沁新煤矿2号煤层为焦煤, 煤厚1.4 m, 煤层倾角4°~10°, 平均倾角8°, 顶底板为泥岩或砂质泥岩。上邻近层为1号煤层, 煤厚0.4~0.8 m, 层间距28 m, 顶底板为泥岩或砂质泥岩;下邻近层为3号煤层, 层间距81 m, 对2号煤层瓦斯涌出量影响较小。
1.1 煤层瓦斯含量实测
煤层瓦斯含量是单位质量煤中所含的瓦斯体积 (换算为标准状态) 量, 单位是m3/t或m L/g[7]。
考虑到沁新煤矿2号煤层没有地勘瓦斯含量数据, 因此, 研究期间在沁新煤矿具备测试条件的地点, 根据AQ1066—2008《煤层瓦斯含量井下直接测定方法》[7], 采用钻屑解吸法对2号煤层的瓦斯含量进行了测定。依据试样判定标准[8], 共获得5个沁新煤矿2号煤层不同埋藏深度的、合格的瓦斯含量数据, 测定结果见表1。
由表1中数据可知, 气体甲烷组分处于85%以上, 说明沁新煤矿2号煤层处于甲烷带内[9]。
1.2 煤层瓦斯含量分布特征
煤层埋藏深度是决定煤层瓦斯含量大小的因素之一, 煤层瓦斯含量随煤层埋藏深度运移的总体趋势是瓦斯由深部向地表逸散, 随着埋藏深度的增加, 一方面因地应力增高而使煤层及围岩的透气性变差, 另一方面使瓦斯向地表运移的距离增长, 二者均有利于瓦斯保存, 使得煤层瓦斯含量跟煤层埋藏深度有较强的相关性[10]。通过对表1中的瓦斯含量测值分析, 得到2号煤层瓦斯含量赋存规律如下。
(1) 2号煤层瓦斯含量受煤层埋藏深度的控制, 瓦斯含量 (W) 具有随埋藏深度 (H) 增大而加大的整体趋势 (图1) , 经回归分析, 两者之间遵循如下形式的线性统计规律 (相关系数R=89.88%) :
式中, W为煤层的干燥无灰级瓦斯含量;H为煤层埋藏深度。
(2) 2号煤层的瓦斯含量增长梯度 (100 m) 为1.31 m3/t。根据瓦斯含量与埋深的回归规律以及煤层埋深, 采用Surfer绘图软件编绘了2号煤层的瓦斯含量等值线预测图。从预测结果看, 受煤层埋藏深度影响, 井田范围内2号煤层瓦斯含量西部低, 东部、东南部高, 最大瓦斯含量为12.10 m3/t。
2 矿井瓦斯涌出量预测
2.1 预测方法及预测参数取值
2.1.1 预测方法
预测方法为分源预测法 (AQ1018—2006) [11]。预测原理见矿井瓦斯涌出的源汇关系图 (图2) 。
2.1.2 预测条件及预测参数
根据沁新煤矿的实际条件, 预测条件和预测参数取值如下。
(1) 同时开采南采区和东采区。南采区和东采区内各布置1个回采工作面。 (1) 南采区工作面长度均为150 m, 日产量为1 867 t, 采出率95%;为保证矿井正常生产接替, 采区内布置2个半煤岩综掘工作面, 其中一个综掘面用于掘进大巷, 掘进速度为0.005 97 m/min, 断面积6.624 m2;另一个综掘面用于掘进接替工作面巷道, 掘进速度0.006 46 m/min, 断面积6.624 m2。 (2) 东采区工作面长度200 m, 日产量为2 490 t, 采出率95%;为保证矿井正常生产接替, 采区内布置2个半煤岩综掘工作面, 均用于掘进接替工作面, 掘进速度0.006 46 m/min, 断面积6.624 m2。
(2) 2号煤层厚度取平均值1.84 m。
(3) 年工作日按330 d计。
2.2 瓦斯涌出量预测结果
2号煤层回采工作面预测结果见表2;掘进工作面预测结果见表3 (煤厚1.84 m) ;采区瓦斯涌出量预测结果见表4;矿井瓦斯涌出量预测结果见表5。
由表5可以看出:在矿井同时开采南采区和东采区时, 最大绝对瓦斯涌出量92.03 m3/min, 最大相对瓦斯涌出量28.97 m3/t。对照《煤矿瓦斯等级鉴定暂行办法》, 沁新煤矿开采2号煤层时, 属于高瓦斯矿井。
根据预测结果, 矿井绝对瓦斯涌出量为92.03m3/min, 其中, 回采瓦斯涌出量为52.41 m3/min, 约占全矿井瓦斯涌出量的56.92%;掘进瓦斯涌出量为8.94 m3/min, 约占全矿井瓦斯涌出量的9.71%;采空区瓦斯涌出30.68 m3/min, 约占全矿井瓦斯涌出的33.32%。在回采工作面瓦斯涌出中, 开采层瓦斯涌出量为25.29 m3/min, 约占整个回采工作面瓦斯涌出量的48.25%;邻近层瓦斯涌出量为27.12m3/min, 约占整个回采工作面瓦斯涌出量的51.75%。
3 结论
(1) 沁新煤矿2号煤层瓦斯含量 (W) 具有随埋藏深度 (H) 增加而增大的趋势, 经回归分析, 得出两者之间遵循W=0.013 1H+3.540 9的线性统计规律, 瓦斯含量增长梯度 (100 m) 为1.31 m3/t。
(2) 沁新煤矿生产时期的瓦斯涌出预测结果为: (1) 同时开采南采区和东采区时, 矿井最大绝对瓦斯涌出量92.03 m3/min, 最大相对瓦斯涌出量28.97 m3/t。 (2) 对照《煤矿瓦斯等级鉴定暂行办法》可以看出, 沁新煤矿属于高瓦斯矿井。
(3) 确定了各瓦斯源涌出量所占矿井瓦斯涌出量比例, 为瓦斯防治及矿井通风提供了依据。
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利用电子探针(EPMA)、电感耦合等离子质谱(ICP-MS)等分析了天桥铅锌矿床矿石矿物中分散元素的含量、赋存状态及规律,结果表明分散元素在该矿床中含量达到了综合利用评价指标,有的甚至达到了工业品位(如Cd等);这些分散元素可能以类质同象的.形式赋存在硫化物矿物中,其规律为Ga、Cd、In等赋存在闪锌矿中,Ge、Tl等赋存在方铅矿中,黄铁矿中分散元素富集低;在不同颜色闪锌矿中,Ga、Cd富集规律表现为浅色闪锌矿>中色闪锌矿>黑色闪锌矿,而Ge、Tl、In、Se富集表现出中色闪锌矿相对高于浅色及黑色闪锌矿;同标本中,不同颜色闪锌矿的Ge、In富集规律在还显示浅色闪锌矿>中色闪锌矿>黑色闪锌矿,而Ga、Tl、Cd、Se富集规律呈现中色闪锌矿相对高于浅色及黑色闪锌矿.Ga/In、Zn/Cd等参数指示出矿床成因类型可能为热液-沉积-改造.
