山西柳林县下组煤层瓦斯地质特征及影响因素

山西柳林县下组煤层瓦斯地质特征及影响因素

0上组8-1、8-2、9,10-10充填地层开采方案山西省是一个传统的煤炭省份。煤炭开采历史悠久。在大型煤田边缘密集分布着大小不一、生产工艺滞后的小煤矿。由于历史原因，对采煤量的调查较低，特别是随着采矿深度的增加，导致影响煤矿安全生产的数据不足，如砖瓦、地下水、煤渣爆炸和采煤自发燃烧。无法正确捕捉深度砖瓦的情况，严重阻碍了煤炭安全工程的进程。兴无、金家庄煤矿位于山西省柳林县城东南,为多个小煤矿整合的大型矿井,井田南北相接,生产能力均为120万t/a。目前上组(3-5号)煤层开采已接近尾声,急需为下组(8-1、8-2、9、10号)煤层的延深开采准备工作。由于该区勘查时间较早,瓦斯基础资料缺乏,特别是缺失瓦斯突出综合指标数据,不能对矿井瓦斯做出准确的预测和评价。据调查,目前开采上组煤层的兴无、金家庄煤矿均为高瓦斯矿井,相邻的沙曲煤矿为煤与瓦斯突出矿井。根据《防治煤与瓦斯突出规定》要求,下组(8-1、8-2、9号)煤层开采前必须进行煤与瓦斯突出危险性参数的勘查评价工作。本文依据已有的瓦斯基础资料和新施工的10个补充钻孔(金家庄矿钻孔号为:JQ4、JQ2、JZ1、L30、L31;兴无矿钻孔号为:XQ1、XQ3、XW1、L26、L27)获得的数据,对区内下组煤层瓦斯地质规律进行评价,有利于消除矿井瓦斯灾害的隐患,提高煤矿安全生产的保障程度,减少矿井建设和生产(井巷、通风费用)投入,同时,对减少空气污染、保护大气环境也具有重要意义。1煤层顶板赋存条件瓦斯在其形成过程中或形成以后必须被封存在煤层中才可能形成气藏。影响瓦斯赋存的因素很多,现将主要影响因素对其控制作用分析如下。1.1/同埋深度组可采煤层埋深一般而言,煤层中的瓦斯压力随着埋藏深度的增加而增加。随着瓦斯压力的增加,煤与岩石中游离瓦斯量所占的比例增大,同时,煤中的吸附瓦斯逐渐趋于饱和。由此可以推断,在一定深度范围内,煤层瓦斯含量亦随埋藏深度的增大而增加;当埋藏深度继续增大时,瓦斯含量增加的幅度将会减缓。区内下煤组可采煤层埋深在200~540m(图1),在东北部煤层埋藏较浅,不利于瓦斯保存;随着煤层埋藏深度的增加,上覆地层逐渐加厚,增大了对瓦斯的封存作用,从而使瓦斯含量增大。因此,各钻孔瓦斯含量在垂向上随着深度增加有增大趋势。1.2煤层顶板瓦斯含量的配置煤层围岩对瓦斯赋存的影响,取决于它的隔气和透气性能。对瓦斯来讲,煤层本身既是生气层,又是储气层,当煤层顶板岩性为致密完整的岩石时,煤层中的瓦斯容易被保存下来;顶板为多孔隙或脆性裂隙发育的岩石时,瓦斯容易逸散。在整个围岩“系统”中,煤储层的直接顶底板对瓦斯保存条件的影响较显著,特别是煤层的顶板,它是封堵瓦斯的第一道屏障,对瓦斯的保存与富集起着决定性的作用。(1)8-1号煤层直接顶板为K2石灰岩,厚1.60~5.30m,平均3.20m,东厚西薄,抗压强度为69.0MPa,为刚性极好顶板,裂隙较发育,形成了良好的瓦斯逸散通道,致使8-1号煤层的瓦斯含量小于下伏各煤层;(2)8-2号煤层与8-1号煤层间夹一层泥岩、炭质泥岩,厚0.80~1.50m,平均1.11m,南厚北薄,岩石易软化,裂隙不发育,是较好的阻隔层,致使8-2号煤层的瓦斯含量普遍大于上覆8-1煤层;(3)9号煤层直接顶板为粉砂岩、砂质泥岩、泥岩,厚3.34~10.80m,平均6.64m,东厚西薄,岩石易软化,裂隙不发育,L31孔岩性为砂质泥岩,抗压强度为29.6MPa,为弱稳定顶板,是较好的阻隔层,致使9号煤层瓦斯含量普遍大于上覆各煤层。1.3井田构造水岸地质的表现井田位于离柳矿区西部,三交—柳林单斜含煤区中南部,井田地层总体上为一单斜构造,走向为北西—南东向,倾向南西,地层倾角平缓,一般为3°∼7°,井田内未见岩浆岩侵入、未发现有断层及陷落柱等构造,井田构造属简单类,有利于瓦斯赋存。1.4地下水流变学法水文地质条件也是影响瓦斯赋存的一个重要因素。