礦井地質(zhì)瓦斯賦存特征及影響因素分析

衛(wèi)玉江

（山西焦煤集團(tuán)嵐縣正利煤業(yè)公司，山西 呂梁 033000）

1 工程概況

1.1 地質(zhì)概況

山西焦煤集團(tuán)嵐縣正利煤業(yè)礦井地處寧武煤田嵐縣礦區(qū)，井田面積9.26km2，批準(zhǔn)開采4-1號、4號、7號、9號煤層，煤種為氣肥煤和1/3焦煤。礦井資源儲量2.1361億t，可采儲量7062萬t，設(shè)計生產(chǎn)能力150萬t/a，服務(wù)年限36a。根據(jù)礦井歷年瓦斯等級鑒定，批復(fù)等級為低瓦斯礦井，如表1所示。

正利煤業(yè)現(xiàn)開采4號煤層，煤層厚度4.63～6.62m，平均5.96m，可采性指數(shù)為1.00，煤厚變異系數(shù)r.=0.16，含0～3層泥巖及炭質(zhì)泥巖夾矸，時夾黃鐵礦結(jié)核，夾矸厚0～0.8m，平均0.15m。煤層頂板為砂質(zhì)泥巖、粉砂巖、泥巖，底板多為砂質(zhì)泥巖，屬全區(qū)穩(wěn)定可采煤層，控制及研究程度均較高。

1.2 工作面概況

正利煤業(yè)開采4號煤層，共劃分為4個采區(qū)，采用放頂煤開采方法，現(xiàn)準(zhǔn)備開采二采區(qū)和三采區(qū)。由《正利煤業(yè)2013～2016年瓦斯等級鑒定情況》可知正利煤業(yè)雖為低瓦斯礦井，但仍存在瓦斯事故危險，需進(jìn)一步研究4號煤層二、三采區(qū)的瓦斯具體賦存特征，摸清瓦斯分布規(guī)律及涌出量，需要時建立瓦斯抽放系統(tǒng)對瓦斯含量高的區(qū)域進(jìn)行瓦斯抽采，保證二、三采區(qū)工作面的安全開采。

表1 正利煤業(yè)2013～2016年瓦斯等級鑒定情況

2 煤層瓦斯賦存特征

2.1 煤層瓦斯含量測定

2015年，正利煤業(yè)4號煤層二、三采區(qū)準(zhǔn)備進(jìn)行開采，為了預(yù)防瓦斯事故，需掌握本區(qū)域瓦斯賦存情況，因此對掘進(jìn)過程中部分區(qū)域進(jìn)行了煤層瓦斯含量測試。

在二采區(qū)膠帶上山65m處、4G02軌道順槽距停采線150m處、三采區(qū)回風(fēng)上山、北回風(fēng)大巷正頭、4G02軌道順槽距停采線190m等處對4號煤層瓦斯含量進(jìn)行測量，共計布置10個瓦斯含量測點。2017年，在4201運輸順槽300m處、二采區(qū)膠帶上山135m處、二采區(qū)回風(fēng)上山110m處、二采區(qū)輔運上山340m等處對4號煤層瓦斯含量進(jìn)行測量，共計布置7個瓦斯含量測點。

從兩次對4號煤層瓦斯含量測量結(jié)果可知，17個瓦斯含量測點其中有8個具有代表性的測點可以完全反映出4號煤層的瓦斯含量，如表2所示，分別為二采區(qū)膠帶上山135m處、二采區(qū)膠帶上山65m處、4201運輸順槽300m處、二采區(qū)輔運上山340m處、二采區(qū)回風(fēng)上山110m處、三采區(qū)回風(fēng)上山口、北回風(fēng)大巷正頭、4G02軌道順槽距停采線150m處。4號煤層的瓦斯含量范圍為1.78～5.62m3/t，不同區(qū)域的瓦斯含量變化較大。

表2 各測點瓦斯含量

2.2 瓦斯含量分布規(guī)律研究

（1）根據(jù)測得的瓦斯含量與對應(yīng)的煤層埋深進(jìn)行擬合分析，如圖1所示。

圖1 4號煤層瓦斯含量與埋深變化規(guī)律圖

由圖1可以分析得到，隨著煤層埋深的增加，4號煤層瓦斯含量不斷增大。由上述分析表明，4號煤層瓦斯含量增長梯度為2.21m3/100m，即煤層埋深每增加100m，煤層瓦斯含量增加2.21m3/t。

（2）煤層瓦斯含量分布預(yù)測

根據(jù)正利煤業(yè)4號煤層瓦斯賦存分布規(guī)律，采用插值和外推的方法[1]，可以計算推測出4號煤層瓦斯含量分布規(guī)律，即井田范圍內(nèi)由東向西煤層瓦斯含量逐漸增大。這是因為該井田西部煤層埋深較深，東部較淺。井田范圍內(nèi)煤層最大埋深為490m，瓦斯含量為3.8m3/t。

2.3 煤層瓦斯賦存特征分析

由相關(guān)研究可知，煤層位于地質(zhì)構(gòu)造沖積層以下時，煤層瓦斯發(fā)生垂直分帶現(xiàn)象，在垂直方向上自上而下可以分為二氧化碳-氮氣帶、氮氣帶、氮氣-甲烷帶和甲烷帶，劃分標(biāo)準(zhǔn)如表3。

表3 煤層瓦斯分帶劃分標(biāo)準(zhǔn)

