雅店煤礦瓦斯賦存主控因素分析

董振波,李德仁,趙海波

(1.陜西華彬雅店煤業有限公司,陜西 咸陽 713500;2.中煤科工集團沈陽研究院有限公司,遼寧 撫順 113000)

0 引言

煤礦瓦斯是影響煤礦安全的重要因素之一,厘清煤礦瓦斯賦存規律,對于礦井有效進行瓦斯防治,高效安全生產至關重要[1]。作為煤系地層的共生因素,煤層瓦斯賦存主要由含煤盆地的地質條件和構造演化決定。張子敏等[2]率先提出了瓦斯地質方法,以煤系地層的地質條件為主線,重點研究礦區和礦井的煤層瓦斯賦存規律,為多個礦井的煤與瓦斯突出防治和煤層瓦斯抽采等問題提供了理論支持。煤層瓦斯賦存規律與煤系地層的沉積環境、構造特征及其演化、構造應力場特征等因素密切相關,構建地質因素與瓦斯因素的本質關聯,是厘清礦井瓦斯賦存的根本前提[3-5]。何俊等[6]應用分形幾何理論,探討了井田內構造網絡的分形特征及其與瓦斯突出的內在關聯,為礦井突出區帶的劃分提供了可行的研究思路和方法。雷東記等[7]分析了九里山煤礦瓦斯突出與煤層厚度、斷層構造等地質因素關聯,提出等性塊段疊加法準確預測了該礦井的瓦斯突出危險區。王子健等[8]采用可靠性理論探究了指標不確定度對瓦斯突出預測結果可靠性的影響。WEI等[9]基于統計單元的標準化模型,量化了12種瓦斯地質因素,建立瓦斯地質復雜性指數(GCI)的關聯函數,發現最可能發生瓦斯突出的區域不僅是極復雜的區域,而是不同GCI區域的過渡帶。談國文[10]以煤與瓦斯突出災害致因及發生規律為基礎,提出了瓦斯災害多元化精準防控技術結構。王偉等[11]通過現場調研和數值模擬等方法,發現了壓扭性斷層是控制瓦斯突出的主要地質因素,并提出了基于斷層預測的瓦斯綜合防治措施。綜上所述,前人的研究大量分析了礦井煤系地層構造特征及其演化、地質因素對瓦斯賦存的影響,厘清了礦井的瓦斯賦存規律,為礦井有效制定精準的瓦斯防治措施提供了支持。在此基礎上,以瓦斯地質理論為指導,針對雅店煤礦瓦斯賦存規律問題,定量研究構造演化特征、煤層圍巖特性、煤層埋藏條件以及煤層厚度等因素對瓦斯賦存和瓦斯含量的影響,以期確定雅店煤礦煤層瓦斯賦存的主控因素,進而為雅店煤礦瓦斯防治提供科學準確的理論依據。

1 礦井概況

1.1 礦井概況

雅店煤礦隸屬陜西省彬長礦區,井田面積53.05 km2,可采地質儲量為362.77 Mt,設計生產能力為4.0 Mt/a,服務年限為67 a。礦井采用立井單水平開拓方式,走向長壁式采煤方法,全部垮落法項板管理方法。礦井主采1號和4號煤層,開采底板標高為+480～+190 m,共劃分為4個采區;目前布置有2個采煤工作面、1個備用工作面和2個掘進工作面。

1.2 瓦斯概況

礦井2021年絕對瓦斯涌出量為3.98 m3/min,礦井相對瓦斯涌出量為0.53 m3/t,瓦斯等級鑒定結果為高瓦斯礦井。依據地勘和生產期間的瓦斯參數測試結果,1號煤層最大瓦斯含量為1.24 m3/t,最大瓦斯壓力為0.25 MPa;4號煤層最大瓦斯含量為1.24 m3/t,最大瓦斯壓力為0.75 MPa。

1.3 地質概況

雅店井田位于彬長礦區的七里鋪西坡背斜與四郎河向斜之間,受礦區構造控制,總體為一傾向NW的單斜構造。井田地層平緩,構造簡單,地勘期間未發現斷層和巖漿巖。礦井三維地震勘探解譯斷層8條,斷層落差為0～12 m,斷層走向以NW和NNW向為主,多數斷層僅發育在1號煤層或4號煤層,且影響范圍較小。

