（地质工程专业论文）基于钻探信息的煤层瓦斯含量及涌出特征研究.pdf

摘要 摘要 瓦斯灾害是煤矿安全生产的最为严重的地质灾害之一。另一方面，煤层瓦斯 又是一种宝贵的清洁能源，专家认为煤层瓦斯有望成为我国的新能源。研究煤层 瓦斯的赋存与运移特征，对于煤层瓦斯资源量计算、瓦斯涌出量预测、瓦斯地质 评价及瓦斯地质理论的发展、瓦斯治理与利用等，均具有重要的意义。基于煤层 围岩岩体结构对煤层瓦斯赋存与运移起着控制作用的原理，本文利用钻孔岩芯采 取率及冲洗液消耗量来定量评价煤层围岩岩体结构对煤层瓦斯赋存运移的控制作 用，并对瓦斯资源量的计算提出了新的认识。 通过对祁东、祁南、卧龙湖及桃园煤矿7 个煤层瓦斯资料及6 8 个钻孔资料的 进行资料整理及回归分析，研究结果表明： ( 1 ) 瓦斯含量与岩芯采取率之间存在抛物线关系，且随着岩芯采取率的增加， 煤层瓦斯含量也增加，但增加的幅度减小；当岩芯采取率接近1 0 0 时，煤层瓦 斯含量趋于某个常量，该常量与煤层在变质作用阶段生成的瓦斯量有关。 ( 2 ) 单位岩层深度钻孔冲洗液消耗量与煤层瓦斯含量存在线性关系；且 煤层瓦斯含量随着单位岩层深度钻孔冲洗液消耗量的增加而减少，呈负相关关 系。 ( 3 ) 祁东井田主采煤层瓦斯含量与其相对应的钻孔岩芯采取率和单位岩 层钻孔冲洗液消耗量三者之间存在多项式关系。 ( 4 ) 根据岩芯采取率资料的分析，发现桃园煤矿北六采区l o 煤层顶板围岩 平面上特征明显，可分为三个区块：中部区块顶板岩层破碎、裂隙发育，岩芯采 取率较低，浅部与深部区块较中部岩层完整性较好，裂隙发育程度较差，岩芯采 取率较高。桃园煤矿北六采区北八大巷绝对瓦斯涌出量与岩芯采取率存在多项式 的关系，呈负相关关系。桃园煤矿北六采区北八大巷掘进过程中，瓦斯涌出异常， 是由于在地质作用下，煤层瓦斯运移并富集在1 0 煤层项板围岩中，在岩石巷道掘 进过程被释放到巷道空间。 ( 5 ) 正常区域某一煤层瓦斯资源量应为该煤层在岩芯采取率为1 0 0 时所对 应的煤层瓦斯含量与该区域该煤层煤炭地质储量的乘积，该区域总的瓦斯资源量 应为该区域下所有煤层瓦斯资源量之和。 图 2 1 表 1 9 参【6 7 】 关键词：瓦斯含量；绝对瓦斯涌出量；岩芯采取率；冲洗液消耗量；岩体结 安徽理工大学硕士学位论文 构；回归分析；瓦斯资源量计算 分类号：t d 7 1 2 i i 摘要 a b s t r a c t g a sd i s a s t e ri so n eo ft h em o s ts e v e r eg e o l o g i c a ld i s a s t e r si nm i n i n gs a f e t y o nt h e o t h e rh a n d ，g a si sak i n do fp r e c i o u sc l e a ne n e r g y ，e x p e r t sb e l i e v eg a sw i l lb e c o m e c h i n a sn e we n e r g y r e s e a r s h i n go nt h ec h a r a c t e r i s t i c so fo c c u r r e n c ea n dm i g r a t i o no f g a s ，i tw i l lb eas i g n i f i c a t i o na tc a l c u l a t i o no fg a sr e s o u r c e s ，p r e d i c t i o no fg a se m i s s i o n ， g a s g e o l o g ye v a l u a t i o na n dd e v e l o p m e n t o fg a sa n dg e o l o g yt h e o r i e s ，g a sc o n t r o la n d u t i l i z a t i o n b a s e do nt h ep r i n c i p l eo fc o a ls e a mg a so c c u l t e n c ea n dm i g r a t i o n c o n d i t i o n sa r ec o n t r o l l e db yc o u n t r yr o c ks t r u c t u r e ，t h ec o n t r o la c t i o no fc o a ls e a mg a s o c c u r r e n c ea n dm ig r a t i o nb yc o u n t r yr o c ks t r u c t u r ew a se v a l u a t e di nt h i sp a p e r ，u s i n g c o r er e c o v e r ya n df l u s hf l u i dl o s s ，a n di th a dan e wl i g h to f t h ec a l c u l a t i o no f g a s i e s o u r c e s t h r o u g hc o m p i