文湖南省安全技術(shù)中心 李潤濤

嘉禾礦業(yè)公司蒲溪井瓦斯地質(zhì)規(guī)律分析

瓦斯是在成煤過程中形成的，是從煤層、圍巖、采空區(qū)以及生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的各種氣體的總稱。它的形成與成煤過程和成煤物質(zhì)有著密切的聯(lián)系，而成煤作用本身就是各種地質(zhì)作用的綜合結(jié)果，因此，瓦斯是地質(zhì)作用的產(chǎn)物，瓦斯的賦存和運移受各種地質(zhì)因素影響。準(zhǔn)確掌握瓦斯地質(zhì)規(guī)律，能夠為合理進(jìn)行礦井通風(fēng)設(shè)計、煤層氣資源開發(fā)利用和瓦斯綜合治理提供科學(xué)依據(jù)，有效指導(dǎo)礦井生產(chǎn)。本文以嘉禾礦業(yè)公司蒲溪井為例，運用板塊構(gòu)造理論和區(qū)域構(gòu)造演化理論，研究地質(zhì)構(gòu)造對礦井瓦斯賦存的影響，根據(jù)實際生產(chǎn)中所積累的瓦斯和地質(zhì)資料，研究礦井瓦斯分布規(guī)律和瓦斯涌出規(guī)律，根據(jù)瓦斯分布特征，更有針對性制訂瓦斯治理及施工措施。

嘉禾礦業(yè)有限公司浦溪井（簡稱浦溪井，下同）為一嚴(yán)重煤與瓦斯突出礦井，自投產(chǎn)以來，全礦井共發(fā)生煤與瓦斯突出事故105次，突出類型以壓出和傾出為主。最大一次突出，突出煤量為430t 、涌出瓦斯量為46000m3。隨著開采深度增加，突出頻率和突出強度都在不斷加大。礦方雖然進(jìn)行了大量的區(qū)域瓦斯防治工作，但從未開展過礦井區(qū)域瓦斯地質(zhì)規(guī)律的研究。目前，礦井已進(jìn)入深部的二水平開拓，瓦斯問題日益嚴(yán)重，要做到瓦斯抽采有的放矢，保證安全生產(chǎn)，就必須搞清楚瓦斯地質(zhì)規(guī)律主控因素及地質(zhì)規(guī)律。

礦井瓦斯地質(zhì)規(guī)律的影響因素

1.斷層、褶皺構(gòu)造對瓦斯賦存的影響

地質(zhì)構(gòu)造是影響瓦斯存儲最重要條件之一，封閉型地質(zhì)構(gòu)造有利于封存瓦斯，開放型地質(zhì)構(gòu)造有利于排放瓦斯，現(xiàn)分述如下。

（1）褶皺構(gòu)造

閉合而完整的背斜或窟窿又覆蓋不透氣的地層是良好的儲瓦斯構(gòu)造，在其軸部煤層內(nèi)往往積存高壓瓦斯，形成“氣頂”。在傾伏背斜的軸部，通常也比相同埋深的翼部瓦斯含量高。但是當(dāng)背斜軸的頂部巖層為透氣巖層或因張力形成連通地面的裂隙時，瓦斯會大量流失，軸部瓦斯含量反而比翼部小；向斜構(gòu)造一般軸部的瓦斯含量比翼部高，這是因為軸部巖層受到強力擠壓、圍巖的透氣性會變得更低，因此有利于在向斜的軸部地區(qū)封存較多的瓦斯。受構(gòu)造影響形成煤層局部變厚也會出現(xiàn)瓦斯富集現(xiàn)象。此外，由兩條封閉性斷層與致密巖層封閉的地壘或地塹構(gòu)造也容易致使聚集。

根據(jù)地勘資料，蒲溪井褶皺多發(fā)育于煤系地層中，出露頻繁幅度較大，伸延較長，對煤層賦存和煤層產(chǎn)狀均有一定的影響。從礦井構(gòu)造分布圖上得到，現(xiàn)有礦井范圍內(nèi)主要存在青石下背斜和下滿堂向斜。青石下背斜出露井田北部，長約2.5公里，軸向近南北，兩翼基本對稱，傾角25～40°，脊線常有起伏，褶皺幅度60～80米，往南至34線附近傾沒。青石下背斜軸部區(qū)域瓦斯易于聚集和保存，瓦斯含量會相對增大。下滿堂向斜位于井田北部，由黃牛嶺井田伸延，出露長約2公里，軸向呈南北向，北部略向東偏，兩翼對稱，傾角24～35°，褶皺幅度約40～80米，往北傾沒，往南在34線附件仰起而消失。下滿堂向斜區(qū)域易于瓦斯逸散，瓦斯含量偏低。

