對西山礦區(qū)瓦斯地質(zhì)規(guī)律的分析

付君華，張志震

(西山煤電(集團(tuán))公司地質(zhì)處，山西 太原 030053)

1 礦井瓦斯賦存規(guī)律

1．1 概 況

相對涌出量隨開采深度增大而增大，以屯蘭井田近期內(nèi)開采的10個工作面回采地質(zhì)說明書中的瓦斯相對涌出量數(shù)據(jù)與埋深數(shù)據(jù)做成相關(guān)圖顯示其瓦斯梯度為32m/(m3/t)，其統(tǒng)計誤差為±5 m3/t，如屯蘭井田的以煤層埋深Hi/32即可得到本層煤的瓦斯相對涌出量數(shù)據(jù)來。需要說明的是，這僅僅是本層煤層的瓦斯相對涌出量，而且未考慮到構(gòu)造的影響，故而較粗，但也能反映出一個井田之內(nèi)的瓦斯賦存的大趨勢，如屯蘭井田2#煤層的瓦斯相對涌出量自北東向南西呈遞增規(guī)律，與埋深加大呈正相關(guān)。而杜兒坪井田瓦斯梯度平均為50 m/(m3/t)，但局部地段梯度變化較大，如北三采區(qū)62314面與北五采區(qū)62508面之間的瓦斯梯度為14 m/(m3/t)，其間瓦斯遞變的明顯。

據(jù)2007年《官地礦生產(chǎn)地質(zhì)報告》各主采煤層瓦斯地質(zhì)圖分析顯示出這樣的規(guī)律：官地井田從6#煤到8#、9#煤層的鉆孔瓦斯含量均呈現(xiàn)出自東向西隨埋藏深度加大的趨勢，3層煤鉆孔瓦斯含量之最高值均位于井田最西部，分別為官15孔(6#煤25 m3/t)、官9孔(8#煤12 m3/t)和官4孔(9#煤8 m3/t)，自西向東排列于井田西部。

一般來說同一處地點埋藏越深的煤層其瓦斯壓力、瓦斯含量與相對涌出量越高，如屯蘭井田22110面與 28102面相對涌出量分別為 6．3 m3/t、15．0 m3/t;據(jù)2000年《杜兒坪礦生產(chǎn)地質(zhì)報告》：杜兒坪井田各煤層的鉆孔瓦斯含量分別為：2#煤3．76 mL/g·r，3#～9#煤5．77 ～6．71 mL/g·r(7#煤為最大值17．64 mL/g·r)。馬蘭井田2008年在南八采區(qū)(新的接替采區(qū))施工的6個鉆孔，各煤層瓦斯含量取諸孔的平均數(shù)據(jù)：02#煤 1．38 mL/g·r、2#煤1．36 mL/g·r、6#煤 1．40 mL/g· r、8#煤 1．43 mL/g·r、9#煤1．07mL/g·r;可見總體上是越往下的煤層受埋藏越深與瓦斯壓力增大的影響，瓦斯含量越高。

1．2 構(gòu)造控制對瓦斯賦存的影響

瓦斯賦存主要受向斜構(gòu)造的控制，其次受壓扭性斷裂構(gòu)造的控制。位于杜兒坪井田中部斷層之北的石千峰向斜處，瓦斯含量居全井田為最高值，此處北五采區(qū)瓦斯含量為10～12 m3/t，其東面北三采區(qū)為7～8 m3/t。而向斜外圍瓦斯含量則相對較低：該向斜之南面跨過中部斷層的南八、南九與南三諸采區(qū)瓦斯含量區(qū)均在2～3 m3/t之間，南七采區(qū)較高也不過4～5 m3/t之間。該向斜北面的北四采區(qū)，瓦斯含量也低于向斜區(qū)內(nèi)的值，為2～3 m3/t。從全井田構(gòu)造方面分析，可大致總結(jié)出這樣的規(guī)律：井田內(nèi)瓦斯賦存受構(gòu)造控制表現(xiàn)為，中部斷層(應(yīng)屬壓扭性斷裂)以北的石千峰向斜區(qū)為最高值區(qū)，而中部斷層至杜兒坪斷層區(qū)間為瓦斯含量低值區(qū)。這主要是西山煤田受燕山期構(gòu)造運(yùn)動背景之影響，杜兒坪斷層與隨老母—賽莊斷層間斷塊發(fā)生北東偏東走向的左型平移力偶作用，與此同時產(chǎn)生了北東偏北走向的次一級的張扭裂隙，即從賽莊至梅洞溝一線之東南為前山礦區(qū)地下水主要逕流帶，是奧灰?guī)r與其它含水層的相對富水區(qū)，也是前山礦區(qū)陷落柱發(fā)育最密集的地段，同時還是前山礦區(qū)典型的瓦斯逸散排放區(qū)。

