張 旭 朱炎銘 張建勝

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇省徐州市，221008）

唐山礦南五區(qū)瓦斯涌出量預(yù)測(cè)及其特征分析

張 旭 朱炎銘 張建勝

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇省徐州市，221008）

南五區(qū)為唐山礦新采區(qū)，缺少可靠性瓦斯地質(zhì)資料，而該礦為高瓦斯礦井，因此需要對(duì)其瓦斯地質(zhì)特征進(jìn)行研究。本文結(jié)合礦井地質(zhì)特征，運(yùn)用鄰近區(qū)已開(kāi)采工作面實(shí)測(cè)瓦斯涌出量資料，采用分源預(yù)測(cè)法和地質(zhì)統(tǒng)計(jì)法對(duì)南五區(qū)5＃、8＃和9＃煤層瓦斯涌出量分別做了預(yù)測(cè)。預(yù)測(cè)結(jié)果表明：煤層瓦斯涌出量隨著埋深的增加明顯增大，5＃煤層瓦斯涌出量由3m3／t增加到6m3／t，8＃和9＃煤層瓦斯涌出量由5m3／t增加到7m3／t。

瓦斯涌出量 分源預(yù)測(cè)法 唐山礦

1 礦井地質(zhì)概況

唐山礦井田構(gòu)造極為復(fù)雜，具有多期次、多性質(zhì)、多方向和多級(jí)別的特點(diǎn)。由于受中－新生代區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的作用，不僅受到了不同期構(gòu)造的強(qiáng)烈改造與疊加，而且對(duì)煤層的厚度和賦存狀態(tài)產(chǎn)生了較強(qiáng)烈的改造作用。南五區(qū)作為唐山礦重要的煤炭生產(chǎn)接續(xù)區(qū)，復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造及瓦斯分布的不確定是制約該處煤炭安全生產(chǎn)的重要因素。南五區(qū)為新區(qū)，缺少可靠性瓦斯資料，需要對(duì)其瓦斯地質(zhì)特征進(jìn)行研究。

1.1 礦井構(gòu)造

唐山煤礦分布在開(kāi)平煤田的北部，是晚古生代華北聚煤區(qū)的一部分。在大地構(gòu)造上處于中朝準(zhǔn)地臺(tái)燕山沉降帶的東南側(cè)，為華北斷塊區(qū)陰山—燕山斷褶帶與冀魯斷塊坳陷相連接處的次級(jí)構(gòu)造單元—唐山塊陷之上。唐山礦地層走向?yàn)镹E—SW，井田內(nèi)主要構(gòu)造絕大部分平行于地層走向，構(gòu)造極為復(fù)雜，由北向南依次排列著FⅠ、FⅡ、FⅢ、FⅣ、FⅤ等主斷層組成唐山礦斷裂帶，其斷層走向與地層走向基本平行，見(jiàn)圖1，其中南部邊界斷層FⅤ規(guī)模最大。褶皺構(gòu)造發(fā)育，除東部發(fā)育的FⅢ斷層以南的主向斜、背斜外，向西部還發(fā)育有嶺子傾伏背斜等一系列褶曲構(gòu)造。

圖1 唐山礦礦井構(gòu)造綱要圖

1.2 埋藏—生氣史

受構(gòu)造作用，唐山礦煤層經(jīng)歷了不同埋藏過(guò)程，見(jiàn)圖2，煤中有機(jī)質(zhì)發(fā)生多次生氣作用。大約到中三疊世末，煤層最大埋深約3300m，受熱溫度達(dá)115℃，到該期末，煤級(jí)達(dá)到氣煤階段（鏡質(zhì)組反射率達(dá)到0.8Ro%），煤中產(chǎn)生大量甲烷（第一次生氣），其絕大多數(shù)逸散到圍巖中進(jìn)一步散失，少部分主要呈吸附態(tài)被保留在煤層中。而后，受印支運(yùn)動(dòng)的影響，地殼抬升，煤層埋藏變淺，原先吸附的瓦斯逐漸散失。

圖2 唐山礦主煤層的埋藏—生氣歷史

唐山地區(qū)在燕山早—中期發(fā)育了典型的逆沖推覆構(gòu)造，位于原地系統(tǒng)的石炭—二疊紀(jì)煤層，被推覆斷層上盤(pán)地層所覆蓋而再次埋深。該期末（大約100Ma）礦區(qū)主煤層埋深約達(dá)2400m，受燕山期區(qū)域巖漿活動(dòng)而導(dǎo)致地溫場(chǎng)異常，煤層受熱最高可達(dá)150℃以上，不少地區(qū)煤達(dá)到1／3焦煤階段（鏡質(zhì)組反射率達(dá)到1.3Ro%）。二次生氣生成的大量甲烷補(bǔ)充煤中的瓦斯，煤中瓦斯主要以吸附態(tài)與游離態(tài)存在，而后地殼進(jìn)一步抬升，煤中瓦斯又逐步逸散，但由于推覆構(gòu)造的覆蓋作用，瓦斯逸散緩慢，并使煤中瓦斯逐漸達(dá)到現(xiàn)今賦存狀態(tài)。

