潘三矿13-1煤层瓦斯赋存规律及影响因素分析＊

王来斌 疏义国 沈金山 高锡擎

(1.安徽理工大学地球与环境学院,安徽省淮南市,232001;2.安徽省矿山地质灾害防治重点实验室,安徽省淮南市,232001;3.淮南矿业集团有限公司潘三矿,安徽省淮南市,232096)

潘三矿13-1煤层瓦斯赋存规律及影响因素分析＊

王来斌1,2疏义国3沈金山1高锡擎1

(1.安徽理工大学地球与环境学院,安徽省淮南市,232001;2.安徽省矿山地质灾害防治重点实验室,安徽省淮南市,232001;3.淮南矿业集团有限公司潘三矿,安徽省淮南市,232096)

通过对潘三矿地质构造、地质勘探钻孔与采掘工作面实测瓦斯含量以及影响煤层瓦斯赋存因素的分析,研究了矿井13-1煤层瓦斯赋存规律。结果表明:井田瓦斯分布具有分区分带的特点,瓦斯风化带与瓦斯带分界明显,瓦斯带瓦斯分布呈现出北低南高、东高西低规律。根据井田地质构造特征及煤层瓦斯运移与保存条件,可划分为3个瓦斯地质单元,各瓦斯地质单元瓦斯含量随埋藏深度增加而增加,具有明显的正相关关系,控制瓦斯分布的因素主要有埋藏深度、地质构造、围岩性质、构造煤等。

瓦斯含量 赋存规律 瓦斯单元 影响因素

1 引言

瓦斯是一种地质成因的气体地质体,其生成、运移、赋存和富集同地质条件有密切关系,并受地质条件的制约。瓦斯灾害严重威胁着煤矿安全,已成为我国煤矿安全的“第一杀手”。国内外大量研究资料表明,在同一井田范围内,同一煤层由于地质条件的复杂性,煤层瓦斯赋存具有不均衡性,存在着明显的分区、分带特征。只有查清影响煤层瓦斯分布的地质因素,找出瓦斯分布的规律,才能有效地治理瓦斯,指导安全生产,避免瓦斯事故的发生。

潘三矿位于淮南煤田西北部,为一现代化特大型矿井。该井田主要含煤地层为二叠系山西组及上、下石盒子组,可采煤层12层,目前主要开采中、浅部13-1、11-2和8煤层。其中13-1煤厚度1.01～7.53 m,平均3.94 m,变异系数29%,为井田唯一稳定可采煤层,煤层结构简单,一般有1～2层夹矸,位于煤层顶部或底部,岩性为炭质泥岩及泥岩。矿井投产以来共发生14次煤与瓦斯突出,13-1煤层13次,8煤层1次。为此,本文以矿井13-1煤层为例,研究煤层瓦斯分布特征,对影响瓦斯分布的地质因素进行分析,为深部煤层开采瓦斯灾害的防治提供决策依据。

2 矿井地质构造特征

潘三矿井田构造位于淮南复向斜潘集背斜南翼西部,总体形态为一单斜构造。地层走向为NWW-SEE,地层倾角一般为5～10°,呈浅部陡、深部缓的趋势。井田褶曲与断裂构造发育,构造发育规律主要表现为以下几点。

(1)受区域性构造应力影响,井田内发育一组次级褶曲,即董岗郢次级向斜和叶集次级背斜,两者轴向大致平行,近于东西向,贯穿全井田与潘集背斜轴成15～20°夹角相交,向西倾状,倾伏角3～5°。

(2)断裂构造极其发育,共发现断层274条,其中正断层222条,逆断层52条,以正断层为主,落差大于或等于10 m断层67条,落差小于10 m的207条。断层走向以NWW或NW向为主,NE向次之。落差大、延伸长的主断层(组)走向主要为NWW或NW向,与褶曲轴走向基本一致或相近,展布形式呈断续状或接力状,正、逆断层均有发育,反映了井田相应的构造作用与力学性质,如F1断层、F1-1-F24-F26断层组、F5-F47-F49断层组。小断层(落差小于10 m)以正断层为主,断层方向以NE向为主,延伸长度不大,多以孤立的小断层出现。

(3)构造分区具有南北分带性和东西分区性。以F1-1-F26-F24断层组和F5-F47-F49断层组为界可划分为北部、中部和南部3个带。北部复杂带的地质构造复杂,大中型断层多,断层密度大;中部过渡带为宽缓的向斜构造,地层平缓,一般在5～10°之间,地质构造较北部简单;南部简单带为矿井深部,断层不发育,断层密度较小。以十二勘探线为界分为东区和西区,东区以正断层为主,西区以逆断层为主。

