高啟林，周澤，周曉剛

(1.開灤(集團)有限責任公司唐山礦業(yè)分公司，河北唐山063000;2.中國礦業(yè)大學資源與地球科學學院，江蘇徐州221116)

煤礦瓦斯突出問題是困擾礦井生產的難題之一［1－5］。唐山煤礦屬多煤層開采，生產作業(yè)區(qū)域廣，構造形式多樣，瓦斯涌出量因區(qū)域、構造部位及煤層的不同而有所差異。該礦在井下掘進、生產過程中，存在瓦斯異常涌出現(xiàn)象，隨著開采深度的增大，瓦斯異?，F(xiàn)象越來越突出，給礦井安全生產帶來隱患。分析瓦斯地質因素、總結瓦斯涌出規(guī)律及預測未開采區(qū)域瓦斯涌出量，是制定有效預防措施的必要前提，對預測下一開采水平的瓦斯分布特征、瓦斯涌出量及瓦斯突出危險性均有重要意義［5－6］。因此，筆者根據(jù)唐山煤礦地質背景，分析構造、埋深及地應力與瓦斯涌出量的關系，并預測瓦斯涌出情況，以期為煤礦安全生產提供參考。

1 地質背景

1.1 構造特征

唐山煤礦地層走向為NE—SW，主要構造絕大部分平行于地層走向(圖1)。構造極為復雜，由北向南依次排列著FⅠ、FⅡ、FⅢ、FⅣ、FⅤ等主斷層，其中，南部邊界斷層FⅤ規(guī)模最大。褶皺構造發(fā)育，除東部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造。

圖1 唐山煤礦礦井構造綱要Fig.1 Outline map of mine structures of Tangshan coal mine

1.2 含煤地層

唐山煤礦含煤地層主要分布在石炭系、二疊系，分別為下石盒子組(唐家莊組)、山西組(大苗莊組)、太原組上段(趙各莊組)、太原組下段(開平組)、本溪組(唐山組)，其中主要含煤地層集中分布在大苗莊組和趙各莊組。唐山煤礦可采煤層主要為5、6、8、9、11、12－1甲、12－1乙、12－2煤等八層煤，其中6、11、12－1甲、12－1乙、12－2煤層局部可采，5、8、9煤層為穩(wěn)定的中厚－特厚煤層，是唐山礦主采煤層，11、12－1甲、12－1乙、12－2煤層為趙各莊組煤層，其余均為大苗莊組煤層。

1.3 瓦斯含量

根據(jù)礦井瓦斯含量資料，分析近十年分別在8041工作面、7962工作面巷道，T2179、8242及7044 W巖巷處測算的8、9煤，5煤及12－1煤的煤層游離瓦斯質量體積(vy)和吸附瓦斯質量體積(vx)，并將此二者的和作為煤層瓦斯質量體積(v)，結果如表1所示。由表1可見，9煤瓦斯質量體積值最大，介于3.0～7.6 m3/t之間。在已采區(qū)域，其瓦斯質量體積相對較小，介于3.0～6.0 m3/t，－850 m以淺區(qū)域瓦斯質量體積梯度為1.8 m3/(t·hm)，深部有減小的趨勢，可達到0.25 m3/(t·hm)。對于未采區(qū)，瓦斯質量體積相對較大，接近煤層露頭的區(qū)域，最小值可達1.0 m3/t，在－1 100 m深度處，最大值可達7.8 m3/t。

表1 唐山煤礦各煤層瓦斯質量體積測算值Table 1 Coal seams gas content measures value in Tangshan coal mine

2 瓦斯涌出規(guī)律

2.1 瓦斯涌出特征

唐山煤礦自2002年以來均被鑒定為高瓦斯礦井。據(jù)唐山礦瓦斯分析報表，2010年回采工作面瓦斯涌出量占瓦斯涌出總量的41.77%，掘進工作面為4.05%，開拓工作面為0.69%，封閉的采空區(qū)占53.50%;2011回采工作面、掘進工作面、開拓工作面瓦斯涌出量分別占礦井瓦斯涌出總量的46.32%、20.73%、0.72%，封閉采空區(qū)的瓦斯涌出量占礦井瓦斯涌出總量的32.23%。瓦斯涌出來源主要以回采工作面及采空區(qū)為主，涌出形式為普通涌出。回采工作面瓦斯涌出量是礦井瓦斯涌出量的主要組成部分，現(xiàn)有開采煤層中，8、9煤層的涌出量較大，平均超過30%。按采區(qū)分析，鐵一、鐵二、鐵三三個主要采區(qū)瓦斯涌出量較大，超過60%。