1.3 礦井瓦斯地質(zhì)概況

1.3.1 斷層對(duì)瓦斯賦存控制

唐山礦發(fā)育的5條呈NE向平行排列的主要斷層均為壓性斷層，不利于瓦斯的逸散。其中對(duì)瓦斯賦存控制最為明顯的斷裂構(gòu)造為FⅢ大斷層。FⅢ斷層為一推覆構(gòu)造，為第四系所掩蓋，但FIII斷層使唐山礦現(xiàn)今主要生產(chǎn)區(qū)瓦斯的逸散作用受到斷層上盤(pán)地層的封蓋影響，逸散速度變得十分緩慢，整體上來(lái)說(shuō)有利于瓦斯的賦存。在不同的構(gòu)造部位，構(gòu)造對(duì)瓦斯賦存的影響也不盡相同，在靠近FIII斷層滑動(dòng)面的區(qū)域，由于應(yīng)力較為集中，封閉性的壓性斷層較為發(fā)育，且有上盤(pán)巖層的封蓋作用，具備有利于瓦斯賦存的地質(zhì)條件；而在遠(yuǎn)離FIII斷層面的區(qū)域，沒(méi)有形成局部應(yīng)力集中區(qū)域，地層的傾角較小，僅發(fā)育有較為寬緩的背、向斜，亦沒(méi)有上盤(pán)巖層的封蓋作用，瓦斯的保存條件較差，有利于瓦斯的逸散。在FⅤ斷層的附近區(qū)域，受壓性FⅤ斷層的影響，圍巖的封閉性增強(qiáng)，巖石相對(duì)被擠壓致密，滲透性減弱，有利于瓦斯富集。

1.3.2 礦井瓦斯涌出量特征

根據(jù)唐山礦歷年來(lái)開(kāi)采工作面各煤層通風(fēng)月報(bào)、旬報(bào)、年報(bào)統(tǒng)計(jì)，運(yùn)用瓦斯地質(zhì)統(tǒng)計(jì)法對(duì)全礦井的5＃、8＃和9＃煤層進(jìn)行了絕對(duì)瓦斯涌出量與煤層埋深的回歸分析。在回歸分析的過(guò)程中，去除回采工作面出現(xiàn)瓦斯絕對(duì)涌出量異常的點(diǎn)。

通過(guò)對(duì)5＃煤層40個(gè)瓦斯涌出點(diǎn)的涌出量回歸分析，得出標(biāo)高同涌出量符合線(xiàn)性關(guān)系，其預(yù)測(cè)公式為：

其中擬合度R2＝0.8411，擬合程度較高，規(guī)律性明顯。預(yù)測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 5＃煤層絕對(duì)瓦斯涌出量與煤層埋深關(guān)系回歸分析

由于8＃煤層和9＃煤層間距較小，且兩煤層在煤層頂?shù)装鍘r性、埋深、構(gòu)造發(fā)育程度等方面都有極大的相似之處，因此把8＃、9＃煤層放在一起，進(jìn)行瓦斯涌出點(diǎn)的涌出量與煤層底板標(biāo)高的回歸分析。選取8＃、9＃煤層回采工作面43個(gè)絕對(duì)瓦斯涌出點(diǎn)的涌出量進(jìn)行回歸分析，得出公式：

其中擬合度R2＝0.8032，擬合程度較高，規(guī)律性明顯，8＃、9＃煤層瓦斯涌出量預(yù)測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 8＃、9＃煤層絕對(duì)瓦斯涌出量與煤層埋深關(guān)系回歸分析

從回歸分析結(jié)果來(lái)看，唐山礦5＃、8＃和9＃煤層瓦斯涌出量與煤層埋深呈線(xiàn)性關(guān)系，即隨著埋深的增大，絕對(duì)瓦斯涌出量也隨之增大，規(guī)律性顯著。

2 南五區(qū)瓦斯涌出量預(yù)測(cè)

