山西柳林縣下組煤層瓦斯地質(zhì)特征及影響因素

山西柳林縣下組煤層瓦斯地質(zhì)特征及影響因素

0上組8-1、8-2、9,10-10充填地層開采方案山西省是一個(gè)傳統(tǒng)的煤炭省份。煤炭開采歷史悠久。在大型煤田邊緣密集分布著大小不一、生產(chǎn)工藝滯后的小煤礦。由于歷史原因，對采煤量的調(diào)查較低，特別是隨著采礦深度的增加，導(dǎo)致影響煤礦安全生產(chǎn)的數(shù)據(jù)不足，如磚瓦、地下水、煤渣爆炸和采煤自發(fā)燃燒。無法正確捕捉深度磚瓦的情況，嚴(yán)重阻礙了煤炭安全工程的進(jìn)程。興無、金家莊煤礦位于山西省柳林縣城東南,為多個(gè)小煤礦整合的大型礦井,井田南北相接,生產(chǎn)能力均為120萬t/a。目前上組(3-5號)煤層開采已接近尾聲,急需為下組(8-1、8-2、9、10號)煤層的延深開采準(zhǔn)備工作。由于該區(qū)勘查時(shí)間較早,瓦斯基礎(chǔ)資料缺乏,特別是缺失瓦斯突出綜合指標(biāo)數(shù)據(jù),不能對礦井瓦斯做出準(zhǔn)確的預(yù)測和評價(jià)。據(jù)調(diào)查,目前開采上組煤層的興無、金家莊煤礦均為高瓦斯礦井,相鄰的沙曲煤礦為煤與瓦斯突出礦井。根據(jù)《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》要求,下組(8-1、8-2、9號)煤層開采前必須進(jìn)行煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性參數(shù)的勘查評價(jià)工作。本文依據(jù)已有的瓦斯基礎(chǔ)資料和新施工的10個(gè)補(bǔ)充鉆孔(金家莊礦鉆孔號為:JQ4、JQ2、JZ1、L30、L31;興無礦鉆孔號為:XQ1、XQ3、XW1、L26、L27)獲得的數(shù)據(jù),對區(qū)內(nèi)下組煤層瓦斯地質(zhì)規(guī)律進(jìn)行評價(jià),有利于消除礦井瓦斯災(zāi)害的隱患,提高煤礦安全生產(chǎn)的保障程度,減少礦井建設(shè)和生產(chǎn)(井巷、通風(fēng)費(fèi)用)投入,同時(shí),對減少空氣污染、保護(hù)大氣環(huán)境也具有重要意義。1煤層頂板賦存條件瓦斯在其形成過程中或形成以后必須被封存在煤層中才可能形成氣藏。影響瓦斯賦存的因素很多,現(xiàn)將主要影響因素對其控制作用分析如下。1.1/同埋深度組可采煤層埋深一般而言,煤層中的瓦斯壓力隨著埋藏深度的增加而增加。隨著瓦斯壓力的增加,煤與巖石中游離瓦斯量所占的比例增大,同時(shí),煤中的吸附瓦斯逐漸趨于飽和。由此可以推斷,在一定深度范圍內(nèi),煤層瓦斯含量亦隨埋藏深度的增大而增加;當(dāng)埋藏深度繼續(xù)增大時(shí),瓦斯含量增加的幅度將會減緩。區(qū)內(nèi)下煤組可采煤層埋深在200~540m(圖1),在東北部煤層埋藏較淺,不利于瓦斯保存;隨著煤層埋藏深度的增加,上覆地層逐漸加厚,增大了對瓦斯的封存作用,從而使瓦斯含量增大。因此,各鉆孔瓦斯含量在垂向上隨著深度增加有增大趨勢。1.2煤層頂板瓦斯含量的配置煤層圍巖對瓦斯賦存的影響,取決于它的隔氣和透氣性能。對瓦斯來講,煤層本身既是生氣層,又是儲氣層,當(dāng)煤層頂板巖性為致密完整的巖石時(shí),煤層中的瓦斯容易被保存下來;頂板為多孔隙或脆性裂隙發(fā)育的巖石時(shí),瓦斯容易逸散。