新集二礦瓦斯賦存規(guī)律研究

裴文洲

(中煤新集能源股份有限公司新集二礦，安徽省淮南市，232181)

瓦斯是煤層在地質(zhì)演變過程中形成的伴生物，在煤層采掘過程中，煤層瓦斯含量的大小及其分布情況影響著采掘工作面瓦斯涌出，煤層瓦斯賦存規(guī)律是礦井制定瓦斯治理措施的基礎(chǔ)。本文在整理新集二礦瓦斯地質(zhì)資料和測(cè)試主要可采煤層基礎(chǔ)參數(shù)基礎(chǔ)上，分析不同因素對(duì)煤層瓦斯含量的影響，并采用回歸法分析了煤層埋深與瓦斯含量的關(guān)系式，通過分源預(yù)測(cè)法反演了主要可采煤層的瓦斯含量，為礦井瓦斯治理提供了基礎(chǔ)依據(jù)。

1 礦井概況

新集二礦位于安徽省鳳臺(tái)縣城西約12 km處，東與新集三礦井田接壤，西與新集一礦毗鄰。礦井改擴(kuò)建后生產(chǎn)能力為300 萬t/a，礦井開采的煤層具有自然發(fā)火傾向性，屬Ⅱ級(jí)易自燃煤層，自然發(fā)火期3～6個(gè)月。煤塵具有爆炸性，爆炸指數(shù)為35.47%～44.3%。礦井2003年升級(jí)為煤與瓦斯突出礦井，2016年全礦最大絕對(duì)瓦斯涌出量為61.71 m3/min，相對(duì)瓦斯涌出量為11.70 m3/t。新集二礦井田含煤地層為石炭系和二疊系。石炭系太原組含煤5～7層，發(fā)育差，無工業(yè)價(jià)值。二疊系含煤地層的山西組和上、下石盒子組有可采煤層13-1#、11-2#、11-1#、9上#、9#、8#、7-2#、6-1上#、6-1#、5-2#、4-2#、1上#和1#共13層煤，其中主要可采煤層5層，分別為13-1#、11-2#、8#、6-1#和1#煤層，其主要地質(zhì)特征如表1所示。

表1 新集二礦主要可采煤層地質(zhì)特征表

2 煤層瓦斯基礎(chǔ)參數(shù)

通過煤層取樣，采用實(shí)驗(yàn)室DGC型瓦斯含量直接測(cè)定裝置、HCA型高壓容量法瓦斯吸附裝置、MJC煤的堅(jiān)固性系數(shù)測(cè)定裝置、WT-1瓦斯放散初速度自動(dòng)測(cè)定儀及MAC-2000全自動(dòng)工業(yè)分析儀對(duì)主要可采煤層瓦斯基礎(chǔ)參數(shù)進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如表2所示。

表2 主要可采煤層瓦斯基礎(chǔ)參數(shù)

3 瓦斯賦存規(guī)律研究

3.1 斷層對(duì)瓦斯賦存的影響

井田內(nèi)均為高角度正斷層，斷層帶在自然狀態(tài)下結(jié)構(gòu)致密，當(dāng)與非含水層對(duì)接時(shí)，多呈封閉狀態(tài)，具有一定的隔水性；與弱含水層對(duì)接時(shí)，含水性不強(qiáng)，仍為致密和相對(duì)封閉狀態(tài)；當(dāng)與中強(qiáng)含水層對(duì)接時(shí)，斷層處于即含水又導(dǎo)水狀態(tài)。其中F10正斷層位于井田中深部，橫貫全井田，傾角較大，落差90～400 m，往東落差逐漸變小。井田由橫貫全井田的F10斷層組從南向北劃分為兩個(gè)塊段。

(1)南部。井田南部煤層從南到北埋深逐漸增大，8#煤層底板標(biāo)高-400～-1000 m。井田南部由于受阜鳳逆沖斷層影響，煤層瓦斯在地史時(shí)期已有部分逸散，往北局部地區(qū)雖然發(fā)育有小落差斷層，但對(duì)煤層瓦斯含量影響不太明顯。