作 者：周家喜 黄智龙 周国富 李晓彪 丁伟 谷静 ZHOU Jia-xi HUANG Zhi-long ZHOU Guo-fu LI Xiao-biao DING Wei GU Jing 作者单位：周家喜,李晓彪,丁伟,谷静,ZHOU Jia-xi,LI Xiao-biao,DING Wei,GU Jing(中国科学院,地球化学研究所,矿床地球化学国家重点实验室,贵州,贵阳,550002;中国科学院,研究生院,北京,100049)
黄智龙,周国富,HUANG Zhi-long,ZHOU Guo-fu(中国科学院,地球化学研究所,矿床地球化学国家重点实验室,贵州,贵阳,550002)
关键词：煤层瓦斯 生存
前言
瓦斯(甲烷)，这一煤炭开采过程中的伴生物，早在15世纪就开始为人们所认识。我国明代宋应星在《天工开物》(出刊于1637年)一书中曾介绍过，在煤炭开采时，煤层中存在着一种能使人窒息和可燃爆的气体，并提出了利用竹管引排的方法。16世纪末，英国和其他西欧国家在采煤时，也遇到了“有害的”气体，但并末引起人们的重视。只是到了18世纪初期，英国有的深并开始发生瓦斯爆炸。
1、煤层瓦斯的生成
1.1生物化成气时期瓦斯的形成
这个时期是从成煤原始有机物堆积在沼泽相和三角洲相环境中开始的。在温度不超过65℃条件下，成煤原始物质经厌氧微生物分解成瓦斯。该过程用纤维累的化学反应式表示：
4C6H10O6→7CH4十8CO2十3H2O十C9H6O
或2C6Hl0O6→CH4十2CO2十5H2O十C9H6O
1.2变质作用时期瓦斯的生成
褐煤层进一步沉降，便进入变质作用造气阶段。在100℃高温及其相应的地层压力下．煤层中的煤体就会产生强烈的热力成气作用。在变质作用的初期，煤中有机质基本结构单元主要是带有羟基(一OH)、甲基〔一CH3)、羧基(一COOH)、醚基(一O一)等侧链和官能团的缩合稠环芳烃体系，煤中的碳元素则主要集中在稠环中。由于一般情况下，稠环的键结合力强、稳定性好，侧链和官能团之间及其与稠环之间的结合力弱、稳定性差．因此，随着地层下降，压力及温度的增大与升高，侧链和官能团即不断发生断裂与脱落，生成CO2、CH4、H20等挥发性气体变质作用过程中有机质分解、脱出甲基侧链和含氧官能团而生成C02、CH4和H2O是煤成气形成的基本反应，煤化作用过程中生成的瓦斯以甲烷为主要组分。 在瓦斯产出的同时，芳核进一步缩合，碳元素进一步集中在碳网中。随着变质作用的加深，基本结构单元中缩聚芳核的数目不断增加，到无烟煤时，主要由缩聚芳核所组成。从烟煤到无烟煤．煤的变质作用程度越高，生成的瓦斯量也越多。
2、瓦斯生成的影响因素及其分折
2.1煤巖组分
煤是一种固体可燃有机岩，其岩石组成比较复杂。煤岩显微组分是组成煤的岩石学单元，可分成镜质组、惰质组和壳质组。从煤岩学角度看，煤层瓦斯的生成取决于成煤作用和煤岩显微组成。在同一煤化作用阶段，相对情质组而言，镜质组碳含量少，氢含量多，挥发分产率高，瓦斯生成量大。壳质组在整个成煤过程中都产生瓦斯，其挥发分产率和烃产率最高．但是．它在煤中所占比例很少。
2.2煤化作用程度及其变质分带
在煤化作用过程中．瓦斯将不断地产生，煤化作用程度越高，累积产生的瓦斯量就越多。其主要原因是：第一，煤层瓦斯的伴生量直接依赖于煤化作用程度；第二，随着煤化作用程度的加深，煤的气体渗透率下降．煤的储气能力提高，气体沿煤层向地表运移能力减弱；第三，煤化作用程度越高．煤中微孔隙和超微孔隙所占比例提高，煤的吸附能力增强。因此，煤化作用程度不仅影响瓦斯的生成量，而且对瓦斯的吸附能力也有影响。在成煤初期，褐煤的结构琉松，孔隙率大、瓦斯分子能渗入煤体内部；但是，由于该阶段瓦斯生成量较少且不易保存，煤中实际所含瓦斯量并不大。在变质作用过程中。由于地应力的作用，煤的孔隙率减少，煤质渐趋致密，如长焰煤，其孔隙相比表面积都比较小，所以吸附瓦斯的能力并不大，其吸附量一般在20 m3／t~30m3／t。随着变质作用程度提高，在高温、高压作用下，媒体内部因于馏作用而生成许多微孔隙，使煤的表面积到无烟煤时为最大；因此，无烟煤吸附瓦斯的能力最强，可达50m3／t~60m3／t。
3、煤层瓦斯的赋存
瓦斯在煤层中的贩存状态一般有两种，即吸附状态和游离状态。而煤层瓦斯含量实际上是指吸附瓦斯量和游离瓦斯量之和，其值的大小往往是评价煤层瓦斯储量和是否具有抽放价值的重要指标。由上述可知．在成煤过程中，瓦斯的生成量是十分可观的；但是、在现实际情况中．煤层中赋存的瓦斯量却比生成量要少得多。其原因就在于大量瓦斯在生成的同时，得到不断地排放。亦即，现今煤层中瓦斯量的大小不仅取决于成煤中生成量的多少，而且还与煤层及围岩的赋存条件有关。目前的实验表明：在煤的瓦斯含量中，一般吸附瓦斯占80％一90％；而吸附瓦斯的多少，主要取决于煤对瓦斯的吸附能力、瓦斯压力和温度等条件，吸附瓦斯在煤中主要是以单分子层吸附的状态附着于煤的表面。
