孫章應(yīng) 楊 鍵 李炳玉

（山西潞安集團(tuán)余吾煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 長治 046103）

在礦井的安全生產(chǎn)過程中瓦斯的防治尤為重要。余吾煤業(yè)是高瓦斯礦井，在礦井生產(chǎn)過程中對(duì)瓦斯的預(yù)測與防治是煤礦安全生產(chǎn)的前提。對(duì)瓦斯賦存規(guī)律的研究是加強(qiáng)瓦斯防治的基礎(chǔ)，地質(zhì)構(gòu)造對(duì)瓦斯的形成和保存、運(yùn)移和富集有密切的關(guān)系[1]，為此需要對(duì)各種地質(zhì)因素進(jìn)行單獨(dú)分析。

曹佐勇等[2]研究表明，不滲透壓扭性逆斷層應(yīng)力場有利于瓦斯賦存，且煤層區(qū)域性瓦斯賦存明顯受到斷層控制。陳金濤等[3]研究表明，瓦斯突出的高發(fā)區(qū)一般在瓦斯含量高的構(gòu)造位置上。在余吾煤業(yè)范圍內(nèi)，局部煤層賦存較為復(fù)雜，小褶曲、小斷層等地質(zhì)構(gòu)造較多，因此研究地質(zhì)構(gòu)造對(duì)瓦斯賦存的影響，可以為局部瓦斯治理和預(yù)防瓦斯事故提供基礎(chǔ)依據(jù)。

1 礦井瓦斯地質(zhì)概況

余吾井田存在近南北向的逆斷層，為喜山期運(yùn)動(dòng)?xùn)|西向拉張形成的南北向裂陷。在裂隙作用下發(fā)育的正斷層走向?yàn)楸睎|東向，傾角較大，主要分布在井田南北邊界一帶，構(gòu)成井田南北邊界。井田還存在作為礦井北邊界的文王山南正斷層，作為礦井南邊界的西魏正斷層以及其附近東賈、F24、F25 正斷層。在余吾井田內(nèi)，逆斷層較為發(fā)育，總體構(gòu)造形態(tài)為走向北北東—南北向西緩傾的單斜，在井田北部發(fā)育有斷距小于20m 的小斷層群。受單斜的影響發(fā)育了比較單一的寬緩褶曲，其中貫穿全區(qū)的有5 條。由于單斜的作用，在井田范圍內(nèi)沿傾向發(fā)育有少量斷距大于20m 的斷層，其中余吾逆斷層斷距最大為66m。此外，通過鉆探和物探探明的陷落柱有6 個(gè)。基于余吾礦井的主要斷層、褶皺、陷落柱等地質(zhì)因素，結(jié)合關(guān)鍵地質(zhì)體的劃分原則，現(xiàn)將余吾礦井整體劃分為一個(gè)瓦斯地質(zhì)單元。

對(duì)開采過程中3#煤層的瓦斯壓力和瓦斯含量的值進(jìn)行了測試。井下實(shí)測地點(diǎn)瓦斯壓力為0.27~1.1MPa，瓦斯含量值為6.62~11.27m3/t，掘進(jìn)工作面相對(duì)瓦斯涌出量4.29~4.68m3/t，回采工作面相對(duì)瓦斯涌出量9.50~10.36m3/min，采空區(qū)相對(duì)瓦斯涌出量4.14~4.51m3/t，3#煤層相對(duì)瓦斯涌出量17.93~19.55m3/t。通過合理的計(jì)算方法得到煤層氣儲(chǔ)量為15731.65Mm3。余吾煤業(yè)屬于高瓦斯礦井。

2 礦井瓦斯賦存規(guī)律分析

2.1 區(qū)域構(gòu)造控制特征

華北盆地與其南北兩側(cè)的揚(yáng)子地塊及西伯利亞地塊之間的作用關(guān)系決定了潞安礦區(qū)的構(gòu)造演化及形態(tài)，以及礦區(qū)石炭、二疊紀(jì)煤層沉積格局及演化。晉獲斷裂帶對(duì)區(qū)域構(gòu)造起到主導(dǎo)作用，在區(qū)域控制作用下余吾煤業(yè)井田內(nèi)發(fā)育了走向?yàn)楸北睎|-南北向西緩傾的單斜。由此導(dǎo)致井田內(nèi)比較單一的寬緩褶曲，此外在走向和傾向上還發(fā)育了一定數(shù)量的斷層和陷落柱。區(qū)域構(gòu)造控制著余吾煤業(yè)公司區(qū)域瓦斯分布。

2.2 埋深對(duì)瓦斯賦存的影響分析

有相關(guān)的研究表明，瓦斯賦存的主要影響因素之一是埋深。具體表現(xiàn)為：對(duì)于埋深較淺的煤層，作用于煤層的上覆應(yīng)力較小，隨著時(shí)間的推移，在煤體中吸附的瓦斯易于解吸，此時(shí)煤體距離地表較近，瓦斯流通通道較好，瓦斯和空氣相互交換，使得煤體中的瓦斯壓力降低；隨著煤礦開采深度的增加，煤層上覆巖層的壓力變大，使得煤體壓密，瓦斯流通通道受阻，在壓力的作用下煤體的吸附能力加強(qiáng)，由此使得深部的瓦斯壓力較高。