2.1 南五區(qū)地質(zhì)特征

南五區(qū)位于唐山礦南西部，東至井田邊界，南至安機(jī)寨保護(hù)煤柱線(xiàn)。據(jù)鉆孔資料統(tǒng)計(jì)，該區(qū)共有5＃、8＃和9＃3個(gè)主采煤層，煤層傾角都較大，5＃煤層為發(fā)育穩(wěn)定的薄煤層，平均埋深890m左右，煤層厚度由SE－NW逐漸變薄，8＃煤層為由北向南逐漸變薄的中厚煤層，9＃煤層為由西向東逐漸變薄的中厚煤層，兩煤層間距不大，平均埋深940m左右。據(jù)三維地震勘探結(jié)果統(tǒng)計(jì)，研究區(qū)5＃煤層共發(fā)現(xiàn)斷層33條，以逆斷層為主，斷層傾向多呈NW向，少量呈SW、SE向。8＃、9＃煤層構(gòu)造發(fā)育規(guī)律與5＃煤層類(lèi)似，但斷層數(shù)量較5＃煤層少，分別發(fā)育斷層25條。

2.2 瓦斯涌出量預(yù)測(cè)

由于唐山礦生產(chǎn)作業(yè)區(qū)域廣，構(gòu)造形式多，多煤層開(kāi)采，因而瓦斯涌出量因區(qū)域、構(gòu)造部位及煤層的不同而有差異。

本文采用分源預(yù)測(cè)法對(duì)南五區(qū)瓦斯涌出量預(yù)測(cè)。分源預(yù)測(cè)法是以煤層瓦斯含量為基礎(chǔ)，其實(shí)質(zhì)是按照礦井生產(chǎn)過(guò)程中瓦斯涌出源的多少、各個(gè)涌出源瓦斯涌出量的大小來(lái)預(yù)測(cè)礦井、采區(qū)、回采面和掘進(jìn)工作面等的瓦斯涌出量。

采煤工作面瓦斯涌出量計(jì)算：

式中：q采——采煤工作面瓦斯涌出量，m3／t；

q1——開(kāi)采層瓦斯涌出量，m3／t；

q2——鄰近層瓦斯涌出量，m3／t。

2.2.1 開(kāi)采層瓦斯涌出量計(jì)算

薄及中厚煤層不分層開(kāi)采時(shí)：

式中：k1——圍巖瓦斯涌出系數(shù)；

k2——工作面丟煤瓦斯涌出系數(shù)，用回采率的倒數(shù)計(jì)算；

k3——采面巷道預(yù)排瓦斯影響系數(shù)；

m——開(kāi)采層厚度，m；

M——開(kāi)采層采高，m；

W0——煤層原始瓦斯含量，取3.0m3／t；

W0′——每噸可燃質(zhì)所含原始瓦斯含量，m3／t·r；

Mad——原煤水分含量，%，根據(jù)實(shí)測(cè)平均值確定；

Aad——原煤灰分含量，%，根據(jù)實(shí)測(cè)平均值確定；

Wc——運(yùn)出礦井后煤的殘存瓦斯含量，取2.0m3／t。

2.2.2 鄰近層瓦斯涌出量計(jì)算

式中：M——開(kāi)采層采高，m；

mi——第i個(gè)鄰近層開(kāi)采厚度；

ηi——第i個(gè)鄰近層瓦斯排放率，%；

W0i——第i個(gè)鄰近層煤層原始瓦斯含量，m3／t，無(wú)實(shí)測(cè)值時(shí)參照開(kāi)采層選取；

Wci——第i個(gè)鄰近層煤層殘存瓦斯含量，m3／t，無(wú)實(shí)測(cè)值時(shí)參照開(kāi)采層選取。

根據(jù)上述方法，按照式（3）、（4）、（5）、（6）進(jìn)行計(jì)算，對(duì)南五區(qū)采掘工作面瓦斯涌出量和在不同日產(chǎn)煤量下絕對(duì)瓦斯涌出量進(jìn)行預(yù)測(cè)，結(jié)果見(jiàn)表1、表2和表3。表1中為最終算得預(yù)測(cè)瓦斯涌出量，中間計(jì)算q1、q2的過(guò)程省略，以表1為例，南五區(qū)5＃煤層若煤層瓦斯含量為4.00m3／t，日產(chǎn)煤量為400t，預(yù)測(cè)瓦斯相對(duì)涌出量為6.06m3／t，絕對(duì)瓦斯涌出量為1.68m3／min。

表1 南五區(qū)5＃煤層采用分源法計(jì)算瓦斯涌出預(yù)測(cè)結(jié)果

表2 南五區(qū)8＃煤采用分源法計(jì)算瓦斯涌出預(yù)測(cè)結(jié)果

表3 南五區(qū)9＃煤層采用分源法計(jì)算瓦斯涌出預(yù)測(cè)結(jié)果

3 瓦斯地質(zhì)特征分析

通過(guò)分源預(yù)測(cè)法對(duì)南五區(qū)5＃、8＃和9＃3個(gè)煤層的瓦斯涌出量進(jìn)行預(yù)測(cè)，結(jié)合礦區(qū)地質(zhì)特征，將瓦斯涌出量投放到地質(zhì)圖上，見(jiàn)圖5、圖6和圖7。

