淮北海孜矿中组煤层瓦斯赋存地质因素研究6.21.doc

淮北海孜矿中组煤层瓦斯赋存地质因素研究 杨跃奎1程远平1王亮1徐传田2陈海栋1李培庆1 1 中国矿业大学煤矿瓦斯治理国家工程研究中心,江苏徐州221008; 2 淮北海孜煤电公司,安徽淮北 摘要为了掌握海孜矿中组煤层瓦斯赋存规律,基于矿井地层演化史及构造特征,探讨了海孜矿地层演化过程及构造对中组煤层瓦斯赋存的控制影响。结果表明燕山早中期形成的巨厚火成岩使下伏的中组煤层发生“二次成气”,产生大量的瓦斯,提高了中组煤层的变质程度和瓦斯吸附能力;火成岩厚度较大且渗透性低,圈闭了中组煤层大量瓦斯;矿井发育的层间滑动构造破坏了中组煤层的煤体结构,使煤层软分层厚度增加,煤层出现局部厚度变化过渡带,增大了中组煤层煤与瓦斯突出的可能性。 关键词地层演化;瓦斯赋存;断裂构造;巨厚火成岩 Study on Geological Factors of the Middling Coal Seams Gas Occurrence in Haizi Coal Mine, Huaibei Coalfield YANG Yue-kui 1,CHENG Yuan-ping 1,WANG Liang 1,XU Chuan-tian 2,CHEN Hai-dong1,LI Pei-qing1 1. National Engineering Research Center for Coal 2. Haizi coal and electric company, Huaibei, Anhui,China AbstractFor mastering gas occurrence laws of the middling coal seams in the Haizi coal mine, based on stratigraphic evolution history and fault tectonic characteristic, we discussed effects on gas occurrence laws of the middling coal seams in the Haizi coal mine by stratigraphic evolution and fault tectonic. The results show that the underlying middling coal seams occur “the second ing gas” by extremely thick rock bed ed in the early and middle stage of Yan Shan, and produce huge amounts of gas. Moreover, metamorphic grade and gas adsorption capacity of the middling coal seams improve. The extremely thick igneous rock is thicker and lower permeability, and traps huge amounts of gas. Developed interlayer-gliding structures in coal mine destroys coal structure, results in the increasing of soft stratification thickness, raises the transition zone of thickness variation, and increases the possibility of coal and gas outburst in the middling coal seams. Key Words stratigraphic evolution; gas occurrence; fault tectonic; extremely thick igneous 0 引言 煤与瓦斯突出主要由煤层瓦斯、地应力以及煤体结构控制,在我国煤与瓦斯突出事故多数发生在地质构造背景复杂的煤层。在断层、褶曲发育地区,火成岩侵入形成变质煤与非变质煤交混或邻近地区,煤层变厚、软分层变厚地区等地带往往成为煤与瓦斯突出的易发地带。一般煤层变质“成气”后地层演化过程中,盖层覆盖较好的煤层,瓦斯含量相对富集[1];在构造发育地带,软分层分布范围广[2];火成岩侵蚀的高温烘烤或接触变质作用使煤层瓦斯含量大大增加,并以不同赋存形式控制了矿井区域瓦斯赋存[1,3,4]。