統(tǒng)計(jì)分析了余吾礦不同深度瓦斯壓力數(shù)據(jù)，井田范圍內(nèi)3#煤層埋深150~587m，目前主開采工作面的埋深在500m 左右。通過擬合瓦斯壓力與埋深的關(guān)系可以看出，煤層瓦斯壓力與埋深線性相關(guān)，具有很高的相關(guān)性，故結(jié)合表1 可以得出，3#煤層隨著埋深的增加利于瓦斯賦存。根據(jù)圖1 擬合出來的關(guān)系式，對(duì)不同埋深的瓦斯壓力進(jìn)行了預(yù)測，與實(shí)測瓦斯壓力進(jìn)行了對(duì)比，進(jìn)行了誤差分析，誤差在可接受的范圍內(nèi)，由此通過擬合公式來預(yù)測余吾3#煤層的瓦斯壓力具有一定的合理性。

2.3 地質(zhì)構(gòu)造對(duì)瓦斯賦存的影響分析

（1）斷層對(duì)瓦斯賦存的影響

余吾礦井經(jīng)歷燕山運(yùn)動(dòng)和喜山運(yùn)動(dòng)，這兩次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)對(duì)礦井的地質(zhì)構(gòu)造產(chǎn)生重大的影響，產(chǎn)生了三種斷層組合。

由兩條產(chǎn)狀大致相同斷層組合而形成的階梯狀斷層組合（圖2），從斷層的剖面圖上可以得出斷層的上盤在同一個(gè)方向上呈階梯狀依次下降。處于斷層面的煤體在斷層的作用下處于拉伸狀態(tài)，導(dǎo)致兩側(cè)的煤體較為破碎，形成較高的構(gòu)造應(yīng)力，由此使得瓦斯壓力局部升高。

表1 3#煤層實(shí)際瓦斯壓力與預(yù)測值誤差

圖1 煤層瓦斯壓力與埋深關(guān)系圖

圖2 東賈正斷層、F24 階梯狀斷層組合

在余吾逆斷層和F2 斷層的作用下，夾在兩斷層的中間盤下沉，形成對(duì)沖逆斷層組合（圖3）。由于中間盤下層形成了封閉的環(huán)境，在斷層的作用下煤體較為松軟，兩端上升盤產(chǎn)狀發(fā)生急劇變化，煤層破壞嚴(yán)重，構(gòu)造煤發(fā)育明顯。這樣的斷層組合有利于瓦斯的富集，對(duì)瓦斯的賦存起到積極作用。

在余吾逆斷層和F7 逆斷層的作用下，二仙頭背斜兩邊盤沉降、中間盤上升形成背沖逆斷層組合（圖4）。這一斷層組合所形成的封閉環(huán)境，使得瓦斯不易于逸散。在逆斷層的作用下，與斷層接觸的煤體受到嚴(yán)重揉搓，導(dǎo)致煤體松軟；在中間盤的位置上構(gòu)造煤較為發(fā)育。這一斷層組合對(duì)于瓦斯的賦存起到積極的作用。

圖3 余吾逆斷層組成的對(duì)沖逆斷層

圖4 余吾逆斷層和F7 背沖斷層組合

（2）褶皺對(duì)瓦斯賦存的影響

在余吾逆斷層作用下，煤體產(chǎn)狀發(fā)生急劇變化，產(chǎn)生斷層相關(guān)褶皺（圖5）。這一褶皺以北北東-南北向?yàn)橹?，形成閉合而完整的背斜。在儲(chǔ)氣性能良好煤層頂板的覆蓋下，背斜軸部局部瓦斯壓力增高。在向斜的軸部，在構(gòu)造應(yīng)力作用下煤體較為致密，透氣性較差，是瓦斯的富集區(qū)[4]。在斷層作用下形成的相關(guān)褶皺對(duì)瓦斯的賦存起到積極作用。

圖5 余吾逆斷層引起的斷層相關(guān)褶皺

3 基于三維瓦斯地質(zhì)圖的瓦斯地質(zhì)規(guī)律分析

3.1 三維瓦斯地質(zhì)圖繪制

以余吾煤業(yè)1:5000 采掘平面圖為基礎(chǔ)，結(jié)合瓦斯壓力、瓦斯含量等值線，通過3DMine 礦業(yè)工程軟件繪制了余吾3 號(hào)煤層三維瓦斯地質(zhì)圖（圖6、圖7）。