结语
矿井瓦斯防治工作历史悠久。但是，在我国，瓦斯防治工作真正得到重视和落实则是在解放后，尤其是在80年代以后，投入了大量的人力、物力和财力从事矿井瓦斯灾害发生机理、预测预报和防治技术的研究工作，对我国矿井瓦斯防治理论和技术取得进步有重要意义。
参考文献：
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[2]俞启香．矿井瓦斯防治[M]．徐州：中国矿业大学出版社，1992
长期的突出区域预测实践表明,区域预测需要考虑突出矿井和突出煤层的地质条件,尤其是煤层瓦斯赋存和构造煤的发育条件[9,10]。笔者认为,研究和分析玉舍煤矿煤层瓦斯赋存规律和地质构造的关系,并对煤田的构造和瓦斯赋存规律进行总结,对矿井的安全生产有重要意义。
1地质概况
1.1煤层
矿区含煤地层为二叠系龙潭煤组,其上覆地层为三叠系飞仙关组第一段,下伏地层为二叠系峨眉山玄武岩。区内龙潭煤组厚400～485 m,平均厚452 m,由西向东厚度有一定变化,西段厚400～410 m,中段厚470～485 m,东段厚440～460 m,该地层主要由细砂岩、粉砂岩、粉砂质泥岩、泥岩、黏土岩及煤层组成。含煤40～60层,煤层总厚度28～36 m,平均厚度32 m,其中可采及局部可采煤层11层(全区可采3层、大部可采6层、局部可采2层),可采总厚度18.21 m,含煤系数7%。可采及局部可采煤层主要分布在含煤地层的第4段、第3段及第1段,即上、下煤组中,上煤组含可采及局部可采煤层8层(全区可采均分布在该组中),下煤组含可采及局部可采煤层3层。该区煤层赋存有以下特点:
(1)主要可采煤层赋存在上煤组中,为厚薄相间的薄及中厚煤层,除K1-b结构较复杂外,其余均较简单,煤层厚度大而比较稳定,且煤质优良。该组煤层储量占总储量的77%,其中3个主采煤层储量占总储量的49%,便于集中开发。
(2)下煤组中所含煤层结构较复杂,煤层厚度小,为不稳定—较稳定煤层,且各煤层硫分较高,目前不宜开发。
(3)煤层间距近,一般10～30 m。上、下煤组之间距离(K35-b—K106-b)245 m。
1.2矿区地质构造演化
贵州地壳的大部分地区,其褶皱基底为中元古界梵净山群和不整合其上的晚元古界板溪群浅变质岩系,震旦纪至晚三叠世中期为稳定的盖层发育阶段,属扬子陆块。黔东南大部和黔南的偏东部,其上古生界地层不整合在浅变质的上元古界和下古生界褶皱基底之上,属华南褶皱带。贵州地壳的大地构造格架,首先按基底性质的差异划分为扬子陆块和华南褶皱系2个一级构造单元,并按其各自盖层发育的显著差异进一步划分为若干个二级构造单元。三级构造单元的划分则更多地考虑晚二叠世含煤岩系的沉积特征和含煤性差异。
1.3井田地质构造
玉舍矿区是格目底煤矿区的一个所属区,位于格目底向斜南西翼,格目底向斜较为开阔,其北东翼岩层倾角陡峻,南西翼倾角平缓,为一不对称向斜;北东有威水背斜,南西有布坑底背斜;区内总体构造呈单斜形态,走向近于北西—南东,仅在A4线以西转为近正东西向。而倾向在西段近于正北,中段及南东段则逐渐转为倾向北东10°～20°。倾角在区西段较陡(40°～45°),在中段变为30°～40°,到南东段更缓,一般仅为25°～27°。煤系地层沿走向和倾向产状有一定变化,并伴有一定数量的褶曲和断层发育,相比之下,断层发育程度高于褶曲。
2瓦斯赋存影响因素分析
2.1断层、褶皱
经勘探证实,玉舍矿内共发现断层11条,其中正断层6条,逆断层5条,落差大于30 m的有1条,小于30 m的有10条,且断层分布规律明显,基本上可分为2组:1组为NE向,6条断层平行发育的正断层,走向55°～235°至65°～245°,倾角70°～75°。1组为NW向,5条断层平行发育的逆断层,走向105°～295°至120°～300°,倾角45°～75°,延伸长度在500 m内,落差均小于20 m。根据断层受应力性质的不同,断层对瓦斯运移、富集和保存的控制能力也不同,若为张性断层,则易于瓦斯散逸,瓦斯含量相对较低,而在断层尖灭处则易形成瓦斯聚集。
此外,区内部分断层线间发育宽缓的次级褶曲,均具有向背斜特点,其轴向与地层倾向大体一致,为NE10°左右。若煤层顶、底板岩性透气性差而又未遭受破坏,在背斜轴部向斜的两翼易出现瓦斯聚集,这些问题在采煤时应高度重视。
2.2顶、底板岩性
围岩对煤层瓦斯的运移、富集和保存起到不可忽略的作用。煤层顶、底板岩性及其遭受破坏的程度对瓦斯的赋存有着直接性影响,若顶、底板岩性透气性差而又未遭受破坏,则会为瓦斯的富集和保存形成良好的天然条件,形成高瓦斯富集带;反之,则不利于瓦斯保存,瓦斯含量会比较低。
一般来说,当煤层顶板岩性为致密完整的岩石(如泥岩)时,煤层中的瓦斯容易被积存下来;如果顶板为多孔隙或脆性裂隙发育的岩石(如砾岩、砂岩)时,瓦斯就容易逸散。玉舍煤矿各主采煤层顶板岩性为粉砂岩、细砂岩和粉砂质泥岩;底板均为黏土岩和泥岩。其泥质含量均高,顶底板岩石孔隙率小、渗透率低,有利于瓦斯的保存。