在整個(gè)圍巖“系統(tǒng)”中,煤儲層的直接頂?shù)装鍖ν咚贡４鏃l件的影響較顯著,特別是煤層的頂板,它是封堵瓦斯的第一道屏障,對瓦斯的保存與富集起著決定性的作用。(1)8-1號煤層直接頂板為K2石灰?guī)r,厚1.60~5.30m,平均3.20m,東厚西薄,抗壓強(qiáng)度為69.0MPa,為剛性極好頂板,裂隙較發(fā)育,形成了良好的瓦斯逸散通道,致使8-1號煤層的瓦斯含量小于下伏各煤層;(2)8-2號煤層與8-1號煤層間夾一層泥巖、炭質(zhì)泥巖,厚0.80~1.50m,平均1.11m,南厚北薄,巖石易軟化,裂隙不發(fā)育,是較好的阻隔層,致使8-2號煤層的瓦斯含量普遍大于上覆8-1煤層;(3)9號煤層直接頂板為粉砂巖、砂質(zhì)泥巖、泥巖,厚3.34~10.80m,平均6.64m,東厚西薄,巖石易軟化,裂隙不發(fā)育,L31孔巖性為砂質(zhì)泥巖,抗壓強(qiáng)度為29.6MPa,為弱穩(wěn)定頂板,是較好的阻隔層,致使9號煤層瓦斯含量普遍大于上覆各煤層。1.3井田構(gòu)造水岸地質(zhì)的表現(xiàn)井田位于離柳礦區(qū)西部,三交—柳林單斜含煤區(qū)中南部,井田地層總體上為一單斜構(gòu)造,走向?yàn)楸蔽鳌蠔|向,傾向南西,地層傾角平緩,一般為3°～7°,井田內(nèi)未見巖漿巖侵入、未發(fā)現(xiàn)有斷層及陷落柱等構(gòu)造,井田構(gòu)造屬簡單類,有利于瓦斯賦存。1.4地下水流變學(xué)法水文地質(zhì)條件也是影響瓦斯賦存的一個(gè)重要因素。由于水文地質(zhì)條件分區(qū)性較強(qiáng),對瓦斯的控制作用各不相同(圖2)。東部為補(bǔ)給區(qū),地下水埋深較淺,活動性相對較強(qiáng),對瓦斯有運(yùn)移逸散作用;中西部位于柳林泉域的南部徑流區(qū),地下水位較高,地面有泉水出露,煤系及其上覆地層含水性弱,奧灰?guī)r溶含水層埋藏較深,含水性不均勻,據(jù)鄰區(qū)抽水試驗(yàn)含水性小,各含水層間隔水層隔水性好,特別是本溪組含鋁質(zhì)泥巖、石炭-二疊系各層泥巖,與各含水層組成平行復(fù)合結(jié)構(gòu),阻隔了含水層間水的垂向水力聯(lián)系,僅在斷層及構(gòu)造裂隙發(fā)育部位局部有導(dǎo)通的可能。根據(jù)區(qū)域規(guī)律地下水主要由南向北順層滲流,然后沿柳林泉等排出地表。各煤層均位于中統(tǒng)奧陶系石灰?guī)r巖溶水位以下,處于帶壓狀態(tài),瓦斯以吸附狀態(tài)賦存于煤的孔隙中,地層壓力通過煤中水分對瓦斯起封閉作用,地下水流向與瓦斯運(yùn)移方向基本一致,地下水排泄有可能將部分瓦斯帶出地表。綜上所述,勘查區(qū)東部煤層埋藏較淺、構(gòu)造簡單,破碎帶不發(fā)育、地下水埋深較淺活動性相對較強(qiáng),不利于瓦斯富集和保存,但對瓦斯賦存分布影響小。2特征：儲層2.1區(qū)域地質(zhì)情況本區(qū)下組煤累計(jì)煤層總厚4.90~9.02m,平均7.09m,含煤系數(shù)為7.37%;含主要可采煤層4層(8-1、8-2、9、10號煤層),可采煤層總厚4.52~7.66m,平均為6.23m,可采含煤系數(shù)6.47%。(1)8-1號煤層。在興無礦煤層厚度為0.70~1.14m,平均0.89m,東部厚西部薄,是穩(wěn)定的全區(qū)可采煤層,一般不含夾矸(圖3)。