3 煤层瓦斯分布规律

3.1 瓦斯含量测定

潘三矿地勘期间和矿井生产期间进行了大量瓦斯含量测试,其中地勘期间对65个钻孔采集了75个瓦斯样品,生产期间在16个采掘工作面采集了42个瓦斯样品,瓦斯样品采集深度为-450～-800 m。75个钻孔瓦斯样品中,有10个是各自从同一钻孔煤芯中重复采集的平行样品,瓦斯含量值取两个平行样品的瓦斯含量平均值。从测试结果来看,瓦斯成分甲烷含量为0%～94.61%,瓦斯含量为0～14.52 m3/t。

3.2 瓦斯含量分布特征

(1)瓦斯分区分带性明显。在煤层倾向上,沿煤层露头向深部依次出现瓦斯风化带和瓦斯带,两带分界大致在F1-1-F26-F24断层组一线附近,煤层底板标高大约为-550 m。煤层底板标高-550 m以浅属瓦斯风化带,瓦斯成分甲烷含量小于80%,瓦斯含量在3.0 m3/t以下。-550 m以深属瓦斯带,瓦斯成分甲烷含量大于80%,瓦斯含量在3.0～14.52 m3/t。在煤层走向上,以十二勘探线为界分为东区和西区,东区瓦斯含量明显高于西区,在相同标高处东区瓦斯含量一般比西区高出2 m3/t,且瓦斯含量递增梯度也大,掘进及回采过程中13次瓦斯动力现象均发生在东区。

图1 潘三矿13-1煤层埋深与瓦斯含量相关关系

(2)瓦斯含量分布特征。总体上来看,潘三矿13-1煤层的瓦斯含量总体上随着煤层埋深的增大呈增大趋势,但相关性并不明显,相关系数R2=0.3673,潘三矿13-1煤层埋深与瓦斯含量相关关系见图1。由图1可见,不能简单地在全井田内讨论瓦斯含量与煤层埋深之间的关系。根据井田地质构造特征及煤层瓦斯运移与保存条件,按瓦斯地质单元研究瓦斯含量分布特征,将井田划分为3个瓦斯地质单元。

瓦斯地质单元Ⅰ北至瓦斯风化带,南至董岗营次级向斜轴,实测瓦斯含量值18个;瓦斯地质单元Ⅱ北至董岗营次级向斜轴,南至井田南边界,东至井田东边界,西至十二勘探线,实测瓦斯含量值60个;瓦斯地质单元Ⅲ北至董岗营次级向斜轴,南至井田南边界,西至井田西边界,东至十二勘探线,实测瓦斯含量值22个。通过3个单元的瓦斯含量与煤层埋深回归分析,显示出明显的正相关关系,见表1。单元煤层埋深与瓦斯含量相关关系见图2～4。表1列出的3个数学模型,基本反映了井田13-1煤层瓦斯分布的总体分布特征。

表1 13-1煤层瓦斯含量分布数学模型

4 影响瓦斯分布的因素

(1)煤层埋深对瓦斯赋存的影响。煤层埋藏随深度增加,地应力不断增高而使煤层和围岩的透气性降低,同时瓦斯向地表运移的距离也增大,有利于瓦斯的封存,不利于瓦斯的逸散,因此,表现出瓦斯含量随着煤层埋藏深度增加而逐渐增大。3个瓦斯地质单元瓦斯含量均表现出与埋藏深度呈线性正相关关系。采掘实践也表明,煤层埋藏深度是控制煤层瓦斯赋存的主要因素。

图2 单元Ⅰ煤层埋深与瓦斯含量相关关系

(2)地质构造对瓦斯赋存的影响。地质构造往往对煤层的瓦斯赋存条件具有显著的控制作用,控制着煤层瓦斯的自然流场,并使瓦斯自然流场复杂化,是造成煤层瓦斯赋存分区分带特征的主要原因。潘三矿整体上为一单斜构造,在单斜构造背景上发育有次级褶曲与断裂构造,断层空间分布极不均匀。董岗营次级向斜轴以北瓦斯地质单元Ⅰ地层产状较陡,大中型断层发育,断距大、延伸长,是煤层瓦斯运移良好通道,瓦斯在垂向和侧向上运移、逸散条件相对较好,瓦斯含量较低。向斜轴以南瓦斯地质单元Ⅱ、Ⅲ煤层产状平缓,大中型断层欠发育,小断层断距小、延伸短,对煤体结构破坏严重,煤层透气性大大降低,有利于煤层瓦斯保存,瓦斯含量较高。

