金华山煤矿瓦斯地质规律

【摘 要】瓦斯地质规律研究是瓦斯预测、治理的基础.瓦斯富集的必要前提是生成、储集、封盖、保存等方面条件及其动态发展过程的有利配置,是构造因素控制之下诸多地质因素综合作用的结果.本文以金华山煤矿为例,分析了该煤矿构造、煤层煤质特征及瓦斯含量等资料,并逐一研究了该区煤级、构造、顶底板岩性特征、基岩厚度、煤厚等因素对瓦斯赋存的影响,进而对该煤矿瓦斯赋存的主要控制因素与瓦斯含量进行了定量研究,从而对煤矿范围内的瓦斯含量进行了预测,揭示了该区瓦斯赋存规律.

【关 键 词】金华山煤矿；瓦斯；赋存规律

0.井田概况

金华山煤矿位于渭北石炭二叠纪煤田铜川矿区东部,是铜川矿区东部的一个中型生产矿井.井田长约5.1km,宽约4.1km,面积21.8km2.矿井西距铜川市约20km,矿区有咸铜铁路运煤专线、305省道、铜（川）东（坡）公路通过,距305省道约4km,距铜川至东坡铁路运煤专线的红土镇车站约0.5km,交通较为方便.

1.地质条件

1.1地质构造

金华山煤矿在区域构造中位于鄂尔多斯地块南端、渭河地堑北缘.基本构造形态为一走向NE-NEE,倾向NW-NNW的单斜构造,平均角度5～9°,在单斜构造的基础上发育了次级不同方向的褶皱、断裂、层间滑动构造.

井田内的构造主要有两类：一类为断裂构造,以NE向平行斜列展出,倾角45～79°,落差小者1-2m,大者可达十余米.第二类为层间滑动构造,也称“滑矸”,此类称带状展布,方向以NW向为主.此两类构造对煤矿生产影响极大,断裂构造常造成工作面无法正常布置和回采,层滑构造常造成煤层变薄和无煤带.它不仅直接破坏了煤层厚度的稳定性,致使不可采薄煤带频繁出现,而且使煤层及其围岩完整性遭到破坏.

本井田断裂构造和层间滑动构造发育,对煤矿生产影响较大,为中等构造类型.

1.2煤层

井田内含煤地层为石炭系上统太原组和二叠系下统山西组,其5-2煤为主要可采煤层,厚度0～8.05m,平均3.42m,含夹矸0～3层,多为两层,夹矸以泥岩和炭质泥岩为主.煤层厚度与煤层结构自西向东,由浅至深厚度增大,结构趋向较复杂的现象.属于全区可采的较稳定煤层.其煤质为中灰、高硫、低磷、高热值煤.

2.瓦斯地质规律研究

2.1煤级对瓦斯生成的影响

本区煤级主要为瘦煤,在36钻孔以北为贫煤带,处于第二演化,第二阶段介于镜质组最大反射率为1.3～2.8%之间,包括焦煤、瘦煤、贫煤和无烟煤初期阶段,随煤级增高,最大含气量从18m3/t缓慢增至20m3/t左右.国内其他矿区或井田的同煤级现存煤层瓦斯含量平均约8m3/t,螺观山、洪山殿、丰城等矿区达到20m3/t左右,而本井田仅在勘探阶段测试过少数地面钻孔瓦斯含量,5-2煤实测煤层干燥无灰基瓦斯平均含量为2.01m3/t,远远小于国内平均水平.开采过程中总回风巷道实测绝对瓦斯涌出量平均为6.57m3/min,相对瓦斯涌出量最大值仅为6.02m3/t,属于低瓦斯矿井,究其原因,可能与后期的构造或沉积演化等因素有关,另井田南部煤层处于风氧化带上且常出露,造成瓦斯大量逸散.

2.2断层、褶皱构造对瓦斯赋存的影响

地质构造是影响煤层瓦斯赋存重要因素.目前总的认为,封闭型地质构造有利于封存瓦斯,开放型地质构造有利于瓦斯排放.

