樊正興

(中煤科工集團 重慶研究院有限公司，重慶 400037)

煤層瓦斯的生成、賦存、運移和富集除了受其生成條件的影響，更重要的是受地質構造的限制[1-2]。地塹是地殼上廣泛發(fā)育的一種地質構造，為兩側被高角度斷層圍限，中間下降的槽形斷塊構造。地塹構造實質為斷層組合構造，而斷層對煤層瓦斯生成、賦存、運移和富集有非常大的影響[3]。對于開采受地塹構造影響煤層的礦井，研究地塹構造對煤層瓦斯賦存規(guī)律的影響，有利于礦井對各個生產時期采掘工作面的瓦斯涌出量進行準確預測，為礦井科學地進行抽、掘、采接替部署提供依據，實現礦井安全、高效生產。

1 礦井地質概況

山西古城煤礦開采3號煤層，設計生產能力為8.00Mt/a。地勘鉆孔資料顯示，3號煤層瓦斯含量在3.28～22.49m3/t之間。3號煤層瓦斯含量高，瓦斯成為制約礦井安全、高效生產的主要因素。

如圖1所示，在井田中部，由安昌正斷層和中華正斷層圍限，兩條斷層之間的地層下降，形成了槽型斷塊，即地塹構造。礦井井田地質構造除安昌與中華斷層之間及其附近較為復雜外，其他絕大部分區(qū)域均屬簡單類?？傮w為NNE～NEE走向，傾向西、傾角4°左右的單斜構造，但波狀起伏普遍發(fā)育，并伴有寬緩褶曲，致使局部地層傾角達8°以上，斷層附近達25°左右，斷裂構造以北東東向張扭性斷裂為主。

圖1 井田構造綱要

1.1 安昌正斷層

據鄰近礦井勘探報告敘述，該斷層走向N56°E，傾向SE，傾角70°～80°。自東向西進入礦井勘探和開采區(qū)，區(qū)內該斷層走向N50°～60°E，傾向SE，傾角80°左右，斷距144～200m。

1.2 中華正斷層

據鄰近礦井詳查報告敘述，該斷層與北部安昌正斷層形成地塹，走向與安昌斷層大致平行，傾向NW，傾角80°，最大斷距185m。

礦井開采的3號煤層位于山西組下部，下距14號煤層87.08～128.66m，平均98.29m。煤層厚3.35(0907孔)～10.45(3301孔)m，平均厚6.27m，0907號鉆孔在安昌斷層附近，3301號鉆孔在二崗山北正斷層附近，因此煤層厚度變化較大。該煤層含泥巖、炭質泥巖夾矸0～2層，一般為1層，距底板約0.80m左右發(fā)育一層較為穩(wěn)定(平均厚度0.22m)。3號煤層變異系數Cr=0.14，屬穩(wěn)定性煤層。

2 地勘鉆孔瓦斯含量分析

地勘期間，礦井對井田范圍內3號煤層瓦斯含量進行了測定，但由于取樣過程中的煤樣采集深度、樣品質量、密封效果和含量測定方法等原因，并不是每個含量測值均是可靠的。在利用地勘瓦斯含量時，必須進行含量測值的可靠性評價[4-5]。

地勘瓦斯含量可靠性評價的原則如下：

(1)煤樣灰分含量不得超過40%，否則視為不可靠測值。

(2)煤樣現場瓦斯解吸測定后，必須密封裝罐，脫氣前不漏氣，否則視為不可靠測值。

(3)瓦斯帶中所取測定煤樣甲烷成分必須高于80%，否則視為不可靠測值。

(4)同一鉆孔的同一煤層有2個或2個以上的瓦斯含量測值，且均滿足條件(1)～(3)時，按最大測值確定煤層瓦斯含量。

(5)對于測定方法、瓦斯成分和試樣質量不詳的測值，按不合格測值考慮。

(6)地勘瓦斯含量測定時，如果推算出的取芯過程損失含量超過瓦斯含量測值的60%，說明提鉆時間過長，該測值僅具參考意義。

對地勘鉆孔3號煤層瓦斯含量經過可靠性評價以及煤層瓦斯含量換算(可燃基瓦斯含量換算成原煤瓦斯含量)后，結果如表1所示。

表1 地勘鉆孔瓦斯含量

3 瓦斯賦存地質單元分析

根據地勘成果，結合與礦方相關技術及管理人員的訪談以及現有開拓開采實際揭露煤層情況，分析井田地質情況如下：

(1)結合3號煤層構造綱要圖可知，井田在開采區(qū)域中部存在安昌斷層、中華斷層2條大斷層，并且在2條大斷層之間形成地塹。其中：安昌斷層斷距144～200m，傾角為80°左右，在區(qū)內延展長度為20km；中華斷層最大斷距185m，傾角為80°，在區(qū)內延展長度為17km。