l i n ga n dr e g r e s s i o na n a l y z i n gg a s d a t aa n dd a t ao f6 8d r i l l so f s e v e nc o a ls e a m si nq i d o n g ，q i n a n ，w o l o n g h ua n dt a o y u a nm i n ef i e l d s ，i ts h o w e d t h a t ： ( 1 ) t h e r ei sap a r a b o l i cr e l a t i o n s h i pb e t w e e ng a sc o n t e n ta n dc o r er e c o v e r y ，a n d t h em a s hg a sc o n t e n ti n c r e a s e dt a k e nw i t ht h ec o r er e c o v e r y ，b u tt h er a n g eo fi n c r e a s e i sd e c r e a s i n g ；w h e nt h ec o r er e c o v e r yc l o s e dt o10 0p e r c e n t ，c o a lg a sc o n t e n tt e n d e dt o ac o n s t a n t ，t h i sc o n s t a n ti sr e l a t e dt ot h ev o l u m eo fg a st h a tg e n e r a t e di n m e t a m o r p h i s ms t a g e ( 2 ) t h e r ei sl i n e a rr e l a t i o n s h i pb e t w e e nf l u s hf l u i dl o s sp e rm e t e r a n dg a sc o n t e n t ； a n dt h eg a sc o n t e n td e c r e a s ew h e nf l u s hf l u i dl o s si n c r e a s e ，i ts h o w san e g a t i v e r e l a t i o n ( 3 ) t h e r ei sap o l y n o m i a lr e l a t i o n s h i pa m o n gt h eg a sc o n t e n t ，c o r er e c o v e r ya n d f l u s hf l u i dl o s sp e rm e t e ri nq i d o n gm i n ef i e l d ( 4 ) a c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i so fc o r er e c o v e r y , t h e r ei sa no b v i o u sc h a r a c t e r i s t i co f n 0 10c o a ls e a mi nn o r t hs i xm i n i n ga r e ai nt a o y u a nm i n ef i e l d rc a nb ed i v i d e di n t o t h r e er e g i o n s ，t h er o o fi sf r a g m e n t i z e da n dc o r er e c o v e r yi sl o w e ri nc e n t r ep o r t i o n ，a n d t h er o o fi si n t e g r a t e da n dt h ec o r er e c o v e r yi sh i g h e ri nb o t hs h a l l o wa n dd e e pp o r t i o n i th a sap o l y n o m i a lr e l a t i o n s h i pb e t w e e na b s o l u t ev o l u m eo fg a se m i s s i o no fn o r t h e i g h tr o a d w a ya n dc o r er e c o v e r yi nn o r t hs i xm i n i n ga r e ai nt a o y u a nm i l l ef i e l d ，w i t h n e g a t i v er e l a t i o n t h ea b n o r m a lg a se m i s s i o no f n o r t he i g h tr o a d w a yi nn o r t hs i x 安徽理工大学硕士学位论文 m i n i n ga r e ai nt a o y u a nm i n ef i e l d i t i sb e c a u s et h eg a sm i g r a t e da n