在興無礦南端到金家莊礦8-1與8-2號煤層合并為8號煤層。(2)8及8-2號煤層。在興無礦厚度為0.80~1.16m,平均0.94m,中東部稍厚,是穩(wěn)定的全區(qū)可采煤層,一般不含夾矸。8-1、8-2號煤層在興無礦南端到金家莊礦合并為8號煤層,厚度0.60~2.60m,平均1.47m,北厚南薄,西北角最厚。不含或含一層夾矸。(3)9號煤層。在興無礦厚度為1.32~2.20m,平均1.87m,金家莊礦為9、10號煤層合并區(qū),厚度3.01~5.37m,平均4.43m,總體為東南厚西北薄,含0~4層厚度為0~0.60m的夾矸,全區(qū)穩(wěn)定可采。(4)10號煤層。在興無礦厚度為1.21~2.80m,平均1.70m,中部偏東較厚,南北變薄,結(jié)構(gòu)簡單一般,一般不含夾矸,大部分可采。在金家莊礦井田內(nèi)與9號煤層合并。總之本區(qū)主要可采煤層厚度中等,穩(wěn)定性好,具有一定的生氣及儲氣潛力。2.2各組含量的對比從煤的物質(zhì)組成上看,殼質(zhì)組產(chǎn)氣率大于鏡質(zhì)組,鏡質(zhì)組產(chǎn)氣率大于惰質(zhì)組,殼質(zhì)組、鏡質(zhì)組的含量越高,瓦斯的含量也就越高。本區(qū)各煤層宏觀煤巖組份以亮煤為主,夾有鏡煤條帶和少量的暗煤,絲炭少見。顯微組分含量以鏡質(zhì)組為最高,殼質(zhì)組占少量,殼質(zhì)組+鏡質(zhì)組一般為44.6%~68.1%,平均56.43%。對瓦斯來說,這是比較有利的烴源條件。2.3煤層中瓦斯的形成煤的生氣能力和對瓦斯的吸附能力,一般隨煤化程度增高而增大。本區(qū)各煤層鏡質(zhì)組最大反射率變化在1.43%~1.63%,煤層煤化程度中等,為焦煤,達(dá)到了瓦斯的生氣高峰階段,在形成煤的過程中生成了大量的瓦斯。2.4煤礦儲層的性能2.4.1視密度的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)計(jì)算取得各煤層孔隙度根據(jù)實(shí)驗(yàn)室測定的真密度及視密度的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)計(jì)算取得,結(jié)果見表1。從表1可以看出本區(qū)各煤層孔隙度普遍較低,為2.86%~4.97%。2.4.2煤心滲透率及透率滲透率可以用來衡量像煤儲層這樣的多孔介質(zhì)允許流體通過的能力,受煤儲層物性各向異性強(qiáng)的特點(diǎn)影響,滲透率測試值一般變化較大。本區(qū)注入/壓降試井方法測試的煤儲層的滲透率為0.8090mD,屬于低滲透率儲層。滲透率的高低主要取決于煤層裂隙的發(fā)育情況,從煤心觀測來看,煤中割理較發(fā)育,次割理垂直于主割理,并受限于主割理;經(jīng)測試各煤層孔隙度普遍較低,就此推測,本區(qū)煤的滲透率低與裂隙密閉有關(guān)。2.4.3煤儲層瓦斯吸附能力的演化瓦斯主要以吸附狀態(tài)賦存于煤儲層中,吸附量的大小取決于煤對氣的吸附能力,而吸附能力又取決于煤的孔隙率、變質(zhì)程度以及儲層壓力和溫度。研究表明,甲烷分子與煤分子之間有著很強(qiáng)的物理吸附作用,以吸附態(tài)賦存于煤層中的甲烷構(gòu)成了瓦斯的主體(90%以上)。而煤的等溫吸附性質(zhì)決定了瓦斯與煤體的結(jié)合力度和離散速度。