东欢坨矿8煤瓦斯异常的地质因素_付常青.pdf

第 43 卷 第 1 期 煤田地质与勘探 Vol. 43 No.1 2015 年 2 月 COAL GEOLOGY EXPLORATION Feb. 2015 收稿日期 2013-09-13 作者简介 付常青（1990），男，陕西宝鸡人，博士研究生，从事油气勘探研究. E-mailduduyouxiang0416 引用格式 付常青，朱炎铭，蔡图. 东欢坨矿 8 煤瓦斯异常的地质因素［J］. 煤田地质与勘探，2015，43（1）7-12. 文章编号 1001-1986（2015）01-0007-06 东欢坨矿 8 煤瓦斯异常的地质因素 付常青，朱炎铭，蔡 图 （中国矿业大学资源与地球科学学院，煤层气资源与成藏过程教育部重点实验室，江苏 徐州 221116） 摘要 运用压汞法和等温吸附法对开滦矿区东欢坨矿 8 煤储层特征进行研究，结合矿井实测瓦斯 涌出量数据，分析了控制东欢坨矿 8 煤瓦斯异常涌出的地质因素。结果表明瓦斯异常主控地质 因素为地质构造及水文地质特征，东欢坨矿“水大瓦斯小，水小瓦斯大”的赋存规律明显。矿井瓦 斯赋存形式主要为游离态，表现出在压性断层带时，瓦斯涌出量较小；在未导通煤系含水层情况 下，张性断层带往往煤体破碎、孔裂隙相对发育，瓦斯涌出量显著增大，而在断层导通煤系含水 层的水文异常区，瓦斯涌出量有明显减小的趋势。东欢坨矿瓦斯涌出量受多种因素的控制，筛选 出煤层埋深、煤层厚度、煤层顶板含泥率和断层数作为主要控制因素，建立了具有较好相关性的 瓦斯涌出量多变量数学预测模型；并通过灰色系统理论建模软件对瓦斯涌出量和各影响因子之间 的关联度进行分析，得到断层数是瓦斯涌出量的最主要影响因素。 关 键 词瓦斯异常；地质控制因素；地质模型；东欢坨矿 8 煤；开滦矿区 中图分类号P624.6 文献标识码A DOI 10.3969/j.issn.1001-1986.2015.01.002 Geological factors of gas anomaly of seam 8 in Donghuantuo mine of Kailuan mining area FU Changqing， ZHU Yanming， CAI Tu （School of Resources and Earth Science， China University of Mining and Technology， Key Laboratory of Coalbed Methane Resources and Reservoir ation Process of the Ministry of Education， China University of Mining and Technology， Xuzhou 221116， China） Abstract In this paper， geological factors controlling abnormal gas emission in Donghuantuo coal mine were ana- lyzed. We used mercury intrusion and isothermal adsorption to study the characteristics of coal reservoir in combination with measurement data of gas emission. Results indicate that the geological structure and hydrogeological characteristics are the main geological factors and the distinctive occurrence regularity of Donghuantuo coal mine is that when water is high， gas is low， and vice versa. The occurrence of mine gas is mainly in the of free state， and when