唐山礦南五區(qū)瓦斯涌出量預(yù)測及其特征分析

張 旭 朱炎銘 張建勝

（中國礦業(yè)大學資源與地球科學學院，江蘇省徐州市，221008）

唐山礦南五區(qū)瓦斯涌出量預(yù)測及其特征分析

張 旭 朱炎銘 張建勝

（中國礦業(yè)大學資源與地球科學學院，江蘇省徐州市，221008）

南五區(qū)為唐山礦新采區(qū)，缺少可靠性瓦斯地質(zhì)資料，而該礦為高瓦斯礦井，因此需要對其瓦斯地質(zhì)特征進行研究。本文結(jié)合礦井地質(zhì)特征，運用鄰近區(qū)已開采工作面實測瓦斯涌出量資料，采用分源預(yù)測法和地質(zhì)統(tǒng)計法對南五區(qū)5＃、8＃和9＃煤層瓦斯涌出量分別做了預(yù)測。預(yù)測結(jié)果表明：煤層瓦斯涌出量隨著埋深的增加明顯增大，5＃煤層瓦斯涌出量由3m3／t增加到6m3／t，8＃和9＃煤層瓦斯涌出量由5m3／t增加到7m3／t。

瓦斯涌出量 分源預(yù)測法 唐山礦

1 礦井地質(zhì)概況

唐山礦井田構(gòu)造極為復(fù)雜，具有多期次、多性質(zhì)、多方向和多級別的特點。由于受中－新生代區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場的作用，不僅受到了不同期構(gòu)造的強烈改造與疊加，而且對煤層的厚度和賦存狀態(tài)產(chǎn)生了較強烈的改造作用。南五區(qū)作為唐山礦重要的煤炭生產(chǎn)接續(xù)區(qū)，復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造及瓦斯分布的不確定是制約該處煤炭安全生產(chǎn)的重要因素。南五區(qū)為新區(qū)，缺少可靠性瓦斯資料，需要對其瓦斯地質(zhì)特征進行研究。

1.1 礦井構(gòu)造

唐山煤礦分布在開平煤田的北部，是晚古生代華北聚煤區(qū)的一部分。在大地構(gòu)造上處于中朝準地臺燕山沉降帶的東南側(cè)，為華北斷塊區(qū)陰山—燕山斷褶帶與冀魯斷塊坳陷相連接處的次級構(gòu)造單元—唐山塊陷之上。唐山礦地層走向為NE—SW，井田內(nèi)主要構(gòu)造絕大部分平行于地層走向，構(gòu)造極為復(fù)雜，由北向南依次排列著FⅠ、FⅡ、FⅢ、FⅣ、FⅤ等主斷層組成唐山礦斷裂帶，其斷層走向與地層走向基本平行，見圖1，其中南部邊界斷層FⅤ規(guī)模最大。褶皺構(gòu)造發(fā)育，除東部發(fā)育的FⅢ斷層以南的主向斜、背斜外，向西部還發(fā)育有嶺子傾伏背斜等一系列褶曲構(gòu)造。

圖1 唐山礦礦井構(gòu)造綱要圖

1.2 埋藏—生氣史

受構(gòu)造作用，唐山礦煤層經(jīng)歷了不同埋藏過程，見圖2，煤中有機質(zhì)發(fā)生多次生氣作用。大約到中三疊世末，煤層最大埋深約3300m，受熱溫度達115℃，到該期末，煤級達到氣煤階段（鏡質(zhì)組反射率達到0.8Ro%），煤中產(chǎn)生大量甲烷（第一次生氣），其絕大多數(shù)逸散到圍巖中進一步散失，少部分主要呈吸附態(tài)被保留在煤層中。而后，受印支運動的影響，地殼抬升，煤層埋藏變淺，原先吸附的瓦斯逐漸散失。

圖2 唐山礦主煤層的埋藏—生氣歷史

唐山地區(qū)在燕山早—中期發(fā)育了典型的逆沖推覆構(gòu)造，位于原地系統(tǒng)的石炭—二疊紀煤層，被推覆斷層上盤地層所覆蓋而再次埋深。該期末（大約100Ma）礦區(qū)主煤層埋深約達2400m，受燕山期區(qū)域巖漿活動而導(dǎo)致地溫場異常，煤層受熱最高可達150℃以上，不少地區(qū)煤達到1／3焦煤階段（鏡質(zhì)組反射率達到1.3Ro%）。二次生氣生成的大量甲烷補充煤中的瓦斯，煤中瓦斯主要以吸附態(tài)與游離態(tài)存在，而后地殼進一步抬升，煤中瓦斯又逐步逸散，但由于推覆構(gòu)造的覆蓋作用，瓦斯逸散緩慢，并使煤中瓦斯逐漸達到現(xiàn)今賦存狀態(tài)。