本區(qū)測試各可采煤層VL在27.23~37.14m3/t,呈自上而下逐漸增加的趨勢;PL在0.90~1.86MPa(表2)。上表說明各煤儲層對瓦斯的極限吸附量變化不大,綜合分析表明,該區(qū)煤層的儲氣能力中等,其中9號煤層較8號煤層吸附能力稍強(qiáng),吸附能力的變化與煤儲層后期構(gòu)造裂隙的發(fā)育有關(guān),煤儲層后生裂隙發(fā)育的吸附能力較強(qiáng),當(dāng)煤儲層處于構(gòu)造不發(fā)育的區(qū)段,后生裂隙不發(fā)育吸附能力較差。本區(qū)煤的蘭氏壓力偏高,有利于瓦斯的開發(fā)。2.4.4注入/壓降試井煤儲層壓力決定了瓦斯產(chǎn)出能力的大小。儲層壓力越高、臨界解吸壓力越大,氣井產(chǎn)量越大,采收率越高。本區(qū)試井煤儲層埋深為341.30~344.90m,進(jìn)行注入/壓降試井,儲層壓力梯度為0.421MPa/m,低于靜水壓力梯度。整體上評價(jià)本區(qū)儲層壓力屬于欠壓儲層。2.4.5煤儲層正常應(yīng)力場本次注入/壓降試井采用微型壓裂法測得煤儲層的閉合壓力,為煤儲層的最小主應(yīng)力,9號煤層最小主應(yīng)力為6.119MPa,地應(yīng)力梯度為1.794MPa/m,煤儲層處于正常應(yīng)力場中。綜合考慮分析各影響因素對瓦斯賦存的影響,結(jié)合煤儲層地質(zhì)特征,由于上下煤組間距41.42~65.65m,上組煤大部分都已采完,井下巷道縱橫交錯(cuò),不僅本煤層的瓦斯在不斷釋放,臨近下組煤層的瓦斯也通過圍巖裂隙有不同程度的釋放,本次下組煤層瓦斯實(shí)測數(shù)據(jù)比原勘探階段401孔8、9號煤層的低,認(rèn)為上組煤采空是造成下組煤層瓦斯減小的主要原因,對下組煤的瓦斯賦存規(guī)律起到主控作用。3煤層的含氣性3.1瓦斯多態(tài)性分布從成分上看,本區(qū)基本處于瓦斯風(fēng)化帶內(nèi),瓦斯成分以CH4為主,少量N2和CO2,微量的重?zé)N類氣體。本區(qū)CH4濃度在18.39%~94.03%,CO2濃度0.51%~64.01%,N2濃度在0.08%~68.20%,C2-C8值甚微。8-1號煤層瓦斯CH4占24.31%~93.30%,平均57.37%;8-2號煤層瓦斯CH4占18.39%~82.21%,平均62.22%;9號煤層瓦斯CH4占58.79%~94.03%,平均82.48%,以氮?dú)?沼氣帶為主,CH4成分有自上而下逐漸增加的趨勢,沼氣帶分布于區(qū)西南部,面積小不可采(圖4)。4突出的特點(diǎn)是莊重的頭發(fā)4.1開采4.1.1瓦斯溢出量本礦及周邊礦井主要開采山西組煤層,據(jù)調(diào)查2006-2011年與本礦相鄰生產(chǎn)礦井絕對瓦斯涌出量為0.64~479.91m3/min,一般70.19m3/min,相對瓦斯涌出量1.12~103.75m3/t,一般20.86m3/t;二氧化碳絕對涌出量0.19~8.07m3/min,一般3.02m3/min,相對涌出量0.51~3.99m3/t,一般1.75m3/t。4.1.2瓦斯突出事故案例根據(jù)資料顯示,除華晉焦煤有限責(zé)任公司沙曲礦曾于2003年4月25日和2003年4月27日發(fā)生過兩次瓦斯突出事故外,本礦和相臨其他礦井自投產(chǎn)開采以來尚未發(fā)生過瓦斯事故。