基于构造形迹特征的煤层瓦斯富集区判识方法——以集贤煤矿西二采区为例_亢方超.pdf

第42卷第3期 2014年6月 煤田地质与勘探Vol. 42 No.3 Jun. 2014 COAL GEOLOGY ;;;,20，为瓦斯富集区， 关键词．煤矿安全；瓦斯富集区；瓦斯赋存指数；构造形迹；；，J识方法 申图分类号TD712.2文献标识码.ADOI 10.3969/j.issn. l 001-l 986.2014.03.003 Gas enrichment area identification s based on structural features KANG Fangchao, WAN Qingsheng Longmay Jiamusi Gas Geology Institute Ltd, Jiamusi 154000, China Abstract In order to forecast gas enrichment area and effectively reduce safety problems induced by uneven gas distribution in coal mines, the paper, based on the gas geological theory, proposed the gas occurrence index and gas enrichment area identification s according to structural features, decided the region that were composed of the points where gas occurrence index was more than 20 for gas enrichment area. This paper, taking Jixian coal mine as example and combining with gas geological characteristics in the mine, selected the center position of structural features as starting point, the length from the base as independent variable, gas occuπence index as the d巳pendentvariable for establishing mathematical model, identified the gas enrichment area in western No.2 mining district. The results show that the region constituted by the points away from magmatic rock wall less than 65 m or away from synclinal axis less than 220 m is gas enrichment area. Key words coal mine safety; gas 巳nrichmentarea; gas occuπence index; structural feature; identification s 瓦斯是在地质演化中形成的气体地质体，瓦斯 生成于煤层，储存于煤层和自l岩之中［I］。瓦斯的生 成、运移、赋存和富集与地质条件都密切相关。受 地质条件控制，同一煤层在不同构造形迹影响区域， 瓦斯赋存状态可能相差很大，具有明显的分区、分 带特征［2-3］，存在瓦斯富集区。煤层瓦斯富集区是影 响煤矿开采和安全管理的重要囚素［4飞 瓦斯富集区的理论研究，国内主要以地质综合 评价方法为基础。王桂梁等［6］提出的层滑构造控制 理论，韩军等（7］提出的构造演化控制理论，魏国营 等［8］提出的上覆基岩控制理论，王兆丰等［9］提出的趋 收稿日期2013-02-28 基金项目国家科技重大专项课题（20l I ZX05040-005 势分析法等，对煤层瓦斯富集区的赋存研究起到了 一定积极作用。瓦斯富集区的探测研究，国内主要 以物探数据的反演和解译为基础。彭苏萍等（10］提出 的以煤层割理裂隙为探测目标的煤层瓦斯富集 AVO技术预测模型，崔若飞等llI］提出的多种地震P 波方位属性瓦斯富集预测模型，杨永波等（12］提出的 三维地震资料及双介质理论瓦斯富集预测模型，推 动了瓦斯富集区的探测与评价。 前人的研究，主要考虑整个矿井乃至煤田等较 大区域的瓦斯赋存规律，而很少针对矿井生产水平、 采区等局部区域提出瓦斯富集区预测模型。