研究区瓦斯（煤层气）的基本特征

Question

如题所述

Answer 1

1.5.1 瓦斯涌出特征

1.5.1.1 矿区瓦斯等级

韩城矿区自开发以来，曾多次发生瓦斯爆炸、燃烧和煤与瓦斯突出事故，其中瓦斯爆炸8次，瓦斯燃烧1次，煤与瓦斯突出48次。反映了矿区瓦斯涌出量大，煤层气显示明显的特点。在现有六对生产矿井中，五对属高沼气矿井，其中桑树坪平硐、桑树坪斜井、下峪口及燎原四对矿井同时又属煤与瓦斯突出矿井。在矿区总矿井数中，低、高沼气矿井分别占16.7%和83.3%，所以韩城矿区为高沼气矿区，而且随着采掘深度的增加，瓦斯涌出量也明显增加，表1.3是1992年和2006年、2007年韩城矿务局所属煤矿瓦斯等级鉴定的主要数据。

表1.3 韩城矿区瓦斯等级鉴定表

与渭北煤田其他矿区相比，韩城矿区之所以为高沼气矿区，这与该区的地质特征密切相关：①韩城矿区煤系地层厚，含煤层数多，煤层总厚度大，含煤系数高；②韩城矿区位于鄂尔多斯地块的东南边缘，各种构造形迹尤其是压性构造多集中分布于边浅部地层中，中部、深部构造简单，地层倾角平缓，除有宽缓的褶曲外，很少发育大中型断裂，加之围岩多为泥岩、砂质泥岩和粉砂岩之类的低透气层，这给瓦斯赋存创造了良好条件。这就是韩城矿区煤层瓦斯含量高于渭北煤田其他矿区的原因。

1.5.1.2 矿区瓦斯涌出来源

矿区各矿井瓦斯涌出来源主要是回采工作面。根据下峪口矿（1991年）的统计，全矿井总瓦斯涌出量为37.64m³/min，其中回采瓦斯涌出量为17.88m³/min，占47.5%；掘进瓦斯涌出量为5.54m³/min，占14.7%；采空区瓦斯涌出量为10.91m³/min，占29%；其他巷道瓦斯涌出量为3.69m³/min，约占9.8%。2008年下峪口煤矿瓦斯等级鉴定成果，瓦斯绝对涌出量77.67m³/min，相对涌出量46.18m³/t。从瓦斯涌出层位来看，主要是主采煤层，围岩中的瓦斯从岩巷掘进看，其绝对量极小，许多岩巷掘进面检查不出瓦斯，所以可以认为围岩瓦斯在矿井瓦斯总量中是微乎其微的。由于矿区属于近距离煤层群开采，在开采过程中，无论首先开采哪个煤层，都存在邻近煤层瓦斯的上下转移和相互渗透问题。例如，首先开采2^＃煤层，则其上的1^＃煤层和下部的3^＃煤层中的瓦斯都因卸压作用而大量涌入2^＃煤层工作面，导致其工作面回风巷瓦斯严重超限。瓦斯绝对涌出量1994年前，一般为8～10m³/min，最高达16m³/min，近年来，随着开采深度的加大，瓦斯涌出量也逐年增加，下峪口的1214、1216、1217等工作面就是典型的例子。

1.5.1.3 矿区瓦斯分布的不均匀性

从各矿井瓦斯等级鉴定资料看，北区瓦斯含量大，南区瓦斯含量小。北区四对矿井均为高突矿井，南区仅一个矿井为高沼气矿井。相对瓦斯涌出量南区远小于北区，南区平均值为11.77m³/t，北区平均值高达22.89m³/t。其原因主要为：①北区煤层瓦斯含量比南区大。如北区下峪口井田3^＃煤层的30个瓦斯钻孔中，瓦斯含量大于10m³/t的有9个，占总数的30%；大于5m³/t的有18个，占总数的63.3%；南区象山井田3^＃煤层14个瓦斯钻孔中，煤层瓦斯含量大于10m³/t的只有2个，占总数14.3%；大于5m³/t的有8个，占总数的57.1%，小于5m³/t的有4个，占总数的28.6%。②矿区3^＃煤层为主采煤层，其厚度变化较大，总的变化趋势为北厚南薄，至矿区南部边界趋于尖灭。根据韩城矿区瓦斯地质编图资料，瓦斯涌出量与煤层厚度的变化有紧密的关系，煤层厚度大的瓦斯涌出量比厚度小的为大。③北区3^＃煤层顶板致密完整，其上有沉积厚度不等的2^＃煤层，而象山井田则无2^＃煤存在，这是瓦斯保存好与差的又一条件。马沟渠井田3^＃煤层受到强烈的冲刷作用，也使其瓦斯含量和涌出量较低。此外南区中深部还有一组落差数百米的东泽村断层组，这也是影响南区煤层瓦斯含量和涌出量低的一个因素。但从南北区矿井瓦斯涌出量的变化趋势看，基本具有一致性，即随着开采深度增加及开采范围扩大，瓦斯涌出量显示逐年增大的趋势。