如前所述,本井田在单斜构造的基础上发育了次级不同方向的褶皱、断裂、层间滑动构造,构造中等,受这些构造影响,推测往往在向斜构造的轴部瓦斯含量一般较两翼高,而背斜的轴部瓦斯含量一般低于两翼；在正断层附近,由于断层面的开放性,瓦斯气体运移散失,造成含量降低.

井田内开采揭露的落差大于10m的断层有5条,以及一系列小断层,均为正断层,其中最大落差的断层走向115°,倾角75°,落差30m,而且这些断层使煤层及其围岩完整性遭到破坏,形成瓦斯散逸的良好通道,均不利于瓦斯的保存,对煤层瓦斯的赋存及分布均有不同程度的影响,如井田中间一条NE走向的大断层及伴生发育一系列小正断层,由于南部煤层埋藏较浅,以此为界天然的把该井田划分为南部和北部2个瓦斯地质单元,如南区的扩1、扩6、扩11孔瓦斯含量均较小于北区的基岩厚度相当的钻孔瓦斯含量,而北区扩16孔瓦斯含量最低,为0.39m3/t,这可能与其在正断层附近有关,造成瓦斯大量逸散.

2.3顶底板岩性对瓦斯赋存的影响

煤层顶、底板岩层的透气性控制煤层瓦斯的运移和赋存条件,煤层与围岩的透气性好,有利于瓦斯的运移和排放,因此瓦斯含量就小,反之,煤层与围岩的透气性差,则有利于瓦斯的保存.一般来说,当煤层顶板岩性为致密完整的岩石,如泥岩、页岩、油母页岩时,煤层中的瓦斯容易被保存下来；而当顶板多为孔隙或者脆性裂隙发育的岩石,如砾岩、砂岩的时候,瓦斯就容易逸散.此外,一定范围内的岩性组合以及形变特点对于瓦斯赋存也有影响.

据井田内钻孔及生产资料揭示,5-2煤层顶板岩性变化较大,但绝大多数地区煤层顶板为泥岩或砂质泥岩,局部为炭质泥岩；底板一般为泥岩,或泥岩之上尚有一薄层粘土岩（根土岩）.

本次统计了井田140多个钻孔的5-2煤顶板20m内的泥岩厚度,绘制了5-2煤顶板泥岩厚度等值线图.5-2煤顶板20m以内基本覆盖的是泥岩,厚度0-8m,占井田面积的80%以上,这些地区有利于瓦斯的赋存.

2.4煤层上覆基岩厚度对瓦斯赋存的影响

大量国内外研究证明,煤层的埋藏深度（上覆基岩）是影响煤层瓦斯的最主要的地质因素.在瓦斯风化带以下,无论是煤田、矿区,还是矿井,煤层瓦斯含量和瓦斯压力都无例外的随煤层的埋藏深度增加而增加.煤层埋深的增加,不仅因地应力增高而使煤层及围岩的透气性变差,而且瓦斯向地表运移的距离也增长,二者都有利于封存瓦斯.本次统计了金华山井田钻孔资料,包括坐标、孔口标高、松散层厚度、煤层底板标高,煤厚,采用关系式：上覆基岩厚度等于孔口标高-煤层底板标高-煤厚-松散层厚度,求得5-2煤上覆基岩厚度,并参考地形图,绘制上覆基岩厚度等值线图.金华山井田5-2煤层上覆基岩厚度从南到北逐渐加厚,相对来说,基岩厚的地方瓦斯含量可能较高,如扩22孔,基岩厚度为382.75m,瓦斯含量达到5.52m3/t（表1）.

2.5煤层厚度对瓦斯赋存的影响

瓦斯的逸散以扩散方式为主,空间两点之间的浓度差是其扩散的主要动力.根据费克定律和质量平衡原理建立的煤层甲烷扩散数学模型可知,在其他初始条件相似的情况下,煤储层厚度越大,达到中值浓度或者扩散终止所需要的时间就越长（韦重韬,1998）.煤储层本身就是一种高度致密的低渗透性岩层,上部分层和下部分层对中部分层有强烈的封盖作用,煤储层厚度越大,中部分层中瓦斯向顶底板扩散的路径就越长,扩散阻力就越大,对瓦斯的保存就越有利,这也许就是一些地区煤厚与含气量之间具有正相关趋势的根本原因.