由工作面實測數(shù)據(jù)可知：正利煤業(yè)4號煤層瓦斯中的甲烷（CH4）組分為75.91%～96.31%，二氧化碳（CO2）組分為0.28%～0.73%，氮氣（N2）組分為1.30%～16.74%。對照表2可以看出，4號煤層瓦斯組分以甲烷（CH4）為主，氮氣（N2）次之，二氧化碳（CO2）最少，處于甲烷帶、氮氣-甲烷帶。

根據(jù)《山西焦煤集團(tuán)嵐縣正利煤業(yè)有限公司生產(chǎn)礦井地質(zhì)報告》，本井田4號煤層瓦斯分帶屬甲烷帶、氮氣-甲烷帶。兩者吻合。

本預(yù)測區(qū)域內(nèi)斷層較多，結(jié)合斷層的特征為開放性斷層，斷層具有較好的透氣性，便于瓦斯排出，但是在斷層尖滅處瓦斯涌出量較高。同時還要充分考慮斷層帶充填物膠結(jié)性。在斷層附近應(yīng)加強煤層瓦斯測試工作，避免出現(xiàn)瓦斯事故。

3 煤層瓦斯影響因素分析

瓦斯是影響礦井工作面安全生產(chǎn)的重要因素，煤層瓦斯賦存特征機理復(fù)雜，所受影響因素較多，不同的礦井瓦斯賦存特征差異較大，進(jìn)一步摸清煤層瓦斯賦存特征的影響因素，對指導(dǎo)工作面安全高效開采具有重要的意義[2,3]。

（1）地質(zhì)構(gòu)造對瓦斯賦存影響分析

①斷層。若礦井?dāng)鄬影l(fā)育較多，則此處構(gòu)造應(yīng)力較大，此區(qū)域內(nèi)的裂隙發(fā)育較多，瓦斯得到擴(kuò)散，煤層中吸附態(tài)的瓦斯轉(zhuǎn)化為游離態(tài)的瓦斯，導(dǎo)致斷層發(fā)育區(qū)域內(nèi)瓦斯含量較小，但瓦斯涌出量卻較大。當(dāng)巷道或工作面推進(jìn)過程中遇到斷層發(fā)育區(qū)時，斷層發(fā)育越多，游離態(tài)的瓦斯越多。因此，在采煤過程中遇到斷層發(fā)育區(qū)時容易發(fā)生瓦斯涌出現(xiàn)象。

②褶皺。褶皺地質(zhì)構(gòu)造對瓦斯賦存特征具有明顯的控制作用，在背斜處，瓦斯運移的距離增長，使得瓦斯運移阻力增大，導(dǎo)致瓦斯聚集，瓦斯含量大；在向斜處正好相反，瓦斯含量較小。

因此，地質(zhì)構(gòu)造的存在會很大程度上影響瓦斯賦存特征，合理的勘探分析可以有效地判斷瓦斯分布規(guī)律。

（2）水文地質(zhì)條件對瓦斯賦存影響分析

礦井地下水的存在，水順層流動，會帶走煤層中大量的瓦斯，減少瓦斯涌出量。

（3）煤層埋深對瓦斯賦存影響分析

瓦斯含量隨著煤層埋深的增加而增大，這是由于煤層隨著埋藏深度的增加，煤的變質(zhì)程度會增大，單位煤內(nèi)生成的瓦斯會增多，同時瓦斯壓力隨著埋深的增大而增大，使得瓦斯由游離狀態(tài)轉(zhuǎn)化為吸附狀態(tài)。

（4）頂?shù)装鍘r性對瓦斯賦存影響分析

煤層頂?shù)装宓膸r性對瓦斯的賦存特征也有較大的影響，若頂?shù)装鍘r層透氣性強，則瓦斯會進(jìn)一步擴(kuò)散，使得煤層瓦斯含量降低；若頂?shù)装鍘r層透氣性差，則煤層瓦斯會在一定區(qū)域內(nèi)聚集，瓦斯含量大，開采過程中瓦斯涌出量大。

4 結(jié)語

針對正利煤業(yè)4號煤層瓦斯賦存不明確等問題，采用直接法測定了煤層的瓦斯含量，得到4號煤層的瓦斯含量范圍為1.78～5.62m3/t；對瓦斯分布規(guī)律進(jìn)行了研究，得到了瓦斯隨著埋深的增加而增大，4號煤層瓦斯含量增長梯度為2.21m3/100m，煤層最大埋深為490m，瓦斯含量為3.8m3/t；確定了4號煤層瓦斯分帶屬甲烷帶、氮氣-甲烷帶；總結(jié)分析了影響瓦斯賦存的因素有：地質(zhì)構(gòu)造、水文地質(zhì)條件、煤層埋深和頂?shù)装鍘r性，通過分析這些因素，可以有效地判斷煤層瓦斯分布規(guī)律。

正利煤業(yè)4號煤層二三采區(qū)采掘過程中，4201運輸順槽300m處瓦斯含量較高，達(dá)到5.62m3/t。在此區(qū)域內(nèi)加大配風(fēng)風(fēng)量，進(jìn)行鉆孔抽采瓦斯，采用兩堵一注進(jìn)行封孔。經(jīng)進(jìn)一步實測，此區(qū)域范圍內(nèi)瓦斯含量降低至2.76m3/t，可以保障井下安全開采。