由于水文地质条件分区性较强,对瓦斯的控制作用各不相同(图2)。东部为补给区,地下水埋深较浅,活动性相对较强,对瓦斯有运移逸散作用;中西部位于柳林泉域的南部径流区,地下水位较高,地面有泉水出露,煤系及其上覆地层含水性弱,奥灰岩溶含水层埋藏较深,含水性不均匀,据邻区抽水试验含水性小,各含水层间隔水层隔水性好,特别是本溪组含铝质泥岩、石炭-二叠系各层泥岩,与各含水层组成平行复合结构,阻隔了含水层间水的垂向水力联系,仅在断层及构造裂隙发育部位局部有导通的可能。根据区域规律地下水主要由南向北顺层渗流,然后沿柳林泉等排出地表。各煤层均位于中统奥陶系石灰岩岩溶水位以下,处于带压状态,瓦斯以吸附状态赋存于煤的孔隙中,地层压力通过煤中水分对瓦斯起封闭作用,地下水流向与瓦斯运移方向基本一致,地下水排泄有可能将部分瓦斯带出地表。综上所述,勘查区东部煤层埋藏较浅、构造简单,破碎带不发育、地下水埋深较浅活动性相对较强,不利于瓦斯富集和保存,但对瓦斯赋存分布影响小。2特征：储层2.1区域地质情况本区下组煤累计煤层总厚4.90~9.02m,平均7.09m,含煤系数为7.37%;含主要可采煤层4层(8-1、8-2、9、10号煤层),可采煤层总厚4.52~7.66m,平均为6.23m,可采含煤系数6.47%。(1)8-1号煤层。在兴无矿煤层厚度为0.70~1.14m,平均0.89m,东部厚西部薄,是稳定的全区可采煤层,一般不含夹矸(图3)。在兴无矿南端到金家庄矿8-1与8-2号煤层合并为8号煤层。(2)8及8-2号煤层。在兴无矿厚度为0.80~1.16m,平均0.94m,中东部稍厚,是稳定的全区可采煤层,一般不含夹矸。8-1、8-2号煤层在兴无矿南端到金家庄矿合并为8号煤层,厚度0.60~2.60m,平均1.47m,北厚南薄,西北角最厚。不含或含一层夹矸。(3)9号煤层。在兴无矿厚度为1.32~2.20m,平均1.87m,金家庄矿为9、10号煤层合并区,厚度3.01~5.37m,平均4.43m,总体为东南厚西北薄,含0~4层厚度为0~0.60m的夹矸,全区稳定可采。(4)10号煤层。在兴无矿厚度为1.21~2.80m,平均1.70m,中部偏东较厚,南北变薄,结构简单一般,一般不含夹矸,大部分可采。在金家庄矿井田内与9号煤层合并。总之本区主要可采煤层厚度中等,稳定性好,具有一定的生气及储气潜力。2.2各组含量的对比从煤的物质组成上看,壳质组产气率大于镜质组,镜质组产气率大于惰质组,壳质组、镜质组的含量越高,瓦斯的含量也就越高。本区各煤层宏观煤岩组份以亮煤为主,夹有镜煤条带和少量的暗煤,丝炭少见。显微组分含量以镜质组为最高,壳质组占少量,壳质组+镜质组一般为44.6%~68.1%,平均56.43%。对瓦斯来说,这是比较有利的烃源条件。2.3煤层中瓦斯的形成煤的生气能力和对瓦斯的吸附能力,一般随煤化程度增高而增大。本区各煤层镜质组最大反射率变化在1.43%~1.63%,煤层煤化程度中等,为焦煤,达到了瓦斯的生气高峰阶段,在形成煤的过程中生成了大量的瓦斯。2.4煤矿储层的性能2.4.1视密度的统计数据计算取得各煤层孔隙度根据实验室测定的真密度及视密度的统计数据计算取得,结果见表1。从表1可以看出本区各煤层孔隙度普遍较低,为2.86%~4.97%。2.4.2煤心渗透率及透率渗透率可以用来衡量像煤储层这样的多孔介质允许流体通过的能力,受煤储层物性各向异性强的特点影响,渗透率测试值一般变化较大。本区注入/压降试井方法测试的煤储层的渗透率为0.8090mD,属于低渗透率储层。渗透率的高低主要取决于煤层裂隙的发育情况,从煤心观测来看,煤中割理较发育,次割理垂直于主割理,并受限于主割理;经测试各煤层孔隙度普遍较低,就此推测,本区煤的渗透率低与裂隙密闭有关。2.4.3煤储层瓦斯吸附能力的演化瓦斯主要以吸附状态赋存于煤储层中,吸附量的大小取决于煤对气的吸附能力,而吸附能力又取决于煤的孔隙率、变质程度以及储层压力和温度。