平煤十一矿瓦斯赋存规律研究

李喜员田慧玲

(1.平顶山天安煤业股份有限公司通风处,河南省平顶山市,467099; 2.平顶山工业职业技术学院,河南省平顶山市,467099)

平煤十一矿瓦斯赋存规律研究

李喜员1田慧玲2

(1.平顶山天安煤业股份有限公司通风处,河南省平顶山市,467099; 2.平顶山工业职业技术学院,河南省平顶山市,467099)

根据平煤十一矿瓦斯地质资料,运用瓦斯地质理论,研究了平煤十一矿的瓦斯地质规律,得出了矿井瓦斯赋存分布规律。在分析矿井地质构造分布特征的基础上,将井田划分为两个瓦斯地质单元,即发育较多封闭型逆断层的井田东翼为第Ⅰ瓦斯地质单元,瓦斯含量高;正断层为主的井田西翼为第Ⅱ瓦斯地质单元,瓦斯含量较Ⅰ单元低。通过定量逐步线性回归得到两个地质单元中瓦斯含量预测最优方程,得出在东翼第Ⅰ地质单元内煤层厚度、上覆基岩厚度对瓦斯赋存影响显著,在西翼第Ⅱ地质单元内顶板泥岩厚度、上覆基岩厚度对瓦斯赋存影响显著。

断裂构造 煤层厚度 上覆基岩厚度 顶板岩性 瓦斯赋存 瓦斯含量预测

1 矿井概况

平煤十一矿目前开采有丁5－6煤层、戊9－10煤层、己16－17煤层及局部可采的己14－15煤层。现有两个水平:一水平标高－180 m,二水平标高－593 m。

己16－17煤层位于山西组下部,为矿井主采煤层,局部分岔为己16和己17煤层,可采性指数0.96,厚度变异系数51.8%,煤层厚0.27～20.54 m,平均6.42 m,属基本全区可采的较稳定煤层。煤层结构简单,局部含矸1～3层。井田内煤层厚度变化趋势为东、中部厚,西部薄,浅部变化较大,中深部较稳定。其直接顶板为深灰色砂质泥岩和泥岩,直接底板为黑色泥岩和砂质泥岩,局部出现炭质泥岩伪顶和伪底。

2 井田地质构造分布特征与瓦斯地质单元划分

十一矿井田位于平顶山矿区西部,处于李口向斜西南翼,主体构造为浅部陡、深部缓、走向NW～SE、倾向NE的单斜构造。由于受NE挤压应力作用,在井田南段浅部形成一紧闭褶皱,地层变得很陡,倾角高达67°,局部出现直立甚至倒转现象;而井田深部的地层较缓,倾角一般为5°～8°,在走向上呈缓波状展布。受区域构造的影响,井田内及附近发育的锅底山正断层、艾山逆断层、边庄逆断层和张庄逆断层等大中型断层多为NW～SE向。断层性质如表1所示。十一矿井田内东西两翼地质构造差别较大,大的断层主要分布在东翼,如锅底山正断层、艾山逆断层、张庄逆断层、边庄逆断层等均分布在东翼,且以逆断层为主,西翼小断层较发育,以正断层为主。从矿井生产资料统计数据,己16－17煤层东翼瓦斯含量为3.23～13.16 m3/t,瓦斯压力为1.3～3.2 MPa;西翼瓦斯含量为2.28～10.38 m3/t,瓦斯压力为0.35～0.5 MPa。由于东、西两翼地质构造的差异性、瓦斯含量、瓦斯压力分布不均性,将十一矿东西两翼划分为两个瓦斯地质单元研究瓦斯赋存规律,矿井东翼为第Ⅰ瓦斯地质单元,矿井西翼为第Ⅱ瓦斯地质单元,如图1所示。

