中寨煤礦煤層瓦斯含量影響因素探析

蔣紅兵，楊 磊，周 澤，梁 劍

(貴州省煤田地質(zhì)局一七四隊(duì)，貴州 貴陽(yáng) 550081)

0 引 言

瓦斯又稱煤層氣，常伴隨地質(zhì)作用而產(chǎn)生并存儲(chǔ)于煤層中，瓦斯含量高的煤層在開采過程中很易造成人員瓦斯中毒甚至爆炸。據(jù)統(tǒng)計(jì)，近年來在我國(guó)煤礦開采行業(yè)中瓦斯事故發(fā)生率占據(jù)各類事故總數(shù)的35%以上，即其已成為我國(guó)煤礦生產(chǎn)安全的第一大隱患[1-3]，每年因瓦斯出現(xiàn)的事故屢見不鮮，給行業(yè)造成巨大損失，也給相關(guān)企業(yè)敲醒了安全生產(chǎn)警鐘，即瓦斯事故已成為煤炭開采行業(yè)必須重點(diǎn)防范的安全事項(xiàng)。對(duì)瓦斯事故進(jìn)行有效防范，首先須準(zhǔn)確掌握瓦斯的分布情況，要求相關(guān)企業(yè)單位在勘測(cè)和掘進(jìn)階段對(duì)煤層瓦斯含量情況進(jìn)行詳細(xì)分析[4，5]。因此必須在煤礦開采動(dòng)工前，運(yùn)用相關(guān)取樣檢測(cè)手段，結(jié)合含煤巖層的地質(zhì)條件，對(duì)煤巖中的瓦斯分布情況和規(guī)律進(jìn)行研究，有效防范瓦斯突出事故的發(fā)生[6]。

以貴州織金縣中寨煤礦為例，通過對(duì)煤層特性各項(xiàng)勘測(cè)數(shù)據(jù)的詳細(xì)統(tǒng)計(jì)與分析，對(duì)應(yīng)瓦斯分布的影響因素對(duì)該區(qū)瓦斯的實(shí)際分布情況進(jìn)行分析研究，提出有針對(duì)性的防范措施，使煤礦開采生產(chǎn)過程中趨利避害，為實(shí)現(xiàn)礦井安全生產(chǎn)提供可靠依據(jù)，從而促進(jìn)煤礦的建設(shè)和發(fā)展。

1 地質(zhì)概況

中寨煤礦地處貴州省織金縣中寨鄉(xiāng)，屬大型礦井，礦區(qū)內(nèi)出露地層在上震旦統(tǒng)至第四系的沉積序列中，其地層巖性特征詳見表1。含煤巖層主要位于上震旦統(tǒng)至第四系的沉積序列中發(fā)育較好的二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M，推及成煤環(huán)境，大致為淺海至濱海平原沼澤相的海陸交互相地形作用發(fā)展而來，礦區(qū)位于一極不對(duì)稱向斜的仰起端，地層走向SW～NE，北西翼地層傾角較小且寬緩，南東翼地層傾角大且狹窄，小斷層較發(fā)育，落差均較小，且切割煤組地層，次一級(jí)褶曲不發(fā)育，其構(gòu)造復(fù)雜程度為中等。區(qū)內(nèi)含可采煤層11層，即3、5、6、7、14s、14z、16、25、27、30、32號(hào)煤層，含煤地層分上段(含3、5、6、7號(hào)共4層可采煤層)、中段(含14s、14z、16號(hào)共3層可采煤層)、下段(含25、27、30、32號(hào)共4層可采煤層)，煤類為無煙煤。

2 礦區(qū)煤層瓦斯分布概況

煤層瓦斯含量的分布首先與瓦斯原生量的多少有關(guān)，同時(shí)又由瓦斯發(fā)生的逸散和運(yùn)移及遇到的煤層儲(chǔ)藏條件所決定，即礦區(qū)的煤層地質(zhì)條件和賦存條件與瓦斯含量息息相關(guān)，以上為研究煤層估算瓦斯分布情況的主要著眼點(diǎn)[7]。