（2）斷層構(gòu)造

斷層對煤層瓦斯含量的影響比較復(fù)雜，一方面要看斷層帶的封閉性；另一方面還要看與煤層接觸的對盤巖層的透氣性。開放性斷層（一般是張性、張扭性或?qū)當(dāng)鄬樱┮话阌欣谕咚贯尫?。封閉性斷層（一般是壓性、壓扭性、不導(dǎo)水、現(xiàn)在仍受擠壓處于封閉的斷層）而且與煤層接觸的對盤巖層透氣性低時，可以阻止煤層瓦斯的排放，在這種條件下，煤層瓦斯較易富集。由于斷層集中應(yīng)力帶的影響，距斷層一定距離的巖層與煤層的透氣性因受擠壓而降低，故出現(xiàn)瓦斯含量增高區(qū)。根據(jù)地勘鉆孔資料顯示，井田斷裂不甚發(fā)育，已發(fā)現(xiàn)落差大于30米的斷裂8條，主要分布于井田兩份及南部。但在現(xiàn)有實際礦井范圍內(nèi)主要只有F63扭性正斷層：出露井田東翼中部，伸延約2公里，走向北偏西20°，傾向南西，傾角70°，落差東部較大達(dá)100米，往西變小至50～30米。在該斷層帶上，瓦斯逸散，瓦斯含量值偏低。

（3）陷落柱

瓦斯主要為熱成煤生成的烴（主要是甲烷），其大部分已運移出去，僅少部分通過范德華力被吸附在煤層基質(zhì)微孔隙內(nèi)表面，吸附量隨壓力增大而增大，隨溫度增高而減少。陷落柱在未發(fā)生之前，是一個相對比較封閉的系統(tǒng)，瓦斯隨地下水循環(huán)擴(kuò)散到外部空間的趨勢受到限制。陷落柱發(fā)生之后，瓦斯的封閉條件遭到破壞，破壞了煤儲層的內(nèi)、外邊界條件，使瓦斯的縱向運移條件變好，而且易造成煤中灰分和水分增大，使煤對瓦斯的吸附能力變?nèi)?，賦存條件變差，從而造成局部瓦斯含量降低。陷落柱周圍煤層裂隙發(fā)育，原始煤體的瓦斯加強解吸，由于陷落柱形成過程中，使陷落柱周圍的煤、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運移排放。尤其當(dāng)塌陷到地表，或產(chǎn)生與地表連通的裂隙，可造成煤層瓦斯與大氣的相互交換。同時，陷落柱的產(chǎn)生使地層壓力降低，吸附在煤層基質(zhì)微孔隙內(nèi)表面的氣很容易解吸，即造成陷落柱內(nèi)及其周圍的瓦斯解吸。在局部地質(zhì)構(gòu)造單元內(nèi)，陷落柱發(fā)育狀況成為煤層瓦斯含量最主要的控制因素。井田內(nèi)陷落柱不發(fā)育，對煤層瓦斯含量影響不大。

2.頂板巖性對瓦斯賦存的影響

煤層圍巖的透氣性好壞，直接影響著煤層瓦斯的賦存、運移或富集，透氣性好的砂巖頂板，有利于煤層瓦斯的逸散，煤層瓦斯含量相對較低，透氣性差的泥巖、砂質(zhì)泥巖頂板，對煤層瓦斯的逸散起阻礙作用，含量則相對較高。為探討蒲溪井V煤層圍巖對瓦斯含量的影響，統(tǒng)計鉆孔柱狀圖中煤層頂?shù)装迥鄮r厚度資料，繪制了煤層頂板泥巖厚度等值線圖，并回歸了其與瓦斯含量的關(guān)系（圖1）。

圖1 瓦斯含量與頂板圍巖厚度回歸趨勢線

由圖1，隨著頂板泥巖厚度的增加，瓦斯含量有呈增加的趨勢，但規(guī)律性很差。

3.煤厚對瓦斯賦存的影響

煤層是瓦斯的主要儲集層，通常情況下，煤層厚度是影響瓦斯含量和瓦斯涌出量的重要因素。為了研究煤厚對瓦斯的影響，統(tǒng)計了蒲溪井鉆孔煤厚資料，并繪制V煤層厚度等值線。結(jié)合瓦斯含量資料，回歸分析了瓦斯含量與煤厚的關(guān)系（圖2）。

