煤层赋存（精选8篇）
煤层赋存 篇1
0 引言
山西是中国煤炭大省,煤炭资源储量丰富、分布广泛、煤质优越、品种齐全。全省含煤面积6.2×104km2,占国土面积的40.4%。近年来,随着综合机械化设备和高产高效开采工艺推广,山西省乃至全国可采的优势煤资源储量越来越少,煤炭开采环境日益复杂,五大灾害日益严重,尤其是瓦斯,原为低瓦斯或没有瓦斯突出危险的矿井,瓦斯涌出量急剧增大,使之变成高瓦斯煤矿和煤与瓦斯突出矿井。瓦斯涌出的预测已成为治理措施的重要技术环节。作者结合多年一线工作经验对瓦斯治理的相关理论进行了归纳总结。
1 煤层瓦斯赋存状态与垂直分带
瓦斯主要贮存煤体中,其赋存状态主要有游离状态和吸附状态,赋存的量和瓦斯在煤层中的含量有直接关系。瓦斯含量的多少直接关系到煤矿瓦斯灾害的危险程度和灾害发生频率。煤矿瓦斯赋存状态经多年发展,分源预测法在众多瓦斯涌出量预测方法中得到广泛应用,是研究瓦斯的重要理论之一。
1.1 煤中瓦斯赋存状态
原岩应力状态下,煤层未受到采动影响,煤体内游离态、吸附态瓦斯进行布朗运动,总体保持动态平衡。工作面回采时,动态平衡受采动影响被打破,煤体由三向受力变为两向受力状态,其内部瓦斯所受压力不均,同时,受冲击、振荡等外力等采掘活动的影响,采场内温度随增高或降低,致使煤体内瓦斯频繁活动而产生新的状态。
1.2 煤层瓦斯的垂直分带
瓦斯分布特征是预测煤矿瓦斯涌出量的基础,研讨煤层瓦斯的垂直分带对瓦斯涌出量预测和治理具有重要的现实意义。瓦斯垂直分布带如图1所示。由图可知,当煤层敞露或由第四系透气性较好的冲积层覆盖时,其内部瓦斯在地质作用下向上渗透,大气中空气向下渗透至煤体中。在瓦斯和空气两者的相互作用下,煤体内瓦斯呈垂直分布。因此,煤体内瓦斯主要由CH4、N2和CO2等组成,其垂直分带主要由瓦斯区和瓦斯风化带两个区域组成。
2 煤层孔隙特征
煤是由大孔和微孔两大吸附系统组成的双重孔隙介质,其吸附特性决定了煤体可以吸附游离态和吸附态的瓦斯。通过X光谱衍射系统的分析,发现煤基质由大量微孔结构和天然裂隙网络大孔组成。煤体内存在垂直(接近垂直)与正交(接近正交)的端割理和面割理,其使得煤体内有微孔结构发达,致使煤体体表面积较大,煤岩体内赋存的瓦斯藏身于这些微孔结构之中。
2.1 煤的孔隙特性
煤的孔隙结构是瓦斯贮存、运移的场所、通道。已有研究表明煤体渗透系统由裂隙、可视孔、大孔、中孔和小孔等部分组成,而吸附系统主要由微孔组成。煤体内瓦斯以游离态煤体渗透系统是煤体内游离态瓦斯的贮存场所,符合普适气体定律。
2.2 煤孔隙特征的影响因素
地应力、煤的破坏程度和煤的变质程度是影响煤体孔隙特征的主要因素。a)地应力和煤层埋深呈线性递增,其大小直接决定煤体的孔隙特征。地应力由压应力和拉应力组成,其表现为压应力时,煤体渗透容积变低;表现为拉应力时,煤体孔隙张开,渗透性增加,即煤的渗透容积和地应力呈反比;b)煤的破坏程度主要和地质活动及采掘活动有关,其与渗透容积呈正比,但其对孔隙影响微乎其微,可以忽略;c)不同类型的煤级和总孔体积成反比,随着煤变质程度的增加,总的孔体积减小,最小的是贫煤级,其次是炼焦煤,最大的无烟煤。已有研究表明,瓦斯抽放技术通过降低地应力、增大煤体孔隙率,是一种区域主动治理瓦斯的最行之有效的方法。
3 煤层瓦斯含量
煤对瓦斯的吸附主要由吸收、物理吸附和化学吸附等三部分组成,其为一种界面现象。按照分类煤对瓦斯的吸附附属范德华力的范畴,是一种物理吸附,煤体吸附瓦斯的过程是一个瓦斯解析量和吸附量相当的可逆过程。吸收状态煤气,使煤炭气体分子和分子晶格彼此相互作用以形成固体溶液状态,这是吸附瓦斯外的另一个重要过程。
吸附是界面现象的重要组成部分,目前关于吸附的方法、模型、机理和吸附特性的研究成果颇丰。随着时代发展,吸附应用的化学工程、应用化学和煤化工等领域也不断扩展和深化,关于吸附的研究也不断完善和发展。目前,关于煤体吸附瓦斯的模型主要有单分子层模型、佛洛蒂经验吸附模型、博兰尼吸附势理论模型、朗格缪尔单层吸附模型和BET多分子层吸附模型。上述实验模型中煤的温度和吸附实验温度主要集中在10℃~50℃,这是因为CH4的临界温度为82.6℃,这样使得瓦斯的吸附实验不易出现多层吸附;煤体孔隙结构发达,孔隙尺寸分布不均匀,这在一定程度上决定了瓦斯的吸附不是微孔填充吸附,而是单分子层吸附。已有研究证明,朗格缪尔方程是描述煤吸附CH4的最佳方式,其使用方便,外观参数形式简单,物理意义明确。
4 煤层瓦斯流动基本规律
原岩应力状态下,煤层中瓦斯处于动态平衡,随着回采工作面的开采、掘进工作面开拓和钻探等工作的进行,煤体中以承压状态赋存的瓦斯初始状态发生改变,内部瓦斯由高压区域涌向低压区域。相关研究表明,煤体作为多孔介质与瓦斯的流动、赋存状态有千丝万缕的关系。基于此,本文将瓦斯的流动视为多孔介质内气体的流动。
4.1 瓦斯在煤层中流动的基本规律
瓦斯在孔隙结构中流动属于扩散运动,在系统中流动多为层流运动。
a)扩散运动。扩散运动是分子之间的由高浓度至低浓度自由运动至平衡的一种物理现象。使用精密光学仪器研究煤体内部结构发现,煤体内孔隙体系主要由多微孔组成,当微孔孔径大于1μm时,瓦斯气体开始自由移动;
b)层流运动。层流运动是孔孔径大于1μm时,瓦斯在孔隙运移的一种形式。其可分为非线性和线性渗透,根据实验室和现场测量,当煤体渗透率较低时,瓦斯在煤层中的流动速度慢,运移距离短,属于层流流动范畴,符合达西定律。
4.2 煤层瓦斯流动的基本参数
煤层瓦斯的流动受采煤方法、煤层赋存瓦斯地质条件及状态、暴露煤层的表面几何形状、开采空间地应力、排放瓦斯的时间、煤体吸附能力和渗透率、煤岩的物理化学等性质、瓦斯压力支护及顶板管理方法、水文地质条件和矿井通风制度等众多因素的影响。排除空间、时间等因素,影响煤体瓦斯涌出的基本参数有:煤吸附瓦斯的能力、煤层透气性及瓦斯压力、煤吸附瓦斯能力和孔隙率。因孔隙率是煤层含有瓦斯的能力,瓦斯压力是影响瓦斯流动的重要因素。因此,地质条件和采掘方法相同时,瓦斯涌出主要决定于以下两个:
a)煤层的透气性和渗透性。煤层的透气性和渗透性可以用达西定律来诠释。达西定律中,煤层的透气性与煤体结构的运移能力和渗透性能无关,煤层的渗透路径主要是煤层自身结构断裂而形成的,其次是由工作面采掘及地质构造应力的作用而形成的,这些裂隙与煤体自身性质无关,都是煤体受到外力而形成的;
b)煤层瓦斯压力。根据中国淮山、北营等瓦斯突出矿井的统计,矿井垂直深度每增加100 m,矿井瓦斯增加1 MPa;地质情况变化不大时,相同埋深时,瓦斯压力值大小相当。
4.3 瓦斯在邻近煤层和围岩中的流动
煤层群开采时,受生产条件和技术条件限制,部分临近煤层存在不可采或局部可采,当相邻煤层开采时,受采动影响,煤层开采后,上覆岩层存在垮落带和裂隙带,致使邻近未采煤层内的瓦斯大量涌入已开采煤层采空区。邻近层煤层瓦斯流动如图2所示。
通常邻近层瓦斯进入采空区都是以瓦斯涌入的形式出现,但当邻近层煤层瓦斯所处压力过大或煤层层间距较小时,就会出现瓦斯井喷现象。开采单一煤层时,工作面自身涌出的瓦斯量是有限的,这合理解释了为什么高瓦斯矿井瓦斯含量常小于矿井的相对涌出量,同时也解释了回采工作面瓦斯含量小于掘进时瓦斯的相对涌出量的原因。煤层瓦斯的流动是一个极其复杂的气体流动状态,不仅与井田开拓条件及煤岩层围岩性质有关,而且和瓦斯所处的地质条件有关。
5 结语
煤层瓦斯赋存状态主要有游离状态和吸附状态,瓦斯垂直分带主要由瓦斯区和瓦斯风化带两个区域组成,煤体内存在微孔结构发达,给瓦斯赋存提供了广阔的空间;煤层瓦斯含量主要由煤的吸附瓦斯含量和游离瓦斯含量煤组成,主要受地下水活动、地质构造、煤层露头、煤层倾角、煤层和围岩的透气性和煤层埋深等因素的影响。煤层透气性、瓦斯压力、煤吸附瓦斯能力和孔隙率是影响煤体瓦斯涌出的基本参数。
煤层赋存 篇2
