蒲 陽

(1.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國家重點實驗室；2.中煤科工集團重慶研究院有限公司)

新景礦3#煤層瓦斯賦存規(guī)律分析*

蒲 陽1,2

(1.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國家重點實驗室；2.中煤科工集團重慶研究院有限公司)

從煤的變質(zhì)程度、埋藏深度、地質(zhì)構(gòu)造、煤厚及頂?shù)装鍡l件等主要影響因素入手，對新景礦3#煤層瓦斯賦存規(guī)律進行了分析，發(fā)現(xiàn)煤體變質(zhì)程度是影響瓦斯賦存水平的內(nèi)在原因，埋藏深度控制著煤層瓦斯賦存整體水平，地質(zhì)構(gòu)造主要影響局部瓦斯賦存。結(jié)論對于礦井瓦斯治理具有一定的指導意義。

瓦斯含量 瓦斯賦存 變質(zhì)程度 埋藏深度 地質(zhì)構(gòu)造

新景礦位于山西省陽泉市西北部，礦井始建于1990年，2008年核定生產(chǎn)能力為750萬t/a。3#煤層為主采煤層，該煤層自建井至今共發(fā)生突(噴)出200余次，經(jīng)煤炭科學研究總院撫順分院鑒定為突出煤層，在新景礦現(xiàn)有的防突技術(shù)條件下，要使防突工作有所突破，必須對煤層瓦斯賦存規(guī)律進行深入分析，使得瓦斯防治工作更具針對性與目的性。

1 煤的變質(zhì)程度對瓦斯賦存的影響

首先，煤的變質(zhì)程度決定了原始瓦斯生成量的大小。根據(jù)前蘇聯(lián)學者光茨洛夫的研究成果：古代植物每變質(zhì)生成1 t褐煤可產(chǎn)生68 m3甲烷，長煙煤168 m3甲烷，氣煤212 m3甲烷，肥煤229 m3甲烷，焦煤270 m3甲烷，直到無煙煤產(chǎn)生419 m3甲烷[1]，可見煤的變質(zhì)程度越高，煤層原始瓦斯生成量越高，盡管絕大部分原始瓦斯已經(jīng)在漫長的成煤年代中逸散進入圍巖或大氣中，但在同樣的瓦斯賦存條件下，原始瓦斯生成量從根本上決定了煤層總體瓦斯含量的大小。其次，煤的變質(zhì)程度決定煤體本身對瓦斯吸附能力的大小。煤的變質(zhì)程度越高，煤體內(nèi)部因干餾作用而產(chǎn)生微孔隙越多，而煤對瓦斯的儲集能力與煤的孔隙密切相關(guān)，孔體積和比表面積越大，煤儲集氣的能力越強[2]。新景礦3#煤層為變質(zhì)程度較高的無煙煤，從理論上講，煤體本身應(yīng)具有較高的瓦斯含量與較強的瓦斯吸附能力。

由新景礦地勘成果來看，現(xiàn)有的31組地勘鉆孔瓦斯含量值中有18組超過20 m3/t，其中3-148#鉆孔瓦斯含量更是達到30.71 m3/t；由井下實測原始瓦斯含量值來看，近半年來3#煤層各主要掘進工作面區(qū)域預測瓦斯含量值普遍偏高，超過一半實測瓦斯含量值都大于臨界值8 m3/t，最大值超過20 m3/t。

為了進一步驗證3#煤層的瓦斯吸附能力，特在井下不同采區(qū)采集3份煤樣，測定表征煤體瓦斯吸附能力大小的重要參數(shù)——吸附常數(shù)a，實驗溫度為30 ℃，測定儀器為HCA-1型高壓容量法瓦斯吸附裝置。測定結(jié)果顯示，3#煤層吸附常數(shù)a為33.265 8～36.579 4 cm3/g，平均為34.825 3 cm3/g，吸附常數(shù)a偏大，說明3#煤層具有較強的瓦斯吸附能力。

綜上所述，理論分析結(jié)果與現(xiàn)場實測及實驗數(shù)據(jù)相互印證，說明煤的變質(zhì)程度控制著3#煤層瓦斯含量整體水平，是決定煤層瓦斯賦存量大小的內(nèi)在原因。

2 埋藏深度對瓦斯賦存的影響

煤層埋藏深度對瓦斯賦存造成最直接的影響，埋深的增加不僅因地應(yīng)力增高而使煤層及圍巖的透氣性變差，而且瓦斯向地表運移的距離也增長，二者都有利于封存瓦斯[3-4]。新景礦井田范圍內(nèi)3#煤層無露頭，煤層埋深均在300 m以上，大部分煤層埋深處于500～700 m，不存在煤層風化帶和氧化帶，圖1為煤層埋藏深度與原始瓦斯含量的擬合關(guān)系。可以看出，兩者呈高度正相關(guān)關(guān)系，表明埋藏深度對煤層瓦斯含量影響較大。