圖2 瓦斯含量與煤層厚度回歸趨勢線

回歸方程：y=0.4962x+10.105 （R2=0.5917）

其中： y——瓦斯含量

x——煤層厚度

R——相關(guān)系數(shù)

從圖2及回歸方程可以看出，瓦斯含量有隨煤層厚度增加而增大的趨勢，但相關(guān)性一般。

4.煤層埋深對瓦斯賦存的影響

煤層埋藏深度是決定煤層瓦斯含量大小的主要因素。煤層的埋藏深度越深，煤層中的瓦斯向地表運移的距離就越長，散失就越困難；同時，深度的增加也使煤層在地應(yīng)力作用下降低了透氣性，有利于保存瓦斯；由于煤層瓦斯壓力增大，煤的吸附瓦斯量增加，也使煤層瓦斯含量增大。在甲烷帶內(nèi)，在不受地質(zhì)構(gòu)造影響的區(qū)域，當(dāng)深度不大時，煤層的瓦斯含量隨深度呈線性增加。

由于蒲溪井地形比較復(fù)雜，地勢起伏不平，最高點和最低點最大相差很大，研究煤層底板標(biāo)高和實際埋深對瓦斯含量的影響將有區(qū)別，因此分別討論。

通過繪制煤層埋深等值線，并篩選、統(tǒng)計了瓦斯含量與對應(yīng)煤層埋藏深度及底板標(biāo)高數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行線性回歸，分別得到趨勢線圖3、圖4。

圖3 瓦斯含量與煤層埋深回歸趨勢線

回歸方程：y=0.0374x—1.6972（R2=0.2229）

其中： y——瓦斯含量

x——煤層埋深

R——相關(guān)系數(shù)

從回歸方程可以看出，瓦斯含量隨煤層埋深增加而增大，相關(guān)性較差。瓦斯含量梯度為3.74m3/t/100m。

圖4 瓦斯含量與煤層底板標(biāo)高回歸趨勢線

回歸方程：y=-0.0808x+4.5379（R2=0.9338）

其中： y——瓦斯含量

x——底板等高線

R——相關(guān)系數(shù)

從回歸方程可以看出，瓦斯含量隨煤層底板標(biāo)高減小而增大，且相關(guān)性較好。瓦斯含量梯度為8.08m3/ t/100m。

煤與瓦斯突出主導(dǎo)因素分析

結(jié)合前述結(jié)論不難看出，礦井歷史絕大部分煤與瓦斯突出均發(fā)生在煤厚急劇變化的地方。下面給出煤厚等值線與突出多發(fā)區(qū)域?qū)φ請D5（紅色線條范圍內(nèi)為突出集中區(qū)域）。

圖5 煤厚等值線與突出區(qū)域?qū)φ請D

在研究區(qū)域構(gòu)造演化和構(gòu)造控制特征的基礎(chǔ)上，分析了褶曲、頂?shù)装鍘r性、煤厚、煤層埋深對井田瓦斯賦存的影響，并得到煤厚及煤層埋藏深度（煤層底板標(biāo)高）是控制瓦斯含量的主導(dǎo)因素，地質(zhì)構(gòu)造是煤與瓦斯突出的主控因素。

目前，蒲溪井已經(jīng)開始對二水平深部區(qū)域進(jìn)行開拓部署，隨著開采深度的增加，煤層瓦斯含量也隨之增大；該范圍內(nèi)V煤煤厚變化急劇，故屬于煤與瓦斯突出多發(fā)地帶；另煤厚和瓦斯含量之間也存在一定的規(guī)律性，即瓦斯含量隨煤厚增加而增大，故該范圍內(nèi)局部煤厚急劇增厚區(qū)域瓦斯含量也會急劇增大?？傊?，在進(jìn)入深部開采之后，瓦斯問題勢必更加嚴(yán)峻。建議在對二水平深部煤層進(jìn)行開采之前，要加強瓦斯抽采力度，規(guī)范瓦斯抽采管理；開采過程中，嚴(yán)格執(zhí)行兩個“四位一體”防突措施，并做好安全防護(hù)措施，保證安全生產(chǎn)?！?/p>