摘要：为了研究淮南潘三矿11-2煤层的瓦斯赋存规律和主控因素，运用瓦斯地质理论和线性回归的方法，结合潘三矿地质勘探期间瓦斯地质资料和现场实测瓦斯数据，分析了11-2煤层瓦斯赋存特征，探讨了煤层瓦斯赋存与埋藏深度、地质构造、顶底板岩性、煤厚和煤体结构之间的关系。结果表明：煤层埋深、地质构造和顶板岩性是影响11-2煤层瓦斯赋存的主要控制因素，煤厚增加使得瓦斯含量也相应增大，构造软煤的不均匀分布在一定程度上增大了瓦斯突出危险性，从而为潘三矿煤与瓦斯突出危险性预测提供了依据。
关键词：瓦斯赋存；瓦斯含量；瓦斯压力；主控因素；回归分析
中图分类号：TD712.2文献标志码：A
[WT]文章编号：1672-1098（2015）01-0050-05
收稿日期：2014-07-31
作者简介：周鑫隆（1989-），男，湖北襄阳人，在读硕士，研究方向：安全科学与工程。
[JZ（〗[WT3BZ]Analysis of Main Influencing Factors of Gas Occurrence in 11-2 Coal Seam in Pansan Coal Mine
ZHOU Xin-long1，BO Fa-song2，SHI Bi-ming1，MU Chao-min1
（1. School of Energy and Safety， Anhui University of Science and Technology， Huainan Anhui 232001， China； 2. Pansan Coal Mine， Huainan Mining Group Co.， Ltd.， Huainan Anhui 232001， China）
Abstract：In order to study gas occurrence regularity in 11-2 coal seam in Pansan Coal Mine and the main influencing factors， the features of gas occurrence in 11-2 coal seam was analyzed and the gas occurrence in dependence on coal seam depth， geological structure， roof and floor lithology， coal body structure was discussed. The results showed that coal seam depth， geological structure and roof lithology are the main influencing factors of gas occurrence in 11-2 coal seam. With the coal seam thickness increasing， gas content rises， and the inhomogeneous distribution of tectonic soft coal induces gas outburst hazard rising to some extent. The study results provide a basic reference to prediction of coal and gas outburst in Pansan Coal Mine.
Key words：gas occurrence； gas content； gas pressure； main influencing factors； regression analysis
瓦斯是煤的形成过程中受各种地质因素综合作用的产物，其赋存规律与复杂的煤层地质条件及煤体自身的性质有着密切的关系[1]。国内外研究表明：区域地质构造、围岩透气性、埋藏深度、煤层厚度、煤体自身性质等是影响瓦斯生成、运移、赋存的几个主要因素[2-4]。运用瓦斯地质理论对瓦斯基础参数进行分析研究，理清煤层瓦斯赋存规律及其主要控制因素，对科学指导瓦斯防治、预测瓦斯突出危险性具有重要意义[5]。
1地质概况
11区域地质构造
淮南煤田位于华北板块南缘，秦岭造山带北缘，东为郯庐断裂带，北与蚌埠隆起南带相接，总体上呈东西向展布，煤田含煤地层为二叠系上、下石盒子组和山西组，且煤层赋存呈现西部浅、东部深的特征。
淮南煤田受大别山带的控制，矿区内逆冲推覆断裂发育（见图1），主要有由南向北的八公山-舜耕山-刘庄推覆体、由北向南的上窑-明龙山-尚塘推覆体、以及WE向的淮南扇形复向斜带，在复向斜带内还发育有潘集背斜、陈桥背斜和谢桥古沟向斜等[6-7]。
图1淮南煤田区域地质构造图
12矿井地质概况
潘三矿处于淮南复向斜潘集背斜与谢桥古沟向斜的交汇处，总体形态为一单斜构造，地层走向为NWW-SEE。井田为第四系松散层覆盖的全隐蔽区，地质构造条件复杂，大、中、小型断层发育。因受区域性NS挤压作用，井田内发育有董岗郢次一级向斜为叶集次一级背斜，层滑构造在井田内也极其发育。11-2煤层质构造图如图2所示。
图2潘三矿11-2煤层地质构造图
煤层中、小型断层的发育形式主要受董岗郢向斜控制，因此以董岗郢次级向斜为界将11-2煤划分为东、西翼两个地质单元。东翼地质单元内以逆断层为主，煤层倾角一般都较小，主要有F5～F19～F47断层组以及F39～F18断层组，基本位于瓦斯风化带以内，且发育有叶集次一级背斜和呈NE～SW向展布的冲刷带。该区内煤层厚度变化很大，裂隙较为发育。西翼地质单元主要分布有F1-1～F24～F26断层组，断层落差大，正断层发育较逆断层要多，煤层倾角大，且距离基岩面较近。endprint
2瓦斯参数测定
在井下不同地点测定煤层瓦斯压力并采集煤样，去除灰分大于40%和水分含量高的煤样后，采用直接法计算出煤层瓦斯含量，同时收集潘三矿地勘期间所测的大量瓦斯数据，得出20个不同埋深的可靠的瓦斯数据如表1所示。
表111-2煤层瓦斯数据表
采样地点埋深/m瓦斯含量/（m3·t-1）瓦斯压力/MPa地质单元
西三11-2煤上部采区皮带机上山552622502西翼
西三采区1642（1）运顺进料巷6598358037西翼
-753皮带机石门7514908西翼
西二11-2新增回风下山7553906西翼
1492（1）轨顺8016112西翼
1482（3）底板巷82760212西翼
1482（3）底板巷82867916西翼
17131（1）轨顺60851406东翼
-584轨道巷625229405东翼
-585轨道巷625833606东翼
东三11-2煤轨道下山676493071东翼
17101（3）底抽巷70251413东翼
17161（1）高抽巷71263118东翼
东翼-650～-750新增进风下山73445410东翼
1792（1）高抽巷750156211东翼
-705～817m联络巷74961712东翼
1792（3）底抽巷772461813东翼
深部进风井7746641122东翼
17181（1）运顺进料巷77776715东翼
17181（1）瓦斯综合治理巷7806715东翼
3瓦斯赋存规律分析
通过对不同采样地点、不同埋深的瓦斯数据进行分析，得出11-2煤层瓦斯赋存规律。
1） 在沿煤层走向上，东、西翼煤层瓦斯含量差异较大，在相同标高下，东翼瓦斯含量普遍比西翼要大；在沿垂直标高上，深部煤层瓦斯含量明显大于浅部。
2） 瓦斯含量、瓦斯压力分布规律。运用线性回归的分析方法建立矿井11-2煤层东、西翼瓦斯含量，瓦斯压力与埋深的数学模型，得出东、西翼11-2煤层瓦斯赋存规律如表2所示。
表2瓦斯含量、压力与埋深关系表
所属单元线性回归方程相关系数对比关系
瓦斯含量与埋深关系
东翼X=0.01574H-5.849370.622 36>0.6
