張赟蘭

(山西省煤炭工業(yè)廳煤炭資源地質(zhì)局)

·試驗(yàn)研究·

煤層瓦斯地質(zhì)規(guī)律淺析

張赟蘭①

(山西省煤炭工業(yè)廳煤炭資源地質(zhì)局)

瓦斯涌出是直接威脅煤礦安全生產(chǎn)和礦工生命的最大的災(zāi)害,改善煤炭生產(chǎn)安全狀況應(yīng)進(jìn)行礦井瓦斯預(yù)測(cè)、瓦斯治理、瓦斯利用,其基礎(chǔ)是瓦斯地質(zhì)規(guī)律。借鑒專家學(xué)者的研究成果和社會(huì)生產(chǎn)實(shí)踐統(tǒng)計(jì)資料,分析了煤層瓦斯地質(zhì)規(guī)律,以揭示煤層瓦斯賦存、煤層與瓦斯突出的一般地質(zhì)規(guī)律。

瓦斯賦存;地質(zhì)規(guī)律;瓦斯涌出量;煤與瓦斯突出預(yù)測(cè)

煤炭是我國(guó)能源的主體。在我國(guó)一次性能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中,煤炭占 70%左右,預(yù)計(jì) 2050年仍將占50%以上,在相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)煤炭將一直是我國(guó)居支配地位的主要能源。而“瓦斯是我國(guó)煤礦安全的’第一殺手’”。研究瓦斯,探究其地質(zhì)規(guī)律進(jìn)行瓦斯涌出量預(yù)測(cè)、煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)尤為緊迫。雖然煤與瓦斯突出機(jī)理研究還處在假說階段。瓦斯地質(zhì)研究的實(shí)踐認(rèn)為,煤層瓦斯含量高是發(fā)生煤與瓦斯突出的基礎(chǔ)。瓦斯含量是指成煤過程中煤層經(jīng)受地質(zhì)歷史演化作用儲(chǔ)存在煤層中單位體積或單位質(zhì)量的煤所含的瓦斯量,瓦斯含量取決于煤在經(jīng)歷地質(zhì)歷史演化過程中的瓦斯生成條件和瓦斯保存條件。瓦斯賦存分布受著不同地質(zhì)條件的控制,從區(qū)域到礦區(qū)、礦井、采區(qū)、采面都存在著不同地質(zhì)條件下的瓦斯賦存狀態(tài),存在著不同級(jí)別的瓦斯地質(zhì)規(guī)律。只有瓦斯地質(zhì)規(guī)律弄清了,瓦斯涌出量預(yù)測(cè)、煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)、瓦斯資源量預(yù)測(cè)等模型才能可靠地建立。

1 瓦斯地質(zhì)規(guī)律

煤炭形成后在長(zhǎng)期的地質(zhì)歷史時(shí)期,受成煤作用和構(gòu)造演化控制,形成不同的煤體結(jié)構(gòu)及儲(chǔ)層物性特征,使瓦斯(煤層氣)的生成、賦存、運(yùn)移,以及在煤炭開采過程中的涌出方式遵循一定的規(guī)律,即瓦斯地質(zhì)規(guī)律。

1.1 瓦斯賦存的一般規(guī)律

1)煤層埋深及產(chǎn)狀與瓦斯賦存具有線性關(guān)系。隨著煤層埋藏深度的增加,甲烷所占比例增大,瓦斯含量增大。

圖1 柳林興無煤礦4#煤層瓦斯的回歸分析

一般出露地表的煤層瓦斯容易逸出,而且空氣也向煤層滲透,因而煤層中含有CO2、N2等氣體,瓦斯含量少。在同一埋深下,煤層傾角越小,煤層瓦斯含量越高。

我國(guó)許多礦井淺部水平為低瓦斯礦井,隨著水平延伸,升級(jí)為高瓦斯礦井,到深部水平升級(jí)為突出礦井,從宏觀定性說明瓦斯含量、涌出量隨著埋深增加,成正相關(guān)關(guān)系,見圖1,圖2,圖3。