褶曲構(gòu)造的控制作用的表現(xiàn)例子還有：據(jù)馬蘭井田南八采區(qū)最新鉆探瓦斯成果反映，位于馬蘭向斜西翼次一級向斜構(gòu)造的鉆孔瓦斯含量值明顯高(為1．64～1．93 mL/g·r)、而其它地段值僅為 0．59 ～0．87 mL/g·r;另處位于屯蘭河背斜軸傾伏部位的MB4孔瓦斯含量值也有異常高的特征，為1．87 mL/g·r。上述數(shù)據(jù)均為同一鉆孔諸可采煤層按煤厚加權(quán)計算所得值。

1．3 開采順序?qū)ν咚褂砍隽康挠绊?/h3>

同一采區(qū)，在構(gòu)造類型接近的前提條件下，先采區(qū)域的瓦斯絕對涌出量較后采區(qū)域的要高。如屯蘭井田南二盤區(qū)下組煤由上自下進(jìn)行解放式開采，據(jù)各面回采地質(zhì)說明書上的瓦斯絕對涌出量依次為：18201 面37．4 m3/min、18203 面 32．8 m3/min、18205面27．4 m3/min，可見 18201面埋深最淺，較最深的18205相差達(dá)60 m，但因為最先采煤，其瓦斯絕對涌出量反而最大。

2 采面瓦斯涌出量之預(yù)測

1)采面瓦斯相對涌出量采后實際值與采前預(yù)測值之比較：以屯蘭井田12311面2007年9月—2008年9月的瓦斯涌出量累計數(shù)，包括抽放量與風(fēng)排量1 830．24 萬 m3，除以該面累計產(chǎn)量 54．35 萬 t，這樣就得出采面采后鑒定瓦斯相對涌出量采后實際值33．67 m3/t，而采前預(yù)測值僅為 13．4 m3/t，二者比值為2．51(用同樣方法，得出12211采面采后鑒定瓦斯相對涌出量采后實際值19．15 m)。12311采面采后鑒定瓦斯相對涌出量實際值Q采33．67 m3/t與面內(nèi)442煤田孔2#煤層瓦斯含量值Q鉆7．12 m3/t相比為4．7倍。具體分析本面的煤巖層綜合柱狀圖，開采層2#煤平均厚度為3．1 m，而鄰近的煤層包括開采層之上的02#與03#煤以及之下的3#與4#煤總計厚度2．9 m。這樣開采層與鄰近層厚度總計為6．0 m，是2#煤厚度的1．94倍，即作為采煤瓦斯來源煤層影響系數(shù)K1。將開采層采面瓦斯相對涌出量與采區(qū)內(nèi)煤田鉆孔同煤層瓦斯含量值的比值作為K2，據(jù)統(tǒng)計計算其值一般為2左右(該項系數(shù)不考慮鄰近煤層與構(gòu)造的影響)。由于本面處于古交斷層西端尖滅處，為馬蘭向斜東翼一次級向斜部位，故構(gòu)造影響系數(shù)K3確定為1．2，據(jù)公式：

可以求出，Q采預(yù)=33．15 m3/t，與前面交待的采后鑒定瓦斯相對涌出量實際值Q采33．67 m3/t相比較，其預(yù)測精度為98．5%。得出結(jié)論：據(jù)采區(qū)內(nèi)煤田鉆孔同煤層瓦斯含量值結(jié)合公式(1)對采面生產(chǎn)中瓦斯相對涌出量Q采進(jìn)行預(yù)測是完全可行和有效的。

瓦斯相對涌出量與絕對涌出量變化曲線圖見圖1，瓦斯涌出量構(gòu)成及變化曲線圖見圖2。

2)利用瓦斯賦存規(guī)律對采面瓦斯相對涌出量進(jìn)行預(yù)測。在沒有內(nèi)鉆孔瓦斯含量數(shù)據(jù)供參考時，可利用煤科院重慶分院2007年底提交的《西山礦區(qū)瓦斯賦存狀況及規(guī)律研究》對采面瓦斯相對涌出量進(jìn)行預(yù)測。該報告將官地礦、杜兒坪礦、馬蘭礦與屯蘭礦4個高瓦斯井田歸為一類，建立了瓦斯賦存數(shù)學(xué)模型。如2#煤瓦斯含量W與埋藏深度H的關(guān)系式：

