煤层瓦斯地质规律浅析

张赟兰

(山西省煤炭工业厅煤炭资源地质局)

·试验研究·

煤层瓦斯地质规律浅析

张赟兰①

(山西省煤炭工业厅煤炭资源地质局)

瓦斯涌出是直接威胁煤矿安全生产和矿工生命的最大的灾害,改善煤炭生产安全状况应进行矿井瓦斯预测、瓦斯治理、瓦斯利用,其基础是瓦斯地质规律。借鉴专家学者的研究成果和社会生产实践统计资料,分析了煤层瓦斯地质规律,以揭示煤层瓦斯赋存、煤层与瓦斯突出的一般地质规律。

瓦斯赋存;地质规律;瓦斯涌出量;煤与瓦斯突出预测

煤炭是我国能源的主体。在我国一次性能源消费结构中,煤炭占 70%左右,预计 2050年仍将占50%以上,在相当长的一段时间内煤炭将一直是我国居支配地位的主要能源。而“瓦斯是我国煤矿安全的’第一杀手’”。研究瓦斯,探究其地质规律进行瓦斯涌出量预测、煤与瓦斯突出危险性预测尤为紧迫。虽然煤与瓦斯突出机理研究还处在假说阶段。瓦斯地质研究的实践认为,煤层瓦斯含量高是发生煤与瓦斯突出的基础。瓦斯含量是指成煤过程中煤层经受地质历史演化作用储存在煤层中单位体积或单位质量的煤所含的瓦斯量,瓦斯含量取决于煤在经历地质历史演化过程中的瓦斯生成条件和瓦斯保存条件。瓦斯赋存分布受着不同地质条件的控制,从区域到矿区、矿井、采区、采面都存在着不同地质条件下的瓦斯赋存状态,存在着不同级别的瓦斯地质规律。只有瓦斯地质规律弄清了,瓦斯涌出量预测、煤与瓦斯突出危险性预测、瓦斯资源量预测等模型才能可靠地建立。

1 瓦斯地质规律

煤炭形成后在长期的地质历史时期,受成煤作用和构造演化控制,形成不同的煤体结构及储层物性特征,使瓦斯(煤层气)的生成、赋存、运移,以及在煤炭开采过程中的涌出方式遵循一定的规律,即瓦斯地质规律。

1.1 瓦斯赋存的一般规律

1)煤层埋深及产状与瓦斯赋存具有线性关系。随着煤层埋藏深度的增加,甲烷所占比例增大,瓦斯含量增大。

图1 柳林兴无煤矿4#煤层瓦斯的回归分析

一般出露地表的煤层瓦斯容易逸出,而且空气也向煤层渗透,因而煤层中含有CO2、N2等气体,瓦斯含量少。在同一埋深下,煤层倾角越小,煤层瓦斯含量越高。

我国许多矿井浅部水平为低瓦斯矿井,随着水平延伸,升级为高瓦斯矿井,到深部水平升级为突出矿井,从宏观定性说明瓦斯含量、涌出量随着埋深增加,成正相关关系,见图1,图2,图3。

2)地质构造及组合对瓦斯赋存影响明显。褶曲类型和褶皱复杂程度对瓦斯赋存均有影响。封闭的背斜有利于瓦斯的储存,是良好的储气构造或称圈闭构造。简单的向斜盆地构造,其瓦斯排放条件往往是比较困难的。

高沼矿区基本分布在向斜轴部,背斜鞍部、鼻状构造的倾斜端及“S”型背斜转折端等,断层的开放与封闭性决定于下列条件:

a)断层的性质和力学性质。一般张性正断层属开放型,而压性或压扭性逆断层封闭条件较好。b)断层与地面或冲积层的联通情况。规模大且与地表相通或与松散冲积层相连的断层一般为开放型。c)断层将煤层断开后,煤层与断层另一盘接触的岩层性质。若透气性好则利于瓦斯排放。d)断层带的特征。如断层的充填情况、紧闭程度、裂隙发育情况不同,开放、封闭性也有差别。

3)岩浆侵入活动改变瓦斯赋存状态。岩浆侵入含煤岩系、煤层,使煤、岩层产生胀裂及压缩。岩浆的高温烘烤可使煤的变质程度升高。另外,岩浆岩体有时使煤层局部被覆盖或封闭,有时因岩脉蚀变带裂隙增加,造成风化作用加强,逐渐形成裂隙通道。

所以,在某些条件下岩浆侵入煤层有增加瓦斯生成量、保存瓦斯的作用,在某些条件下又有使瓦斯逸散的可能。因此,在研究岩浆岩对煤层瓦斯的影响时,要结合地质背景作具体分析。

4)煤层和围岩的透气性影响逸散。煤系地层岩性组合及其透气体对煤层瓦斯含量有重大影响。煤层及其围岩的透气性大、瓦斯易逸散,瓦斯含量小;反之,瓦斯易于保存,煤层的瓦斯含量大。

