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煤矿煤层瓦斯赋存规律及影响分析

摘要:根据阿戛煤矿地质资料,对煤矿瓦斯成分、瓦斯含量、瓦斯分带及瓦斯空间变化规律进行分析,初步探讨影响瓦斯赋存因素,为矿井建设及生产过程中编制防突专项设计提供了地质依据,对防治煤矿瓦斯事故的发生有着重要意义。

关键词:阿戛煤矿;主采煤层;瓦斯成分;瓦斯含量;瓦斯分带;瓦斯赋存;变化规律;地质构造

1.引言

阿戛煤矿位于水城县中部,矿区位于格目底向斜北翼东段。构造形态为向西南急倾斜的单斜构造,地层走向北西,一般为105°~115°,倾向南东,倾角由东向西有规律地变陡(60°~80°)。矿区可采煤层多,煤层瓦斯含量高,阿戛煤矿属突出矿井。随着开采深度的逐渐增加,瓦斯涌出量日渐增大。瓦斯已经成为制约阿戛煤矿安全高效生产的首要问题。根据瓦斯地质相关理论,结合煤矿地质勘探的瓦斯地质资料,研究阿戛煤矿瓦斯资料,找到影响瓦斯赋存的主要控制因素,进而掌握煤矿的瓦斯分布规律,对煤矿在未来开采区域生产过程中的瓦斯防治工作提供依据。

2.区域地质背景

阿戛煤矿区域构造属羌塘—扬子—华南板块(Ⅰ)扬子陆块(Ⅱ)上扬子陆块(Ⅲ)威宁隆起区(Ⅳ)威宁穹盆构造变形区[1]。矿区处在威宁穹盆构造变形区格目底向斜和水城断裂之间(见图1)。水城断裂作为威宁穹盆构造变形区和六盘水裂陷槽的边界断裂,不仅对六盘水裂陷槽的构造演化进行了约束,同时对其西南部包括矿区在内的穹盆构造变形区产生了重要的影响。格目底向斜位于水城断裂西南侧约10km~15km,北西向延伸约70km。向斜两翼不对称,南西翼地层向北东方向倾斜,约15°~45°,北东翼地层倾向南西,一般在66°~86°,部分地段甚至倒转。格目底向斜卷入的地层为二叠系、三叠系以及侏罗系。由于褶皱卷入的地层最新为侏罗系,结合区域资料分析,该向斜为燕山期构造作用的产物。矿区位于格目底向斜北翼东段。构造形态为向西南急倾斜的单斜构造,地层走向北西,倾向南东,倾角由东向西有规律地变陡(60°~80°)。矿区内断层发育断层3条。其中走向正断层1条(F1)、逆断层2条(F2、F3)。

3.煤矿瓦斯采样情况

本次研究根据《地勘时期瓦斯含量的测定方法》(GB/T23249-2009)采样化验瓦斯样共99件。

3.1瓦斯成分分析

自然瓦斯成分以CH4为主,浓度为13.80%~90.29%,平均为58.73%,N2浓度为0.38%~57.06%,平均为26.21%,CO2浓度为0%~26.67%,平均为3.71%,重烃浓度为0.25%~28.40%,平均为11.02%(各煤层详见表1)。

3.2瓦斯含量测试分析

矿区内可采煤层的可燃气体含量为1.40ml/g~24.44ml/g.daf,全区平均含量为7.85ml/g.daf,其中C1号煤层平均含量为6.76ml/g.daf;C5号煤层平均含量为6.14ml/g.daf;C8号煤层平均含量为4.00ml/g.daf;C9号煤层平均含量为7.17ml/g.daf;C12号煤层平均含量为8.44ml/g.daf;C13号煤层平均含量为9.32ml/g.daf;C14号煤层平均含量为6.96ml/g.daf;C15a号煤层平均含量为12.35ml/g.daf;C15b号煤层平均含量为7.73ml/g.daf;C16号煤层平均含量为10.28ml/g.daf;C18a号煤层平均含量为10.66ml/g.daf;C18b号煤层平均含量为12.40ml/g.daf;C20号煤层平均含量为6.51ml/g.daf;C26号煤层平均含量为4.32ml/g.daf;C43号煤层平均含量为6.18ml/g.daf;C52号煤层平均含量为4.26ml/g.daf;C60号煤层平均含量为6.14ml/g.daf;C64a号煤层平均含量为4.34mL/g.daf;C64b号煤层平均含量为6.05ml/g.daf;C67号煤层平均含量为6.37ml/g.daf;C68号煤层平均含量为4.94ml/g.daf;C69号煤层平均含量为6.22ml/g.daf。本次采瓦斯样以“集气式采样器”采取,瓦斯含量不包括煤样装罐前的损失量,故含量数据总体偏小。

3.3瓦斯分带及瓦斯空间变化规律

瓦斯分带是根据各瓦斯样品中的不同气体与气体总体积的比值划分,根据本次地质勘探情况,我们将比例按照0%~20%、20%~80%、80%~100%进行划分。根据勘探工作中记录的钻孔数据,对各可采煤层进行统计,煤矿内瓦斯大致可分为三个带,分别为N2带、N2~CH4带、CH4带,其中以CH4带为主。瓦斯梯度:煤层埋藏深度每增加73m时,其瓦斯含量增加1ml/g.daf。瓦斯增长率:煤层埋藏深度每增加100m时,瓦斯含量增加1.38ml/g.daf。瓦斯分布规律为:同一煤层含气量总体随埋深的增加而增加。

