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★ 煤炭安全 ★

低渗突出煤层瓦斯赋存规律及孔隙特征研究

杜海刚1,3 宋建伟2 杨军伟1 彭英华2 翟文杰2

(1.六盘水师范学院矿业与土木工程学院,贵州省六盘水市,553004;2.贵州五轮山煤业有限公司,贵州省毕节市,551700;3.山东科技大学能源与矿业工程学院,山东省青岛市,266590)

摘 要 针对五轮山煤矿区域瓦斯治理效果不理想、采掘工程严重滞后的问题,统计分析了现采8号煤层已采和待采工作面的瓦斯赋存规律,并采用压汞及电镜表征待采工作面切眼、中部、停采线煤样的孔隙特征,为区域防突措施的设计和施工提供基础参数。结果表明:矿井瓦斯含量的赋存规律为北部高、南部低,中部、中深部高,浅部和深部低;影响煤层瓦斯赋存的首要因素为岩浆热演化作用,煤的变质程度升高,不仅增大了瓦斯的生成量,同时体积和比表面积占比很高的微孔存在增加了煤层瓦斯的吸附能力;对于8号煤层的工作面而言,相邻工作面的瓦斯含量具有相似的变化规律,总体趋势为停采线至切眼的走向方向瓦斯含量在平均值上下起伏,总体呈下降趋势。其影响因素主要为高程差和停采线端的煤体变质程度略高所致。

关键词 瓦斯赋存 影响因素 孔隙特征 区域防突措施 瓦斯含量

煤层瓦斯赋存受多期、多种地质因素制约,具有区域分区分带、局部强烈非均衡性叠加特征[1]。对于高价煤而言,地质构造、煤层埋深、煤厚、水动力条件是影响煤层瓦斯赋存形态的主要因素,往往与瓦斯含量呈正相关性[2-4],也是煤与瓦斯突出灾害预测及评价的指标之一[5-6]。对于煤体而言,煤是一种复杂的双重多孔介质。煤中的不同孔隙对气体的吸附、解吸、扩散和迁移特征有很大影响,且不同变质程度的煤体其孔隙分布特征不同,对瓦斯存储和运移影响就不同[7-9]。因此,了解瓦斯治理过程中煤孔隙结构及分形特征具有重要意义。目前,煤孔隙结构特征的研究手段主要有压汞法、CT扫描、低温氮吸附、核磁共振、小角度X射线、原子力显微镜等[10-13]。基于此,通过对五轮山煤矿瓦斯赋存规律、影响因素、正在采掘工作面瓦斯分布规律及煤体微观孔隙特征进行分析,为区域瓦斯消突措施的有效设计和实施提供了基础参数,对加快采掘工程的安全高效进程具有十分重要的意义。

1 矿井概况

五轮山煤矿井田内龙潭组含煤地层属海陆交互相含煤建造,由碎屑岩、生物化学岩及有机岩等组成,含煤地层平均厚344 m,含煤39~62层,一般为35层,煤层总厚24.59~41.72 m,平均厚32.98 m,含煤系数9.6%。其中可采及局部可采煤层11层,即3、5-2、5-3、6-3、8、9、14、16、20、32、33煤层,总厚15.63 m。3、5-3、6-3、8、33号煤层属于全区可采或大部可采煤层,为主要可采煤层,且煤层较为稳定;5-2、9、14、16、20、32号煤层为局部可采煤层,煤层不稳定。煤矿在前期开采6-3时发生过煤与瓦斯突出事故,现主采8号煤层,划分2个采区,目前正开采一采区。