南五區(qū)瓦斯涌出量總體上隨煤層埋深的增大而增加，5＃煤層瓦斯涌出量由3m3／t增加到6m3／t，8＃、9＃煤層瓦斯涌出量由5m3／t增加到7m3／t。8＃、9＃煤層瓦斯涌出量相差不大，但與5＃煤層相差明顯，這是因?yàn)?＃煤層與8＃、9＃煤層之間的間距大，受地質(zhì)構(gòu)造、煤層埋深及煤厚等因素影響較為明顯，而8＃煤層和9＃煤層間距小，煤層頂?shù)装鍘r性、地質(zhì)構(gòu)造等相差不大，瓦斯涌出量無(wú)太大差異，但8＃、9＃煤層煤厚較5＃煤層厚，因此其瓦斯涌出量相對(duì)比5＃煤層大。對(duì)比圖5、圖6和圖7，發(fā)現(xiàn)各煤層在南五區(qū)的NW翼瓦斯梯度要大于SE翼，與煤層等高線(xiàn)分布的間隔相符合，且分布在向斜核部附近。向斜核部瓦斯含量一般要比兩翼高，因?yàn)橄蛐焙瞬繃鷰r受到強(qiáng)烈擠壓，巖石構(gòu)造、孔隙等發(fā)生變化，圍巖透氣性降低，不利于瓦斯逸散。煤層在向斜核部也被相對(duì)壓縮，單位空間內(nèi)煤的含量增高，且煤層間距變小，瓦斯相對(duì)濃度增大，瓦斯逸散量相對(duì)減少，導(dǎo)致向斜核部瓦斯含量相對(duì)大，瓦斯涌出量也較兩翼大。

圖7 南五區(qū)9＃煤層瓦斯涌出量預(yù)測(cè)等值線(xiàn)圖

4 結(jié)論

（1）唐山礦南五區(qū)瓦斯涌出的主要影響因素是開(kāi)采區(qū)煤層埋深，即隨著埋深的增大，各煤層的瓦斯涌出量也明顯增大，線(xiàn)性擬合關(guān)系顯著。

（2）由于受向斜構(gòu)造的影響，南五區(qū)瓦斯含量值在向斜核部較兩翼大。NW翼瓦斯梯度較SE翼大。5＃煤層瓦斯涌出量隨埋深的增加由3.0m3／t到6.0m3／t，8＃、9＃煤層瓦斯涌出量由5m3／t增加到7m3／t，可能是受8＃、9＃煤層厚度較大影響，瓦斯涌出量偏高。

（3）由于各煤層受其他不穩(wěn)定因素影響，防止煤礦安全事故的發(fā)生，要加強(qiáng)瓦斯涌出量、瓦斯壓力的監(jiān)測(cè)，根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果，參考瓦斯涌出量預(yù)測(cè)圖，合理、科學(xué)地規(guī)劃該區(qū)的開(kāi)采生產(chǎn)。

［1］ 張子戌，劉高峰，呂閏生等.基于模糊聚類(lèi)分析和模糊模式識(shí)別的煤與瓦斯突出預(yù)測(cè)［J］.煤田地質(zhì)與勘探，2007（3）

［2］ 王超，宋大釗，杜學(xué)勝等.煤與瓦斯突出預(yù)測(cè)的距離判別分析法及應(yīng)用［J］.采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2009（4）

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Prediction and features analysis of gas emission in Nanwu section of Tangshan Mine

Zhang Xu，Zhu Yanming，Zhang Jiansheng
（School of Resource and Geoscience，China University of Mining and Technology，Xuzhou，Jiangsu 221008，China）

Owing to the lack of reliable gas geology data about Nanwu section，a new mining area of Tangshan Mine which has high gas content，it needs a research on its gas geology features.In this paper，based on the mine geological features and measured gas emission data of the working faces in near areas，different－source predicting method and geological statistics method have been used to predict the gas emission rate of 5＃，8＃and 9＃coal seam in Nanwu section.The results show that the gas emission rate increases significantly with increasing of buried depth of coal seam：gas emission rate increases from 3m3／t to 6m3／t in 5＃coal seam but increases from 5m3／t to 7m3／t in 8＃and 9＃coal seams.

gas emission rate，different－source predicting method，Tangshan Mine

P618.118

A

張旭（1990－），男，安徽巢湖人，碩士研究生，主要從事煤與油氣地質(zhì)研究。

（責(zé)任編輯 張毅玲）