海孜矿地层演化复杂,构造发育,岩浆岩侵蚀严重,煤与瓦斯突出事故频繁发生,且中组煤层发生突出灾害次数最多, 基金项目国家重点基础研究973项目2005CB221503;国家自然科学基金项目50674089;国家青年科学基金项目50904068;中国矿业大学青年科研基金资助项目OY091223 作者简介杨跃奎1984-,男汉,河南省扶沟县人,硕士研究生,从事煤矿瓦斯防治方面研究。 E-mailyangyuekui_ Tel 135******** 为了掌握中组煤层瓦斯赋存规律,本文基于矿井地质、地勘时期和生产期间瓦斯资料,探讨矿井地层演化、构造发育、岩浆侵蚀等对中组煤层瓦斯赋存的控制作用,为矿井的瓦斯治理提供基础资料。 1 矿井基本情况 海孜煤矿位于安徽省淮北市濉溪县境内,属淮北煤田临海童矿区,设计生产能力150万t/a。矿井主采煤层为7煤、8煤、9煤、10煤四个煤层,四个煤层均为煤与瓦斯突出煤层。 7、8、9为中组煤层,7煤层位于下石盒子组下部,煤层厚度平均为2.00m;8煤层位于7煤层下间距平均22m,煤层平均厚度为1.40m;9煤层位于8煤层下间距平均为3.1m,煤层厚度平均为2.43m;距7煤层顶板55m处有一层均厚为120m的岩浆岩体。矿井煤层柱状图如图1所示。 图1 煤系地层分布及岩性 Fig. 1 the Distribution of Coal Measure Strata and Lithological Characters 海孜矿建井和生产期间共发生12次煤与瓦斯突出现象,大多发生在矿井中东部的中组煤,突出类型属压出或倾出,其中7煤层发生煤与瓦斯突出动力现象4次,8煤5次,9煤2次,10煤1次,中组煤层的突出危险性远远大于10煤层。2009年矿井绝对瓦斯涌出量达 到55.80m 3/min ,相对瓦斯涌出量达28.79m 3/t 。 2 矿井地层演化及构造发育特征 2.1 矿井地层演化过程 矿井揭露的地层有奥陶系、石炭系、二叠系、第三系和第四系,煤层主要赋存于二叠系山西组P1s 、下石盒子组P1xs 、上石盒子组P2ss 。在加里东运动以后,本区地层缓慢下沉,逐渐形成石炭、二叠系含煤地层。印支运动早期,到距今200Ma 左右,本区二叠系含煤地层下降至3000m 左右;之后受印支期构造运动影响,地层可能缺失三叠系,或三叠系基本被剥蚀殆尽,甚至二叠系遭受不同程度的剥蚀。 燕山早中期,宿北断裂附近岩浆活动剧烈[5]。矿井位于宿北断裂附近,二叠系含煤地层遭受岩浆侵蚀据岩浆岩同位素年龄测定。燕山期,童亭地区由同沉积隆起继承性发展而形成背斜[5,6]。受童亭背斜控制,矿井地层缺失侏罗系及白垩系地层,而淮北地区区域地层存在侏罗系、白垩系地层。同时根据地层揭露情况,燕山晚期及喜马拉雅早期,本区二叠系含煤地层上覆地层达到最浅时期。喜马拉雅早期以来,堆积了厚度平均232m 的上第三系和第四系地层,与下伏二叠系呈不整合接触。 2.2 矿井地质构造发育及展布情况 海孜矿位于NW 向断裂宿北断裂、光武-固镇断裂和NE 向断裂太和五河断裂、固镇长丰断裂内,童亭背斜的西北端。矿井范围东南以大马家断层与临涣矿毗邻,西以大刘家断层为界,北至3煤层-800m 水平投影线,呈一不规则三角形。矿井总体为走向近EW 、向北倾斜的单斜构造,受吴坊断层切割,整个井田被分成两个区,即三角区吴坊断层以南和东西区吴坊断层以北。 ① Ⅱ⑤ Ⅳ Ⅲ④ ③ 图2 海孜矿地质构造与火成岩分布图 Fig. 2 the Distribution of Geological Tectonic and Igneous Rock in Haizi Coal Mine Ⅰ井田边界;Ⅱ闪长玢岩岩床;Ⅲ逆断层;Ⅳ正断层;Ⅴ巨厚火成岩未覆盖区瓦斯含量测试点;Ⅵ巨厚火成岩覆盖区瓦斯含量测试点;Ⅶ巨厚火成岩未覆盖区取样点;Ⅷ巨厚火成岩覆盖区取样点;①大马家断层;②吴坊断层;③大刘家断层;④8、9煤层露头;⑤7煤层露头 矿井大型断层发育,中小断层更甚,落差大于或等于10m的断层共57条。如图2所示,矿井断层展布方向以NE向断层为主,如矿井西部边界NNE走向的大刘家断层、F3断层和西南部NEE走向的大马家断层,其次为NEE向,如南部边界NE走向的大马家断层,中东部NE走向的HF1断层。矿井断层走向上落差变化较大,走向延展长度短,一般中间大,向两端尖灭。矿井正断层多,逆断层较少。 矿井中组煤层层位中层状滑动构造发育。层间滑动构造经历了4期构造应力场的演化[7]。 其中,燕山早中期,为NW-SE和WNW-ESE向水平挤压应力场, 11116 σ∠ ,是引起煤层层间滑动的主要挤压应力场。 2.3 矿井火成岩侵入特征 海孜矿中、西部沿5煤层侵入的岩浆岩本文中称为巨厚火成岩呈岩床分布,沿走向绵延长度6.5km,在Ⅱ102采区分布最稳定,其最大厚度169.18m,一般大于120m,主要由闪长岩和闪长玢岩组成。通过取芯后实验室相关力学指标测定,火成岩的平均单轴抗压强度为144.21MPa,原生结构面极少,岩性单一,地下水作用不明显,判定为矿井的主关键层[7]。