(3)围岩性质对瓦斯赋存的影响。围岩对煤层瓦斯的控制作用主要取决于煤层顶板,煤层顶板岩性直接影响煤层瓦斯的保存条件。透气性好的砂岩顶板,有利于煤层瓦斯的逸散,煤层瓦斯含量相对较低;透气性差的泥岩、砂质泥岩顶板,对煤层瓦斯的逸散起阻碍作用,含量则相对较高。据钻孔及矿井生产揭露资料,13-1煤层直接顶板主要为泥岩、砂质泥岩与中细砂岩。13-1煤层顶板岩性分布示意图见图5,其中瓦斯地质单元Ⅱ煤层顶板岩性以泥岩与砂质泥岩为主,瓦斯保存条件较好;瓦斯地质单元Ⅲ煤层顶板岩性顶板以中细砂岩为主,瓦斯保存条件相对较差。因此,在煤层走向上相同标高单元Ⅱ瓦斯含量明显高于单元Ⅲ。

(4)构造煤对瓦斯赋存的影响。构造煤是原生结构煤在构造应力作用下形成的变形煤,通常具有孔隙度大、高吸附能力、低透气性特点,有利于瓦斯的保存,因而煤层中瓦斯含量高,常把构造煤比作瓦斯包。通过钻孔测井曲线判识与井下实际观测,发现13-1煤层构造软煤普遍发育,多分布在煤层的中下部,呈现出深部较浅部发育。13-1煤层构造煤厚度等值线图见图6。瓦斯地质单元Ⅱ比单元Ⅲ构造煤更为发育,因构造煤的渗透性差,易产生瓦斯积聚,使煤层的瓦斯含量较高,也是发生煤与瓦斯突出的重要原因。

5 结论

(1)潘三矿地质构造复杂,褶曲与断裂构造发育,构造分区具有南北分带性和东西分区性特征。地质构造特征及煤层瓦斯运移与保存条件,井田可分为3个瓦斯地质单元。

(2)13-1煤层瓦斯含量分布总体上由北向南、由浅而深瓦斯含量逐渐增大,但存在着明显的分区、分带特征。在煤层倾向上具有分带性,煤层底板标高大约-550 m以浅为瓦斯风化带,-550 m以深为瓦斯带。在煤层走向上具有分区性,东区瓦斯含量明显高于西区,在相同标高处东区瓦斯含量一般比西区高出2 m3/t,且瓦斯含量递增梯度也大。

(3)煤层埋深、地质构造、围岩性质和构造煤发育是影响煤层瓦斯赋存的主要因素。

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Analysis of regularity and it’s influencing factors of gas occurrence in seam 13-1 of Pansan Mine

Wang Laibin1,2,Shu Yiguo3,Shen Jinshan1,Gao Xiqing1
(1.College of Earth&Environment,Anhui University of Science&Technology,Huainan,Anhui 232001,China;2.Key Laboratory of Mine Geological Hazard Control,Huainan,Anhui 232001,China;3.The No.3 Coal Mine,Huainan Mining Group Corp.Ltd.,Huainan,Anhui 232096,China.)

Analysis of the geological structures,geological exploration drilling,gas content measured at working faces and factors influencing gas occurrence revels the regularity of gas occurrence in seam 13-1.It indicates that the gas occurrence in the minefield varies from zone to zone with a clear boundary between the gas weathered zone and the gas zone.Gas content tends to be higher in the eastern and southern parts of the gas zone and lower in the western and northern parts.The minefield may be divided into 3 gas geological units in light of the minefield’s geological features and conditions for gas migration and storage in the seam.The gas content in each gas geological unit presents a clear positive correlation with the buried depth-the greater the depth the higher the gas content.Main factors influencing gas distribution include buried depth,geological structure,characteristics of wall rock,deformed coal,etc.

gas content,regularity of occurrence,gas unit,influencing factor

TD712

A

国家自然科学基金资助项目(40972105)

王来斌(1967-),男,安徽和县人,副教授,博士,主要从事矿井地质、瓦斯地质等教学与研究工作。

(责任编辑 张艳华)