李志勇

太原西山矿区煤层瓦斯赋存特征

李志勇①

(西山煤电集团有限责任公司地测处)

选择太原西山矿区山西组2#煤和太原组8#煤为研究对象,对矿区瓦斯赋存特征进行了研究。研究表明,主要煤层对瓦斯的吸附能力强,瓦斯压力、瓦斯含量普遍较高,同一矿区太原组8#煤的瓦斯含量高于山西组2#煤,并随埋深增大而增高。煤层瓦斯含量与煤层的煤化程度,包括煤层埋深、围岩条件及透气性等煤层赋存条件、地质构造、水文地质条件密切相关。

煤层;瓦斯;太原西山矿区;赋存特征;规律

太原西山矿区是中国重要的煤炭生产基地之一,主要开采山西组和太原组煤层,具有机械化程度高和煤层开采瓦斯涌出量大等特点。目前,生产矿井9对,多为高瓦斯矿井。近年来,随矿区采掘向深部延伸及矿区开采强度的增大,各矿井瓦斯涌出量迅速增加,严重影响了矿井的安全生产,其中瓦斯成为制约矿井安全高效生产的主要瓶颈之一。本文将重点讨论太原西山矿区主要煤层瓦斯的赋存条件和规律。

1 地质概况

太原西山矿区山西断隆中部,重要的区域构造形式有：横贯山西北、中、南部近于等距离的东西向构造;贯穿全省的南北向构造;斜贯区内的NEE～NE向构造和其他组合构造,多属燕山运动以来的产物。西山煤田为一东西北向中心倾斜、向南开口、西翼陡东翼缓、轴部偏西呈“S”型展布的复式向斜,主要构造为南北、东西向和NNE断裂带。规模较大断层主要分布在矿区的东南及西南两侧,表现为高角度正断层,其断层破碎带紧闭、平面上呈弧形延伸,具有压扭性特征。地层较平缓,倾角一般在5°～15°。矿区除北、东北和东部煤层埋深较浅外,一般埋深300～500 m以上,中部埋深达1 000 m左右。区内岩溶陷落柱发育,矿区西部边缘中段局部有燕山期碱性二长岩和闪长岩侵入体,造成局部的接触热变质现象。

太原西山矿区含煤地层为太原组和山西组,煤炭资源丰富,品种齐全,煤质优良,可用储量达65.2×108t。含可采煤层12～16层,其中,山西组2#煤层和太原组8#煤层是最主要的可采煤层。2#煤层厚0～9.02 m,平均厚3.90 m,8#煤层厚1.39～6.06 m,平均厚3.80 m。本文主要以2#煤层和8#煤层为代表进行论述。

2 主要煤层物理特征

1)煤层煤岩特征。太原西山矿区煤层煤岩类型以光亮型和半亮型为主,夹少量半暗型煤和暗淡煤;煤层结构简单、稳定。煤层内生裂隙发育,为瓦斯储层提供了良好的内部结构和储集空间。煤的显微组分以镜质组为主,夹少量半镜质组及丝质组,稳定组和腐泥少见。镜质组含量一般在87%～97%之间,Romax在1.708%～2.302%,煤层处于中高变质阶段,有肥、焦、瘦、贫、无烟煤多个煤种,按资源量以贫、瘦煤为主。煤层变质变化规律明显,煤变质因素以区域变质为主。因各煤层埋深不同,煤种在平面上变化总趋势是自西北向东南变质程度逐渐增高,仅矿区西部边缘因岩浆岩侵入使局部发生热变质作用,出现了小范围的无烟煤和天然焦。

2)主要煤层强度特征。2#煤层坚固性系数(f)为0.32～0.58,平均0.39;8#煤层坚固性系数(f)为0.25～0.44,平均0.37。受构造应力作用明显,节理裂隙发育,坚固性系数较低。

3)主要煤层吸附特征见表1,表2。

表1 2#煤层瓦斯吸附特征

表2 8#煤层瓦斯吸附特征

由表1,表2可以看出,煤层对瓦斯的吸附能力很强。

3 煤层瓦斯压力与瓦斯含量特征

1)主要煤层的瓦斯压力与瓦斯含量。煤层瓦斯含量是指单位体积或单位重量煤体中吸附瓦斯和游离瓦斯在原始状态下的总量。在煤层瓦斯含量中,一般吸附瓦斯含量占80%～90%。煤层中吸附瓦斯量取决于煤层对瓦斯的吸附能力和瓦斯压力、温度等条件;游离瓦斯由煤层的孔隙率及煤层瓦斯压力决定。可根据煤层对瓦斯的吸附特性和煤层中的瓦斯压力确定煤层的吸附瓦斯含量,由煤层孔隙率及煤层瓦斯压力计算煤层中游离的瓦斯,二者确定煤层的瓦斯总含量。其计算公式为：

式中：

W—煤层瓦斯含量,m3/t;

a,b—吸附常数;

P—煤层的绝对瓦斯压力,MPa;

Ad—煤的灰分,%;

Mad—煤的水分,%;

Fn—煤的孔隙体积,m3/m3;

r—煤的视密度,t/m3。

太原西山矿区各煤矿2#和8#煤层瓦斯压力及瓦斯含量计算结果见表3。太原西山矿区主要煤层的瓦斯压力、瓦斯含量普遍较高,同一矿区太原组8#煤的瓦斯含量高于山西组2#煤,并随埋深增大而增高。杜儿坪矿、西铭矿、东曲矿、官地矿、屯兰矿属高瓦斯矿井。

