東風(fēng)礦67＃煤層瓦斯賦存影響因素分析及突出危險(xiǎn)區(qū)預(yù)測

高衛(wèi)國，王 蔚，2，馬韶萍

（1．河南理工大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作454000；2．河南省瓦斯地質(zhì)與瓦斯治理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室—省部共建國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，河南 焦作454000）

1 概 況

東風(fēng)煤礦位于黑龍江七臺(tái)河市新興區(qū)，是黑龍江龍煤集團(tuán)股份有限公司下屬煤礦。該礦有礦區(qū)鐵路專用線與黑龍江省重要鐵路線接軌，公路可通往黑龍江省重要的市縣，交通方便。井田屬丘陵－低山地區(qū)，其地勢呈東北低西南高，地面高程在＋175～＋285m左右，高程差為110m，地形較高且陡，地面徑流排泄強(qiáng)烈，地下水補(bǔ)給條件較差。礦井經(jīng)礦井延深和技術(shù)改造，核定生產(chǎn)能力達(dá)到0．36Mt／a。主要開采下白堊統(tǒng)雞西群城子河組62＃、67＃等煤層，煤質(zhì)以焦煤為主?，F(xiàn)階段東風(fēng)礦為斜井水平分區(qū)式開拓，一水平現(xiàn)已采完；二水平（±0m～－200m）為現(xiàn)階段主要產(chǎn)煤水平，布置有三個(gè)采區(qū)；開拓工程均在三水平（標(biāo)高－200m以下），布置有兩個(gè)采區(qū)。經(jīng)歷年瓦斯等級(jí)鑒定，礦井瓦斯絕對(duì)涌出量已達(dá)到37．2m3／min，相對(duì)涌出量已達(dá)到27．08m3／t，為高瓦斯礦井。

2 礦井主要地質(zhì)特征

2．1 地層及煤層特征

礦井主要含煤地層為中生界白堊系地層，其中城子河組、穆棱組含煤層數(shù)較多。

城子河組地層為東風(fēng)礦主要含煤地層之一。其下部巖性主要以中粗砂巖為主，向上巖石顆粒變細(xì)，以粉砂巖為主，厚度達(dá)991m，共含煤28層，煤層總厚為14．23m?？偤合禂?shù)1．45%，其中主采煤層62＃、67＃均位于此層。

穆棱組平行不整合于城子河組之上，為東風(fēng)礦主要的煤系地層之一。巖性主要以細(xì)顆粒砂巖為主，部分兼有粉砂巖及粗砂巖，厚度達(dá)220m，共含煤五層，煤層較薄，均為不可采煤層。

東風(fēng)礦現(xiàn)階段主采煤層為67＃，煤層厚度為0．54～1．33m，平均1．0m。煤層結(jié)構(gòu)簡單，屬全區(qū)發(fā)育較穩(wěn)定煤層，具有較高的控制及研究程度，可采指數(shù)達(dá)到94%，煤厚變異系數(shù)為11%。煤層煤質(zhì)屬暗淡型煤，以暗煤居多，原煤灰分為24．23%，硫含量為0．24%，水分1．175%，揮發(fā)分33．91%，為1／3焦煤。其頂板主要分布有粗砂巖，底板主要分布有中砂巖。

2．2 構(gòu)造特征

東風(fēng)礦位于勃利煤田中部，山字型斷裂構(gòu)造西面。井田地層大體呈北西向傾斜的大高差單斜構(gòu)造區(qū)。其內(nèi)部構(gòu)造以高角度張性正斷層為主，主要的控制斷層54條，其中有28條斷層落差大于30m，無較大褶曲構(gòu)造發(fā)育。其中主干斷裂主要有近NW315°和近SN兩組張扭性正斷層構(gòu)成。沿主干斷裂分布有大量次生、派生斷層，次級(jí)斷層呈“入”字型，派生斷層主要沿主干斷裂層面滑動(dòng)，不切割大斷裂。受張扭性正斷層影響，東風(fēng)礦在生產(chǎn)過程中揭露了大量的小斷層均為正斷層。