2.3煤层埋深和上覆基岩
煤层埋藏深度是控制瓦斯的主要地质因素,直接影响到瓦斯含量、瓦斯压力和瓦斯的保存条件。埋藏浅的煤层上覆基岩厚度薄,围岩相对透气性好,易于瓦斯逸散,埋藏深的煤层上覆基岩厚度大,地应力相应增大,围岩透气性相对降低,不利于瓦斯逸散,瓦斯压力也会相应增加,容易形成高瓦斯富集带[11]。
根据玉舍矿区K13煤层实测瓦斯压力、瓦斯含量与煤层埋藏深度的线性回归分析,由图1和图2可以看出,K13煤层瓦斯压力和瓦斯含量随埋藏深度的变化关系非常明显。即随埋藏深度的增加,瓦斯压力和瓦斯含量都具有逐渐增大的趋势,且这种趋势比较明显。
瓦斯压力随埋深变化关系回归方程为:
y=0.006 4x-0.134 4,R2=0.967 6 (1)
瓦斯含量随埋深变化关系回归方程为:
y=0.028 7x+4.229 1,R2=0.908 6 (2)
含煤地层上覆岩层为飞仙关组一段地层,主要岩性为粉砂岩、泥质粉砂岩、粉砂质泥岩、泥岩等互层,泥质含量均高,层厚大。综上所述,含煤地层上覆地层岩性及厚度有利于瓦斯的赋存。
2.4岩浆岩分布
区内岩浆活动仅有早二叠世茅口期至晚二叠世早期的玄武岩浆喷溢而形成峨眉山玄武岩,其喷溢时间在含煤地层龙潭组沉积之前,对煤层及煤质均无影响。区内峨眉山玄武岩组与其上的龙潭组呈假整合接触,瓦斯赋存也不受其影响。
3结论
(1)区内岩浆活动发生在含煤地层沉积之前,所以对玉舍煤矿瓦斯运移、富集和赋存的影响不大。
(2)区内地质构造程度属于中等复杂,但是,断层中间又有褶皱出现,构造煤主要沿断层面走向附近分布,地质构造对瓦斯赋存影响较大,一方面造成瓦斯分布不均衡,另一方面形成了瓦斯储存的有利条件。
(3)瓦斯压力和瓦斯含量随煤层埋深的增大而增大。围岩多为泥质砂岩或泥岩,使得含煤地层透气性较差,且含煤地层上覆地层厚度较大,为瓦斯的赋存创造了有利条件。
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1矿井地质及煤层
1.1地层
区内有石炭系、二叠系、三叠系地层零星出露, 大部分含煤地层被第四系松散层所掩盖。据钻孔资料, 地层由老到新有寒武系上统长山组 (∈3ch) 、石炭系本溪组 (C2b) 、太原组 (C3t) 、二叠系下统山西组 (P1h) 、下石盒子组 (P1x) 、上统平顶山组 (P2p) 、上统土门组 (P2t) 及第四系 (Q) 。该区含煤地层主要为二叠系下统山西组、下石盒子组。
1.2矿区构造
矿区西北部地层总体构造形态为一走向北东单斜构造, 走向60°～75°, 倾向NW, 倾角7°～15°, 东部、南部地层产状变化较大。区内构造形式以北东向断层为主, 发育次一级褶曲, 并发育滑动构造、层间滑动构造。构造类型为中等。矿区南部为一宽缓短轴背斜——新峰背斜;北部边界为向北东仰起、轴线走向60°左右的鏊面山向斜。区内断层有:东部的韩家门断层 (箕F21) ;南部的冯家门断层 (箕F7) 、老庄断层 (箕F59) ;中部的南小寨断层 (箕F94) 及与箕F7断层相交的箕F102断层 (图1) 。
1.3煤层
区内主采煤层二1煤, 赋存于山西组下部大占砂岩之下。上距砂锅窑砂岩 (Ss) 平均间距为65.02 m, 距田家沟砂岩平均约375 m, 距平顶山砂岩平均约663 m;下距L7石灰岩15.06 m。
2二1煤瓦斯赋存状况
2.1瓦斯成分及含量
该区取样深度353.17～949.65 m, 瓦斯成分以CH4为主, 次为N2、CO2。其中CH4占54.84%, N2占35.08%, CO2占10.08%, 此外, 尚有微量C2H6、C3H8等气体;瓦斯含量0.78～1.57 mL/g (表1) 。
2.2瓦斯压力
对该区付11002、10911钻孔二1煤层进行了瓦斯压力测试, 测试结果见表2。
3瓦斯赋存规律
依据钻孔瓦斯成分, 可将该区划分为CO2-N2、N2-CH4、CH4带 (图1) 。该区北部为CH4带, 瓦斯成分中CH4浓度大于80%;中部处于N2-CH4带, 瓦斯成分中CH4浓度在10%～80%;南部边界处为CO2-N2带, 瓦斯成分中CH4浓度小于10%。
该区位于白坪井田东部, 区内发育箕F94、箕F7、箕F21及边界处箕F4、箕F59断层, 新登背斜横穿该区南部, 致使区内瓦斯分布不均衡, 呈环带状。
4瓦斯地质因素分析
在煤层埋藏未受其他地质因素影响时, 瓦斯含量依煤层埋深增大而增大;向斜核部、厚煤层、泥质类顶板相互叠加部位, 形成良好的封闭条件, 造成局部地段瓦斯富集。从表1可知, 在该区煤厚、埋深因素对瓦斯赋存影响不明显, 从属于构造因素, 构造因素是影响该区瓦斯赋存的主要地质因素。
