王 凱

(陜西省一八五煤田地質(zhì)有限公司，陜西 榆林 719000)

0 引言

煤礦瓦斯常是礦井安全的隱患之一，影響著煤礦企業(yè)的生產(chǎn)。對于達(dá)到工業(yè)利用價值的瓦斯礦井，可以采取地面抽放的方式加以利用，從而減少井下瓦斯的涌出。而達(dá)不到工業(yè)利用價值的瓦斯礦井，預(yù)防煤與瓦斯涌出則是減少瓦斯所帶來的災(zāi)害的手段之一，而預(yù)測煤與瓦斯的涌出，有針對性的預(yù)防可以達(dá)到減少費(fèi)用，提前預(yù)防的目的。礦井瓦斯的分析研究同時也是地質(zhì)報告中重要的一個章節(jié)。瓦斯垂向散逸受圍巖封閉強(qiáng)弱影響，傳統(tǒng)研究常采用定性分析的方法，認(rèn)為致密性的巖層能夠封閉瓦斯，而孔隙率大的巖層不能夠封閉瓦斯，煤層瓦斯常通過此類巖層散逸。中國礦業(yè)大學(xué)教授秦勇認(rèn)為“泥巖屬于屏障層，泥巖由于其物質(zhì)成分、結(jié)構(gòu)構(gòu)造不同，封存瓦斯的能力存在差異”[1]。隨著瓦斯地質(zhì)進(jìn)一步研究，定性分析具有很大的局限性，如煤層瓦斯常能壓裂泥巖很薄而散逸，所以瓦斯的封閉與散逸不僅與煤層頂板的巖性有關(guān)，還與其厚度有關(guān)，因此從瓦斯地質(zhì)的角度對煤層瓦斯頂板圍巖封閉能力進(jìn)行定量化分析是必須的，也就是說采用封閉系數(shù)來定量研究生產(chǎn)礦井，對于在建新建礦井則采用封閉系數(shù)半定量研究。文中以小保當(dāng)2號在建礦井為例，用圍巖封蓋封閉系數(shù)定量分析瓦斯賦存情況。

1 煤層圍巖封閉層

圍巖封閉層包括區(qū)域性封閉層和圈閉封閉層。圈閉封閉層指的是礦井煤層頂板一定范圍內(nèi)的直接頂、老頂和底板在內(nèi)的有效厚度的巖層的組合；而區(qū)域性封閉層指此一定范圍和厚度以外的巖層組合。區(qū)域封蓋層是有效巖層范圍內(nèi)除煤層頂?shù)装逡酝獾膸r層組合，圈閉封蓋層指煤層頂?shù)装鍘r層。影響封閉層對瓦斯封閉能力的因素主要有煤層瓦斯壓力、排驅(qū)壓力、構(gòu)造發(fā)育程度、巖層傾角、封閉層的物性、封閉層的厚度、煤層賦存深度等，這些因素將直接控制著煤層不同塊段瓦斯縱向運(yùn)移能力。

1.1 有效封閉層的物性

有效封閉層指的是孔隙率粒徑細(xì)小的巖層，煤層形成的年代和環(huán)境的差異，使得封閉層也不同，陜北榆神府侏羅紀(jì)煤田的封閉層常為泥巖、炭質(zhì)泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖等細(xì)碎屑巖；石炭二疊紀(jì)煤田封閉層通常比較致密，常為一些灰?guī)r、泥灰?guī)r等。榆神府侏羅紀(jì)煤田煤層頂?shù)装鍘r性多為泥巖、粉砂巖、砂巖。泥巖、粉砂巖比較致密，封閉效果強(qiáng)于砂巖，砂巖封閉瓦斯的能力不及泥巖和粉砂巖。

在瓦斯垂向散逸的過程中，如果砂巖的成巖作用強(qiáng)，孔隙率小，韌性強(qiáng)，裂隙節(jié)理不發(fā)育，也可以達(dá)到封閉瓦斯的效果，部分瓦斯氣體吸附于砂巖顆粒，部分繞過顆粒通過顆粒間的間隙繼續(xù)向上散逸，隨著散逸的路徑延長，瓦斯的壓力逐漸減弱，煤系地層中頂?shù)装宓闹屑?xì)粒砂巖，一般都比較致密，膠結(jié)物多為泥質(zhì)，也能起到封閉煤層氣的作用。