西翼X=0.01516H-6.418570.854 03>0.6
瓦斯压力与埋深关系
东翼P=0.00501H-2.526540.810 97>0.6
西翼P=0.00449H-2.469340.768 16>0.6
注：X为煤层瓦斯含量，m3t-1；P为煤层瓦斯压力，MPa；H为煤层埋深，m。
从表2中可以看出，随着煤层埋藏深度的增加，东、西翼瓦斯含量和瓦斯压力均呈线性增长，且相关系数均大于06。东翼瓦斯含量和压力梯度分别为1574 m3/（t·hm）和0501 MPa/hm，西翼瓦斯含量和压力梯度分别为1516 m3/（t·hm）和0449 MPa/hm。
4影响煤层瓦斯赋存的控制因素
41埋深对瓦斯赋存的影响
随着埋藏深度的不断增加，煤层地应力也不断增大，使得煤层及围岩透气性越来越差，煤层与地表的距离也相应增大，导致瓦斯在煤岩层中的运移、向地表逸散的难度增大[8]。
埋深/m
图3东翼煤层瓦斯含量随深度变化趋势图
埋深/m
图4西翼煤层瓦斯含量随深度变化趋势图
由图3可以看出，在埋深变化不大的情况下，东翼煤层瓦斯含量存在很大差异，瓦斯含量分布比较离散，在660 m以下瓦斯含量与埋深的线性关系不明显，但在660 m以上瓦斯含量随埋深呈线性增长。由图4可以看出各散点基本都在拟和线附近，西翼煤层瓦斯含量随埋深变化很明显。综合以上分析可知，埋深是煤层瓦斯赋存的主要控制因素，且西翼地质单元瓦斯分布受埋深影响更大。
42地质构造对瓦斯赋存的影响
地质构造是影响区域内瓦斯流动的重要条件之一[9]。具体到11-2煤而言，地质构造主要以断层构造和层滑构造两个方面为主。
1） 断层构造。研究资料表明[10]：断层构造对煤层的完整度、煤体的结构性质以及瓦斯的赋存条件等都有极其重要的影响。
潘三矿11-2煤层大、中、小型断层发育，东翼地质单元以张性正断层为主，西翼以压性逆断层为主。文献[11]曾以地勘期间和矿井生产中的大量瓦斯数据为基础，统计了24个不同区域钻孔的瓦斯含量数据及其与最近主断层之间的距离。利用这些数据，通过线性回归建立了数学模型，得出瓦斯含量X随主断层距离L变化规律如图5～图6所示。
主断层距离/m
图5东翼瓦斯含量随主断层距离变化规律
主断层距离/m
图6西翼瓦斯含量随主断层距离变化规律
从整体来看，东、西翼瓦斯含量大体上随着主断层距离的增大而增大，说明断层构造对瓦斯含量的分布起着重要作用。从局部来看，东、西翼瓦斯含量并非全都随着主断层距离的增大而呈线性增长，部分阶段反而会减小，这是由于11-2煤层大、中、小型断层发育，在开放型断层附近煤层地应力得到释放，瓦斯运移、逸散容易，而封闭型断层附近煤层地应力较为集中，瓦斯压力大，瓦斯逸散困难而大量保存。综合分析可知：断层构造是影响瓦斯赋存非常重要的控制因素。
2） 层滑构造。井田内层滑构造极其发育，主要是受淮南复向斜潘集背斜控制，且一般表现为张性正断层特征。11-2煤层顶板为岩性相对软弱的砂质泥岩和中细砂岩，在构造应力或重力作用下产生滑动变形，在煤层中发育出较为平整的断裂面，倾角一般在30°～60°之间，滑动一段时间后，与煤层的顶（底）板相接触，导致煤层发生严重变形，使得煤层厚度和原生结构发生变化，同时也提高了煤层的煤化程度和灰分，破坏了煤层顶底板的稳定性。endprint
43顶板岩性对瓦斯赋存的影响
11-2煤层顶板主要以泥质岩为主，局部为中细砂岩，底板主要以泥质岩或砂质泥岩为主，顶底板位于断层带内，破碎严重并产生大量裂隙，不利于瓦斯的保存。砂泥比直接反映着顶板的岩性特征，砂泥比越大，顶板含泥质岩越少，顶板透气性也就越小，阻碍了煤层瓦斯在煤岩体间的运移，逸散困难，瓦斯含量也就越高。反之，瓦斯含量则越小[12]。为直观反映顶板岩性对瓦斯赋存的影响程度，取顶板30 m内岩层砂泥比作为考察对象，研究砂泥比m与瓦斯含量X之间的关系，研究结果如图7所示。
砂泥比
图7瓦斯含量随顶板砂泥比变化趋势
由图7可以看出，各散点沿拟和线均匀分布，离散性较低，也就是说瓦斯含量随着顶板砂泥比的增大而减小。因此分析可知，11-2煤层瓦斯含量随着顶板岩层透气性的降低而减小，对11-2煤层的瓦斯赋存有很大的影响。
44煤厚对瓦斯赋存的影响
生产实践表明：瓦斯涌出量随着煤层厚度的增加而增大，且煤厚带也往往是应力变化集中带[13]。11-2煤层东部为较稳定煤层，厚度0～24 m，平均17 m；西部为稳定煤层，厚度057～407 m，平均184 m。
煤厚/m
图8瓦斯含量随煤层厚度变化趋势
从图8建立的瓦斯含量与煤厚之间的数学模型分析可知，11-2煤层瓦斯含量整体上随着煤层厚度的增加而增大，但离散度较大，且在煤厚为185～20 m时，瓦斯含量与煤厚线性关系不明显，说明在这些点上煤厚并不是瓦斯含量分布的主要影响因素。因此，煤厚对11-2煤层瓦斯赋存有一定的影响但不是主要控制因素。
45煤体对瓦斯赋存的影响
煤体结构和煤的变质程度是影响瓦斯赋存的因素之一。煤体结构受破坏程度越高，煤体强度就越低，抵抗突出的能力越小，瓦斯突出的危险性也就越高。另外，煤的变质程度越高，生成的瓦斯量也就越多，吸附瓦斯的能力也越大[14]。
潘三矿井田内地质构造条件复杂，部分煤层煤体结构遭到破坏，受构造应力作用形成了以面状分布的构造软煤。中深部构造软煤相比于浅部较为发育，在小向斜轴部煤层厚度较两翼大，构造软煤加厚。发育类型主要为Ⅱ类和Ⅲ类，煤体呈鳞片状、粉末状或土糜状，厚度为03～215 m，平均厚度为076 m。整个煤层块煤、碎块煤和粉沫煤的比例为6∶1∶3，这说明构造软煤受地质构造影响在11-2煤层内呈现不均匀分布，这在一定程度上增加了采掘工作中瓦斯突出危险性。
11-2煤层以1/3焦煤、气煤为主，在实验室对煤层煤样进行分析，结果如表3所示。
表3煤样工业分析及相关参数
采样地点工业分析MadAadVdaf
瓦斯放散初速度ΔP孔隙率坚固性系数f
-817东翼轨道大巷1.4221.2728.38.07.640.61
结合煤的分级指标[15]可以看出，11-2煤层属于低水分、中挥发分、中灰分煤，成煤过程处于主要生气阶段，煤的变质程度较高，生成瓦斯量较多，煤体微孔发育，吸附表面积大，贮存瓦斯的能力也比较强。
5结论
1） 11-2煤层瓦斯赋存总体上呈现东翼地质单元瓦斯含量普遍比西翼要高，深部煤层瓦斯含量明显大于浅部的分布规律。东翼瓦斯含量和压力梯度分别为1574 m3/（t·hm）和0501 MPa/hm，西翼瓦斯含量和压力梯度分别为1516 m3/（t·hm）和0449 MPa/hm。
2） 运用瓦斯地质理论和线性回归方法分析得出煤层埋深、地质构造、顶板岩性是影响11-2煤层瓦斯赋存和突出分布的主要控制因素，三者与瓦斯分布的相关系数达到08以上。
黄沙矿2#煤层瓦斯赋存规律研究 篇3
瓦斯在煤层中的赋存与富集受多种因素影响,主要包括煤的变质程度、埋藏深度、煤层围岩的透气性、地质构造、地下水条件等。煤的变质程度越高,生成的瓦斯量也越多。煤层埋藏越深,通常瓦斯含量也会越高。地质构造控制着煤层高能瓦斯的分布,从而控制着瓦斯突出煤体的分布[3]。煤与瓦斯突出常发生在地质构造破坏地带已为大量实践所证实,煤与瓦斯突出的危险性与地质构造复杂程度有密切关系[4]。矿区构造特征控制煤与瓦斯突出的分布,构造的分级、分区和分带造成煤与瓦斯突出分布的不均衡[5,6]。不同的矿井,起主要作用的因素也不一样。因此,针对黄沙矿深部扩大区的实际地质条件,详细分析黄沙矿的瓦斯赋存规律,深入探讨其主控因素,对煤矿安全生产具有重要意义。
1 地质概况
1.1 主采煤层
黄沙矿井田内含煤地层为石炭系本溪组、太原组和二叠系山西组。本溪—太原组为海陆交互相沉积,山西组为近海陆相沉积,煤系地层总厚度185～220 m,平均厚190 m。黄沙矿井田共含煤12～17层,其中大部分可采煤层有5层,分别为2#煤(大煤)、6#煤(山青煤)、7#煤(小青煤)、8#煤(大青煤)、9#煤(下架煤),局部可采煤层有3层,分别为1#煤(小煤)、3#煤(一座煤)、4#煤(野青煤)。
