李浩然 程遠(yuǎn)平 郭曉宇

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)安全工程學(xué)院，江蘇省徐州市，221116）

紅菱煤礦西三采區(qū)12＃煤層瓦斯賦存規(guī)律及控制因素分析

李浩然 程遠(yuǎn)平 郭曉宇

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)安全工程學(xué)院，江蘇省徐州市，221116）

分析了紅菱煤礦西三采區(qū)12＃煤層瓦斯含量與埋藏深度的關(guān)系，研究了礦井地質(zhì)構(gòu)造、圍巖巖性特征以及巖漿巖侵入對(duì)煤層瓦斯含量的影響，為指導(dǎo)煤礦瓦斯治理工作提供了可靠數(shù)據(jù)。結(jié)果表明，西三采區(qū)12＃煤層瓦斯含量主要受埋藏深度控制，采區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單，其對(duì)瓦斯的控制作用較弱，局部煤體受巖漿巖侵入的影響，瓦斯含量增大；西三采區(qū)整體瓦斯含量高，瓦斯壓力大，煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性大，在采掘活動(dòng)進(jìn)行前，需要采取區(qū)域消突措施來消除煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性。

煤礦瓦斯 瓦斯賦存 地質(zhì)構(gòu)造 瓦斯含量 煤與瓦斯突出

隨著礦井開采深度的增加，煤層地應(yīng)力增高、瓦斯含量和瓦斯壓力增大，再加上煤層透氣性低，瓦斯采前抽采困難，煤與瓦斯突出和爆炸災(zāi)害日趨嚴(yán)重，因此，準(zhǔn)確地了解礦井的瓦斯賦存規(guī)律對(duì)指導(dǎo)礦井的生產(chǎn)活動(dòng)有著十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 礦井概況

沈陽紅菱煤礦西三采區(qū)位于該礦西翼－780m水平，西起F59斷層、紅陽三礦風(fēng)井煤柱，東至F19斷層和F19－2斷層，北起煤層露頭，南至F58斷層，南北長(zhǎng)1.84km，東西寬1.08km，面積1.99km2。西三采區(qū)含煤地層為石炭、二疊系，地層共含14層煤，其中3＃煤、7＃煤和12＃煤為本區(qū)主要可采煤層。3＃煤層為單一薄煤層，平均厚0.93m，全區(qū)大部可采，3＃煤距7－1＃煤層平均間距為38.4m；7＃煤層是復(fù)合煤層，平均厚2.67 m，7＃煤層與12＃煤層平均間距為63.4m；12＃煤層為復(fù)合煤層，平均厚4.13m，12＃煤層底板即為13＃煤層頂板，13＃煤層由1～5個(gè)煤分層組成復(fù)合結(jié)構(gòu)煤層，厚度0.2～4.75m，平均厚2.02m，西三采區(qū)地層柱狀圖見圖1。

圖1 西三采區(qū)地層柱狀圖

2 區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造

2.1 褶曲

西三采區(qū)位于西大卜背斜傾伏端淺部，軸部東側(cè)，地層受軸向N35°～40°E、傾伏角3～7°的傾伏背斜控制，等高線呈不規(guī)則半環(huán)形，扇狀分布?？傮w為單斜構(gòu)造，而在單斜構(gòu)造內(nèi)有小型復(fù)式背向斜。

2.2 斷層

－780m水平共有5條斷層，F(xiàn)19為正斷層，走向N40°E，傾向SE，傾角80°，斷距15～130 m，延伸4.00km，3＃～13＃煤層范圍發(fā)育；F60為正斷層，走向N30°E，傾向NW，傾角80°，斷距0～52m，延伸0.60km，3?！?3＃煤層范圍發(fā)育；F59正斷層，走向N30°E，傾向SE，傾角45～80°，斷距0～12m，延伸1.6km，3＃、7＃煤層范圍發(fā)育；F58為正斷層，走向N60°W，傾向NE，傾角80°，斷距0～10m，延伸0.85km；F19－2正斷層，走向N40°W，傾向SE，傾角80°，斷距0～40m，延伸1.5km。

3 影響瓦斯賦存因素分析

煤層瓦斯含量受多種因素的制約，諸如煤質(zhì)、埋藏深度、構(gòu)造、煤的物理化學(xué)性質(zhì)以及煤層頂、底板巖性等，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。結(jié)合紅菱煤礦西三采區(qū)的地質(zhì)條件進(jìn)行分析，得出可能影響煤層瓦斯含量的因素。