2．3 水文特征

東風(fēng)礦主要發(fā)育張性斷層，裂隙發(fā)育，發(fā)育程度隨著埋藏深度的增加而逐漸減小，其地層的富水性出現(xiàn)非常明顯的垂直分帶和分層規(guī)律。其中主要發(fā)育有含水層3層；隔水層相對(duì)較薄，但全區(qū)穩(wěn)定發(fā)育，分為4層。

含水層有：①73＃煤層底板粗砂巖含水層，平均厚度為20m，較穩(wěn)定，向西部有分叉現(xiàn)象。據(jù)抽水資料顯示，其 K值為1．43m／h，q為0．664L／s·m；②66＃煤層頂板中粗砂巖含水層，平均厚度為40m，沿9號(hào)勘探線分布，向西逐步變薄，據(jù)抽水資料顯示，其K值為0．315m／h，q為0．213L／s·m；③62＃煤層頂板中－粗砂巖含水層，平均厚度20m，沿9號(hào)勘探線分布，向西逐步變??；

隔水層有：①74＃煤層底板凝灰?guī)r隔水層，平均厚度2～3cm，全區(qū)均勻分布；②67＃煤層底板凝灰?guī)r隔水層，平均厚度5～7cm，全區(qū)均勻分布；③65＃煤層底板凝灰?guī)r隔水層，平均厚度2～3，全區(qū)均勻分布；④61＃煤層底板凝灰?guī)r隔水層，平均厚度3～5cm，全區(qū)均勻分布。

2．4 上覆巖層特征

東風(fēng)礦地面起伏較小，其上覆第四紀(jì)沉積層，厚度較小且較為松散，厚度只有9m左右，垂向差異不大。煤層上覆基巖厚度為煤層埋深減去第四系沉積層厚度，主要分布有砂巖、粉砂巖、凝灰?guī)r、泥巖等，部分地區(qū)分布有粗砂巖。

3 瓦斯與主要地質(zhì)因素的關(guān)系定性分析

3．1 地質(zhì)構(gòu)造

東風(fēng)礦井田范圍內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造以斷層為主，未發(fā)育褶皺構(gòu)造。其中多發(fā)育張扭性正斷層，且次級(jí)斷層及派生斷層也多為正斷層為主，同時(shí)在礦井采煤過程中揭露了大量的小斷層，斷層的性質(zhì)也均為正斷層。主要控制斷層達(dá)54條，統(tǒng)計(jì)出54條斷層數(shù)據(jù)，做出斷層走向玫瑰花圖，見圖1。

圖1 東風(fēng)煤礦斷層走向玫瑰花圖

通過對(duì)斷層玫瑰花圖分析，可知東風(fēng)礦礦井?dāng)鄬幼呦蛞訬W和NE向較為發(fā)育，且多為大角度張性正斷層，并收張扭應(yīng)力控制，導(dǎo)致東風(fēng)礦斷層割裂了煤層，破壞煤層連續(xù)性，產(chǎn)生大量裂隙，使得礦井在標(biāo)高－200m以上的煤層瓦斯沿著斷層產(chǎn)生裂隙大量的逸散，瓦斯含量較低。隨著煤層埋藏深度的增加，斷層對(duì)煤層破壞作用越來越小，瓦斯含量逐步變高，導(dǎo)致近幾年瓦斯涌出量增高。

3．2 水文地質(zhì)

東風(fēng)礦井含水層發(fā)育較好，但補(bǔ)給條件較差，且礦井涌水量不大，具有以靜儲(chǔ)量為主的充水特征；并且67＃煤層頂?shù)装逯邪l(fā)育有較好的隔水層，十分不利于瓦斯的逸散。但其上層煤層開采時(shí)導(dǎo)致頂?shù)装迤屏眩?7＃煤層賦存的瓦斯通過破裂帶逸散到上覆已采煤層中，瓦斯逸散較大。