1.2 有效封閉層的厚度

封閉層的有效性不僅與封閉層的巖性物理性質(zhì)有關(guān)，而且要有一定的厚度要求。即使是封閉效果比砂巖好的泥質(zhì)類巖石，其厚度如果很薄，在煤層氣高壓或突出時也容易產(chǎn)生一定的裂隙，從而為煤層氣的散逸提供了通道；而致密的砂巖，具有一定的厚度時同樣也能產(chǎn)生很好的封閉作用。中國礦業(yè)大學(xué)教授曾勇等研究認(rèn)為，諸多影響封閉效應(yīng)的因素中，以巖石類型、煤層頂?shù)装搴穸?、頂板?jié)理發(fā)育程度3個因素最重要[2]。同時同一煤層厚度的變化、不同部位瓦斯突出的強(qiáng)度不同，對有效封閉層的要求是不一樣的。

2 封閉系數(shù)

2.1 封閉系數(shù)的提出

為了定量地研究分析瓦斯賦存情況，對于不同厚度，有效范圍內(nèi)不同物性的頂?shù)装鍘r層的不同組合對煤層瓦斯封蓋能力差別較大。在此選用煤層頂板巖性、巖層厚度，調(diào)節(jié)系數(shù)3個指標(biāo)，用這3個指標(biāo)求出封閉系數(shù)來定量評價封閉性能。

封閉系數(shù)是指以煤層為參照層，疊加煤層頂?shù)装甯鱾€巖性巖層對煤層氣的封閉影響系數(shù)。計算公式是

K=∑mi×ki/hi

(1)

式中：K—封閉影響系數(shù)；mi—統(tǒng)計層段內(nèi)某巖層厚度；hi—某巖層校正后的底界至煤層頂板的距離；ki—某巖層厚度調(diào)整系數(shù)。

在利用公式1進(jìn)行計算時，首先對參與計算的各巖層進(jìn)行有效厚度的校正，以校正的厚度表示該巖層有效影響厚度，也就是把各巖層以泥巖作為統(tǒng)計標(biāo)準(zhǔn)巖層，轉(zhuǎn)化為系數(shù)為1.0的泥巖，其它巖層的厚度均以該巖層本身的厚度再乘以厚度調(diào)整系數(shù)求得。為了防止值出現(xiàn)不合理的異常，當(dāng)公式中mi<1.0時將其取值為1.0；煤層直接頂板為泥巖或炭質(zhì)泥巖時，hi取值1.0。

調(diào)整系數(shù)ki采用見表1。

表1 巖層厚度調(diào)整系數(shù)表

根據(jù)以往生產(chǎn)礦井研究煤層上下20 m范圍內(nèi)，封閉層的封閉系數(shù)與瓦斯涌出量之間擬合曲線有較好的相關(guān)性，呈正線性相關(guān)。用于文中采用的陜北侏羅紀(jì)煤田小保當(dāng)2號在建礦井的瓦斯預(yù)測，由于延安組各段大多數(shù)煤層間距≤20 m，為計算方便，簡化為煤層以上砂土層以下全部巖層參與計算。

2.2 封閉系數(shù)的現(xiàn)實意義

封閉系數(shù)綜合了煤層有效范圍內(nèi)的巖性、厚度對煤層瓦斯封閉的影響。其不僅強(qiáng)調(diào)煤層頂?shù)装鍘r性和厚度對瓦斯氣體的封閉作用，即泥巖等封閉性較好的巖層頂?shù)装褰y(tǒng)計值比較大；砂巖等封閉性較差的巖層頂?shù)装褰y(tǒng)計值就較??；同時不忽視薄的直接頂?shù)装逯匣蛑碌臄?shù)層巖層對煤層氣的封閉作用。利用上面公式對鉆孔資料中煤層頂?shù)装迳舷虏煌瑢佣蔚膸r性組合特征進(jìn)行統(tǒng)計，得出封閉系數(shù)值，依據(jù)此值可以查明頂?shù)装宥啻蠛穸鹊膸r層對煤層氣的含氣量影響較大。