(2)地勘期間測得地塹兩翼相近埋深處的煤層原煤瓦斯含量相差較大。如表2所示，埋深同為450m左右，地塹北翼709號鉆孔和南翼1001號鉆孔瓦斯含量相差大于5m3/t；埋深同為570m左右，地塹北翼911號鉆孔和南翼904號鉆孔瓦斯含量相差近3m3/t；埋深同為665m左右，地塹北翼711號鉆孔和南翼1205號鉆孔瓦斯含量相差大于4m3/t；埋深同為750m左右，地塹北翼1112號鉆孔和南翼1501號鉆孔瓦斯含量相差大于6m3/t。

表2 地塹兩翼相近埋深處煤層瓦斯含量對比

(3)地塹兩側3號煤層頂底板巖性有差異。如表3所示，在地塹北側，煤層頂板巖性多為砂質泥巖，底板巖性主要為砂質泥巖，局部為泥巖；而在地塹南側，煤層頂板巖性多為粉砂巖和細粒砂巖，底板巖性主要為泥巖、砂質泥巖，局部存在粉砂巖。地塹附近對比地勘鉆孔位置如圖2所示。

表3 地塹兩側相近鉆孔頂底板巖性對比

圖2 地塹附近對比地勘鉆孔位置

(4)通過對礦井開拓期間煤巷掘進工作面情況的調研、分析可知：礦井在地塹南、北兩翼，煤層頂底板巖性差別較大，相同埋深情況下煤層原煤瓦斯含量差別也較大，如表4所示。

綜上所述，該礦先期開采區(qū)域范圍內3號煤層在地塹以北和地塹以南瓦斯賦存差異較大，在研究3號煤層瓦斯賦存規(guī)律時，應將地塹以北和地塹以南分別作為一個地質單元[6～8]來考慮。因此，在分析煤層瓦斯賦存規(guī)律時，以地塹為界將井田劃分為兩個地質單元分別進行分析。

表4 地塹兩翼相近埋深煤巷掘進面瓦斯含量、涌出量對比

4 煤層瓦斯賦存規(guī)律研究

國內理論及實踐均證明[9-10]，礦井瓦斯含量測定中，地勘測定結果一般偏小，但它可以反映整個礦井瓦斯賦存趨勢。井下實測結果相對準確，但反映的是測試范圍局部的情況。因此，采用以地勘測定結果為基礎、以井下實測結果為依據，根據井下實測對地勘測定結果進行修正的方法確定礦井3號煤層的瓦斯含量。即采用井下實測與地勘測定結果比較，確定修正系數，對礦井地勘測定結果進行修正。

巷道掘進過程中，在地塹以北4個地勘鉆孔附近，所測瓦斯含量情況如表5所示。4個地勘鉆孔附近實測瓦斯含量與地勘瓦斯含量的平均比值約為1.25。因此，在井田內地塹以北區(qū)域，取瓦斯含量修正系數為K=1.25。在地塹以南4個地勘鉆孔附近，所測瓦斯含量情況如表6所示。4個地勘鉆孔附近實測瓦斯含量與地勘瓦斯含量的平均比值約為1.21。因此，在井田內地塹以南區(qū)域，取瓦斯含量修正系數為K=1.21。

表5 地塹以北地勘鉆孔附近巷道掘進過程中實測瓦斯含量

按上述修正系數對地勘瓦斯含量值進行修正后，考慮到地勘鉆孔瓦斯含量存在一些偶然性誤差，因此在煤層地質構造及賦存條件無較大變化情況下，對少數測定數據明顯不符合瓦斯賦存趨勢的測點進行剔除。經修正和剔除后，地塹以北和地塹以南的地勘瓦斯含量結果分別如表7、表8所示。

表6 地塹以南地勘鉆孔附近巷道掘進過程中實測瓦斯含量

表7 地塹以北地勘鉆孔瓦斯含量修正篩選結果

表8 地塹以南地勘鉆孔瓦斯含量修正篩選結果

在影響煤層瓦斯含量的眾多地質因素中，煤層埋深被認為是最具普遍性的因素之一[11-13]。一般情況下，出露地表的煤層其所含瓦斯容易逸出，而且空氣也向煤層滲透，因而煤層中含有CO2，N2等氣體，瓦斯含量少，隨著煤層埋藏深度的增加，甲烷所占比例增大，瓦斯含量增大。實踐表明，在甲烷帶，瓦斯含量、涌出量及瓦斯壓力都與煤層埋藏深度有一定的比例關系。