研究表明,甲烷分子与煤分子之间有着很强的物理吸附作用,以吸附态赋存于煤层中的甲烷构成了瓦斯的主体(90%以上)。而煤的等温吸附性质决定了瓦斯与煤体的结合力度和离散速度。本区测试各可采煤层VL在27.23~37.14m3/t,呈自上而下逐渐增加的趋势;PL在0.90~1.86MPa(表2)。上表说明各煤储层对瓦斯的极限吸附量变化不大,综合分析表明,该区煤层的储气能力中等,其中9号煤层较8号煤层吸附能力稍强,吸附能力的变化与煤储层后期构造裂隙的发育有关,煤储层后生裂隙发育的吸附能力较强,当煤储层处于构造不发育的区段,后生裂隙不发育吸附能力较差。本区煤的兰氏压力偏高,有利于瓦斯的开发。2.4.4注入/压降试井煤储层压力决定了瓦斯产出能力的大小。储层压力越高、临界解吸压力越大,气井产量越大,采收率越高。本区试井煤储层埋深为341.30~344.90m,进行注入/压降试井,储层压力梯度为0.421MPa/m,低于静水压力梯度。整体上评价本区储层压力属于欠压储层。2.4.5煤储层正常应力场本次注入/压降试井采用微型压裂法测得煤储层的闭合压力,为煤储层的最小主应力,9号煤层最小主应力为6.119MPa,地应力梯度为1.794MPa/m,煤储层处于正常应力场中。综合考虑分析各影响因素对瓦斯赋存的影响,结合煤储层地质特征,由于上下煤组间距41.42~65.65m,上组煤大部分都已采完,井下巷道纵横交错,不仅本煤层的瓦斯在不断释放,临近下组煤层的瓦斯也通过围岩裂隙有不同程度的释放,本次下组煤层瓦斯实测数据比原勘探阶段401孔8、9号煤层的低,认为上组煤采空是造成下组煤层瓦斯减小的主要原因,对下组煤的瓦斯赋存规律起到主控作用。3煤层的含气性3.1瓦斯多态性分布从成分上看,本区基本处于瓦斯风化带内,瓦斯成分以CH4为主,少量N2和CO2,微量的重烃类气体。本区CH4浓度在18.39%~94.03%,CO2浓度0.51%~64.01%,N2浓度在0.08%~68.20%,C2-C8值甚微。8-1号煤层瓦斯CH4占24.31%~93.30%,平均57.37%;8-2号煤层瓦斯CH4占18.39%~82.21%,平均62.22%;9号煤层瓦斯CH4占58.79%~94.03%,平均82.48%,以氮气-沼气带为主,CH4成分有自上而下逐渐增加的趋势,沼气带分布于区西南部,面积小不可采(图4)。4突出的特点是庄重的头发4.1开采4.1.1瓦斯溢出量本矿及周边矿井主要开采山西组煤层,据调查2006-2011年与本矿相邻生产矿井绝对瓦斯涌出量为0.64~479.91m3/min,一般70.19m3/min,相对瓦斯涌出量1.12~103.75m3/t,一般20.86m3/t;二氧化碳绝对涌出量0.19~8.07m3/min,一般3.02m3/min,相对涌出量0.51~3.99m3/t,一般1.75m3/t。4.1.2瓦斯突出事故案例根据资料显示,除华晋焦煤有限责任公司沙曲矿曾于2003年4月25日和2003年4月27日发生过两次瓦斯突出事故外,本矿和相临其他矿井自投产开采以来尚未发生过瓦斯事故。分析其事故原因,是由于小断距的F2正断层在此断开而形成瓦斯聚集空间,致使瓦斯在断层处聚集而使浓度增大、压力升高,当采煤机工作至此破坏了原有的断层封闭系统致使力学平衡状态遭到破坏而造成的瓦斯突出事故。4.1.3套层输家上组煤层瓦斯含量东部低、西南部高,有随煤层埋深增加而增大的趋势,西部沙曲矿为瓦斯突出矿井(图5)。4.2煤炭和砖瓦的突出风险分析4.2.1煤层厚度较大时危险程度会增研究表明,在同一煤层中,煤与瓦斯突出点常分布在煤层厚度大或变化大的部位,煤层厚度较稳定的多煤层矿井,随着煤层厚度的增大,突出危险程度会逐渐增大。本区8-1、8-2、9、10号煤层厚度变化不大。因此对煤与瓦斯的突出危险性影响较小。依据厚度变化情况,9号煤层的煤与瓦斯突出危险性大于8-1、8-2号煤层。