表1 主要断层特征一览表

图1 十一矿井田构造纲要图与瓦斯地质单元划分

3 矿井瓦斯赋存控制因素研究

3.1 断裂构造对瓦斯赋存的影响

开放型断层透气性较好,断层面附近由于构造应力释放而成为低压区,煤层瓦斯大量解吸,并从断层面逸散,所以开放型断层附近的瓦斯含量、瓦斯涌出量相对较小;封闭型断层封闭性较好,断层面附近应力集中,使附近瓦斯压力、瓦斯含量增大。

第Ⅰ瓦斯地质单元内发育有锅底山正断层、艾山逆断层、边庄逆断层和张庄逆断层等大中型断层多为NW～SE向,且以发育逆断层为主,逆断层占断层总数的64.2%,正断层占35.8%。该方向的断层在平顶山矿区长时期表现为受NW～SE向的挤压作用,煤体破坏严重,目前为封闭性构造,断层附近瓦斯含量较高。如艾山断层附近形成瓦斯富集带,瓦斯含量和涌出量随之增加,表现出煤层瓦斯含量和涌出量在距断层越近时也越大的趋势。如图2、图3所示。

第Ⅱ瓦斯地质单元以正断层为主,正断层占92.3%,逆断层占7.7%。由于正断层在引张拖拽的作用下,形成开放性区域,造成正断层影响区域内煤体裂隙发育,延展性比较好,有利于瓦斯沿着形成的裂隙通道排出释放。

断裂构造造成第Ⅰ瓦斯地质单元含量高于第Ⅱ瓦斯地质单元。从矿井生产资料统计数据也可以看出,己16－17煤层第Ⅰ瓦斯地质单元瓦斯含量为3.23～13.16 m3/t,第Ⅱ瓦斯地质单元瓦斯含量为2.28～10.38 m3/t,第Ⅰ瓦斯地质单元瓦斯含量高于第Ⅱ瓦斯地质单元瓦斯含量,符合上述分析。

图2 己16－17煤层艾山逆断层、锅底山断层位置图

图3 己16－17煤层艾山逆断层附近瓦斯含量的变化

3.2 顶板岩性对瓦斯赋存的影响

围岩对瓦斯保存的影响取决于他的隔气性能,透气性好的砂岩顶板有利于煤层瓦斯的逸散,煤层瓦斯含量相对较低;透气性差的泥岩、砂质泥岩顶板对煤层瓦斯的逸散起阻碍作用,含量相对较高。井田内细粒砂岩和中粒砂岩很少,仅存在于井田中浅部。一般来说,在相同的开采条件下当煤层顶板为致密完整的岩石,如泥岩、炭质泥岩、裂隙不发育的灰岩时,有利于瓦斯的赋存,瓦斯含量和涌出量就大;而顶底板为多孔隙或脆性裂隙发育的岩石,如砾岩、砂岩时,瓦斯就容易逸散有利于瓦斯的排放,砂质泥岩的隔气性比泥岩差,涌出量就会减小。

从统计的钻孔来看,第Ⅰ瓦斯地质单元64个钻孔中,己16－17煤层直接顶板岩层为泥岩或砂质泥岩的为41个,占64.1%;第Ⅱ瓦斯地质单元49个钻孔中,己16－17煤层直接顶板岩层为泥岩或砂质泥岩的为30个,占61.2%。因己16－17煤层底板基本上都是泥岩或砂质泥岩,所以己16－17煤层顶底板大多具有良好的密闭性,对瓦斯起到了很好的封存保护作用。统计了十一矿己16－17煤层顶板30 m范围内的泥岩厚度得到第Ⅰ瓦斯地质单元上覆泥岩厚度为10～24 m,第Ⅱ瓦斯地质单元上覆泥岩厚度集中在10～18 m,底板泥岩厚度小于第Ⅰ瓦斯地质单元,相比之下不利于瓦斯的赋存。为了更加系统地研究己16－17煤层顶板岩性与煤层瓦斯赋存含量及涌出量的关系,现将统计的顶板30 m的泥岩厚度及对应测点的瓦斯含量进行整理,并对数据进行分析,见图4。