5)地下水活动降低煤层瓦斯含量。地下水与瓦斯共存于含煤岩系及围岩之中,它们的共性是均为流体,运移和赋存都与煤层和岩层的孔隙、裂隙通道有关。

由于地下水的运移,一方面驱动着裂隙和孔隙中瓦斯的运移,另一方面又带动了溶解于水中的瓦斯一起流动。因此,地下水的活动有利于瓦斯的逸散;同时,水吸附在煤体裂隙和孔隙的表面,还减弱了煤对瓦斯的吸附能力。

1.2 地质构造带及尖灭部位为构造应力集中带

在断层带,尤其是逆断层带,仍存在较大的残余构造应力。

在地质构造尖灭部位,虽然应力的集中度不足以形成构造,但也发生了应力集中。因为没有形成构造,集中应力没有得到释放,且长期存在。

煤层厚度变薄或变厚的地区,也属构造应力集中应力带。

煤与瓦斯压出表现出明显的区域性 。

1)向斜轴部附近。2)向斜轴和另一断裂或褶曲交汇地区。3)向斜轴部的局部隆起区域。4)小断层群及顶板或底板凸起凹陷群区域。5)煤厚及倾角突然急剧变化区。

1.3 突出危险区

高应力区、高瓦斯区、构造煤发育区的复合部位是突出危险区。

国内外案例表明,高应力区、构造煤发育区和瓦斯富集区的叠加区是突出危险区。

2 矿井瓦斯涌出量测定方法

1)开采实践表明,在一定深度范围内,矿井相对瓦斯涌出量与开采深度呈如下线性关系,见图4,图5,图 6。

2)瓦斯测定资料统计分析。

图6 柳林庄上煤矿矿井总回风瓦斯涌出量曲线图

瓦斯测定统计分析公式:

式中:

q—采区或工作面瓦斯涌出量的月平均值,m3/t;

Qi、Ci—月内每次测得的回风量,m3/min和回风流中瓦斯浓度,%;

n—统计月份的测定次数;

A—统计月平均日产量,t/d;

Hc—全矿井加权平均开采深度,m;

Hi、Ai—鉴定月份第i采区的采深取,m和产量,t。

3)使用条件及要点。

a)生产矿井的延深水平、生产水平的新采区、与生产矿井邻近的新矿井,在应用中必须保证预测区的开采技术条件、地质条件与生产区相同或类似。

b)某些矿井相对瓦斯涌出量与开采深度之间并不呈线性关系,即a值不是常数,此时,应首先根据实际资料确定a值随开采深度的变化规律。

c)工作面从开切眼形成到第一次放顶期间,由于瓦斯涌出尚未达正常状态,在该段时间内的测定数据不能在统计分析中应用。

d)在采煤不正常的情况下测得的瓦斯涌出量,以及地质变化带采区瓦斯涌出量变化很大的情况下测得的瓦斯涌出量,均不能在统计分析中应用。

e)应用统计预测法时的外推范围一般沿垂深不超过100～200 m,沿煤层倾斜方向不超过600 m。

f)在实施瓦斯抽放的采区和工作面,还应考虑抽放瓦斯的影响。

3 煤与瓦斯突出发生的条件

3.1 煤与瓦斯突出发生必要条件

煤与瓦斯突出发生的必要条件见图7。

图7 煤与瓦斯突出发生的必要条件

3.2 煤与瓦斯突出发生充要条件

煤与瓦斯突出发生充要条件,见图8。

3.3 煤与瓦斯突出一般规律

1)煤层突出危险性随采深增加而增大。对同一矿区、同一矿井、同一煤层来说,随着开采深度的增加,煤层突出危险性增大,具体表现为突出次数增多、突出强度增大。在浅部开采为高瓦斯矿井,甚至为低瓦斯矿井,开采到深部后,由于煤层赋存条件的变化,煤层瓦斯压力增大,而转变为突出矿井;一些在浅部开采突出危害较轻的突出矿井,开采到深部后,转变为严重突出矿井。

一般一个矿井或一个煤层有一个开始发生突出的深度,当小于该深度时不会发生突出,当开采大于该深度时,就有发生突出的危险,在煤与瓦斯突出领域,该深度称为始突深度。始突深度一般取决于发生突出的最小瓦斯压力和井田构造状况,一般是瓦斯风化带的深度深一倍以上。

2)绝大多数突出发生在煤巷掘进工作面见表1。

图8 煤与瓦斯突出发生充要条件

表1 煤巷掘进工作面瓦斯突出统计

需要指出的是,石门揭煤工作面突出次数少,并不代表石门揭煤突出危险小,危害轻,而是矿井石门揭煤次数少。在防突技术落后的20世纪60～70年代,几乎每次石门揭煤都要发生煤与瓦斯突出,而且一旦发生突出,往往发生特大型煤与瓦斯突出。我国的特大型突出几乎都是在石门揭煤工作面发生的。

