宿南矿区瓦斯含量分布特征及深部瓦斯预测研究

童柳华,马正徐,赵志根

(安徽理工大学,安徽 淮南232000)

0 引言

瓦斯是一种赋存在煤层以及围岩中的气体地质体[1],是一种污染较低的洁净能源和优质的化工原料,同时也是威胁我国煤矿安全开采的主要灾害来源[2]。 开发利用瓦斯不但可以充分利用地下资源,而且可以提高煤矿产业的经济效益,对缓解常规油气供应紧张,减少温室气体排放,保护环境有实际意义[3-4]。 长期煤炭开采活动导致浅部煤炭资源愈发减少甚至面临枯竭,因此大多数矿井转向700 ～1 000 m 处寻找深部煤炭资源,但深部区域地质条件与浅部相差甚远,深部区域地质环境容易出现“三高一扰动”的情况,并且煤层裂隙发育情况以及赋水状态与浅部地质环境也不同[5]。 为了及时避免灾害的发生,了解煤层瓦斯的赋存规律极其必要。 因此,国内学者对研究预测深部瓦斯分布情况尤为关注,现如今常使用的瓦斯含量预测方法主要是灰色预测模型方法[6-7]、人工神经网络模型法[8]、瓦斯地质数学模型法[9]。 周鑫隆[10]等以差值结合法将灰熵理论和RBF 神经网络理论结合,提出了一种改进的灰色神经网络瓦斯含量预测模型构建深部煤层瓦斯预测体系。 施天威[11]等采用最小一乘法预测煤层瓦斯含量,并使用LINGO11和MATLAB 拟合预测含量并与之比较。 吴观茂[12]等选取煤层埋深、煤层厚度、顶板岩性和构造参数,采用RBF 神经网络方法构建了瓦斯含量预测模型。 郝天轩[13]等为提高预测瓦斯准确度和效率,用Matlab 构建以灰色关联分析、GA、BP 神经网络组合出三种模型并得出灰色关联分析-GA-BP 神经网络预测模型最佳。 王天瑜[14]等运用灰色关联法分析瓦斯含量与影响因素关联,并建立精度良好的灰色预测模型。 王雪芹[15]等分析煤层底板标高、煤层埋深与瓦斯含量关系,建立了瓦斯含量二元线性回归预测模型。 何俊[16]等采用线性二次指数平滑法对煤矿瓦斯含量预测,与实测结果高度吻合。 高保彬[17]等采用SIMCA-P 软件对偏最小二乘多元线性回归建立的模型进行降重处理,其瓦斯含量预测值比较精确。 笔者以宿南矿区为主要研究对象,通过对浅部煤层瓦斯含量数据的分析,并结合煤层瓦斯地质及构造特征,分析了影响煤层瓦斯赋存的主控因素,进一步构建了瓦斯含量与主控因素之间关联的数学模型。 由于影响煤层瓦斯含量的地质因素很多,尤其是深部钻孔资料较少,本文研究成果有待生产进一步验证,为煤矿深部开采提供参考依据。

1 地质背景

宿南矿区坐落于宿州市南部,总体轮廓属于向斜构造。 褶皱轴向有北西向、北北东以及北北西向。 断层大部分基本走向为北东以及北北东方向,个别走向为近南北或北西向。 宿南向斜在徐—宿弧形逆冲推覆构造的内缘带。 东部被走向为NW向的西寺坡逆掩断层所封闭,并且在宿南向斜的东南翼发育了较多走向为NW 的逆冲断层以及魏庙正断层[17]。 宿南矿区主要有桃园矿、祁南矿以及祁东矿这三个生产矿井。 本文依照我国煤矿采矿技术条件、煤矿的地质条件及矿井的装备水平的特征[18],将宿南矿区800 m 以浅区域为浅部,800 m以深区域为深部进行分析,自上而下主要研究煤层为32、72和10 煤层。 32煤层在整个区域属于相对稳定煤层,厚度为0 ～1.96 m,平均厚度1.02 m,煤层结构比较复杂。 72煤层厚度为0 ～1.61 m,平均厚度为0.78 m,属于不稳定煤层。 10 煤层厚度为0 ～4.75 m,平均厚度为 2.50 m。 煤层结构比较简单。

图1 宿南矿区构造纲要图

2 瓦斯含量分布规律

2.1 浅部瓦斯含量规律

整理桃园矿、祁南矿、祁东矿800 m 以浅的浅部瓦斯的含量数据值如表1 所示,32煤层瓦斯的含量值为1 ～11.58 m3/t;72煤层瓦斯的含量值为2.87 ～14.19 m3/t;10 煤层瓦斯的含量值为2.61 ～8.63 m3/t。 由表1 可知:各煤层随着埋藏深度的增加,瓦斯含量增大。

表1 浅部煤层瓦斯含量表

2.2 深部瓦斯含量规律

2.2.1 瓦斯预测模型

宿南矿区,深部区块面积大,勘探钻孔数量较少,且瓦斯含量采样过程时间长。 在浅部由于煤层埋深不大时,温度变化不大、煤质变化不大,通常采用瓦斯含量与深度的关系一元线性来预测。 深部的瓦斯含量预测,需要考虑随着深度增加,瓦斯压力增加、温度增高、煤质变化,因此采用数学方法将瓦斯压力、温度、煤质与深度建立关系,从而把瓦斯含量与深度建立联系来预测深部瓦斯含量。

