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青龙煤矿9 号煤层瓦斯赋存影响因素及涌出量预测

2022-07-25冯雨涛

煤炭与化工 2022年6期
关键词:青龙断层煤层

冯雨涛

(冀中股份内蒙公司盛鑫煤业有限责任公司,内蒙古 鄂尔多斯 017000)

0 引 言

煤炭资源是保障我国国民经济发展的重要资源之一,瓦斯在煤炭开采过程中涌出,严重影响煤炭的高效生产。随着浅部煤炭资源的逐步枯竭,开采深度逐年增加,地质条件越来越复杂,瓦斯问题越来越突出。瓦斯伴随着煤炭的演化作用生成的,生于、存储于煤层及其围岩中,以CH4为主要成分[1-2]。许多专家学者针对瓦斯的赋存规律及影响因素进行研究,取得了一系列的成果,形成了瓦斯地质相关理论。在借鉴学习前人的基础上,以青龙煤矿为工程背景,结合井田地质勘探的瓦斯地质资料,对影响9 号煤层瓦斯赋存因素进行分析,得到影响瓦斯赋存的主要因素,并结合得到的瓦斯分布规律,进而预测9 号煤层在开采过程中的瓦斯涌出量,对矿井的开采过程中开采规划、瓦斯防治提供基础数据,从而指导青龙煤矿生产活动。

1 工程概况

山西冀能青龙煤业有限公司青龙煤矿位于南距太原市区20 km,西距阳曲县城8 km,隶属阳曲县黄寨镇及东黄水镇管辖,该矿处于矿井基建阶段,设计生产能力为0.9 Mt/a,由于煤层埋藏较深,开拓方式均为立井开拓。该井田含煤地层包括二叠系下统山西组、石炭系上统太原组及石炭系中统本溪组,可采煤层主要赋存于太原组和山西组,可采煤层为6 层煤,首采煤层为9 号煤层,埋藏深度为390 ~650 m,煤层厚度为1.60 ~6.50 m,平均为4.79 m,其中煤层中含0 ~3 层夹矸,煤层结构相对简单,赋存于山西组下部,上距K4 砂岩45.5 ~79.75 m,平均60.04 m,下距11 号煤层9.06 ~14.68 m,平均12.83 m。煤层直接顶板为粉砂岩或砂质泥岩,底板粉砂岩或细粒砂岩。该井田断层主要可分北东、北西向两组,其中北西向断层多切割、错断北东向断层,北西向断层控制了井田的基本构造格架,北西向断层Fp4、Fp5、F29、F13、Fp2断层将井田分成Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ5 个小区。

2 瓦斯赋存及影响因素

2.1 瓦斯赋存分析

瓦斯作为一种气体储存在煤层中,影响煤层瓦斯含量及其分布规律的地质因素有很多,主要有地质构造、煤层的埋藏深度、煤层的顶底板岩性、煤层厚度等其它因素。由于影响因素较多,即使同一煤层中瓦斯赋存特征也会有差别,同一矿井的不同煤层瓦斯赋存也会不同,瓦斯含量及分布规律由上述影响因素综合影响造成,但各控制因素的影响程度是不同的[3]。

2.2 瓦斯赋存影响因素分析

通过对青龙煤矿井田地质勘探的瓦斯地质资料收集,并结合现场情况进行分析,影响该矿瓦斯赋存影响因素如下。

2.2.1 煤层的埋藏深度

煤层埋藏深度是影响瓦斯赋存规律的重要因素[4],据统计,随着埋藏深度的增加,地应力随深度的增加而增加,煤层顶底板岩性致密度更加紧密,不利于瓦斯的逸散,9 号煤层埋藏深度为390~650 m,随着9 号煤层埋藏深度的增加,瓦斯的含量相应的增加。