2 矿井瓦斯赋存规律及影响因素

2.1 矿井瓦斯赋存规律

通过现场勘探及生产现状统计分析,瓦斯的增长规律为随煤层埋深每增加100 m,瓦斯含量增加4.19 ml/(g·r)。瓦斯含量垂向上的变化规律:由上向下逐渐增高,下部煤层比上部煤层瓦斯含量高[14]。其中,20号煤层瓦斯含量最高,两极值11.66~31.65 ml/(g·r),平均23.52 煤层瓦斯含量最低,两极值5.47~19.94 ml/(g·r),平均12.71 ml/(g·r)。瓦斯含量平面上的变化规律:瓦斯含量差异较大,总体趋势北部高、南部低;中部、中深部高,向浅部深部降低,可采及局部可采煤层瓦斯含量如图1所示。

图1 可采及局部可采煤层瓦斯含量分布

2.2 矿井瓦斯赋存影响因素分析

2.2.1 地质构造对瓦斯赋存的影响

五轮山煤矿煤层赋存位于加戛背斜的一翼,区域性背斜翼部及倾伏端有较好的含气性,次一级的褶曲比较发育,浅部小褶曲较发育,其幅度一般在2~5 m左右,跨度在10~40 m左右,少数的褶曲较紧密,跨度较小。随着井巷延深,地层产状变化不明显,褶曲不发育。根据瓦斯赋存规律,煤层多在向斜轴部、背斜翼部及倾伏端等不协调褶皱发育的地层中瓦斯含量较高[14]。经勘查发现断层50条,目前揭露断层(点)达171处,均以正断层为主,见表1所示。揭露的断层倾向以40°~140°最多,其次为30°~20°段(0°附近);倾角多在30°~50°,其次为50°~70°。区内部分走向正断层切割含煤地层浅部煤层,部分横向正断层及斜交断层对深部煤层同样有破坏作用。瓦斯变化规律为垂向上同一钻孔煤层瓦斯含量随深度的增加而提高,平面上沿走向由南向北瓦斯含量逐渐增大,倾向上中深部瓦斯含量较高,向浅部、向深部都呈减小趋势。规模较大的断裂对瓦斯含量有一定的影响[15]

1 井下实揭断层(点)统计

项目数量/个占比/%落差大于10 m52.95~10 m84.72~5 m5129.81~2 m6035.10~1 m4727.5断层(点)性质正11768逆5432合计171

2.2.2 顶底板岩性对瓦斯赋存的影响

泥质岩石不利于瓦斯的散失,若含砂质、粉砂质等杂质时,会大大降低其遮挡能力。五轮山煤矿煤层顶底板岩性多为以泥岩、泥灰岩为主,其次为粉砂岩或粉砂质泥岩;底板以泥岩为主,其次为粉砂质泥岩。顶底板岩石多为低透气性的致密型岩,能够对瓦斯起到良好的封闭作用。

2.2.3 岩浆岩分布对瓦斯赋存的影响

岩浆侵入含煤岩系或煤层,在岩浆热变质和接触变质的影响下,煤的变质程度升高,增大了瓦斯的生成量和对瓦斯的吸附能力。在没有隔气盖层或封闭条件不好的情况下,岩浆的高温作用可以强化煤层瓦斯排放,使煤层瓦斯含量降低。岩浆岩体有时使煤层局部被覆盖或封闭,成为隔气盖层。但在有些情况下,由于岩脉蚀变带裂隙增加,造成风化作用加强,可逐渐形成裂隙通道,有利于瓦斯的排放。所以,岩浆活动对瓦斯赋存既有生成和保存的作用,在某些条件下又有促使瓦斯逸散的作用[16]。由于燕山期岩浆热演化作用,控制了该地区瓦斯的生成,随着地层下降、温度增高,变质程度不断增高,同时生成的气体量也逐渐增大,是该井田自然条件下瓦斯含量普遍较高的主要因素。煤的比表面积与煤变质程度有关,无烟煤比表面积最发育,一般为90%~190%。因此,本井田煤层具有良好吸附能力,瓦斯含量普遍较高。