影響瓦斯含量的煤層地質(zhì)條件主要包括地質(zhì)構(gòu)造、煤田地質(zhì)史、煤層埋藏深度、煤的變質(zhì)程度、煤層圍巖性質(zhì)和水文地質(zhì)條件等。

表1 中寨煤礦地層簡(jiǎn)表

Table 1 Well-field system stratigraphic summary in Zhongzhai coal mine

系統(tǒng)組段代號(hào)巖性特征厚度/m第四系Q由褐黃色砂、礫巖及亞黏土等組成,產(chǎn)植物根系,分布于低洼及緩坡地段,系沖、坡積物。6.42三疊系下統(tǒng)永寧鎮(zhèn)組飛仙關(guān)組一段T1yn1灰色薄～中厚層狀石灰?guī)r,間夾薄層狀白云巖,底部為薄層狀泥質(zhì)巖,僅分布于井田南西方向一帶。150三至五段T1f3-5上部為泥質(zhì)粉砂巖,間夾鈣質(zhì)泥巖、泥質(zhì)灰?guī)r薄層及厚層狀石灰?guī)r;中部為灰色石灰?guī)r;中下部為泥質(zhì)灰?guī)r、鈣質(zhì)泥巖薄層;下部為紫紅色薄層狀泥質(zhì)粉砂巖。207.40二段T1f2中、上部為灰色厚層狀石灰?guī)r,頂部含鮞粒;下部為淺灰色薄至中厚層狀泥質(zhì)灰?guī)r,間夾紫紅色粉砂巖及粉砂質(zhì)泥巖。226.00一段T1f1淺灰綠色薄層狀鈣質(zhì)粉砂巖,間夾鈣質(zhì)泥巖、薄層層狀泥質(zhì)灰?guī)r。108.60二疊系上統(tǒng)大隆、長(zhǎng)興組P3c+d深灰色中厚層狀硅質(zhì)巖及石灰?guī)r,間夾粉砂巖及鈣質(zhì)泥巖。18.60龍?zhí)督MP3l以泥巖及細(xì)粒碎屑巖為主,含少量碳酸鹽巖和煤巖的淺海至濱海平原沼澤相的海陸交互相含煤建造,含煤25～45層,一般33層左右,含可采煤層11層。289.76峨嵋山玄武巖組P3β墨綠及褐紅色,具氣孔、杏仁狀構(gòu)造,上部為玄武質(zhì)火山碎屑凝灰?guī)r。>100

中寨煤礦在勘探過程中通過對(duì)瓦斯樣的解析、送驗(yàn)，并對(duì)得出的各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，詳見表2。再根據(jù)影響瓦斯形成和存儲(chǔ)的各項(xiàng)地質(zhì)因素和變化規(guī)律，從地質(zhì)構(gòu)造、沉積環(huán)境、煤層埋藏深度等5個(gè)方面對(duì)瓦斯的實(shí)際分布情況展開分析。

3 煤層瓦斯影響因素

3.1 地質(zhì)構(gòu)造

影響煤層瓦斯含量的地質(zhì)構(gòu)造因素主要指煤田和控制井田所在地區(qū)的褶曲、斷裂發(fā)育等情況。褶皺地質(zhì)構(gòu)造中，閉合而完整的背斜或彎窿構(gòu)造且覆蓋不透氣的地層是瓦斯儲(chǔ)存最佳構(gòu)造，在其軸部煤層內(nèi)通常積存高壓瓦斯[8]。向斜構(gòu)造一般在軸部巖層受壓大、透氣度差，因此向斜的軸部地區(qū)封存瓦斯較多。對(duì)于斷層發(fā)育煤巖，開放性斷層易引起斷層附近的煤層瓦斯釋放而降低其含量，封閉性斷層透氣性差從而為煤層瓦斯聚集創(chuàng)造了條件。

表2 中寨煤礦各算量煤層瓦斯成分、含量統(tǒng)計(jì)表

Table 2 Statistical table of gas composition and content in each calculated Zhongzhai coal seam

