朱士飛，秦云虎，徐田高

(江蘇地質(zhì)礦產(chǎn)設(shè)計研究院，江蘇 徐州 221006)

礦井瓦斯涌出量影響因素分析

朱士飛，秦云虎，徐田高

(江蘇地質(zhì)礦產(chǎn)設(shè)計研究院，江蘇 徐州 221006)

礦井瓦斯涌出量是受多因素綜合影響的參數(shù)。地質(zhì)構(gòu)造、煤化作用、煤層厚度變化以及煤體結(jié)構(gòu)均影響著瓦斯的涌出。礦井地質(zhì)構(gòu)造是控制瓦斯涌出的主導(dǎo)地質(zhì)因素，其主要類型、規(guī)模、性質(zhì)、疏密程度、排列組合以及構(gòu)造部位等差異，對瓦斯涌出有不同程度的影響。在煤化作用過程中，瓦斯不斷產(chǎn)生，而煤層瓦斯的伴生量直接依賴于煤化變質(zhì)程度，故變質(zhì)程度越高，產(chǎn)生的瓦斯量就越多。

瓦斯涌出量;地質(zhì)構(gòu)造;煤層厚度;煤化作用;煤體結(jié)構(gòu)

1 概述

礦井瓦斯來源大致可歸為3個方面(張子敏等，2005;L W Gwrba et al，2001，M Gatens，2005):煤(巖)層和地下水釋放出來;化學(xué)及生物化學(xué)作用產(chǎn)生;煤炭過程中產(chǎn)生。影響煤與瓦斯涌出(突出)的因素多而且復(fù)雜，既包括各種地質(zhì)因素，又包括非地質(zhì)因素。

2 控制煤與瓦斯涌出的地質(zhì)因素

2.1 地質(zhì)構(gòu)造對瓦斯涌出的影響

瓦斯(煤層氣)形成和保存的地質(zhì)因素奠定了瓦斯涌出(突出)的物質(zhì)基礎(chǔ)。礦井地質(zhì)構(gòu)造是控制瓦斯涌出的主導(dǎo)地質(zhì)因素(M Gatens，2005;劉新榮等，2006)。地質(zhì)構(gòu)造的類型、規(guī)模、性質(zhì)、疏密程度、排列組合以及構(gòu)造部位等差異，對瓦斯涌出有著不同程度的影響。

2.1.1 煤層產(chǎn)狀對瓦斯涌出的影響 在煤巖層走向、傾向或傾角突然變化的部位多屬于應(yīng)力集中的塊段，應(yīng)力變化梯度大，有利于瓦斯的涌出。

隨著煤層傾角及其變化的增大，煤層瓦斯涌出量也隨之增加。分析認(rèn)為主要有以下原因:(1)煤層的透氣性具有各向不均勻性，即煤層順層方向的透氣性比垂直層面方向的透氣性大。(2)煤層傾角大，有利于采后冒落，垮落高度增大，卸壓影響范圍大，有利于鄰近層瓦斯涌向采空區(qū)進而流向工作面。(3)瓦斯是一種氣體，它以游離或吸附狀態(tài)存在于煤(巖)層中。它總是從瓦斯壓力高的地方流向瓦斯壓力低的地方。在相同深度、相同壓力下，煤層傾角越大，則瓦斯逸散的阻力相對較小，不利于瓦斯的保存。因此，煤層傾角在不同的地段，在其他有關(guān)因素相互制約下，對瓦斯涌出起著不同的作用。

2.1.2 斷層對瓦斯涌出的影響 斷層的影響是多方面的，特別是斷裂類型，對煤層的完整性、煤體結(jié)構(gòu)、煤的顯微特征和煤的孔滲性有不同程度的影響，也影響著瓦斯的逸散和保存。

斷層附近，由于在煤層及其頂?shù)装鍘r層中產(chǎn)生了一系列構(gòu)造裂隙，斷層密度、斷層規(guī)模以及斷層類型均影響著瓦斯的涌出量。劉新榮等(2006)統(tǒng)計了某礦1122工作面5個塊段的小斷層密度，同時在斷層處實測瓦斯涌出量，經(jīng)回歸分析擬合出小斷層密度與瓦斯涌出量的線性關(guān)系(圖1)。