1.3 礦井瓦斯地質(zhì)概況

1.3.1 斷層對瓦斯賦存控制

唐山礦發(fā)育的5條呈NE向平行排列的主要斷層均為壓性斷層，不利于瓦斯的逸散。其中對瓦斯賦存控制最為明顯的斷裂構(gòu)造為FⅢ大斷層。FⅢ斷層為一推覆構(gòu)造，為第四系所掩蓋，但FIII斷層使唐山礦現(xiàn)今主要生產(chǎn)區(qū)瓦斯的逸散作用受到斷層上盤地層的封蓋影響，逸散速度變得十分緩慢，整體上來說有利于瓦斯的賦存。在不同的構(gòu)造部位，構(gòu)造對瓦斯賦存的影響也不盡相同，在靠近FIII斷層滑動面的區(qū)域，由于應(yīng)力較為集中，封閉性的壓性斷層較為發(fā)育，且有上盤巖層的封蓋作用，具備有利于瓦斯賦存的地質(zhì)條件；而在遠離FIII斷層面的區(qū)域，沒有形成局部應(yīng)力集中區(qū)域，地層的傾角較小，僅發(fā)育有較為寬緩的背、向斜，亦沒有上盤巖層的封蓋作用，瓦斯的保存條件較差，有利于瓦斯的逸散。在FⅤ斷層的附近區(qū)域，受壓性FⅤ斷層的影響，圍巖的封閉性增強，巖石相對被擠壓致密，滲透性減弱，有利于瓦斯富集。

1.3.2 礦井瓦斯涌出量特征

根據(jù)唐山礦歷年來開采工作面各煤層通風月報、旬報、年報統(tǒng)計，運用瓦斯地質(zhì)統(tǒng)計法對全礦井的5＃、8＃和9＃煤層進行了絕對瓦斯涌出量與煤層埋深的回歸分析。在回歸分析的過程中，去除回采工作面出現(xiàn)瓦斯絕對涌出量異常的點。

通過對5＃煤層40個瓦斯涌出點的涌出量回歸分析，得出標高同涌出量符合線性關(guān)系，其預(yù)測公式為：

其中擬合度R2＝0.8411，擬合程度較高，規(guī)律性明顯。預(yù)測結(jié)果見圖3。

圖3 5＃煤層絕對瓦斯涌出量與煤層埋深關(guān)系回歸分析

由于8＃煤層和9＃煤層間距較小，且兩煤層在煤層頂?shù)装鍘r性、埋深、構(gòu)造發(fā)育程度等方面都有極大的相似之處，因此把8＃、9＃煤層放在一起，進行瓦斯涌出點的涌出量與煤層底板標高的回歸分析。選取8＃、9＃煤層回采工作面43個絕對瓦斯涌出點的涌出量進行回歸分析，得出公式：

其中擬合度R2＝0.8032，擬合程度較高，規(guī)律性明顯，8＃、9＃煤層瓦斯涌出量預(yù)測結(jié)果見圖4。

圖4 8＃、9＃煤層絕對瓦斯涌出量與煤層埋深關(guān)系回歸分析

從回歸分析結(jié)果來看，唐山礦5＃、8＃和9＃煤層瓦斯涌出量與煤層埋深呈線性關(guān)系，即隨著埋深的增大，絕對瓦斯涌出量也隨之增大，規(guī)律性顯著。

2 南五區(qū)瓦斯涌出量預(yù)測

2.1 南五區(qū)地質(zhì)特征

南五區(qū)位于唐山礦南西部，東至井田邊界，南至安機寨保護煤柱線。據(jù)鉆孔資料統(tǒng)計，該區(qū)共有5＃、8＃和9＃3個主采煤層，煤層傾角都較大，5＃煤層為發(fā)育穩(wěn)定的薄煤層，平均埋深890m左右，煤層厚度由SE－NW逐漸變薄，8＃煤層為由北向南逐漸變薄的中厚煤層，9＃煤層為由西向東逐漸變薄的中厚煤層，兩煤層間距不大，平均埋深940m左右。據(jù)三維地震勘探結(jié)果統(tǒng)計，研究區(qū)5＃煤層共發(fā)現(xiàn)斷層33條，以逆斷層為主，斷層傾向多呈NW向，少量呈SW、SE向。8＃、9＃煤層構(gòu)造發(fā)育規(guī)律與5＃煤層類似，但斷層數(shù)量較5＃煤層少，分別發(fā)育斷層25條。