分析其事故原因,是由于小斷距的F2正斷層在此斷開而形成瓦斯聚集空間,致使瓦斯在斷層處聚集而使?jié)舛仍龃?、壓力升?當(dāng)采煤機(jī)工作至此破壞了原有的斷層封閉系統(tǒng)致使力學(xué)平衡狀態(tài)遭到破壞而造成的瓦斯突出事故。4.1.3套層輸家上組煤層瓦斯含量東部低、西南部高,有隨煤層埋深增加而增大的趨勢,西部沙曲礦為瓦斯突出礦井(圖5)。4.2煤炭和磚瓦的突出風(fēng)險(xiǎn)分析4.2.1煤層厚度較大時(shí)危險(xiǎn)程度會增研究表明,在同一煤層中,煤與瓦斯突出點(diǎn)常分布在煤層厚度大或變化大的部位,煤層厚度較穩(wěn)定的多煤層礦井,隨著煤層厚度的增大,突出危險(xiǎn)程度會逐漸增大。本區(qū)8-1、8-2、9、10號煤層厚度變化不大。因此對煤與瓦斯的突出危險(xiǎn)性影響較小。依據(jù)厚度變化情況,9號煤層的煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性大于8-1、8-2號煤層。4.2.2ch4氣含量分布本區(qū)各煤儲層瓦斯含氣量及組分變化較大,總的趨勢是:(1)瓦斯分布規(guī)律基本以深部較大、淺部較小,各煤層隨埋藏深度加深有增高的趨勢;(2)9號煤層CH4氣含量最高,全區(qū)平均為4.61mL/g,8-1號煤層CH4氣含量最低,平均4.01mL/g,隨著埋藏深度的增加煤層中的CH4氣含量增高。本區(qū)基本處于瓦斯風(fēng)化帶內(nèi),在局部高瓦斯區(qū)可能有煤與瓦斯突出的危險(xiǎn),主要分布于甲烷(沼氣)帶內(nèi),即8-1煤層的西部、8-2煤層的西部、9號煤層的中部和西部;在其他低瓦斯區(qū)內(nèi),當(dāng)構(gòu)造應(yīng)力集中、煤層破碎時(shí),導(dǎo)致局部瓦斯積聚,容易發(fā)生煤與瓦斯突出。4.2.3煤與瓦斯的地質(zhì)條件煤與瓦斯突出不僅需要良好的瓦斯形成和保存的地質(zhì)條件,還需要具備瓦斯突出的地質(zhì)條件。大量的研究成果表明:幾乎所有的煤與瓦斯突出都間接或直接地與地質(zhì)構(gòu)造有關(guān)。研究區(qū)雖然構(gòu)造簡單,總體不具備煤與瓦斯突出的構(gòu)造條件,但在局部構(gòu)造帶應(yīng)力集中帶,由于瓦斯積聚存在煤與瓦斯突出的可能。4.3煤層鑒定應(yīng)當(dāng)先根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行鑒定礦井煤與瓦斯突出的指標(biāo)有:煤體結(jié)構(gòu)類型、瓦斯含量和瓦斯壓力等。國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局令第19號《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》第十三條規(guī)定,“突出煤層鑒定應(yīng)當(dāng)首先根據(jù)實(shí)際發(fā)生的瓦斯動力現(xiàn)象進(jìn)行。當(dāng)動力現(xiàn)象特征不明顯或者沒有動力現(xiàn)象時(shí),應(yīng)當(dāng)根據(jù)實(shí)際測定的煤層最大瓦斯壓力P、軟分層煤的破壞類型、煤的瓦斯放散初速度Δp和煤的堅(jiān)固性系數(shù)f等指標(biāo)進(jìn)行鑒定?！?.3.1瓦爾曼現(xiàn)象區(qū)內(nèi)本次施工的5個(gè)鉆孔均未發(fā)現(xiàn)有瓦斯噴出、涌出等動力現(xiàn)象的記錄。