图4 煤层瓦斯含量与顶板泥岩厚度关系

从图4可以看出,第Ⅰ瓦斯地质单元、第Ⅱ瓦斯地质单元内煤层瓦斯含量整体上具有随泥岩厚度相同的变化趋势,随着煤层顶板泥岩厚度的增加,瓦斯含量呈增加趋势。另外,十一矿己16－17煤层顶板一般为泥岩、砂质泥岩和砂岩,从此意义上说,瓦斯不易逸散出去也使瓦斯含量增大。

3.3 煤层厚度对瓦斯赋存的影响

瓦斯生成量的多少和煤层厚度直接相关,厚煤地段为瓦斯富集提供了场所。在构造应力作用下,煤层厚度变化不仅为瓦斯的赋存提供了封闭条件,形成相对瓦斯富集的块段,而且易于形成构造煤。煤层厚度变化越大,瓦斯分布不均衡性越明显,煤层厚度变化梯度一定程度上反映了瓦斯的变化梯度。

己16－17煤层有62.4%的煤层厚度集中在3.5～7.99 m,钻孔煤层厚度达到特厚煤层8 m以上的有24.9%,处于薄煤层和中厚煤层的煤层厚度所占比例均较小分别为6.7%和6%,由此可知己16－17煤层厚度和瓦斯较大,属于厚煤层,有利于瓦斯的保存。

己16－17煤层厚度和瓦斯含量对照关系见图5。由图5可以看出,总体上煤层厚度大的地方煤层瓦斯含量也相对较大,瓦斯含量的变化趋势与煤层厚度变化趋势基本一致,瓦斯含量和煤层厚度基本上呈正相关的关系,当然不排除有其他因素影响的情况下煤层厚度大时瓦斯含量反而较小的情况。这能在一定程度上说明煤层厚度是影响煤层瓦斯赋存的一个因素。

3.4 上覆基岩厚度对瓦斯赋存的影响

第四系地层一般厚度变化较大,主要为形成时间较晚的黄土层,松散且易于搬运、胶结性不好、孔隙度大、连通性好。煤层埋藏深度减去新生代第四系地层沉积厚度即为煤层的上覆基岩厚度。由于上覆基岩厚度变化大,造成煤系上覆地层垂向上变化较大,对煤层瓦斯赋存产生影响。现将统计的上覆基岩厚度及对应测点的瓦斯含量进行整理,并对数据进行相关性分析,见图6。

图6 己16－17煤层瓦斯含量与上覆基岩厚度关系

图6显示在第Ⅰ、第Ⅱ瓦斯地质单元内总体上上覆基岩厚度大的地方煤层瓦斯含量也相对较大,瓦斯含量的变化趋势与上覆基岩厚度变化趋势基本一致。

4 井田瓦斯含量预测

通过上述分析断裂构造控制局部的瓦斯赋存和瓦斯的分带性,在同一个瓦斯地质单元内,存在一种或几种主要因素控制着煤层瓦斯整体分布。下面运用逐步回归方法找到各瓦斯地质单元最优预测模型。

4.1 第Ⅰ瓦斯地质单元瓦斯含量预测

顶板岩性、煤层厚度、上覆基岩厚度都影响着煤层瓦斯赋存,选择瓦斯含量y为因变量,顶板30 m范围内泥岩厚度x1、煤层厚度x2和上覆基岩厚度x3为自变量,十一矿瓦斯含量及地质因素测试数据如表2所示。运用逐步回归模型建立第Ⅰ瓦斯地质单元瓦斯含量和各因素之间的最优回归模型。

复相关系数是测量一个变量与其他多个变量之间线性相关程度的指标,复相关系数越大,表明要素或变量之间的线性相关程度越密切;统计量是统计理论中用来对数据进行分析、检验的变量。

式(1)中,复相关系数R2＝0.977,统计量F＝28.24＞F0.95(3,4)＝6.59,这时回归方程效果是显著的。显著性水平为95%。

分别对3个自变量做显著性分析:

顶板30 m范围内自变量泥岩厚度x1:统计量F1＝0.0628＜F0.95(1,4)＝7.71,说明自变量x1回归效果不显著;