8#煤瓦斯含量W與埋藏深度H的關(guān)系式：

式中：

K—地質(zhì)構(gòu)造影響系數(shù)。

上述公式是經(jīng)過對4個井田內(nèi)14個2#煤瓦斯含量數(shù)據(jù)與10個8#煤瓦斯含量數(shù)據(jù)與相應(yīng)的埋藏深度分別擬合而建立的。瓦斯含量數(shù)據(jù)是通過間接法在同一測定地點，選用瓦斯壓力測定最大值為測定結(jié)果，結(jié)合實驗室對煤樣的工業(yè)分析及吸附常數(shù)確定的。并用實際測定結(jié)果對地質(zhì)勘探孔所測的瓦斯含量進(jìn)行修正，以實測及修正后的地勘鉆孔瓦斯成果來分析瓦斯含量與相應(yīng)的埋深的數(shù)學(xué)關(guān)系。

現(xiàn)就屯蘭井田12311面的情況，利用式(2)預(yù)測采面瓦斯相對涌出量。將H=552、K=1．2代入該式中，得到瓦斯含量預(yù)測值W=7．38;再令Q鉆=7．38，代入式(1)，其它參數(shù)取值同前，由此可以求出Q采預(yù)=34．36 m3/t，與前面交待的采后鑒定瓦斯相對涌出量實際值 Q采33．67 m3/t相比較，其預(yù)測精度為102%。預(yù)測效果顯著。

同理，對12211 面預(yù)測，令 K=1．1、H=500，代入式(2)得出，W=5．98 m3/t;再令 K1=1．42、K2=2、K3=1．1、Q鉆=5．98 代入 式 (1)，得出 Q采預(yù)=16．9 m3/t，與12211采面采后鑒定瓦斯相對涌出量采后實際值19．15 m3/t相比較，其預(yù)測精度為97．5%，預(yù)測效果同樣顯著。

3)采面采后鑒定瓦斯涌出量之涌出方式。據(jù)屯蘭12311與12211兩個綜采工作面采后總結(jié)的數(shù)據(jù)看，瓦斯抽放率在48．3% ～49．5%，瓦斯風(fēng)排率在51．7% ～50．5%。抽放總量中由尾巷布置的對鄰近層冒落裂隙帶抽出部分占66．2%、由膠帶順槽布置的對開采層結(jié)合鄰近層冒落裂隙帶抽出部分占33．8%。

4)利用采面瓦斯相對涌出量結(jié)合每月平均日產(chǎn)量，計算采面瓦斯絕對涌出量：

經(jīng)屯蘭礦12311與12211兩個綜采工作面諸月平均瓦斯絕對涌出量實際值，約64%的值在采面諸月瓦斯絕對涌出量預(yù)測值范圍內(nèi)，大部分的值在采面預(yù)測值1．5倍內(nèi)范圍，但試采與收尾階段由于產(chǎn)量很小，而抽放照常進(jìn)行，預(yù)測值與實際值很不一致，但不會超過正常產(chǎn)量時計算出的瓦斯絕對涌出量預(yù)測值。

3 結(jié)束語

結(jié)合礦區(qū)與井田勘探、生產(chǎn)各個階段的瓦斯地質(zhì)資料與《瓦斯地質(zhì)學(xué)》一般規(guī)律，在分析研究的基礎(chǔ)上，總結(jié)出井田與采區(qū)的瓦斯賦存的具體規(guī)律，可以對采煤工作面瓦斯涌出量進(jìn)行分析與預(yù)測。尤其是要注意對科研成果的充分利用，使之與生產(chǎn)中積累的數(shù)據(jù)有機(jī)結(jié)合，注意區(qū)別影響因素的主次，重視井田與采區(qū)地質(zhì)構(gòu)造對瓦斯賦存與涌出的控制作用，編制與完善瓦斯地質(zhì)圖、不斷完善與豐富有關(guān)公式與規(guī)律，有利于對瓦斯的科學(xué)預(yù)測與防治。

［1］ 張子敏．瓦斯地質(zhì)學(xué)［M］．徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2009：241－242，252 －258．