黄陇侏罗纪煤田瓦斯地质规律的研究（可编辑）

黄陇侏罗纪煤田瓦斯地质规律的研究（可编辑） 论文题目:黄陇侏罗纪煤田瓦斯地质规律研究 专 业:地质工程 硕 士 生:安秀煜 (签名) 指导教师:王 英 (签名) 范立民 (签名) 摘 要 瓦斯是一种清洁能源,但同时又是严重威胁矿工生命安全的“有害气体”,科学利 用瓦斯,保护矿工生命安全,就必须首先搞清瓦斯地质规律。 本文通过对煤矿生产及实验测定瓦斯资料的系统分析,研究黄陇侏罗纪煤田瓦斯赋 存基本特征。运用构造控气理论和灰色关联理论,讨论了构造对瓦斯赋存的控制作用。 获得以下新认识: (1)黄陇侏罗纪煤田瓦斯分布受区域构造所控制,浅埋区域煤层瓦斯 含量和矿井瓦斯涌出量较低; (2)地质构造的构造逐级控制特点明显,煤田分布及其构 造发育受区域构造所控制,煤田区域构造进一步控制着矿区构造和矿井构造; (3)地质 构造尤其褶皱构造具有长期继承发育的特点,是瓦斯的主导控制因素; (4)煤层埋深和 煤厚是瓦斯赋存的主要影响因素; (5)含煤地层由于其围岩岩性 致密,透气性差,形成 良好的气、水岩性圈闭; (6)应用地理信息系统方法对煤层瓦斯 含量及其分布进行预测, 建立了基于 GIS的瓦斯含量预测方法和瓦斯含量 GIS评价系统, 预测了研究区瓦斯含量 及分布,煤矿开采实践验证了预测结论。 关 键 词:瓦斯地质;瓦斯赋存;构造控气;图层叠加;黄陇侏罗纪 煤田 研究类型:应用研究型Subject : Study on Gas Geology Regularity of HuangLong Jurassic Coalfield Specialty: Geological engineering Name: An Xiuyu (Signature) Instructor : Wang Ying (Signature) FanLimin (Signature) ABSTRACT Gas was not only a kind of clean energy,but also harmful gas,which was seriously threat miner’s safety.But to scientificly use gas,to protect miner’s safety,we must first make clear gas distribution ruleThrough analyzing gas materials from production and test,studied the basic characteristics of Huanglong Jurassic coalfield about gas occurrence.According to structure controlling gas theory and grey incidence theory,studied the control law of structure to gas occurrence.It is concluded that:(1)In Huanglong Jurassic coalfield,regional tectonic controlled gas distribution.In shallow seam area,coal seam methane content and mine gas pour amount were lower;(2)It was apparent that geological structure progressive controlled structure,regional tectonic controlled coal field distribution and structural development,coal field regional structural further controlled coal mine structure;(3)Geologic structures, especially fold,had an characterstic long-lasting inheritance,and it was factor- controlling of gas;(4)Burial depth and thickness of coal were main factors of gas;(5)Coal bearing formation had good lithologic trap to water and gas,because Country rock wre competent and bad ventilation;(6)Applying the method of Geographic Information Systems to forecast coal gas content and its distribution of mining area.Based on GIS,establish coal seam gas content forecast method and GIS evaluation system,complete the forecast to coal gas content and distribution of the study area.Mining verified forecast conclusionKeywords : Gas geology Gas occurrence Tectonic control gas Layers stacking HuangLong Jurassic coalfieldThesis : Application Study目 录 目 录 1 绪论..1 1.1 选题背景和意义. 