礦井瓦斯地質(zhì)規(guī)律與瓦斯預(yù)測的探討

尤純旺

（山西冀中能源金暉煤焦化工有限公司萬峰煤礦，山西 呂梁 032300）

萬峰煤礦位于山西省霍西煤田汾孝礦區(qū)東部，孝義市南約10km處，井田面積16km2，生產(chǎn)規(guī)模1.2Mt/a，工業(yè)儲(chǔ)量202.43Mt，可采儲(chǔ)量117.2Mt，礦井服務(wù)年限70年。采用立井、兩水平、集中運(yùn)輸大巷、采區(qū)上、下山開拓方式。第一水平標(biāo)高+200m，第二水平標(biāo)高+100m?，F(xiàn)生產(chǎn)一水平煤層為1#煤層，1號(hào)煤層平均厚度1.5米，結(jié)構(gòu)簡單，全井田穩(wěn)定可采。采煤方法為走向長壁綜合機(jī)械化方式，頂板管理方式為自然垮落。礦井采用中央并列式通風(fēng)系統(tǒng)，回采工作面采用U型通風(fēng)方式。1#煤層瓦斯含量為7.18～18.5m3/t，礦井達(dá)產(chǎn)時(shí)最大相對(duì)瓦斯涌出量為44.91m3/t，最大絕對(duì)瓦斯涌出量為113.40m3/min，為高瓦斯礦井。煤層透氣性系數(shù)為1.62～3.785m2/Mpa2.d，鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)為 0.0031～0.04995d-1，煤層透氣性較好，屬于可以抽采煤層，煤的自燃傾向性為Ⅱ類自燃，煤塵具有爆炸危險(xiǎn)性。

1 礦井地質(zhì)概況

1.1 井田地質(zhì)條件

井田內(nèi)發(fā)育的地層由下至上有：奧陶系下統(tǒng)的冶里組、亮甲山組和中統(tǒng)的下馬家溝組、上馬家溝組、峰峰組，石炭系中統(tǒng)本溪組、上統(tǒng)太原組，二疊系下統(tǒng)山西組、下石盒子組和上統(tǒng)上石盒子組，上第三系上新統(tǒng)，第四系中上更新統(tǒng)、全新統(tǒng)的地層。井田內(nèi)可采煤層五層，即山西組 1#、3#和太原組 5#、9#、10+11#煤層，1#煤層平均厚度1.50m，結(jié)構(gòu)簡單，全井田穩(wěn)定可采，3#煤層局部可采，可采范圍平均厚度0.60m，5#煤層局部可采，可采范圍內(nèi)平均厚度0.72m，9#煤層厚度平均1.36m，全井田可采，10+11#煤層平均厚度6.38m，全井田可采，與9#間距很近，開采時(shí)采取聯(lián)合開采。目前主要開采1#煤層，堅(jiān)固性系數(shù)f為0.28～0.47，直接頂為黑色粉砂巖，厚 2.58m，間接頂為砂質(zhì)泥巖、泥巖，厚3.07m，1#上煤頂板（老頂）為中細(xì)砂巖，巖石硬度f=8～10,致密較堅(jiān)硬，平均厚度21.2米。距1上煤（厚0.85m）間距2.82-9.42米，平均6.26米。直接底為黑色砂質(zhì)泥巖，厚6.03m。頂?shù)装迳百|(zhì)泥巖、泥巖的巖石硬度f＝6。

1.2 井田地質(zhì)構(gòu)造及分布特征

井田位于霍西煤田的北緣，祁呂弧形褶皺帶的東翼與汾河挽近槽地的銜接部位，屬于祁呂弧褶皺帶東翼，位于盆狀復(fù)向斜北東部的大西莊背斜東北翼，受大西莊背斜影響，井田內(nèi)總體來看為一單斜構(gòu)造，地層走向近北西向，傾向北東，傾角 3°-12°，2004年勘探時(shí)發(fā)現(xiàn)在井田東部邊界附近發(fā)育一條正斷層F10，走向 N15°E，傾向北西，傾角 55°，落差35m，井下巷道揭露首采區(qū)內(nèi)有21條斷層，其中落差大于10m的斷層2條，落差大于5m的斷層7條，落差小于5m的斷層3條，其余為0-2m的小斷層，現(xiàn)將井田內(nèi)揭露主要斷層列如表1：