gas occurs in the compression fractures， gas emission is smaller； in the case of non-conducting coal measures aquifers， fault zones often lead to coal crush and relatively developed fissure， the gas emission significantly increases； in the case of conducting coal measures aquifers and hydrological abnormal area， the gas emission significantly decreases. Gas emission of Donghuantuo coal mine is controlled by many factors. So we select coal seam buried depth， coal seam thickness， the mud content of coal seam roof and the number of faults as the main control factors， and then set up a mathematical prediction model which has a good correlation between the gas emission and multivariates. And through the grey system theory modeling software， the correlation between gas emission and multivariates was analyzed， finally it was found that the fault is the main influence factor of gas emission. Key words gas anomaly； geological control factors； geological model； seam 8 of Donghuantuo coal mine； Kailuan mining area 瓦斯灾害是煤矿重大的安全生产隐患，矿井瓦 斯异常涌出、煤与瓦斯突出等瓦斯问题，已经成为 影响煤矿正常生产、 威胁矿工人身安全的重大问题， 给国家和人民生命财产带来了惨痛损失。由于煤层 瓦斯分布不均衡，瓦斯矿井中也存在瓦斯高低差异 区域［1］。特别是近年来，随着煤矿开采力度、深度 ChaoXing 8 煤田地质与勘探 第 43 卷 的不断加大，许多瓦斯矿井出现局部瓦斯异常、瓦 斯超限，甚至瓦斯动力现象，更有甚者，发生了严 重的瓦斯突出或瓦斯爆炸［2-3］。 东欢坨矿为开滦矿区的主力生产矿井之一，其 采煤方法为走向长壁采煤法，采煤工艺为综采，瓦 斯涌出量相对较低，历年瓦斯鉴定均属瓦斯矿井。 但随着生产规模的扩大， 煤层开采深度的不断增加， 矿井瓦斯地质规律从浅部到深部有着显著变化，瓦 斯分布呈现出区域不均一性，不仅瓦斯涌出量明显 增加，甚至出现瓦斯超限报警现象（以 8 煤尤为明 显），严重影响深部煤炭的安全开采。因此，对深部 煤炭开采的瓦斯地质研究有着重要意义。 1 地质背景 开滦矿区东欢坨矿地处华北型煤盆地的开平煤 田西北部之车轴山向斜内，属燕山南麓煤田［4］。构 造上处于 EW 向构造与 NE 向构造的两个构造体系 复合部位，主体构造呈 NE 向。自煤系形成以来， 本区主要经历了 4 期构造运动，即海西-印支期、燕 山早-中期、燕山晚期-喜马拉雅期第Ⅰ幕和喜马拉 雅期第Ⅱ幕-现今。多期次构造作用的叠加，形成了 现今复杂的构造格局［5］。 井田含煤地层主要为石炭-二叠系，上覆为冲 积层，煤系基底为中奥陶统灰岩，煤系总厚度约 480 m，煤层总厚度达21.79 m，含煤系数4.54％。 可采煤层共9层，即5、7、8、9、11、12-1、12-2、 12下和13-1煤，其中8煤为主要可采煤层，亦为本次 研究层位。 