3．3 煤層上覆基巖

東風(fēng)礦第四系地層主要為黃土層，裸露于地面，膠結(jié)性較差，發(fā)育大量孔隙，連通性較好，容易釋放瓦斯，對(duì)賦存影響較小。所以在對(duì)礦井埋深對(duì)瓦斯賦存的影響主要體現(xiàn)在煤層上覆基巖厚度的大小，礦井瓦斯含量、涌出量主要是隨煤層上覆基巖厚度增加而增大。

4 上覆基巖厚度與瓦斯含量定量分析

4．1 基巖厚度與瓦斯含量回歸分析

根據(jù)礦井資料統(tǒng)計(jì)，采集了67＃煤層120多個(gè)鉆孔的上覆基巖厚度及埋深等值線，繪制出了東風(fēng)礦上覆基巖厚度等值線，見圖2。

為了對(duì)瓦斯含量與基巖厚度的關(guān)系進(jìn)行定量分析，統(tǒng)計(jì)出煤礦生產(chǎn)過程中實(shí)測瓦斯含量與其相應(yīng)的上覆基巖厚度，見表1。并對(duì)其進(jìn)行線性回歸分析，做出關(guān)系趨勢圖，見圖3。

圖2 東風(fēng)煤礦67＃煤層深部上覆基巖厚度等值線

表1 東風(fēng)煤礦67＃煤層瓦斯含量測定結(jié)果表

圖3 東風(fēng)礦67＃煤層瓦斯含量與基巖厚度的關(guān)系

一般說來，隨著埋藏深度的增加，上覆基巖的厚度也會(huì)增大，煤層中的瓦斯壓力也隨著埋深增加而增大，由于瓦斯壓力的增加，煤與巖石中的游離瓦斯量所占的比例也會(huì)增大，而煤中的吸附瓦斯逐漸趨于飽和［1－2］。據(jù)此類推，在礦井既定范圍內(nèi)，煤層瓦斯含量也會(huì)隨著上覆基巖厚度的增加而增加大；而當(dāng)上覆基巖厚度繼續(xù)增加時(shí)，瓦斯含量變化的幅度會(huì)有減緩。通過圖3可以看出：煤層上覆基巖厚度550～900m范圍內(nèi)的瓦斯含量與上覆基巖厚度呈正相關(guān)，相關(guān)性較高，相關(guān)性系數(shù)R值達(dá)到0．72。

4．2 瓦斯含量分布及預(yù)測

通過對(duì)瓦斯賦存影響因素的定性及定量分析可知，影響東風(fēng)礦67＃煤層瓦斯賦存的因素眾多。其中大部分地質(zhì)因素只能進(jìn)行定性分析，只有底板標(biāo)高、埋藏深度、上覆基巖厚度三個(gè)因素可以進(jìn)行定量分析，且這三個(gè)定量因素對(duì)67＃煤層瓦斯含量影響較大。分別對(duì)這三個(gè)因素與瓦斯含量的關(guān)系進(jìn)行線性回歸分析，得出線性關(guān)系式，見表2。

表3 煤層瓦斯含量與主要影響因素關(guān)系表

由表3可以看出，67＃煤層的煤層底板標(biāo)高，埋藏深度以及上覆基巖厚度與瓦斯含量相關(guān)性系數(shù)均達(dá)到0．8以上，相關(guān)性較高，其中上覆基巖厚度對(duì)瓦斯含量的影響最大。結(jié)合東風(fēng)礦瓦斯形成條件及賦存情況，建立煤層上覆基巖厚度與瓦斯含量之間的數(shù)學(xué)模型，對(duì)未采區(qū)域煤層瓦斯含量預(yù)測更具有普遍意義。