表1 萬峰煤礦揭露主要斷層表

1.3 構(gòu)造煤發(fā)育及分布特征

從礦井已揭露區(qū)域來看，井田內(nèi)區(qū)域未發(fā)現(xiàn)構(gòu)造煤。

2 礦井瓦斯地質(zhì)規(guī)律研究

2.1 斷層、褶皺構(gòu)造對(duì)瓦斯賦存的影響

斷裂運(yùn)動(dòng)伴隨著構(gòu)造運(yùn)動(dòng)而發(fā)生，斷裂的類型對(duì)瓦斯保存有重要影響，斷層將煤層斷開后，煤層與斷層另一盤接觸的巖性，若透氣性好則利于瓦斯排放。

斷層的空間方位對(duì)瓦斯的保存、逸散也有影響。一般走向斷層阻隔了瓦斯沿煤層傾斜方向的逸散，而傾向和斜交斷層則把煤層切割成互不聯(lián)系的塊體。不同類型的斷層，形成了不同的塊段的構(gòu)造邊界條件，對(duì)瓦斯的保存，排放有不同的影響。

向斜構(gòu)造的兩翼與軸部中和面以上為壓應(yīng)力場，表現(xiàn)為明顯的應(yīng)力集中，為高壓區(qū)；軸部中和面和以下處于拉伸張應(yīng)力場，而且煤層埋深往往較大，只產(chǎn)生少量開放性裂隙，釋放部分應(yīng)力，形成相對(duì)低壓區(qū)。這樣向斜的兩翼和軸部中和面以上是利于瓦斯封存和聚集的部位，特別是向斜的軸部是瓦斯含量高異常區(qū)。1207進(jìn)風(fēng)巷、回風(fēng)巷在掘進(jìn)過程中經(jīng)過向斜軸部時(shí)瓦斯涌出量和瓦斯抽采量均出現(xiàn)顯著的增大。

背斜構(gòu)造的兩翼與軸部中和面以下為壓應(yīng)力場，表現(xiàn)為明顯的應(yīng)力集中，為高壓區(qū)；軸部中和面和以上處于拉伸張應(yīng)力場，而且煤層埋深往往較大，只產(chǎn)生少量開放性裂隙，釋放部分應(yīng)力，形成相對(duì)低壓區(qū)。當(dāng)煤層頂?shù)装鍨楹竦耐笟庑圆畹哪鄮r或頁巖時(shí)，埋深較大時(shí)，背斜的軸部中和面的上部巖石會(huì)表現(xiàn)為塑形變形，不會(huì)產(chǎn)生裂隙，這樣頂?shù)装迦匀槐３至己玫母采w性能，兩翼的瓦斯也會(huì)向軸部運(yùn)移，造成煤層的高含氣性。

2.2 頂?shù)装鍘r性對(duì)瓦斯賦存的影響

頂?shù)装鍘r性包括巖石的孔隙率、滲透性和空隙結(jié)構(gòu)。一般來說頂?shù)装鍘r石孔隙率大，連通情況好，滲透性好，孔隙度大，透氣性能好，有利煤層瓦斯逸散，反之亦然。萬峰煤礦1號(hào)煤層頂?shù)装鍘r性為致密完整的粉砂巖或炭質(zhì)泥巖，煤層中的瓦斯容易保存下來，所以煤層中瓦斯含量較大，達(dá)到8.4～18.5m3/t。

2.3 煤層埋深對(duì)瓦斯賦存的影響

隨著煤層埋深的增加，瓦斯含量增加。埋藏深度的增加，不僅地應(yīng)力增高而使煤層及圍巖的透氣性變差，而瓦斯向地表運(yùn)移的距離也增長，二者都有利封存瓦斯。分析萬峰煤礦1號(hào)煤層瓦斯含量測值與埋深關(guān)系可知（見表2），萬峰煤礦煤層瓦斯含量隨埋深增大而增加。

3 瓦斯含量分布及預(yù)測研究

煤層瓦斯含量受多種地質(zhì)因素的制約，諸如煤質(zhì)、埋藏深度、構(gòu)造、煤的物理化學(xué)性質(zhì)、煤層頂?shù)装鍘r性等等，不同礦區(qū)，各種地質(zhì)因素施加影響的顯著性可能是不相同的。對(duì)某一個(gè)具體井田而言，在諸多地質(zhì)因素中總有一個(gè)主導(dǎo)因素控制瓦斯含量在井田范圍內(nèi)變化的總體趨勢(shì)，其它地質(zhì)因素只能在局部范圍內(nèi)影響煤層瓦斯含量。