2)影响瓦斯含量的主要地质因素。煤层形成后,经过漫长的地质历史煤化作用过程,每个煤化作用阶段均生成瓦斯并多散逸,现在煤层中的瓦斯含量只是瓦斯生成量的残余部分。影响煤层原始瓦斯含量的因素很多,主要有以下几个方面：

a)煤化程度。一般来说,煤的煤化程度越高,成煤过程中生成瓦斯的数量越大,煤层保存瓦斯的结构越有利,吸附瓦斯量就越多,因此,在相同深度下,随着煤化程度的提高,从气煤到无烟煤其瓦斯含量要相应增大。矿区自西北向东南煤变质程度逐渐增高,瓦斯含量平面变化趋势与其相一致。

b)煤层赋存条件。包括煤层埋深、围岩条件及透气性等。煤层顶板岩层致密而完整,煤层中的瓦斯较多地被保存下来;煤层埋藏越深,瓦斯向地表运移距离越长,地应力增高使煤层及围岩的透气性变差,煤层瓦斯越难通过深厚的覆盖地层散入大气,其瓦斯含量就越高。

煤层及围岩透气性是指煤层对瓦斯流动的阻力,通常用透气性系数表示。煤层及围岩透气性越大,越有利于瓦斯的运移和散逸,瓦斯含量就越少;反之,瓦斯含量就会越多,见表4,表5。从表4,表5中可看出,2#煤透气性系数在0.004 9～1.610 2m2/MPa2.d;8#煤透气性系数在0.091 5～0.651 0 m2/M Pa2.d,煤层透气性较差,利于瓦斯的聚集,不利于瓦斯的运移和散逸。

对50个8#煤层瓦斯涌出量与样品点埋藏深度之间的关系作散点图见图1,反映瓦斯涌出量与煤层埋深成反比。

图1 钻孔瓦斯相对涌出量与埋藏深度散点图

但埋藏在150 m以上时瓦斯涌出量为零,是处风氧化带的结果。随着埋藏深度的增加,地应力增大使得煤层及围岩透气性变差,瓦斯向地面运移距离也增大,有利于瓦斯在煤层中的储存。在表2数据中,马兰矿因处矿区西部边缘、煤层埋深较浅,煤层瓦斯压力及瓦斯含量相对较低;其他矿井因多处于矿区相对较深部位,煤层瓦斯压力及瓦斯含量相对较高,多为高瓦斯矿井。

表3 太原西山矿区2#煤层坚固性系数、孔隙率、吸附常数测定成果表

表4 2#煤层瓦斯压力、瓦斯量含、透气性系数测定表

c)地质构造。本矿区为一复式向斜见图1,向斜轴部围岩常因受挤压透气性变低,瓦斯封存条件较好,轴部瓦斯含量一般要比翼部高,这在杜儿坪矿、西铭矿、屯兰矿表现较为明显。断裂构造造成矿区瓦斯含量分布不均匀的主要原因。开放性断层是煤层与地表相连的通道,有利于瓦斯的释放,因此开放性断层发育的煤层,其瓦斯含量较小,封闭性断层可以阻断煤层与地表的联系,成为瓦斯向地表流动的屏障,因而封闭性断层发育的煤层,其瓦斯含量就较高。本区发育高角度正断层,但断层破碎带紧闭,具有压扭性特征,是矿区瓦斯含量较高的主要原因之一。

表5 8#煤层瓦斯压力、瓦斯量含、透气性系数测定表

此外,在火成岩侵入体附近,煤的煤化程度增高,瓦斯含量也可能会增加;由于陷落柱将地层各层联通,有陷落柱的地方,瓦斯很容易散失,导致瓦斯含量降低。

d)水文地质条件煤层中有较大的含水裂隙或有地下水通道时,尽管瓦斯在水中溶解度很少,但由于长期作用的结果,水仍能从煤层中带走大量瓦斯。而且这些裂隙本身也是瓦斯排放的直接通道,从而降低了煤层的瓦斯含量。形成许多矿井“水大瓦斯小,水小瓦斯大”的情况。

4 结 语

1)太原西山矿区主要煤层对瓦斯的吸附能力强,瓦斯压力、瓦斯含量普遍较高,同一矿区太原组8#煤的瓦斯含量高于山西组2#煤,并随埋深增大而增高。

2)煤层瓦斯含量与煤层的煤化程度、包括煤层埋深、围岩条件及透气性等煤层赋存条件、地质构造、水文地质条件密切相关。杜儿坪矿、西铭矿、东曲矿、官地矿、屯兰矿属高瓦斯矿井。

3)加强矿区瓦斯基础地质研究,提高矿井瓦斯检测、预报,是今后太原西山矿区做好瓦斯地质工作、保障安全高效生产的努力方向。

Gas Occurrence Characteristics of Taiyuan Xishan Coal Mining Area

Li Zhi-yong

Selects the No.2 coal seam of Shanxi formation and No.8 coal seam of Taiyuan formation in Xianshan coal mining area of Taiyuan as the research object,the characteristics of gasoccurrence of the mining area is studied.The study shows that the main coal seam of high gas adsorption capacity,and gas pressure,gas content is relatively high,On the same mining area the gas content of 8th coal seam of Taiyuan formation was higher than that of 2nd coal seam of Shanxi formation,with depth increased,the gas content was increased.Gas contents of coal seam has close relationship with coal seam occurrence and other conditions,geological structure,hydro-geological conditions,such as degree of coalification,depth,surrounding conditions and permeability of the coal seam.

Coal seam;Gas;Taiyuan Xishan coal mining area;Occurrence characteristics;Law

TD132

A

1672-0652(2010)01-0034-03

李志勇 男 1971年出生 1992年毕业于山西矿业学院 工程师 太原 030053

2009-11-02