2.2 瓦斯涌出量預(yù)測

由于唐山礦生產(chǎn)作業(yè)區(qū)域廣，構(gòu)造形式多，多煤層開采，因而瓦斯涌出量因區(qū)域、構(gòu)造部位及煤層的不同而有差異。

本文采用分源預(yù)測法對南五區(qū)瓦斯涌出量預(yù)測。分源預(yù)測法是以煤層瓦斯含量為基礎(chǔ)，其實質(zhì)是按照礦井生產(chǎn)過程中瓦斯涌出源的多少、各個涌出源瓦斯涌出量的大小來預(yù)測礦井、采區(qū)、回采面和掘進工作面等的瓦斯涌出量。

采煤工作面瓦斯涌出量計算：

式中：q采——采煤工作面瓦斯涌出量，m3／t；

q1——開采層瓦斯涌出量，m3／t；

q2——鄰近層瓦斯涌出量，m3／t。

2.2.1 開采層瓦斯涌出量計算

薄及中厚煤層不分層開采時：

式中：k1——圍巖瓦斯涌出系數(shù)；

k2——工作面丟煤瓦斯涌出系數(shù)，用回采率的倒數(shù)計算；

k3——采面巷道預(yù)排瓦斯影響系數(shù)；

m——開采層厚度，m；

M——開采層采高，m；

W0——煤層原始瓦斯含量，取3.0m3／t；

W0′——每噸可燃質(zhì)所含原始瓦斯含量，m3／t·r；

Mad——原煤水分含量，%，根據(jù)實測平均值確定；

Aad——原煤灰分含量，%，根據(jù)實測平均值確定；

Wc——運出礦井后煤的殘存瓦斯含量，取2.0m3／t。

2.2.2 鄰近層瓦斯涌出量計算

式中：M——開采層采高，m；

mi——第i個鄰近層開采厚度；

ηi——第i個鄰近層瓦斯排放率，%；

W0i——第i個鄰近層煤層原始瓦斯含量，m3／t，無實測值時參照開采層選取；

Wci——第i個鄰近層煤層殘存瓦斯含量，m3／t，無實測值時參照開采層選取。

根據(jù)上述方法，按照式（3）、（4）、（5）、（6）進行計算，對南五區(qū)采掘工作面瓦斯涌出量和在不同日產(chǎn)煤量下絕對瓦斯涌出量進行預(yù)測，結(jié)果見表1、表2和表3。表1中為最終算得預(yù)測瓦斯涌出量，中間計算q1、q2的過程省略，以表1為例，南五區(qū)5＃煤層若煤層瓦斯含量為4.00m3／t，日產(chǎn)煤量為400t，預(yù)測瓦斯相對涌出量為6.06m3／t，絕對瓦斯涌出量為1.68m3／min。

表1 南五區(qū)5＃煤層采用分源法計算瓦斯涌出預(yù)測結(jié)果

表2 南五區(qū)8＃煤采用分源法計算瓦斯涌出預(yù)測結(jié)果

表3 南五區(qū)9＃煤層采用分源法計算瓦斯涌出預(yù)測結(jié)果

3 瓦斯地質(zhì)特征分析

通過分源預(yù)測法對南五區(qū)5＃、8＃和9＃3個煤層的瓦斯涌出量進行預(yù)測，結(jié)合礦區(qū)地質(zhì)特征，將瓦斯涌出量投放到地質(zhì)圖上，見圖5、圖6和圖7。

南五區(qū)瓦斯涌出量總體上隨煤層埋深的增大而增加，5＃煤層瓦斯涌出量由3m3／t增加到6m3／t，8＃、9＃煤層瓦斯涌出量由5m3／t增加到7m3／t。8＃、9＃煤層瓦斯涌出量相差不大，但與5＃煤層相差明顯，這是因為5＃煤層與8＃、9＃煤層之間的間距大，受地質(zhì)構(gòu)造、煤層埋深及煤厚等因素影響較為明顯，而8＃煤層和9＃煤層間距小，煤層頂?shù)装鍘r性、地質(zhì)構(gòu)造等相差不大，瓦斯涌出量無太大差異，但8＃、9＃煤層煤厚較5＃煤層厚，因此其瓦斯涌出量相對比5＃煤層大。對比圖5、圖6和圖7，發(fā)現(xiàn)各煤層在南五區(qū)的NW翼瓦斯梯度要大于SE翼，與煤層等高線分布的間隔相符合，且分布在向斜核部附近。向斜核部瓦斯含量一般要比兩翼高，因為向斜核部圍巖受到強烈擠壓，巖石構(gòu)造、孔隙等發(fā)生變化，圍巖透氣性降低，不利于瓦斯逸散。煤層在向斜核部也被相對壓縮，單位空間內(nèi)煤的含量增高，且煤層間距變小，瓦斯相對濃度增大，瓦斯逸散量相對減少，導(dǎo)致向斜核部瓦斯含量相對大，瓦斯涌出量也較兩翼大。