2)地質(zhì)構(gòu)造及組合對(duì)瓦斯賦存影響明顯。褶曲類型和褶皺復(fù)雜程度對(duì)瓦斯賦存均有影響。封閉的背斜有利于瓦斯的儲(chǔ)存,是良好的儲(chǔ)氣構(gòu)造或稱圈閉構(gòu)造。簡(jiǎn)單的向斜盆地構(gòu)造,其瓦斯排放條件往往是比較困難的。

高沼礦區(qū)基本分布在向斜軸部,背斜鞍部、鼻狀構(gòu)造的傾斜端及“S”型背斜轉(zhuǎn)折端等,斷層的開放與封閉性決定于下列條件:

a)斷層的性質(zhì)和力學(xué)性質(zhì)。一般張性正斷層屬開放型,而壓性或壓扭性逆斷層封閉條件較好。b)斷層與地面或沖積層的聯(lián)通情況。規(guī)模大且與地表相通或與松散沖積層相連的斷層一般為開放型。c)斷層將煤層斷開后,煤層與斷層另一盤接觸的巖層性質(zhì)。若透氣性好則利于瓦斯排放。d)斷層帶的特征。如斷層的充填情況、緊閉程度、裂隙發(fā)育情況不同,開放、封閉性也有差別。

3)巖漿侵入活動(dòng)改變瓦斯賦存狀態(tài)。巖漿侵入含煤巖系、煤層,使煤、巖層產(chǎn)生脹裂及壓縮。巖漿的高溫烘烤可使煤的變質(zhì)程度升高。另外,巖漿巖體有時(shí)使煤層局部被覆蓋或封閉,有時(shí)因巖脈蝕變帶裂隙增加,造成風(fēng)化作用加強(qiáng),逐漸形成裂隙通道。

所以,在某些條件下巖漿侵入煤層有增加瓦斯生成量、保存瓦斯的作用,在某些條件下又有使瓦斯逸散的可能。因此,在研究巖漿巖對(duì)煤層瓦斯的影響時(shí),要結(jié)合地質(zhì)背景作具體分析。

4)煤層和圍巖的透氣性影響逸散。煤系地層巖性組合及其透氣體對(duì)煤層瓦斯含量有重大影響。煤層及其圍巖的透氣性大、瓦斯易逸散,瓦斯含量小;反之,瓦斯易于保存,煤層的瓦斯含量大。

5)地下水活動(dòng)降低煤層瓦斯含量。地下水與瓦斯共存于含煤巖系及圍巖之中,它們的共性是均為流體,運(yùn)移和賦存都與煤層和巖層的孔隙、裂隙通道有關(guān)。

由于地下水的運(yùn)移,一方面驅(qū)動(dòng)著裂隙和孔隙中瓦斯的運(yùn)移,另一方面又帶動(dòng)了溶解于水中的瓦斯一起流動(dòng)。因此,地下水的活動(dòng)有利于瓦斯的逸散;同時(shí),水吸附在煤體裂隙和孔隙的表面,還減弱了煤對(duì)瓦斯的吸附能力。

1.2 地質(zhì)構(gòu)造帶及尖滅部位為構(gòu)造應(yīng)力集中帶

在斷層帶,尤其是逆斷層帶,仍存在較大的殘余構(gòu)造應(yīng)力。

在地質(zhì)構(gòu)造尖滅部位,雖然應(yīng)力的集中度不足以形成構(gòu)造,但也發(fā)生了應(yīng)力集中。因?yàn)闆]有形成構(gòu)造,集中應(yīng)力沒有得到釋放,且長(zhǎng)期存在。

煤層厚度變薄或變厚的地區(qū),也屬構(gòu)造應(yīng)力集中應(yīng)力帶。

煤與瓦斯壓出表現(xiàn)出明顯的區(qū)域性 。

1)向斜軸部附近。2)向斜軸和另一斷裂或褶曲交匯地區(qū)。3)向斜軸部的局部隆起區(qū)域。4)小斷層群及頂板或底板凸起凹陷群區(qū)域。5)煤厚及傾角突然急劇變化區(qū)。

1.3 突出危險(xiǎn)區(qū)

高應(yīng)力區(qū)、高瓦斯區(qū)、構(gòu)造煤發(fā)育區(qū)的復(fù)合部位是突出危險(xiǎn)區(qū)。

國(guó)內(nèi)外案例表明,高應(yīng)力區(qū)、構(gòu)造煤發(fā)育區(qū)和瓦斯富集區(qū)的疊加區(qū)是突出危險(xiǎn)區(qū)。