項(xiàng)目煤層無空氣基瓦斯成分/%N2CH4重?zé)NCO2干燥無灰基瓦斯含量/(mL·g-1)N2CH4可燃?xì)怏w含量30.00-36.6013.61(19)60.65-99.6983.56(19)0.02-1.390.55(19)0.03-19.942.27(19)0.24-8.782.14(19)4.90-18.049.62(19)5.66-18.079.79(19)50.00-56.4116.16(13)40.36-99.0181.07(13)0.05-1.090.45(13)0.12-9.012.31(13)0.45-6.982.21(13)7.55-20.6510.90(13)7.72-20.8111.08(13)60.00-64.0917.11(25)35.65-99.8280.12(25)0.02-2.110.47(25)0.04-26.652.30(25)0.30-8.352.62(25)4.15-27.9411.27(25)4.17-28.4511.48(25)70.00-39.2210.01(17)58.52-98.9087.44(17)0.03-1.280.33(17)0.15-16.632.21(17)0.26-5.051.74(17)5.64-16.6411.57(17)7.16-16.6711.71(17)14s0.00-61.6719.72(15)37.44-98.9377.86(15)0.05-0.530.28(15)0.08-11.392.14(15)0.03-10.102.77(15)6.08-20.4711.49(15)6.11-20.5411.65(15)14z0.00-53.838.57(12)44.52-98.2288.37(12)0.02-0.860.47(12)0.09-5.182.59(12)0.57-4.341.61(12)6.07-20.7811.93(12)6.16-20.8012.15(12)160.00-65.7512.89(23)33.99-99.3185.04(23)0.05-0.770.32(23)0.06-6.211.75(23)0.21-7.792.05(23)7.06-19.7312.54(23)7.08-19.8412.71(23)250.00-12.962.27(11)83.18-99.8895.94(11)0.03-0.890.26(11)0.04-5.311.53(11)0.20-3.791.49(11)9.20-23.1514.89(11)9.62-23.4015.07(11)270.00-74.5512.79(31)24.89-99.7484.35(31)0.02-1.260.46(31)0.06-12.252.40(31)0.35-10.612.24(31)2.37-22.5512.56(31)7.42-26.3512.93(31)300.00-59.1114.99(30)40.59-99.3882.54(30)0.04-1.850.43(30)0.07-11.532.62(30)0.19-8.772.27(30)5.81-25.9812.86(30)6.30-26.0213.15(30)320.76-41.1010.79(12)55.22-98.0786.13(12)0.06-1.610.57(12)0.18-7.372.50(12)0.27-6.181.96(12)10.51-19.4313.46(12)10.84-19.5613.78(12)

圖1 中寨煤礦區(qū)域構(gòu)造綱要圖

中寨煤礦位于1∶20萬(wàn)區(qū)域地質(zhì)圖畢節(jié)幅的西南部，地處區(qū)域大地構(gòu)造位置:揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)(Ⅰ級(jí))、上揚(yáng)子地臺(tái)褶帶(Ⅱ級(jí))、黔中早古拱褶斷束(Ⅲ級(jí))、納雍織金凹褶斷束(Ⅳ級(jí))。區(qū)域內(nèi)發(fā)育十余個(gè)較大褶曲，其走向均為北東向，從北往南有張維背斜、三塘向斜、后寨背斜、阿弓向斜、地貴背斜、珠藏向斜等，此次勘查井田位于三塘向斜北東端。南東邊界發(fā)育的出露斷層以及海陸交替相成煤環(huán)境為瓦斯的形成創(chuàng)造了條件，也是該區(qū)域富含瓦斯的初步判定標(biāo)志。使瓦斯分布以瓦斯帶為主，有部分氮?dú)狻咚箮?，且隨地勢(shì)和斷層集中分布于東部和北部，東北部和西部以及中部也有分布但含量相對(duì)較少，區(qū)域構(gòu)造綱要如圖1所示。