2#煤:该区煤层厚度大(煤厚2.25～6.15 m,平均厚4.01 m),分布稳定,结构简单。一般无夹矸,个别钻孔含夹矸1～2层,厚0.08～0.49 m,夹矸为炭质泥岩或砂质泥岩。直接顶板多为厚0～8.26 m的粉砂岩,厚度变化大,开采时易冒落。间接顶板(基本顶)为中细粉砂岩,厚2.70～25.33 m,平均厚10 m,质地坚硬,不易垮落,在断层带附近节理裂隙发育,一般说来易于控制。直接底板为深灰—黑色砂质泥岩,厚4.00～12.03 m,平均厚6 m,个别地段为砂页岩互层,含植物根部化石。
1.2 矿区地质构造
峰峰矿区位于祁—吕—贺山字形构造东缘,太行山复背斜之东翼,为新华夏系的一部分,呈一北北东的狭长地带。该区位于河北省南部、太行山东麓(北纬36°20′～36°34′,东经114°3′～114°16′),地处晋、冀、豫三省交界地带,西侧为山间盆地,东侧是倾斜平原,最高海拔891 m。主要构造为褶皱及断裂。主要褶皱有鼓山复背斜(位于该区中部,走向南北至北10°东)。鼓山之西,在鼓山、九山两复背斜之间,形成了和村、鼓城向斜。其走向与鼓山复背斜相似,核部为上古生界。它们构成了该区的基本轮廓。次一级的褶皱、背斜、向斜、穹窿、盆地的型式,其轴线大体均属于北东向。主要断裂走向为北东—北北东。主要断层有:鼓山断层,何庄断层,胡谷断层等。次一级的断裂走向为北25°～50°东,多将煤田切割成若干小型地垒或地堑。
1.3 井田地质构造
黄沙矿井田位于鼓山复背斜及和村—彭城向斜南端,地层为一走向NE、倾向SE的单斜构造,黄沙井田倾角较缓,倾角平均15°左右;辛安区较陡,倾角平均19°左右。从-100 m水平→-280 m水平→-500 m水平,倾角由缓—陡—缓,沿地层走向发育着断层和褶皱。
2 瓦斯赋存影响因素
2.1 断层、褶皱构造
黄沙矿区内经多次勘探和井下巷道揭露,已累计探明落差大于10 m断层50条,均属正断层,可以说构造比较复杂,在断层的尖灭端附近,由于应力集中,往往会出现瓦斯积聚的情况;黄沙矿还存在有背斜和向斜等构造,这些都会对瓦斯的赋存造成影响。褶皱的类型、封闭情况和复杂程度,对瓦斯赋存均有影响。当煤层顶板岩石透气性差且未遭构造破坏时,背斜有利于瓦斯的储存,是良好的储气构造,背斜轴部的瓦斯会相对聚集,瓦斯含量增大。在向斜盆地构造的矿区,顶板封闭条件良好时,瓦斯沿垂直地层方向运移是比较困难的,大部分瓦斯仅能沿两翼流向地表。
目前,黄沙矿辛安扩大区构造较原黄沙区复杂,且深部断层较浅部多而复杂,应引起足够重视。因此,在掘进或者回采期间,应加强地质超前探测和预报,在构造区域加强瓦斯的防治工作。
2.2 顶、底板岩性
煤层围岩的透气性好坏,直接影响着煤层瓦斯的赋存、运移或富集。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。孔隙与裂隙发育的砂岩、砾岩和灰岩的透气性系数非常大,一般比致密而裂隙不发育的页岩、泥岩等透气性系数高出千倍以上。
如图1所示为黄沙矿2#煤层瓦斯含量与顶底板泥岩厚度关系示意,从图中可以看出,瓦斯含量与顶、底板泥岩厚度的相关系数(R)分别为0.362 2和0.041 2,基本上无线性相关性。由此表明,黄沙矿顶、底板泥岩厚度对煤层瓦斯含量的影响不大。
2.3 煤层埋深及上覆基岩厚度
(1)煤层埋深。
一般出露于地表的煤层,瓦斯容易逸散,并且空气也向煤层渗透,导致煤层中的瓦斯含量小,甲烷浓度低。随着煤层埋藏深度的增加,地应力增高,围岩的透气性降低,瓦斯向地表运移的距离相应也增大,这种变化有利于封存瓦斯、不利于放散瓦斯。所以,在瓦斯风氧化带以下,瓦斯含量、涌出量及瓦斯压力主要随煤层埋藏深度增加而变大。黄沙矿井田地面标高一般在+200 m左右,地形起伏不大,可以根据煤层底板标高来寻找对应埋深对瓦斯含量的影响。
图2为黄沙矿瓦斯含量与煤层底板标高关系示意,瓦斯含量与底板标高的线性关系非常明显,即随着底板标高负值的增大,瓦斯含量呈线性增加。其回归方程为:y=-0.008x+1.541 2,R=0.950 5。
(2)煤层上覆基岩厚度。煤层上覆基岩厚度为
煤层埋藏深度减去第四系地层沉积厚度。第四系地层主要为黄土层,一般分布于地表,胶结性不好,孔隙度大,连通性好,容易释放瓦斯。由于第四系松散沉积物易于搬运,厚度变化较大,这就造成煤层上覆地层垂向上变化较大。在第四系松散沉积厚度较小、垂向差异不大的矿井,上覆基岩厚度和埋藏深度对瓦斯的影响基本上相当。
3 结论
(1)黄沙矿地质构造以断层为主,且绝大多数为张性正断层。但在断层的尖灭端,由于应力集中,往往能形成瓦斯积聚。而且,由于现今所揭露的断层在历史时期曾经过多期构造变动,断层性质也发生了变化,从而也促成了断层的复杂化。辛安井田(扩大区)构造较原黄沙区复杂,且深部断层较浅部多而复杂,应引起足够重视。
(2)影响黄沙矿的地质因素很多,其中煤层埋深(底板标高)对煤层瓦斯含量起主要控制作用。黄沙矿辛安扩大区随着埋藏深度的增加,瓦斯含量呈线性增加的趋势。而煤层顶、底板岩性虽对瓦斯的保存具有一定影响,但在该矿区影响有限。
摘要：煤层瓦斯是影响煤矿安全生产的重要因素之一。煤层瓦斯的赋存与富集受多种因素影响,主要包括煤层的变质程度、煤层埋深、顶底板岩性特征、基岩厚度和地下水条件等。不同矿井对煤层瓦斯起主要控制作用的因素也不一样。通过黄沙矿瓦斯赋存主要地质因素的详细分析,结合黄沙矿瓦斯含量的实测数据,研究了黄沙矿2#煤层瓦斯含量变化规律。研究结果表明,地质构造和煤层埋藏深度是影响黄沙矿2#煤层瓦斯赋存的主控地质因素。
关键词：瓦斯含量,构造,埋深
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煤层赋存 篇4
新汶矿区随着采区水平向深部不断转移, 开采难度变大, 巷道变形严重, 支护困难, 这对深部开采带来了很大的影响。近期, 我矿根据实际情况, 对浅部采区的多处煤柱地段进行了重新规划, 部署了下一步采场的计划, 争取将浅部资源充分利用开发。为此, 我们对浅部煤炭储量的发掘做了大量的工作, 开采向浅部发掘。因此, 我们必须进行浅部矿井煤炭储量的发掘工作, 适应矿井不断开拓的需要。
1 新汶矿区概况
新汶矿区在新汶办事处境内, 井田地面范围隶属新泰市新汶办事处、新甫办事处和青云办事处管辖。地理座标为东经117°42′15″至117°46′30″, 北纬35°53′00″至35°55′15″。
井田边界范围, 南边界为孙村煤矿南部各煤层露头, 北边界为各煤层的-1500m底板等高线, 西边界浅部以F2断层与新泰市汶河矿业有限公司为邻、深部以F8断层与山东良庄矿业有限公司为邻, 东边界深部与山东华恒矿业有限公司、浅部与山东华源矿业集团有限公司 (原张庄煤矿) 相邻。东西走向长约1.2~9.0km, 南北倾斜宽约6.0km, 面积约26.2038km2。
矿井开采水平为-75m、-210m、-400m、-600m、-800m及-1100m水平。通过多年的开采, 孙村煤矿-75m、-210m、-400m、-600m水平目前已结束, -800m水平大部分也已基本采完, 现正在开采部分煤柱。开采2、3、4、6、11、13、15层煤等共计7个煤层, 主采煤层2、4、11煤层。采区划分见图1。
井田由F10断层分为南北两区, 构造形态基本属简单的单斜构造, 有宽缓的褶曲, 以断层为主。地层走向300°~330°, 倾向北东, 倾角12°~34°, 一般中浅部为15°~18°;深部为20°~34°。南区地层倾角由东到西逐渐变小, 北区变化不大。
2 探查方法及实施
根据原有钻孔资料进行大量分析, 从而积累大量的原始资料, 深一步对原始资料进行科学分析、合理取舍, 将存在的煤炭储量资料进行修订和完善。
