礦井瓦斯受地質(zhì)規(guī)律的影響分析

王愛民

（新疆振興天原煤業(yè)有限責(zé)任公司，新疆伊寧835005）

礦井瓦斯受地質(zhì)規(guī)律的影響分析

王愛民*

（新疆振興天原煤業(yè)有限責(zé)任公司，新疆伊寧835005）

通過對鐵廠溝煤礦地質(zhì)勘探和采煤過程中的氣體檢測記錄資料進(jìn)行分析，進(jìn)一步掌握地質(zhì)條件對礦井瓦斯賦存和涌出的制約及影響。發(fā)現(xiàn)煤層瓦斯在淺部受風(fēng)化作用、生物化學(xué)作用等影響，CH4成分較低，N2成分較高，而隨著煤層埋深增大，CH4成分逐漸增高，N2成分逐漸降低，顯示出明顯的分帶性。且瓦斯賦存和涌出與斷層、褶皺構(gòu)造、埋深、厚度及煤層地板標(biāo)高等多種因素有關(guān)，為今后的礦井開拓和生產(chǎn)中的瓦斯預(yù)防提供依據(jù)。

鐵廠溝煤礦；瓦斯賦存規(guī)律；分析

1　概述

礦井瓦斯是危害煤礦安全生產(chǎn)的主要因素之一，嚴(yán)重威脅著井下人員的生命安全和礦井設(shè)施安全。尤其是煤與瓦斯突出、瓦斯煤塵爆炸等重大惡性瓦斯事故已成為當(dāng)今影響煤礦安全生產(chǎn)的頭號殺手，隨著煤炭資源開采強(qiáng)度和深度的不斷增加，礦井瓦斯對煤礦安全生產(chǎn)的威脅將日趨嚴(yán)重。因此就鐵廠溝煤礦礦井瓦斯賦存受地質(zhì)條件的影響和制約狀況進(jìn)行研究。

2　礦區(qū)地質(zhì)概況

鐵廠溝煤礦位于鐵廠溝背斜南翼，為一向南傾的單斜構(gòu)造，地層走向75°，傾角38°～60°。在東部軸部為下侏羅統(tǒng)八道灣組，在西部鐵廠溝一帶，軸部為中—上三疊統(tǒng)小泉溝群，背斜北翼地層傾角10°左右，南翼傾角變化較大，由東部的10°～20°向西逐漸增大到40°～60°。井田西部邊界內(nèi)斷層構(gòu)造較發(fā)育，有F1-F3斷層，為落差大于30m的平移逆斷層，對該礦西部煤層造成一定的破壞。B2煤層對西部自燃火區(qū)來講，又是一個阻燃斷面，阻止了西部自燃火區(qū)向東盤的蔓延，為現(xiàn)生產(chǎn)主斜井的西部邊界斷層。井田東界為F4斷層，井田內(nèi)未發(fā)現(xiàn)巖漿活動。井田構(gòu)造類型，確定為中等構(gòu)造類型。

礦區(qū)內(nèi)可采煤層12層，據(jù)鉆探揭露，區(qū)內(nèi)侏羅系下統(tǒng)共含可采煤層12層（B13、B8、B5-B1、A5-A1），總厚度在87.12～104.04m之間，平均厚度總和為101.27m，局部可采煤層厚度在1.00～2.80m之間，平均厚度總和為1.95m。其中三工河組含可采煤層2層，分別為B13、B8煤層。八道灣組所含煤層，除B6號煤層為零星可采煤層外，其余煤層（B5-B1、A1-A5）均為可采煤層。

3　礦井瓦斯

3.1礦井瓦斯等級

在煤礦生產(chǎn)過程中，瓦斯基本由采落煤炭以及煤、巖層新鮮暴露面上的孔隙、裂隙緩慢、長時間的涌出，屬普通涌出。建礦以來未曾發(fā)生過瓦斯噴出和煤與瓦斯突出等特殊涌出現(xiàn)象。根據(jù)2007～2011年礦井瓦斯等級鑒定核準(zhǔn)結(jié)果，以及上級主管部門批文，鐵廠溝煤礦屬低瓦斯礦井，2012年至今進(jìn)行90×104t/a改擴(kuò)建工程建設(shè)。