区内构造断裂较为发育, 北部为向斜核部。区内外有6条落差较大的断层, 落差均大于20 m, 对岩层破坏明显, 形成较宽的破碎带, 使瓦斯沿断裂及裂隙向地表运移, 得到充分释放。断层构成了本区的瓦斯逸散边界, 使瓦斯含量偏低, 如11504孔虽位于向斜核部, 但因断层告F2、箕F21, 该孔沼气含量仅为2.58 mL/g。而在11110、11308、11713孔一带构造不甚发育, 煤层埋深较大, 封闭条件较好, 出现瓦斯含量随埋深、煤厚增大趋势, 形成瓦斯富集区, 11110、11308两孔沼气含量均大于5 mL/g, 尤其位于向斜核部的11713孔沼气含量高达13.09 mL/g。
5结语
赵庄煤业瓦斯赋存明显存在区域性差异, 整体上看煤层透气性普遍较差, 衰减普遍较快, 矿井瓦斯抽采的难度大。瓦斯赋存极不均衡, 瓦斯含量高的区域达到218.37 m3/t, 低的区域在48.37 m3/t以下。一、三、五盘区中瓦斯含量从高到低分布, 一盘区瓦斯含量最高, 瓦斯含量达到218.37 m3/t, 三盘区瓦斯含量在4~6 8.37 m3/t, 五盘区瓦斯含量最低, 瓦斯含量在48.37 m3/t以下[1]。
井田内共含5层可采或局部可采煤层, 即2、3、8-1、14、15#煤层。其中, 3#煤层的控制程度及研究程度较高, 而其他煤层相对较差一些, 现在主采3#煤层。3#煤层为具有爆炸性危险的煤层。根据测试成果, 3#煤层火焰长度为5~40 mm, 平均13.5 mm, 加岩粉量15%~35%, 平均20.3%。根据3#煤层燃点测试成果, 3#煤层为不自燃煤层。据邻近矿山调查资料, 邻区各矿山开采的3#煤层均未发生过自燃现象。
2 3#煤层瓦斯赋存规律研究
2.1 井下实测3#煤层瓦斯含量
根据重庆院2008年7月编制的《晋城无烟煤集团有限责任公司赵庄矿一、三盘区3#煤层瓦斯基本参数测定报告》, 测定一盘区12023巷内3#煤层原始瓦斯压力0.46 MPa, 该范围内3#煤层原始瓦斯含量8.37 m3/t。测定三盘区32051巷3#煤层原始瓦斯压力0.16 MPa, 该范围3#煤层原始瓦斯含量5.91 m3/t[2]。
2.2 地勘测定3#煤层瓦斯含量
结合地勘瓦斯等值线图, 发现许多地勘钻孔处在断层附近, 由于断层的作用, 大量瓦斯不断流动逸散, 且没有规律可循, 应该剔除。由于地勘钻孔测定的瓦斯含量是可燃基瓦斯含量, 应将其换算成原煤瓦斯含量。地勘测定3#煤层瓦斯含量如表1所示, 原煤瓦斯含量为3.55~18.16 m3/t。
2.3 地勘钻孔瓦斯含量修正
2.3.1 矿井3#煤层瓦斯含量的确定方法
国内理论及实践均证明, 矿井瓦斯含量测定中, 地勘测试结果一般偏小, 但它可反映整个矿井瓦斯赋存趋势[3]。井下实测结果相对准确, 但反映的是测试范围的情况。因此采用以地勘测定结果为基础、以井下实测结果为依据, 根据井下实测对地勘结果进行修正的方法进行矿井3#煤层瓦斯含量的确定。
即采用井下实测与地勘结果比较确定修正系数, 对矿井地勘测定结果进行修正, 并将结果用于矿井瓦斯抽采设计。为弥补井下实测点少的情况, 结合矿区其他矿井的修正系数进行综合确定修正系数。
2.3.2 矿井3#煤层瓦斯赋存规律研究
如前所述, 目前在首采面区域测定的瓦斯含量较真实地反映了测定区域的瓦斯含量, 但并不能完全代表整个井田的瓦斯含量分布情况, 由于目前不可能在较大范围内打更多的钻孔来测定煤层瓦斯压力。为此, 可以利用地质勘探期间在首采面区域所测瓦斯含量与实测的瓦斯含量进行对比分析, 寻找相关系数, 然后以地勘中所测瓦斯含量为基础, 预测各区域的瓦斯含量值。3#煤层地勘钻孔瓦斯含量修正结果见表2。
参照煤层底板等高线图及井上下对照图, 计算出井田内不同地点的煤层瓦斯含量, 并根据煤层瓦斯含量分布情况绘制出3#煤层瓦斯含量等值线图, 见图1。
根据3#煤层井田开拓图, 瓦斯含量等值线图、井上下对照图、地质报告等, 可知3#煤层瓦斯含量为4.69~22.88 m3/t。
3 结语
根据井下瓦斯含量的测定数据, 结合赵庄煤业有限责任公司地勘钻孔测定的煤层瓦斯含量值以及矿井的其他资料, 对矿井瓦斯赋存规律进行了研究, 预测3#煤层的最大瓦斯含量为22.88 m3/t, 最小瓦斯含量为4.69 m3/t。
参考文献
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1 矿井地质概况
陕西冯家塔矿业有限公司冯家塔煤矿位于府谷县城北15km处, 井田面积60.4524km2, 现生产能力为6.0Mt/a。矿井瓦斯等级鉴定为低瓦斯矿井。现开采2号煤层, 煤质特征为:低-中灰分、低硫-中硫分。根据周边矿井的开采资料表明:冯家塔煤矿随着开采深度的增加瓦斯含量及涌出量将逐渐增大, 这不但制约着矿井以后的安全生产, 也增加了矿井瓦斯灾害发生的几率。