de n r i c h e di nt h e 删a c e n tr o c ko f t h er o o f o f n o 1 0c o a ls e a mi ng e o l o g i c a lp r o c e s s ，a n dg a v eo u tt ot h e r o a d w a ys p a c ew h e nt u n n e l i n g ( 5 ) t h eg a sr e s o u r c e so fo n ec o a ls e a mi nn o r m a la r e ai se q u a t et ot h ep r o d u c to fg a s c o n t e n to ft h ec o a ls e a mw h e nt h ec o r er e c o v e r yi s10 0p e r c e n ta n dt h e g e o l o g i c a l r e s e r v e so fc o a ls e a m ，a n dt h et o t a lg a sr e s o u r c e si nt h i sa r e aa r ee q u a t et ot h es l i mo f a l lt h ec o a ls e a m s g a sr e s o u r c e si nt h i sa r e a f i g u r e 21 】t a b l e 19 】r e f e r e n c e 6 7 】 k e y w o r d s ：g a sc o n t e n t ；a b s o l u t ev o l u m eo fg a se m i s s i o n ；c o r er e c o v e r y ；f l u s hf l u i d l o s s ；r o c ks t r u c t u r e ；r e g r e s s i o na n a l y s i s ；c a l c u l a t i o no fg a sr e s o u r c e s c h i n e s eb o o k sc a t a l o g ：t d 712 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方以外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 塞邀堡三太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示谢意。 学位论文作者签名：斟日其i 了： 珥年 月旦日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解塞邀理王太堂有保留、使用学位论文 的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属于 塞徵堡王太堂。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权安徽理工大学 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位 论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者张缮应唧 导师签名：乡甄彳 签字日期：) 司年多月1 2 日 j 签字日期：矽。夕年多月l r 日 第1 章绪论 1绪论 1 1 研究背景及意义 煤层瓦斯是各种地质作用的产物，是影响矿井安全生产和矿工人身安全的重 要地质因素之一。瓦斯爆炸产生的高温高压，促使爆炸源附近的气体以极大的速 度向外冲击，造成人员伤亡，破坏巷道和器材设施，扬起大量煤尘并使之参与爆 炸，产生更大的破坏力。另外，爆炸后生成大量的有害气体，造成人员中毒死亡。 我国煤矿频频发生的瓦斯灾害事故，严重地威胁着矿井工作人员的生命安全， 制约着矿井生产的发展，给煤炭企业带来沉重的经济负担，迫使许多高瓦斯突出 矿井长期亏损经营，有的矿井甚至濒临破产【l 】。 近年来，随着煤矿地质条件同趋复杂及开采深度向纵向深度发展的趋势，矿 井瓦斯问题日益严重，煤矿瓦斯已成为矿井最为严重的自然灾害之一。国家安全 监督部门对瓦斯的研究与管理给予极大重视，但瓦斯的无形性、隐蔽性以及突出 机理的不确定性，给瓦斯研究与预测带来了很大的技术难度，始终未取得决定性 的突破。因此，瓦斯地质的研究工作具有一定的紧迫性i z 】。 同时，瓦斯又是一种高效清洁的能源，将瓦斯作为一种资源进行开发利用不 仅可以提高煤矿安全生产，而且使不可再生的矿物资源得到充分利用，对缓解我 国当前面临的能源紧缺状况亦具有重要的意义1 3 j 。 煤化作用早期形成的生物热降解成因的瓦斯，约占总生气量的1 0 左右。由 于此阶段煤为褐煤，埋藏浅且透气性好，甲烷不易保存而逸散到相邻岩层中去。 煤化过程中、后期，从褐煤到无烟煤的演化过程中，每吨煤生成的瓦斯量约为 1 4 2 1 9 8 m 3 。但从当f j 所获得的煤层数据分析，含气量最高也不到4 0 m 3 t ，就是 说其余8 0 的甲烷气体在煤演化过程中逸散到煤层围岩或围岩以外去了【4 l 。 