1 1.1.1 选题的背景.1 1.1.2 选题的科学意义..2 1.2 研究现状及发展趋势2 1.2.1 国内外瓦斯赋存规律研究现状及发展趋势2 1.2.2 瓦斯含量预测研究现状..4 1.3 研究区研究现状及存在的问题. 5 1.4 本文的研究内容、研究目标及技术路线 6 1.4.1 研究内容..6 1.4.2 研究目标..7 1.4.3 技术路线..7 2 研究区概况..8 2.1地层发育特征. 10 2.2 地质构造发育特征. 12 3 地质构造对瓦斯的控制作用..17 3.1 区域构造及其演化对瓦斯的控制. 17 3.1.1 华北地质区..17 3.1.2 元古华北板块的形成与演化.18 3.1.3 华北古板块的形成与演化..22 3.1.4 板内与活动大陆边缘的构造演化..25 3.1.5现代构造应力-应变场特点..28 3.1.6 区域构造演化对瓦斯的控制作用..29 3.2 煤田构造及其演化对瓦斯的控制. 30 3.2.1 大地构造位置.30 3.2.2 古构造应力-应变场演化..31 I 目 录 3.2.3 构造演化对瓦斯的控制作用.34 3.3 煤田地质构造发育特征35 3.3.1 大地构造单元划分..35 3.3.2 地质构造逐级控制特征37 3.3.3 地质构造对瓦斯的控制作用.38 4 黄陇侏罗纪煤田瓦斯地质特征及其控制因素分析..42 4.1 黄陇侏罗纪煤田瓦斯地质特征42 4.1.1 煤层瓦斯分布特征..42 4.1.2 煤层瓦斯涌出特征..44 4.2 煤层围岩特征及其对瓦斯的封存作用44 4.2.1煤系围岩特征及其对瓦斯的封存作用.45 4.2.2 煤系地层岩石组合特征及其对瓦斯的封存作用..47 4.2.3 煤层顶底板岩性及其瓦斯的封存作用47 4.3 煤层埋深对瓦斯赋存的影响 48 4.3.1 煤层埋藏深度特征..48 4.3.2 煤层埋藏深度对瓦斯赋存的影响..50 4.4 煤层厚度对瓦斯赋存的影响 50 4.5 基于灰色关联方法的瓦斯赋存影响因素分析52 4.5.1 灰色关联分析理论..52 4.5.2 煤层瓦斯含量影响因素灰色关联分析54 5 基于 GIS的煤层瓦斯含量及分布预测.56 5.1 煤层瓦斯含量及其分布预测的模糊综合评判56 5.2 各评价因素参数函数和权重系数的确定. 57 5.2.1 获取评价参数特征值的原则和方法.57 5.2.2 各因素隶属度函数的确定..57 5.2.3 各因素权重的确定..59 5.3 地理信息系统下评价的实现 59 5.3.1资料的收集、预处理及数据建库60 II 目 录 5.3.2 图层叠加分析..60 6 结论65 6.1 主要结论65 6.2 工作展望66 致 谢67 参考文献..68 附 录72 附录 1 附表. 72 附录 2 攻读学位期间参与的地质科研项目 76 附录 3 发表的论文及参编专著76 附录 4 获奖情况77 III 1 绪论 1 绪论 1.1 选题背景和意义 1.1.1 选题的背景 煤炭是我国的主体能源,与经济社会建设、人民生活息息相关。 国家《能源中长期 发展规划纲要(2004~2020 年)》已确定,我国将“坚持以煤炭为 主体、电力为中心、油 气和新能源全面发展的能源战略”。煤炭工业的健康、稳定、持 续发展是关系到国家能 源安全的重大问题。然而,随着矿井开采强度和深度的增加,煤矿重特大瓦斯事故频频 [1] 发生,给人民生命和国家财产造成重大损失 。而瓦斯在造成灾害的同时,又是一种优 质能源。 一方面,瓦斯属于影响煤矿 安全生产 安全生产管理档案一煤矿调度员先进事迹安全生产副经理安全生产责任最近电力安全生产事故安全生产费用投入台账 的头号杀手。据资料显示,新中国成立至 2011 年底,全国发生一次死亡百人以上的特大型事故 24起,死亡 3780人,瓦斯事故 18起, 死亡 2471 人,分别占 70.8%和 65.4%。1975~2011 年,陕西省发生一次死亡 10 人以上 的重大煤矿事故 34起,死亡 969人,其中瓦斯事故起数占 92%,死亡人数占 95.51%。 可见,瓦斯是煤矿安全的第一隐患。 另一方面,随着常规天然气的日益减少,煤层瓦斯等非常规天然气资源的勘探开发 日益受到人们关注。瓦斯本身是一种洁净、高效、污染低的优质能源,可作为民用和工 3 业燃料或用于发电,还可用于生产炭黑、甲醛、化肥和其他工业品。按热值计算, 1000m [2] 瓦斯约相当于 1t 标准煤所产生的热量 。据估算,我国埋藏 2000m 以内瓦斯资源量约 13 3 [3] 为 3.146×10 m ,占世界的 13%左右 。另外,甲烷是温室气体之一,以原子为基准甲 [4] 烷的加热效应是 CO 的 25~30倍,甲烷排入大气对臭氧层的破坏能力是 CO 的 7倍 。 