瓦斯地質(zhì)工作在煤礦瓦斯預(yù)測中的應(yīng)用與探討

張衛(wèi)民

（太原市礦山設(shè)計研究院，山西 太原 030000）

·專題綜述·

瓦斯地質(zhì)工作在煤礦瓦斯預(yù)測中的應(yīng)用與探討

張衛(wèi)民

（太原市礦山設(shè)計研究院，山西 太原 030000）

為深入推進煤礦瓦斯防治工作，在整理煤礦多年地質(zhì)勘探、開采和測試揭露的瓦斯地質(zhì)資料的基礎(chǔ)上，利用瓦斯地質(zhì)和瓦斯治理研究成果，揭示煤礦瓦斯地質(zhì)規(guī)律，為瓦斯災(zāi)害治理和資源開發(fā)利用提供基本依據(jù)，并對在預(yù)測過程中遇到的一些問題做有益的探討。

煤礦瓦斯；埋藏深度；礦井瓦斯預(yù)測

武甲煤礦位于山西省陽城縣北西部、沁水煤田沁水普查區(qū)的南部，行政區(qū)隸屬陽城縣芹池鎮(zhèn)、沁水縣城關(guān)鎮(zhèn)管轄。

該礦井至今尚未開采，一直處于基建、地質(zhì)勘探（精查）期間，山西省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局212地質(zhì)隊對武甲井田3＃煤層進行過10孔次的瓦斯含量測定。井田內(nèi)施工的10個鉆孔共采瓦斯樣12個，其中3＃煤層10個，15＃煤層2個，各煤層瓦斯含量及瓦斯成分測定結(jié)果見表1。

表1 各煤層瓦斯含量及成分表

2004年6月，武甲煤礦在距離ZK3-l約50m的西南方向施工了一個地面檢查孔，并委托河南理工大學(xué)對所施工的檢查孔進行了3＃煤層瓦斯含量實測，測值為16．87m3／t·daf，3＃煤層瓦斯含量實測結(jié)果見表2。

表2 3＃煤層瓦斯實測結(jié)果表

1 瓦斯地質(zhì)資料的整理和分析

本井田位于沁水塊坳的南部，地層總體受一組寬緩褶皺控制，褶皺軸向北東東，傾伏角5°～8°，兩翼地層傾角一般為5°～10°，局部為12°～14°。僅井田北部邊緣發(fā)育一小型正斷層，其余地段未見斷層、陷落柱和滑塌構(gòu)造，地質(zhì)構(gòu)造簡單。根據(jù)煤科院撫順分院提出的分源預(yù)測法計算得礦井3＃煤層相對瓦斯涌出量最大為11．16m3／t。

據(jù)陽城縣煤炭局1997—2000年度煤礦瓦斯鑒定報告，與其井田礦界相連且同開采3＃煤層的相鄰竹林山、油坊頭、羊泉、伯附、溝溝等煤礦，礦井均為高瓦斯礦井，可見由于在本構(gòu)造帶上的整個井田內(nèi)各礦井瓦斯涌出均較大，在該褶皺兩側(cè)由于受到頂?shù)装宓摹懊荛]”作用，形成明顯的瓦斯富集帶。

根據(jù)該報告也可知：3＃煤層的瓦斯主要來自本煤層，因此，褶皺對該礦井瓦斯影響較大。

煤層圍巖的隔氣性和透氣性能直接影響到瓦斯的保存條件。頂?shù)装迥鄮r的厚度是直接反映煤層圍巖透氣性的一項瓦斯地質(zhì)指標?？紫杜c裂隙發(fā)育的砂巖、礫巖和灰?guī)r的透氣系數(shù)非常大，一般比致密而裂隙不發(fā)育的頁巖、泥巖等巖石透氣系數(shù)高出上萬倍。