但是长期以来无论是国外还是国内，针对矿井瓦斯的研究往往仅考虑煤层本 身的瓦斯含量、煤层厚度、瓦斯成分及采煤工作面瓦斯涌出特征等问题。事实上， 多数矿井或煤层的瓦斯涌出量与计算结果差别较大，即低瓦斯含量煤层区的高瓦 斯涌出量，主要原因是未考虑煤层围岩中的瓦斯。煤层围岩中的孔隙与裂隙构成 了瓦斯的储藏空间。首先是在漫长的地质历史过程中，形成于煤层中的瓦斯会不 断的向煤层的围岩中的孔隙与裂隙中渗透运移，其次是围岩中的分散有机质也具 有不同程度的生烃作用。因此，当煤层被开采时，蕴藏在围岩中的瓦斯同煤层中 的瓦斯同时逸散出来，从而造成煤层瓦斯与围岩瓦斯涌出的叠加现象。这就是我 安徽理工大学硕士学 ) = 论文 们通常所见到的煤层瓦斯低含量与高涌出量现象，以及在岩石巷道施工过程中存 在瓦斯涌出的主要原因。 为此，开展煤层围岩特性研究，尤其是开展煤层顶板的岩性特征、岩体结构 类型的研究，合理地计算有效范围内的瓦斯含量，合理计算瓦斯资源量，研究煤 层围岩岩体结构对瓦斯赋存运移及涌出的控制作用，对于完善煤层瓦斯含量的评 价理论，科学的计算矿井瓦斯涌出量，是矿井设计、矿井通风和矿井安全生产的 重要一环，对保障矿井安全高效生产，对煤层气开发，均具有重要的意义。 1 2 研究现状 随着井下地质条件的同趋复杂，在长期的煤矿生产中人们发现煤矿瓦斯的分 布与地质因素有着密切的关系，于是，开始用地质学的观点研究瓦斯。瓦斯地质 学是从地质角度研究煤层瓦斯赋存、运移、分布，矿井瓦斯涌出和煤与瓦斯突出 与地质因素的关系，并探明其规律性的边缘学科，是在吸收地质工程和安全技术 工程两学科的相关理论，经过生产实践，科学研究和理论提炼，直接应用于资源、 环境和煤矿安全生产的新学科5 。 1 2 1 国内研究现状 我国对煤层瓦斯赋存和分布地质条件的研究十分广泛。上个世纪6 0 年代，抚 顺煤矿安全研究所就开始了瓦斯赋存地质条件的研究，指出瓦斯的赋存与地质构 造有关。我国较系统地开展瓦斯地质工作是在7 0 年代，焦作矿业学院和四川矿业 学院先后成立瓦斯课题研究组，开展了大量的瓦斯地质调研工作，均取得了相应 的成果。8 0 年代，焦作矿业学院杨力生( 1 9 8 3 ) 领导的瓦斯地质编图组是全国瓦 斯地质研究的普及【8 l ：瓦斯区域论的提出( 焦作矿业学院，1 9 9 0 ) 标志着地质条 件对瓦斯赋存控制理论的形成，阐述了瓦斯分布和突出分布的不均衡性、分区分 带性与地质条件有关，并受地质因素制约。 2 0 世纪9 0 年代末至今，是我国煤炭行业高速发展的时期。随着国民经济的 需要，煤炭开采的深度和难度也越来越大，瓦斯的赋存和分布情况越来越复杂， 瓦斯灾害等矿难事故出现的频率越来越高。人们在研究瓦斯时，开始考虑围岩对 瓦斯赋存和运移的影响，改变了以前只是定性地分析煤层围岩对瓦斯的保存和放 散作用。陈大力( 2 0 0 6 年) 通过对阳泉矿区煤系地层围岩体的空隙体积、孔隙率、 岩石对甲烷的吸附能力、瓦斯压力和瓦斯涌出量的测定及对围岩体瓦斯赋存特征 的分析，得出岩石没有吸附作用，赋存于砂岩、石灰岩岩体内的瓦斯均以游离态 2 第1 章绪论 存在，赋存于含有炭质页岩、泥岩体内的瓦斯均以吸附和游离态存在，认为粗砂 岩岩体作为透气层，其厚度、分布范围及距离含瓦斯煤层的远近，控制着煤层瓦 斯聚散，岩体内瓦斯含量的大小均受孔隙率多少所控制p j 。易伟欣，吕闰生( 2 0 0 7 年) ，利用岩体结构分析的方法分析预测围岩岩体对煤层瓦斯赋存的控制作用，认 为煤层围岩岩体结构控制了煤层瓦斯的赋存，岩体结构可用岩层效应厚度影响系 数来表示，认为应用这一参数研究煤层瓦斯赋存比用煤层顶底板岩性及含砂率更 科学，并得出煤层顶板围岩对煤层瓦斯赋存的最佳有效影响厚度为2 0 m 1 0 l 。吕闰 生，张子戌( 2 0 0 7 年) ，采用瓦斯地质方法，对煤层瓦斯的封盖条件进行定量分 析，提出了砂岩比、岩层厚度效应系数、项板岩性3 个瓦斯地质参数，计算了煤 层瓦斯封盖层的封盖指数( s i ) ，并对研究区二l 煤层瓦斯封盖能力进行了瓦斯地 质区划】。焦作工学院的汤友谊教授利用了钻孔资料来预测未开采区的瓦斯含量 1 1 2 1 。汤教授从煤层厚度、上覆基岩厚度、岩性差异、煤层埋深、煤层倾角和与隐 伏侵蚀煤层露头距离，这六个因素做自变量，进行回归分析，建立数学模型，进 而预测未开采区的煤层瓦斯含量。董德斌，曹盎林利用数量化理论建立老区地质 勘探钻孔资料同突出指标( 包括基岩厚度、煤层厚度、煤层间泥砂岩厚度、煤厚 变异系数、含沙率) 之间区划预测模型【l3 1 ，并对矿井老区进行区划。 我国煤层气资源开发刚刚起步，尚属试验勘探阶段，到目前为止还没有专门 从事煤田甲烷运移动力学模型与软件研制方面的研究，有关成果均是从国外，尤 其是美国引进的【3 j 。为了正确评价矿区的煤层气的开发价值，做出合理的经济预 算，有人认为对煤层围岩中的这部分气体也应加入煤层气资源量计算，即：煤层 气储量= 煤炭总地质储量x 煤层气平均含量+ 采气影响范围内岩石总含气型1 4 】。 1 2 2 国外研究现状 在国外，以苏联、法国、英国、澳大利亚等国对瓦斯地质方面研究较为详细。 其中，法国早在1 9 1 4 年已设立了“防治煤与瓦斯突出的专门委员会 ，从地质的 角度研究瓦斯的分布规律，防治突出。