2 瓦斯涌出异常特征 东欢坨矿瓦斯异常涌出工作面主要位于 8 煤， 以-500 水平中央采区 2089 下工作面最为突出。在 该工作面回采过程中，瓦斯涌出量变化较大，相对 瓦斯涌出量最大达 30.43 m3/t（表 1）。 表 1 东欢坨矿 2089 下回采工作面 20112012 年瓦斯涌出量 Table 1 Gas emission of lower mining face 2089 in 20112012 瓦斯涌出月份 7月 8月 9月 10月 11月 12月 1月 2月 3月 4月 5月 相对涌出量/（m3t-1） 3.55 9.20 28.45 30.4323.902.46 0.82 0.75 0.74 0.74 0.73 绝对涌出量/（m3min-1） 0.44 1.77 5.48 5.86 5.04 0.87 1.25 1.13 1.12 1.11 1.11 3 瓦斯异常成因分析 瓦斯异常涌出的原因一般包括地质因素和开采 因素。如前文所述，东欢坨矿采煤方法为走向长壁 采煤法，采煤工艺为综采，在 8 煤开采过程中，基 本可排除由于开采因素导致的瓦斯异常。经分析， 发生瓦斯异常涌出原因一方面是随着开采深度增 加，煤层瓦斯保存条件渐趋完好，瓦斯涌出量随之 增大［6］；另一方面为回采工作面通过了地质构造和 煤储层物性条件变化较大的地段，导致瓦斯涌出量 显著增大［7-8］。下面从瓦斯地质演化、储层物性和地 质构造入手，逐项讨论东欢坨矿特殊地质条件，筛 选造成异常的主控因素。 3.1 瓦斯地质演化特征 受构造运动控制， 东欢坨矿煤层的埋藏-生气历 史相对简单。煤层形成之后，经历了一次深埋-抬升 作用，煤层的受热变质作用主要受控于深成变质作 用，煤层主要发生一次生气作用（图 1）。 中三叠世末，煤层达到最大埋深，约 3 300 m， 煤层受热温度可达 120 ℃，该期末煤级达到气煤-气 肥煤阶段，煤中产生大量甲烷，这些甲烷绝大多数逸 散到围岩中，并进一步散失，部分甲烷则主要呈吸附 态被保留在煤层中。 而后， 地壳抬升， 煤层埋藏变浅， 图 1 东欢坨矿主采煤层的埋藏-生气历史 Fig.1 The burial depth and gas production of the main seam in Donghuantuo mine 原先吸附的甲烷（瓦斯）逐渐解吸，部分散失，部分 以游离态赋存，并逐渐形成了现今瓦斯赋存状态。 东欢坨矿煤层中的瓦斯形成早，后期逸散时间 长，导致绝大部分瓦斯逸散，仅少量以游离态为主 保存，形成矿井瓦斯含量整体较低的格局。东欢坨 矿主采煤层瓦斯地质演化基本相同， 但除 8 煤之外， 均未发生瓦斯异常涌出现象，由此说明，煤层瓦斯 ChaoXing 第 1 期 付常青等 东欢坨矿 8 煤瓦斯异常的地质因素 9 地质演化并非是控制瓦斯异常涌出的关键因素。 3.2 煤储层物性 3.2.1 孔隙性 煤的孔隙性质是研究煤层瓦斯赋存状态、煤中 气体的吸附/解吸性能及其在煤层中运移的基础。笔 者对东欢坨矿2089下采面8煤异常涌出区及正常区 煤样进行了压汞实验。结果显示，8 煤异常涌出区 煤孔隙度与正常区相比，其值明显增大（表 2）。异常 涌出区各阶段孔容均有不同程度增加，大孔及过渡 孔孔容的增大可加大游离瓦斯赋存的空间；而过渡 孔及微孔孔容的少量增加，可大幅度提升孔隙的比 表面积，使吸附气含量增多。正常区压汞曲线孔隙 滞后环窄小，开放联通孔隙较少，但瓦斯异常区滞 后环变宽，开放孔隙比例增加，可加速瓦斯气体的 解吸及扩散速率。煤储层孔隙结构的变化可为瓦斯 异常涌出提供有利物质基础（图 2）。 表 2 东欢坨矿煤储层压汞孔隙特征 Table 2 Characteristics of mercury intrusion pore in coal reservoir 孔容/（10-4cm3g-1） 孔容比/％ 煤层 孔隙度/％ V1 V2 V3 V4 Vt V1/Vt V2/Vt V3/Vt V4/Vt 8煤正常区 4.35 71 19 90 17835819.83 5.31 25.14 49.72 8煤异常涌出区 8.07 148 46 10118848330.64 9.52 20.91 38.92 注V1大孔；V2中孔；V3过渡孔；V4微孔；Vt总孔容。 