正斷層為開放性型，封閉性差，斷層面為開放性，成為瓦斯運移的通道。逆斷層多屬于壓性、壓扭性，封閉性能好，瓦斯氣體難以透過斷層面運移，同時，逆斷層斷層面附近成為構(gòu)造應(yīng)力集中帶，可加大煤層壓力，使氣體吸附量增大。對于規(guī)模較大的斷層，若斷層落差較大，斷層錯位破碎帶較寬，均有利于瓦斯的逸散。所以，早期的構(gòu)造活動中瓦斯得到大量逸散，到該處煤層開采時，瓦斯涌出量相對較少。

圖1 瓦斯涌出量與小斷層關(guān)系圖(劉新榮等，2006)

2.1.3 褶皺對瓦斯涌出的影響 煤田次級褶皺越發(fā)育，煤層瓦斯涌出量越大。在褶皺構(gòu)造中，瓦斯向背斜構(gòu)造的軸部及其附近利于流動部位易發(fā)生瓦斯涌出突出。當(dāng)背斜的軸部及其附近張性斷裂比較發(fā)育，或者軸部受到侵蝕時，則成為煤層瓦斯排放的通道，這時在褶皺構(gòu)造的翼部和向斜的軸部煤層的瓦斯含量就比較高，易于發(fā)生瓦斯涌出。由于平行煤層及圍巖層面方向的滲透性能遠大于垂直層面方向，因而傾角比較平緩的褶皺一翼比傾角陡急一翼煤層瓦斯含量高，瓦斯突出危險性也就比較大(L W Gurba et al，2001)。

2.1.4 陷落柱對瓦斯涌出的影響 據(jù)沈慰安等(2008)研究，陷落柱形成過程中使周圍的煤、巖層因柱體向下塌陷，周圍產(chǎn)生大量的張性節(jié)理，從而有利于煤層瓦斯向外排放導(dǎo)致瓦斯?jié)舛壬?通常要將陷落柱分為導(dǎo)水與不導(dǎo)水。不導(dǎo)水的，可能你的論述還有道理，但如是導(dǎo)水的，瓦斯涌出量相對較低)。

2.2 煤層厚度變化對瓦斯涌出的影響

煤層是瓦斯生成與儲集的場所，也是發(fā)生瓦斯涌出的物質(zhì)基礎(chǔ)。煤層厚度影響著瓦斯生成量，是原始沉積條件的差異和后期構(gòu)造運動的結(jié)果。煤層厚度變化的梯度在一定程度上反映了瓦斯變化的梯度，影響著瓦斯的涌出。瓦斯涌出量與煤層厚度關(guān)系較為密切，厚度大，開采時相應(yīng)瓦斯涌出量也大。

2.3 煤化作用對瓦斯涌出的影響

煤化作用機理對煤儲層含氣性演化起著重要控制作用(W H Somerton，1975;秦勇等，1999)。在中低變質(zhì)階段的煙煤，煤中氣體的擴散能力強，氣體解吸率高，反映了煤中氣體滲透性好。高煤級煤氣體解吸速度慢，吸附時間長，滲透性較差。從更寬的演化角度來看，以鏡質(zhì)組最大反射率4%為分劃性界線，煤化作用早—中期為“煤層氣生成—吸附性增強—煤層氣儲集”階段，煤化作用后期則為“生成作用停止—吸附性消失—煤層氣殘留或逸散”階段，這是鏡質(zhì)組反射率大于5.0%的地區(qū)煤層含氣量極低的根本性地質(zhì)原因(圖2)。

圖2 中國煤層含氣量隨煤級的演化趨勢圖

2.4 煤體結(jié)構(gòu)對瓦斯涌出的影響

煤的抗壓、抗張和抗剪強度只是泥巖的幾分之一，不足砂巖和灰?guī)r的十分之一，與上覆和下伏巖層相比，煤對應(yīng)力和應(yīng)變環(huán)境特別敏感，因此，在不同的應(yīng)力－應(yīng)變環(huán)境和構(gòu)造應(yīng)力作用下煤層易發(fā)生破碎以及韌塑性變形和流變遷移，從而煤層內(nèi)部的某些分層，甚至全煤層成為碎粒狀、鱗片狀或糜棱狀。焦作瓦斯研究所把煤層在后期改造中所形成的結(jié)構(gòu)稱為煤體結(jié)構(gòu)(張子敏等，2005)。