2 2 开发利用煤层瓦斯,减少向大气中排放,对减少空气污染、保护大气环境具有重要意义。 20 世纪 90 年代末至今,我国煤炭开采力度逐步增大,煤层瓦斯的赋存和分布情况 越来越复杂,瓦斯灾害出现的频率也愈来愈高。据统计,全国 620处重点煤矿中,高瓦 [5] 斯矿井和煤与瓦斯突出矿井所占的比重为 47.2% 。 陕西省煤炭资源丰富,储量仅次于山西、内蒙古,居全国第三位,总体上资源赋存 [6] 和开采条件较好,但局部地区地质条件复杂,瓦斯危害严重 。从 地域分布看,大部分 瓦斯事故发生在铜川北区和渭南的韩城矿区,其次就是黄陵矿区、彬长矿区和子长矿区。 铜川、旬邑、黄陵、子长等矿区存在油气共生灾害,一些低瓦斯煤矿也发生过多起死亡 [5] 10人以上的重特大瓦斯爆炸事故 。作为国家十四个大型煤炭基地之一的黄陇侏罗纪煤 田就是瓦斯事故频发的高瓦斯区,2004 年 11 月 28 日陈家山煤矿发生瓦斯爆炸,造成 1 西安科技大学硕士学位论文 166人遇难,2004年 6月 15日,黄陵一号煤矿瓦斯爆炸,造成 23 人遇难,教训极其深 [7] 刻 。煤田内绝大部分矿井瓦斯涌出量大、变化大,是影响矿井安全生产的昀主要因素, 研究瓦斯分布规律,科学预测矿井瓦斯含量变化特征,提出瓦斯防治及利用对策,是矿井 安全生产和资源充分利用的关键,也是黄陇侏罗纪煤田面临的重大课题。 1.1.2 选题的科学意义 从历年事故发生的情况看,瓦斯地质工作滞后,瓦斯赋存规律不 清,不能制定针对 性的防治对策,是导致事故频发的重要原因。从瓦斯地质角度,研究煤层瓦斯的形成、 赋存特征,进而定性定量预测瓦斯涌出量,是预防瓦斯事故的重要手段之一。大量实践 证明,瓦斯事故是可以预防的。从地质角度探索瓦斯赋存规律,研究瓦斯的超前预测预 报技术,既是瓦斯地质学的主攻方向,又是煤矿企业迫切需要解决的重要课题。尤其对 已经发生了特大瓦斯爆炸事故的黄陇侏罗纪煤田来说,选择该课题进行研究并取得突 破,将对指导煤矿有针对性的制定防灾措施,防止重大瓦斯事故的再次发生,有着重大 的理论和现实意义。 1.2 研究现状及发展趋势 1.2.1 国内外瓦斯赋存规律研究现状及发展趋势 长期煤矿生产实践中,人们逐渐认识到煤矿瓦斯的赋存及分布与地质因素有密切关 系,于是,开始利用地质观点研究瓦斯问题。瓦斯地质工作随着长期煤矿生产实践的总 结和分析而开展起来。 煤层瓦斯是地质作用的产物,它的生成、运移、赋存和富集,与地 质条件密切相关 瓦斯地质学把瓦斯研究和地质研究密切结合起来,运用地质学的基本原理和方法以及煤 矿开采方面的技术理论,研究瓦斯的赋存条件、运移和分布规律以及矿井瓦斯动力现象。 研究的主要内容包括:瓦斯的形成和运移、瓦斯赋存的地质条件、煤与瓦斯突出的地质 [8] 条件、瓦斯危险性预测 ,其中瓦斯危险性预测又包括瓦斯含量预测、瓦斯涌出量预测 和瓦斯突出预测 3个方面。前三项研究是第四项研究?瓦斯危险性预测的基础。 (1)国外研究现状 国外以前苏联、法国、英国、澳大利亚等对瓦斯地质方面的研究较为详细。法国早 在 1914 年就设立了“防治煤与瓦斯突出的专门委员会”,从地质角度研究瓦斯的分布规 律,防治突出。前苏联自 50 年代就开始了瓦斯地质的研究,于 1951 年设立了“防止煤 [9,10] 和瓦斯突出中央委员会”,研究指出:煤层瓦斯受地质因素控制 ,分布不均匀,与构 造复杂程度、煤层围岩、变质程度等有关。 英国的 DavidP.提出在煤系地层中,地质构造为煤层瓦斯赋存及分布的主要影响因 2 1 绪论 [11] [12] 素 ,建议加强构造演化与瓦斯地质规律的研究。澳大利亚的 Jshherd(1981) 对地 质构造与瓦斯突出的关系也作了广泛的研究。 [13] Bibler CJ 等学者 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 [14] 煤层瓦斯的生成条件,而且影响其保存条件。英国的 Frodsham K等人 认为在构造的 挤压、剪切作用下,煤层结构破坏,形成发育广泛的构造煤,为瓦斯富集提供了载体。 [15] HuoyinLi 等人 通过模拟试验证实了构造煤是瓦斯的富集体,并指出构造煤广泛发育于 煤田中地质构造集中地带。 (2)国内研究现状 我国对瓦斯赋存与分布的研究更为广泛。早在上个世纪 60 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,指出构造对瓦斯赋存具有控制作用。20 世纪 70 年代中后期较为系统地开展了瓦斯地质研究,到 80 年代得到较大发展,科研单位与 大专院校联合攻关,在瓦斯形成、运移、赋集及突出等方面取得了一批重要成果与认识。 [16] 80 年代,焦作矿院杨力生(1983) 领导开展了第一次全国瓦斯地质编图工作,初步 [17] 奠定了瓦斯地质编图基础;瓦斯区域论的提出(1984) 标志着地质条件对瓦斯赋存控 制理论的形成,阐述了瓦斯含量及突出受地质因素制约,具有不均衡性、分区分带性; [18] 西安矿院赵德政(1987) 从研究有机质的演化、煤及煤层气的形成、煤系地层沉积等 特征入手,首次提出了“含煤-气建造”这一命题, 总结 初级经济法重点总结下载党员个人总结TXt高中句型全总结.doc高中句型全总结.doc理论力学知识点总结pdf 出:含煤建造并不只是形成和 含有煤层,同时也形成煤型气或可能成为煤成气气藏,盆地内部的同沉积褶皱、断层和 沉积超覆地区,可能形成有利圈闭构造,从而形成煤型天然气气藏。 