2.2.4 煤层上覆基岩厚度对瓦斯赋存的影响

以3号煤层为例,井田内号煤层上覆基岩厚度总体规律是:东西向看,井田两边埋深比较浅,中间比较深,且在井田西部边界处煤层倾角较大。从瓦斯储存条件分析,煤层上覆基岩赋存厚度的大小影响瓦斯逸散和存储,井田内部的瓦斯含量是从东向西逐渐增大,西边瓦斯含量大的原因主要是煤层倾角大,顶板的封闭性较好,其总体趋势是随上覆基岩厚度的增大而增大。

2.2.5 水文地质特征对瓦斯赋存的影响

水文地质是影响瓦斯赋存的一个重要因素,地下水与瓦斯共存于煤层及顶底板围岩中,运移和赋存都与煤、岩层的孔隙、裂隙通道有关,其影响可分为水力运移和逸散,以及水力封闭和封堵作用。由于五轮山煤矿煤层赋存于富水性弱的碎屑岩层中,在自然状态下,煤层与富水性强的石灰岩地层和地表水之间有较厚的相对隔水层。断层带、破碎带的富水性弱,导水性差,不构成水力联系通道。煤层与强含水层和地表水没有直接的水力联系,仅在浅部与含煤地层风化裂隙水、小煤矿、老窑水及第四系孔隙水有直接水力联系,露头区小窑采煤引起的冒裂带及基岩风化裂隙带水是煤组地层主要含水段。煤组上覆、下伏为厚度较大的相对隔水层,直接充水含水层为煤组细、粉砂岩水,岩石裂隙微小,含水弱,较大的地表水体均分布在区边缘地带。大气降水是主要间接水源,充水水源简单,属裂隙类水文地质条件简单的矿床,在开采条件下,属于水文地质条件简单至中等的矿床。总体来看,本井田水文地质条件对瓦斯赋存影响并不能造成瓦斯的富集,瓦斯通过其他方式逸散[17]

3 工作面瓦斯赋存规律及影响因素

五轮山煤矿前期发生过煤与瓦斯突出事故,同时,对主采煤层突出指标鉴定,均为煤与瓦斯突出煤层。现主采8号煤层,8号煤层平均厚度1.6 m,倾角11°,平均埋深470 m,位于K4标志层下面平均8.61 m;上距6-3煤层平均28.59 m,划分2个采区,一采区共布置1803、1805、1807、1809、1813、1815、1817综采工作面,停采线与切眼之间的高程差平均相差80 m。1803、1805、1807工作面于2017年前回采完毕,且各综采面回风巷均采用沿空掘巷,1809工作面于2019年12月回采完毕,1811、1813作为接续工作面,回风巷采用沿空留巷。根据前期勘探,8号煤层最高原始瓦斯含量26.78 m3/t,最低为5.73 m3/t,基于直接测定的已有数据,统计1807、1809综采面和1811待采面原始瓦斯含量沿工作面走向变化趋势,如图2所示。从统计结果看,3个工作面原始瓦斯含量具有相似的变化规律,均在平均值上下起伏,总体呈现下降趋势,其平均原始瓦斯含量分别为14.57 m3/t、14.74 m3/t,14.65 m3/t,而地面煤样瓦斯解吸量(W2值)占原始瓦斯含量的百分比分别为72%、68%、71%,总体趋势为停采线至切眼逐渐下降。

图2 不同工作面原始瓦斯含量分布

4 煤层孔隙分布特征

从宏观上看,地质构造、岩浆岩分布、顶底板岩性等是矿井瓦斯含量高的主要因素。而对于现采工作面而言,停采线的瓦斯含量较高,W2值占比较大,为了探析其吸附能力的强弱,有必要对现采工作面不同地点煤样的微观孔隙特征进行分析。基于此,采取了1811待采面切眼、中部和停采线煤样,采用AutoPoreⅣ9500型压汞仪和Quant FEG 250扫描电镜对煤样进行了测试和表征。