前苏联自5 0 年代就开始了瓦斯地质研究， 与1 9 5 1 年设立了“防止煤和瓦斯突出中央委员会【6 1 ，通过研究，指出瓦斯的 分布受地质因素控制f 1 5 1 6 1 ，具有不均匀分布的规律性，与构造复杂程度、煤层围 岩、煤变质程度有关。英国的d a v i de 提出在煤系地层中地质构造对瓦斯的赋存 状态和分布情况的影响起主导因素1 1 7 】，建议加强地质构造的演化与瓦斯地质规律 的研究。澳大利亚的j s h h e r d ( 1 9 8 1 ) 【1 8 】对地质构造与瓦斯突出的关系也作了广泛 的研究。 3 安徽理1 二大学硕+ 学位论文 国外对瓦斯地质的研究1 8 之3 1 表明，煤和瓦斯突出分布的不均匀性受地质条件 控制，突出点主要发生在断层处。目前，一致认为，煤层瓦斯的赋存状态和影响 瓦斯灾害的地质条件是含煤地层经历历次构造运动演化的结果。b i b l e rc j 等学者 幽l 在研究全球范围的瓦斯涌出现象时，指出矿区构造运动不仅影响煤层瓦斯的生 成条件，而且影响瓦斯的保存条件。 美国是世界上煤层气资源丌发研究较早的国家，现已进入了商业性开发阶段， 既有成功的经验，也有失败的教训。早在1 9 0 7 年，美国学者c h a m b e r l i n 和d a x t o n 研究概括出了甲烷聚集和运移的机理。1 9 1 0 年，为促进安全生产，减少甲烷灾害， 美国成立了矿业局这一专门的政府机构【3 】。 但当前，无论是国内还是国外在计算煤层气储量时，都是以煤样的含气量和 煤炭储量的乘积得出，实际上并未考虑煤层围岩中的气体【1 4 1 。 从目前的研究成果看，还未有人利用钻孔岩芯采取率及简易水文信息来评价 瓦斯含量及围岩瓦斯涌出量。 1 3 存在的问题及需求 煤矿生产实践过程中，有时会出现这样一些现象：使用传统计算方法计算所 得的释放瓦斯体积与实际测定的有很大的差异；在岩巷掘进过程中有大量的瓦斯 涌出甚至有时有瓦斯与岩石一起突出；在某个区域瓦斯含量较低，但工作面瓦斯 涌出量并不低。上述现象表明，在漫长的地质时期，煤层中的瓦斯向围岩扩散， 储存在围岩的孔裂隙中，认为瓦斯涌出量一部分来自煤层，一部分来自煤层围岩。 当岩巷掘进或工作面推进时，煤层围岩中的瓦斯向采空区扩散，而传统的瓦斯释 放体积计算对围岩的瓦斯含量或没有考虑、或只把孔隙率的总平均值计算在内 【2 5 】，这就使得实际瓦斯涌出量高于传统计算方法所得的瓦斯涌出量。 在煤矿生产过程中，往往只注意煤层中的瓦斯，忽视了掘进巷道，特别是岩 石巷道中的瓦斯情况【2 6 1 。因为掘进巷道中，也要穿过一些煤层，在接近煤层时的 掘进巷道，瓦斯量也会加大，所以掌握瓦斯赋存状态及瓦斯的分布规律情况，才 能在煤矿开采过程中，更加合理地选择开采和通风系统，确保煤矿安全生产。 传统的研究定性地分析煤层围岩对瓦斯的保存和放散作用，一般认为隔气性 岩层对瓦斯起封存作用，透气性岩层则起放散作用l l 。为了评价围岩的透气性， 一般采用煤层顶板岩性或含砂率来研列2 7 l ，这两种方法都有很大局限性。用顶板 岩性评价围岩的透气性，没有考虑岩层厚度，如果厚度很薄则无评价意义；用含 砂率来评价围岩的透气性，则忽视了岩体结构的影响，事实上，相同岩性的地层， 4 第1 章绪论 岩体结构不一样，对瓦斯赋存的影响差异很大。 因此，煤层围岩对瓦斯运移的影响及如何才能有效合理地评价瓦斯含量分布 及瓦斯涌出量和合理计算瓦斯资源量便成为待以解决的问题。 1 4 研究内容、目的与研究方法 1 4 1 研究内容 煤层围岩结构是影响瓦斯含量和涌出量的重要因素之一。地质构造控制了瓦 斯赋存及其分布。利用勘探时期的钻孔资料来研究煤层瓦斯赋存及运移条件，研 究围岩结构对瓦斯含量及涌出量的影响。具体内容包括： ( 1 ) 围岩结构特征对煤层瓦斯的赋存与运移的影响。 ( 2 ) 围岩结构对煤层瓦斯的影响范围，影响煤层瓦斯赋存与运移的有效围岩 范围。 ( 3 ) 分析围岩中瓦斯的来源。 ( 4 ) 建立岩芯采取率等指标与瓦斯含量及涌出量的关系数学模型，定性评价 煤层围岩岩体结构对瓦斯赋存及运移的影响。 ( 5 ) 对瓦斯资源量计算的重新认识，提出新的瓦斯资源量计算公式。 1 4 2 研究目的 ( 1 ) 利用钻探信息来研究围岩岩体结构与瓦斯含量及涌出量的特征，探索围 岩岩体结构对瓦斯赋存及运移的作用。 ( 2 ) 建立r q d 指数或岩芯采取率与瓦斯含量及涌出量的关系，建立数学模 型。 ( 3 ) 通过研究，提出更科学合理的瓦斯资源量计算方法。 1 4 3 研究思路与方法 运用瓦斯地质的理论，并综合运用工程地质，钻探工程学原理、采矿工程原 理和方法，研究煤层围岩的瓦斯赋存与涌出的基本特征，指出煤层围岩特征对瓦 斯涌出的控制作用，提出煤层围岩的瓦斯地质一般规律。 ( 1 ) 选择试验点。尽可能选择较多的试验点，使得研究具有普遍性。 ( 2 ) 试验区块划分。选择好试验点后，应选择受扰动较小或不受扰动的煤层。 若采区受到其他采区或该采区其他煤层的影响，则围岩中瓦斯量受到采矿影响， 5 安徽理工人学硕士学位论文 不是地质作用条件下赋存于围岩中的原始瓦斯量。 ( 3 ) 资料收集及处理。