回采面突出次数少,而且回采面突出多数为危害相对较小的压出型煤与瓦斯突出,但采面人员集中,短兵相接,容易造成特大人身伤亡事故,不可忽视。

3)石门突出危险性最大。在统计的9 845突出中,尽管石门突出次数少,但突出强度大,平均突出强度为316.5 t,是平巷平均突出强度50t的6倍以上,瓦斯喷出量超过数万立方米,波及范围广,易造成非常严重的重大事故。

而且从石门工作面距煤层2 m起至穿过煤层全厚而进入顶板或底板2 m止,整个揭穿过程都有危险,也曾发生过仅2 m厚煤层在石门揭穿过程中突出两次的实例。

在各种突出中,采面突出强度最小 ,平均突出强度为47.8 t。

4)煤层突出危险性随煤厚增加而加大(见表2)。

表2 煤层突出危险性统计

对同一矿区、同一矿井来说,突出煤层厚度越大,突出危险性也越大,特别是软分层的厚度的增加,突出的次数增多,突出度增大。

5)突出大多数发生在地质构造带(见表3)。

表3 地质构造带瓦斯突出统计

需要指出的是,对刚刚开始突出的突出矿井、突出煤层,突出几乎都和地质构造有关,而对突出已有几十年历史的严重突出矿井、突出煤层,当作业地点无地质构造时,也可能发生煤与瓦斯突出。

6)大多数突出前有作业方式诱导(见表4)。

7)突出前大多有突出预兆(见表5)。

多数煤与瓦斯突出事例发生前,都会出现各种不同的有声或无声预兆。

8)煤体破坏程度越高突出危险性越大(见表6)。

表4 作业方式诱导瓦斯突出统计

表5 瓦斯突出预兆统计

表6 煤体破坏瓦斯突出危险性统计

随着煤结构破坏程度的增大,煤的空隙体积增大,煤的强度减小,煤的瓦斯解吸和放散初速度增大。煤强度的减小,连结力和内摩擦角减小,使得煤在地压和瓦斯压力作用下更易于破碎,减少了破碎煤所需要的功。解吸速度的提高,使煤的瓦斯能量释放速度加快。以上这些因素都为煤和瓦斯突出创造了有利条件。

焦作工学院、丰城矿务局等单位将不同类型的破坏煤厚度与煤层总厚度之比,称为揉皱系数、软煤比也列入突出地质指标,其目的是将地质指标定量化,其公式为:

式中:

R—揉皱系数;

mⅤ—V类煤厚度,m;

mⅣ—Ⅳ类煤厚度,m;

mⅢ—Ⅲ类煤厚度,m;

m—煤层总厚度,m。

一般认为:R≤0.2时,无突出危险;0.2< R<0.5时,有突出威胁;R≥0.5时,有突出危险(即Ⅲ-V类煤占50%以上)。

9)煤层突出危险区常呈区域条带状分布。突出危险区呈带状分布。究其原因,目前的观点是突出危险区受到地质构造控制,而地质构造具有带状分布的特征,如断层、向斜轴部、火成岩侵入地区、煤层扭转地区、煤层产状急剧变化、压性及压扭性断层地带、煤层构造分岔、顶底板阶梯状凸起地区,特别是软分层变厚地区和各种地质构造交汇处都是突出点密集地区,发生大型甚至特大型突出地区。

采掘形成的应力集中带,如采掘工作面邻近煤柱、采止线、两条巷道贯通之前的应力集中带,相向采掘的两工作面互相接近的采煤工作面集中应力带内煤层突出危险性增大。这些地区往往也有带状分布的特点,在这些地带不仅突出频繁,而且极易发生大强度煤与瓦斯突出。

10)突出危险性随着有硬而厚的围岩存在而增大。主要是硅质灰岩和砂岩等坚硬岩层的存在,有时造成巷道或工作面支架大面积不接顶,给弹性潜能的积聚创造条件,同时增大工作面前方应力梯度。

[1] 张子敏.瓦斯地质学[M].徐州:中国矿业大学出版社,2009:240-241.

[2] 抚顺煤炭科学研究院.山西柳林兴无煤矿有限公司4#、5#煤层煤与瓦斯突出危险性鉴定报告[R].抚顺:抚顺煤炭科学研究院,2008.

[3] 河南理工大学.山西柳林庄上煤矿有限公司瓦斯涌出量预测及抽放可行性研究报告[R].焦作:河南理工大学,2009.

[4] 全国煤矿瓦斯地质图编制技术工作组.煤矿矿区矿井采掘工作面瓦斯地质图编制方法[G].北京:2009:13-15.

[5] 张子敏,张玉贵,卫修君,等.编制煤矿三级瓦斯地质图[M].北京:煤炭工业出版社,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

张赟兰 女 1966年出生 2009年毕业于太原理工大学 助理工程师 太原 030045