云頂煤業(yè)二1煤層瓦斯地質(zhì)規(guī)律研究

齊 瑞

(義煤集團(tuán) 新安縣云頂煤業(yè)有限公司，河南 洛陽 471800)

1 礦井概況

云頂煤礦位于洛陽市新安縣城北15km的石寺鎮(zhèn)境內(nèi)，屬新安煤田西翼淺部礦井之一。礦井采用斜立井混合開拓方式。主井凈直徑5m，深度555.5m;副井凈直徑5m，深549m。全井田共劃分為六個(gè)采區(qū)，其中，-6m水平上山采區(qū)兩個(gè)，-100m水平上山采區(qū)兩個(gè)，下山采區(qū)兩個(gè)。首采區(qū)為-6m水平東翼南三采區(qū)[1]。2008年1月河南理工大學(xué)煤礦安全工程技術(shù)研究中心，對(duì)南三采區(qū)二1煤層瓦斯突出危險(xiǎn)性進(jìn)行了鑒定。鑒定結(jié)果為：南三采區(qū)二1煤層無突出危險(xiǎn)性，為非突出煤層[3]。

井田內(nèi)煤系地層為石炭二迭系。其中，二迭系山西組底部發(fā)育的二1煤為本區(qū)唯一的普遍可采煤層。該煤層厚度較大，且在短距離內(nèi)變化也大，煤層傾角較平緩，基本屬于緩傾斜煤層。直接頂板為炭質(zhì)泥巖、泥巖、砂質(zhì)泥巖，間接頂板為灰色厚層狀中粒砂巖。底板以粉砂巖為主，有時(shí)相變?yōu)槟鄮r或細(xì)粒砂巖。

2 井田地質(zhì)構(gòu)造特征研究

云頂煤礦位于新安向斜的北翼，總體構(gòu)造形態(tài)為一單斜構(gòu)造，走向NE，傾向SE，傾角5°～10°。該井田構(gòu)造小斷層以正斷層為主，傾角較大。局部發(fā)育小褶曲，使煤層局部變薄或增厚。所在的新安煤田位于華北板塊南緣，華熊臺(tái)緣坳陷的澠池—確山拗陷褶斷束北西部。區(qū)域內(nèi)發(fā)育較大的褶曲構(gòu)造為新安向斜，斷裂構(gòu)造主要為一組北西—南東向或近東西向的張性斷裂。新安向斜北翼地層傾角平緩，一般6～14°，地層出露完整。井田構(gòu)造形態(tài)總體為一走向北東、傾向南東的單斜構(gòu)造，地層傾角一般5～10°;斷裂構(gòu)造以正斷層為主，均位于井田北部和西部邊界。本區(qū)無巖漿活動(dòng)，構(gòu)造復(fù)雜類型為簡(jiǎn)單型。

3 礦井瓦斯地質(zhì)規(guī)律研究

3.1 斷層、褶皺構(gòu)造對(duì)瓦斯賦存的影響

云頂煤礦位于新安向斜的西北翼，總體構(gòu)造形態(tài)為一單斜構(gòu)造，走向NE，傾向SE，傾角5～10°。井田構(gòu)造比較簡(jiǎn)單，小斷層以正斷層為主，傾角大于50°，逆斷層較少，，局部發(fā)育小褶曲，使煤層局部變薄或增厚，一般對(duì)瓦斯賦存影響不大。

3.2 頂、底板巖性對(duì)瓦斯賦存的影響

云頂煤礦二1煤層層位穩(wěn)定，頂板為細(xì)～中粒砂巖，局部偽頂為炭質(zhì)頁巖，老頂為厚層狀細(xì)～中粒長(zhǎng)石石英砂巖(大占砂巖);底板為砂巖或泥巖、頁巖。煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，一般含夾矸0～2層，厚0.1～0.3m?？傮w來說，二1煤層頂?shù)装逵欣谕咚沟囊萆ⅰ?/p>