1.5.2 瓦斯动力现象

1.5.2.1 煤与瓦斯突出特征

研究区自1978年10月7日桑树坪斜井首次发生煤与瓦斯突出以后，下峪口、燎原矿相继发生了类似的动力现象，至1995年3月，共计发生大小突出48次，其中桑树坪矿32次，下峪口矿6次，燎原矿10次，最大突出煤量320t，最小突出煤量4t，平均突出煤量56t（表1.4）。主要表现有以下几方面的特征。

表1.4 韩城矿区煤与瓦斯突出情况一览表

①小型突出量＜25t/次，中型25～100t/次，次大型100～500t/次。

1）突出煤层仅限于主采的2^＃及3^＃煤层，5^＃及11^＃煤层目前尚未发生突出。其中以3^＃煤层突出最为严重，占突出总数的83.3%。

2）突出点在分布上具有明显的不均衡性及集中性，表现在突出仅发生在矿区北部的四对矿井，并在各矿井中具有明显的分区性。在燎原煤矿突出点主要集中分布在1521，1621及2203工作面；在下峪口煤矿突出点全集中分布在北山子向斜轴部一些工作面；在桑树坪煤矿突出主要发生在南一采区，并集中分布在3311及3309工作面，北一采区只发生过一次突出，北二采区从未发生过突出。

3）突出强度以小型突出为主，超过100t/次的次大型突出仅占22.9%。燎原、下峪口矿突出频率较低，平均年突出仅为0.77次和0.4次，而桑树坪矿的突出频率很高，平均年突出达1.88次。

4）2^＃煤层的始突深度小于3^＃煤层，2^＃煤层始突深度为176m，3^＃煤层为240m，但从始突标高来看，3^＃煤层又高于2^＃煤层，3^＃煤层始突标高451m，2^＃煤层始突标高为436.9m。

5）突出以煤巷掘进最多，占突出总数75%，岩巷揭煤及工作面回采突出仅占12.5%。

6）大多数突出动力效应不大，没有逆风及摧毁支护现象，突出的煤主要是碎煤，抛出距离不远，无分选现象，工作面不形成空洞，以煤体整体外移为主。从动力来源看，主要为地质构造应力和开采集中应力，次为瓦斯压力。从突出类型看，以压出、倾出为主，只有部分中型突出及次大型突出表现有明显动力效应及破坏现象，并以瓦斯压力为主要动力源，属突出类型。

7）随煤层埋深增加，突出的危险性增大。从发生突出较多的桑树坪矿来看，无论突出的次数及突出的强度均有随深度增加而增大的趋势。

1.5.2.2 煤与瓦斯突出相关地质因素分析

（1）突出与地质构造有关

据统计，在韩城矿区48次突出中，30%的突出发生于褶皱和断层附近，分别是向斜轴部及挠折向斜部位。如下峪口矿的6次突出均处于北山子向斜轴部，燎原矿的6次突出处于煤层底板等高线陡缓交替的挠折向斜内。燎原矿有3次突出则与断层构造有关。

（2）突出与煤层厚度变化有关

据统计，韩城矿区发生动力现象的地点60%位于煤层厚度变化带内。例如桑树坪斜井3302运输平巷发生的突出，煤厚由5m增至8m；燎原1521回风巷掘进头发生的压出，煤厚由1m左右突然增至2.2m；燎原1621回风巷在煤厚0.8m突然增至2.0m时也发生了压出。

（3）突出与煤体结构有关

从韩城矿区的突出资料看，所有突出点均处于构造煤分布地区，特别是碎粒煤及糜棱煤分布区。由于煤体结构对突出的明显控制性，从而决定了矿区目前突出分布的不均性及分带性。南区之所以未发生突出，与煤体破坏程度低，以原生结构煤为主有重要关系。北区突出分布并不普遍，具有明显分区性或分带性，主要受控于碎粒煤及糜棱煤的分布。

（4）突出与瓦斯含量、压力有关

瓦斯含量越高，压力越大，突出的危险性就越大。以下峪口一采区和二采区为例，所测得3^＃煤瓦斯含量分别为11m³/t和7.9m³/t，所测得瓦斯压力分别为0.75～1.1MPa和0.52～0.63MPa。由于二采区3^＃煤层瓦斯含量及压力均小于一采区3^＃煤层。因此，二采区只发生过1次小型动力现象，而一采区却发生过5次动力现象，其中2次为次大型突出。桑树坪斜井也有同样的规律，如斜井南翼采区实测3^＃煤层瓦斯压力为0.75MPa，计算瓦斯含量为17m³/t，而北一、北二采区远小于此数，个别钻孔瓦斯压力为零，因此斜井的倾出、压出或突出都集中在南翼采区。