4.3.2煤層煤體結(jié)構(gòu)類型的劃分本區(qū)鉆孔煤心主要為原生結(jié)構(gòu)煤和碎裂煤,由于鉆探工藝所限,采煤過程中對煤心有不同程度的破壞,因此評價(jià)煤的結(jié)構(gòu)類型時(shí)將巖心鑒定類型降一級使用,即“Ⅰ~Ⅲ”改為“Ⅰ~Ⅱ”比較能真實(shí)反映煤層的結(jié)構(gòu)類型,各煤層煤體結(jié)構(gòu)見表3。4.3.3煤儲層正常應(yīng)力場本次注入/壓降試井采用微型壓裂法測得煤儲層的閉合壓力,為煤儲層的最小主應(yīng)力,9號煤層最小主應(yīng)力為6.119MPa,地應(yīng)力梯度為1.794kPa/m,煤儲層處于正常應(yīng)力場中。本區(qū)試井煤儲層埋深為341.30~344.90m,進(jìn)行注入/壓降試井,儲層壓力梯度為0.421kPa/100m,低于靜水壓力梯度,屬于欠壓儲層。由于勘探階段的限制,煤層瓦斯壓力的測定采用間接法。測定方法為由鉆孔煤心測定瓦斯含量,然后將煤心煤樣送實(shí)驗(yàn)室測定煤的吸附常數(shù)、灰分、水分、孔隙率以及視密度等煤層物理參數(shù),經(jīng)計(jì)算,本區(qū)下組煤層瓦斯壓力為0.029~0.454MPa,平均0.279MPa,均小于0.74MPa(表4)。4.3.4煤體瓦斯放散初速度煤的瓦斯放散初速度定量地反映了瓦斯從新揭露煤體中解吸、運(yùn)移出來的快慢程度。Δp的大小與煤的瓦斯含量大小、孔隙結(jié)構(gòu)和孔隙表面性質(zhì)等有關(guān)。在煤與瓦斯突出的發(fā)展過程中,瓦斯的運(yùn)動和破壞力,在很大程度上取決于含瓦斯煤體在破壞時(shí)瓦斯的解吸與放散能力。一般情況下煤體結(jié)構(gòu)越不完整,瓦斯放散初速度值越高,瓦斯突出危險(xiǎn)性也越大。金家莊礦和興無礦各煤層瓦斯放散初速度見表3。金家莊礦、興無礦煤層瓦斯放散初速度大于10mL/s的區(qū)域見表5,金家莊礦8號煤層的瓦斯放散初速度均小于10mL/s。4.3.5凝固性系數(shù)煤的堅(jiān)固性系數(shù)是反映煤體抵抗外力的綜合指標(biāo),取決于煤的組分、結(jié)構(gòu)、變質(zhì)程度等。煤的堅(jiān)固性系數(shù)越小,瓦斯突出危險(xiǎn)性也越大。金家莊礦煤層堅(jiān)固系數(shù)見表3,從表中可以看出各煤層煤的堅(jiān)固性系數(shù)均大于0.3,其中小于0.5的區(qū)域見表6。4.3.6突出綜合指標(biāo)對比根據(jù)安監(jiān)總煤裝162號《煤礦瓦斯等級鑒定暫行辦法》第三十七條:煤層瓦斯壓力P≥0.74MPa、煤的堅(jiān)固性系數(shù)f≤0.5、煤的破壞類型達(dá)到Ⅲ以上、煤的瓦斯放散初速度Δp≥10等全部指標(biāo)均處于臨界值范圍的確定為突出煤層,和“當(dāng)f≤0.3、P≥0.74MPa,或0.3<f≤0.5、P≥1.0MPa,或0.5<f≤0.8、P≥1.50MPa,或P≥2.0MPa的,一般確定為突出煤層”的標(biāo)準(zhǔn),評價(jià)本區(qū)下組煤層煤的堅(jiān)固性系數(shù)均大于0.3,瓦斯壓力均小于0.74MPa,其它指標(biāo)雖部分處于臨界