收集瓦斯资料，包括瓦斯含量及涌出量；收集钻孔岩 芯资料，计算岩芯采取率或r q d 指数；收集钻探简易水文资料，对简易水文信 息进行处理。 ( 4 ) 围岩特征分析。分析围岩孔裂隙性质，渗透性及围岩岩体结构特征。 ( 5 ) 分析围岩特征对瓦斯赋存的控制作用。 ( 6 ) 分析岩芯采取率、冲洗液漏失量与瓦斯含量及涌出量的关系，解释机理， 建立数学模型。 ( 7 ) 通过分析，对瓦斯资源量的计算提出新的认识，并得出计算方法。 研究技术路线如图l 所示： 1 5 主要创新点 ( 1 ) 首次利用钻孔岩芯采取率定量评价煤层瓦斯含量及巷道开拓时巷道中瓦 斯涌出量，并建立相关回归方程。 ( 2 ) 首次利用钻探简易水文信息定量评价煤层瓦斯含量，并建立相关回归方 程。 ( 3 ) 综合利用钻探岩芯采取率及简易水文信息评价煤层瓦斯含量，并建立相 关回归方程。 ( 4 ) 得出瓦斯资源量计算的新认识，并给出j 下常区域瓦斯资源量计算的新方 法。 6 第1 章绪论 图1 研究技术路线图 f i g 1t h ef l o wo fs t u d y 7 安徽理t 大学硕十学位论文 2围岩对煤层瓦斯赋存的控制机理 涌入工作面的瓦斯，一部分来自煤层，另一部分来自围岩。瓦斯在煤体和岩 体内在存在形式是不同的，前者瓦斯以吸附状态存在为主要形式，后者瓦斯则主 要以游离状态存在于孔裂隙中【9 l 。 煤层围岩主要指煤层直接顶、基本顶和直接底板等在内的一定厚度范围的层 段1 2 引。煤层围岩对煤层瓦斯赋存的影响，取决于它的隔气性和透气性。煤层生成 的瓦斯在漫长的地质年代都有不同程度的逸散。保存和释放瓦斯的程度主要与煤 层围岩有密切关系。影响瓦斯运移放散的主要是煤层围岩的孔隙和裂隙。 2 1 煤层围岩岩性对瓦斯赋存的影响 岩石中瓦斯含量是根据在相同条件下它们各自的聚气性能来决定的，其量的 大小取决于围岩体的孔隙率、瓦斯压力、温度1 9 l 。煤系地层内岩石的孔隙率一般 较低，孔隙内含有的瓦斯量都较少。 长期的研究成果表明，各种岩石随着粒度的细化，其孔隙率减小，透气性变 差【2 9 , 3 0 1 ，部分岩石的孔隙率如表1 所川。粗砂岩透气性较好，为透气层；细砂岩、 石灰岩、页岩等透气性较差，对煤层瓦斯起封闭作用，不利于瓦斯放散；泥岩几 乎不透气，对下伏煤层的瓦斯起着阻隔作用，是良好的瓦斯储盖层1 9 】。 表l 部分岩石孔隙率( 据蔡美峰，2 0 0 2 ) t a b l els e c t i o nr o c kp o r o s i t y 孔隙和渗透率是煤层围岩影响瓦斯赋存的两个重要的物理参刻3 2 l 。各种岩 石的孔隙率、孔隙体积均随着粒度变细而略有减小。储集层的孔隙结构是指岩石 所具有的孔隙和喉道的几何形状、大小、分布及其连通关系。岩石的孔隙系统由 孔隙和喉道两部分组成。孔隙为系统中的膨大部分，连通孔隙的细小部分称为喉 道( 图2 ) 。瓦斯在储集层复杂的孔隙系统中渗流时，要经历一系列交替着的孔隙 和喉道，但主要受流动通道中最小的截面( 即喉道断面) 的控制。显然，喉道的大 小、分布及其几何形状是影响储集层储集能力和渗透特征的主要因素。孔隙结构 实质上是岩石的微观物理性质，它能够较深入而细致地揭示岩石的特征。特别是 对于低渗透性岩石，仅利用孔隙度和渗透率有时无法正确评价储集层的性质，必 8 第2 章煤层隔岩特征对瓦斯赋存的控制 须研究岩石的孔隙结构 匡习，囫! 医虱， 1 岩石颗粒：2 胶结物；3 孔隙系统 图2 岩石孔隙系统示意图田1 f i g 2s c h e m a t i c d i a g r a r ao f t h er o c kp o r es y s 根据岩性及孔隙性结构特征，我国主要煤层的围岩分为以下几种类型1 4 】： ( 1 ) 油页岩型：油页岩型围岩在我国煤系中多见于西北、东北、两广和云南 的中、新生代煤田。这种围岩的封闭性良好、分布稳定、延伸范围大、岩性致密 颦硬，对下部煤层瓦斯封闭性能好，常出现瓦斯突出现象。 ( 2 ) 泥岩型：泥岩是煤层最常见的围岩类型，通常具有良好的封闭性能和较 高的突破能力，渗透率范围l 旷7 lo - 9 um 2 。以泥岩为围岩的煤田，如丰城、淮南、 淮北等煤田，煤层瓦斯含量较高，大都为瓦斯突h 矿井。 ( 3 ) 砂泥岩互层型：砂泥岩互层作为煤层的顶、底板也较常见，它由多韵律 的砂岩和泥岩频繁互层组成，横向岩性变化大，多数相变为砂岩和泥岩，封闭性 能比前两类差。 ( 4 ) 石扶岩型：士要是生物碎厢泥品扶岩及泥狄岩，孔隙度多小于1 ，渗 透率小于1x1 0pr t l 2 。但具有裂缝的灰岩孔隙度可达4 ，渗透率可达2 1 0 “u 舒，排驱压力低于1 5 7 m p a 。因此，扶岩幽岩又可进一步分为两类：一类是构造 运动不强烈地区的荻岩，裂隙、溶洞不发阿有一定封闭能力；另一类裂隙、溶 洞较发育，封闭能力差，但连通、存储性能好。 ( 5 ) 砂岩型：砂岩型围岩封闭能力差，具有较好的渗透性和储集性，往往与 煤层一起构成甲烷的储气层。 安徽理工人学硕十学位论文 煤层围岩岩性影响着瓦斯的赋存与运移。一般来说，当煤层顶板岩性为致密 的泥岩时，从煤层中扩散出去的瓦斯气体少，瓦斯易于保存煤层，煤层瓦斯含量 就越高；反之，当煤层顶板岩性为孔隙性和渗透性好的砂岩时，从煤层扩散出去 的瓦斯气体多，瓦斯易流失，煤层瓦斯含量小【3 3 - 3 5 1 。