4.瓦斯赋存及其影响因素

4.1煤岩性质对瓦斯赋存的影响

煤既是气源岩又是储集岩,从煤岩、煤化角度研究瓦斯,主要是从生成瓦斯气体的能力和储存瓦斯气体的能力这两个方面进行研究[1]。

4.1.1瓦斯生成能力煤是天然的瓦斯吸附体,在瓦斯排放条件相同的情况下,煤的变质程度越高,煤层的瓦斯含量越大,原因是瓦斯主要是煤化作用的产物,其产出量直接依赖于煤化程度[2]。阿戛煤矿内可采煤层均为焦煤,以亮煤、暗煤为主,夹少量镜煤条带,属半暗—半亮型煤;各可采煤层灰分平均值介于低灰—中高灰分之间,属于Ⅲ~Ⅳ变质阶段,变质程度均属中煤阶煤,煤岩的瓦斯生成能力处于中高水平,因此岩体的原始瓦斯含量较高。

4.1.2煤岩瓦斯储存能力煤对瓦斯的储集能力与煤的孔隙密切相关,孔隙体积和比表面积越大,煤储集气的能力越强[3]。孔隙的微孔越发育,煤的储气能力越强,比表面积越大,煤的吸附能力越高。孔隙率随煤化程度增高(或挥发分产率的降低)而降低,随煤的破坏程度增大而增大。煤的孔隙决定煤的比表面积,比表面积是度量煤岩孔隙内表面积发育程度的物理量,即单位重量煤样所具有的孔隙内表面积。阿戛煤矿可采煤为焦煤,孔隙率为0.62%~5.26%,平均2.86%,初步评价为吸附能力和解吸能力一般的煤。

4.2地质构造

背、向斜构造对瓦斯赋存的影响,主要是构造轴部为应力集中区,受到挤压后使轴部煤层变得致密而透气性较差,煤层生成的瓦斯不易逸散,当外部保存条件较好时,易产生较高的瓦斯含量。断裂运动是伴随着构造运动同时发生的,断裂的类型对瓦斯赋存有着重要的影响:开放型断层有利于瓦斯逸散,封闭型断层有利与瓦斯保存[4]。即使在同一煤矿范围内,地质条件也是不尽相同的,所以同一煤层的瓦斯赋存特征是有变化的,这些变化是由多种控制因素综合影响的,各控制因素的影响也是不同的。向斜轴部受到的挤压作用强烈,围岩的透气性变得比较低,煤体结构变得松散,游离状态的瓦斯增加,瓦斯压力高,有利于瓦斯在向斜轴部富集,所以向斜轴部瓦斯含量往往高于两翼[5]。阿戛煤矿位于格目底向斜北翼东段,构造形态为向西南急倾斜的单斜构造,地层走向北西,倾向南东,倾角由东向西变陡,利于瓦斯富存,不利于瓦斯释放。煤矿内发育的F1、F2、F3断层均为封闭性逆断层,不利于瓦斯的排放,因此瓦斯含量相对较大,阿戛煤矿划分为突出矿井。

4.3煤层埋藏深度

随着煤层埋藏深度的增加,地应力相应增高,同时围岩的透气性降低,瓦斯向地表运移的距离也会增大,这种变化有利于瓦斯封存、不利于瓦斯放散[6]。因此,在瓦斯风化带以下,瓦斯含量一般会随煤层埋藏深度增加而变大。煤矿内瓦斯含量与埋藏深度具有一定的正相关性(见图2),显示随埋藏深度的增加,煤层瓦斯含量有逐渐增高的趋势。

4.4煤层顶底板

煤层产生的瓦斯储存离不开煤岩层中的裂隙空间,这些瓦斯的运移则与连通性好的裂隙通道息息相关。当煤层顶底板为透气性差的页岩、砂页岩时,煤层生成的瓦斯不能充分逸散或运移,所以一般瓦斯含量较高,采掘活动时涌出量也较大。[7]煤矿内含煤地层为二叠系上统龙潭组,岩性由灰色细砂岩、粉砂岩、泥质粉砂岩、粉砂质泥岩、泥岩及煤层组成,属较软岩—硬质岩类。这说明顶底板岩性致密,透气性差,遮挡能力强,属于屏障层围岩,不利于煤层瓦斯的逸散,对瓦斯起封存作用。

5.结论

(1)通过对矿区采集的瓦斯样试验分析,查明了煤矿瓦斯成分以甲烷为主,含有少量的氮气和二氧化碳;矿区范围内,从上到下瓦斯可划分3个带;且随着煤层埋深的增加,瓦斯含量逐步增大。(2)从煤岩体特征、地质构造、煤层埋深、顶底板岩性等方面分析表明,区内的瓦斯赋存环境不利于瓦斯的逸散,有利于瓦斯的富存,导致区内煤层瓦斯含量高,为突出矿井。

参考文献:

[1]张子敏.瓦斯地质学[M].徐州:中国矿业大学出版社,2009.

[2]周世宁,林柏泉.煤层瓦斯赋存与流动理论[M].北京:煤炭工业出版社,1998.

[3]钟玲文,张慧,员争荣.煤的比表面积孔体积及其对煤吸附能力的影响[J].煤田地质与勘探,2003,30(3):26-29.

[4]俞启香.矿井瓦斯防治[M].中国矿业大学出版社,1992.16-17.

[5]韩军,张宏伟,霍丙杰.向斜构造煤与瓦斯突出机理探讨[J].煤炭学报,2008,33(8):908-913.

[6]林柏泉,崔恒信.矿井瓦斯防治理论与技术[M].徐州:中国矿业大学,1998.8-9.

[7]胡志勇,殷为斌.夹河煤矿瓦斯赋存规律分析与预测[J].煤炭科技,2005,3:47—48.

[8]贵州华瑞鼎兴能源有限公司水城县阿戛乡阿戛煤矿(兼并重组)资源储量核实及勘探报告[R].贵州省煤田地质局地质勘察研究院,2020.

作者:金黎黎 单位:贵州省煤田地质局地质勘察研究院

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