图 2 东欢坨矿 2089 下采面 8 煤进/退汞曲线图 Fig.2 Advance and retreat mercury curve of seam 8 in lower mining face 2089 3.2.2 吸附性 等温吸附实验采用美国 TerraTek 公司生产的 SI-100 型气体等温吸附解吸仪，其实验曲线见图 3。 若假设 2089 下工作面以上全部为基岩层， 取其平均 密度为 2.7 m3/t，则其上覆岩层静压力为 14.277 MPa。 按等温吸附实验模拟，可得 8 煤最大吸附量为 8.054 8 m3/t，而其等温吸附常数 a（兰氏体积常数） 图 3 东欢坨矿 8 煤等温吸附曲线 Fig.3 The isothermal adsorption curve of seam 8 仅为 7.80 m3/t，两值均远远小于回采时的相对瓦斯 涌出量最值 30.43 m3/t。由此可知，回采时煤层中含 有大量游离态的瓦斯气体。 3.2.3 裂隙性 煤储层系属三元孔隙、裂隙介质，孔隙是瓦斯 的主要储集场所，宏观裂隙是瓦斯运移的通道，而 显微裂隙则是沟通孔隙与裂隙的桥梁［9］。本次针对 东欢坨矿2089下采面8煤异常涌出区及正常区的煤 样进行了裂隙观测。在光学显微镜下发现，异常区 煤由于受到构造应力影响而裂隙发育，单条裂隙呈 直线状、锯齿状或折线状，多条裂隙可组成网络状 裂隙，且局部裂隙两边的煤体发生相对位移，形成 微小断裂（图 4）。 图 4 东欢坨矿 2089 下采面 8 煤异常区及正常区 微观裂隙发育特征 Fig.4 Characteristics of the development of micro fracture in abnormal and normal areas of seam 8 in lower mining face 2089 东欢坨矿 8 煤异常区煤体结构破碎，裂隙大量 发育，为瓦斯提供了赋存空间，形成局部区域的瓦 斯富集，一旦受采掘活动影响，瓦斯气体会迅速向 外运移、释放，从而形成瓦斯涌出异常区。 ChaoXing 10 煤田地质与勘探 第 43 卷 3.3 地质控制因素 3.3.1 断层对瓦斯分布的影响 东欢坨矿瓦斯赋存形式主要为游离态， 表现在压 性断层带， 瓦斯涌出量较小； 在未导通煤系含水层情 况下，张性断层带往往煤体破碎，孔裂隙相对发育， 瓦斯涌出量明显增大；在构造完整区域或小构造发 育区，采面基本无水文异常及在断层导通煤系含水 层且出现水文异常区，瓦斯涌出明显减小。2089 下 回采工作面小断层均未导通煤系含水层，在通过正 断层时，瓦斯涌出量较正常情况增大，该工作面运 道、风道、中间眼及切眼共揭露 9 条正断层（图 5）。 断层类型和小断层的发育程度对瓦斯的赋存与 瓦斯涌出有一定影响。对于东欢坨矿而言，在层间 断层如小型断层及其密集带，由于其破碎带局限在 煤层顶底板一定层段内，其上下延伸短，连通性较 差，断层面两盘附近煤体结构破碎，节理裂隙发育， 具备良好的瓦斯储集空隙，造成开采时瓦斯涌出量 瞬时增大；而较大断裂，由于其破碎带沟通了地下 水，而地下水活动带走部分瓦斯，因此在较大断裂 附近，表现出瓦斯涌出量减小的现象。 图 5 东欢坨矿 2089 下采面瓦斯涌出示意图 Fig.5 Gas emission of lower mining face 2089 3.3.2 煤层顶底板岩性对瓦斯分布的影响 煤层瓦斯围岩条件好坏直接影响瓦斯赋存量的 大小，而围岩条件主要取决于煤层顶板岩性及透气 性能。东欢坨煤矿的主采煤层主要集中赋存在石炭 系的赵各庄组和二叠系的大苗组中，而松散的第四 纪直接覆盖于石炭-二叠系之上， 十分有利于含煤地 层及煤中瓦斯逸散，但局部的岩性变化将直接影响 瓦斯赋存条件，可能造成规律性的瓦斯异常现象。 3.3.3 水文地质特征对瓦斯分布的影响 水文地质特征是影响瓦斯赋存的另一个重要因 素［10-15］。瓦斯主要以吸附状态赋存于煤孔隙中，地 下水通过地层压力对瓦斯吸附聚集起控制作用，这 种控气作用既可导致瓦斯（煤层气）逸散，又能起到 保存聚集煤层气的作用［16-18］。