煤层围岩岩性对瓦斯运移的 影响如图3 所示。 顶板为透气层 顶底板为封闭层 图3 煤层围岩岩性对瓦斯运移的影响 f i g 3t h ee f f e c t so fg a ss e e p a g ef o rc o u n t r yr o c k 2 2 煤层围岩岩体结构对瓦斯赋存的影响 围岩岩体结构是指岩体中结构面与结构体的排列组合特征，不同的结构面与 结构体以不同方式排列组合形成不同的岩体结构1 2 7 , 3 6 】。在沉积岩构成的煤系地层 中，结构面主要是岩层层面及构造造成的构造裂隙，结构体则是被结构面围限的 岩石块体。从根本上说岩体结构决定了煤层顶底板岩体的隔气性或透气性【2 7 1 。 一方面，煤层围岩裂隙发育使得岩层对煤层瓦斯封盖减弱；另一方面，围岩 裂隙为瓦斯提供了赋存空间。裂隙的长度、宽度和频数决定了围岩裂隙的空间大 小，也就决定了围岩能为瓦斯提供的赋存空间大小，决定了瓦斯在围岩中的赋存 量。 围岩裂隙发育特征影响着瓦斯的保存和放散条件。当围岩裂隙发育，煤层中 的瓦斯向围岩扩散。当围岩裂隙发育但不通到地面时，煤层瓦斯向裂隙空间逸散， 封存在围岩裂隙中，而不会逸出，这时围岩裂隙成为瓦斯的“储存仓库”，使得煤 层瓦斯含量低，如图4 所示；当裂隙直通地面且无胶结时，不能形成有效的封存， 使得瓦斯通过此通道向地表逸散，造成这个区域的煤层瓦斯含量低【3 7 l ，如图5 所 示。当围岩裂隙不发育时，若煤层项底板为砂岩，煤层瓦斯将缓慢地渗透到砂岩 1 0 - 第2 章煤层围岩特征对瓦斯赋存的控制 中，但向砂岩孔隙渗透的瓦斯量是有限的；若煤层顶底板为泥岩，煤层瓦斯被阻 隔在煤层中9 ，3 引。这时，煤层中的瓦斯含量相当于煤在变质作用阶段生成的瓦斯 量。 田砂岩目泥岩购裂隙发育的围岩l煤层 图4 瓦斯被封存在围岩中 f i g 4t h eg a sw a ss e a l e di nr o c k 图5 瓦斯向地表逸散 f i g 5g a se s c a p i n gt ot h es u r f a c e 目前的研究成果表明【2 7 3 9 ，4 0 1 ，煤层围岩岩体结构对煤层瓦斯的赋存与运移起 着决定作用。因此，在本文的研究中主要考虑煤层围岩岩体结构对煤层瓦斯含量 及涌出特征的影响。 安徽理j ：人学硕+ 学位论文 3 利用钻孔岩芯采取率评价瓦斯含量 3 1 钻掘目的与原理 岩芯的采取是进行岩芯钻探取的主要目的之一。它是进行地质研究的重要依 据1 4 1 1 。取芯作业，往往是获得详细的地层描述和储层特性的最直接、最可靠的 方法。取芯可以对割理、裂隙进行描述和方向测定，包括割理或裂隙的频数、方 向、长度、宽度和矿化程度【3 7 】。岩芯资料是最直观地反映地下岩层特征的第一性 资料，通过对岩心的分析研究可以了解地层的倾角、接触关系、孔隙、裂隙、溶 洞及断层的发育情况，通过岩心采取率可以评价岩石的破碎程度，间接判断岩石 的透气性【4 2 1 。 含煤地层的形成条件和地质构造的破坏直接影响到含煤地层的岩体结构，进 而改变了煤层瓦斯的赋存与运移条件。钻探工程实践表明，不同的岩体结构的钻 探岩芯采取率存在较大差异。 煤层围岩岩体质量一般用岩石质量指标r q d 来衡量。按岩石质量指标分类 是笛尔( d e e r ) 于1 9 6 4 年提出的。它是根据钻探时的岩芯完好程度来判断岩体的 质量，对岩体进行分类【3 1 ，4 3 ，州。岩石质量指标r q d 指用直径为7 5 m m 的金刚石 钻头和双层岩芯管在岩石中钻进，连续取芯，回次钻进所取岩芯中，长度大于1 0 c m 的岩芯段长度之和与该回次进尺的比值，以百分比表示( 式3 1 ) 。 尺q d = 塑些絮叁掣圳。 3 r q d 指数的获得要求特定的钻探条件、复杂的观察和统计，在实际工作中具 有一定的局限和难度【4 5 1 ，且在早期的资源勘探中缺乏r q d 资料。 地质勘探阶段的钻孔常被用来了解矿层的层位与厚度、地质构造及水文地质 条件等，很少有人注意钻探岩芯采取率在工程地质条件分析的作用。为此，本文 尝试用岩芯采取率来评价煤层围岩岩体质量。这是因为岩芯采取率可以用来衡量 岩芯完整性，实际上岩芯采取率的高低就是岩体质量优劣的直接表现【4 5 1 。而且， 矿产资源勘探施工大量取芯钻孔或部分取芯钻孔，以钻探岩芯采取率值的大小来 评价矿区煤层围岩岩体结构是一种唾手可得的第一手工程地质资料【4 5 l 。 岩芯采取率指实际取出的岩煤芯长度与对应孔段实际钻进进尺比值的百分数 1 4 l 】( 式3 2 ) 。 1 2 第3 章利用钻孔岩芯采取率评价瓦斯含量 石i j l i 心- t 采, 取率= 量器1 。 3 2 从r q d 指数和岩芯采取率的定义上，可以看出这两个指标均能反映围岩岩 体质量，只是表现的形式不同。因此，本文利用岩芯采取率取代r q d 指数来评 价煤层围岩岩体质量。 岩芯采取率反映岩芯完整性，它作为衡量岩体质量的指标之一。它反映了围 岩岩体破碎情况，岩体越破碎，岩芯采取率就越低，反之，岩体越完整，岩芯采 取率就越高。 而煤层围岩岩体破碎情况对瓦斯的赋存条件有很大的影响，它影响着瓦斯的 保存和放散条件i 矧。煤层顶板岩体结构直接影响着煤层瓦斯含量及其分布。 当围岩裂隙发育，煤层中的瓦斯会向围岩扩散。