通過上述分析，根據(jù)瓦斯含量與上覆基巖厚度回歸方程，得出67＃煤層瓦斯含量梯度為1．16m3／t／100m，從而可知上覆基巖厚度為545m、717m、891m 所對(duì)應(yīng)的瓦斯含量值分別為 4m3／t、6m3／t、8m3／t。

5 煤與瓦斯突出危險(xiǎn)區(qū)預(yù)測

煤與瓦斯突出是煤礦井下采掘過程中煤和瓦斯突然涌出并產(chǎn)生巨大動(dòng)力效應(yīng)的煤巖動(dòng)力災(zāi)害，可能導(dǎo)致瓦斯爆炸，是煤礦事故發(fā)生頻率高、人員傷亡大的地質(zhì)災(zāi)害［3－4］。有效地進(jìn)行區(qū)域突出危險(xiǎn)性預(yù)測（以下簡稱區(qū)域預(yù)測）可減少防突措施實(shí)施的盲目性，增加防突工作的針對(duì)性，避免對(duì)非突出區(qū)域投入大量人力、財(cái)力和物力，有利于保障礦井安全生產(chǎn)。根據(jù)煤層瓦斯參數(shù)結(jié)合瓦斯地質(zhì)分析的突出危險(xiǎn)性區(qū)域預(yù)測方法要求，應(yīng)當(dāng)根據(jù)煤層瓦斯壓力P進(jìn)行預(yù)測，如果沒有或者缺少煤層瓦斯壓力資料，也可根據(jù)煤層瓦斯含量 W進(jìn)行預(yù)測［5］。

參照《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》，東風(fēng)礦瓦斯壓力過小，實(shí)測壓力數(shù)據(jù)少，結(jié)合礦井瓦斯賦存地質(zhì)規(guī)律，采用瓦斯含量對(duì)東風(fēng)67＃煤層進(jìn)行突出危險(xiǎn)區(qū)預(yù)測，即瓦斯含量大于8m3／t的區(qū)域定為突出危險(xiǎn)區(qū)。67＃煤層瓦斯含量8m3／t對(duì)應(yīng)的上覆基巖厚度為891m。為了保證礦井安全生產(chǎn)，應(yīng)當(dāng)采取瓦斯含量劃分的突出危險(xiǎn)界線，即將67＃煤層上覆基巖891m以深劃分為煤與瓦斯突出危險(xiǎn)區(qū)。

6 結(jié) 論

根據(jù)礦井地質(zhì)特征分析，結(jié)合瓦斯賦存情況，對(duì)東風(fēng)礦井田內(nèi)地質(zhì)因素對(duì)瓦斯賦存的影響進(jìn)行了分析，確定了煤層上覆基巖厚度是影響67＃煤層瓦斯賦存的主控因素。經(jīng)過定性分析及定量計(jì)算，確定了東風(fēng)礦67＃煤層瓦斯含量隨著煤層上覆基巖厚度的增加而變大，達(dá)到每增加100m，瓦斯含量增大1．16m3／t。根據(jù)瓦斯賦存規(guī)律的分析，結(jié)合相關(guān)煤礦安全規(guī)定，預(yù)測出67＃煤層上覆基巖891m以深劃分為突出危險(xiǎn)區(qū)，為煤礦安全生產(chǎn)起到了重要的指導(dǎo)作用。

［1］ 萇延輝，宋常勝．華陽煤礦瓦斯地質(zhì)規(guī)律分析［J］．中國礦業(yè)，2012，21（zk）：517－519．

［2］ 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．

［3］ 鄭仰發(fā)，鞠文君，朱廣軼．基于FTA方法的煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)研究［J］．中國礦業(yè)，2012，21（zk）：509－511，516．

［4］ 俞啟香．礦井瓦斯防治［M］．徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，1998：69－87．

［5］ 國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局，國家煤礦安全監(jiān)察局．防治煤與瓦斯突出規(guī)定［Z］．2012．