20 世纪 90 年代末至今,人们在研究瓦斯突出的机理和防治措施时,注意力集中到 [19] 了构造煤上。张祖银(1992) 对我国瓦斯地质规律的研究指出,煤层中的高瓦斯是突 出的物质基础,构造煤发育则是突出的必要条件,压性和压扭性构造有助于构造煤的形 [20] 成和高压瓦斯的聚积,是导致突出的重要因素。彭立世(1995) 提出:构造煤的形成 和分布规律,以及构造煤的预测已成为瓦斯地质研究中的重要课题,定性预测已满足不 了生产的要求,定量预测是发展的必然趋势,因而必须进行构造煤定量预测和预测手段 及方法的研究;张子敏、张玉贵(2005)提出:煤层瓦斯含量高是瓦斯突出发生的基础; 煤体结构破坏是发生瓦斯突出的必要条件;构造应力相对集中地带是瓦斯突出发生的主 [1] 要位置;压性、压扭性构造是发生煤与瓦斯突出的有利地带等观 点 。张玉贵(2006) 在其博士论文中提出:构造煤的分布受地质构造逐级控制,强挤压剪切构造破坏带、高 应力区是煤与瓦斯突出灾害发生的背景环境,高能瓦斯和构造煤是煤与瓦斯突出的控制 因素。并尝试引入力化学理论与方法研究构造煤,第一次明确地提出构造煤是煤受力化 学作用的产物。认为力化学作用不仅加速煤变质过程,而且加速烃的转化,有利于低分 [21] 子化合物和瓦斯的富集 。瓦斯分布与构造煤的形成密切相关,又与煤层形成之后各种 地质变化和构造变动密切相关。 3 西安科技大学硕士学位论文 [22] 根据不同矿区及同一矿井不同地段瓦斯分布不均匀的现象,周克友在文献 中论述 了瓦斯的分布与地质构造的关系,指出高瓦斯矿井和低瓦斯矿井都存在预防瓦斯事故的 [23] 问题。王生全等 通过分析构造与煤层瓦斯含量、涌出量及煤与瓦斯突出之间的关系, [24] 总结出构造控气的四种类型。张国辉等 采用地质动力区划方法,分析了淮南煤田瓦斯 赋存状态与区域地质构造的关系,认为淮南煤田地处两个相交的凹地区域,决定了其富 含瓦斯,由于煤田处于长期沉降,具备了瓦斯突出的地质动力条件。刘红军通过对长平 [25] 矿区的区域地质条件 的分析,结合井下采掘过程中揭露的地质构造及采掘工作面瓦斯 [7] 涌出情况,总结了构造特征与瓦斯赋存之间的关系。范立民、张晓团、王英(2012) 通过汇编陕西省煤矿瓦斯地质图,将陕西省煤矿瓦斯赋存受地质构造控制的特征以图的 形式直观的表达了出来。 [26] 不同的构造形态的性质和成因不同,对瓦斯的控制作用也会不同。康继武 从褶皱 变形与瓦斯聚集的关系出发,提出褶皱控气的 4种基本类型,从理论上解释了褶皱轴部 具有聚集和逸散瓦斯双重性的原因,为褶皱发育区进行瓦斯灾害 预测提供了依据。宋荣 [27] 俊等 在研究断裂构造对刘桥二矿瓦斯分布的控制作用时指出,张扭性断层及压扭性逆 断层对瓦斯的储存分别起一定的释放和封闭作用,瓦斯在小型断裂附近易于集聚。宋三 [28] 胜等 根据生产实践中揭露的构造资料,结合瓦斯监测资料,分析了瓦斯涌出与构造的 关系,探讨了中小断层构造控制瓦斯的规律,论述了中小断层构造与工作面瓦斯涌出的 关系,为矿井安全生产及瓦斯治理提供了基础和依据。另外,影响瓦斯赋存地质构造的 [29] [30] 探测技术己比较成熟,主要有红外线 和地质雷达 两种探测方法。在对煤层物性的研 究方面,广泛采用氦比重法、扫描电镜(SEM)、压汞法及低温液氮吸附法来研究煤中 孔隙大小、形态及结构,取得了比较理想的效果。 国内外瓦斯灾害防治实践表明,只有掌握了煤层瓦斯赋存规律,才能制定出行之有 效的瓦斯治理和开发利用 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 。从而达到防治瓦斯灾害的目的, 同时,将煤层瓦斯作为 一种新兴能源加以充分利用,保护人民生命和国家财产安全。 可以看出:国内外煤层瓦斯问题的研究多处于定性阶段,但在随着各学科的飞速发 展,大多数学者越来越倾向于结合众多前沿学科对瓦斯问题做更为深入的研究,并且愈 来愈集中到瓦斯危险性预测方面。将现代数学、力学、计算机和非线性科学等广泛的应 用于对瓦斯问题的研究,从单因素分析转向了综合指标控制分析研究;从因素分析转向 了机理研究;从宏观转向了微观、超微观研究,已初步进入了定量化研究阶段。 1.2.2 瓦斯含量预测研究现状 目前陕西省的开采深度在 800m 以浅,煤层中大部分瓦斯(70%~95%)处于吸附 状态,少部分在煤孔隙中处于游离状态,另外有极少数处于溶解状态。 煤层瓦斯含量是计算瓦斯储量及瓦斯涌出量、实现瓦斯抽采的基础,也是预测瓦斯 4 1 绪论 突出危险性的重要参数。未开采煤层瓦斯含量及影响因素研究,是煤矿安全生产的基础 研究工作。由于地质条件的复杂性,煤层中某一点的瓦斯含量是该点多种地质因素综合 [31,32] 影响的结果 。同一井田范围内,同一煤层的瓦斯含量往往变化较大,且经常出现突 变,正是因为如此,对煤层瓦斯含量的预测才显得尤为重要。 目前瓦斯含量的预测主要有两种方法,一是通过煤样的兰氏体积与兰氏压力,利用 [32] 储层瓦斯压力,根据 Langmuir 方程推算煤层瓦斯含量 ;二是对影响瓦斯含量的因素 进行系统分析,找到主控因素,借助于数学方法建立煤层瓦斯含量预测模型,从而对未 [33] 采区瓦斯含量及分布进行预测 。