3.2瓦斯成分及瓦斯分帶

根據(jù)2007年5月新疆煤田地質(zhì)局一五六煤田地質(zhì)勘探隊提交的《新疆伊寧市鐵廠溝煤礦擴(kuò)大延深勘探報告》的煤層瓦斯成果分析表（見表1），該地質(zhì)報告中，在Ⅰ-4、Ⅱ-1、Ⅱ-2、Ⅲ-1和Ⅴ-1號4個鉆孔中采集了瓦斯煤樣，其中，各鉆孔瓦斯含量CH4為0～0.044mL/g可燃質(zhì)，CO2為0.042～0.126mL/g可燃質(zhì)，瓦斯成分主要為N2，瓦斯分帶屬二氧化碳—氮氣帶。表現(xiàn)在淺部CH4成分較低，N2成分較高，而隨著煤層埋深增大，CH4成分逐漸增高，N2成分逐漸降低，顯示出明顯的分帶性。

上述資料證明目前的開采深度和鉆孔所控制的煤層深度均未超過該區(qū)瓦斯風(fēng)化帶（二氧化碳—氮氣帶）的深度。

表1　鉆孔瓦斯成果分析表

3.3瓦斯涌出量和瓦斯涌出特征

根據(jù)鐵廠溝煤礦通風(fēng)瓦斯監(jiān)測資料，掘進(jìn)巷道和回采工作面瓦斯涌出量都比較小。據(jù)+520m水平B2煤層回采工作面絕對瓦斯涌出量統(tǒng)計，絕對瓦斯涌出量為0.16～0.64m3/min。通過掘進(jìn)和回采證明：瓦斯涌出量主要由采落煤炭以及煤、巖層新鮮暴露面上的孔隙、裂隙緩慢、長時間的涌出。絕對瓦斯涌出量隨煤層開采深度和產(chǎn)量的增大而增大，隨著煤層底板標(biāo)高的增大而減小。礦井在開采過程中工作面曾遇到跨越F3斷層開采，由于受F3逆斷層的影響，在逆斷層附近煤層瓦斯含量升高。

3.4瓦斯含量

地質(zhì)勘探期間測試分析所提供的煤層瓦斯含量均為煤層可燃物瓦斯含量，在進(jìn)行煤層瓦斯分布規(guī)律研究或資源量計算時，需要將其轉(zhuǎn)換為噸煤瓦斯含量，以反映自然狀態(tài)下，煤層瓦斯含量賦存的真實情況。換算公式為：

式中：Qd——噸煤瓦斯含量，m3/t；

Qm——煤層可燃物瓦斯含量，mL/g·可燃物；

Mad——分析基水分，（%）；

Ad——干燥基灰分，（%）。

換算后的瓦斯含量參見表2。

4　礦井瓦斯地質(zhì)規(guī)律研究

表2　換算后的瓦斯成果表

4.1斷層、褶皺構(gòu)造對瓦斯賦存的影響

鐵廠溝煤礦為一向南傾的單斜構(gòu)造。地層走向75°，傾角38°～60°，淺部地層較陡，深度變緩，在礦區(qū)內(nèi)地層傾角從東向西有逐漸變緩的規(guī)律，東部傾角在45°～60°之間，西部在38°～60°之間。井田西部邊界內(nèi)斷層構(gòu)造較發(fā)育，有F1-F3斷層，井田東界為F4斷層，礦區(qū)西部由于受斷層影響，地層產(chǎn)狀變化較大，對該礦西部煤層造成一定的破壞。在礦區(qū)內(nèi)由北向南，煤層埋藏變深，煤層瓦斯含量也逐漸變大。據(jù)生產(chǎn)中記錄數(shù)據(jù)分析，斷層附近煤層瓦斯含量明顯升高，說明瓦斯含量受斷層影響較為明顯。