通过分析浅部的瓦斯数据可知,煤层的埋藏深浅决定瓦斯含量分布的多少,因此可以通过煤层的各个深度,以及对应的瓦斯含量值,建立其两者之间的非线性方程,如图2 所示;采用这种方法便可以对不同深度瓦斯含量值进行预测。

图2 瓦斯含量预测模型

2.2.2 主要煤层瓦斯含量分布

运用上述预测模型分别预测宿南矿区800 m以深地区各个煤层瓦斯含量值,由表2 可以得到,当埋藏深度在-1 000 m 时,32煤层的瓦斯含量值是12.93 m3/t,72煤层的瓦斯含量值是13.40 m3/t,10 煤层的瓦斯含量值为9.35 m3/t;当埋藏深度在-1 600 m 处,32煤层的瓦斯含量值是18.99 m3/t;72煤层的瓦斯含量值为17.84 m3/t,10 煤层的瓦斯含量值为13.91 m3/t。 由于影响煤层瓦斯含量的地质因素很多,尤其是深部现有钻孔资料,本文研究成果有待生产进一步验证,供煤矿深部开采提供参考依据。

通过分析浅部煤层瓦斯数据与深部煤层瓦斯数据可绘制出32、72、10 煤的瓦斯含量分布等值线图,由图3 可知宿南矿区向斜核部的瓦斯含量较高,向斜两翼的瓦斯含量较低;32煤由西至东瓦斯含量逐渐增大,由于东部发育西寺坡逆断层,应力相对集中,瓦斯易于赋存;72煤层自西向东的瓦斯含量值增大,在西寺坡附近的瓦斯含量较高,在魏庙断层以南的瓦斯含量较低;10 煤层在西南部及东南部存在大范围岩浆岩侵入,由于封闭情况比较弱,岩浆岩所产生的的高温作用可以加速瓦斯逸散,从而导致10 煤的瓦斯含量较低。

表2 深部瓦斯含量值

图3 瓦斯含量分布趋势图

3 影响瓦斯含量的地质因素

3.1 构造条件对瓦斯赋存的影响

褶皱的类型以及断层的封闭情况均会对瓦斯含量赋存产生影响[19]。 宿南向斜位于西寺坡逆断层下盘,主要受东西方向挤压力所形成,并且在此期间挤压力必然会向南北方向延伸,围岩透气性降低,煤层结构因此破坏[20]。 因而宿南向斜有益于瓦斯富集。 有助于瓦斯赋存,瓦斯含量较高;宿南向斜北端发育走向为NW 向的西寺坡逆断层,在西寺坡逆断层附近的瓦斯含量值较高。 在魏庙附近断层发育较好,魏庙断层的南部因为蚌埠隆起导致该区域煤层埋藏深度比较浅,瓦斯含量较低。

3.2 埋深对瓦斯赋存的影响

瓦斯含量随着埋藏深度增加而增大[21]。 宿南矿区位于淮北平原中部,研究区内地势平坦,地面标高+17.02 ～ +27.10 m,一般在+23 m 左右,整体南高北低。 各煤层埋藏深度变化比较大,但总体上处于自西向东愈加变深,自南向北埋藏深度加深。在宿南矿区桃园矿西北翼,当埋藏深度从-1 000 m到-1 600 m 时,32煤层瓦斯含量从12.93 m3/t 增加至18.99 m3/t;在宿南矿区祁东矿、祁南矿南翼,埋藏深度从从-1 000 m 到-1 600 m 时,72煤层瓦斯含量从13.4 m3/t 增加至17.84 m3/t,10 煤层瓦斯含量从9.35 m3/t 增加至13.91 m3/t,同时,埋藏深度不断增加,地应力也在发生变化,即随着埋藏深度增加地应力不断增大,使得煤层及围岩的透气性变得不利,导致瓦斯转向地表发散距离加大,这些因素均不利于瓦斯逸散[22]。

3.3 岩浆活动对瓦斯赋存的影响

岩浆岩侵入对煤层瓦斯有逸散作用[23]。 大量岩浆岩侵入煤层后,煤的变质程度增高,煤体的结构及形态发生变化,因而瓦斯含量发生改变。 32煤未被岩浆岩侵入因而瓦斯含量较高,72煤受岩浆侵入范围较小,影响较低。 10 煤西南部与东南部大量发育岩浆岩,祁南矿与祁东矿岩浆岩侵入范围较大,导致煤质发生变化进而成为天然焦。 天然焦中瓦斯主要是以游离为主,并且割理较发育,渗透性比较好[24-25],因此10 煤的瓦斯含量较低。

4 结论

1)运用非线性回归分析的方法依照影响煤层瓦斯含量的主控因素数据,建立了煤层瓦斯含量与影响因素的预测模型。 通过建立浅部煤层与深部煤层瓦斯含量之间的关系,为深部煤炭资源的安全开采提供可参考的依据。

2)通过绘制瓦斯等值线图,结果表明:随着埋藏深度的加深,宿南向斜核部瓦斯含量较高,两翼瓦斯含量较低;临近西寺坡逆断层的瓦斯含量较高。

3)通过分析瓦斯地质资料及瓦斯地质规律控制因素,可知宿南矿区瓦斯赋存规律与断层构造、褶皱构造、岩浆岩活动等地质条件密切相关。