按照煤在構(gòu)造作用下的破碎程度，可將構(gòu)造煤主要分為碎裂煤、碎粒煤、粉粒煤和糜棱煤4種類型(張子敏等，2005)。楊其鑾等(1986)研究了煤的瓦斯解吸特征，煤的破壞類型越高，解吸指數(shù)越大。正是由于構(gòu)造煤是地質(zhì)構(gòu)造強擠壓、剪切作用的產(chǎn)物，它含有極發(fā)育的細小剪切面，疏松多孔，能儲存大量的高壓瓦斯，具有高吸附瓦斯的能力和快速解吸瓦斯的能力，是造成煤與瓦斯突出的內(nèi)在原因。

2.5 水文地質(zhì)條件對瓦斯涌出的影響

秦勝飛等從地下水活動性的角度，強調(diào)了甲烷水溶性對瓦斯聚散的控制作用(A D Alexeev et al，2004)。傅雪海在總結(jié)國內(nèi)外涉及瓦斯(煤層氣)與水文地質(zhì)因素的基礎(chǔ)上，認(rèn)為水文地質(zhì)對煤層氣的控制作用之一就是水文地質(zhì)影響煤層氣的運移和富集(傅雪海等，2005)。

不同構(gòu)造單元、不同地區(qū)、不同含煤盆地，其水文地質(zhì)條件復(fù)雜多樣，在層序上存在第四系松散沉積物孔隙含水層、煤系地層孔隙－裂隙含水層、煤系碳酸鹽及其下伏巖溶含水層3類含水層，但不同時代煤盆地含水層的主次不同，3類含水層之間的水力聯(lián)系程度不同，同一含煤盆地不同地貌單元、不同構(gòu)造樣式、不同構(gòu)造部位，地下水的補、徑、排條件不同，對瓦斯的運移—逸散或封閉的能力亦差異明顯。通常情況下，甲烷在水中的溶解度很低，但地下水徑流是一個連續(xù)的動態(tài)過程，徑流強度對瓦斯的逸散有重要影響。前人研究認(rèn)為，水動力封閉有利于瓦斯的吸附及富集，而交替活躍的水動力條件將打破吸附與溶解和游離氣之間的平衡，使吸附氣逐漸減少，從而影響瓦斯的保存。在其水動力活躍的地區(qū)，瓦斯保存條件差，瓦斯貧乏，在水動力滯留區(qū)則瓦斯富集(傅雪海等，2005;V C Lling，1933)。

3 控制煤與瓦斯涌出的非地質(zhì)因素

在一定的深度范圍內(nèi)，煤層瓦斯含量隨埋藏深度的增大而增大。在我國目前的開采技術(shù)條件下，開采深度越深瓦斯涌出量也就越大。在相似的瓦斯地質(zhì)條件下，開拓與開采范圍大、產(chǎn)量高的礦井水平和采區(qū)其絕對涌出量相對來說比較大。當(dāng)開拓與開采達到一定范圍，產(chǎn)量達到一定水平之后，礦井相對瓦斯涌出量達到一定數(shù)量后變化不大。在生產(chǎn)工藝和瓦斯地質(zhì)條件基本相似的條件下，隨著產(chǎn)量的增減，礦井絕對瓦斯涌出量有明顯的增減(楊勇等，2005)。

礦井開采時瓦斯的涌出地點即瓦斯涌出源。瓦斯涌出源的多少及其涌出量的大小，直接影響礦井瓦斯涌出量。礦井采煤工作面的瓦斯來源主要由3個部分組成:一是開采煤層的瓦斯涌出，二是鄰近層煤層瓦斯涌出，三是生產(chǎn)采面采空區(qū)瓦斯涌出。礦井瓦斯?jié)舛蕊@然與開采深度、開拓和開采范圍、礦井產(chǎn)量以及工作面?zhèn)€數(shù)、長度、開采順序、落煤方式以及推進速度等因素的影響，上述參數(shù)的改變都會使工作面瓦斯涌出量發(fā)生變化(張子敏等，2005;葉建平等，1998;宋振琪，2003)。