然而， 作者简介亢方超（1984一），男，河南焦作人，工程师，硕士，从事瓦斯地质及瓦斯治理研究 ChaoXing 第3期亢方超等基于构造形迹特征的煤层瓦斯富集区判识方法13 越来越多的研究表明，局部区域的岩墙、断层、擂 皱等构造形迹所引起的瓦斯富集区才是影响煤矿开 采和安全管理的关键因素［5］。 本文以瓦斯地质理论为指导，以龙煤集团双鸭 山分公司集贤煤矿西二采区为研究对象，定义了瓦 斯赋存指数灼，提出了基于构造形迹的瓦斯富集区 判识办法，并对西二采区岩墙、榴皱等构造形迹影 响区域进行研究，划分了瓦斯富集区。 1 基于构造形迹的瓦斯富集区判识方法 1.1 瓦斯富集区及构造形迹特征 煤层瓦斯富集区，是指煤矿井田范围内煤层中 瓦斯含量较高或局部瓦斯明显高于周围的区域。在 煤炭开采过程中，主要表现为同一煤层的某一采区、 工作面、区段的瓦斯明显高于相邻采区、工作面、 区段的煤层瓦斯。 构造形迹是指在自然条件下，地壳中的岩层或 岩体发生永久形变而造成的各种地质构造形体和地 块、岩块相对位移的踪迹，包括各种不同成因的榴 皱和不同性质的断裂、节理、劈理和片理等［2］。由 于地质构造应力的作用和应力场的复杂性．不同形 态类型的构造形迹、同一构造形迹的不同部位，会 出现应力集中程度、力学性质、封闭情况不同的块 段，形成有利于瓦斯保存或者排放的不同条件，造 成瓦斯分布的不均衡。 1.2 瓦斯富集区判识特征参量的确定 瓦斯赋存指数是指在自然条件下，煤层瓦斯因 构造控制所形成的局部异常区域与该区域同埋深正 常瓦斯的差异比值，是瓦斯赋存异常程度的直接体 现。数学上可以表征为 ; W;-fh; ，＝一一一一一－xlOO fh; 式中；为对应地点的瓦斯赋存指数；W；为对应地 点实测煤层瓦斯含量；只h；）为对应区域同埋深地点 的煤层瓦斯含量预测值，通常由正常区域的瓦斯含 量通过一定的数学模型回归而得。 瓦斯赋存指数μ，有正、负之分，μ，＋表示正异常， 表征该测点煤层瓦斯含量高于该区域同埋深煤层瓦 斯含量；；－表示负异常，表征该测点煤层瓦斯含量 低于该区域同埋深煤层瓦斯含量。因此，可以用， 作为瓦斯富集区判识的特征参量。 从理论上讲，凡是；＞O的区域均属于瓦斯富 集区，但当／值较小时，所固定区域煤层瓦斯含 量的聚集程度不明显，在煤层开采时的瓦斯涌出量 增幅就会较小，也失去了瓦斯富集区判识的意义。 、‘，J l r飞 在实际生产中，多采用μ产土20为瓦斯异常区域的 判定值，即判定； 20测点所构成的区域为瓦斯富 集区。 2 集贤煤矿西二采区瓦斯赋存特征 2.1 井田概况 集贤煤矿隶属于龙煤集团双鸭山分公司，地理 位置位于双鸭山市东北部，距市中心19km，井田 走向长9km，南北宽4.5km，含煤面积约42.3km2, 矿井主采早白辈纪城子河组（K1ch）中部含煤段煤层， 开采标高－500m，核定生产能力为1.8Mt/ao 西二采区为集贤煤矿主采区，主采9号煤层， 煤质为气煤，煤层厚度0.8～2.29m，平均1.55mo 集贤煤矿201l瓦斯等级鉴定结果为高管矿井，矿 井绝对瓦斯涌出量为23.21m3/min，西二采区绝对 瓦斯涌出量为18.45m3/min，约占矿井瓦斯涌出的 80。 2.2 井田瓦斯地质特征 集贤井田所处的集贤盆地，煤系形成于燕山运 动时期，先后经历了燕山运动、喜山运动和新构造 运动时期的改造，断层、榴皱发育，岩浆活动强烈。 燕山运动时期，NW-SE向拉伸作用使该区域进入引 张裂陷时期，盆地附近大规模的火山岩浆侵入到地 下深处，构成异常地热场，使得该区域煤层的变质 程度增强，瓦斯含量增加；喜山运动时期，太平洋 板块对欧亚大陆俯冲的方向由NNW向转为NWW 向，盆地大规模抬升剥蚀，对瓦斯的释放起到的积 极作用；新构造运动时期，受NWSE向拉张构造 应力场作用，先期一些NNE向断裂转变成正断层， 促进煤层瓦斯的逸散。 区域地质构造演化作用对集贤盆地瓦斯赋存起 着决定性的作用（13-14］。一方面，大规模的岩浆活动 使得自主纪沉积的低变质煤发生二次变质作用，转 变为高变质的气煤，甚至是焦煤，煤层瓦斯含量增 加；另一方面构造反转作用，导致煤层浅部瓦斯大 规模逸散，瓦斯风化带下部边界加深。 2.3 西二采区瓦斯赋存规律 经验证，集贤井田瓦斯风化带下部边界埋深 450500 ffiIS］。在埋深500m以下区域，煤层瓦斯 含量随埋藏深度的增大rf司增加，详见表l。 为了判识瓦斯富集区，取得对比数据，首先必 须对非构造形迹影响区域进行研究。通过对实测瓦 斯含量（W；）与其对应煤层埋深（h；）进行数学回归，建 立了瓦斯含量预测模型 贝儿）＝0.016 9h- 5.365 1，相关系数R0.9204。 