3.1 煤層埋藏深度

埋藏深度是決定煤層瓦斯含量大小的重要因素。對(duì)同一煤田或煤層，在瓦斯風(fēng)化帶以下，煤層瓦斯壓力隨深度加大線性增加，故煤層瓦斯含量隨深度增加而增大，它反映了煤層瓦斯由深部向地表運(yùn)移的總規(guī)律，該規(guī)律已為大量生產(chǎn)和科研實(shí)踐所證實(shí)。

紅菱煤礦西三采區(qū)煤樣工業(yè)分析數(shù)據(jù)見表1，采用式（1）求得瓦斯含量X：

式中：V——單位質(zhì)量煤的空隙容積，m3／t；

p——煤層瓦斯壓力，MPa；

T0——標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的絕對(duì)溫度，K；

p0——標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的絕對(duì)壓力，MPa；ζ——瓦斯壓縮系數(shù)；

a——煤的極限瓦斯吸附量，m3／t；

b——瓦斯吸附常數(shù)，MPa－1；

t0——實(shí)驗(yàn)室測(cè)定煤吸附常數(shù)時(shí)的實(shí)驗(yàn)溫度，℃；

T——煤層溫度，℃；

A、W——分別為煤的灰分和水分，%。

計(jì)算出不同埋深情況下瓦斯含量值，見圖2。

圖2 西三采區(qū)瓦斯含量與埋深關(guān)系圖

由圖2可以看出，西三采區(qū)整體瓦斯含量很高，在標(biāo)高為575m時(shí)，瓦斯含量就達(dá)到了8.4 m3／t，且隨著標(biāo)高的加大，瓦斯含量不斷增大。但兩者并不是簡(jiǎn)單的線性關(guān)系，當(dāng)標(biāo)高相對(duì)較淺時(shí)，隨著深度的增加，瓦斯含量增加較快，當(dāng)標(biāo)高大于700m時(shí)，煤層瓦斯含量增加速度明顯變慢。煤層埋藏深度是影響瓦斯含量的主要控制因素。

表1 西三采區(qū)煤樣工業(yè)分析及瓦斯吸附參數(shù)試驗(yàn)測(cè)定結(jié)果

3.2 地質(zhì)構(gòu)造

地質(zhì)構(gòu)造是影響瓦斯存儲(chǔ)的重要條件之一。封閉型的地質(zhì)構(gòu)造有利于封存瓦斯，開放型的地質(zhì)構(gòu)造有利于排放瓦斯。紅菱煤礦西三采區(qū)12＃煤層作為主采煤層，由于受主干構(gòu)造影響，井田內(nèi)發(fā)育很多小斷層和小褶皺，斷層情況見表2，這些小構(gòu)造在局部上改變了煤層瓦斯含量，但是從整體上來看，對(duì)整個(gè)12＃煤層的瓦斯賦存影響不大。采區(qū)內(nèi)斷層落差較小（通常小于10m），斷層在走向延伸范圍和煤層相比也小的多，煤層連續(xù)性好，斷層達(dá)不到控制瓦斯賦存的作用。

3.3 煤層圍巖巖性特征

煤層圍巖對(duì)瓦斯賦存的影響，決定于它的隔氣、透氣性能。一般來說，當(dāng)煤層頂板巖性為致密完整的巖石，如泥巖、頁巖、油母頁巖時(shí)，煤層中的瓦斯容易被保存下來；頂板為多孔隙或脆性裂隙發(fā)育的巖石，如礫巖、砂巖時(shí)，瓦斯就容易逸散。紅菱煤礦西三采區(qū)12＃煤層頂板為海相泥巖，厚達(dá)8～15m，原生節(jié)理不發(fā)育，屬于低透氣性巖層，因此12＃煤層瓦斯含量高，儲(chǔ)存條件好。

表2 西三采區(qū)斷層情況表

3.4 巖漿巖

巖漿侵入到煤層里面時(shí)，在接觸變質(zhì)和區(qū)域熱力變質(zhì)作用下，煤的分子組成發(fā)生變化，芳香族稠環(huán)的縮合程度迅速提高，烷基側(cè)鏈及含氧官能團(tuán)脫落分解，煤的揮發(fā)份降低，某礦火成巖侵入與揮發(fā)分變化關(guān)系如圖3所示，侵入作用使煤體的鏡質(zhì)體反射率提高，變質(zhì)程度增大。當(dāng)巖漿順煤層侵入時(shí)，大量的熱能與接觸變質(zhì)作用使煤層容易形成天然焦、天然半焦、超無煙煤；按變質(zhì)程度深淺可以劃分出若干個(gè)帶，排列順序由近至遠(yuǎn)依次為：天然焦、無煙煤及其他接觸變質(zhì)煤、正常煤。煤質(zhì)與成巖體大小及其間的巖層厚度有關(guān)，它們決定著煤層接觸變質(zhì)程度和分布范圍，火成巖侵入地層后，在高溫烘烤和擠壓應(yīng)力作用下，煤體結(jié)構(gòu)和煤的孔隙發(fā)育特征發(fā)生了極大的改變，主要表現(xiàn)為煤體力學(xué)強(qiáng)度降低，由正常煤變?yōu)椤皹?gòu)造煤”。煤層的突出指標(biāo)瓦斯放散初速度Δp增加，煤體堅(jiān)固性系數(shù)f值降低。