对原始资料涉及不全面的采区或块段进行系统的探查, 通过物探、打探巷和打钻孔的方式, 对不明确的区域进行储量探查, 寻找可采的经济储量。成立专门的钻探队伍, 来专门进行煤炭储量探查工作, 对较大的断层和地质构造进行专业的探查, 确定不明区域的可采性。
矿井范围内的不明区域和断层集中区域很多, 在这些区域进行取舍和探查, 确定探查方案。寻找可采煤量。图2中为设计的不明区域进行探查。
针对3418区域F10断层附近寻找可采煤量。在3418区域的巷探布置图, 在断层附近进行设计和探查。
-800前三四层探巷到位后, 组织钻探队伍对F10大断层进行了巷探探查, 探明了F10断层具体四层中揭露的位置, 便于工作面的布置与方案设计。
通过对此区域进行探查完成了预想的探查, 所有钻探工程按期完成, 地质资料得到了很好的收集。通过对资料的分析和研究, 确定了此区域的地质构造情况, 对此区域的开采性进行了论证。
3 结论
通过对该区域多方向探查, 结合原有钻孔资料, 进行掘进巷道探查和打钻孔探查, 把井下浅水平的F10断层附近未采区段进行纵横联合探查, 和深部采区资料有机结合。
结合探查资料完成了F10断层以及附近3418工作面的布置和开采方案设计, 新增可采经济储量150万T。
提高整个矿井的可采经济储量, 使新形势下矿井能有效的进行开采, 避免些难度大的工作面, 为矿井减少生产成本, 使矿井创造更高的经济效益。
煤层瓦斯的赋存因素及涌出量预测 篇5
关键词：煤层瓦斯,赋存因素,涌出量,预测
1 引言
我国煤炭在一次能源消费结构中, 煤炭占到70%以上, 预计到2020年还将占50%以上。由于我国煤炭赋存的地质条件复杂多变, 主要依靠井工开采, 经常受到瓦斯, 水, 火, 粉尘, 顶板等自然灾害的威胁, 加上抗灾能力较弱, 煤矿事故时常发生, 特别是随着开采深度的增加, 煤层瓦斯含量的逐渐增加, 煤层瓦斯压力增大, 矿井瓦斯危险性增高, 防治难度越来越大。矿井瓦斯是指矿井中主要有煤层气构成的以甲烷为主的有害气体, 有时单指甲烷。据统计, 瓦斯事故占煤矿事故的40.69%, 死亡人数约占煤矿事故总死亡人数的36%。矿井瓦斯涌出量预测是矿井生产水平延深通风设计的基础, 准确的瓦斯涌出量预测对于选用合理的通风系统、采取有效地瓦斯防治措施确保矿井安全生产具有十分重要的意义。
2 矿区概况
禹州市富山煤业有限公司煤矿位于禹州市西北约35km处的鸠山镇境内。煤层瓦斯特征:据区内5个钻孔的瓦斯样分析, 结果见表1。
二1煤层瓦斯成分以甲烷CH4为主, 占21.48%~61.24%, 氮气N2, 占37.53%~92.55%, 少量CO2, 占1.23%~7.45%;二1煤层甲烷含量为0.11~1.70m3/t, 氮气含量为0.71~1.69m3/t, CO2含量为0.28~1.06m3/t。以甲烷成分80%时所对应的甲烷含量4.50ml/g.daf作为标准来划分瓦斯风化带, 本区二1煤层主体处于瓦斯风化带中的氮气-甲烷带。总之, 二1煤层露头附近, 煤层上覆基岩厚度小, 二1煤层遭受了断层的切割和破坏, 瓦斯逸散条件较好, 二1煤层瓦斯含量普遍相对较低, 矿井主体处于瓦斯风化带范围。目前矿井只开采二1煤层, 矿井瓦斯等级鉴定结果见表2。
结果表明:2010年~2012年, 矿井瓦斯相对涌出量为3.04~7.26m3/t, 瓦斯绝对涌出量1.26~1.33m3/min, 二氧化碳相对涌出量为4.30~7.6m3/t, 二氧化碳绝对涌出量1.33~1.63m3/min。
3 影响煤层瓦斯赋存的主要因素
本区煤层瓦斯随着煤层埋藏深度的增加, 瓦斯涌出量将会增大。煤层的厚、薄不同瓦斯含量有一定的差别, 厚煤带一般比薄煤带高些, 尤其薄煤带所包围的厚煤包, 是瓦斯积存的天然仓库。多开放性的大断裂利于瓦斯逸散, 使断层沿线的沼气含量与其深度相比要低得多。
根据二1煤层瓦斯局部富集的特点, 尤其对于凸镜状煤包或被薄煤带所包围的厚煤包, 瓦斯含量较大, 加上煤层本身松散破碎, 开采中一旦局部卸压便有煤与瓦斯突出的可能, 至少是短期内瓦斯涌出量增大几倍。因此, 建议开采时应采取一定的防范措施。
4 瓦斯涌出量预测
根据矿井地质报告, 本井田二1煤层瓦斯含量最小值0.11m3/t, 最大值为1.70m3/t。根据钻孔分布来看, 最大值1.70m3/t (钻孔4-1) 位于可采煤层采动影响范围, 瓦斯量对采区煤层开采有直接的影响, 因此煤层瓦斯含量最大值取4-1钻孔的数据1.70m3/t。设计采用分源法预测采掘工作面瓦斯涌出量。
1) 采煤工作面相对瓦斯涌出量预测
矿井二1煤层采用走向长壁后退式采煤方法、炮采采煤工艺, 则:
q采=K1·K2·K3· (m/M) · (Wo-Wc) (1) 式中:q采-开采煤层相对瓦斯涌出量, m3/t
K1-围岩瓦斯涌出系数, 全部陷落法管理顶板, 取K1=1.3;
K2-工作面丢煤系数, 取回采率的倒数。二1煤层为中厚煤层, 工作面回采率取95%, 则K2=1/0.95=1.052;
K3-工作面巷道瓦斯预排影响系数, K3= (L-2h) /L;K3=0.64;
L-工作面长度, L=100m;
h-掘进巷道预排等值宽度, 取18m;
m-开采层厚度, 二1煤平均厚3.74m;
M-开采层采高, 二1煤平均采高1.8m;
Wo-二1煤层原始瓦斯含量, 取值1.70m3/t;
Wc———采落煤炭运至地表时残存瓦斯含量, 二1煤层瓦斯含量为1.70m3/t<10m3/t, 按原始瓦斯含量的20%选取, Wc=1.70×20%=0.34m3/t。
经计算, 二1煤层回采工作面相对瓦斯涌出量为2.47m3/t, 绝对涌出量为q采绝=q采×A=2.47×512/24/60=0.88m3/min。
2) 掘进工作面瓦斯涌出量预测
掘进工作面瓦斯涌出量按下式计算:
式中:q掘-掘进工作面瓦斯涌出量, m3/min;
q3-掘进巷道煤壁瓦斯涌出量, m3/min;
q4-掘进巷道落煤的瓦斯涌出量, m3/min;
D-巷道断面内暴露煤壁面的周边长度, m;二1煤层为中厚煤层, D=2×m0=2×3.74m=7.48m, m0为开采层厚度, 取m0=3.74m;
V-平均掘进速度, m/min;炮掘:V=90/28/16/60=0.0033m/min
q0-煤壁瓦斯涌出强度, m3/m2.min, 按下式计算:
式中:Vr-煤的挥发分, 15.27%;
Wo-原始瓦斯含量, 取值1.70m3/t;
经计算:q0=0.0039m3/m2.min
L-巷道长度, 取800m;
S-掘进端头见煤面积, m2;S=7.26m2;
γ-煤的容重, 取1.42t/m3;
Wc-采落煤炭运至地表时残存瓦斯含量, 二1煤层瓦斯含量为1.70m3/t<10m3/t, 按原始瓦斯含量的20%选取, Wc=1.70×20%=0.34m3/t。
经计算, 二1煤层一个煤巷掘进工作面绝对瓦斯涌出量为0.33m3/min。
3) 采区瓦斯涌出量预测
生产采区瓦斯涌出量采用下式计算:
式中:q区-采区相对瓦斯涌出量, m3/t;
q采i-第1个回采工作面相对瓦斯涌出量, 2.47m3/t;
Ai-第1个回采工作面的日产量, 512t;
q掘i-第1个掘进工作面绝对瓦斯涌出量, 0.33m3/min;
A0-采区平均日产量, 600t;
K'-采区采空区内瓦斯涌出系数, 取1.2。
本设计采区正常生产期间为1个回采工作面、2个煤巷掘进工作面, 因此, 计算得出生产采区相对瓦斯涌出量q区=4.43m3/t, 绝对瓦斯涌出量为2.77m3/min。
5 结论