高瓦斯或突出礦井中瓦斯以承壓狀態(tài)存在于煤層中，當(dāng)回采、掘進、打鉆等開采工作破壞了煤層中原有的瓦斯壓力平衡后，煤層局部卸壓產(chǎn)生膨脹變形，原有的天然裂縫和大孔隙張開，并形成新裂縫，由此增加煤體的滲透能力和透氣性，提高瓦斯解吸能力與排放強度，導(dǎo)致瓦斯產(chǎn)生由高壓區(qū)向低壓區(qū)的流動，從而引發(fā)瓦斯涌出。

煤礦井下采礦工作會使煤層所受應(yīng)力重新分布，造成次生透氣性結(jié)構(gòu)。同時，礦山壓力可以使煤體透氣性增高或降低。其表現(xiàn)為在卸壓區(qū)內(nèi)透氣性增高，集中應(yīng)力帶內(nèi)透氣性降低。因而采礦工作會使煤層瓦斯賦存狀態(tài)發(fā)生變化，具體表現(xiàn)為在釆掘空間中瓦斯涌出量的忽大忽小。如開采上、下保護層時，地應(yīng)力重新分配，在保護層范圍內(nèi)，煤(巖)體透氣性增大，煤體中的瓦斯大量釋放，導(dǎo)致瓦斯賦存狀態(tài)發(fā)生很大的變化，表觀為保護層本身的開采過程中，瓦斯涌出量的增大，從而使鄰近被保護層中的瓦斯得到釋放(楊勇等，2005;宋振琪，2003;李宗翔，2004;呂國金等，2000)。

4 結(jié)語

(1)礦井地質(zhì)構(gòu)造、煤化作用、煤層厚度變化以及煤體結(jié)構(gòu)均影響著瓦斯的涌出。礦井地質(zhì)構(gòu)造是控制瓦斯涌出的主導(dǎo)地質(zhì)因素。地質(zhì)構(gòu)造的類型、規(guī)模、性質(zhì)、疏密程度、排列組合以及構(gòu)造部位等差異，對瓦斯涌出有不同程度的影響。煤層厚度影響著瓦斯生成量，是原始沉積條件的差異和后期構(gòu)造運動的結(jié)果。煤層厚度變化的梯度在一定程度上反應(yīng)了瓦斯變化的梯度，影響著瓦斯的涌出。瓦斯涌出量與煤層厚度關(guān)系較為密切，厚度大，開采時相應(yīng)瓦斯涌出量也大。在煤化作用過程中，瓦斯不斷產(chǎn)生，而煤層瓦斯的伴生量直接依賴于煤化變質(zhì)程度，故變質(zhì)程度越高，產(chǎn)生的瓦斯量就越多。由于煤結(jié)構(gòu)比較破碎，煤顆粒粒間微裂隙也易于積存較多自由狀態(tài)的瓦斯分子，儲集瓦斯的空間也相對增加。

(2)煤層中原有的瓦斯壓力平衡受采動影響，煤層局部卸壓產(chǎn)生膨脹變形，原有的天然裂縫和大孔隙張開，并形成新的裂縫，由此增加煤體的滲透能力和透氣性，提高瓦斯解吸能力與排放強度，導(dǎo)致瓦斯產(chǎn)生由高壓區(qū)向低壓區(qū)的流動，從而引發(fā)瓦斯涌出，使礦井瓦斯涌出量增大。

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Affecting factors analyses on mine gas emission

ZHU Shi-fei，QIN Yun-hu，XU Tian-gao

(Jiangsu Institute of Geology and Mineral Resources，Xuzhou 221006，Jiangsu)

The mine gas emission rate was a parameter restricted by many factors，such as the structure in coal seam，carbonification，thickness variation and coal body structure.The coal seam structure was a leading geologic factor that controlled mine gas emission.The variation of coal seam thickness，which was attributed to different sedimentary microfacies and later tectonic movement，was of effect on the generation and preservation of coal bed methane.Particularly for the structure in coal seam，whose characters，conditions and causes of formation，failure mechanism，space patterns，scales，were of influence on mine gas emission in different degree.

Gas emission rate;Geological structure;Coal seam thickness;Carbonification;Coal structure

TD263

A

1674－3636(2011)01－0086－04

10.3969/j.issn.1674-3636.2011.01.86

2010－09－07;

2010－09－13;編輯:侯鵬飛

朱士飛(1976—)，男，工程師，博士，主要從事地質(zhì)礦產(chǎn)開發(fā)研究工作，E-mail:shfzhu@163.com