如表1所示[8],火成岩平均渗透系数为1.1510-5cm/s,渗透系数较低,巨厚火成岩对矿井中组煤层起到瓦斯圈闭覆盖层的作用。 表1 赵庙岩体火成岩渗透系数指标 Table 1 Permeability Coefficient Inds of Igneous Rock on Zhaomiao rock 钻孔R455 R456 R458 R459 平均渗透系数/cm/s 1.210-5 3.210-4 4.410-4 3.310-4 1.1510-5 3 地层演化对中组煤层瓦斯的控制 我国除少数变质程度较低的含煤盆地外,绝大多数含煤盆地在聚煤后都有地层抬升演化阶段[9]。本区区域含煤地层经历多期改造和热源作用[3],煤层瓦斯也经历了多阶段变化。 从印支运动早期,到距今200Ma左右,海孜矿中组煤层埋深达到3000m左右,深成变质作用使中组煤层煤化作用程度达到气肥煤阶段,进入瓦斯生成的主要时期称为“一次成气”,生成瓦斯量达到212229m3/t[10]。 后受印支期构造运动影响,本区地层抬升,上覆地层剥蚀严重,“一次成气”的瓦斯向地表逸散较快。但燕山早中期,本区岩浆活动剧烈,其中侵入5煤层的巨厚火成岩对其下伏的中组煤层影响较大,其区域热变质作用使中组煤层煤化程度达到焦煤、贫煤甚至无烟煤阶段,二次产生大量瓦斯气体称为“二次成气”,生成瓦斯量达到270419m3/t[10]。 图3 火成岩侵蚀地质剖面图 Fig. 3 Geologic Section of Igneous Erosion ①年代地层单位;②年代地层单位分界线;③煤层;④赵庙岩体;⑤瓦斯运移方向 受燕山期童亭背斜控制,燕山晚期及喜马拉雅早期,本区中组煤层上覆地层达到最浅时期,瓦斯逸散速率应达到历史最大时期[11]。然而,如图3所示,由于本区中组煤层下伏在巨厚火成岩下,瓦斯逸散不符合一般规律,速率没有增加,反而减弱,瓦斯逸散受阻碍,可见,巨厚火成岩对中组煤层瓦斯起到圈闭作用。如表2,走向上巨厚火成岩覆盖区中组煤层瓦斯含量明显大于巨厚火成岩未覆盖区中组煤层瓦斯含量,可见上覆地层最浅时期,中组煤层瓦斯受到巨厚火成岩的圈闭,保存了大量瓦斯气体。 表2 不同区域煤层瓦斯含量对比表 Table 2 Contrast Table of Coal Seam Gas Content in Different Mining Areas 测定地点煤层标高/m 瓦斯含量 / mL/gdaf 瓦斯气体 / 巨厚火成岩未覆盖区瓦斯含量测试点9 -666.60 2.12 73.1 8 -699.65 2.90 51.5 9 -650.00 8.90 94.5 巨厚火成岩覆盖区瓦斯含量测试点8 -651.18 28.21 93.4 8 -665.13 29.40 93.4 4 构造对中组煤层瓦斯的控制 矿井正断层发育,对中组煤层瓦斯影响较大。一般正断层附近瓦斯含量较低。如图4所示,采5孔9煤层厚度1.99m,瓦斯含量达10.21 mL/gdaf,而距离正断层F9-1距离较近的17B1孔,9煤层厚度2.22m,瓦斯含量仅2.93 mL/gdaf。 图 4 钻孔位置图 Fig. 4 the Drilling position 中组煤层间滑动构造发育， 对中组煤层瓦斯影响显著。 层间滑动构造导致中组煤层煤体 结构破坏，软分层增厚，减小了煤层抵抗突出的能力，增加了能量的释放速度[7]。中组煤层 之间的层间滑动也引起煤层变形， 出现局部的增厚或变薄。 煤层急剧增厚或变薄过渡区不仅 是煤层软分层显著增厚区，同时也是构造应力叠加、瓦斯含量分布不均区，极易突出。如图 5 所示，-475 主运输、回风石门附近，8 煤层厚度过渡带发生煤与瓦斯突出事故 3 次。 图 5 突出点位置图 Fig. 5 the Position of Projecting Point 5 岩浆侵蚀对中组煤层瓦斯赋存的影响 本区巨厚火成岩的区域岩浆热变质作用也改变了中组煤层的变质程度和瓦斯吸附能力。 对巨厚火成岩覆盖区和未覆盖区 8 煤层进行取样测试， 其测定结果如表 3 所示， 巨厚火成岩 未覆盖区 8 煤层为焦煤， 巨厚火成岩覆盖区为贫煤或无烟煤， 巨厚火成岩覆盖区 8 煤层极限 吸附量 a 和瓦斯放散初速度 ΔP 明显大于未覆盖区测定值。可以认为岩浆的侵蚀产生的区域 热变质作用使中组煤层的变质程度提高， 煤层瓦斯吸附能力增大。 此外， 根据矿井地勘资料， 同一时期深成变质作用成煤的 7、8 和 9 煤，岩浆区域热变质作用，使距离巨厚火成岩较近 6 的 7 煤层比其下伏的 8、9 煤变质程度高。 