通過對3#煤層歷年瓦斯突(噴)出事故進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)隨著埋深的增加，瓦斯突(噴)出發(fā)生時的平均瓦斯涌出量和最大瓦斯涌出量隨之增大(見圖2)，而且，井下生產(chǎn)實踐也表明，當采掘活動逐漸向煤層埋深較大的井田西部轉(zhuǎn)移時，實測原始瓦斯含量也隨之增大，瓦斯動力現(xiàn)象更加嚴重。由此更進一步說明埋藏深度控制著煤層瓦斯含量總體水平，當埋藏深度增大時，煤層瓦斯含量整體水平隨之增大。

圖1 3#煤層瓦斯含量與埋深關(guān)系

圖2 歷年突(噴)出瓦斯涌出量與埋深統(tǒng)計關(guān)系

3 地質(zhì)構(gòu)造對瓦斯賦存的影響

新景礦所屬的陽泉礦區(qū)位于沁水盆地東北緣，太行隆起的中段西側(cè)，受東部太行和北部五臺的隆起影響，形成一個東北高而西南低、沿北西走向往南西傾斜的大單斜構(gòu)造，新景井田位于該大單斜構(gòu)造的西部，井田內(nèi)次一級的褶曲構(gòu)造比較發(fā)育，這些不同形態(tài)、不同組合的褶曲群構(gòu)成了礦井構(gòu)造的主體，

井田內(nèi)大斷層不太發(fā)育，大中型斷層極少，絕大多數(shù)均屬落差小于5 m的層間小斷層，一般成群出現(xiàn)，均為在褶曲形成過程中由層間滑動生成的。此外，井田范圍內(nèi)陷落柱構(gòu)造也比較發(fā)育，目前3#煤層已采區(qū)已揭露陷落柱70余個，平面形態(tài)多呈橢圓形或圓形，總體形態(tài)多呈群帶狀分布，群與群之間的間距一般多在800～1 000 m。

向斜軸部附近煤巖體由于受壓應(yīng)力作用，圍巖及煤層透氣性大大降低，阻止了瓦斯的逸散，所以較容易形成瓦斯積聚帶。新景礦井田內(nèi)斷層多為褶曲形成過程中的伴生構(gòu)造，屬水平受壓形成的封閉型斷裂構(gòu)造，水平構(gòu)造應(yīng)力使得斷層周圍煤體結(jié)構(gòu)遭到嚴重破壞，煤層透氣性降低，瓦斯運移通道受阻，造成大量瓦斯積聚。在陷落柱周圍煤體內(nèi)，可能存在應(yīng)力集中帶，有利于瓦斯的保存，也可能存在裂隙帶，有利于瓦斯的逸散，必須根據(jù)礦井地質(zhì)條件及采掘?qū)嵺`做具體分析。

從新景礦采掘工作面瓦斯監(jiān)測數(shù)據(jù)來看，在向斜或斷層影響范圍內(nèi)(一般不超過30 m)，瓦斯超限甚至噴出等動力現(xiàn)象頻繁發(fā)生(見圖3)；從歷年瓦斯動力現(xiàn)象記錄卡片來看，41.3%的突(噴)出事故地點受向斜或斷層構(gòu)造控制。以上2點現(xiàn)場實際情況均說明斷層或向斜影響范圍內(nèi)，瓦斯賦存存在異常。而在陷落柱周圍瓦斯涌出未見明顯異常，實測瓦斯含量也未呈現(xiàn)持續(xù)偏高或是偏低的普遍現(xiàn)象，也未發(fā)生過其他瓦斯動力現(xiàn)象，雖未見異常，但為了安全起見，仍建議礦井在過陷落柱期間嚴格執(zhí)行過構(gòu)造或石門揭煤防突措施。

圖3 地質(zhì)構(gòu)造對局部瓦斯賦存的影響

4 煤層厚度對瓦斯賦存的影響

瓦斯是成煤過程中的伴生氣體，所以煤層厚度與瓦斯生成量的大小密切相關(guān)。在同一成煤條件下，煤層厚度越大，瓦斯生成量越多，而且，瓦斯向頂?shù)装鍞U散路徑越長，阻力越大。因此，煤層厚度越大，越有利于煤層瓦斯保存。3#煤層位于山西組中部，山西組為三角洲平原沉積[5]，這種長期穩(wěn)定的沉積環(huán)境形成的3#煤層層位穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)類型簡單，煤層厚0.75～4.32 m，平均為2.33 m，傾角為5°～11°，局部地區(qū)煤層由于古河流沖刷變薄甚至尖滅，但影響范圍不大，總體而言，煤層東部較厚，西北部較薄，由東南往西北方向有逐漸變薄之勢，但由于煤層厚度變化幅度不大，還不足以對3#煤層整體瓦斯賦存造成顯著影響。