禹州市富山煤矿矿井瓦斯随着煤层埋藏深度的增加, 瓦斯涌出量将会增大, 采区正常生产期间为1个回采工作面、2个煤巷掘进工作面, 因此, 计算得出生产采区相对瓦斯涌出量q区=4.43m3/t, 绝对瓦斯涌出量为2.77m3/min。根据二1煤层瓦斯局部富集的特点, 尤其对于凸镜状煤包或被薄煤带所包围的厚煤带, 瓦斯含量较大, 开采中一旦局部卸压便有煤与瓦斯突出的可能, 因此, 建议开采时应采取一定的防范措施。
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煤层赋存 篇6
关键词：瓦斯含量,瓦斯涌出,涌出量预测
阳城二矿位于河南省登封市送表乡境内,该矿主要开采二1 煤层,矿井瓦斯灾害比较严重。2008年9月21日,与该矿同采一个煤层的河南登封广贤工贸有限公司新丰二矿在技改过程中发生煤与瓦斯突出事故,造成特别重大人员伤亡和巨大的经济损失。
煤层瓦斯含量是指单位质量或体积的煤中所含有的瓦斯量。瓦斯在煤中呈2种状态:游离瓦斯和吸附瓦斯[1,2]。瓦斯涌出量指在矿井建设和生产过程中从煤与岩石内涌出的瓦斯量。通常,煤层的瓦斯含量越大,工作面的瓦斯涌出量越大,瓦斯浓度越高,发生瓦斯爆炸的可能性也越大,且越容易发生煤与瓦斯突出[3]。
瓦斯在煤层中的分布是不均匀的,所采取的防治措施应与瓦斯灾害严重程度保持一致,否则,安全经济达不到最佳状态。因此,研究该矿二1 煤层的瓦斯含量与瓦斯涌出量分布状况,并总结归纳出瓦斯赋存规律,对瓦斯防治措施的制订有着重要指导意义。
1煤层瓦斯含量分布
阳城二矿在地勘阶段和投产期间均进行了瓦斯含量测定,现将这组瓦斯含量数据进行统计(表1)。为更清楚地表达该矿瓦斯含量在整个矿井的分布规律,现根据该矿煤层底板等高线和瓦斯含量所测数据,采用数学软件,描绘出瓦斯含量分布(图1)。
由表1和图1可知,阳城二矿二1 煤层瓦斯赋存很不均衡,最高瓦斯含量为16.43 m3/t,最低瓦斯含量为1.02 m3/t。总体上,西部瓦斯含量比东部要高,在东风井井口两侧,瓦斯含量最高,且随采深变化很明显。
2典型工作面瓦斯涌出量统计
目前,阳城二矿二1 煤层3202和31030两个工作面正在回采,31040工作面两巷正在掘进。
2.13202工作面
3202工作面采用上隅角瓦斯抽放来进行瓦斯治理,因此,其瓦斯总涌出量应为抽放量与正常涌出量之和,抽放量和正常涌出量均为各自流量与各自瓦斯浓度之积。
(1)上隅角瓦斯抽放。
上隅角瓦斯抽放是为解决上隅角瓦斯超限问题而开发的一项抽放技术[4]。阳城二矿在3202工作面采用上隅角瓦斯抽放,抽放管路的气体压力约20 kPa,混合气体流量由约10 m3/min逐渐上升到30 m3/min左右,并趋于稳定。
综合瓦斯抽放浓度和抽放管路混合流量可以得出抽放管路的纯瓦斯抽放量(图2),纯瓦斯抽放量由0.5 m3/min逐渐上升到1.5～2.0 m3/min,并趋于稳定。
(2)工作面瓦斯涌出量。
根据3202回风巷瓦斯浓度和风量监测数据,对该工作面正常瓦斯涌出量进行统计(图3)。由图3可知,回风巷瓦斯涌出量约1.2 m3/min。
综合3202采面上隅角瓦斯抽放量和涌出量,该采面的瓦斯总涌出量约为3.2 m3/min。
2.231030工作面
31030工作面没有采取瓦斯抽放措施,仅采用通风治理瓦斯。同理可得出31030工作面的瓦斯涌出量(图4),由图4可知,31030回风巷瓦斯浓度和涌出量相对较高,其最高浓度和涌出量分别高达0.45%和2.0 m3/min左右。
2.331040工作面
31040为掘进面,仅采用通风治理瓦斯。同理,31040工作面的瓦斯涌出量如图5所示。由图5可知,31040回风巷的最高瓦斯浓度和涌出量分别为0.25%,1.20 m3/min。
3瓦斯含量与瓦斯涌出量的关系
3202采面瓦斯总涌出量约3.2 m3/min,日产煤量约667 t,则其相对瓦斯涌出量约6.91 m3/t,该采面的瓦斯含量约8.5 m3/t,则二者之比约81.3%;31030采面瓦斯总涌出量约1.5 m3/min;日产煤量约667 t,则其相对瓦斯涌出量约3.24 m3/t,该采面的瓦斯含量约5.3 m3/t,则二者之比约为61.1%;3202和31030两个采面的相对瓦斯涌出量和瓦斯含量之比平均约为71.2%。
31040掘进面的瓦斯涌出量约1.0 m3/min;每天出煤量约15.3 t,其相对瓦斯涌出量约为94.12 m3/t,该掘进面瓦斯含量约14.6 m3/t,则二者之比约6.45。
煤层瓦斯含量和相对瓦斯涌出量虽然是两个不同的概念,但它们不仅单位相同,而且关系非常密切。众所周知,矿井瓦斯涌出主要来源于煤(岩)体所含的瓦斯,除此之外,还有采空区瓦斯涌出和邻近层瓦斯涌出等。而且,煤层所含的瓦斯也不可能在采掘过程中全部涌出,这又导致瓦斯含量与相对瓦斯涌出量存在这差别。
对于采掘条件基本相同的区域来说,相对瓦斯涌出量与瓦斯含量的关系基本一致,则可以根据已采区域相对瓦斯涌出量和瓦斯含量的关系,并结合未采区域的瓦斯含量测定结果,对该区域的瓦斯涌出量进行超前预测,为将来制定瓦斯防治措施提供基础资料。
4煤层瓦斯涌出量预测
4.1预测方法
矿井瓦斯涌出量预测指根据某些已知数据,按照一定的方法与规律,预先估算出矿井或区域瓦斯涌出量大小的工作。煤层瓦斯涌出量预测方法主要有统计预测法、分源预测法、煤层瓦斯含量法、瓦斯地质数学模型法、基于神经网络的预测法、遗传规划法、灰色系统法、速度法等。其中,统计预测法、分源预测法、煤层瓦斯含量法为常用预测方法[5,6,7]。
4.2二1煤层深部水平瓦斯涌出量预测
(1)预测方法选择。
以上各种预测方法均有自身的优缺点,有的预测精确度较高,但也要求提供大量精确数据;有的精确度稍低,对数据的数量和准确性要求不是很高。预测方法的选择应结合矿井实际,该矿目前拥有相当数量瓦斯含量方面的数据,瓦斯含量和瓦斯涌出量之间关系密切。因此,瓦斯涌出量预测采用浅部瓦斯含量和瓦斯涌出量之间的相互关系及深部瓦斯含量来进行。
(2)预测结果。
根据上述瓦斯含量和涌出量之间的关系及各测点的瓦斯含量,得出掘进和采煤期间的瓦斯涌出量(表2)。
为更直观地表达出该矿瓦斯涌出量在整个矿井的分布规律(特别是矿井深部),现根据该矿煤层底板等高线和瓦斯涌出量数据,采用数学软件绘制瓦斯涌出量分布图。
本研究所采用的数学软件为Surfer,具有强大的插值功能和绘制图件能力,是地质工作者必备的专业成图软件。研究结果表明,该矿总体上西部瓦斯涌出量比东部要高,在东风井井口两侧,瓦斯涌出量最高,且随采深变化很明显;掘进面的吨煤瓦斯涌出量比采面要高出好多,因为在回采工作面准备期间已经释放了大量瓦斯,且在掘进期间,来自周围煤岩的瓦斯涌出量相对较多。
瓦斯涌出量分布如图6、图7所示。
5结论
(1)阳城二矿二1 煤层瓦斯赋存极不均衡,最高瓦斯含量16.43 m3/t,最低瓦斯含量1.02 m3/t;总体上,西部瓦斯含量比东部要高,在东风井井口两侧,瓦斯含量最高,且随采深变化很明显。
(2)根据几个典型工作面瓦斯涌出量统计结果,得出阳城二矿二1 煤层瓦斯涌出量和瓦斯含量之间的近似关系,掘进面相对瓦斯涌出量和瓦斯含量之比要远高于回采工作面。
(3)根据瓦斯含量和涌出量之间的关系及瓦斯含量分布状况,分别对掘进和采煤期间的瓦斯涌出量进行预测,并绘制了相应的瓦斯涌出量分布图。
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煤层赋存 篇7
山东鲁泰煤业有限公司鹿洼煤矿位于济宁市鱼台县张黄镇境内, 核定生产能力120万t/a。矿井采用立井～暗斜井开拓方式, 分水平上下山开采。全矿井划分为5个采区, 为低瓦斯矿井。根据矿井采掘接替安排, 四采区将成为主采区, 但在四采区首采4301工作面顺槽掘进过程中发生瓦斯异常现象, 轨道顺槽绝对瓦斯涌出量为0.085～0.34 m3/min, 相对瓦斯涌出量为1.61～6.46 m3/t;运输顺槽绝对瓦斯涌出量为0.085～0.255 m3/min, 相对瓦斯涌出量为1.51～4.54 m3/t。为此有必要对四采区瓦斯赋存规律进行分析, 找出瓦斯异常区域范围, 分析其形成影响因素, 以保证矿井下一步安全回采。
