖層厚度，按表1轉(zhuǎn)化除以有效封閉層段厚度得出泥巖比；按公式（1）及表2得出有效巖層厚度效應(yīng)系數(shù)；按表1轉(zhuǎn)化得出巖性量化值。有效封閉能力綜合指數(shù)（ESCI），取值為0%～100%，值越大，封閉層對(duì)瓦斯封閉能力越強(qiáng)。反之，則越弱。

5 評(píng)價(jià)模型實(shí)例分析與應(yīng)用

在馬依西一井選擇進(jìn)行煤層瓦斯含量測(cè)試的14個(gè)鉆孔資料[6]，分別對(duì)3號(hào)煤層有效封閉層段內(nèi)的頂?shù)装迥鄮r比(n)、頂?shù)装逵行r層厚度效應(yīng)系數(shù)（C）、頂?shù)装鍘r性進(jìn)行量化。計(jì)算出3號(hào)煤層有效封閉能力綜合指數(shù)（ESCI），見表3。

從表3可見，全礦井3號(hào)煤層ESCI值為58.33%～86.67%，瓦斯含量為4.23 m3/t～24.04 m3/t，兩者的變化趨勢(shì)基本一致，即ESCI值大，瓦斯含量大；ESCI值小，瓦斯含量小。為了進(jìn)一步分析圍巖封閉能力與瓦斯含量在平面上的分布，以ESCI值為基礎(chǔ)，將本區(qū)3號(hào)煤層的封閉層劃分為4種類型，見表4，并對(duì)本區(qū)封閉能力進(jìn)行區(qū)劃，如圖2所示。

從圖2可見，礦井西翼3號(hào)煤層圍巖封閉類型屬于Ⅰ～Ⅱ類，具有強(qiáng)至較強(qiáng)的封閉能力；東翼3號(hào)煤層圍巖封閉類型主要屬于Ⅲ～Ⅳ類，封閉能力中等偏弱，在Ⅲ與Ⅳ類之間，有一小塊屬于Ⅱ類圍巖封閉。總體上，西翼較東翼的圍巖條件好，圍巖封閉瓦斯能力強(qiáng)，瓦斯含量高，隨著圍巖封閉條件自南西向北西逐漸變差，圍巖封閉瓦斯能力減弱，瓦斯含量減小。

6 結(jié)論

1）通過瓦斯地質(zhì)學(xué)理論分析了煤層瓦斯圍巖封閉性能的地質(zhì)因素，得出了煤層頂?shù)装鍘r性、煤層封閉層泥巖比、有效巖層厚度效應(yīng)系數(shù)為圍巖封閉層主控地質(zhì)因素。

2）運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法，分析馬依西一井3號(hào)煤層頂板泥巖比與封閉巖層厚度的相關(guān)系數(shù)，得出3號(hào)煤層頂板有效封閉厚度為50 m，底板有效封閉厚度為20 m。

表3 3號(hào)煤層圍巖有效封閉能力綜合指數(shù)(ESCI)計(jì)算值

圖2 馬依西一井3號(hào)煤層ESCI等值線及封閉能力區(qū)劃圖

表4 3號(hào)煤層圍巖封閉類型及封閉能力分級(jí)表

3）提出了有效封閉能力綜合指數(shù)(ESCI)并建立了瓦斯圍巖封閉能力評(píng)價(jià)模型。

4）運(yùn)用煤層瓦斯圍巖封閉能力評(píng)價(jià)模型，實(shí)例分析了馬依西一井3號(hào)煤層瓦斯圍巖封閉能力，將本區(qū)3號(hào)煤層的封閉層劃分為Ⅰ-Ⅳ類，并繪制了3號(hào)煤層ESCI等值線及封閉能力區(qū)劃圖。

[1]張子敏.瓦斯地質(zhì)學(xué)[M].徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2009．

[2]曾勇，王占磊，吳財(cái)芳，等.礦井煤層甲烷封蓋條件的初步研究[J].煤田地質(zhì)與勘探,2006，34(5)：31-34.

[3]呂閏生，張子戌.煤層瓦斯圍巖封蓋能力的定量分析[J].礦業(yè)安全與環(huán)保,2007，34(6)：1-3.

[4]張枚潤(rùn)，楊勝強(qiáng)，周中立，等.馬依西一井3號(hào)煤層瓦斯含量預(yù)測(cè)[J].煤礦安全,2013(1)：127-129．

[5]安鴻濤.龍灣井田3號(hào)煤層煤層氣賦存的地質(zhì)控制因素[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2014，42(2)：41-43．

[6]劉祥先.貴州省盤縣馬依西一井田煤礦勘探地質(zhì)報(bào)告[R].貴陽:貴州省西能煤炭勘查開發(fā)有限公司,2006.

（編輯：楊 鵬）

Evaluation on CBM Sealing Capability of Coal-enclosing Rocks in Exploring Stages

SHI Qingli,LI Jie
(Laboratory of Coalfield Geology Bureau of Guizhou Province,Guiyang 550023,China)

Based on gas geology,CBM sealing capability of coal-enclosing rocks were analyzed to conclude major controlling geological factors of the sealed layers,including the lithology of roof and floor of coal seam,mudstone ratio,and effect coefficient ofeffective rock thickness.The paper proposes an effective sealingcapacityindex(ESCI)and establishes an evaluation model on sealingcapabilityofsurroundingrock of CBM.Based on the model,No.3 coal seam of No.1 Mayixi Well’s sealing capability was evaluated.The results showthat the sealed layer of No.3 coal seam could be classified into 4 types:from type I to IV.No.3 at the west wing belongs to type I and II,with strong to stronger sealing capability;No.3 at the east wing belongs to type III and IV,with medium and weaker capability.Between the type III and IV in the mine is a piece of type II.In general,the condition in the west wing is better than that in the east,with strong sealing capability for CBM and high gas concentration.The sealing condition becomes worse from south-west tonorth-east part and gas sealingcapabilityand gas concentration decrease gradually.

seals ofcoal-enclosingrock;mudstone ratio;ESCI;evaluation

TD712.2

A

1672-5050（2016）04-054-04

10.3969/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2016.08.015

2016-04-13

石慶禮（1982-），男，貴州黎平人，碩士，工程師，從事煤田地質(zhì)勘查、礦井通風(fēng)與瓦斯治理等方面的研究。