2.2.2 地质构造

断裂构造是地应力使岩层发生脆性变形的一种表现,不同类型、不同力学性质的断层对瓦斯的保存和排放有不同的影响。由于断层的存在,煤层的连续、完整性被破坏,瓦斯的储存条件发生变化。开放性断层因构造力的释放,断层面附近形成低压区,瓦斯逸散出去,瓦斯含量和瓦斯涌出量相对比较低;反之封闭型断层密封性较好,瓦斯含量和瓦斯涌出量相对比较高[5-6]。青龙矿区内共发现断层38 条,断层性质以高角度正断层为主,仅F25 为逆断层。其中,落差≥100 m 的断层4 条,≥50 ~100 m 的断层2 条,≥30~50 m 的断层4 条,>10~30 m 的断层6 条,≤10 m 的断层22 条。北西向断层控制了井田的基本构造格架,其中北西向断层Fp4、Fp5、F29、F13、Fp2将井田分成5 个小区,断层构造是影响青龙矿区瓦斯赋存的关键地质因素。

2.2.3 顶底板岩性

在瓦斯赋存规律中发现,煤层顶底板围岩的透气性,直接影响着瓦斯的赋存、运移,致密且裂隙不发育的泥岩,有助于储存瓦斯。9 号煤层的顶板为粉砂岩或砂质泥岩,底板为粉砂岩或细粒砂岩,主要为致密结构细碎屑岩,渗透性差,有利于瓦斯的保存,阻碍了煤层瓦斯的逸散。

3 瓦斯赋存规律分析

为了探究瓦斯煤层赋存规律,在青龙矿区布置测点,得到了9 号煤层瓦斯测定结果,9 号煤瓦斯含量0.89 ~ 5.29 m3/t,平均2.63 m3/t,瓦斯成分中CH4占0.00~65.67%,平均18.06%。9 号煤层瓦斯成分CH4平均18.06%,氮气平均72.69%,为N2、N2—CH4、N2—CO2带。

表1 9 号煤层瓦斯含量及成分测定成果Table 1 Gas content and composition determination results of No.9 coal seam

瓦斯含量分布与煤层埋深、断层分布特征关系密切,煤层埋深越大瓦斯含量越大,埋深较大区域个别点受断层带的影响瓦斯含量较低;9 号煤由浅部至深部,瓦斯含量逐渐增高;在F29 与F1-1 断层之间表明尤为明显,与煤层埋深规律一致。依据9 号煤层的埋藏深度以及瓦斯含量梯度,绘制了9号煤层瓦斯含量等值线图,平面上各可采煤层在F29 断层以东瓦斯含量较低,以西较高。9 号煤瓦斯含量等值线图如图1 所示。

4 瓦斯量预测

为了保障青龙煤矿的安全生产,依据矿井瓦斯赋存规律及生产规划,利用分源预测法对矿井瓦斯涌出量进行了合理预测,对矿井回采(包括开采层、围岩和邻近层)、掘进及采空区瓦斯涌出量进行计算,并结合河南理工大学编制的《山西冀能青龙煤业有限公司9 号、11 号和13 号煤层瓦斯涌出量预测》报告(以下简称“瓦斯涌出量预测”),预测结果为:青龙煤矿在开采9 号煤层时,矿井最大绝对瓦斯涌出量为10.64 m3/min,最大相对瓦斯涌出量为5.62 m3/t;回采工作面最大绝对瓦斯涌出量为3.42 m3/min;掘进工作面最大绝对瓦斯涌出量为1.22 m3/min。山西冀能青龙煤业有限公司青龙煤矿目前处于矿井基建阶段,瓦斯地质参数较少,建议在开拓至新水平、新采区时,补充测定瓦斯参数,并根据测定结果和采掘方案调整情况,及时修正矿井瓦斯涌出量预测结果。

图1 9 号煤瓦斯含量等值线图Fig.1 Gas content contour map of No.9 coal

5 结 论

通过对青龙煤矿9 号煤层瓦斯赋存影响条件进行分析,并根据测定结果得到9 号煤层瓦斯含量等值线,对煤层开采过程中瓦斯涌出量进行预测。

(1) 9 号煤层瓦斯赋存影响因素主要有煤层的埋藏深度、地质构造断层、顶底板岩性等因素;埋藏深度、断层影响瓦斯赋存的关键地质因素。

(2) 开采9 号煤层时,矿井最大绝对瓦斯涌出量为10.64 m3/min,最大相对瓦斯涌出量为5.62 m3/t;回采工作面最大绝对瓦斯涌出量为3.42 m3/min;掘进工作面最大绝对瓦斯涌出量为1.22 m3/min,可为青龙煤矿在开采规划、瓦斯防治提供基础数据。

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