4.1 压汞实验结果分析

依据霍多特孔隙分类体系,将煤中孔隙主要划分为4类:大孔(105~103 nm)、中孔(102~103 nm)、小孔(10~102 nm)、微孔(<10 nm)。工作面不同取样位置及原煤煤样孔隙结构特征分布见表2。由表2可知,3个位置的原煤结构中各类孔隙体积占比相差不大,微孔和小孔占比分别为56.36%、56.37%、57.06%,在所有孔隙中中孔体积占比最小,大孔最大,渗透率和孔隙率几乎相等,且3个位置煤样孔隙面积主要由微孔和小孔构成,平均占比为99.08%,其中微孔占比最大,说明本煤层变质程度高,导致本煤层吸附瓦斯的能力远强于解吸能力。

原煤进/退汞曲线如图3所示。由图3可知,3个煤样进汞表现均为“S”型。汞压力较低时,曲线上升较快,总体随着汞压力增大,曲线斜率降低,说明此压力对应的孔隙组体积含量降低[18]。当原煤在进汞压力为0.5~2 Pa时,进汞曲线急剧增加,其所对应孔径在90000 nm以上,当进汞压力比较小时,汞很容易侵入煤的大孔中,此时孔不容易被压裂;随着压力继续增大,汞开始进入较小孔隙内,进汞量增加幅度减小,曲线趋于平缓,在达5000 Pa以后,进汞曲线又开始明显增加,对应孔径均不超过33 nm。

2 工作面不同取样位置原煤煤样孔隙结构特征分布

取样位置总孔体积/(ml·g-1)不同孔径孔体积分布/%<10 nm10~100 nm100~1000 nm>1000 nm渗透率/mD孔隙率/%平均渗透率/mD平均孔隙率/%1811切眼0.0555020.6835.684.1939.45989.4324.581811中部0.0553920.5435.834.1139.52986.5644.551811停采线0.0554720.6236.444.1438.94987.7624.56987.9194.56

图3 原煤进/退汞曲线

煤中的有效孔隙包括开放孔和半封闭孔2种基本类型,原煤进/退汞曲线的“滞后环”可反映孔隙的基本形态及其连通性。本次煤样的进汞表现均为“S”型,退汞曲线呈横“L”型。随着汞压力的降低,退汞曲线与进汞曲线发生偏离,因此退汞存在滞留现象,部分汞永久性残留在煤样当中,产生“滞后环”[19],说明原煤存在开放型透气性孔,且原煤微孔和小孔体积占比较大,所以“滞后环”也较大,即进退汞曲线间距较大,表明残留汞较多,孔隙连通性差,瓦斯不易排出。

4.2 电镜扫描结果分析

不同位置煤样电镜扫描特征如图4所示。

图4 不同位置煤样电镜扫描特征

由图4可知,切眼和中部原煤表面的粘土矿物呈无规则多面体型的堆积状态,而停采线煤样的表面矿物较少,呈散落状态,其大小关系为中部>切眼>停采线,比例接近1∶2∶9。中部煤样存在超大孔、大孔以及部分连通孔隙,停采线煤样存在大孔和中孔,切眼煤样只可见大孔,所有的孔隙总体呈现为楔形、椭圆形分布,且多数大孔及超大孔都存在矿物充填。说明切眼和中部煤样在外部扰动下,更利于将吸附瓦斯解吸为游离瓦斯,停采线煤样的变质程度更高、致密性更强,吸附瓦斯能力更强。结合上述分析,对于矿井而言,其瓦斯赋存首要影响因素应是岩浆侵入含煤岩系或煤层,在岩浆热变质和接触变质的影响下,煤的变质程度升高,增大了瓦斯的生成量和对瓦斯的吸附能力;其次,区域性背斜翼部及倾伏端有较好的含气性,断层带、破碎带的富水性弱,导水性差,不构成水力联系通道等对瓦斯起到了良好的封闭和存储。