4.2.2ch4气含量分布本区各煤储层瓦斯含气量及组分变化较大,总的趋势是:(1)瓦斯分布规律基本以深部较大、浅部较小,各煤层随埋藏深度加深有增高的趋势;(2)9号煤层CH4气含量最高,全区平均为4.61mL/g,8-1号煤层CH4气含量最低,平均4.01mL/g,随着埋藏深度的增加煤层中的CH4气含量增高。本区基本处于瓦斯风化带内,在局部高瓦斯区可能有煤与瓦斯突出的危险,主要分布于甲烷(沼气)带内,即8-1煤层的西部、8-2煤层的西部、9号煤层的中部和西部;在其他低瓦斯区内,当构造应力集中、煤层破碎时,导致局部瓦斯积聚,容易发生煤与瓦斯突出。4.2.3煤与瓦斯的地质条件煤与瓦斯突出不仅需要良好的瓦斯形成和保存的地质条件,还需要具备瓦斯突出的地质条件。大量的研究成果表明:几乎所有的煤与瓦斯突出都间接或直接地与地质构造有关。研究区虽然构造简单,总体不具备煤与瓦斯突出的构造条件,但在局部构造带应力集中带,由于瓦斯积聚存在煤与瓦斯突出的可能。4.3煤层鉴定应当先根据实际情况进行鉴定矿井煤与瓦斯突出的指标有:煤体结构类型、瓦斯含量和瓦斯压力等。国家安全生产监督管理总局令第19号《防治煤与瓦斯突出规定》第十三条规定,“突出煤层鉴定应当首先根据实际发生的瓦斯动力现象进行。当动力现象特征不明显或者没有动力现象时,应当根据实际测定的煤层最大瓦斯压力P、软分层煤的破坏类型、煤的瓦斯放散初速度Δp和煤的坚固性系数f等指标进行鉴定。”4.3.1瓦尔曼现象区内本次施工的5个钻孔均未发现有瓦斯喷出、涌出等动力现象的记录。4.3.2煤层煤体结构类型的划分本区钻孔煤心主要为原生结构煤和碎裂煤,由于钻探工艺所限,采煤过程中对煤心有不同程度的破坏,因此评价煤的结构类型时将岩心鉴定类型降一级使用,即“Ⅰ~Ⅲ”改为“Ⅰ~Ⅱ”比较能真实反映煤层的结构类型,各煤层煤体结构见表3。4.3.3煤储层正常应力场本次注入/压降试井采用微型压裂法测得煤储层的闭合压力,为煤储层的最小主应力,9号煤层最小主应力为6.119MPa,地应力梯度为1.794kPa/m,煤储层处于正常应力场中。本区试井煤储层埋深为341.30~344.90m,进行注入/压降试井,储层压力梯度为0.421kPa/100m,低于静水压力梯度,属于欠压储层。由于勘探阶段的限制,煤层瓦斯压力的测定采用间接法。测定方法为由钻孔煤心测定瓦斯含量,然后将煤心煤样送实验室测定煤的吸附常数、灰分、水分、孔隙率以及视密度等煤层物理参数,经计算,本区下组煤层瓦斯压力为0.029~0.454MPa,平均0.279MPa,均小于0.74MPa(表4)。4.3.4煤体瓦斯放散初速度煤的瓦斯放散初速度定量地反映了瓦斯从新揭露煤体中解吸、运移出来的快慢程度。Δp的大小与煤的瓦斯含量大小、孔隙结构和孔隙表面性质等有关。在煤与瓦斯突出的发展过程中,瓦斯的运动和破坏力,在很大程度上取决于含瓦斯煤体在破坏时瓦斯的解吸与放散能力。一般情况下煤体结构越不完整,瓦斯放散初速度值越高,瓦斯突出危险性也越大。金家庄矿和兴无矿各煤层瓦斯放散初速度见表3。金家庄矿、兴无矿煤层瓦斯放散初速度大于10mL/s的区域见表5,金家庄矿8号煤层的瓦斯放散初速度均小于10mL/s。4.3.5凝固性系数煤的坚固性系数是反映煤体抵抗外力的综合指标,取决于煤的组分、结构、变质程度等。煤的坚固性系数越小,瓦斯突出危险性也越大。金家庄矿煤层坚固系数见表3,从表中可以看出各煤层煤的坚固性系数均大于0.3,其中小于0.5的区域见表6。4.3.6突出综合指标对比根据安监总煤装162号《煤矿瓦斯等级鉴定暂行办法》第三十七条:煤层瓦斯压力P≥0.74MPa、煤的坚固性系数f≤0.5、煤的破坏类型达到Ⅲ以上、煤的瓦斯放散初速度Δp≥10等全部指标均处于临界值范围的确定为突出煤层,和“当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,一般确定为突出煤层”的标准,评价本区下组煤层煤的坚固性系数均大于0.3,瓦斯压力均小于0.74MPa,其它指标虽部分处于临界