該井田地質(zhì)構(gòu)造屬簡單類，構(gòu)造僅在局部影響煤層瓦斯賦存，對(duì)整個(gè)井田的影響作用較小。煤層埋藏深度是控制瓦斯含量變化的主導(dǎo)因素。

表2 1號(hào)煤層瓦斯含量測定數(shù)據(jù)匯總

通過對(duì)萬峰煤礦地勘和生產(chǎn)期間的1號(hào)煤層瓦斯含量測定數(shù)據(jù)（表2）的分析，得出萬峰煤礦煤層瓦斯賦存的規(guī)律如下：

萬峰煤礦1號(hào)煤層8個(gè)瓦斯含量控制點(diǎn)除W5鉆孔外，其余控制點(diǎn)瓦斯含量均較高，屬CH4帶。W5鉆孔所測得的煤層瓦斯（CH4）成分只有11.67%，遠(yuǎn)小于80%，很顯然，W5鉆孔處于瓦斯風(fēng)化帶。

萬峰煤礦1號(hào)煤層瓦斯含量具有隨埋藏深度增加而加大的整體趨勢(shì)，但存在一定的幅值波動(dòng)，即，同一埋藏深度的煤層，瓦斯含量值可能存在一定的差異。

4 礦井瓦斯涌出量預(yù)測

根據(jù)安全生產(chǎn)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《礦井瓦斯涌出量預(yù)測方法》（AQ1018-2006），采用分源預(yù)測法對(duì)萬峰煤礦回采工作面瓦斯涌出量進(jìn)行預(yù)測如下：

礦井1號(hào)煤層，煤層厚度取平均值1.50m。

礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為120萬t/a，1號(hào)煤層開采布置二個(gè)采區(qū)，首采工作面為一采區(qū)西翼的1103工作面。采用走向長壁，綜合機(jī)械化采煤法，全部垮落法管理頂板，回采工作面長度150m，回采率為97%。

分別對(duì)開采煤層（包括圍巖）和鄰近層瓦斯涌出量進(jìn)行預(yù)測。

表3 1號(hào)煤層開采時(shí)鄰近層厚度及至開采層距離

1 號(hào)煤層開采時(shí)的相對(duì)瓦斯涌出量最大為18.5m3/t。橫向上看，瓦斯涌出量由西南向東?北方向逐漸增大，在礦井東北部達(dá)到最大。垂向上看，下部煤層比上部煤層瓦斯涌出量高，與煤層埋深成正比，底板等高線成反比。

表4 鄰近煤層相對(duì)瓦斯涌出量計(jì)算結(jié)果匯總表

1 號(hào)煤層開采時(shí)受到上下鄰近層煤層群的影響，距離鄰近層的距離見表3。

結(jié)論

萬峰礦區(qū)位于山西省霍西煤田霍州煤炭國家規(guī)劃礦區(qū)東北部?；粑髅禾镂挥谏轿魇≈心喜浚逼鸱陉?，南至河津平原，西迄呂梁山東麓，東止霍山腳下，受多種構(gòu)造帶影響，以壓性構(gòu)造為主，構(gòu)造帶集中分布在煤田兩側(cè)的呂梁山脈及太岳山脈，煤田內(nèi)構(gòu)造相對(duì)較簡單。本井田總體來看為一單斜構(gòu)造，地層走向近北西向，傾向北東。

分析了斷層、褶曲、頂?shù)装鍘r性、煤層埋深對(duì)礦井瓦斯賦存的影響，并得出煤層埋藏深度是控制瓦斯含量的主導(dǎo)因素。

據(jù)收集瓦斯含量資料，結(jié)合煤層埋藏深度可知：煤層瓦斯含量具有隨埋藏深度增大而加大的整體趨勢(shì)。

用分源預(yù)測法對(duì)萬峰煤礦回采工作面瓦斯涌出量進(jìn)行了預(yù)測。預(yù)測結(jié)果表明：1號(hào)煤層瓦斯涌出量最大可達(dá)18.5m3/t。

用分源預(yù)測法對(duì)萬峰煤礦回采工作面鄰近層瓦斯涌出量進(jìn)行了預(yù)測。預(yù)測結(jié)果表明：1號(hào)煤層開采時(shí)鄰近層煤層群的瓦斯涌出量最大可達(dá)12.04m3/t。

[1]陸秋琴.地下煤礦瓦斯運(yùn)移數(shù)值模擬及積聚危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)研究 [J].西安建筑科技大學(xué)，2010.

[2]孫斌.基于危險(xiǎn)源理論的煤礦瓦斯事故風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)研究[J].西安科技大學(xué)，2003.