2 地質構造演化及賦存特征

2.1 區域構造演化及瓦斯賦存特征

彬長礦區大地構造位置隸屬渭北隆起,煤系地層沉積后,先后經歷了燕山期擠壓逆沖、抬升剝蝕,以及喜山早期的逆沖擠壓和晚期的伸展斷陷作用[12-13]。

成煤后的構造運動對彬長礦區煤層瓦斯賦存影響顯著。燕山運動時期,彬長礦區先后3次出現地殼抬升,沉積地層遭受剝蝕。第1次位于侏羅紀中期,由于地殼抬升,對煤的演化和生氣影響較小;第2次位于侏羅紀末期,煤系上覆地層遭受剝蝕,煤的熱演化及生氣停止,同時由于煤系蓋層的剝蝕,已生成的瓦斯大量逸散;第3次發生在早白堊世末期,持續到古近紀早期,表現為地殼全面隆升,在晚白堊世和古近紀幾乎沒有沉積,煤的演化、生氣處于停止狀態,先前生成的煤層瓦斯再次大量散失。喜山運動時期,彬長礦區又出現了多次擠壓和斷陷過程,造成該區域內煤層瓦斯含量的進一步降低[14-15]。彬長礦區構造綱要與瓦斯含量等值線如圖1所示。

彬長礦區瓦斯分布受褶曲構造控制較為顯著。礦區范圍內,向斜和背斜間隔發育,控制著煤層瓦斯賦存的非均質分布。多數向斜影響區域內,瓦斯聚集形成瓦斯富集區,如大佛寺復向斜和南玉子向斜影響區域內,最高瓦斯含量分別達到10.36 m3/t和7.34 m3/t;而在多數的背斜控制區域內,煤層瓦斯得到充分逸散,未形成瓦斯富集區,如七里鋪-西坡背斜和彬縣背斜區域內,瓦斯含量普遍低于5.00 m3/t[16-18],進而形成了礦區瓦斯含量中南部高、北部低的分布特征[19-20]。

2.2 井田構造演化及瓦斯賦存特征

受礦區地質構造控制的影響,雅店煤礦煤系地層同樣經歷了燕山期抬升剝蝕和喜山期的伸展斷陷作用,導致煤層風化剝蝕嚴重,瓦斯風化帶較深,瓦斯含量較低。雅店煤礦位于彬長礦區七里鋪-西坡背斜區域,總體為一傾向NW的單斜構造,地層平緩,構造簡單,地勘期間未發現斷層和巖漿巖。受礦區背斜構造的控制作用,雅店煤礦煤層瓦斯含量普遍較低,地勘和生產期間測試的最大瓦斯含量為2.14 m3/t。

圖1 彬長礦區構造綱要與瓦斯含量等值線Fig.1 Structure outline and gas content isoline of Binchang mining area

3 瓦斯賦存規律研究

3.1 地勘瓦斯含量修正

由于巖心取樣的技術限制,地勘鉆孔測試的瓦斯含量通常低于采用井下直接測試法測試的瓦斯含量。因此,地勘瓦斯含量參與瓦斯含量預測時,需要依據鉆孔附近井下實測的瓦斯含量值需要進行修正,其修正系數計算見式(1),計算結果見表1。

Mw=W井下/W地勘

(1)

式中,Mw為地勘瓦斯含量修正系數;W井下為井下實測瓦斯含量,m3·t-1;W地勘為地勘期間測試的瓦斯含量,m3·t-1。

由表1可知,雅店煤礦地勘瓦斯含量修正系數為2.16～8.60,平均修正系數為5.48。修正后的地勘瓦斯含量和生產實測的瓦斯含量見表2。

3.2 地質構造對瓦斯賦存的影響

地質構造對瓦斯含量的影響主要取決于在含煤地層的構造演化和現存地質構造的分布特征。受地質構造演化的影響,雅店煤礦煤層風化剝蝕嚴重,瓦斯風化帶較深,瓦斯含量較低。同時,雅店煤礦為一傾向NW的單斜構造,坡度平緩,結構簡單;井田范圍內勘探期間未發現斷層,僅生產期間的三維地震勘探解譯了8條小斷層,見表3。但多數位于現開采區域以外。因此,現存地質構造對開采區域整體的瓦斯賦存和控制影響較小。

表1 雅店煤礦地勘瓦斯含量修正系數

表2 雅店煤礦瓦斯含量統計

表3 三維地震勘探解譯斷層表

值得注意的是,雅店煤礦現階段最大壓應力為NNE向,導致NW-NNW向斷層多為封閉狀態,易于形成瓦斯富集區帶,因此,當回采經過NW-NNW向斷層影響區域時,如4號煤層一采區東翼DF3和DF5影響區域,應當采取必要瓦斯防治措施。

3.3 煤層頂板對瓦斯賦存的影響

煤層中的瓦斯會通過上覆巖層逸出,煤層圍巖的巖性及透氣性能,會直接影響煤層瓦斯的賦存、運移或富集。隨著巖石滲透率的降低,巖石層的封閉作用增加,造成煤層瓦斯釋放量的減少和瓦斯含量的增加。煤層頂板的這種封閉作用,通常采用圍巖封閉系數進行量化,其指標依據圍巖巖性及其滲透系數的不同,分別取0.1～1.0。不同圍巖封閉系數的參考值見表4。