1 瓦斯赋存区域分析
为了摸清鹿洼煤矿整个四采区煤层的瓦斯赋存情况, 选择在4301轨道顺槽两断层之间、四采区联巷道斜巷-580 m绞车头、四采区轨道上山下部车场、四采区联巷断层以下、4301运输顺槽等有代表性的5个测点进行了瓦斯参数的探测和研究。
1.1 瓦斯压力测定技术原理
煤层瓦斯压力是瓦斯赋存规律研究和矿井瓦斯防治工作中的重要参数, 其测定技术分为直接法和间接法[1,2,3]。直接法测定煤层瓦斯压力的原理是向煤层打一钻孔, 深入煤层内, 通过钻孔在煤孔内布置一根瓦斯管与外界沟通, 连上瓦斯压力表, 封闭钻孔与外界的联系。从外部的压力表上可以读出煤孔内的瓦斯压力值。
本次采用胶囊-压力粘液封孔法测定煤层瓦斯压力[4,5]。
1.2 测压地点及钻孔参数
现场测压地点及测定的钻孔参数如表1所示。
1.3 压力测定结果分析
各钻孔在封孔后, 定期进行了瓦斯压力观测, 直到压力稳定3 d以上为止。实测得到的各观测钻孔瓦斯压力随时间的变化趋势如图1所示。
从图1可以得出, 在四采区联巷斜巷-580 m绞车头施工钻孔 (4#、5#) 测定瓦斯压力, 结果最大值为0.06 MPa;在四采区轨道上山下部车场施工钻孔 (6#) 测定瓦斯压力, 结果最大值为0.08 MPa;在4301 (1) 工作面轨道顺槽施工钻孔 (1#、2#、3#) 测定瓦斯压力, 结果最大值为0.22 MPa;在4301 (1) 工作面联巷断层以下施工钻孔 (7#、8#) 测定瓦斯压力, 结果最大值为0.08 MPa;在4301 (1) 工作面运输顺槽施工钻孔 (9#、10#) 测定瓦斯压力, 结果最大值为0.05 MPa。1#、2#、3#测点瓦斯压力明显高于4#～10#测点, 可得4301 (1) 工作面DF54和DF79两断层之间 (1#、2#、3#附近区域) 为瓦斯异常区。
2 瓦斯赋存规律分析
瓦斯的形成和保存、运移与富集同地质条件有密切关系, 并受到地质条件的制约。影响瓦斯赋存的地质条件, 主要有含煤岩系的沉积环境, 岩性组合特征, 煤层顶、底板岩性及其隔气、透气性能, 煤的变质程度, 区域地质构造, 水文地质条件, 岩浆作用以及埋藏深度等等。对于不同区域、不同煤田或不同块段, 影响瓦斯所赋存的地质条件存在着差异, 起主导作用的因素也有区别。为此, 结合四采区及瓦斯异常区 (4301工作面IV17和DF79两断层之间) 的地质条件, 对该区域瓦斯赋存规律进行分析。
2.1 顶板基岩厚度和埋藏深度
煤层上覆基岩厚度或煤层埋藏深度的变化, 是影响煤层瓦斯赋存的主要地质因素之一[6,7]。该区域煤系地层上覆上侏罗统和第四系冲积层, 第四系地层平均厚68.18 m。煤系基盘为中奥陶系马家沟群。
鹿洼主采煤层3上煤, 3下煤层为气煤, 埋深460～515 m, 煤化程度高, 成煤时期生成的瓦斯多, 3下煤受火成岩侵入, 产生瓦斯较多, 煤系地层和上覆岩层封盖性好、透气性差, 有利于瓦斯的保存。
2.2 煤层顶板岩性和上覆30 m岩层砂岩比
煤层顶板岩性是指与研究煤层直接接触的伪顶或直接顶的岩性。一般煤层顶板为砂质泥岩、泥岩类或致密灰岩时利于煤层瓦斯的保存, 顶板岩层的岩性越疏松、颗粒及孔隙度越大, 则越利于瓦斯运移及逸散[8]。上覆30 m岩层砂岩比是统计煤层以上30 m岩层段内砂岩所占比率 (即含砂率) , 用以表示该段岩层的组合特征, 它可反映煤层瓦斯运移、逸散的难易程度。该区域顶底板岩性情况如图2所示, 直接顶板为黑色～褐黑色泥岩, 厚0.64～3.82 m, 采区西南部局部相变为深灰色粉砂岩 (补1孔) , 岩石完整性较好, 为中等稳定顶板;老顶均为中细砂岩。煤层直接顶为灰-灰黑色砂质泥岩和深灰色粉砂岩, 厚度分别为1.0 m、3.0 m, 老顶为浅灰色细砂岩, 厚层状, 厚约4.0 m, 细粒结构, 水平层理。直接底为深灰色泥岩, 薄层状, 水平层理, 含大量植化碎片, 厚约1.2 m。老底为浅灰色细砂岩, 夹粉砂岩条带, 厚约11.0 m。故对煤层瓦斯赋存状况有一定影响。但据统计, 局部区域内煤层上覆30 m岩层砂岩比在横向上差异较大, 对局部区域煤层瓦斯赋存状况有较大影响, 成为影响该区域煤层瓦斯赋存的主要因素之一。
2.3 地质构造的影响
一般认为, 结构复杂的煤层瓦斯含量较高, 但也与沉积条件和边界条件相关。井田内次级构造是造成瓦斯运移条件改变的主要原因[9,10]。次级褶曲改变了瓦斯的流场状态, 中、小型断层破坏了煤层的连续性, 使煤层瓦斯自然流场复杂化, 造成煤层瓦斯赋存在横向上的差异性, 尤其是近走向小断层的存在, 往往阻碍了煤层瓦斯的运移。向斜轴部地层倾角平缓, 中小型断层多向深部尖灭, 主体向斜在东部分叉为两个小向斜, 使瓦斯运移条件进一步复杂化。煤层厚度较大且稳定, 煤层瓦斯赋存条件较好。4301工作面为一向NW倾斜的单斜构造。根据三维物探及回采巷道实际揭露情况, 该工作面回采期间将揭露落差大于3 m的断层5条, 如图3所示。由图3可得DF40、ⅣF19断层布置在工作面外已留设断层煤柱, 对开采影响较小。而DF79、DF54、DF57断层落差4.0～6.3 m, 对回采影响大。落差较大的断层伴生构造因受断层形成时的应力破坏, 自身比较破碎, 微孔隙、节理、裂隙发育, 为瓦斯提供了赖以赋存的空间, 形成了伴生构造复杂区域的瓦斯富集区, 一旦受采动影响或放炮振动, 瓦斯会迅速向外运移、释放, 形成瓦斯涌出异常区。
3 结论
(1) 阐述了四采区首采面瓦斯异常涌出情况, 通过现场布置瓦斯压力测定钻孔, 采用胶囊-压力粘液封孔技术测定四采区煤层瓦斯压力。
(2) 测试得到四采区4301 (1) 工作面DF54和DF79两断层之间 (1#、2#、3#附近区域) 瓦斯压力为0.22 MPa, 远远高于其他测点, 判定该区域为瓦斯异常区。
(3) 从顶板基岩厚度和埋藏深度、煤层顶板岩性和上覆30 m岩层砂岩比、地质构造等三个方面, 分析其对瓦斯赋存的影响机制。
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煤层赋存 篇8
平岗煤矿位于鸡西盆地内。平岗煤矿是龙煤集团主要生产矿井之一, 开拓方式为立斜混合式。平岗煤矿1970年建矿, 1972年投产, 1978年进行矿井集中改造, 1984年实现集中生产, 矿井设计生产能力为120万t/a, 矿井服务年限61 a。矿井现划分为两个水平:一水平 (+100 m标高) 和二水平 (-250m标高) 。目前, 该矿主采东一、东二、东三、下延及中部层采区。2010年6月13日14:30, 平岗煤矿东一采区14煤层施工时工作面遇断层, 发生煤与瓦斯突出, 涌出煤量为200 t, 涌出瓦斯量为2 000 m3, 平岗煤矿现鉴定为突出矿井。平岗煤矿位置如图1所示。
2 地质构造及控制特征
2.1 区域构造背景
鸡西矿区位于黑龙江省东部, 总面积约3 380km2, 盆地平面大致呈三角形, 走向EW—NEE。盆地南部边界由郯庐断裂在东北地区的分支敦化—密山断裂形成控盆断层, 西部和北部为超覆边界, 东部为断层边界。盆内由南北2个不对称的单斜构造和中部恒山基底隆起构成“两坳夹一隆”的构造格局, 南北2个向斜内部发育多个次级缓倾角背向斜构造。盆地断裂系统多为正断层, 断层数量多但规模不大, 逆断层极少, EW向的平阳—麻山逆断层组成盆地二级构造单元的分界线, 鸡西煤田如图2所示。