常用的瓦斯含量预测方法有瓦斯梯度法、多元回归分 析法以及神经网络方法等,目前以瓦斯含量与煤层埋深之间的一元线性预测模型昀多。 1.3 研究区研究现状及存在的问题 本区大规模地质调查始于1957年,1969年贺兰山煤田地质局190队、原西北煤田地 质局第二地质队、194煤田地质队先后进行过不同程度的地质勘 探工作,并提交精查地 质 报告 软件系统测试报告下载sgs报告如何下载关于路面塌陷情况报告535n,sgs报告怎么下载竣工报告下载 ,1975年提交补充精查地质报告;1989~1993年铜川矿务局地质勘探公司对焦坪 矿区深部开展了延伸水平地质勘探,主要以获取煤层变化资料、计算地质储量为目的, 并未对煤系地层瓦斯及其含油气情况做专题研究。在黄陇侏罗纪煤田,焦坪矿区昀早进 行瓦斯研究,所做的研究昀多。 1982年陕煤科技创刊号上发表的“焦坪矿区油气赋存情 [34] 况调查分析”一文,对矿区油气赋存情况做了初步总结分析 ;1988年为配合全国瓦斯 地质编图工作,矿区首次开展了瓦斯地质研究,编写了瓦斯地质说明书,对瓦斯赋存与 涌出规律做了总结;1995年铜川矿务局孔令义对瓦斯赋存与涌出的地质因素进行了定性 [35] 分析 ;舒新前,姚素平等于1999年对矿区进行了系统的煤岩、煤质及有机岩石学研究 [36] ;1997年西安科技大学米敬奎完成了“陈家山井田煤层气及利用前景研究”硕士论文, 并于1999年发表了“陈家山煤层气的可利用性研究”,对陈家山煤层瓦斯赋存条件进行了 [37] 分析研究,并对煤层瓦斯资源利用前景做了评价 ;1997年陈建平提出了侏罗系原油来 [38] [39] [40] 自三叠系的观点 ;1998年,郭黔杰 提出侏罗系原油与煤系有关;2003年肖永福 , 总结了矿区油气赋存规律;2003年王生全分析了井田及采面的瓦斯涌出来源,提出工作 [41] [42] 面安全开采的瓦斯治理方案 ;2006年郭龙,范启民,肖永福 运用灰色系统理论并结 合权重理论对下石节煤矿瓦斯涌出量主控因素进行了研究;2006年王生全完成“焦坪南 [43] 部煤油气共生矿区的瓦斯地质特征及瓦斯预测研究”硕士论文 ,较为全面的分析了矿 区瓦斯地质特征及油气来源,并采用灰色理论建模,对矿井瓦斯含量及涌出量进行了预 [44] 测;2007年封华 得出矿区瓦斯爆炸极限的变化趋势;2009年王 坤通过其硕士论文“焦 [45] 坪矿区瓦斯赋存特征与抽放方法研究” 对矿区两个生产矿井进行煤岩实验分析,认为 [46] 矿区煤层瓦斯具有可抽放性;马安强,郭媛等 于2008年,对瓦斯赋存的影响因素进行 [47] 初步分析,得到构造是主控因素;2009年郑贵强、王勃等 研究出:矿区煤层气富集主 5 西安科技大学硕士学位论文 要受煤层发育特征与深部水动力条件的控制,并依据控制特征划分为四个煤层气富集预 [48] [48] 测区;2009年任秀娟、王兴 提出矿区煤层气富集主要受煤厚、埋深的影响 ;2010 [49] 年许浩等 对本区煤层气形成及富气区(瓦斯含量高区)进行了预测;2010年龙威成等 [50] ,分析了煤层生气能力、储气条件等对瓦斯分布的影响程度;2010年刘小平,范立民, [51] 张普选等 经研究得到:红石岩煤矿影响采煤工作面瓦斯涌出量的主控因素是煤层厚 [52] 度;2010年孔令仪,王英,范立民 经研究得到:陈家山煤矿回采工作面的瓦斯绝对涌 出量与煤层底板标高、煤层厚度、产量关系密切,瓦斯涌出预测采用构造分区和主相关 [53] 因素相结合的办法较为合理; 2011年刘会彬等 确定了矿区中部和向斜构造核部为煤层 -2 气赋存的有利区域;2011年马正恒通过其硕士论文“焦坪矿区4 号煤层瓦斯赋存规律研 [54] 究” 对焦坪矿区两个生产矿井(陈家山和下石节煤矿)进行研究分析,认为向斜构造 [55] 聚集瓦斯,煤层老顶是很好的储气层;2011年范立民,申涛 研究结果显示,彬长矿区 瓦斯含量主要受断层和褶曲构造的控制,瓦斯涌出量基本与煤层底板标高为负相关,与 煤层厚度为正相关,与煤层埋藏深度和上覆基岩厚度呈正相关,总体上彬长矿区瓦斯涌 [56] 出量从矿区周边向中部有明显增大的趋势;2011年范立民,王英,于峰 研究彬长矿区 下沟煤矿的瓦斯地质规律,得出:矿井的瓦斯赋存主要受构造的控制;2011年范立民, [57] 王英,高午 研究黄陵矿区红石岩煤矿的瓦斯地质规律,得出:瓦斯分布规律受井田北 东向和北西向褶曲控制,在向斜区域,瓦斯赋存量较大,矿井瓦斯涌出量也较大,而在 [58] 背斜区域,情况则正好相反;2012年范立民,蔡选良 在汇总陕西省煤矿瓦斯地质图的 基础上,总结了煤矿瓦斯地质规律,进而将陕西省划分出5个区域性瓦斯带。 尽管研究区地质、采矿工作开展较早,并有许多研究人员及现场技术人员对矿区瓦 斯与油气开展过不少的研究与治理工作,但长期以来对于瓦斯问题并未找到切实可行的 解决之道。以往的研究尚存在着以下不足: (1)众所周知,现今的 煤层瓦斯赋存状态是 含煤地层经过多次构造运动作用的结果,瓦斯赋存构造逐级控制理论已为大家所接受。 运用区域构造演化理论,搞清矿区所在大地构造位置及构造演化史,是认清矿区瓦斯赋 存规律的前提。 (2)以往对瓦斯含量的预测以数学方法为主,且缺乏高精度的定量预测模型。而 且地学信息类型繁多,数量庞大,如何去伪存真、去粗取精,昀大限度地保护和利用这 些信息资源是需要解决的另一问题。 