該礦井頂?shù)装鍘r性，現(xiàn)根據(jù)鉆孔資料對井田內(nèi)3＃煤層頂?shù)装鍡l件進行了測試。其3＃煤層偽頂一般為黑色薄層狀泥巖，水平層理十分發(fā)育，富含植物化石，厚度0～0．19 m，極不穩(wěn)定，隨著煤層開采而向下冒落。直接頂：為灰、灰白色中厚層之中粒砂巖夾泥巖，鈣質(zhì)膠結(jié)，分選一般，含有泥巖包裹體，斜層理明顯，裂隙不太發(fā)育，厚3．05～13．55 m，巖石見水極易膨脹跨落，個別地段的直接頂為細粒砂巖及粉砂巖。據(jù)鄰近侯甲煤礦巖石物理力學(xué)性質(zhì)檢驗報告3＃煤頂板天然狀態(tài)和飽和狀態(tài)抗壓強度分別為20．1 MPa和9．8 MPa，抗拉強度為1．82 MPa；底板為深灰色泥巖、粉砂質(zhì)泥巖，厚度約為6．5 m，含有植物根、莖化石及炭質(zhì)碎屑。底板天然狀態(tài)和飽和狀態(tài)抗壓強度分別為26．3 MPa和12．2 MPa，抗拉強度為1．34 MPa。

從上述試驗數(shù)據(jù)可以看出，3＃煤層頂?shù)装鍘r石屬軟質(zhì)巖石。其透氣系數(shù)非常小，煤層圍巖的透氣性能比較小，有利于瓦斯的保存。

山西省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局212地質(zhì)隊對武甲井田3＃煤層進行過10孔次的瓦斯含量測定，測定結(jié)果見表3。

表3 地勘期間瓦斯含量測定匯總表

從武甲分公司和鄰近礦井獲得的煤層瓦斯含量來看，武甲分公司3＃煤層瓦斯含量分布存在著受煤層埋藏深度控制的基本特征，兩者之間的散點關(guān)系見圖1。

圖1 3＃煤層瓦斯含量與煤層埋藏深度散點關(guān)系圖

經(jīng)回歸分析，瓦斯含量（X）具有隨埋藏深度（H）增大而加大的整體趨勢，兩者之間具有如下形式的線性統(tǒng)計規(guī)律（相關(guān)系數(shù)R2=0．882 3）：

式中：

W—煤層瓦斯含量，m3／t·r；

H—煤層埋藏深度，m。

由式（1）可以得出：3＃煤層的瓦斯梯度為3．98 m3／t·r／100 m。其瓦斯含量隨上覆巖層厚度（埋深）增加而增加，但其相關(guān)系數(shù)較低。

通過以上分析，找出了影響煤層瓦斯含量的不同因素。煤層瓦斯含量分布規(guī)律簡單歸納如下：

1）煤層瓦斯含量隨埋藏深度增加而增加。2）頂?shù)装鍑鷰r特征對瓦斯賦存的影響較大，3＃煤層頂?shù)装鍘r石屬軟質(zhì)巖石。其透氣系數(shù)非常小，煤層圍巖的透氣性能比較小，有利于瓦斯的保存。3）本礦無巖漿巖，煤層瓦斯含量與巖漿巖無關(guān)。4）含煤地層及其周圍的含水地層和導(dǎo)水通道，都可能成為瓦斯運移的通道；含水地層含水量不足時，其中的氣體成分容易與含煤地層中的瓦斯發(fā)生成分置換，降低煤層瓦斯中CH4的含量。

說明煤層埋藏深度是影響瓦斯含量變化（或瓦斯賦存）的主控因素，其次為煤層上覆巖層巖性及區(qū)域及井田地質(zhì)構(gòu)造。

據(jù)此可近似推測瓦斯含量分布趨勢如下：

煤層埋藏深度332 m處的煤層瓦斯含量趨勢值是14 m3·t-1；

煤層埋藏深度382 m處的煤層瓦斯含量趨勢值是16 m3·t-1。

2 礦井瓦斯涌出量預(yù)測

瓦斯涌出量的大小主要取決于下列自然因素和開采技術(shù)因素：煤層和圍巖的瓦斯含量、開采規(guī)模、采煤方法等。

根據(jù)安全生產(chǎn)行業(yè)標準《礦井瓦斯涌出量預(yù)測方法》（AQ1018-2006），因該礦屬基建礦井，至今未進行生產(chǎn)，采用分源預(yù)測法對武甲分公司礦井瓦斯涌出量進行預(yù)測。