3 應(yīng)用實例

陜北侏羅紀(jì)煤田小保當(dāng)2號井是在建的大型礦井。小保當(dāng)井田隸屬榆神三期規(guī)劃區(qū)，井田位于小保當(dāng)井田北部，榆神三期總體規(guī)劃區(qū)的東北部。小保當(dāng)2號井田規(guī)劃建設(shè)規(guī)模為1 300萬t/a，區(qū)內(nèi)主要可采煤層2-2(2-2上)、3-1、4-2(4-2下)、5-2(5-2上)、5-2下，結(jié)構(gòu)簡單～較簡單；厚度變化小，局部雖有變薄現(xiàn)象，但變化規(guī)律性明顯；煤類單一，以不粘煤為主，長焰煤次之；均屬穩(wěn)定煤層。除3-1煤層在井田西部沿西北方向由于沉積相變煤層變薄分布一條帶狀不可采區(qū)域外，其余煤層賦存區(qū)均為全區(qū)可采，為此井田內(nèi)煤層穩(wěn)定類型程度屬穩(wěn)定型。

區(qū)內(nèi)各煤層偽頂主要以≤0.5 m的泥巖、炭質(zhì)泥巖為主，直接頂以砂巖和粉砂巖為主；基本頂主要以位于直接頂之上厚度>3 m、節(jié)理和裂隙及層理不甚發(fā)育的較為均質(zhì)的整體砂巖和粉砂巖為主。直接頂以粉砂巖、細(xì)粒砂巖、中厚層泥巖為主。文中僅以2-2上(2-2)主采煤層進(jìn)行瓦斯賦存情況分析。

采用式1計算2-2上(2-2)煤層封閉系數(shù)見表2。

2-2上(2-2)封閉系數(shù)三維等值線圖如圖1所示。

由圖可以看出，2-2上(2-2)煤層在XE28孔、XE23、XE20及K3-1孔瓦斯封閉系數(shù)較大，向四周變小，最小封閉系數(shù)位于XE14孔，總體上區(qū)內(nèi)西南部封閉系數(shù)大，北東部封閉系數(shù)小，井田中部北東—西南方向系數(shù)小，兩側(cè)偏大且西北側(cè)大于東南側(cè)，西南部四角系數(shù)大，中間小。在封閉系數(shù)大的區(qū)域掘進(jìn)巷道或者回采需要注意該處的瓦斯富集及涌出量大的問題。

2號礦井是在建礦井，無法取得瓦斯涌出量實際值進(jìn)行驗證，但通過封閉系數(shù)三維等值線圖結(jié)合構(gòu)造、煤層厚度變化以及水文資料可以預(yù)測瓦斯的賦存情況，用以指導(dǎo)巷道的掘進(jìn)和煤層的回采。

表2 2-2上(2-2)煤層封閉系數(shù)統(tǒng)計表

圖1 2-2上(2-2)封閉系數(shù)三維等值線圖

4 結(jié)語

煤層瓦斯賦存與涌出量大小取決于頂?shù)装鍘r性、有效厚度以及煤系地層水文情況等外因，也與煤層厚度、煤變質(zhì)程度、煤層破碎及內(nèi)生裂隙等內(nèi)因有關(guān)。預(yù)測煤層瓦斯賦存情況考慮的因素越多，預(yù)測的越接近實際情況，但是考慮的因素越多情況越復(fù)雜，對于科技工作者來說難度不小，而應(yīng)用煤層頂?shù)装宸忾]系數(shù)對在建礦井瓦斯預(yù)測則變得輕松且易于掌握。文中以陜西省神府礦區(qū)侏羅紀(jì)煤田小保當(dāng)2號井田2-2上(2-2)煤層為例，進(jìn)行了瓦斯賦存情況預(yù)測，可供礦井巷道開拓和回采時參考。