3.2 沉積環(huán)境

煤炭的形成伴隨著不同時(shí)期的地質(zhì)變化沉積演化而來，成煤過程地質(zhì)的變化主要表現(xiàn)為地殼的運(yùn)動(dòng)作用，海陸交替相含煤系巖性穩(wěn)定，歷經(jīng)長(zhǎng)期海侵又被泥巖等致密地層覆蓋,粒度較細(xì)的沉積物成煤層透氣性差。中寨礦區(qū)內(nèi)資料顯示龍?zhí)督M系1套以灰、灰黃色砂巖、粉砂巖和深灰、灰黑色泥巖為主、含少量碳酸鹽巖的淺海至濱海平原沼澤相的海陸交互相含煤建造[9];研究發(fā)現(xiàn)區(qū)內(nèi)晚二疊世沉積環(huán)境為海陸交互相，總體處于區(qū)域性海侵，導(dǎo)致缺少沉積時(shí)水體深度較淺、本應(yīng)分布于盆地低部位的粗粒沉積低位體系域，此類煤層含瓦斯量普遍較高。

3.3 煤層埋藏深度

根據(jù)礦區(qū)內(nèi)化驗(yàn)資料分析,煤層瓦斯中甲烷和重?zé)N的濃度隨埋深的增大而變高，二氧化碳與氮?dú)獾臐舛入S埋深的增大而變低。事實(shí)證明，隨著煤層埋藏越深則越有利于阻止瓦斯的逸散程度，在煤層淺部露頭處及斷層處瓦斯含量相對(duì)偏低。經(jīng)計(jì)算，瓦斯風(fēng)化帶以下，在同一個(gè)地質(zhì)構(gòu)造單元里，開采技術(shù)條件基本相同時(shí)，埋藏深度與相對(duì)瓦斯涌出量呈正相關(guān)。礦區(qū)瓦斯?jié)舛却怪狈植既鐖D2所示。

3.4 煤的變質(zhì)程度

煤在變質(zhì)過程中對(duì)瓦斯的吸附能力也在改變。在地壓作用下，隨著孔隙率較小，長(zhǎng)焰煤表現(xiàn)為較弱的吸附能力；煤質(zhì)再進(jìn)一步變化，在高溫、高壓以及干餾等作用下生成的無煙煤，體內(nèi)表面積達(dá)到最大值，吸附能力在此階段達(dá)到巔峰。但在無煙煤向超無煙煤質(zhì)變的過程中，卻會(huì)出現(xiàn)微孔收縮并減少、吸附能力驟降的現(xiàn)象，最后變質(zhì)到石墨形態(tài)時(shí)則其吸附能力就會(huì)完全消失。由此判斷可知，無煙煤階段煤層即成為最能吸附瓦斯的階段[10]。

圖2 中寨礦區(qū)瓦斯?jié)舛却怪狈植紙D

表3 中寨煤礦煤巖特征表

Table 3 Characteristics of coal petrography in zhongzhai coal mine

煤層煤巖類型宏觀微觀有機(jī)組分/%鏡質(zhì)組惰質(zhì)組無機(jī)組分/%黏土類硫化物類碳酸鹽類氧化物類總量/%無機(jī)總量有機(jī)總量顯微硬度HV/(N·mm-2)變質(zhì)階段A1半亮型微鏡惰煤75.2724.734.673.220.735.1913.8186.193.16Ⅶ1A2半亮型微鏡惰煤76.0024.002.882.101.526.1612.6687.343.26Ⅶ1A3半亮型微鏡惰煤75.9824.025.053.160.803.8512.8687.143.30Ⅶ1A4半亮型微鏡惰煤79.5020.503.964.450.433.3412.1887.823.24Ⅶ1A5半亮型微鏡惰煤77.1522.854.692.631.004.0212.3487.663.40Ⅶ1A6半亮型微鏡惰煤76.8923.114.212.200.733.7810.9189.093.37Ⅶ1A7半亮型微鏡惰煤75.1524.851.745.160.504.3211.7188.293.45Ⅶ1A8半亮型微鏡惰煤74.6525.354.382.271.064.5912.2987.713.42Ⅶ1A9半亮型微鏡惰煤83.2016.808.770.720.665.0115.1684.843.49Ⅶ1A10半亮型微鏡惰煤80.2119.794.421.921.084.7512.1787.833.53Ⅶ1A112半亮型微鏡惰煤78.2321.775.683.454.495.8319.4680.543.55Ⅶ1平均微鏡惰煤77.5022.504.592.841.184.6213.2386.773.38Ⅶ1