当围岩裂隙发育但不通到地 面时，煤层瓦斯向裂隙空间逸散，封存在围岩裂隙中，而不会逸出，这时围岩裂 隙成为瓦斯的“储存仓库”，使得煤层瓦斯含量低；当裂隙直通地面且无胶结时， 不能形成有效的封存，使得瓦斯通过此通道向地表逸散，造成这个区域的煤层瓦 斯含量低 3 3 , 3 7 l 。当围岩裂隙不发育时，若煤层顶底板为砂岩，煤层瓦斯将缓慢地 渗透到砂岩中，但向砂岩孔隙渗透的瓦斯量是有限的；若煤层顶底板为泥岩，煤 层瓦斯被阻隔在煤层中【3 引。这时，煤层中的瓦斯含量相当于煤在变质作用阶段生 成的瓦斯量。 由上述可知，岩芯采取率可以正确反映煤层围岩岩体结构特征，而煤层围岩 岩体结构特征对煤层瓦斯含量及分布具有控制作用。因此，可以通过岩芯采取率 间接地研究煤层瓦斯含量及分布特征，进而在勘探时期评价煤层瓦斯含量。 3 2 钻孔岩芯采取率的影响因素 影响岩煤芯采取质量的因素是多方面的，同时也是很复杂的。但归纳起来可 以分为原岩地质条件和钻探工艺技术因素两方面4 1 , 4 7 , 4 8 l 。 3 2 1 原岩地质条件 原岩地质条件是指岩煤层的物理力学性质和结构构造对取芯的影响。它包括 岩石的强度、硬度完整度、纯洁性、研磨性和易溶度等。在坚硬、完整、致密、 均质的岩层中钻进时，就容易获得完整的、代表性高的岩芯；在岩性松散、酥脆、 胶结性差、构造破碎、风化严重、裂隙多、节理发育、易溶蚀地层中钻进时，采 芯困难大，质量也难以保证。这类岩层对取芯极为不利，取出的岩芯多成块状、 1 3 安徽理t 大学硕十学位论文 粒状、片状，且不易获得有足够代表性的岩芯，甚至取不到岩芯。 3 2 2 钻探工艺因素 钻探工艺技术因素，主要包括钻进中的机械破坏作用、技术操作和管理方面 的影响。 1 、钻进中的机械破坏作用 主要表现为：冲洗液流的冲刷与溶蚀作用；钻具回转震动的破坏作用。 2 、技术操作的影响 由于技术操作不合理而导致岩芯被破坏影响取芯质量的主要因素有：钻进方 法选择不合理；钻具结构选择不合适；钻进规程不适当；操作方法不正确等。 3 、管理方面的影响 组织管理不善，缺乏必要的规章制度，对采芯十分不利。 地质因素是客观存在不可改变的。影响岩芯采取率的因素比较复杂，由于本 文选取同一井f f l 进行研究，认为其勘探技术在一个水平上，因此，主要考虑围岩 岩体结构对岩芯采取率的影响，而忽略了影响岩芯采取率一些技术与人为因素。 3 3 钻孔岩芯采取率的资料利用与整理方法 3 3 1 钻孔岩芯采取率的分析 泥岩、页岩属于塑性岩石，在地应力的作用下，一般只发生揉皱变形，而不 产生脆性裂隙，但由于岩芯的采取受工艺技术因素的影响，在岩芯采取的时候会 出现人为的破坏，岩芯采取不完整。特别是对于软弱岩层，岩芯采取比较困难， 使得岩芯采取率低下。如泥岩、页岩等，尽管其裂隙不发育，完整性好，对瓦斯 的封盖能力很强，但受工艺技术因素的影响，其采取率可能很低。因此，在对岩 芯采取率做分析时，应该做适当的处理：对于泥岩、页岩等软弱岩层，即使其岩 芯采取率很低，一律取为1 0 0 。 个别采取率较高的孔应慎重对待。主要是在开放性断层带，煤层围岩在地质 构造应力的作用下裂隙极为发育，岩芯破碎，但是某些钻孔由于人为因素的影响， 岩芯往往被拉长，使得岩芯采取率显得很高，甚至高达1 0 0 。在这种情况下， 岩芯采取率资料是不真实的，不符合实际地质条件，因此，应将其舍弃。 1 4 第3 章利用钻孔岩芯采取率评价瓦斯含量 3 3 2 钻孔岩芯采取率的统计 瓦斯的运移与赋存取决于围岩裂隙大小及连通性。而影响煤层瓦斯赋存与运 移的围岩具有一定的范围，即有效围岩范围1 1 ，4 9 1 。 对岩体有效影响范围的确定，以往曾取得一些经验数据，取煤层顶板6 0 m 、 5 0 m 、3 0 m 等厚度进行研究。上述经验数据应用于具体的研究地区或许能够取得 较好的研究效果，但其最大的缺陷在于没充分考虑岩体结构的变化，不论岩体结 构差异多大都以该值作为岩体有效影响范围进行研究【l0 1 。易伟欣，吕润生考虑到 新安煤矿揭露的岩体结构的具体情况，分别取煤层顶板不同厚度的层段进行研究， 认为有效围岩厚度为2 0 m 。但他们只考虑了岩层的层面结构，而没考虑构造裂隙 的影响，也没充分考虑岩性的影响。本文主要从以下两个方面来考虑有效煤层围 岩范围。 从采矿方面来看，煤层开采后，采空区围岩出现采动松动圈。项板出现“三 带 ，即冒落带，裂隙带和弯曲下沉带。其中，弯曲下沉带不产生采动裂隙，对瓦 斯的运移不起排放作用【5 吣2 1 。因此，在顶板主要考虑冒落带和裂隙带高度对瓦斯 含量及分布的影响，即以裂隙带为界。煤层开采后，由于卸载作用，底板产生卸 荷裂隙，这些裂隙成为瓦斯运移的通道。因此，从采矿角度看，应选取顶板裂隙 带到底板卸荷裂隙带之间的一段岩芯。 从围岩岩性上看，砂岩孔隙大，连通性好，透气性系数大，而且砂岩属于脆 性岩石，容易发生断裂，形成裂隙，因此，砂岩的导气性较好。相反，泥岩、粉 砂岩等致密岩石虽然孔隙率高，但连通性差，应力作用下，发生揉皱变形但是不 会产生断裂，几乎不产生裂隙，而成为屏障层1 5 引。这样，在没断层的情况下，泥 岩等致密岩层成为瓦斯逸散的边界。由此，可选取较厚层泥岩所围限的岩芯段。 综上，有效围岩范围为：顶板裂隙带到底板卸荷裂隙带之间若无较厚泥岩层 发育时，则