(2)北部。塊段北部以F10斷層為界，此斷層橫穿全井田，走向近東西，落差90～400 m，對(duì)井田內(nèi)各主采煤層均影響較大。受F10、F20斷層影響，井田北部塊段先上升后下降，上覆基巖厚度較大，基本無煤層露頭。靠近F10、F20斷層組，瓦斯逸散條件較好，其余煤層埋藏較深具有良好的瓦斯賦存條件。

總體上來講，僅南部在阜鳳逆沖斷層、北部在F10斷層組的影響下，瓦斯逸散條件較好外，其余地段均具有良好的瓦斯賦存條件。

3.2 頂板巖性對(duì)瓦斯賦存的影響

煤層頂板巖性是指與煤層直接接觸的偽頂或直接頂巖性。上覆50 m砂巖比是統(tǒng)計(jì)煤層以上50 m巖層段內(nèi)砂巖厚度所占的比例，表示該段巖層的組合特征，可反映煤層瓦斯運(yùn)移、逸散的難易程度。頂板巖性和砂巖比都是影響瓦斯縱向運(yùn)移、逸散的重要因素。

新集二礦煤層頂板有泥巖、炭質(zhì)泥巖、砂質(zhì)泥巖、細(xì)砂巖或粉砂巖，在橫向上變化較大。8#煤層頂板主要是泥巖或砂質(zhì)泥巖，且50 m砂巖比相比其他煤層小，在橫向上變化不大，造成8#煤層瓦斯涌出量較同一標(biāo)高其他煤層大。11-2#煤層在04勘探線以西頂板主要是細(xì)砂巖、中砂巖、石英砂巖，04線以東頂板主要是泥巖或砂質(zhì)泥巖。6-1#煤層06線以東為砂巖頂板，其余以泥巖或炭質(zhì)泥巖為直接頂板。而13-1#煤層頂板為泥巖或砂質(zhì)泥巖。繪制8#和6-1#煤層50 m砂巖比與瓦斯涌出量關(guān)系，如圖1和圖2所示，可知砂巖比對(duì)8#和6-1#煤層瓦斯的賦存影響較大。

圖1 8#煤層50 m砂巖比與瓦斯涌出量關(guān)系圖

圖2 6-1#煤層50 m砂巖比與瓦斯涌出量關(guān)系圖

3.3 煤層上覆巖層厚度對(duì)瓦斯賦存的影響

頂板基巖厚度是指研究煤層上覆除沖積層之外的所有地層厚度。當(dāng)?shù)孛鏄?biāo)高變化不大時(shí)，研究煤層底板標(biāo)高也能較好地表征頂板基巖厚度。一般而言，隨著煤層上覆基巖厚度的增大，煤層承受的靜壓力增大，不僅使瓦斯的縱向和橫向運(yùn)移條件變差，而且使煤對(duì)瓦斯的吸附能力增強(qiáng)，賦存條件變好。但若上覆基巖厚度較小，且與地表有連通的斷層和裂隙，造成煤層瓦斯與大氣的相互交換，瓦斯的縱向和橫向運(yùn)移又是明顯的。所以，煤層上覆基巖厚度或煤層埋藏深度的變化，往往是影響煤層瓦斯賦存的主要地質(zhì)因素。由上所述，新集二礦地面標(biāo)高差別不大，但由于阜鳳逆沖斷層的影響，上覆基巖由石千峰組、三疊系下統(tǒng)、上下第三系、外來系組成。其中三疊系與下第三系之間被不整合接觸面分隔，代表了較長(zhǎng)時(shí)間的沉積間斷，四段巖層巖性和厚度也有大的差異，是造成井田煤層瓦斯分布不均衡的主要原因。

研究表明，新集二礦井田內(nèi)的上覆基巖厚度有明顯的差異，致使各研究煤層上覆基巖厚度對(duì)煤層瓦斯的賦存影響明顯。一般呈現(xiàn)為隨著頂板基巖厚度的增加，煤層瓦斯賦存條件變好。此因素在8#煤層和6-1#煤層中影響均比較明顯，8#煤層和6-1#煤層基巖厚度與瓦斯涌出量關(guān)系如圖3和圖4所示。