3.5 煤層圍巖性質(zhì)

圍巖屬性區(qū)分包涵隔氣性、透氣性，煤層圍巖性質(zhì)對(duì)煤巖層瓦斯含量分布有著重要影響。巖石經(jīng)地殼運(yùn)動(dòng)作用形成的煤巖，大孔隙的砂巖透氣性較好，不利于形成瓦斯儲(chǔ)存條件，泥質(zhì)圍巖結(jié)構(gòu)則會(huì)有利于瓦斯保存，促成瓦斯含量增加[11，12]。

對(duì)應(yīng)煤層圍巖性質(zhì)分析可知：含量大的瓦斯帶通常處在致密性圍巖的包圍中；在各煤層中，煤層頂、底板巖性大多為泥質(zhì)砂巖、砂質(zhì)泥巖及泥巖，巖層致密，可有效封蓋住煤層，存住煤層中的氣體滲透性較弱，因此形成了非常有利于保存瓦斯的環(huán)境，此為導(dǎo)致中寨煤礦各煤層瓦斯含量較高的重要因素。

4 結(jié) 論

通過對(duì)中寨煤礦勘探資料及煤質(zhì)化驗(yàn)結(jié)果的分析，得出瓦斯含量的影響因素包括:

(1)地質(zhì)構(gòu)造:閉合而完整的背斜或彎窿構(gòu)造且覆蓋不透氣的地層，其軸部煤層內(nèi)通常積存大量瓦斯。向斜在軸部受壓大、透氣性差，一般封存瓦斯也較多。開放性斷層因煤層瓦斯得到了釋放，其瓦斯含量相對(duì)較低，反之，封閉性斷層則為瓦斯的高度聚集提供了場(chǎng)所。

(2)沉積環(huán)境:成煤過程中，不同時(shí)期的地質(zhì)變化使得海陸交替相含煤系巖性穩(wěn)定，粒度較細(xì)的沉積物所形成的致密地層，天然為瓦斯富集提供了極為有利的蓋層。

(3)埋藏深度:隨著煤層埋藏深度的增大，瓦斯的逸散程度逐漸減小，在相對(duì)條件下，煤層的埋藏深度與相對(duì)瓦斯涌出量呈正相關(guān)。

(4)變質(zhì)程度:瓦斯的吸附能力隨煤的變質(zhì)程度也在改變，孔隙率較小的長(zhǎng)焰煤其吸附能力較弱，無煙煤因其體內(nèi)表面積達(dá)到最大吸附能力也因此達(dá)到巔峰。超無煙煤在質(zhì)變時(shí)其微孔收縮并減少，吸附能力驟降最后完全消失。而吸附能力是瓦斯富集的關(guān)鍵因素之一。

(5)圍巖性質(zhì):大孔隙的砂巖透氣性較好，不利于瓦斯儲(chǔ)存，泥質(zhì)圍巖隔氣性結(jié)構(gòu)則有利于瓦斯的有效保存。

瓦斯一直是煤礦開發(fā)過程中高風(fēng)險(xiǎn)因素，給煤礦生產(chǎn)作業(yè)帶來眾多不利影響?，F(xiàn)代煤礦業(yè)要獲得發(fā)展也離不開安全生產(chǎn)第一要?jiǎng)?wù)中對(duì)瓦斯的重視，必須通過強(qiáng)化事前、事中風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)和安全隱患防范監(jiān)管，通過對(duì)中寨煤礦區(qū)各地質(zhì)條件與瓦斯分布情況的對(duì)比分析，驗(yàn)證其中某些規(guī)律的適用性，能夠進(jìn)一步為瓦斯分布含量的準(zhǔn)確性提供依據(jù)，以便提前采取措施以加強(qiáng)對(duì)煤與瓦斯危險(xiǎn)性的防范和管控，避免瓦斯安全事故發(fā)生，才能安全地實(shí)現(xiàn)資源的開發(fā)和利用，并實(shí)現(xiàn)其經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。