近年來，隨著開采的推進，煤層埋藏深度增加，掘進工作面及回采工作面的瓦斯涌出量也明顯增加。從2005年至2011年，掘進工作面的瓦斯絕對涌出量呈增加的趨勢，最大值由2005年的1.30 m3/min，增加至2011年的1.90 m3/min;回采工作面相對瓦斯涌出量從2005年到2011年總體呈增大的趨勢，且接近斷層帶的回采工作面瓦斯涌出量增大明顯。

2.2 構造與瓦斯涌出量的關系

瓦斯涌出量明顯受構造控制，大構造帶附近瓦斯富集較多，涌出量為正常區(qū)域的2～10倍。瓦斯分布與褶皺、斷層的發(fā)育密切相關，當圍巖的封閉條件較好時，背斜往往有利于瓦斯的存儲，是良好的儲氣構造;當圍巖透氣性好的情況下，背斜中的瓦斯容易沿裂隙逸散［7］。斷層的類型和發(fā)育程度對瓦斯涌出的影響一般表現(xiàn)為，張性斷層有利于瓦斯的排放，壓性斷層對瓦斯的排放起阻礙作用［8－9］。

唐山煤礦9煤褶曲不同部位瓦斯涌出量的統(tǒng)計結果如表2所示。由表2可知，越接近背斜的核部，瓦斯涌出量越高。分析原因在于，唐山礦9煤頂板巖性封閉條件較好，背斜構造作用使之形成了一個聚氣構造，瓦斯涌出量在煤層褶曲核部有增大趨勢，但增大的趨勢不很明顯。

表2 唐山煤礦9煤褶曲不同部位的瓦斯涌出量Table 2 Gas emission rate in different parts of faults of 9thcoal seam in Tangshan coal mine

研究表明，唐山井田發(fā)育著許多NE—SW向壓扭性斷層，研究區(qū)內主要控制性斷層除FⅣ斷層是東正、西逆外，其余均是逆斷層和逆掩斷層。斷層附近的煤層呈擠壓狀態(tài)，局部煤層大幅增厚，有利于煤層瓦斯的富集。唐山礦9煤瓦斯相對涌出量與已發(fā)現(xiàn)小斷層的關系如圖2所示。分析顯示，在小斷層發(fā)育的北翼區(qū)，瓦斯涌出量出現(xiàn)高值，而在西翼區(qū)和鐵一區(qū)，小斷層雖然也發(fā)育，但相對瓦斯涌出量出現(xiàn)低值，即煤層瓦斯涌出量隨小斷層發(fā)育的復雜化而表現(xiàn)出增大趨勢。

圖2 唐山煤礦9煤瓦斯相對涌出量與小斷層關系Fig.2 Relationship between gas emission rate and small faults of 9thcoal seam in Tangshan coal mine

2.3 埋深、地應力與瓦斯涌出量的關系

由統(tǒng)計分析可知，隨著煤層埋深的增加瓦斯涌出量呈現(xiàn)明顯的遞增規(guī)律，同時，瓦斯涌出量也與地應力密切相關［10－13］。唐山煤礦地應力場總體上為構造應力場型，即最大主應力在近水平方向，最大水平主應力總體為偏北東南西向;地質構造明顯地影響巖體初始應力狀態(tài)的分布。

就礦區(qū)鐵一區(qū)而言，最大主應力等值線總體上呈北東—南西向延伸，靠近向斜核部略有偏轉。在該區(qū)東北部最大主應力增大的部位，對應瓦斯涌出量有增大的趨勢，出現(xiàn)異常增大現(xiàn)象，絕對瓦斯涌出量值達到7.30 m3/min甚至更大。鐵三區(qū)水平最大主應力的方向性更為明顯，呈北東—南西向展布，絕對瓦斯涌出量等值線展布方向和水平最大主應力的展布方向近于一致，但瓦斯涌出量變化趨勢與應力值變化關系不明顯。

3 瓦斯涌出量預測

3.1 地質統(tǒng)計法

地質統(tǒng)計法是目前運用最廣的瓦斯預測方法之一，實質是，根據(jù)本井田或鄰近井田的實際瓦斯涌出量得出礦井瓦斯涌出量與煤層埋深的關系，從而預測新井田延伸水平的瓦斯涌出量。筆者基于歷年來唐山煤礦各煤層通風月報、旬報、年報以及歷年瓦斯鑒定報告，對全礦各煤層瓦斯絕對涌出量進行統(tǒng)計分析。由于8煤和9煤煤層間距較小，在礦井范圍內的大部分區(qū)域出現(xiàn)煤層合并現(xiàn)象，兩煤層在煤層頂?shù)装鍘r性、埋深、構造發(fā)育程度等方面也都有極大的相似之處，因此，選取兩者回采工作面的43個點進行絕對瓦斯涌出量與煤層埋深關系的回歸分析，如圖3所示。結果顯示，瓦斯涌出量與煤層埋深存在明顯的線性關系，擬合程度較高，達到0.8以上，絕對瓦斯涌出量隨著埋深的增大而增大，變化梯度為1.35 m3/(min·hm)。