东欢坨矿主体位于车 轴山向斜的南东翼，处于地下水径流排泄区（图 6）。 由于地下水的运移，一方面驱动着裂隙和孔隙中的 瓦斯运移，另一方面又带动了溶解于水中的瓦斯 （煤层气）一起流动，这种特殊的水文地质条件使东 欢坨矿瓦斯含量整体偏低。 涌水量是矿井水文的重要因素，其大小主要取 决于褶曲与断层、补给来源丰富程度以及裂隙空间 的连通情况。东欢坨矿地下水活跃，其天然裂隙比 较发育且处于开放状态，是瓦斯排放的直接通路。 尽管瓦斯溶于水的程度不高，但地下水在漫长的地 图 6 车轴山向斜地下水径流方向剖面示意图［19］ Fig.6 The direction of groundwater runoff in Chezhoushan syncline［19］ 质年代可以带走数量可观的瓦斯。由于地下水的溶 蚀作用，还会带走大量的矿物质，导致煤系天然卸 压， 地应力降低会引起煤层及围岩透气性增大， 从而 加强了煤层瓦斯的流失。 因此， 地下水的活动使得东 欢坨矿表现出“水大瓦斯小，水小瓦斯大”的特征。 3.3.4 煤层埋深对瓦斯分布的影响 通过对 8煤 11个回采工作面的瓦斯涌出量进行 分析，发现除个别回采工作面外，瓦斯涌出量基本与 煤层埋藏深度呈正相关关系， 但相关度不强（图 7）。 因 此，同一采掘工作面发生瓦斯异常涌出现象，可以 忽略煤层埋深对其造成的影响。 3.3.5 煤层厚度对瓦斯分布的影响 煤层厚度被普遍认为是影响煤与瓦斯突出的直 观因素之一［20］。以往研究显示，厚煤层中部瓦斯含 量较高［21］。瓦斯含量随煤层厚度增大而增大的主要 原因在于，煤层相对于围岩透气性差，靠近煤层顶 底板的煤分层对中间分层起阻止瓦斯逸散的作用。 ChaoXing 第 1 期 付常青等 东欢坨矿 8 煤瓦斯异常的地质因素 11 图 7 东欢坨矿 8 煤埋深与瓦斯涌出量的关系 Fig.7 The relationship between elevation and gas emission of seam 8 4 瓦斯地质模型 4.1 瓦斯赋存空间模式 针对东欢坨矿特殊的地质规律，建立了断层及 地下水活动形成的瓦斯赋存空间模式（图 8）。 对于落差较大的正断层，由于断层带破碎导通 砂岩裂隙含水层，使得破碎带及与其连通的孔裂隙 充水，造成瓦斯赋存空间减小，加之煤层对水的优 图 8 东欢坨矿瓦斯赋存空间模式图 Fig.8 The schema of gas storage space 先吸附，会造成瓦斯含量的大幅度降低；落差较小 的正断层，其断层破碎带未导通含水层，破碎带内 形成利于瓦斯赋存的较大空间， 且无地下水的活动， 使游离瓦斯含量增大。东欢坨矿逆断层规模一般较 小，且数量甚少，断裂破碎带一般不能沟通含水层， 加之断层破碎带紧密，不利于瓦斯的赋存。 4.2 瓦斯地质模型 通过对东欢坨矿浅部瓦斯地质规律及瓦斯涌 出量分析， 根据矿井已采区瓦斯涌出量实测资料和 相关的地质资料，综合考虑煤层埋深、煤层厚度、 煤层顶板含泥率和断层数的影响，采用数学方法， 建立了预测瓦斯涌出量的多变量数学模型。 利用多 元线性回归方法， 将 8 煤回采工作面瓦斯的涌出量 （表 3）与筛选出的影响因素进行拟合，得出瓦斯涌 出量（Q）与煤层埋深（H）、煤层顶板含泥率（n）、涌水 量（q）、断层数（N）及煤层厚度（h）关系式 Q-12.2320.011H3.953n-0.655q-0.137N2.453h （R20.715） 由关系式可看出 随着煤层埋深和厚度的增加， 以及煤层顶板含泥率的增大，瓦斯涌出量变大；随 着断层数的增加和涌水量的增大， 瓦斯涌出量减小。 4.3 瓦斯涌出量与各异常成因的相关性 回采工作面瓦斯涌出量是对瓦斯是否异常的直 接表现，而造成瓦斯异常的各因素对异常的贡献却 不尽相同。本次选取影响瓦斯涌出量的煤层埋深、 顶板含泥率、涌水量、回采遭遇断层数和煤层厚度 等 5 个因素（参数）进行研究。 应用灰色系统理论建模软件（GTMS3.0）中灰色 关联分析模块下的绝对关联度，分析系统中各因素 的关联程度。灰色绝对关联度是利用两条序列折线 间所夹的面积大小来衡量两序列的关联性。