通過對(duì)西三采區(qū)的試樣研究發(fā)現(xiàn)，在探查鉆孔范圍內(nèi)，7＃煤層全部被火成巖侵蝕，受火成巖影響附近煤層變質(zhì)為天然焦。巖漿通過F19斷層侵入到煤系地層，12＃煤層受火成巖侵入影響較大，12－1＃煤層火成巖侵入面積占總面積的29%，造成12＃煤層構(gòu)造煤發(fā)育。正常煤體與受火成巖侵入的煤體的突出參數(shù)對(duì)比見表3。

圖3 巖床厚度、煤層巖床間距與揮發(fā)分變化關(guān)系圖

表3 巖漿侵入?yún)^(qū)與正常區(qū)Δp和f值比照表

4 結(jié)論和建議

（1）紅菱煤礦西三采區(qū)瓦斯賦存主要受煤層埋藏深度的控制，瓦斯含量整體上較規(guī)律，煤層埋藏深度是瓦斯含量的主要控制因素，隨著深度的增加，瓦斯含量逐步增大。

（2）西三采區(qū)12＃煤層瓦斯含量高，煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性大，在進(jìn)行采掘之前，一定要采取局部瓦斯治理技術(shù)，建議采用開采上保護(hù)層，附加穿層鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯技術(shù)來消除12＃煤層的瓦斯突出危險(xiǎn)性，只有在瓦斯含量、瓦斯壓力下降到突出臨界指標(biāo)以下才可以進(jìn)行采掘活動(dòng)。

（3）西三采區(qū)地質(zhì)構(gòu)造較為簡(jiǎn)單，其對(duì)瓦斯含量的控制作用較弱；但是，紅菱煤礦為突出礦井，整體地應(yīng)力高，瓦斯含量大，突出危險(xiǎn)性大，在礦井136次的突出中，發(fā)生在地質(zhì)構(gòu)造周圍的占43%，因此，在地質(zhì)構(gòu)造附近需要加強(qiáng)對(duì)瓦斯的監(jiān)控預(yù)測(cè)，以保證煤礦的安全生產(chǎn)。

（4）巖漿巖的侵入造成了瓦斯含量的局部性增大，對(duì)受到巖漿巖侵入的煤體，加強(qiáng)對(duì)其瓦斯突出預(yù)測(cè)指標(biāo)的監(jiān)測(cè)，以防止煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性事故的發(fā)生。

［1］ 程遠(yuǎn)平，付建華，俞啟香.中國(guó)煤礦瓦斯抽采技術(shù)的發(fā)展［J］.采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2009（2）

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［5］ 楊躍奎，程遠(yuǎn)平.淮北孩孜礦中組煤層瓦斯賦存地質(zhì)因素研究［J］.煤礦安全，2011（4）

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Study on gas occurrence law in No.12 coal seam of 3rd mining area in western of Hongling Coal Mine and its control factors

L
i Haoran，Cheng Yuanping，Guo Xiaoyu
（School of Safety Engineering，China University of Mining and Technology，Xuzhou，Jiangsu 221116，China）

The relationship between gas content and burial depth in No.12coal seam of 3rd western mining area of Hongling coal mine was analyzed，and the factors influencing gas content were studied，including the geological structure，the characteristics of surrounding rocks and magmatic intrusion，providing a reliable data for the gas control.The results showed that the gas content is mainly affected by the burial depth，and the simple geological structure has a slight role on the gas content.The gas content would increase in the local seams where the magma invaded.In addition，the high gas content and pressure easily causes the coal and gas outburst in the 3rd mining area，so some corresponding measures must be taken to eliminate the outburst risk before mining.

gas occurrence of coal mine，geological structure，gas content in coal seams，coal and gas outburst

TD712.2

A

李浩然（1987－），男，遼寧葫蘆島人，碩士研究生，主要從事煤礦瓦斯防治的研究工作。

（責(zé)任編輯 梁子榮）