分源預(yù)測法的技術(shù)原理：根據(jù)煤層瓦斯含量和礦井瓦斯涌出的源匯關(guān)系，利用瓦斯涌出源的瓦斯涌出規(guī)律并結(jié)合煤層的賦存條件和開采技術(shù)條件，通過對回采工作面和掘進工作面瓦斯涌出量的計算，達到預(yù)測采區(qū)和礦井瓦斯涌出量的目的。

綜掘工作面瓦斯涌出量預(yù)測結(jié)果見表4。普掘工作面掘進煤量為85 t／天，瓦斯涌出量為初期2．77 m3／min，中期3．10 m3／min，后期3．10 m3／min。

表4 采區(qū)瓦斯涌出量預(yù)測結(jié)果表

生產(chǎn)初期（一采區(qū)）3＃煤層生產(chǎn)時，礦井相對瓦斯涌出量為20．07 m3／t，絕對瓦斯涌出量為44．84 m3／min；生產(chǎn)中期（二采區(qū)）3＃煤層生產(chǎn)時，礦井相對瓦斯涌出量為25．986m3／t，絕對瓦斯涌出量為58．09 m3／min；生產(chǎn)后期（三采區(qū)）3＃煤層生產(chǎn)時，礦井相對瓦斯涌出量為25．02 m3／t，絕對瓦斯涌出量為55．95 m3／min。

綜上所述，武甲分公司在開采3＃煤層時，無論哪個采區(qū)開采，礦井最大相對瓦斯涌出量都將大于10 m3／t。因此，按照《煤礦安全規(guī)程》第133條的規(guī)定，武甲分公司預(yù)測都屬于高瓦斯礦井。

3 總 結(jié)

1）地勘期間所測10個瓦斯含量值存在甲烷成分低（部分）、瓦斯含量嚴重偏低的問題，不能作為礦井瓦斯涌出量預(yù)測和瓦斯治理的依據(jù)。

2）該礦3＃煤層圍巖的透氣性不好，3＃煤層瓦斯含量均大于8 m3／t，都處于高瓦斯區(qū)。本礦井瓦斯資源量約1 977．8 Mm3。儲量豐度為1．26×108m3／km2，本井田氣藏分類為淺型，儲量規(guī)模為小型，地質(zhì)儲量豐度為中型。

3）通過檢查孔和部分鄰近生產(chǎn)礦井井下實測，共獲得了可用于武甲井用3＃煤層瓦斯含量分布規(guī)律分析的10個合格的瓦斯含量實測值；從檢查孔和鄰近生產(chǎn)礦井采集煤樣氣體成分分析結(jié)果來看，武甲井田3＃煤層不存在瓦斯風(fēng)化帶，全部處于甲烷帶內(nèi)，甲烷成分均預(yù)測高于90%。

4）3＃煤層瓦斯含量（X）具有隨埋藏深度（H）增大而加大的整體趨勢，兩者之間具有如下形式的線性統(tǒng)計規(guī)律W=0．039 8H+0．781 1（相關(guān)系數(shù)R2= 0．882 3）：增長梯度3．98 m3／t·daf；根據(jù)埋藏深度和瓦斯含量之間的統(tǒng)計規(guī)律，繪制了武甲分公司3＃煤層瓦斯地質(zhì)圖。

5）礦井達產(chǎn)以后，礦井各生產(chǎn)時期的瓦斯涌出量預(yù)測結(jié)果為：初期，絕對瓦斯涌出量44．87 m3／min、相對瓦斯涌出量20．07 m3／t；中期，絕對瓦斯涌出量58．09 m3／min，相對瓦斯涌出量25．98 m3／t；后期，絕對瓦斯涌出量55．95 m3／min、相對瓦斯涌出量25．02 m3／t。

