漳村煤矿3号煤层瓦斯赋存规律及控制因素分析

2019-11-22朱加锋苟云用

煤 2019年11期

朱加锋，苟云用

(1.潞安矿业集团公司通风处，山西长治 046204；2.潞安环能股份公司漳村煤矿，山西长治 046032)

矿井瓦斯既是绿色能源又是煤与瓦斯突出的主要动力。如何准确预测矿井中的瓦斯赋存和分布，不仅对于矿井安全采掘，而且对于煤层气绿色开采具有重要意义，因此备受煤矿工程技术人员和学者的重视。自20世纪70年代起，瓦斯地质逐渐被人们认识并不断拓展，成为揭示煤层瓦斯赋存、运移和分布的应用科学[1]，一系列方法和技术被应用于瓦斯地质规律预测中，曹运兴等[2-5]提出了瓦斯地质单元复杂程度预测方法，并据此建立了不同的瓦斯地质模型预测瓦斯分布和涌出量规律，进而认识到构造煤和地质构造是影响和控制瓦斯突出的主要因素；张子敏等[6-7]提出了三级瓦斯地质编图与瓦斯治理方法，指出矿井瓦斯地质赋存和分布一方面受制于区域构造及演化，另一方面与矿井地质构造条件有关。

漳村煤矿随着矿井采深的不断增加，瓦斯含量及压力逐渐增大，成为煤矿安全生产的主要威胁，揭示新采区(+480 m水平)矿井瓦斯分布规律和地质控制因素显得尤为重要。众多学者对此做了大量工作：王尧等[8]研究了漳村煤矿3号煤层浅部的瓦斯地质规律，认为井田上覆基岩对煤层瓦斯的影响作用明显；张利军[9]研究了漳村矿西区瓦斯地质规律，得出瓦斯赋存主要受基岩和煤层埋深因素影响；包小龙等[10]研究了2601工作面的瓦斯含量及涌出量分布。然而，随着采深的增加，矿井地质条件逐渐复杂化，深部瓦斯地质规律明显不同于浅部，需要进一步研究瓦斯赋存的特殊性。基于此，本文以漳村煤矿+480 m水平深部为研究对象，通过瓦斯地质规律分析，建立瓦斯地质耦合模型，揭示瓦斯地质影响及控制因素，为漳村煤矿瓦斯抽采和防治提供指导。

1 地质背景

漳村煤矿位于潞安矿区中部东缘，北以文王山断层为界，南邻常村煤矿，西接余吾煤业，整体为一西窄东宽的矩形；井田地层整体平缓，倾角一般为3°～8°，主要为奥陶系中统峰峰组(O2f)、石炭系中统本溪组(C2b)、石炭系上统太原组(C3t)、二叠系下统山西组(P1S)和下石盒子组(P1X)、二叠系上统上石盒子组(P2Sh)和第四系(Q)。目前主采二叠系下统山西组(P1S)的3号煤层，厚度4.1～7.2 m，平均厚度6.11 m，结构比较简单，局部地区略微复杂，一般含夹矸1～2层；矿井绝对瓦斯涌出量为36.12 m3/min，相对瓦斯涌出量4.73 m3/t，属高瓦斯矿井。

井田内构造以褶皱为主，主要构造为陷落柱(>40个)和正断层(>110条)，其中规模相对较大的是井田北部的断层，主要由文王山南正断层和派生断层构成，整体走向为NEE向，文王山南断层落差在230～400 m；北部受文王山南断层的拖曳影响，地层走向由NS转为NEE向，倾向NNW，局部倾角可达15°，文王山南正断层及其伴生断层控制了井田构造发育特征。

2 区域构造演化及瓦斯赋存

瓦斯作为煤层的产物，煤体是它的唯一载体，煤层变形、变质等受地质演化的控制。大量的研究发现，区域构造不仅直接影响矿井构造，而且直接影响瓦斯赋存[11-13]。潞安矿区位于华北断块区吕梁-太行断块沁水块坳东部次级构造单元沾尚-武乡-阳城NNE向凹褶带中段，沁水盆地的东翼中部，晋获断裂带西侧，主体部分叠加长治新裂陷[6]。根据潞安矿区构造发育特征，主要分为NEE-NE向、NNE-SN向和NW向三组构造，演化分为5期，主要包括：①印支期，构造应力场主压应力方向为S-N向，形成近E-W向的隆起和断裂；②燕山运动早期，EW向主压应力作用，形成大型开阔褶皱；③燕山运动中期，在构造应力场作用下，主要是NNE向构造形成，发育晋获逆冲推覆构造；④燕山晚期-喜山期，NNE-SSW向挤压，形成NEE和NW向X型共轭剪破裂，构成地堑地垒组合；⑤古近纪及第四纪，应力场主要为NEE-SWW，NNW方向构造受到挤压作用。其中，燕山期潞安矿区广泛发育的岩浆运动及构造作用，不仅控制潞安矿区的构造特征并直接导致煤层气的生成，与杨起等[14]对华北矿区煤的变质作用的研究结果一致，燕山晚期及第四纪的构造应力转换是造成目前矿井瓦斯赋存的主要控制因素。

3 3号煤层瓦斯地质规律分析

3.1 瓦斯地质数据来源

漳村煤矿瓦斯地质数据主要来源于井下实测和地勘钻孔。通过收集和整理矿井瓦斯资料，共获得瓦斯含量数据90个，其中最大含量位于漳-91钻孔，瓦斯含量为13.40 m3/t，最小值为漳-90钻孔，含量仅为0.13 m3/t，临近区域内较大的瓦斯含量差异性说明漳村煤矿瓦斯赋存分布不均衡。