本井田5-2煤层厚度为0.00～8.05m,平均3.42m,自西向东,由浅至深厚度增大,在某些地区瓦斯含量变化规律与此一致.

2.6水文对瓦斯赋存的影响

水文地质是影响瓦斯赋存的一个重要因素.瓦斯以吸附状态赋存于煤的孔隙中,地层压力通过煤中水分对瓦斯起封闭作用.因此,水文地质条件对瓦斯保存、运移影响很大.

本区水文地质条件简单,矿井涌水主要来自煤层上部的砂岩裂隙水,以顶板漏水、淋水为主,次为底板渗水.在断层或裂隙处有导水现象,进而也可以导气,瓦斯从开放的断裂通道中逸散.

3.瓦斯含量分布及预测研究

综上所述,影响瓦斯富集的地质因素较多,其间错综复杂,共同制约着煤层瓦斯含量,就某一个具体井田而言,其重要性不能等量齐观.

本井田仅在勘探阶段测试过少数地面钻孔瓦斯含量,5-2煤实测煤层干燥无灰基瓦斯含量介于0.39～5.52m3/t之间,平均为2.01m3/t,井田内5-2煤层上覆基岩厚度为8.69～578m,平均为316.6m,煤层埋深较浅,平均400m,井田南部煤层处于风氧化带且常见露头.

以南、北两区为瓦斯地质单元,考虑到扩16孔在断层附近,剔除该异常点,针对以上数据,可以看出煤厚、基岩厚度、顶板泥岩厚度与瓦斯含量的离散性较大（图3-1、3-2、3-3、3-4、3-5、3-6）,南、北两区顶板泥岩厚度甚至与瓦斯含量出现了负相关（图3-5、3-6）,以及南区基岩厚度与瓦斯含量的关系也呈负相关性,这可能与南区煤层埋藏浅,处于风氧化带有关.三者相较,瓦斯含量与煤层厚度的相关性,两区均较好,其中南区增加的梯度为0.2192m3/tm；北区增加的梯度为0.639m3/tm（表2）.

本文采用含气量与煤层厚度梯度法,对井田内南、北两区瓦斯含量分别进行预测,并考虑煤层露头、构造等因素,预测成果显示,南区预测瓦斯含量为0～1.46m3/t,平均0.72m3/t；北区预测瓦斯含量为0～5.26m3/t,平均2.35m3/t.

4.结论

基于金华山井田构造、煤层煤质特征及瓦斯含量、瓦斯涌出量等资料,分析煤级、顶底板岩性特征、基岩厚度、构造、煤厚等因素对于瓦斯赋存规律和瓦斯涌出规律的影响,对井田范围内的瓦斯含量进行了预测,主要取得了以下认识：

（1）本区自成煤作用以来受到多次的构造叠加,特别是地层的隆起和伸展构造作用,均不利于本区瓦斯的保存,造成了目前瓦斯含量较低的原因；

（2）受区域构造影响,井田内部发育的一系列正断层也不利于瓦斯的保存,造成瓦斯含量较低；

（3）根据瓦斯含量分布特征,结合构造和煤层露头及风氧化带划分南北2大地质单元；

（4）本次采用含气量与煤层厚度梯度法,对井田内南、北两区瓦斯含量分别进行预测,其中南区预测瓦斯含量为0～1.46m3/t,平均0.72m3/t；北区预测瓦斯含量为0～5.26m3/t,平均2.35m3/t.

[3]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.2009.4.

[4]韦重韬.煤层甲烷地质演化史数值模拟.徐州：中国矿业大学出版社,1999.

[5]张子敏,张玉贵,卫修君等.编制煤矿瓦斯地质图.北京：煤炭工业出版社,2007.12.

[6]张子敏.瓦斯地质学.徐州：中国矿业大学出版社,2009.5.

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