自变量煤层厚度x2:F2＝13.937＞F0.95(1, 4)＝7.71,说明自变量x2回归效果显著;

自变量上覆基岩厚度x3:F3＝103.587＞F0.95(1,4)＝7.71,说明自变量x3回归效果显著。

从式(1)中剔除自变量x1,做多元线性回归得:

复相关系数R2＝0.966,统计量F＝42.391＞F0.95(2,4)＝6.94,这时回归方程效果是显著的。显著性水平为95%。

4.2 第Ⅱ瓦斯地质单元瓦斯含量预测

用同样的方法在第Ⅱ瓦斯地质单元进行逐步回归分析,建立最优的回归方程:

式(3)中,复相关系数R2＝0.745,统计量F＝10.22＞F0.95(2,8)＝4.46,这时回归方程效果是显著的。

分析表明,在第Ⅰ瓦斯地质单元内煤层厚度、上覆基岩厚度对瓦斯赋存影响显著,而在第Ⅱ瓦斯地质单元内泥岩厚度、上覆基岩厚度对瓦斯赋存影响显著。

表2 十一矿瓦斯含量及地质因素测试数据

5 结论

(1)由于矿井东、西两翼构造差异性和瓦斯分布不均性,把十一矿按东西两翼分为2个瓦斯地质单元,矿井东翼为第Ⅰ瓦斯地质单元,矿井西翼为第Ⅱ瓦斯地质单元。

(2)通过对各瓦斯地质单元瓦斯赋存控制因素研究,矿井第Ⅰ瓦斯地质单元发育大量封闭性逆断层,有利于瓦斯保存;矿井第Ⅱ瓦斯地质单元大部分是开放性正断层,有利于瓦斯逸散,从而造成第Ⅰ瓦斯地质单元瓦斯含量高于第Ⅱ瓦斯地质单元。各瓦斯地质单元中顶板岩性、煤层厚度、上覆基岩厚度对煤层瓦斯赋存都存在一定程度的影响,影响存在差异性。

(3)通过定量逐步回归分析,在第Ⅰ瓦斯地质单元内煤层厚度、上覆基岩厚度对瓦斯赋存影响显著,建立了瓦斯含量最优回归模型;而在第Ⅱ瓦斯地质单元内泥岩厚度、上覆基岩厚度对瓦斯赋存影响显著,建立了瓦斯含量最优回归模型。

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(责任编辑 张艳华)

Study on gas occurrence law of the 11thCoal Mine of the Pingdingshan Coal Mine Co.,Ltd.

Li Xiyuan1,Tian Huiling2
(1.The Ventilation Department of Pingdingshan Coal Mine Co.,Ltd.,Pingdingshan,Henan 467099,China; 2.Pingdingshan Industrial Vocational School of Technology,Pingdingshan,Henan 467099,China)

The gas geological law was studied by applying the gas geological theory according to the gas geological data of the 11thCoal Mine of Pingdingshan Coal Mine Co.,Ltd.and the gas occurrence law was obtained.Based on the analysis of the distribution characteristics of the geological structure of the mine,the mine field was divided into two geological units,which are the gas geological unitⅠwith higher gas content that has more developing closed type inverse faults in the east wing of the mine field and the gas geological unitⅡwith lower gas content that has more normal faults in the west wing of the mine field.The optimal equation to predict gas content through quantitative stepwise linear regression was obtained.The analysis results of the optimal equation showed that the thicknesses of coal seam and overburden bedrock significantly impact on the gas occurrence of the gas geological unitⅠin the east wing of the mine field and the thicknesses of mudstone in the roof and the overburden bedrock significantly impact on the gas occurrence of the gas geological unitⅡin the west wing of the mine field.

fault structure,coal seam thickness,overburden bedrock thickness,roof rock feature,gas occurence,gas content forecast

TD712.2

A

李喜员(1966－),男,山西神池人,硕士,高级工程师,长期从事煤矿通风管理方面的工作,现任平煤股份通风处处长。