圖6 瓦斯壓力三維效果圖

圖7 瓦斯含量三維效果圖

3.2 瓦斯賦存規(guī)律分析

在井田內(nèi)所有的斷層中，位于井田中部的余吾逆斷層最大斷距為66m，位于井田北部的斷層群斷距小于20m?，F(xiàn)場對(duì)余吾逆斷層附近的瓦斯壓力、瓦斯含量進(jìn)行了實(shí)測，最大瓦斯壓力為1.0MPa，最大瓦斯含量為11m3/min，再由此向外瓦斯壓力、瓦斯含量逐漸減小。對(duì)位于井田北部的斷層群的瓦斯壓力、瓦斯含量進(jìn)行了實(shí)測，最大瓦斯壓力為1.1MPa，最大瓦斯含量為11m3/min，再由此向外瓦斯壓力、瓦斯含量逐漸減小。

基于三維瓦斯地質(zhì)圖可以得出：

瓦斯壓力、瓦斯含量的變化趨勢大致相同，影響因素也較為一致，具有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，在瓦斯壓力高的區(qū)域瓦斯含量相對(duì)較高。

在大斷層附近的瓦斯壓力有降低的趨勢，在小斷層附近的瓦斯壓力有升高的趨勢。結(jié)合前文所述的斷層對(duì)瓦斯賦存規(guī)律影響的研究，這一結(jié)果產(chǎn)生的原因是：斷層的斷距過大，導(dǎo)致煤體的破裂程度加大，煤體結(jié)構(gòu)更加破碎，從而使得煤體的透氣性系數(shù)提高，瓦斯擴(kuò)散速度加快，導(dǎo)致的結(jié)果是在大斷層區(qū)域的瓦斯壓力減??；在小斷層區(qū)域周邊，由于斷層的存在及巖石的密封作用，局部瓦斯擴(kuò)散能力減弱，由此導(dǎo)致瓦斯的局部聚集，從而使得局部瓦斯壓力升高。余吾3#煤層埋深較深，在斷層附近構(gòu)成的封閉區(qū)間有利于瓦斯存儲(chǔ)，因此在斷層附近實(shí)施開采作業(yè)時(shí)，應(yīng)該加強(qiáng)管理，堅(jiān)持“先抽后采”、“監(jiān)測監(jiān)控”、“以風(fēng)定產(chǎn)”的技術(shù)管理措施。

在背斜軸部，由于煤體受拉應(yīng)力的作用而破裂，導(dǎo)致煤體間的間隙增大，從而使得瓦斯易于擴(kuò)散，由此在背斜的軸部出現(xiàn)瓦斯壓力低于背斜兩翼。在向斜軸部，由于受到擠壓應(yīng)力的作用，此區(qū)域的煤體局部壓縮，導(dǎo)致煤粒之間的間隙減小，瓦斯的逸散難度增加，使得瓦斯局部聚集，從而導(dǎo)致在向斜軸部瓦斯壓力大于兩翼。在開采煤層的過程中，尤其是過向斜軸部時(shí)，應(yīng)特別注意瓦斯涌出的急劇增加，在瓦斯治理方面應(yīng)采取綜合治理的防治措施。

從三維瓦斯地質(zhì)圖中可以得出，在煤層埋深淺的區(qū)域，瓦斯壓力、瓦斯含量較煤層埋深的區(qū)域小。造成這一現(xiàn)象的原因是：在煤層埋深區(qū)域瓦斯補(bǔ)償較多，且煤層離地表較遠(yuǎn)，瓦斯的逸散受阻，由此導(dǎo)致瓦斯聚集，瓦斯壓力增大。

綜上分析，余吾3#煤層可以劃分為一個(gè)瓦斯地質(zhì)單元。埋深是礦井瓦斯賦存的主要影響因素，井田內(nèi)的斷層、褶曲只是在局部區(qū)域?qū)ΦV井的瓦斯賦存產(chǎn)生較小的影響。

4 結(jié)論

對(duì)余吾3#煤層區(qū)域構(gòu)造控制作用進(jìn)行了研究，結(jié)合煤層三維瓦斯地質(zhì)圖，分析了斷層、褶曲、埋深對(duì)瓦斯賦存的影響規(guī)律，主要有以下結(jié)論：

（1）在地質(zhì)構(gòu)造作用下形成的三種斷層組合（階梯狀斷層組合、對(duì)沖逆斷層組合以及背沖逆斷層組合）使得局部瓦斯聚集，瓦斯壓力升高。

（2）余吾逆斷層影響形成的褶曲周圍的煤體較為破碎，構(gòu)造煤發(fā)育，密封性較好，對(duì)瓦斯賦存起到積極的作用，導(dǎo)致局部瓦斯壓力增大。

（3）由三維瓦斯地質(zhì)圖分析，瓦斯壓力和瓦斯含量的變化趨勢相同。在大斷層附近，瓦斯壓力、瓦斯含量降低；在小斷層附近，二者的數(shù)值增大，有利于瓦斯的積聚；在向斜的軸部二者的數(shù)值增大，有利于瓦斯的賦存，在背斜的軸部二者的數(shù)值減小。埋深是煤層瓦斯賦存的主控因素，隨著埋深的增加，瓦斯壓力和瓦斯含量的值增大。