阳泉矿区保安煤矿15#煤层瓦斯地质规律研究

张 华卢永战李向革韩 颖

(1.河北工程大学资源学院,河北省邯郸市,056038;2.山西煤炭运销集团保安煤业有限公司,山西省阳泉市,045000;3.河南理工大学能源科学与工程学院,河南省焦作市,054000)

阳泉矿区保安煤矿15#煤层瓦斯地质规律研究

张 华1卢永战1李向革2韩 颖3

(1.河北工程大学资源学院,河北省邯郸市,056038;2.山西煤炭运销集团保安煤业有限公司,山西省阳泉市,045000;3.河南理工大学能源科学与工程学院,河南省焦作市,054000)

通过整理矿井地质勘探和开采测试揭露的瓦斯地质资料,利用瓦斯地质研究方法揭示矿井现开采15#煤层瓦斯地质规律。结果表明,15#煤层瓦斯含量总体随埋深增加而减小。究其原因,K2、K3和 K4石灰岩裂隙岩溶含水层是15#煤层直接充水含水层,在钻孔3-5及保-1处15#煤层陷落柱发育,由于陷落柱可能存在导水现象,使得含水层与煤层具有水力联系,在地下水运移过程中,煤层瓦斯也发生运移,造成煤层瓦斯含量降低。

瓦斯地质规律 地下水 地质勘探 保安煤矿

1 井田概况

保安井田位于沁水煤田东北边缘,阳泉矿区西部,井田面积约14 km2。地质储量1.86亿t,可采储量10677万t,生产能力150万t/a。含煤地层为石炭系太原组和二叠系山西组,可采煤层共6层,主采8#、15#煤层。15#煤层厚度3.32～5.27 m,平均3.91 m。井田总的构造形态为:西部地层走向近东西,倾向南,往东地层走向转为北西,倾向南西的单斜构造。经鉴定8#和9#煤层为突出煤层,15#煤为非突出煤层,矿井为煤与瓦斯突出矿井。煤层不易自燃,煤尘无爆炸危险性。

2 瓦斯采样与参数测试

采用MG-Ⅱ型密封罐进行矿井瓦斯采样,FHJ-2型野外解吸仪现场解吸测定瓦斯解吸量和损失量,样品送实验室测定残存瓦斯含量及自然瓦斯成分,并计算总瓦斯含量。由测试结果和15#煤瓦斯含量等值线图看15#煤层自然瓦斯(CH4)成分平均在83.06%～88.03%之间;15#煤层瓦斯(CH4)含量平均在1.803～12.006 m3/t(无水无灰基),见表1、图1。

图1 15#煤层瓦斯含量等值线图

表1 各煤层瓦斯测试成果汇总表

将15#煤层瓦斯等值线与煤层底板等高线迭加可看出:井田内北东向褶曲较发育,在构造转折部位(即应力比较集中部位)以及褶皱轴部叠加部位瓦斯含量较高。

3 15#煤层瓦斯地质规律研究

15#煤层瓦斯的赋存特征受各种地质因素控制,其中主要包括埋深及上覆岩厚度、煤层顶底板岩性和水文地质条件。

3.1 埋深及上覆岩厚度对15#煤层瓦斯赋存的影响

15#煤层瓦斯含量统计结果见表2。参照原始数据对矿井钻孔瓦斯含量进行筛选,将瓦斯浓度小于80%的数据和异常数据去掉。

表2 保安煤矿15#煤层地质勘探阶段瓦斯含量测定结果统计表

图2 15#煤层瓦斯含量与埋藏深度的关系散点图

依据表2回归分析瓦斯含量(y)与其埋藏深度(x1)的关系,相关系数R=0.9893,线性相关性较好,见图2。

建立了数学模型:

式中:x1——埋藏深度,m;

y——瓦斯含量,m3/t;

R——相关系数。

依据表2,回归分析瓦斯含量(y)与其上覆基岩厚度(x2)的关系(图3),线性相关性较好,相关系数R=0.7882。

图3 15#煤层上覆基岩厚度与瓦斯含量关系图

建立了数学模型:

式中:x2——上覆基岩厚度,m;

y——瓦斯含量,m3/t;

R——相关系数。

依据表2,回归分析瓦斯含量(y)与其煤层底板标高(x3)的关系,见图4。

建立数学模型:

式中:x3——煤层底板标高,m;

y——瓦斯含量,m3/t;

R——相关系数。

由数值拟合结果可知,埋深是控制瓦斯含量的基础,局部区域由于褶皱、陷落柱、地下水等因素的综合影响,瓦斯含量出现变化。15#煤层瓦斯含量随埋深增大总体呈现减小的趋势。

图4 15#煤层底板标高与瓦斯含量关系图

3.2 煤层顶底板对15#煤层瓦斯赋存的影响

经统计钻孔资料中泥岩厚度资料与瓦斯含量的关系见表3。

表3 煤层顶(底)板岩性统计

通过统计顶板内的泥岩厚度(x4)与对应瓦斯含量(y),排除其中异常数据,进行线性回归,瓦斯含量总的趋势随着泥岩厚度的增加而变大,见图5。

图5 15#煤层顶板泥岩厚度与瓦斯含量回归趋势线

建立数学模型:

式中:x4——顶板泥岩厚度,m;

y——瓦斯含量,m3/t;

R——相关系数。

可以看出,顶板泥岩厚度变化对瓦斯含量的影响较明显的。通过统计底板10 m内的泥岩厚度(x5)与对应瓦斯含量(y),进行线性回归相关性较差,故认为底板泥岩厚度变化对瓦斯含量的影响不明显。结合钻孔和拟合分析,井田内15#煤层瓦斯含量随着顶板泥岩厚度增加而增大,15#煤层的底板泥岩关系对瓦斯含量影响不大。

3.3 水文地质条件对15#煤层瓦斯赋存的影响

15#煤层的水文地质类型以岩溶充水顶板进水为主。含水层多夹杂泥岩或砂质泥岩,有裂隙发育但多被方解石充填,各个含水层均属富水性弱含水层。井田位于地表分水岭附近,排泄条件好,不利于大气降水下渗补给,加之井田内断裂构造不发育,且有稳定的隔水层存在,使各含水层间无水力联系。受水文地质条件控制影响,不利于煤层瓦斯逸散,使得煤层瓦斯含量较高。

4 15#煤层瓦斯含量分布及预测

通过以上定性、定量分析,找出了影响15#煤层瓦斯含量的不同因素关系,见表4。即:15#煤层底板标高、顶板内泥岩厚度、上覆基岩厚度、埋藏深度对瓦斯含量大小影响较大,相关系数都大于0.65,而底板10 m内泥岩厚度的影响较小,说明上覆基岩厚度和煤层埋藏深度是影响15#煤层瓦斯含量分布的重要因素。

通过煤层埋深与瓦斯含量之间的关系来求取含量更具有普遍意义,为了使预测值对实际工作更具有指导作用,因此利用含量与埋深之间的回归关系来预测瓦斯含量。

表4 15#煤层瓦斯含量与主要因素关系表

由以上分析,煤层埋深是影响保安煤矿15#煤层瓦斯含量的主要因素。由瓦斯含量与煤层埋深回归方程y= -0.0933x1+82.178得:816.49 m处的瓦斯含量趋势值是6 m3/t;795.05 m处的瓦斯含量趋势值是8 m3/t;773.61 m处的瓦斯含量趋势值是10 m3/t;752.18 m处的瓦斯含量趋势值是12 m3/t;730.74 m处的瓦斯含量趋势值是14 m3/t;709.3 m处的瓦斯含量趋势值是16 m3/t。

5 结论

15#煤层瓦斯含量总体随埋深增加而减小,究其原因,K2、K3、K4石灰岩裂隙岩溶含水层是15#煤层直接充水含水层,在钻孔3-5及保-1处15#煤层陷落柱发育,由于陷落柱可能存在导水现象,使得含水层与煤层具有水力联系,在地下水运移过程中,煤层瓦斯也发生运移,造成煤层瓦斯含量降低。地勘数据表明,越靠近陷落柱,钻孔瓦斯含量越低。以上规律将为矿井瓦斯治理措施选择、瓦斯灾害预防方案制定、工作面瓦斯预测和矿井安全生产提供理论依据。

[1]包剑影,苏燧,李贵贤.阳泉煤矿瓦斯治理技术[M].北京:煤炭工业出版社,1996

[2]胡殿明,林柏泉.煤层瓦斯赋存规律及防治技术[M].徐州:中国矿业大学出版社,2006

[3]于不凡,王佑安.煤矿瓦斯灾害防治及利用技术手册[M].北京:煤炭工业出版社,2000

(责任编辑 梁子荣)

Research of gas geological laws on#15 coal seam of Bao’an Coal Mine,Yangquanmining area

Zhang Hua1,Lu Yongzhan1,Li Xiangge2,Han Ying3
(1.School of Resources,Hebei University of Engineering,Handan,Hebei 056038,China;2.Bao’an Coal Mining Co.Ltd of Shanxi Coal Transportation and Sales Group,Yangquan,Shanxi 045000,China;3.School of Energy Science&Engineering,Henan Polytechnic University,Jiaozuo,Henan 054000,China)

Through collection of gas geological datum got frommine geological exploration and tryoutmining,the gas geological research method is used to bring to light the gas geological laws ofmining#15 coal seam.The results indicate that,gas content in#15 coal seam is getting lower along with the depth of coal seam underground.The reason is that,water-bearing strata of K2、K3、K4limestone fissured karst is the water filling resource directly to#15 coal seam.#15 coal seam downthrow column develops in 3-5drilling hole and Bao-1drilling hole.Due to the possible water flowing in downthrow columns,water connection exists between water-bearing strata and coal seams.With the water moving underground,coal seam’s gas is also moving,hence makes the gas content in coal seams reduced.

gas geological laws,underground water,geological exploration,Bao’an Coal Mine

TD712.6

A

张华(1983-),男,河北邢台人,注册安全工程师、采煤助工,河北工程大学采矿工程专业硕士研究生。