3.3 煤層埋深及上覆基巖厚度對(duì)瓦斯賦存的影響

(1)煤層埋深對(duì)瓦斯賦存的影響

云頂煤礦目前測(cè)定的瓦斯含量數(shù)據(jù)缺乏。2007年礦方曾委托河南理工大學(xué)對(duì)南三采區(qū)二1煤層瓦斯突出危險(xiǎn)性進(jìn)行鑒定，其中有三組瓦斯壓力數(shù)據(jù)可靠，因而可采用《煤礦瓦斯抽采基本指標(biāo)AQ 1026-2006》規(guī)定的b)法計(jì)算瓦斯含量值，其計(jì)算公式為

式中 W——煤層瓦斯含量，m3/t;

a，b——吸附常數(shù);

P——煤層絕對(duì)瓦斯壓力，MPa;

Ad——煤的灰分，%;

Mad——煤的水分，%;

π——煤的孔隙率，m3/m3：

γ——煤的容重(假比重)，t/m3。

利用瓦斯壓力計(jì)算瓦斯含量結(jié)果見表1。

表1 瓦斯含量間接測(cè)定結(jié)果表

跟據(jù)現(xiàn)有的瓦斯含量資料，繪制二1煤層瓦斯含量與埋深關(guān)系散點(diǎn)圖(圖1所示)。

(2)煤層上覆基巖厚度對(duì)瓦斯賦存的影響

煤層上覆基巖厚度為煤層埋藏深度減去第四系地層沉積厚度。第四系地層主要為黃土層，一般分布于地表，膠結(jié)性不好，孔隙度大，連通性好，容易釋放瓦斯。由于第四系松散沉積物易于搬運(yùn)，厚度變化較大，這就造成煤層上覆地層垂向上變化較大。在第四紀(jì)松散沉積厚度較小、垂向差異不大的礦井，上覆基巖厚度對(duì)瓦斯的影響比較小。井田內(nèi)第四系厚度分布變化不大，因此，基巖厚度與煤層埋深對(duì)煤層的瓦斯賦存影響具有對(duì)應(yīng)性。

圖1 二1號(hào)煤層瓦斯含量與埋藏深度散點(diǎn)圖

3.4 水文地質(zhì)條件對(duì)瓦斯賦存的影響

本礦床為充水裂隙充水礦床，充水方式為頂板直接充水或底板直接充水，該礦水文地質(zhì)條件屬簡(jiǎn)單～中等類型，即東翼淺部水文地質(zhì)條件簡(jiǎn)單，西翼深部水文地質(zhì)條件中等。井田含水量不大，徑流，排泄條件均較好，有利于瓦斯的逸散，本井田水文地質(zhì)條件對(duì)瓦斯賦存影響較小。

3.5 瓦斯含量分布及預(yù)測(cè)研究

通過分析可知，煤層埋深對(duì)二1煤層瓦斯含量影響較大。根據(jù)二1煤層的測(cè)定結(jié)果及煤層瓦斯含量與埋深關(guān)系散點(diǎn)圖，可知二1煤層的瓦斯分布規(guī)律為：

二1煤層含氣量與煤層埋藏深度之間離散性良好，總體上瓦斯含量具有隨埋深增加而加大的趨勢(shì)，兩者之間遵循式(3-2)所示的統(tǒng)計(jì)關(guān)系：

式中：

X——煤層瓦斯含量，m3/t;

H——煤層埋藏深度，m。

由以上分析，利用二1煤層埋深與瓦斯含量的回歸關(guān)系預(yù)測(cè)煤層瓦斯含量，二1煤層瓦斯含量梯度達(dá)2.20m3/t/100m。依據(jù)礦井初步設(shè)計(jì)，二1煤層埋深約在320-600m之間[4]，由式(3-2)可得不同的埋深所對(duì)應(yīng)的瓦斯含量為：煤層埋深392m處的瓦斯含量趨勢(shì)值是3m3/t;煤層埋深436m處的瓦斯含量趨勢(shì)值是4m3/t;煤層埋深479m處的瓦斯含量趨勢(shì)值是5m3/t;煤層埋深523m處的瓦斯含量趨勢(shì)值是6m3/t;煤層埋深566m處的瓦斯含量趨勢(shì)值是7m3/t。

4 煤與瓦斯區(qū)域突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)