2 礦井瓦斯涌出量測(cè)定方法

1)開采實(shí)踐表明,在一定深度范圍內(nèi),礦井相對(duì)瓦斯涌出量與開采深度呈如下線性關(guān)系,見圖4,圖5,圖 6。

2)瓦斯測(cè)定資料統(tǒng)計(jì)分析。

圖6 柳林莊上煤礦礦井總回風(fēng)瓦斯涌出量曲線圖

瓦斯測(cè)定統(tǒng)計(jì)分析公式:

式中:

q—采區(qū)或工作面瓦斯涌出量的月平均值,m3/t;

Qi、Ci—月內(nèi)每次測(cè)得的回風(fēng)量,m3/min和回風(fēng)流中瓦斯?jié)舛?%;

n—統(tǒng)計(jì)月份的測(cè)定次數(shù);

A—統(tǒng)計(jì)月平均日產(chǎn)量,t/d;

Hc—全礦井加權(quán)平均開采深度,m;

Hi、Ai—鑒定月份第i采區(qū)的采深取,m和產(chǎn)量,t。

3)使用條件及要點(diǎn)。

a)生產(chǎn)礦井的延深水平、生產(chǎn)水平的新采區(qū)、與生產(chǎn)礦井鄰近的新礦井,在應(yīng)用中必須保證預(yù)測(cè)區(qū)的開采技術(shù)條件、地質(zhì)條件與生產(chǎn)區(qū)相同或類似。

b)某些礦井相對(duì)瓦斯涌出量與開采深度之間并不呈線性關(guān)系,即a值不是常數(shù),此時(shí),應(yīng)首先根據(jù)實(shí)際資料確定a值隨開采深度的變化規(guī)律。

c)工作面從開切眼形成到第一次放頂期間,由于瓦斯涌出尚未達(dá)正常狀態(tài),在該段時(shí)間內(nèi)的測(cè)定數(shù)據(jù)不能在統(tǒng)計(jì)分析中應(yīng)用。

d)在采煤不正常的情況下測(cè)得的瓦斯涌出量,以及地質(zhì)變化帶采區(qū)瓦斯涌出量變化很大的情況下測(cè)得的瓦斯涌出量,均不能在統(tǒng)計(jì)分析中應(yīng)用。

e)應(yīng)用統(tǒng)計(jì)預(yù)測(cè)法時(shí)的外推范圍一般沿垂深不超過100～200 m,沿煤層傾斜方向不超過600 m。

f)在實(shí)施瓦斯抽放的采區(qū)和工作面,還應(yīng)考慮抽放瓦斯的影響。

3 煤與瓦斯突出發(fā)生的條件

3.1 煤與瓦斯突出發(fā)生必要條件

煤與瓦斯突出發(fā)生的必要條件見圖7。

圖7 煤與瓦斯突出發(fā)生的必要條件

3.2 煤與瓦斯突出發(fā)生充要條件

煤與瓦斯突出發(fā)生充要條件,見圖8。

3.3 煤與瓦斯突出一般規(guī)律

1)煤層突出危險(xiǎn)性隨采深增加而增大。對(duì)同一礦區(qū)、同一礦井、同一煤層來說,隨著開采深度的增加,煤層突出危險(xiǎn)性增大,具體表現(xiàn)為突出次數(shù)增多、突出強(qiáng)度增大。在淺部開采為高瓦斯礦井,甚至為低瓦斯礦井,開采到深部后,由于煤層賦存條件的變化,煤層瓦斯壓力增大,而轉(zhuǎn)變?yōu)橥怀龅V井;一些在淺部開采突出危害較輕的突出礦井,開采到深部后,轉(zhuǎn)變?yōu)閲?yán)重突出礦井。

一般一個(gè)礦井或一個(gè)煤層有一個(gè)開始發(fā)生突出的深度,當(dāng)小于該深度時(shí)不會(huì)發(fā)生突出,當(dāng)開采大于該深度時(shí),就有發(fā)生突出的危險(xiǎn),在煤與瓦斯突出領(lǐng)域,該深度稱為始突深度。始突深度一般取決于發(fā)生突出的最小瓦斯壓力和井田構(gòu)造狀況,一般是瓦斯風(fēng)化帶的深度深一倍以上。