按照《煤礦安全規(guī)程》第l33條的規(guī)定，無論是生產(chǎn)前期、中期還是后期，武甲煤礦預(yù)測都屬于高瓦斯礦井。

4 地勘期間瓦斯含量測定數(shù)據(jù)的分析探討

經(jīng)回歸分析，瓦斯含量（X）與其埋藏深度（H）線性統(tǒng)計規(guī)律很不明顯，瓦斯含量測值離散性很大，而武甲井田地質(zhì)構(gòu)造以褶曲為主，僅在井田北部邊緣發(fā)育一條小型斷層，煤層沒有露頭。在這樣的構(gòu)造背景和瓦斯地質(zhì)條件下，煤層瓦斯含量定性分析，其必定具有隨埋深增加而加大的總體趨勢。由此可以推斷地勘鉆孔瓦斯含量測定在某個環(huán)節(jié)（取芯、試樣密封等）出現(xiàn)了誤差或錯誤。經(jīng)分析地勘鉆孔瓦斯含量測定資料可能存在如下問題：

1）測值嚴重偏低。鄰近生產(chǎn)礦井瓦斯含量實測結(jié)果顯示，盡管埋深淺于武甲井田，但煤層瓦斯含量已普遍高于8 m3／t·daf。武甲井田10個地勘瓦斯含量測值中，最大值僅為7．28 m3／t·daf，最小值為2．18 m3／t·daf，與該區(qū)生產(chǎn)礦井瓦斯含量分布實際情況出入較大。2004年6月，武甲煤礦在距離ZK3 -l約50m的西南方向施工了一個地面檢查孔，并委托河南理工大學(xué)對所施工的檢查孔進行了3＃煤層瓦斯含量實測，測值為16．87 m3／t·daf，約為ZK3-1勘探鉆孔瓦斯含量測值（4．40 m3／t·daf）的3．8倍。由此可見，地勘鉆孔所測瓦斯含量嚴重偏低。

2）部分試樣甲烷（CH4）成分偏低。武甲井田鄰近礦井井下實測結(jié)果顯示，3＃煤層甲烷成分普遍高于90%，甲烷成分極少低于90%?？紤]到武甲井田3＃煤層平均埋深較鄰近生產(chǎn)礦井還要大100～150 m，因此，3＃煤層甲烷成分至少不會低于90%。2004年6月，河南理工大學(xué)在武甲井田檢查孔（位于ZK3-1西南方向約50 m處）測試了3＃煤層瓦斯成分，結(jié)果顯示煤層甲烷成分率達97．03%。從表3可以看出，ZKl-1、ZK2-1和ZK3-1的試樣甲烷成分小于85%，不能代表煤層原始成分，表明試樣（特別是ZK2 -1試樣）在實驗室分析之前存在嚴重的漏氣現(xiàn)象。

通過分析，認為所測10個地勘瓦斯含量值均不可信，不能作為礦井瓦斯涌出量預(yù)測的依據(jù)。

［1］ 山西省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局二一二地質(zhì)隊．山西省沁水煤田武甲井田勘探（精查）地質(zhì)報告［R］．太原：山西省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局，2002．

［2］ 煤炭科學(xué)研究總院沈陽研究院，陽泉煤科瓦斯治理工程項目部．山西晶鑫實業(yè)股份有限公司武甲煤礦礦井瓦斯抽放初步設(shè)計［R］．沈陽：煤炭科學(xué)研究總院沈陽研究院，2009．

［3］ 王玉武，牛德文．沁河、蘆葦河流域高瓦斯礦井3號煤層瓦斯突出危險性區(qū)域預(yù)測和防治技術(shù)措施［D］．焦作：河南理工大學(xué)，2004．

Application and Discussion on Gas Geological Work in Coal Mine Gas Prediction

Zhang Wei-min

In order to further promote the work of coal mine gas prevention and control，based on coal mine for many years geological exploration，mining and testing exposed gas geological data，by using the research results of gas geology and gas control，reveal the law of gas geology in coal mine，provides the fundamental basis for the gas disaster governance and development and utilization of resources，and make some discussion on some problems in the forecasting process．

Coal mine gas；Buried depth；Prediction of mine gas

TD712

B

1672-0652（2013）09-0039-04

2013-06-22

張衛(wèi)民（1966—），男，山西清徐人，1987年畢業(yè)于山西礦業(yè)學(xué)院，工程師，主要從事煤礦地質(zhì)及技術(shù)管理工作（E-mail）2321872915＠qq．com