本次以 表 3 东欢坨矿 8 煤回采工作面瓦斯涌出量相关数据 Table 3 The gas emission of seam 8 in mining face 回采工作面 平均瓦斯涌出量/（m3t-1） 煤层埋深/m 煤层顶板含泥率 涌水量/（m3min-1） 断层数 煤层厚度/m 2182上采面 0 257.6 0.7 0.134 1 2.66 2182下采面 0 300 0.7 0.05 1 3.18 2087采面 0.6 435 0.525 0.04 1 2.02 2081采面 0.65 313.1 0.525 0.037 1 3.1 2085采面 0.72 386.3 0.4 0.05 4 2.9 3088采面 0.97 689 0.7 3.47 4 2.35 2083上采面 1.19 350.1 0.6 0 1 3.3 2089采面 1.34 495 0.575 0.47 7 3.1 2081外采面 1.69 315.9 0.375 0 1 3 2083下采面 2.12 485 0.625 0 8 4 2089下采面 9.25 511.9 0.9 0.54 9 4.6 ChaoXing 12 煤田地质与勘探 第 43 卷 瓦斯涌出量作为主序列， 将瓦斯涌出量的 5 个相关因 素作为参考序列， 研究主序列与参考序列之间的灰色 关联度 ε0i，其计算公式为 0 0 00 1 1 i i ii ss ssss ε - （1） 1 00 00 0 2 1 （ ）（ ） 2 n k xkxn s - Σ （2） 1 00 2 1 （ ）（ ） 2 n i i k xkxn sι - Σ （3） 式中 x0表示瓦斯涌出量序列；xi为瓦斯涌出量的各 相关因素序列；S0、Si分别为 x0、xi序列的增量。 按照上述方法将得到的回采工作面瓦斯涌出量 和各影响因子之间的关联度列表如表 4。 从表 4 看出， 瓦斯涌出量与煤层埋深及顶板含泥率关联度较小， 而 与断层数、煤层厚度及涌水量关联度比较大，特别是 与断层数关联度最大， 说明断层数是影响瓦斯涌出量 的最主要影响因素。 表 4 瓦斯涌出量和各影响因子的关联度 Table 4 The correlation of gas emission and impact factors 影响因子 煤层埋深 顶板含泥率 涌水量 断层数 煤层厚度 关联度 0.504 6 0.558 1 0.625 4 0.806 5 0.655 5 5 结 论 a. 东欢坨矿煤层中的瓦斯形成早，后期逸散时 间长，导致绝大部分瓦斯逸散，仅少量以游离态为主 保存，形成矿井瓦斯含量整体较低的格局。 b. 东欢坨矿断层发育，且以正断层为主，构造 形成过程中有利于瓦斯的逸散， 整个矿井瓦斯相对较 、低。 在延伸短连通性较差且破碎带局限在煤层顶底 板一定层段内的小断层， 由于断层面两盘附近煤体结 构破碎，具备良好的瓦斯储集空隙，可造成开采时瓦 斯涌出量瞬时增大；而较大断裂处，由于其破碎带沟 通地下水，造成瓦斯被大量运移，则表现出瓦斯涌出 量减小的现象。 c. 地下水的运移，一方面驱动着裂隙和孔隙中 的瓦斯运移， 另一方面又带动溶解于水中的瓦斯一起 流动。 因此， 地下水的活动有利于瓦斯的排放， 同时， 水被吸附在裂隙和孔隙的表面， 降低了煤对瓦斯的吸 附能力，并增大了瓦斯排放能力，这是造成东欢坨矿 瓦斯含量普遍较低的重要原因。 d. 东欢坨矿瓦斯涌出量受多种因素的控制，筛 选出煤层埋深、煤层厚度、煤层顶板含泥率和断层数 作为主要控制因素， 建立了具有较好相关性的瓦斯涌 出量多变量数学预测模型； 并通过灰色系统理论建模 软件对瓦斯涌出量和各影响因子之间的关联度进行 分析，得到断层数是瓦斯涌出量的最主要影响因素。 参考文献 ［1］ 左前明，程卫民，王刚，等. 低瓦斯矿井高瓦斯区域瓦斯综合 治理技术［J］. 工业安全与环保，2009，35（12）41-43. ［2］ 张子敏，张玉贵. 大平煤矿特大型煤与瓦斯突出瓦斯地质分 析［J］. 煤炭学报，2005，30（2）137-140. ［3］ 辛岭. 枣庄矿区瓦斯涌出异常区的治理对策［J］. 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