2)絕大多數(shù)突出發(fā)生在煤巷掘進(jìn)工作面見表1。

圖8 煤與瓦斯突出發(fā)生充要條件

表1 煤巷掘進(jìn)工作面瓦斯突出統(tǒng)計(jì)

需要指出的是,石門揭煤工作面突出次數(shù)少,并不代表石門揭煤突出危險(xiǎn)小,危害輕,而是礦井石門揭煤次數(shù)少。在防突技術(shù)落后的20世紀(jì)60～70年代,幾乎每次石門揭煤都要發(fā)生煤與瓦斯突出,而且一旦發(fā)生突出,往往發(fā)生特大型煤與瓦斯突出。我國(guó)的特大型突出幾乎都是在石門揭煤工作面發(fā)生的。

回采面突出次數(shù)少,而且回采面突出多數(shù)為危害相對(duì)較小的壓出型煤與瓦斯突出,但采面人員集中,短兵相接,容易造成特大人身傷亡事故,不可忽視。

3)石門突出危險(xiǎn)性最大。在統(tǒng)計(jì)的9 845突出中,盡管石門突出次數(shù)少,但突出強(qiáng)度大,平均突出強(qiáng)度為316.5 t,是平巷平均突出強(qiáng)度50t的6倍以上,瓦斯噴出量超過數(shù)萬立方米,波及范圍廣,易造成非常嚴(yán)重的重大事故。

而且從石門工作面距煤層2 m起至穿過煤層全厚而進(jìn)入頂板或底板2 m止,整個(gè)揭穿過程都有危險(xiǎn),也曾發(fā)生過僅2 m厚煤層在石門揭穿過程中突出兩次的實(shí)例。

在各種突出中,采面突出強(qiáng)度最小 ,平均突出強(qiáng)度為47.8 t。

4)煤層突出危險(xiǎn)性隨煤厚增加而加大(見表2)。

表2 煤層突出危險(xiǎn)性統(tǒng)計(jì)

對(duì)同一礦區(qū)、同一礦井來說,突出煤層厚度越大,突出危險(xiǎn)性也越大,特別是軟分層的厚度的增加,突出的次數(shù)增多,突出度增大。

5)突出大多數(shù)發(fā)生在地質(zhì)構(gòu)造帶(見表3)。

表3 地質(zhì)構(gòu)造帶瓦斯突出統(tǒng)計(jì)

需要指出的是,對(duì)剛剛開始突出的突出礦井、突出煤層,突出幾乎都和地質(zhì)構(gòu)造有關(guān),而對(duì)突出已有幾十年歷史的嚴(yán)重突出礦井、突出煤層,當(dāng)作業(yè)地點(diǎn)無地質(zhì)構(gòu)造時(shí),也可能發(fā)生煤與瓦斯突出。

6)大多數(shù)突出前有作業(yè)方式誘導(dǎo)(見表4)。

7)突出前大多有突出預(yù)兆(見表5)。

多數(shù)煤與瓦斯突出事例發(fā)生前,都會(huì)出現(xiàn)各種不同的有聲或無聲預(yù)兆。

8)煤體破壞程度越高突出危險(xiǎn)性越大(見表6)。

表4 作業(yè)方式誘導(dǎo)瓦斯突出統(tǒng)計(jì)

表5 瓦斯突出預(yù)兆統(tǒng)計(jì)

表6 煤體破壞瓦斯突出危險(xiǎn)性統(tǒng)計(jì)

隨著煤結(jié)構(gòu)破壞程度的增大,煤的空隙體積增大,煤的強(qiáng)度減小,煤的瓦斯解吸和放散初速度增大。煤強(qiáng)度的減小,連結(jié)力和內(nèi)摩擦角減小,使得煤在地壓和瓦斯壓力作用下更易于破碎,減少了破碎煤所需要的功。解吸速度的提高,使煤的瓦斯能量釋放速度加快。以上這些因素都為煤和瓦斯突出創(chuàng)造了有利條件。