ChaoXing 第42卷煤田地质与勘探 3.2 表1集贤矿深部区域瓦斯含量表 Coal seam gas content in deep area of Jixian coal mine 煤层埋r,i“ 测定瓦斯含i古以 , 111 /m3C1 591 4.44 14 Table I 3.79 5.08 5.65 6.63 5.88 6.17 6.51 3.47 536 662 651 670 687 642 695 525 含量测试坐标 3 4 ，、 Jf hv匀’’ nEQ J -57 753. 5 180 337 57 742 , 5 180 619 57 618. 5 180 676 58 058. 5 179 981 58069, 5180077 -58 035. 5 179 892 -58 214, 5 179 779 58 300, 5 180 212 58 267, 5 180 062 j子弓 2 集贤煤矿西二采区瓦斯富集区判识 瓦斯富集区判识方法 不同的构造形迹，由于影响因素的不同．所形 成的瓦斯异常区范围也不相同。结合集贤煤矿的瓦 斯地质条件，选取构造形迹的中心位置为基点．以 距基点的距离I；为向变量，瓦斯赋存指数μ，为因变 量，建立多项式回归方程，确定；20的测点所构 成的区域，即瓦斯富集区。 3 3.1 瓦斯赋存指数， / 75.61 57.45 58.29 - 5.85 0.23 2.15 10.65 12.49 2.03 表2岩墙200m范围内瓦斯赋存指数表 Table 2 Gas occurrence index away from magmatic rock wall less than 200 m 测定点煤层埋深h,测定点距岩墙的距离l，视1J定瓦斯含量w，预测瓦斯含量f{h, Im Im /m3t 1 /m3C1 616 24 8.86 5.05 629 19 8.29 5.27 581 41 7 .05 4.45 687 I 02 5.88 6.25 651 90 5.65 5.64 537 180 3.79 3.7 1 672 200 6.63 5.99 642 175 6.17 5.48 695 78 6.51 6.38 瓦斯含hlilJ定点坐标 -58 104. 5 180 286 -58 082, 5 180 212 -58 057. 5 180 463 58 214. 5 179 779 -58 069. 5 180 077 - 57 742, 5 180 619 58 035. 5 179 892 -58 300. 5 180 212 -58 267. 5 180 062 于＼｝ ’l叫4 1d AUT，、 Jr O 『，，nEnvJ 降，形成了集贤盆地总体为近EW向的单斜盆地构造。 西二采区位于集贤煤矿深部，由于受到区域构造的影 响，发育一条NNE向向斜。在向斜形成过程中，向斜 构造轴部及一定范围内的煤体处于高应力环境下，强烈 的剪切作用使得煤层下部煤体裂隙扩张，形成呈层状或 似层状发育的构造煤（20］，从而提高了煤层的瓦斯储集’性 能，煤层上部煤体压缩增厚，阻碍了瓦斯的逸散（21］，而 且煤层顶板为致密的粉砂岩，进一步促使瓦斯在该区域 聚集（22］，高于西二采区的其他区域，形成瓦斯富集区。 通过距向斜轴0～300m的区域内实测煤层瓦斯 含量（表匀，可建立瓦斯赋存指数；与距向斜轴距离 l，的多项式回归方程为 ;0 .0011// - 0 .151 8/;-38.803, 相关系数R0.842 9。 p,0.006 2／；一1.6548/, IO I 77 R 0.947 5 . 80 70 至60 主a-50 悲40 主30 e 20 .et 10 。 - 10 - 20 岩墙影晌区域瓦斯富集区判识 集贤煤田成煤以后，经历了燕山运动和喜山运 动强烈的岩浆活动。集贤煤矿西二采区侵入体产状 多为岩墙，岩浆侵入常以断层或裂隙为通道，旦 NNE向展布。岩浆在侵入煤层过程中，分离出大量 高温、高压的岩浆热液，促使一定范围内的煤层发 生接触热变质作用［Iι17］，进而使煤的变质程度增高（18], 产气速率和瓦斯含量增大，而煤层上部致密的粉砂 岩顶板又为煤层瓦斯提供了一层天然屏障，阻碍了 煤层瓦斯的逸散，促使煤层瓦斯在该条带内聚集（I坷， 形成瓦斯富集区。 通过距岩墙中心0-200m的区域内实测煤层瓦 斯含量（表2），建立了瓦斯赋存指数μ，与距岩墙距离 I；的多项式回归方程为 ; 0.006 2／／一1.6548／；，一101.77, 相关系数R0.947 5 。 当；＝20时，l,61.01m，可以判定距岩墙约65m 范围内为瓦斯富集区。 依据上述回归方程，可绘制出瓦斯赋存指数与 测定点距岩墙距离的关系图（图I）。 