1.1地质构造
本井田位于陕甘宁台坳北部东缘, 东侧邻接晋西挠摺带北端, 北侧邻接晋北偏关-恒山区域性东西向构造带与晋西挠摺带的反接复合部位, 西侧邻接陕北台凹。井田构造整体形态为一向西倾斜的单斜体, 其中主要发育两组构造, 一条为走向北北东方向的褶皱构造, 另一条为走向北西方向的脆性断裂 (带) 构造。井田内地层总体较平缓, 倾角一般为2°～9°, 但挠褶带及其以西地层急剧变陡, 倾角达15°～30°。区内构造发育, 三维勘探发现7条正断层, 一条由2～3条断裂组成的地堑位于井田北界, 断裂带两侧地层垂直落差约15～140m。井田内未有岩浆岩侵入现象, 井田地质构造整体属简单类。
1.2煤层赋存
井田内主要含煤地层为上石炭统太原组和下二叠统山西组, 本溪组仅含一层薄煤层 (13号煤层) 或煤线, 其中可采煤层2～12层, 含煤层总厚为6.05～30.27m, 平均17.57m, 含煤系数为5.04%～25.23%, 平均14.64%。其中2、4、8、9-2号煤层为井田主要可采煤层, 7、11号煤层为次要可采煤层, 其余均为不可采煤层。目前开采的2号煤层厚度1.20～5.30m, 平均3.08m, 埋深16.52～483.27m, 一般为110～220m, 由东南向西北逐渐增大, 详见图1。煤层顶板岩性为泥岩、粉砂岩, 少数中-粗砂岩, 底板岩性为泥岩、粉砂岩、少量炭质泥岩。
2 矿井瓦斯赋存规律研究
2.1煤层瓦斯含量取值
由于矿井开采期间瓦斯含量很小, 故本论文主要收集了井田地勘期间的煤层瓦斯含量测值。见表1。
2.2瓦斯赋存的控制因素分析
煤层瓦斯赋存受构造、埋深、围岩、煤厚等条件控制。影响冯家塔煤矿煤层瓦斯赋存的主要控制因素分析如下:
(1) 断层构造
冯家塔煤矿井田范围内发现的正断层落差较小, 目前在井田建井期间揭露的主要断层在2煤回风大巷、4煤主运大巷、2煤辅运大巷等三条巷道内。1202工作面在掘进过程中及1201工作面在推采过程中也出现了大小不等的各种断层, 揭露的18个断层落差最大不超过10m, 延伸不足百米, 这些断层均为正断层, 在断层处, 瓦斯沿着断层逸散, 瓦斯含量往往相对较低, 在相近埋藏深度的其他开采水平, 瓦斯保存条件较好, 含量较高。
(2) 褶皱构造
根据地质填图和地震资料分析, 区内地表无较大褶曲存在, 根据煤窑调查资料及主要可采煤层底板等高线图分析, 井田内煤层具宽缓的波状起伏, 各煤层沿2402-3003-S3605一线 (轴向约330°) 继承性地发育一鼻状隆起, 但规模不大, 波及宽度不足1km, 起伏幅度仅为0.1～0.2;沿墙头—高石崖挠褶带煤层产状发生急剧变化, 挠褶带之西煤层产状较陡, 平均降幅220m/km;以东较平缓, 平均降幅6m/km。从井田内背斜和向斜两翼的倾角来看, 煤层在受到挤压时变形较大, 裂隙发育, 使得轴部煤层受到挤压变得疏散, 加之围岩透气性较好, 方便了瓦斯的逸散, 两翼瓦斯向轴部运移量较少, 从而在背斜和向斜的轴部瓦斯较低。
(3) 顶底板岩性
煤层围岩是指煤层直接顶、老顶和底板在内的一定厚度范围的层段。煤层围岩的隔气和透气性能直接影响到瓦斯的保存条件。根据现场施工的钻孔和地勘期间钻孔的数据分析, 本井田2号煤层直接顶板为泥岩、粉砂岩, 少数中-粗砂岩, 厚3.13～6.27m, 平均4.76m全井田发育;直接底板岩性为泥岩、粉砂岩、少量炭质泥岩, 厚3.96～18.51m, 平均8.94m。由于煤层顶板节理发育, 孔隙与裂隙相对发育, 底板比较致密, 岩石强度差, 透气性高, 对煤层瓦斯的逸散起到了疏导作用, 有利于逸散瓦斯。
(4) 煤层埋深
煤层上覆地层对瓦斯的保存与逸散有直接的作用, 埋藏深度的增加, 不仅地应力增高而使煤层及围岩的透气性变差, 而瓦斯向地表运移的距离也增长, 二者都有利封存瓦斯。煤层的埋深被认为是影响瓦斯含量主要的地质因素之一。根据地勘钻孔资料和对冯家塔煤矿进行井下实测所得资料分析可知, 冯家塔煤矿瓦斯含量具有随埋藏深度增大而加大的整体趋势, 因此确定埋深是影响本煤矿瓦斯赋存规律的一个主要因素。
3结论
⑴ 通过对冯家塔煤矿地质构造的研究得出:构造、埋深、围岩、底板岩性等条件均在一定程度影响煤层的瓦斯赋存, 其中煤层埋藏深度及顶底板岩性是控制瓦斯含量变化的主导因素。
⑵ 建议矿井生产过程中, 加强2号煤层和邻近层瓦斯含量和瓦斯涌出量测定工作, 以确保安全生产。
摘要：针对冯家塔煤矿各煤层瓦斯赋存特点, 瓦斯涌出不均衡的问题, 分析了影响冯家塔煤矿各煤层瓦斯赋存的地质因素, 研究了煤矿瓦斯赋存规律, 得出埋藏深度是影响各煤层瓦斯赋存的主控因素, 为今后矿井瓦斯防治及安全生产提供了依据。
关键词：瓦斯含量,瓦斯赋存,地质构造
参考文献
[1]曹国华.地质构造对寺河矿煤层瓦斯赋存规律的影响分析[J].煤炭工程, 2009, 3:57-59.