根據表7、表8中的數據，繪制3號煤層瓦斯含量隨埋深變化的擬合曲線，如圖3、圖4所示。從圖中可以看出，該礦在地塹以北區(qū)域和地塹以南區(qū)域3號煤層瓦斯含量均具有隨煤層埋藏深度增加而增加的趨勢，線性規(guī)律明顯。

圖3 地塹以北區(qū)域3號煤層瓦斯含量與埋深關系

圖4 地塹以南區(qū)域3號煤層瓦斯含量與埋深關系

在地塹以北區(qū)域和地塹以南區(qū)域，分別對3號煤層地勘瓦斯含量與埋深測值做回歸分析：

地塹以北區(qū)域瓦斯含量(W)與埋藏深度(H)，兩者之間具有如下形式的線性統(tǒng)計規(guī)律(相關系數R2=0.8553)：

W=0.0151H+5.0224

地塹以南區(qū)域瓦斯含量(W)與埋藏深度(H)，兩者之間具有如下形式的線性統(tǒng)計規(guī)律(相關系數R2=0.8751)：

W=0.0439H-14.163

式中，W為瓦斯含量，m3/t；H為埋藏深度，m(400m≤H≤800m)；R2為相關系數。

由回歸分析得到的瓦斯含量與埋深關系可以看出，在井田內地塹以北區(qū)域和地塹以南區(qū)域，3號煤層瓦斯含量均隨著埋深的增加而增加，具有明顯的線性規(guī)律。但是，受地塹構造的影響，地塹兩側3號煤層瓦斯含量與埋深的關系差異很大。在地塹以北區(qū)域，煤層埋深每增加100m，瓦斯含量提高1.51m3/t；在地塹以南區(qū)域，煤層埋深每增加100m，瓦斯含量提高4.39m3/t。地塹以南區(qū)域3號煤層瓦斯含量變化梯度明顯較地塹以北劇烈。

5 考察驗證

礦井在隨后的煤巷掘進過程中，每掘進50m對3號煤層瓦斯含量進行一次測定。地塹以北N1303工作面回風巷和地塹以南S1301工作面回風巷實測3號煤層瓦斯含量與前面經研究預測的3號煤層瓦斯含量對比情況如圖5、圖6所示。

圖5 N1303工作面回風巷實測與預測煤層瓦斯含量對比

圖6 S1301工作面回風巷實測與預測煤層瓦斯含量對比

由圖5、圖6可以看出，利用本次研究得到的瓦斯含量與埋深關系對3號煤層瓦斯含量進行預測，預測值與實測值誤差非常小。地塹以北區(qū)域的N1303工作面回風巷，在埋深為513m處，預測瓦斯含量與實測瓦斯含量偏差最大，預測瓦斯含量為12.77m3/t，實測瓦斯含量為12.19m3/t，偏差為0.58m3/t，誤差率為+5%，全巷道誤差率在-3%～+5%之間；地塹以南區(qū)域的S1301工作面回風巷，預測瓦斯含量與實際瓦斯含量的偏差為-0.54～0.44m3/t，誤差率為-4%～+3%，最大誤差率為-4%。可見本次研究得到的瓦斯賦存規(guī)律可用于該礦井瓦斯含量的預測。

6 結 論

通過分析古城煤礦的地塹構造特征和煤層賦存情況，采用現場實測和數學分析相結合的方法，研究了古城煤礦受地塹影響煤層的瓦斯賦存規(guī)律，得出以下結論：

(1)3號煤層在地塹以南和地塹以北區(qū)域分別屬于兩個不同的瓦斯地質單元，地塹以南和地塹以北區(qū)域3號煤層的瓦斯賦存規(guī)律應分別獨立研究。

(2)在地塹以北區(qū)域和地塹以南區(qū)域3號煤層瓦斯含量均具有隨煤層埋藏深度增加而增加的趨勢，線性規(guī)律明顯。地塹以北區(qū)域煤層瓦斯含量(W)與埋藏深度(H)，兩者之間線性統(tǒng)計規(guī)律為：W=0.0151H+5.0224；地塹以南區(qū)域煤層瓦斯含量(W)與埋藏深度(H)，兩者之間線性統(tǒng)計規(guī)律為：W=0.0439H-14.163。