250 阁l瓦斯眠存指数与岩墙距离的关系图 Fig. I The relationship between gas occuπence index and distance away from magmatic rock wall IOI严、』」8扩200 测定点出＇／；J指出’尚IIrn 50 向斜影晌区域瓦斯富集区判识 燕山运动中晚期，东北地区压应力方向为NNE向， 区域性逆冲梢皱作用造成集贤向斜南翼隆升，北翼下 3.3 ChaoXing 表3向斜轴部300m范围内瓦斯赋存指数表 Table 3 Gas occurrence index away from synclinal axis less than 300 m 视1］点煤层埋深h,测点距向斜轴的距离，，测定瓦斯含量w,预测瓦斯含量fh，）瓦斯赋存指数， Im Im lm3t 1 lm3t 1 1 695 15 8.35 6.38 30.87 706 58 9.62 6.57 46.51 680 92 9.82 6.13 60.28 645 151 7.96 5.54 43.80 642 178 6.17 5.48 12.49 695 228 6.51 6.38 2.03 687 300 5.88 6.25 - 5.85 657 171 8.01 5.74 39.59 15 亢方超等基于构造形迹特征的煤层瓦斯富集区判识方法第3期 瓦斯含量测点坐标 -58 479, 5 180 098 5 8 451 , 5 I 79 941 58 381 , 5 180 264 -58 316. 5 180 294 -58 300, 5 180 211 -58267. 5180062 5 8 214, 5 I 79 779 -58 651 . 5 180 230 序号 ’lqL句JA 饨，、JrO 叮JO。 70 ;f. 60 运50 嘿40 龄30鸟 2主20 .rd 10 0 10 20 图2瓦斯赋存指数与向斜轴距离的关系图 Fig.2 The relationship between gas occu町巳neeindex and distance away from synclinal axis ;,, 0.0011 /,20.151 8/, 38.803 R 0.842 9 . . . 当；＝20时，1;216.83m，可以判定距向斜轴约 220 m范围内为瓦斯富集区。 依据上述回归方程，可绘制出瓦斯赋存指数随 测点距向斜轴距离的关系图（图2）。 集贤煤矿采掘过程中，在；＜20的区域内，煤层 瓦斯含量普遍较低，为3.47-6.51m3/t，且随着埋藏深 度的增加，瓦斯含量逐渐增大；绝对瓦斯涌出量分布 均匀，平均为6～IOm3/min。在；注20的区域内，煤 层瓦斯含量较高，普遍在6m3/t以上，部分瓦斯富集 区域可达到9m斗t以上（图3）；该区域绝对瓦斯涌出量 分布不均，异常区域达到21.65旷／mino 350 . 50 瓦斯富集区判识结果验证4 体现，可以作为定量指标，用来表征构造形迹的影 响区域，对基于构造形迹的瓦斯富集区进行判识。 b.在距离岩墙一定范围内，煤层瓦斯含量随着距 岩墙距离的增大而减少，且在岩墙影响边缘区域出现一 个低峰之后，逐步恢复正常；在距离向斜轴一定范围内， 煤层瓦斯含量随着距向斜轴距离的减小而增加，且在向 结论5 a.瓦斯赋存指数是瓦斯赋存异常程度的直接 0 2 km 」＿＿＿＿＿.＿＿＿＿＿」 y, ／乞 /, \ 580 F写习瓦斯赋存fli L....」」等值线 【才I瓦斯赋制行 20～401；，（域 ITJE iJ 画1iti1,,; 瓦斯刊点 [LI／；硝 [JIU]斜 眼瞅 等值线 厂王「瓦斯合E L二」幽豆且直 图3集贤煤矿西二采区瓦斯富集区分布图 Gas enrichment area in western No.2 mining district of Jixian Coal Mme Fig.3 ChaoXing 16 煤田地质与勘探第42卷 斜轴附近达到一个高峰之后，瓦斯含量逐渐降低。 c.运用煤层瓦斯富集区判识方法，对集贤煤矿 西二采区瓦斯富集区进行了初步判识。结果表明 岩墙、向斜等构造形迹控制着该矿西二采区的瓦斯 富集区；距岩墙65m范围内、距向斜轴部220m范 围内，煤层瓦斯赋存指数；兰20，为瓦斯富集区； 尤其是岩墙与向斜交叉区域，瓦斯赋存指数高达60, 是煤矿瓦斯灾害的易发、高发 区域。 参考文献 川张子敏，瓦斯地质规律与瓦斯预测［M］.北京煤炭工业出版 丰十．2005 4-50. 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