表4 圍巖封閉系數參考表

雅店煤礦4號煤層頂板以泥巖、粉砂巖和中砂巖為主,依據圍巖封閉系數參考表,分別對瓦斯含量點的煤層頂板巖性進行了量化,并擬合了圍巖封閉系數(r)與煤層瓦斯含量(W)的相關關系,如圖2所示。擬合結果表明,隨著圍巖封閉系數的增加,圍巖封閉能力逐漸增加,煤層瓦斯含量也逐漸增加。但是,圍巖封閉系數與瓦斯含量增加的相關性并不高,其相關系數僅為0.26,這表明4號煤層頂板巖性對煤層瓦斯賦存分布的影響較小。

圖2 4號煤層瓦斯含量與圍巖封閉系數擬合相關圖Fig.2 Fitting relevance of gas content and surrounding rock closure coefficient of No.4 coal seam

3.4 煤層埋藏條件對瓦斯賦存的影響

隨著煤層埋藏深度的增加,垂向煤層應力逐漸增加,煤層的滲透率逐漸降低,從而導致煤層瓦斯含量和瓦斯壓力的升高。煤層埋藏條件的量化一般選用煤層底板標高、煤層埋深和煤層上覆基巖厚度等參數確定。通過對雅店煤層修正后的地勘瓦斯含量和生產中實測的瓦斯含量數據與其對應的煤層底板標高絕對值(h)、煤層埋深(d)和煤層上覆基巖厚度(b),進行線性擬合,分別得到了4號煤瓦斯含量隨煤層底板標高、煤層埋深和上覆基巖厚度的變化趨勢(圖3)以及對應瓦斯含量回歸方程(表5)。

圖3 瓦斯含量與煤層底板等高線擬合相關圖Fig.3 Fitting relevance of gas content and coal seam floor isoline

由擬合結果可知,隨著埋藏深度和基巖厚度的增加、煤層底板標高的減小,4號煤層瓦斯含量逐漸增加。同時,煤層瓦斯含量與埋藏條件的量化指標均有較好的相關性,煤層瓦斯含量與煤層底板標高、埋深和上覆基巖厚度的相關系數分別為0.75,0.73和0.62,這表明雅店煤礦4號煤層瓦斯含量賦存分布受其埋藏條件的控制作用比較明顯。

表5 瓦斯含量與煤層地質參數的擬合關系

3.5 煤層厚度對瓦斯賦存的影響

煤層是瓦斯生成和儲存的空間,通常情況下,隨著煤層厚度的增加,瓦斯含量逐漸增加。雅店煤礦4號煤層的厚度為0.15～20.87 m,平均厚度為12.07 m,煤厚差異較大。通過對修正后的煤層瓦斯含量(W)與其對應的煤層厚度(th)進行線性擬合,得到了4號煤層的瓦斯含量隨煤層厚度的變化趨勢,如圖4所示。由擬合結果可知,隨著煤厚的增加,4號煤層瓦斯含量逐漸增加,而且瓦斯含量與煤層厚度變化的相關性較高,其相關系數為0.75,這表明4號煤層瓦斯含量受煤層厚度的控制作用比較明顯。

圖4 4號煤層瓦斯含量與煤層底板等高線擬合相關圖Fig.4 Fitting relevance of gas content and coal seam floor isoline of No.4 coal seam

3.6 瓦斯賦存主控因素分析

綜上所述,雅店煤礦4號煤層瓦斯賦存主要受到煤層頂板巖性、煤層埋藏條件和煤層厚度的影響和控制。其中,煤層底板標高和煤層厚度的影響最大,其相關系數均為0.75,其次是上覆基巖厚度和煤層埋深的影響,其相關系數分別為0.73和0.62,煤層頂板巖性的控制作用最弱,相關系數僅為0.26。

4 結論

(1)受礦區地質構造控制的影響,雅店煤礦煤系沉積后主要經歷了燕山期擠壓逆沖和抬升剝蝕,以及喜山期的逆沖擠壓和伸展斷陷作用,煤層風化剝蝕嚴重,瓦斯風化帶較深,瓦斯含量普遍較低。

(2)雅店煤礦總體為一平緩的單斜構造,井田內地質構造簡單,斷層不發育,地質構造對瓦斯賦存的控制作用不明顯。然而,雅店煤礦的最大壓應力方向為NE向,導致區域內近NW向斷層封閉,易于形成瓦斯富集區,當回采經過此類斷層影響區域時應當采取必要瓦斯防治措施。

(3)雅店煤礦4號煤層瓦斯賦存同時受埋藏條件和煤層厚度的控制,瓦斯含量與煤層底板標高和煤層厚度的相關性均較好,采用這些指標進行瓦斯含量預測,均能取得較為準確的預測結果。