1.5.2.3 瓦斯突出预测预报

突出预测预报方法很多，根据韩城矿区特点，采取以下预测预报方法。

（1）区域性预测

采取D、K两个突出危险性判断综合指标（表1.5）。

表1.5 韩城矿区突出危险综合指标D、K值

韩城矿区煤层气地质条件及赋存规律

式中：ΔP为煤的瓦斯放散初速度；f为煤的坚固性系数；H为开采深度，m；P为煤层瓦斯压力，MPa。

（2）日常点预测

采用煤屑解吸指标Δh₂及衰减系数C作为判断突出危险性的综合指标（表1.6）。

表1.6 韩城矿区煤屑解吸指标和衰减系数

（3）辅助判断指标

为了提高预测的准确性，增加了以下地质指标，见表1.7。

表1.7 突出危险性辅助判断指标

1.5.3 瓦斯与煤层气的成分与赋存状态

无论是地质勘探期间地表钻孔解吸瓦斯气样，还是井下打钻采取气样，测试结果均表明本区煤层的自然瓦斯成分由甲烷、氮、二氧化碳、氢气和重烃气组成。其中CH₄含量居于首位，在各煤层中平均达70%以上；N₂的浓度次之，在各煤层中平均为15%～22%，并与甲烷含量互为消长关系；CO₂的含量相对较低，小于10%；重烃浓度一般不足1%，属典型的干气。在平面分布上，主要可采煤层瓦斯成分随煤层埋藏深度由浅而深表现为较明显的分带性。边浅部主要表现为CO₂－N₂带及CH₄－N₂带，成分以CO₂、N₂为主，CH₄浓度不足50%；而向矿区深部，逐渐过渡为N₂－CH₄带及CH₄带，CH₄成分最高可达90%以上，一般也在75%～80%以上，从桑树坪井田由浅至深的三个钻孔（N₃、66及68号孔）的瓦斯成分分析资料可以看出，浅部N₂和CO₂分别为90.19%和7.86%，深部分别降为16.54%和3.55%；CH₄浅部为1.95%，深部增至79.91%，自然瓦斯的这一规律，在全矿区具有普遍性。从瓦斯在煤层中的赋存形式看，主要以吸附状态为主。根据煤层的吸附实验数据和有关参数计算，煤层中的吸附瓦斯占煤层瓦斯总量的87.3%～93%，而游离瓦斯只占煤层瓦斯总量的7%～13%。从主要可采煤层的瓦斯含量看，以北区3^＃煤层和南区5^＃煤层瓦斯含量较高，11^＃及2^＃煤层含量次之。

1.5.4 煤层气生、储、盖组合特征简析

研究区主要可采煤层平均总厚度9m左右，有机质含量平均高达78.3%，有机碳含量平均高达70.6%，有机质类型以产气能力较强的镜质组为主，平均含量在90%左右，煤质牌号以瘦煤及贫煤为主，变质程度处于产烃作用的主要阶段。因此，可采煤层具备了生气的有利条件，属于良好的生气源岩，具有很大的产气能力。从显微结构来看，据电子扫描镜观测，鉴定主要可采煤层的孔隙类型多样，有气孔、植物残余组织孔、溶蚀孔、铸模孔、粒间孔及裂隙等，其中以气孔及裂隙较为发育，属裂隙－孔隙型储层。据对煤样的压汞实验，煤中孔径以中孔和大孔为主，平均占61%，而构成吸附容积的微孔和小孔平均占39%。从孔隙率、孔容比及表面积等孔隙物性参数来看，北区煤层平均高于南区，北区以3^＃煤层较高，南区以5^＃煤层较高。从吸附能力来看，与全国主要煤田同类变质程度煤层相比，北区2^＃煤层其储气能力属中储偏低型；3^＃煤层屑中储型；11^＃煤层属于低储型；南区3^＃、5^＃及11^＃煤层均为中储偏低型。从主要煤层的围岩组合或构成来看，2^＃、3^＃、5^＃煤层顶底板泥岩、砂质泥岩岩性致密坚硬，粉砂岩胶结物以粘土矿物为主，且为孔隙式或基底式胶结，透气性很低。按透气性能，2^＃、3^＃、5^＃煤层围岩主要以屏蔽层为主，半透气层次之。11^＃煤层顶板以石灰岩及石英砂岩为主，尽管这些岩层致密坚硬，但在构造破坏强烈地段，其中的节理裂隙较为发育，11^＃煤层底板尽管以细碎屑岩为主，但有相当一部分地段距奥陶系灰岩面较近，受灰岩内发育的大量岩溶裂隙及地下水长期活动的影响，瓦斯有向下逸散之可能，按11^＃煤层围岩对瓦斯的保存条件来看，主要以半透气层为主，局部为透气层。