鸡西煤田构造的形成是在早白垩纪桦山群地层沉积之后, 受到来自南北方向的主应力而形成褶曲, 在古构造的基础上进一步加强, 形成2个主向斜及1个主背斜。随着应力的不均衡来自南北应力的强大, 在主背斜轴产生以压性为主的麻山—平阳逆冲断裂带, 把煤田进一步分割成了南北部2个条带, 形成目前的煤田构造轮廓。
2.2 平岗矿区构造现状
平岗矿区位于鸡西煤盆地西南端, 属于穆棱—平岗断裂构造单元的一部分, 近于南北向东倾的单斜地层, 使不对称的向背斜复杂化。矿区断层较多, 已查明落差大于30 m的断层有62条, 大型褶曲有凤山背斜、北部向斜, 二四井区向背斜组。背斜呈不对称形, 向西倾伏尖灭。由于强烈的压性作用, 使得靠近轴部形态相当复杂, 几条区域性的断层都集中于背斜轴两侧, F风11—F15之间形成一构造复杂带和小型向背斜组, 背斜轴北侧地层产状陡转, 倾角大, 在30°左右, 出现逆断层F60, 相应出现小型向斜, 其轴呈弯曲状。背斜轴南侧地层走向发生陡转, 轴两侧地层走向相互近于垂直, 地层倾角大, 30°~50°之间, F17与F风11之间形成一构造复杂地带, 在这一构造带内出现一组与全区构造带方向差异很大的向背斜及F风12、F风13断层。这一小区构造复杂, 同时也是穆棱组煤层可采性变化地带, 因而穆棱组煤层在此只适合小井开采, 对于城子河煤层来说, 浅部的压性构造向深部有尖灭之趋势。
3 瓦斯赋存规律研究
3.1 断层、褶皱构造对瓦斯赋存的影响
平岗煤矿主要以NW、NNW向的构造为主, 在NE向还发育着一些逆断层、正断层。构造煤全层发育, 厚度不大, 大部分在20~30 cm, 这说明一系列的地质构造, 尤其是正断层, 是由逆断层翻转形成的正断层, 在形成逆断层时, 形成了构造煤, 煤层上部覆盖了很厚的盖层, 主要以砂岩、粉砂岩、泥岩为主, 瓦斯赋存条件好, 有利于瓦斯保存。
(1) 断层、褶皱构造对东一采区瓦斯赋存的影响。东一采区主要受F风15、F17两大正断层控制, 其中F风15落差为40~70 m, F17落差为60~200 m。两断层之间还有一个背斜, 说明2个正断层是后期由逆断层翻转形成, 翻转之前构造煤已形成, 利于瓦斯保存。两断层分布在背斜两翼, 与背斜相近的均为下盘, 虽为下盘, 但上覆盖层较厚, 不利于瓦斯释放, 这一区域瓦斯赋存条件比较好。
(2) 断层、褶皱构造对下延采区瓦斯赋存的影响。下延采区内部主要受正断层F19控制, 落差40~90 m, 走向NW—NE, 呈半弧形, 弧形中间有一向斜, 两端为向斜的两翼。说明正断层是后期由逆断层翻转形成, 翻转之前构造煤已形成, 且与向斜接触端为断层上盘, 上覆盖层较厚, 利于瓦斯保存。
(3) 断层、褶皱构造对东三采区瓦斯赋存的影响。东三采区内分布着以NW走向为主的正断层, 虽然大部分为后期逆断层翻转形成的正断层, 构造煤也已发育, 但这些断层分布在浅部, 且落差较大, 瓦斯通过断层面运移到上部释放出去。这一区域瓦斯赋存条件不利于瓦斯保存, 瓦斯含量相对较低。
3.2 顶、底板岩性对瓦斯赋存的影响
煤层瓦斯的赋存受煤层围岩透气性好坏的直接影响, 泥岩、砂质泥岩顶板透气性差, 对煤层瓦斯逸散起阻碍作用, 煤层瓦斯含量相对较高;砂岩顶板透气性好, 瓦斯易于逸散, 瓦斯含量则较低;孔隙、裂隙发育的砾岩、砂岩和灰岩的透气系数大, 比较致密且裂隙不发育的页岩、泥岩等岩石透气系数高出千倍以上[1,2]。平岗煤矿煤层顶板岩性统计详见表1。
通过对平岗煤矿瓦斯含量和瓦斯涌出量的对比发现, 在相同的工作面中, 上覆泥岩厚的区域的瓦斯含量和瓦斯涌出量比薄的区域要高。由表1可知, 平岗煤矿14煤层顶底板均为粉砂岩, 直接顶厚度3.0~8.0 m, 节理较发育, 所以封闭性较好, 不利于瓦斯的自然逸散。
3.3 构造煤分布对瓦斯赋存的影响
构造煤是原生结构煤在构造应力作用下形成的具有新的结构和构造特征的变形煤, 但煤岩成分变化较小。从广义上来说, 构造煤属于构造应力作用下所形成地质构造的伴生构造, 即构造岩的范畴[3]。构造煤具有强度小、渗透率差、应力敏感性强等特征[4]。因此, 构造煤的发育成为制约煤矿瓦斯灾害治理和煤层气工业发展的关键因素。大量煤与瓦斯突出资料表明, 大部分突出都发生在构造煤发育区。构造煤一般分布在顺煤层剪切带, 顺层剪切带也叫逆掩断层、顺层断层、缓倾角断层、层滑构造等。通过解译测井曲线, 分析构造煤的分布规律, 可以找到煤层中瓦斯赋存的一些规律。
此次为便于分析研究、对比和应用, 重点选择和收集了视电阻率电位、伽马伽马和自然伽马测井曲线, 这些曲线特征明显, 能很好地解译构造煤与原生结构煤, 获得可靠成果[5,6]。通过构造煤解译技术对平岗矿井所有钻孔测井曲线进行解译, 解译出的数据见表2。
平岗煤矿地质构造以NW向构造为主, 中间发育有NE向的逆断层, 在逆断层处构造煤相对发育, 瓦斯含量相对较高。由于14煤层厚度小, 构造煤厚度虽然小, 但在整个煤层中所占比例较大。正断层上盘附近构造煤也有零星发育, 这是由于平岗矿井所处大地构造位置所确定的。平岗煤矿西北部是碱场断裂, 东南部是向斜, 东北部有一条大的正断层, 平岗煤矿正好被这3条大断层夹在中间, 在断层形成过程中煤层遭到一定的破坏, 发育构造煤, 在构造煤发育处, 瓦斯含量相对变大。
瓦斯含量与构造煤厚度回归趋势、构造煤厚度与埋深回归趋势如图3、图4所示。由图3、图4可知, 构造煤厚度变大时瓦斯含量也相应变大, 瓦斯含量与构造煤厚度具有较好的线性相关性。随开采向深部进行, 构造煤厚度有增加趋势。
3.4 上覆基岩厚度及埋深对瓦斯赋存的影响
平岗煤矿大部分断层是正断层, 在其形成过程中对井田内的瓦斯赋存分布进行改造。平岗煤矿F风15、F17都是由NW向转NNE向的正断层, 在断层的转折部分应力集中, 易破坏煤体形成构造煤, 煤层的透气性降低, 瓦斯的运移和逸散受到阻隔, 有利于瓦斯保存, 形成瓦斯富集区。瓦斯含量统计见表2。
上覆基岩厚度为埋深减去第四纪黄土层的厚度, 上覆基岩对煤层中的瓦斯有很好的封闭作用, 阻碍了瓦斯向大气中的运移和扩散, 有利于瓦斯保存, 对瓦斯赋存的影响起到主要作用, 一般瓦斯含量随着上覆基岩厚度的增加而增大[7]。
为了定量说明煤层瓦斯含量与上覆基岩厚度之间的关系, 对瓦斯含量与上覆基岩厚度进行了回归分析, 趋势如图5所示。
由图5可知, 瓦斯含量与上覆基岩厚度具有较好的线性相关性。
通过分析, 瓦斯含量梯度达2.3 m3/ (t·hm-1) , 相关系数R大于0.7。随埋深增加, 煤层受到的地应力增加, 围岩透气性降低, 瓦斯向地表的运移距离也增加, 所有这些因素都有利于煤层瓦斯的保存。大量资料研究表明:煤层瓦斯含量随埋深增加基本上呈线性规律增加趋势[8]。
为了定量说明煤层瓦斯含量与埋深之间的关系, 对瓦斯含量与埋深进行了回归分析, 14煤层瓦斯含量与埋深关系如图6所示。
由图6可知, 相关性系数仅为0.045 8, 瓦斯含量与埋深的线性相关性不强。瓦斯含量与埋深的相关性远不如瓦斯含量与上覆基岩厚度的相关性好。
通过对煤层上覆基岩厚度及埋深与瓦斯含量之间的关系分析, 可知控制平岗煤矿瓦斯赋存的主控因素为上覆基岩厚度。
4 结论
(1) NW、NNW向构造是控制鸡西煤田的主干构造, 形成时经受的地质历史期长。白垩纪后, 在南北挤压作用的同时, 还有一场左行扭力派生出的SEE向侧压力作用于煤田之上。生产实践表明, 陡的一翼构造情况比缓的一翼复杂, 对煤层破坏强。
(2) 断层、褶皱、顶底板岩性、上覆基岩厚度、构造煤是平岗煤矿瓦斯赋存的影响因素, 平岗煤矿14煤层瓦斯赋存与上述因素密切相关。
(3) 通过回归分析得出煤层上覆基岩厚度为平岗煤矿瓦斯赋存的主要控制因素, 瓦斯含量与煤层上覆基岩厚度关系密切, 煤层瓦斯含量梯度达2.3m3/ (t·hm) , 相关系数R2=0.902 6。
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