1.4 本文的研究内容、研究目标及技术路线 1.4.1 研究内容 (1)系统总结煤层瓦斯赋存理论基础上,结合研究区煤岩层物性参数及生产、实 验测定瓦斯资料,分析黄陇侏罗纪煤田瓦斯赋存的基本特征。 6 1 绪论 (2)区域构造及其对煤田地质构造作用进行分析,研究构造对瓦斯赋存及分布的 影响。 (3)在掌握煤田地质特征的基础上,研究埋深、底板标高等条件对煤层瓦斯赋存 的影响,分析影响瓦斯含量的因素并确定主要控制因素。 (4)根据获得资料,通过GIS平台对研究区瓦斯含量及分布情况进行分析预测。 1.4.2 研究目标 (1)通过系统整理、筛选矿井勘探期间和生产期间可靠的瓦斯地质资料,研究黄 陇侏罗纪煤田瓦斯赋存规律。 (2)对影响瓦斯赋存的因素进行定性和定量分析,找到控制瓦斯赋存的因素 (3)科学预测未采区的瓦斯含量变化,为治理、抽采、利用瓦斯提供依据。 1.4.3 技术路线 研究采用的技术路线见图1.1 煤层瓦斯赋存理论 区域构造特征 构造特征及其对煤层瓦斯控制分析 现 煤田钻孔及基础地质资料 煤田煤层 场 瓦斯含量 调 及分布综 研 合预测 及 煤层瓦斯含量主控因素分析 资 料 收 输出数据及评价图件 煤层瓦斯影响因素图层矢量化 集 子图层叠加 煤田基础地理信息收集 模糊综合评价体系建立图1.1技术路线图 7 西安科技大学硕士学位论文 2 研究区概况 黄陇侏罗纪煤田位于鄂尔多斯盆地南缘,陕北黄土高原西南部、 陕、甘交界地带, 沿陇县、千阳、凤翔、彬县、旬邑、耀州、宜君、黄陵一线呈北 东到北北东向展布。北 以葫芦河为界,西经陇县峡口至陕甘省界,东、南为中侏罗统延安 组地层露头线,煤田长 2 2 约280km,宽30~40km,总面积近8000km ,全区含煤总面积约6569 km ,为陕西省重 2 要的煤炭基地之一。探明含煤面积约5492km ,占煤田含煤总面 积的83.60%;预测含煤 2 面积1077.27km ,占煤田含煤总面积的16.40%(图2.1)。 含煤面积比率 2176.47 含煤面积 2 (km 1611.52 1419.04 普 查 33.13% 预 查 1077.27 预 测 探 明 21.60% 16.40% 83.60% 详 查 勘 探 4.34% 284.92 24.53% 预测 预查 普查 详查 勘探图 2.1研究区资源勘查程度含煤面积分布图 其中煤田东北部彬县到黄陵一带除西北深部地区尚处于普查阶段和黄陵矿区西部 处于预查阶段外,东南区域基本全部达到了勘探程度并已全面进入开发阶段(包括黄陵、 焦坪、彬长、旬耀矿区);煤田西南部永寿到陇县一带的永陇矿区除边深部外也基本完 成了预查,大部分区域已进入普查阶段,其中麟游勘查区已全部完成详查,部分区域已 [59] 达到了勘探程度,西南边浅部部分区段已进入开发阶段 (图 2.2)。 依据 2009年矿井瓦斯等级鉴定结果,黄陇侏罗纪煤田内共有生产矿井 63对,其中 高瓦斯矿井 9 对,低瓦斯矿井 54 对,没有煤与瓦斯突出矿井。高瓦斯矿井分布于黄陵 矿区、焦坪矿区以及彬长矿区(图 2.3)。 8 2 研究区概况 图 例 黄陵矿区 煤田边界 省 界 勘查区线 矿区界线 黄陵 预测区 普查区 详查区 预查区 宜君 焦坪矿区 勘探区 旬耀矿区 彬长矿区 旬邑 陇县 永陇矿区 0 20 40km 永寿 麟游图2.2黄陇侏罗纪煤田资源勘查程度平面图 图 例 省 界 煤田边界线 黄陵矿区 黄陵一号井田 黄陵二号井田 高瓦斯矿井 勘查区边界 矿区边界线 焦坪矿区 玉华煤矿 崔家沟煤矿 下石节煤矿 陈家山煤矿 彬长矿区 旬耀矿区 亭南煤矿 大佛寺煤矿 水 帘 洞 永陇矿区 煤 矿 25 50Km 0图2.3黄陇侏罗纪煤田高瓦斯矿井分布图 9 西安科技大学硕士学位论文 2.1 地层发育特征 黄陇侏罗纪煤田位于鄂尔多斯盆地南缘,含煤地层为侏罗系中统延安组(表2.1), 由一套灰色含煤碎屑岩系构成,一般厚度在85m左右。煤系基底为三叠系上统瓦窑堡组 灰绿色碎屑岩系,其上局部分布有厚0-15m的侏罗系下统富县组紫杂色碎屑岩系(俗称 “花斑泥岩”);煤系上覆基岩为侏罗系和白垩系紫杂色碎屑岩系,因经受不同程度的风 化剥蚀作用而厚度变化较大,其上覆盖有厚度变化很大的第四系松散残坡积物或冲洪积 物。由于地质历史时期沉积环境的差异,局部地段延安组部分或全部缺失,致使直罗组 [60][61] 直接超覆于三叠系之上。各地层自下而上分述如下 : 表2.1研究区地层特征简表 一般厚度 地层 岩性 主要分布区 (m) 第四系 黄土 0~43新近系 紫红色至棕红色砂泥岩互层 0~45 旬邑、彬县西北 华池组(K h) 紫灰色细砂岩、粉砂岩 大于3501 下白 橘红、砖红色中粒砂岩东部夹 白垩系 洛河组(K l) 150~3501 垩统 厚层砾岩 宜君组(K y) 暗紫色砾岩 25~401 上侏 暗紫色砾岩、具砾岩厚层状, 陇县千阳草碧 芬芳河组(J f) 170~1200 3 罗统 含砾长石砂岩 沟、芬芳沟 灰紫色泥岩,灰色泥灰岩,含 安定组(J a) 47~130 黄陵店头以北 2 鱼类化石 中侏 黄绿色块状中粒长石砂岩,暗 直罗组(J z) 82~1412 侏罗系 罗统 紫红色泥岩,局部有冲刷现象 深灰色泥岩、粉砂岩、煤、灰 延安组(J y) 0~1502 白色中-细粒砂岩 店头、沮水河以 下侏 紫红、暗紫、含铁质鲕粒,团 富县组(J f) 0~15 北较厚,焦坪至 1 罗统 块状泥岩 陇县均较薄 上三 灰绿色泥岩,中-厚层状砂岩、 三叠系 延长组(T y) 不详3 叠统 薄煤,油页岩 (1)三叠系(T) 三叠系地层在研究区东部边界局部范围内有出露。