圖3 8#煤層基巖厚度與瓦斯涌出量關(guān)系圖

圖4 6-1#煤層基巖厚度與瓦斯涌出量關(guān)系圖

3.4 煤層埋深對(duì)瓦斯賦存的影響

(1)8#煤層瓦斯含量分布。8#煤層瓦斯含量與埋藏深度散點(diǎn)關(guān)系如圖5所示。經(jīng)回歸分析，瓦斯含量具有隨埋藏深度增加而增大的整體趨勢(shì)，兩者之間線性相關(guān)性為0.8652。井田中部煤層，盡管埋藏深度比較大，但受F02、F10斷層及伴生小斷層的相互切割影響，煤層瓦斯具有較好的逸散條件，相對(duì)其他地點(diǎn)同深度的瓦斯含量降低，瓦斯含量的變化會(huì)比較明顯。

(2)13-1#煤層瓦斯含量分布。13-1#煤層瓦斯含量與埋藏深度散點(diǎn)關(guān)系如圖6所示。13-1#煤層處在CH4帶內(nèi)，因此相比其他煤層瓦斯含量值較高。經(jīng)回歸分析，瓦斯含量呈現(xiàn)隨埋藏深度增加而增大的整體趨勢(shì)，兩者之間線性相關(guān)性為0.6211。

圖5 8#煤層瓦斯含量與埋深關(guān)系散點(diǎn)圖

圖6 13-1#煤層瓦斯含量分布散點(diǎn)圖

(3) 6-1#煤層瓦斯含量分布。6-1#煤層瓦斯含量與埋藏深度散點(diǎn)關(guān)系如圖7所示。瓦斯風(fēng)化帶深度在-450～-500 m之間，因此從散點(diǎn)圖中可以看出6-1#煤層瓦斯含量波動(dòng)較大。瓦斯含量與埋藏深度的線性相關(guān)系數(shù)為0.4282，但是從整體上來看，瓦斯含量具有隨埋藏深度增加而增大趨勢(shì)。

圖7 6-1#煤層瓦斯含量分布散點(diǎn)圖

(4)11-2#煤層瓦斯含量分布。11-2#煤層有4個(gè)地勘瓦斯含量測(cè)值，且全部分布在-500 m淺區(qū)域，甲烷成份均低于80%，處于瓦斯風(fēng)化帶內(nèi)，瓦斯含量波動(dòng)比較大、分布規(guī)律不明顯。井下實(shí)測(cè)結(jié)果表明已揭露區(qū)域瓦斯含量較小。因可利用的瓦斯含量點(diǎn)較少，為了分析11-2#煤層瓦斯含量分布規(guī)律，采用分源預(yù)測(cè)法，根據(jù)已采工作面瓦斯涌出量反演煤層瓦斯含量，結(jié)果如表3所示。

表3 11-2#煤層瓦斯涌出量反推瓦斯含量

根據(jù)對(duì)瓦斯含量地勘測(cè)值、井下測(cè)值和反演值的分析，繪制11-2#煤層瓦斯含量分布散點(diǎn)如圖8所示。井田南部處于瓦斯風(fēng)化帶，受阜鳳逆沖斷層的影響，其瓦斯風(fēng)化帶深度在-400～-450 m。井田中深部，受F10、F11、F20斷層的影響，瓦斯逸散條件較好。相比其他煤層，11-2#煤層瓦斯含量相對(duì)其他煤層明顯偏小，但煤層瓦斯含量隨埋藏深度增加而呈總體增大趨勢(shì)，線性相關(guān)性為0.6787。

圖 8 11-2#煤層瓦斯含量分布散點(diǎn)圖

4 結(jié)論

新集二礦于2003年鑒定為突出礦井，主要可采煤層瓦斯含量均相對(duì)較大。井田內(nèi)斷層對(duì)煤層瓦斯含量具有控制作用。煤層頂板巖性的不同對(duì)煤層瓦斯密封性的影響，是導(dǎo)致煤層瓦斯含量大小差異的一個(gè)主要原因，且砂巖比對(duì)8#煤層和6-1#煤層瓦斯的賦存影響較大。煤層瓦斯含量總體上與煤層埋藏深度呈線性相關(guān)，煤層瓦斯含量隨著深度的增加有增大的趨勢(shì)。井田內(nèi)煤層上覆基巖厚度差異明顯，一般呈現(xiàn)為隨著頂板基巖厚度的增加，煤層瓦斯賦存條件變好，瓦斯含量較大。

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