5 结论

(1)矿井瓦斯的增长规律为随煤层埋深每增加100 m,瓦斯含量增加4.19 ml/(g·r),其中,20号煤层瓦斯含量最高,两极值11.66~31.65 ml/(g·r),平均23.52 ml/(g·r),14号煤层最低,两极值5.47~19.94 ml/(g·r),平均12.71 ml/(g·r)。

(2)对于8号煤层的工作面,其相邻工作面的原始瓦斯含量具有相似的变化规律,均在平均值上下起伏下降,而直接测定的W2值总体趋势为停采线至切眼逐渐下降。

(3)切眼和中部原煤表面的粘土矿物比停采线煤样的表面矿物多,比例接近1∶2∶9。煤样孔隙总体呈现为楔形、椭圆形分布,且多数大孔及超大孔都存在矿物充填。

(4)对于矿井煤层瓦斯赋存的影响因素而言,首要因素是岩浆岩,其次是地质构造、顶底板岩性和水文条件等;对于工作面而言,高程差和变质程度是煤层瓦斯的主要影响因素,但不能忽略瓦斯赋存的奇异性和突变性。

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Study on gas occurrence law and porosity characteristics of low-permeability outburst coal seam

Du Haigang1,3, Song Jianwei2, Yang Junwei1, Peng Yinghua2, Zhai Wenjie2

(1.School of Mines and Civil Engineering, Liupanshui Normal University, Liupanshui, Guizhou 553004, China;2. Guizhou Wulunshan Coal Industry Co., Ltd., Bijie, Guizhou 551700, China;3.College of Energy and Mining Engineering, Shandong University of Science and Technology, Qingdao, Shandong 266590, China)

Abstract Aiming at the poor gas management effect and the lagging mining engineering in Wulunshan Coal Mine, the gas occurrence laws of the mined working face and prepared working face of No. 8 coal seam were statistically analyzed, and the porosity characteristics of coal samples from cutting hole, middle part and stopping line of prepared working face were represented by mercury injection test and electron microscope, which provided basic parameters for the design and construction of regional outburst prevention measures. The results showed that the gas content occurrence law of the mine was high in the north and low in the south, high in the middle part and middle-deep part, and low to the shallow part and deep part; the magma thermal evolution was the primary factor influencing gas occurrence, and the increase of coal metamorphism not only increased the amount of gas generation, but also increased the adsorption capacity of coal seam gas due to the micropores with high volume and specific surface area. For the working face of No. 8 coal seam, the gas contents of adjacent working faces had similar change laws, and the general trend was that the gas content fluctuated and fell around the average value in the strike direction from stopping line to the cutting hole. The main influencing factors were the elevation difference and the slightly higher metamorphic degree of the coal at the end of the stopping line.

Key words gas occurrence, influencing factor, porosity characteristics, regional outburst prevention measures, gas content

中图分类号 TD712

文献标识码 A

基金项目:贵州省科技厅联合基金(黔科合LH字[2015]7613号),贵州省非常规天然气地质评价与开发(黔科合KY字[2018]029),煤层气(矿井瓦斯)开发利用重点实验室(52020-2018-03-06),六盘水师范学院重点培育学科(LPSSYZDPYXK201711),贵州省教育厅青年项目(黔教合KY字[2017] 264号)

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引用格式:杜海刚,宋建伟,杨军伟,等. 低渗突出煤层瓦斯赋存规律及孔隙特征研究[J].中国煤炭,2020,46(7)∶58-64.

Du Haigang, Song Jianwei, Yang Junwei, et al. Study on gas occurrence law and porosity characteristics of low-permeability outburst coal seam [J].China Coal, 2020,46(7)∶58-64.

作者简介:杜海刚(1985-),男 ,土家族,贵州铜仁人,博士研究生,副教授,主要从事矿井火灾及瓦斯灾害治理研究。E-mail:haigangdu@126.com。

(责任编辑 张艳华)