焦作工學(xué)院、豐城礦務(wù)局等單位將不同類型的破壞煤厚度與煤層總厚度之比,稱為揉皺系數(shù)、軟煤比也列入突出地質(zhì)指標(biāo),其目的是將地質(zhì)指標(biāo)定量化,其公式為:

式中:

R—揉皺系數(shù);

mⅤ—V類煤厚度,m;

mⅣ—Ⅳ類煤厚度,m;

mⅢ—Ⅲ類煤厚度,m;

m—煤層總厚度,m。

一般認(rèn)為:R≤0.2時(shí),無突出危險(xiǎn);0.2< R<0.5時(shí),有突出威脅;R≥0.5時(shí),有突出危險(xiǎn)(即Ⅲ-V類煤占50%以上)。

9)煤層突出危險(xiǎn)區(qū)常呈區(qū)域條帶狀分布。突出危險(xiǎn)區(qū)呈帶狀分布。究其原因,目前的觀點(diǎn)是突出危險(xiǎn)區(qū)受到地質(zhì)構(gòu)造控制,而地質(zhì)構(gòu)造具有帶狀分布的特征,如斷層、向斜軸部、火成巖侵入地區(qū)、煤層扭轉(zhuǎn)地區(qū)、煤層產(chǎn)狀急劇變化、壓性及壓扭性斷層地帶、煤層構(gòu)造分岔、頂?shù)装咫A梯狀凸起地區(qū),特別是軟分層變厚地區(qū)和各種地質(zhì)構(gòu)造交匯處都是突出點(diǎn)密集地區(qū),發(fā)生大型甚至特大型突出地區(qū)。

采掘形成的應(yīng)力集中帶,如采掘工作面鄰近煤柱、采止線、兩條巷道貫通之前的應(yīng)力集中帶,相向采掘的兩工作面互相接近的采煤工作面集中應(yīng)力帶內(nèi)煤層突出危險(xiǎn)性增大。這些地區(qū)往往也有帶狀分布的特點(diǎn),在這些地帶不僅突出頻繁,而且極易發(fā)生大強(qiáng)度煤與瓦斯突出。

10)突出危險(xiǎn)性隨著有硬而厚的圍巖存在而增大。主要是硅質(zhì)灰?guī)r和砂巖等堅(jiān)硬巖層的存在,有時(shí)造成巷道或工作面支架大面積不接頂,給彈性潛能的積聚創(chuàng)造條件,同時(shí)增大工作面前方應(yīng)力梯度。

[1] 張子敏.瓦斯地質(zhì)學(xué)[M].徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社,2009:240-241.

[2] 撫順煤炭科學(xué)研究院.山西柳林興無煤礦有限公司4#、5#煤層煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性鑒定報(bào)告[R].撫順:撫順煤炭科學(xué)研究院,2008.

[3] 河南理工大學(xué).山西柳林莊上煤礦有限公司瓦斯涌出量預(yù)測(cè)及抽放可行性研究報(bào)告[R].焦作:河南理工大學(xué),2009.

[4] 全國(guó)煤礦瓦斯地質(zhì)圖編制技術(shù)工作組.煤礦礦區(qū)礦井采掘工作面瓦斯地質(zhì)圖編制方法[G].北京:2009:13-15.

[5] 張子敏,張玉貴,衛(wèi)修君,等.編制煤礦三級(jí)瓦斯地質(zhì)圖[M].北京:煤炭工業(yè)出版社,2007:103-106.

Analysis on Geology Rule of Coal Seam G as

Zhang Yun-lan

Gas emission is the largest disasters of a direct threat to the safety production in coal mines and miners life,for improving safety production condition of coal mine should carry on gas forecast,gas control,gas use,its foundation is the gas geology rule.This article profited from experts’research results and the social practice statistical data has carried on the brief analysis,so as to show the general geology rule of coal seam gas occurrence,coal seam and gas outburst.

Gas occurrence;Geological rule;Gas emission;Forecast of coal and gas outburst

TD712

A

1672-0652(2010)06-0028-05

2010-03-19

張赟蘭 女 1966年出生 2009年畢業(yè)于太原理工大學(xué) 助理工程師 太原 030045