矿区主采煤层B4煤层, 为简单~较简单结构, 煤层瓦斯的变化规律给生产带来了一定影响, 如井型开拓方式的选择、采掘部署以及煤层气的开发利用等。为减少和降低煤矿生产的瓦斯事故和由此而产生的巨大经济损失, 并更好地充分利用煤层气—这一洁净的能源以改善和优化能源结构和矿山生态环境, 提高煤矿生产的经济效益和社会效益, 有必要对矿区瓦斯的变化规律及其原因进行分析, 为矿区瓦斯综合治理和瓦斯 (煤气层) 开发、利用提供依据, 为矿区制定煤炭、煤层气开发规划提供重要的参考。
1 矿区地质概况
1.1 地层
现将矿区内地层自下而上分别为二叠系中统茅口组、二叠系上统龙潭组、二叠系上统长兴组、三叠系下统大冶组、侏罗系下统林山组、古近系临江组、第四系。其中主要含煤地层为龙潭组, 现就其主要地质特征介绍如下。
龙潭组自下而上分为四段, 分别为官山段、老山段 (下、中、上亚段) 、狮子山段和王潘里段, 其中主采煤层B4煤层位于老山下亚段。
老山下亚段由浅灰色、灰白色薄层状及中厚层状细粒—中粒砂岩, 深灰色泥岩、粉砂岩组成, 含煤0~3层, 其中B4煤层大部可采。一般厚度为90m。老山中亚段海相泥岩中产大量菊石类化石, 是江西特有的菊石层, 该亚段位于主采煤层B4上约60m, 成为瓦斯赋存的良好隔气层。
1.2 构造
丰城矿区位于萍乡-乐平复向斜的中部, 主体构造为曲江~石上向斜, 向斜两翼构造简单, 地层倾角平缓, 断层并不十分发育。但矿区东 (泉田) 西 (云庄) 两端受印支运动影响较大, 地质构造复杂。曲江向斜及少量发育的断裂构造控制了煤层的赋存。曲江向斜向西倾伏, 即为石上向斜。
2 矿区瓦斯地质分布特征及形成原因分析
丰城矿区瓦斯平面分区现象十分明显, 北部 (B4煤层-200以浅) 、南部 (B4煤层遭红层冲刷剥蚀线附近) 为低瓦斯区, 其余均为高瓦斯区、煤与瓦斯突出危险区。这种瓦斯分区的形成, 主要是受以下地质因素的影响:矿区构造特征、煤化作用、煤层围岩特性、水文地质条件、煤层埋藏深度, 具体影响叙述如下。
(注:图中w为瓦斯含量m3/t, h为标高m)
2.1 矿区地质构造
本矿区在中部 (丰城市城区附近) 断层稀少不太发育, 多呈北东向走向, 为正断层 (F1、F2) ;西部云庄、巷口一带断层发育, 走向多呈南北向, 多为正断层, 形成“地堑”或“地垒”构造;东部泉田一带断层也较发育, 亦多为正断层, 走向多呈近东西向和北东向两组。
上述断层由于多是张性正断层, 一般对煤层瓦斯的逸散较为有利, 使该处钻孔煤层瓦斯含量较小 (见图1, 1902孔) 。
一般在地应力集中, 煤层产状发生急剧变化、断层比较发育、地质构造的末端较易发生煤与瓦斯突出。
2.2 煤化作用程度
根据矿方提供的煤质化验表, 本矿区各煤矿 (井田) B煤组煤层的Vdaf数值多在16.24% (云庄) ~20.81% (泉田) 。所以本矿区B4煤层的瓦斯含量较大。而C煤组Vdaf数值多在21.9% (云庄) ~29.04% (曲江) , 其瓦斯含量大大低于B4煤层的瓦斯含量。在一定情况下, 煤变质程度越高, 瓦斯含量就越大。
2.3 煤层围岩特性
本矿区龙潭组 (除官山段地层) 系浅海—障壁海岸沉积体系, 岩性组合。以粉砂岩、泥岩、细砂岩、炭质泥岩、煤层组成, 其渗透性差, 特别是位于B4煤层之上的老山中亚段泥岩, 厚度大, 岩层封盖瓦斯能力强, 瓦斯不易扩散, 对瓦斯赋存有利。
2.4 水文地质条件
丰城矿区各煤矿的开采情况证实了水大瓦斯小, 水小瓦斯大这一特点。开采B4煤层的矿井 (坪湖、建新、尚一、曲江等矿) 均为双突矿井, 而开采C煤组煤层的矿井均为低瓦斯矿井。其原因除煤化作用程度、含煤地层岩性等地质因素外, 上覆地层长兴灰岩岩溶水的影响可能也是一个很重要地质因素。
2.5 煤层埋藏深度
本矿区一般煤层的埋深与瓦斯含量之间关系较密切, 煤层埋藏深度深, 瓦斯含斯含量就高, 这由曲江 (表1) 、石上井田 (表2) 的测试结果可明显地反映出这一特征。
3 结语
关键词：铜川矿区,瓦斯赋存规律,趋势分析
瓦斯涌出或突出主要受控于瓦斯含量[1], 而瓦斯含量是煤层经历漫长地质历史过程中多种地质因素自然耦合的结果[2,3], 研究瓦斯含量、赋存规律及趋势预测对煤矿安全生产具有重要意义[4]。同时, 瓦斯本身可作为煤层气资源, 其赋存规律研究对煤层气基础理论及勘探开发科学选区都具有参考价值。本文主要采用灰色关联分析和相关性分析对铜川矿区东南部地区鸭口煤矿5-2煤层瓦斯赋存规律进行评价, 从而为进一步深入研究提供理论依据。
1 井田地质概况
鸭口煤矿位于陕西省中部渭北煤田铜川矿区东南部, 东西长约5.6 km, 南北宽约3.8 km, 总面积约21.905 km2, 现今面貌为走向北东—北东东、倾向北北西的波状单斜构造。地层自奥陶系峰峰组向上依次沉积石炭系本溪组、太原组, 二叠系山西组、下石盒子组、上石盒子组、石千峰组;新近系、第四系松散沉积物。矿区主采煤层为太原组5-2煤层, 煤层倾角5°~10°, 煤层厚0.40~7.61 m, 平均厚2.39 m, 开采深度一般为400~600 m。太原组平均厚度21.85 m, 上覆山西组平均厚度37.74 m。区内平均地温梯度小于2℃/hm, 热害不严重。5-2煤层宏观煤类以光亮型和半光亮型为主, 有机显微组分中镜质组、半镜质组、半丝质组平均含量分别为63.98%、1.22%、22.82%, V/I值高, 历史时期曾大量生气。Ro范围为1.31%~1.64%, 瘦煤, 黏土矿物、碳酸盐矿物平均含量分别为7.72%、3.84%。大于25 mm粒级的煤粒占煤岩23.65%, 说明煤的块度均很小, 松软易碎, 属特低强度煤, 在构造应力破坏下不利于瓦斯保存, 区内钻孔揭露瓦斯含量及其他实测数据见表1。
2 瓦斯含量影响因素分析