5 頂?shù)装鍡l件對瓦斯賦存的影響

煤層頂?shù)装鍡l件對瓦斯賦存起著最為直接的作用，煤層頂?shù)装鍘r性越致密，巖層透氣性越低，則越有利于保存瓦斯氣體。3#煤層為復合性頂板，主要由薄層的泥巖、砂質(zhì)泥巖、中-粗粒砂巖組合而成，泥巖厚0.15～0.20 m，砂質(zhì)泥巖厚3.2～7.2 m，平均為4.6 m，中—粗粒砂巖厚度較大，為4.4～11.2 m，平均為7.4 m；底板以砂質(zhì)泥巖、泥巖為主。頂?shù)装寰型笟庑暂^差的巖層，但是厚度不大，因此，頂?shù)装鍡l件對阻止煤層瓦斯向周圍巖體中擴散具有一定的作用，但不屬于影響煤層瓦斯賦存的決定性因素。

由于古河道的沖刷作用，在3#煤層頂板形成了數(shù)量較多的沖刷帶，主要分布在礦區(qū)的中部和南部地區(qū)，多呈NNE向和近南北向延伸條帶，寬度由幾十米到上百米，長度由幾百米到上千米不等。沖刷帶常造成煤層偽頂與直接頂消失，同時嚴重薄化煤層，引起煤層與瓦斯分布不均衡，破壞煤體結(jié)構(gòu)，同時由于頂板巖性與受力狀態(tài)的變化，極易在沖刷帶及其周圍區(qū)域形成瓦斯賦存異常帶。根據(jù)井下生產(chǎn)實際情況，當采掘工作面靠近沖刷帶時，容易出現(xiàn)瓦斯異?，F(xiàn)象，如歷年瓦斯噴出中有28次直接與沖刷帶相關(guān)，沿沖刷帶邊緣布置的蘆南二區(qū)北七切巷在掘進過程中實測瓦斯含量明顯偏高，且在打鉆過程中多次出現(xiàn)噴孔、卡鉆等動力現(xiàn)象。

6 結(jié) 論

新景礦3#煤層變質(zhì)程度較高，煤體本身具有較強的瓦斯生成能力與吸附能力，這是決定3#煤層整體瓦斯賦存水平偏高的內(nèi)在原因；煤層埋藏深度控制整體瓦斯含量水平，隨著埋深的增大，瓦斯含量呈線性增大趨勢；斷層、向斜構(gòu)造以及沖刷帶控制著局部瓦斯賦存，導致在局部地區(qū)形成瓦斯積聚帶。根據(jù)瓦斯賦存規(guī)律，為了提高防突措施效果，新景礦應(yīng)優(yōu)先開采底部15#煤層，以形成對3#煤層的卸壓保護作用，同時配合頂(底)板抽放措施，從根本上降低區(qū)域煤層瓦斯含量水平；在日常采掘作業(yè)中，應(yīng)強化地質(zhì)構(gòu)造預測預報，發(fā)現(xiàn)異常立即確認并處理，過構(gòu)造期間嚴格執(zhí)行專項防突措施，確保工作面作業(yè)安全。

[1] 張勁松,劉文波,曲曉明,等.淺析陽泉礦區(qū)3#煤層落煤殘存瓦斯含量與暴露時間的關(guān)系[J].煤礦安全,2008(10):86-88.

[2] 鐘玲文,張 慧,員爭榮，等.煤的比表面積孔體積及其對煤吸附能力的影響[J].煤田地質(zhì)與勘探,2002,30(3):26-28.

[3] 俞啟香.礦井瓦斯防治[M].徐州:中國礦業(yè)大學出版社,1992.

[4] 王恩營,任沁元.影響裴溝礦煤層瓦斯賦存規(guī)律的地質(zhì)因素分析[J].煤,2010,19(3):5-7.

[5] 焦希穎,王 一.陽泉礦區(qū)含煤地層沉積環(huán)境及其對煤層厚度分布控制[J].巖相古地理,1999,19(3):30-39.

*“十二五”國家科技支撐計劃項目(編號：2012BAK04B01)；中國煤炭科工集團有限公司科技創(chuàng)新基金項目(編號：2013ZD002)。

2014-08-13)

蒲 陽(1986—)，男，助理工程師，碩士，400037 重慶市沙坪壩區(qū)上橋三村55號。