4.1 單項(xiàng)指標(biāo)、綜合指標(biāo)測(cè)定結(jié)果

根據(jù)云頂煤礦二1煤層南三采區(qū)回風(fēng)上山、膠帶上山、東軌道石門及副立井底測(cè)定的有關(guān)突出危險(xiǎn)性指標(biāo)，結(jié)合煤層瓦斯基礎(chǔ)參數(shù)，計(jì)算得出云頂煤礦二1煤層各測(cè)定地點(diǎn)的突出危險(xiǎn)性單項(xiàng)指標(biāo)、綜合指標(biāo)如表2，表3所示。

表2 各測(cè)定地點(diǎn)突出危險(xiǎn)性單項(xiàng)指標(biāo)法指標(biāo)測(cè)值

表3 各測(cè)定地點(diǎn)突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)綜合指標(biāo)法指標(biāo)計(jì)算結(jié)果

4.2 煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性分析

在4個(gè)測(cè)定地點(diǎn)，埋深小于570m，二1煤層的破壞類型?、躅?，堅(jiān)固性系數(shù)f=0.10～0.40，瓦斯放散初速度指標(biāo)△P=17～18，瓦斯壓力0.32 ～0.63MPa，單項(xiàng)預(yù)測(cè)指標(biāo)未全部超過臨界值;綜合指標(biāo) D=-15.435 ～ -1.939，K=42.5 ～180，指標(biāo)未全部超過臨界值。因此，根據(jù)單項(xiàng)指標(biāo)和綜合指標(biāo)鑒定結(jié)果，在南三采區(qū)回風(fēng)上山統(tǒng)尺400m、480m和925m處及副立井底4個(gè)測(cè)定地點(diǎn)，不具有瓦斯突出危險(xiǎn)性。進(jìn)而預(yù)測(cè)井田南三采區(qū)二1煤層無煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性。

5 結(jié)論

(1)研究了礦井瓦斯地質(zhì)規(guī)律

新安煤田位于華北板塊南緣，華熊臺(tái)緣拗陷的澠池—確山陷褶斷束北西部。從地質(zhì)構(gòu)造、頂?shù)装鍘r性、煤層埋深、水文地質(zhì)等因素進(jìn)行分析，研究各因素對(duì)瓦斯賦存的影響。礦井煤層瓦斯含量整體上隨煤層埋深增加而增大。二1煤層瓦斯含量與埋深的數(shù)學(xué)模型為：X=0.021H-5.1232。

(2)煤與瓦斯區(qū)域突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)

根據(jù)預(yù)測(cè)地點(diǎn)各項(xiàng)已知參數(shù)，計(jì)算出了各點(diǎn)單項(xiàng)指標(biāo)和綜合指標(biāo)。由結(jié)果可知，各項(xiàng)預(yù)測(cè)指標(biāo)均未全部超過臨界值，井田南三采區(qū)二1煤層無煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性。

[1]洛陽新安電力集團(tuán)渠里煤礦改擴(kuò)建工程建井地質(zhì)報(bào)告，中煤三建三十工程處，2008.3.

[2]新安渠里煤礦礦井水文地質(zhì)報(bào)告，河南省煤田地質(zhì)局物探測(cè)量隊(duì).

[3]洛陽新安電力集團(tuán)渠里煤礦改擴(kuò)建工程煤與瓦斯突出礦井鑒定報(bào)告，河南理工大學(xué)，2008.1.

[4]洛陽新安電力集團(tuán)渠里煤礦改擴(kuò)建初步設(shè)計(jì)安全專篇說明書，煤炭工業(yè)部鄭州設(shè)計(jì)研究院，2005.7.

[5]王佑安，《煤礦安全手冊(cè)》第二篇《礦井瓦斯防治》，煤炭工業(yè)出版社，1997.

[6]國(guó)家煤礦安全監(jiān)察局，《煤礦安全規(guī)程》，煤炭工業(yè)出版社，2010.

[7]焦作礦業(yè)學(xué)院瓦斯地質(zhì)研究室.瓦斯地質(zhì)概率[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，1990

[8]周世寧，林柏泉.煤層瓦斯賦存與流動(dòng)理論[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，1999.

[9]張子敏，張玉貴.瓦斯地質(zhì)規(guī)律與瓦斯預(yù)測(cè)[M].煤炭工業(yè)出版社，2005.12.