3.2 顶、底板岩性对瓦斯赋存的影响

在漳村煤矿地勘钻孔的基础上统计了3号煤层直接顶、底板岩性，其中伪顶和直接底厚度分别为0.33～8.5 m和0.2～21.5 m，岩性为炭质泥岩、泥岩、砂质泥岩和砂岩，瓦斯赋存与直接顶、底板岩性和厚度存在着直接关系。从伪顶和直接底在矿井分布观察发现，伪顶中间薄两边厚，局部成团块分布；直接底厚度由NE向SW递减，并且在文王山断层附近直接出现高值。由顶板和底板20 m范围内的泥岩厚度可以得出：井田范围内部瓦斯含量和涌出量都与顶板的泥岩厚度存在一定关系。

3.3 煤层埋深对瓦斯赋存的影响

影响煤层瓦斯含量的因素很多，其中煤层埋深是最有普遍性的因素之一[15-16]。漳村煤矿随着煤层深度的增加，围岩的透气性降低，地应力增高，瓦斯向地表运移距离相应增加，这些因素均有利于瓦斯赋存。

根据获得的钻孔地质资料，利用surfer软件绘制了漳村煤矿3号煤层埋深等值线图(见图1)。结果显示，3号煤层埋深自SE到NW增加，整体上呈现宽缓的波状起伏，在局部区域内埋深并不均一，其中在北部文王山断层附近埋深增加，而在矿井SW方向埋深变浅。

统计分析瓦斯含量(W)与对应煤层埋深(Hi)数据，然后进行线性回归(见图2)，建立如下数学模型：

W=0.024 3Hi-5.012 4

(1)

式中：Hi为煤层埋藏深度，m；W为瓦斯含量，m3/t。其中，每100 m的瓦斯含量梯度为2.43 m3/t，二者的相关性为0.412 9。

图2 漳村煤矿3号煤层瓦斯含量与埋深回归线

3.4 煤层上覆基岩有效厚度对瓦斯含量的影响

利用获得的钻孔资料，绘制了上覆基岩有效厚度等值线图(见图3)。由图3可知，上覆基岩厚度与煤层埋深趋势具有一致性，自S向N增大，其中在NW和中部基岩较厚。

图3 漳村煤矿3号煤层上覆基岩有效厚度等值线

由瓦斯含量与基岩厚度的关系，将瓦斯含量(W)与其对应基岩厚度(Hj)进行线性回归(见图4)，建立如下数学模型：

W=0.036 7Hj-9.819 1

(2)

式中：Hj为煤层上覆基岩有效厚度，m；W为煤层瓦斯含量，m3/t。每100 m的瓦斯含量梯度为3.67 m3/t，二者的相关性为0.684 1。

图4 漳村煤矿3号煤层含量与上覆基岩有效厚度回归线

4 矿井瓦斯不均衡分布的地质控制

4.1 断层对瓦斯赋存的控制作用

制约矿井瓦斯分布的因素较多，其中局部小构造是重要的控制性因素[17]。资料显示，漳村煤矿整体上属于宽缓的背向斜相间构造，对瓦斯含量影响较小。从矿井实际揭露的情况看，煤层内的小断层较为发育，其中小断层和文王山断层走向角度可以达到近似垂直。通过在断层上下测定的瓦斯含量发现，距离断层面越近，瓦斯含量越大，在水平延展区域内由断层性质得出不利于瓦斯保存，而结果发现在断层附近瓦斯含量异常大，可能是断层走向和现代构造应力场相互作用，从而对封闭瓦斯有利(图5(a))。断层的发育类型除了区域构造应力场分布造成的外，断层落差造成的岩性封闭也是造成瓦斯聚集的主要因素，其远高于同区域内的瓦斯含量值，而文王山南断层落差造成的岩性封闭(图5(b))及其区域内发育的地垒-地堑构造类型是造成瓦斯富集的主要原因。

4.2 陷落柱对瓦斯赋存的控制作用

漳村煤矿3号煤层陷落柱的水平切面近似椭圆形或圆形，从地震探测的结果看，陷落柱的长轴方向几乎全为近EW向，短轴方向为近NS向。通过对陷落柱发育的观测发现，在向斜线两侧300 m范围内岩溶陷落柱主要与向斜轴部的张性应力部位有关。陷落柱的分布对煤层及瓦斯影响明显，其基本特征可分为3类：第一类，陷落柱的发育造成局部产生无煤带，如X32陷落柱内的钻探结果显示为无煤结构(见图6(a))；第二类，由于陷落柱构造致使煤层变厚，如X24陷落柱使得2701-45钻孔内的3号煤层厚度增大(厚度达到6.02 m)，而在同区域内的漳-81钻孔显示其煤层厚度为5.3 m(见图6(b))；第三类，从采掘揭露陷落柱的整体情况看，陷落柱及其附近的瓦斯含量一般较小，如X23、X27陷落柱附近钻孔的瓦斯含量都低于该区域内同一埋深，分别为1.63 m3/t和1.02 m3/t(见图6(c))。因此， 3号煤层内陷落柱并不是影响瓦斯赋存的主要因素。

图5 断层对矿井瓦斯的控制作用

图6 陷落柱对煤层瓦斯赋存的控制

4.3 瓦斯赋存的主控因素分析

影响3号煤层瓦斯含量有不同的因素，由W=0.024 3Hi-5.012 4和W=0.036 7Hj- 9.819 1可以看出上覆基岩厚度、埋藏深度对瓦斯赋存影响较大。由于地表被第四季黄土层覆盖，表土层对瓦斯的运移和赋存影响不大，其次上覆基岩厚度与瓦斯赋存线性回归关系相关系数最大，综上可得：瓦斯含量赋存主控因素是上覆基岩厚度。