圖7 南五區(qū)9＃煤層瓦斯涌出量預(yù)測等值線圖

4 結(jié)論

（1）唐山礦南五區(qū)瓦斯涌出的主要影響因素是開采區(qū)煤層埋深，即隨著埋深的增大，各煤層的瓦斯涌出量也明顯增大，線性擬合關(guān)系顯著。

（2）由于受向斜構(gòu)造的影響，南五區(qū)瓦斯含量值在向斜核部較兩翼大。NW翼瓦斯梯度較SE翼大。5＃煤層瓦斯涌出量隨埋深的增加由3.0m3／t到6.0m3／t，8＃、9＃煤層瓦斯涌出量由5m3／t增加到7m3／t，可能是受8＃、9＃煤層厚度較大影響，瓦斯涌出量偏高。

（3）由于各煤層受其他不穩(wěn)定因素影響，防止煤礦安全事故的發(fā)生，要加強瓦斯涌出量、瓦斯壓力的監(jiān)測，根據(jù)預(yù)測結(jié)果，參考瓦斯涌出量預(yù)測圖，合理、科學地規(guī)劃該區(qū)的開采生產(chǎn)。

［1］ 張子戌，劉高峰，呂閏生等.基于模糊聚類分析和模糊模式識別的煤與瓦斯突出預(yù)測［J］.煤田地質(zhì)與勘探，2007（3）

［2］ 王超，宋大釗，杜學勝等.煤與瓦斯突出預(yù)測的距離判別分析法及應(yīng)用［J］.采礦與安全工程學報，2009（4）

［3］ 陳洋，劉恩，陳大力.瓦斯涌出量分源預(yù)測法的發(fā)展與實踐研究［J］.煤礦安全，2010（2）

［4］ 陳尚斌，朱炎銘，袁偉等.開灤唐山礦逆沖推覆構(gòu)造及其控煤作用［J］.煤田地質(zhì)與勘探，2011（2）［5］ 王猛，朱炎銘，王懷猛等.唐山礦瓦斯賦存的地質(zhì)控制因素研究［J］.中國煤炭，2012（3）

［6］ 季淮君，李增華，劉震等.渦北煤礦地質(zhì)構(gòu)造對瓦斯涌出規(guī)律的影響［J］.中國煤炭，2011（11）

［7］ 閆慶磊，朱炎銘，袁偉等.開平煤田構(gòu)造發(fā)育規(guī)律對煤層賦存的影響［J］.中國煤炭地質(zhì)，2009（12）［8］ 蔡超，朱炎銘，陳尚斌等.開灤唐山煤礦地質(zhì)構(gòu)造規(guī)律性研究［J］.能源技術(shù)與管理，2007（6）

［9］ 羅躍，朱炎銘等.分源預(yù)測法在厚煤層瓦斯涌出量預(yù)測研究中的應(yīng)用［J］.煤炭工程，2011（3）

［10］ 徐濤，郝彬彬，張華.分源預(yù)測法在新建礦井瓦斯涌出量預(yù)測中的應(yīng)用［J］.煤炭技術(shù)，2009（7）

［11］ 張子敏.瓦斯地質(zhì)學［M］.徐州：中國礦業(yè)大學出版社，2009

Prediction and features analysis of gas emission in Nanwu section of Tangshan Mine

Zhang Xu，Zhu Yanming，Zhang Jiansheng
（School of Resource and Geoscience，China University of Mining and Technology，Xuzhou，Jiangsu 221008，China）

Owing to the lack of reliable gas geology data about Nanwu section，a new mining area of Tangshan Mine which has high gas content，it needs a research on its gas geology features.In this paper，based on the mine geological features and measured gas emission data of the working faces in near areas，different－source predicting method and geological statistics method have been used to predict the gas emission rate of 5＃，8＃and 9＃coal seam in Nanwu section.The results show that the gas emission rate increases significantly with increasing of buried depth of coal seam：gas emission rate increases from 3m3／t to 6m3／t in 5＃coal seam but increases from 5m3／t to 7m3／t in 8＃and 9＃coal seams.

gas emission rate，different－source predicting method，Tangshan Mine

P618.118

A

張旭（1990－），男，安徽巢湖人，碩士研究生，主要從事煤與油氣地質(zhì)研究。

（責任編輯 張毅玲）