表3 8 煤层参数测定对比表 Table 3 Parameter Determination Contrast Table of Coal Seam 8 采样地点 巨厚火成岩未覆盖区取样点 巨厚火成岩覆盖区取样点 ΔP/mmHg 5 20 a/m3/t 22.64 35.96 b/MPa-1 1.41 1.77 煤质 焦煤 贫煤或无烟煤 6 结论 1）从海孜矿地层演化看，燕山期形成的童亭背斜，使中组煤层上覆地层剥蚀严重，但 燕山早中期形成的巨厚火成岩使中组煤层发生“二次成气” ，产生了大量的瓦斯；同时，由 于火成岩厚度较大且渗透性低，使下伏中组煤层瓦斯逸散速率减弱，瓦斯逸散受阻碍，对中 组煤层瓦斯起到了很好的圈闭作用。 2）矿井正断层发育，在正断层分布的地方，中组煤层瓦斯含量偏低；中组煤层层间滑 动构造发育，层间滑动构造破坏了中组煤层的煤体结构，软分层厚度增加，减小了煤层抵抗 突出的能力。同时，滑动构造还引起煤层变形，使煤层出现局部增厚或变薄、应力叠加及瓦 斯含量分布不均等现象，极易发生煤与瓦斯突出。 3）在巨厚火成岩的区域热变质作用下，中组煤层的变质程度进一步提高，煤层瓦斯吸 附能力进一步增强，导致煤层突出指标超出其临界值，增加了中组煤层突出的可能性。 参考文献 [1] [2] [3] [4] 郝石生．天然气气藏的形成与保存[M]．地质出版社，1993 张子敏，张玉贵．瓦斯地质规律与瓦斯预测[M]．煤炭工业出版社，2007 杨起．中国煤变质作用[M]．煤炭工业出版社．1996 王红岩， 万天丰， 李景明等． 区域构造热事件对高煤阶煤层气富集的控制[J]． 地学前缘， 2008， （5） 15 364369 WANG Hong-yan, WAN Tian-feng, LI Jing-ming, et al. The control of tectonic thermal events on the concentration of high coal-rank coal bed methane [J]. Earth Science Frontiers, 2008, 155 364-369. In Chinese [5] [6] [7] 韩树棻，朱彬，齐文凯．淮北地区浅层煤成气的形成条件及资源评价[M]．地质出版社，1993 韩树棻．两淮地区成煤地质条件及成煤预测[M]．北京地质出版社，1990 琚宜文，王桂梁．煤层流变及其与煤矿瓦斯突出的关系[J]．地质论评，2001,48（01）96-105 JU Yi-wen, WANG Gui-liang. Rheology of coal seam s and their relation with gas outbursts a case study of the Haizi coal mine, Huaibei coalfield [J]. Geological Review, 2002, 481 96～105. In Chinese with English abstract [8] 王亮．巨厚火成岩下远程卸压煤岩体裂隙演化与渗流特征及在瓦斯抽采中的应用[D]．徐州中国矿 业大学，2009 WANG Liang. Fracture evolution and seepage characteristics of distant pressure relief coal-rock masses and application in gas extraction under an extremely thick igneous rock [D]. Doctor’s Dissertation of China University of Mining Technology, 2009, 7. In Chinese [9] 宋立军，赵靖舟．中国煤层气盆地改造作用及其类型分析[J]．地质学报，2009，83（06） 868-874 SONG Li-jun, ZHAO Jing-zhou. Alteration of coal bed methane basin in China and their classification [J]. 7 Acta Geologica Sinica, 2009, 8306 868-874. In Chinese with English abstract [10] 俞启香．矿井瓦斯防治[M]．徐州中国矿业大学出版社，1992 [11] 宋岩，赵孟军，柳少波，等．构造演化对煤层气富集程度的影响[J]．科学通报，2005，50（S1） 1-5 SONG Yan, ZHAO Meng-jun, LIU Shao-bo, et al. Effect on accumulation degree of Coal bed methane by tectonic evolution [J]. Chinese Science Bulletin, 2005, 50S1 1-5. In Chinese 8