圖3 唐山煤礦8、9煤層瓦斯涌出量與煤層埋深回歸分析Fig.3 Regression analysis of 8th、9thcoal seam depth and gas emission rate in Tangshan coal mine

3.2 分源預測法

3.2.1 預測原理

分源預測法預測礦井、采區(qū)、回采面和掘進工作面等的瓦斯涌出量，實質是根據(jù)礦井生產過程中瓦斯涌出源的數(shù)量及各個涌出源的瓦斯涌出量來預測的，而各個瓦斯涌出源瓦斯涌出量是以瓦斯涌出規(guī)律、煤層瓦斯含量及煤層開采技術條件為基礎計算的［14－16］。根據(jù)AQ1018—2006《礦井瓦斯涌出量預測方法》，以及唐山煤礦的地質情況，采用分源預測法對唐山煤礦8、9煤回采工作面瓦斯涌出量進行預測。

回采工作面瓦斯涌出量預測值用相對瓦斯涌出量(vr)表達，即開采層(包括圍巖)相對瓦斯涌出量(vr1)與鄰近層相對瓦斯涌出量(vr2)之和，計算式為

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);

k3——準備巷道預排瓦斯對工作面煤體瓦斯涌出影響系數(shù);

v0——煤層原始瓦斯量，m3/t;

v1——煤的殘存瓦斯量，m3/t。

di——第i個鄰近層厚度，m;

d'——開采層的開采厚度，m;k'i——取決于層間距離的第i鄰近層瓦斯排放率;v0i——第i鄰近層原始瓦斯量，m3/t。

3.2.2 預測結果

利用分源預測理論，綜合考慮礦井回采面、鄰近層瓦斯涌出量預測結果，對不同瓦斯含量下的相對瓦斯涌出量進行預測，得出8、9煤開采層不同瓦斯含量下的相對瓦斯涌出量，如表3所示。由于8、9煤存在煤層合并區(qū)，合區(qū)與其他非合并區(qū)域在煤層厚度、煤層層間距等方面都存在相對較大差異，所以在進行鄰近煤層瓦斯涌出量預測時，將8、9煤分別分為上巷、下巷、岳胥區(qū)和8、9煤合并區(qū)四個區(qū)域進行計算，得出了8、9煤鄰近煤層瓦斯涌出量，如表4所示。結果顯示，瓦斯涌出量隨煤層瓦斯含量增大而增大，并且呈明顯的正相關關系，不同煤層變化梯度不同，主要受煤層厚度、開采技術、與鄰近層的距離等因素控制。

表3 唐山煤礦8、9煤回采工作面瓦斯涌出預測結果Table 3 Working face gas emission rate forecasting results of 8th，9thcoal seam in Tangshan coal mine

表4 唐山煤礦8、9煤層各區(qū)鄰近煤層瓦斯含量對應回采工作面瓦斯涌出量Table 4 Adjacent coal seam gas content corresponding to mining working face gas emission rate of 8th，9th coal seam mine

4 結論

(1)唐山煤礦瓦斯涌出形式為普通涌出，瓦斯涌出來源主要為煤層瓦斯及采空區(qū)瓦斯?；夭晒ぷ髅嫱咚褂砍隽渴堑V井瓦斯涌出量的主要組成部分，其與煤層埋深及構造發(fā)育密切相關。

(2)唐山煤礦瓦斯涌出量隨埋深增大而增大;瓦斯涌出量明顯受構造控制，在大的構造附近瓦斯富集較多;同時瓦斯涌出量與現(xiàn)代地應力場存在非線性關系，其分布與最大主應力的分布狀態(tài)大體一致。

(3)地質統(tǒng)計法預測結果擬合度高達0.8以上，規(guī)律性明顯，絕對瓦斯涌出量隨著埋深的增大而增大，變化梯度為1.35 m3/(min·hm);分源預測法預測結果顯示，瓦斯涌出量隨煤層瓦斯量增大而增大，并且明顯呈正相關關系。

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