区内主要发育三叠系上统地层, 10 2 研究区概况 自下而上包括胡家村组(T h)、永坪组(T y)、瓦窑堡组(T w),统称为延长组(T y)。 3 3 3 3 ?胡家村组(T h):旬耀、彬长矿区钻孔揭露,厚度不详,属一套河湖相含油沉积。 3 岩性为灰-深灰色泥岩、粉砂岩夹灰绿色中厚层状中细粒长石砂岩,底部夹油页岩薄层。 泥岩质纯细腻,水平层理发育,砂岩分选好,胶结致密,具均匀层 理及波状层理。 ?永坪组(T y):黄陵、焦坪矿区钻孔揭露,厚度不详,属一套河湖相含油沉积。 3 岩性为灰绿色、黄绿色厚层状细粒砂岩为主,与薄层泥岩、粉砂岩呈互层状,砂岩含油, 层面有虫孔构造,水平层理发育。 ?瓦窑堡组(T w):黄陵矿区钻孔揭露,厚度不详,属一套河湖相含煤沉积。岩性 3 为灰绿色、灰黑色泥岩、细砂岩、粉砂岩互层,含薄煤层和煤线。 (2)侏罗系(J) 侏罗系地层在研究区东部边界有出露,而黄陇侏罗纪煤田东部边界就是以延安组地 层露头为煤田东部边界。区内主要发育侏罗系下统和中统地层,自下而上包括富县组 (J f)、延安组(J y) 、直罗组(J z) 、安定组(J a) 、芬芳河组(J f)。 1 2 2 2 3 ?富县组(J f):黄陵县店头镇沮水河以北较厚,铜川市焦坪镇以南较薄,厚度一 1 般0~15m,属一套残积相-湖泊相零星沉积。岩性为紫红、灰绿等杂色泥岩,局部有鲕 状泥岩,团块状。与下伏地层假整合接触。 ?延安组(J y) :是主要含煤地层,一般厚度0~150m,属一套河流-湖泊相沉积。 2 岩性为灰色至灰白色中粒至细粒砂岩,深灰色粉砂岩、泥质岩、泥灰岩、油页岩及煤层 组成。延安组在垂向上三分结构明显,即上、下部岩性粗,赋存的煤层厚而稳定性差, 中部岩性细,赋存的煤层多而薄。 ?直罗组(J z) :假整合于延安组之上,一般厚度82~144m,属一套河流-湖泊相碎 2 屑岩沉积。从下到上主要构成两个沉积旋回。岩性下部为灰绿、灰白色厚层状中-粗粒 砂岩,上部为灰绿色粉砂岩夹薄层细砂岩。 ?安定组(J a):主要分布于黄陵县店头镇以北,属一套湖泊相碎屑岩与碳酸盐岩 2 沉积,一般厚度47~137m。岩性为下部为黑色页片状泥岩或油页岩,上部为紫灰、浅黄 色泥岩夹紫灰、浅红色白云质泥灰岩,钙质粉砂岩。 ?芬芳河组(J f):主要分布于陇县千阳草碧沟、芬芳沟,厚度170~1200m,岩性 3 以暗紫色砾岩、具砾岩厚层状,含砾长石砂岩为主。 (3)白垩系(K) 白垩系地层主要出露于沟谷,河流冲刷区域。区内主要发育白垩系下统地层,自下 而上包括宜君组(K y)、洛河组(K l)、环河-华池组(K h)。 1 1 1 ?宜君组(K y):研究区内一般厚度25~40m,属冲积扇沉积物。岩性为紫灰色厚 1 层状粗砾岩,砾石成分以灰岩为主,厚层状,硅、钙质胶结,坚硬,石英岩和变质岩次 之。 11 西安科技大学硕士学位论文 ?洛河组(K l):研究区内一般厚度150~350m,属风成砂丘冲积扇沉积物。岩性 1 由紫灰色、棕红色中粒砂岩、砾岩组成。砂岩以石英为主,长石次之,泥质胶结,具大 型交错层理。砾石以灰岩为主,偶见石英砾,滚圆度好,泥钙质胶结,砂质充填。 ?环河-华池组(K h):研究区内一般厚度350m,属湖相沉积物。岩性为灰绿、浅 1 紫色粉、细砂岩互层,夹薄层泥岩,水平何微波状层理发育,含介形虫和钙质结核。 (4)新近系(N) 新近系地层主要分布于旬邑、彬县以北地区。一般厚度0~45m,属河流-湖泊相沉 积。岩性为棕红色粘土及砂质粘土,含钙质结核,有时夹黄色砂层及砾石层,砾岩夹砂 岩透镜休。与下伏地层假整合接触。 (5)第四系(Q) 研究区内第四系地层,广泛分布,厚度变化较大,一般厚度 0~43m,属河流-湖泊 相碎屑岩沉积。岩性为淡灰黄色黄土层,局部夹有古土壤层、多层钙质结核和砾石。与 下伏地层不整合接触。 2.2 地质构造发育特征 在大地构造位置上,黄陇侏罗纪煤田大部分地区位于鄂尔多斯盆地南缘渭北隆起带 内的彬黄坳陷中,煤田东北部位于庆阳单斜中(图 2.4)。黄陵侏罗纪煤田整体为一向北 西倾斜的大型单斜构造,地层倾角 3~10?,个别地段可达 15?左右,在此单斜背景上发 育一系列北东、北西两向次级宽缓褶皱,总体特征为以 NE 向褶皱为主,NW 向褶皱次 之,两个方向的褶皱构造互相交织,形成一种典型的斜向交织构造格局,断层稀少。 (图 2.5) [62] 本区褶皱构造的总体特点 可总结为: (1)具有明显的方向性。区内以 NE向褶曲为主,NW向褶曲次之,北东向主褶皱 轴从黄陵矿区到彬长矿区由 NE45?左右逐渐转为 NE80?左右,北西向主褶皱轴也随之由 NE300?左右逐渐转为近南北向。NE 向褶皱向西南方向倾伏,NW 向褶皱向北西方向倾 伏。愈向深部,褶皱愈不明显。 (2)北西向褶皱具有控制性。虽然区内褶皱构造的主要延展方向为 NE,但受到 NW向褶皱的阻隔与限制,NW向大型背斜把整个煤田分割为彬长、旬耀、焦坪和黄陵 等凹陷区(矿区),NE 向褶皱基本都显现于 NW向向斜之内。 (3)具一定的组合形式。区内背、向斜常常相间分布,背斜相对紧闭、向斜更为 开阔,呈微隔挡式组合形式。NW 向褶皱基本呈平行排列(图 2.6);使 NE 向褶皱则由 于受到 NW褶皱的阻隔作用而呈现明显的斜列特点,多呈“多”字型和反“多”字型等雁行 斜列形式;两向褶皱斜向交织在一起构成了本区斜向棋盘格式构造网络的基本面貌,并 形成了一系列马鞍状、鼻状、短轴状次级褶皱。 12 2 研究区概况 106? 108? 110? 112? 内 蒙 台 隆 套 固阳 五原 呼和浩特 包头 河 断 陷 河 40? 伊 蒙 40? 隆 起 准格尔旗 乌海 杭棉旗 阿 拉 善 台 隆 贺 鄂尔多斯旗 兰 山 鄂托克旗 吕 山 银 保德 川 阿拉善左旗 神木 隆 断 五寨 天 黄 银川 乌审旗 兴县 起 榆林 陷 粱 陕 38? 38? 榆林单斜 盐池 西 黄 环 中宁 北 离石 靖边 绥德 隆 延安单斜 秦 斜 延安 台 环县 大宁 坳 河 岭 六 吉县 庆阳单斜 临汾 36? 坡 固原 起 36? 盘 黄陵 造 韩城 起 山 隆 合阳 陷 隆 长武 断 铜川 北 彬县 山 陷 陷 渭 宝鸡 天水 断 河 带 渭 西安 34? 100Km 0 50 106? 108? 110?图2.4黄陇侏罗纪煤田大地构造位置图 13 彬长坳褶带 铜川-韩城断褶带 阴 山 造 山 带0.80 0.80 810 800 790 820 建 庄 - 新 村 向 斜 瓦 窑 平 背 斜 830 狼 牙 沟 背 斜 0.8 0 0.80 西安科技大学硕士学位论文 黄陵矿区 图例 背斜 向斜 正断层 黄 陵 煤田边界线 省 界 矿区边界线 焦坪矿区 零点边界 井田边界 宜君 旬耀矿区 长武 彬长矿区 旬邑 20km 0 10 彬县 永陇矿区图2.5黄陇侏罗纪煤田构造纲要图 N 900 890 840 0 2 4km图2.6建庄井田地质构造纲要图 14 880 8 70 930 0.80 860 8 0. 0 0.80 790 810 800 850 780 840 820 830 910 900 850 880 900 910 辽 望 台 向 斜 930 王 家 沟 背 斜 890 890 870 880 860 新 村 向 斜 850 860 870 0.80 0.80 940 老林沟背斜 窑 上 背 斜 0.80 9502 研究区概况 (4)具有同期性与继承性。沉积分析证明,向斜和背斜构造与早- 中侏罗世的沉积 [62] 坳陷和隆起基本一致(图 2.7) ;向斜的轴部,富县组和延安组的 厚度都比较大,两 翼厚度较小,向背斜轴部逐渐减薄乃至尖灭;各期地层逐次超覆, 隆起的规模逐次缩小 (图 2.8)。原始隆起和坳陷,既有呈 NE方向延伸的,也有呈 NW方向延伸的。根据应 力区域效应,印支运动期应以 NW 方向为主。进入燕山运动期以后,在区域性南东-北 西方向主压应力场的作用之下,北东向构造始占据主导地位,北东方向的坳陷和隆起得 到加强,终至造成区内以北东向构造为主的特点。早期的北西向构造也因受到晚期的北 东向构造的阉掩而不明显。如位于焦坪矿区南侧东北端部的东北塔向斜(煤炭已开采告 罄),其核部为白垩系,轴向 NE,南侧以三叠系为边界,北侧与四郎庙背斜斜列。向斜 内三叠系顶面和煤层底板等高线均表现为一北西西方向的向斜,煤层和煤系的厚度等值 线也均呈同方向的延伸(图 2.9),在向斜中部厚度昀大,向两侧减薄。这显然是一个向 北西方向倾伏的同沉积(期)坳陷。 Y49 401 S81 P27 S79 0.30 0.20 0.13 0.40 0.05 4.13 2.43 0.20 1.28 1.60 0.30 2.85 1050 NW SE 陈家岭背斜 寺湾盆地 1000 J2Z 花家庄向斜 T3 950 屹崂寺背斜 双龙向斜 J1-2 900 T3 J1f 850 J1f 800 01 2km图2.7黄陵矿区北部地质构造与地层厚度关系示意图(据 赵德政、王英等,1992) 15 1380 1340 1360 西安科技大学硕士学位论文 龙玉向斜 后村背斜 玉华川向斜 NW SE 0 25 50 75 100 0 500 1000m m 图2.8龙玉向斜-玉华川向斜沉积断面图(据赵德政、王英 等,1992) N 2 4 12 1400 6 10 4 8 6 1380 10 1320 1400 12 10 14 1380 12 8 10 1340 8 6 6 1380 4 1360 4 1360 2 2 -2 4 煤层等厚线 三叠系顶面等高线 500m0 250图2.9焦坪矿区东背塔向斜(据赵德政、王英等,1992) (5)北东和北西褶皱具斜向交织性。本区发育的 NE和 NW褶皱 构造在经纬格网上,它们都是斜向的。地质构造延伸方向的斜向性是“中国构造网"的一 个基本特性。中国东部构造的明显的北北东走向和西部构造的明显的北西西走向,虽然 [63] 早为广大地质工作者所熟知,但正如张伯声教授 所指出的那样,属于第二位的东部的 北西向构造和西部的北东向构造,依然不容忽视。本区地质构造的发育状况,完全符合 这一科学论断。既是以北东向构造为主,也有不容忽视的北西向构造。两个方向的斜向 构造互相交织,形成一种典型的斜向交织构造格局。同时,斜向交 织构造具有不同的规 模,不同规模的斜向交织构造级级相套,对