由于瓦斯含量在地下空间分布特征复杂多变, 因此需要应用多种方法进行预测, 如果彼此之间得到有效印证, 则可以为最终结果提供有力的支撑和依据。前人针对煤矿瓦斯含量预测提出了多种方法, 主要有相关性分析、灰色关联分析、多元逐步回归分析、聚类模糊分析、神经网络等[5,6,7,8]。各种方法之间评价原理和方法具有差异, 灰色关联分析需要的样本较少, 量化简单, 通过对比比较序列xi (k) 曲线与行为序列x0 (k) 曲线的相似程度来判断相关程度, 在具体实践中具有一定应用价值;相关性分析的应用范围较广, 原理是概率论, 该方法对数据量有一定要求, 数据越多拟合, 效果越可信;逐步回归分析的原理为将自变量按偏相关系数的大小次序先后引入方程, 对偏相关系数进行统计检验, 直至得到最佳方程, 该方法对数据的可信度有一定要求, 当数据本身变化范围较大时, 模拟方程的可信度较低。
2.1 灰色关联分析
式中, X为初始化后的值;x为初始化前的值;x0 (k) 、xi (k) 分别代表行为序列数据、比较序列数据, i取1~5, k取1~8;ξ0i (k) 为x0 (k) 和xi (k) 之间的灰色关联系数;η为分辨系数, 取0.5;G (0, i) 为x0和xi之间的灰色关联度, n取1~8。
按文献[8]中的计算方法, 将表1中原始数据按式 (1) 初始化后分别代入式 (2) 和式 (3) , 求得灰色关联系数及灰色关联度。计算结果:G (0, 1) =0.644 8, G (0, 2) =0.648 1, G (0, 3) =0.738 9, G (0, 4) =0.632 5, G (0, 5) =0.633 2。由该结果可以看出, 上覆地层有效厚度与瓦斯含量之间关联度明显优于其他因素。
通过式 (4) 进行计算, 得到的各因素对煤层瓦斯含量的相关性系数值分别为:r (x0, y1) =0.036 6, r (x0, y2) =0.187 9, r (x0, y3) =-0.898 1, r (x0, y4) =-0.152 4, r (x0, y5) =0.26。相关性系数的范围在-1到1之间, 正值表示正相关, 负值表示负相关, 其绝对值越接近1表示相关性越显著, 反之越不显著。从计算结果可以看出, 相关性系数r (x0, y3) 为负值, 且绝对值非常高 (0.898 1) , 表明上覆地层有效厚度与瓦斯含量之间相关性非常显著, 其他因素相关性不显著。该分析与灰色关系分析相互印证, 且该分析具有比灰色关联分析更高的辨识度, 两者具有一定对应性。
2.3 讨论
该区瓦斯含量与上覆地层有效厚度拟合负相关性较好 (图1) , 如8735钻孔揭露的上覆地层有效厚度仅45 m, 但煤层瓦斯含量却为1.38 m3/t, 5-2煤层上覆地层有效厚度具有从南到北逐渐加厚的趋势, 南部低于100 m, 北部可达400多m, 平均厚136m。一般煤层在较低地应力下 (如低于1 MPa) 表现为拉应力[9], 随着应力增加逐渐向压应力转变, 并出现剪切破坏, 低地应力对瓦斯逸散起阻碍作用[9]。高浓度、低应力瓦斯逸散很快, 但浓度降到某个低值, 低应力对瓦斯逸散起阻碍作用, 再加上高煤级煤具有巨大的比表面和强吸附能力, 就会残留相当一部分瓦斯[10]。上覆地层有效厚度较大区域的地应力较高, 性脆的煤层发生剪切破坏, 镜质组和惰质组产生大量张性裂隙, 进而与裂缝、割理和顶底板沟通, 发生渗流, 加快了逸散, 最终造成这种整体负相关。同时可以发现, 煤层现今埋深远远大于上覆地层有效厚度, 瓦斯的逸散主要发生在印支—燕山期, 即晚三叠世至古新世, 因而推测从古新世至今该区瓦斯含量整体未发生较显著变化。
对于相关性不显著的煤层厚度、埋深等因素, 与瓦斯含量弱正相关, 顶板泥岩厚度与瓦斯含量竟然负相关, 主要是由于内煤层顶板20 m以内43个钻孔统计显示泥岩厚0.34~15.53 m, 平均厚2.49 m, 其中80%面积内泥岩厚度不足1 m, 井田中南部和东北部顶板为粉砂岩半屏障层, 对瓦斯保存不利。构造方面, 从宏观大地背景来看, 该区煤系自晚石炭纪形成之后, 在印支—燕山期期间, 西太平洋古陆与古亚洲大陆碰撞, 强烈抬升地层并卸压造成大量瓦斯逸散;背斜顶部出现纵张断裂, 即区内北东向断层的雏形, 进一步使瓦斯释放。在喜山期发生了欧亚板块与印度板块碰撞, 这是断层左旋走滑的原因, 该碰撞与新太平洋地球运动力学体系共同作用, 使该区北西向挤压力开始松弛。从局部构造来看, 构造会对局部瓦斯分布起到一定影响[11], 一般断层不发育的地方煤体相对完整, 煤的坚固性系数为2.2~3.3, 瓦斯含量往往高一些 (如8724、8736钻孔) ;断层发育处的煤以碎裂—碎粒煤为主, 煤的坚固性系数0.9~1.1, 瓦斯含量低一些 (如8719钻孔) 。该区地下水补给主要是大气降水, 大气降水与矿井涌水时间上具有一定滞后关联[12], 5-2煤层距山西组一般只有十多米 (如555钻孔揭露为13 m) , 山西组砂岩属富水性弱—中等的含水层, 再加上裂缝的沟通, 瓦斯会由水介质携带呈泉或面状渗流方式逸散, 但区内整体水文特征偏弱, 对瓦斯含量影响较小。
3 瓦斯含量趋势分析
显然该区瓦斯分布极不均匀, 但上覆地层有效厚度与瓦斯含量之间呈现较好相关性, 相关方程y=-0.004x+1.390 4作为井田瓦斯含量趋势分析的基准, 其他影响因素会对井田局部产生影响。对于井田中部, 盖层封盖能力差, 南部则常见煤层露头, 处在风氧化带, 瓦斯含量往往很低, 参考相邻煤矿瓦斯含量预测情况, 将所有影响因素进行耦合, 得到趋势分析如图2所示, 瓦斯含量中部和南部可能偏低, 西北部和东北部可能较高, 西北部自东向西由0.5 m3/t逐渐增加至2.0 m3/t, 东北部由南西向北东由0.5 m3/t逐渐增加至1.0 m3/t。
4 结语
研究区内5-2煤层瓦斯含量主控因素为上覆地层有效厚度, 其他地质因素会对局部瓦斯含量起一定控制作用。趋势分析显示, 东北部和西北部瓦斯含量可能会相对偏高, 上覆地层有效厚度低的区域, 瓦斯局部富集的可能性很大。本文旨在研究瓦斯分布规律, 同时对指导矿井安全生产具有参考价值。
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