4.2煤層埋深與上覆基巖厚度對瓦斯賦存的影響

鐵廠溝煤礦由于煤層傾角較大，并且煤層隨埋深不斷變陡，傾角達(dá)到60°左右，所以煤層埋深增加速度很快，從煤礦的北邊界到南邊界，煤層埋深從50m左右變到500～600m左右。根據(jù)勘探階段的煤層瓦斯含量測試成果及生產(chǎn)中瓦斯涌出量數(shù)據(jù)分析，隨著煤層埋深的增大，煤層瓦斯含量呈逐漸增大趨勢。

由于本礦區(qū)煤層呈一單斜構(gòu)造，煤層埋藏深度與煤層上覆基巖厚度變化趨勢一致，隨著煤層上覆基巖厚度的增大，煤層瓦斯含量呈逐漸增大趨勢。

4.3頂板巖性對瓦斯賦存的影響

煤層頂板多為粉砂巖、泥巖，偶見細(xì)砂巖、中砂巖、礫巖，煤層與圍巖的透氣性好，有利于瓦斯的運(yùn)移和排放。一般來說，當(dāng)煤層頂板巖性為致密完整的巖石，如頁巖、油母頁巖時，煤層中的瓦斯容易被保存下來；而當(dāng)頂板多為空隙或者脆性裂隙發(fā)育的巖石，如礫巖、砂巖時候，瓦斯就容易逸散。

煤層直接頂板以粉砂巖和細(xì)砂巖居多，比重2.50～2.57g/cm3，天然容重2.18～2.32g/cm3，含水率1.11%～1.16%，飽和狀態(tài)下單向抗壓強(qiáng)度在10MPa以下，多數(shù)圍巖軟化系數(shù)在30%以下；從以上實驗數(shù)據(jù)分析其顯示為不穩(wěn)定頂板。未來開采中因滲透性弱，相對持水性強(qiáng)，而軟化系數(shù)小于0.75，只有個別點為0.92，可能發(fā)生塊體塌落，易產(chǎn)生頂板冒落、底板底鼓等工程地質(zhì)問題。依據(jù)鉆孔煤層瓦斯數(shù)據(jù)分析，在鐵廠溝煤礦范圍內(nèi)煤層頂板巖性對煤層瓦斯有明顯的影響，在煤層頂板為粉砂巖區(qū)，其煤層瓦斯含量較小；煤層局部頂板為細(xì)砂巖區(qū)，其煤層瓦斯含量也較小。

總體來說，煤層的頂板巖性不利于煤層瓦斯的儲存。

4.4煤層厚度對瓦斯賦存的影響

B2號煤層是該礦井范圍內(nèi)的最主要的一層較厚可采煤層，井下巷道和鉆孔對其有多處揭露。揭露厚度在18.66～30.09m之間（其它煤層厚度基本無變化），平均厚度24.58m。該層結(jié)構(gòu)簡單—較簡單，含夾矸0～4層，主要分布在該煤層的頂部和底部，夾矸層數(shù)從東向西增多，厚度增大，由于向西夾矸厚度的增大，把該煤層分成3～4個分層，其中從上向下數(shù)第三分層的厚度在13.33～15.95m之間，其頂板為粉砂巖。本次施工的Ⅰ-4、Ⅱ-1、Ⅴ-1等3個鉆孔揭露了此煤層，真厚為28.75m、30.27m、22.15m，夾矸0～1，結(jié)構(gòu)簡單，該煤層屬于穩(wěn)定煤層，全區(qū)可采。

5　結(jié)論

綜上所述，該煤礦現(xiàn)生產(chǎn)區(qū)域為二氧化碳—氮氣帶內(nèi)，屬低瓦斯礦井。通過礦井瓦斯地質(zhì)規(guī)律分析，絕對瓦斯涌出量隨煤層開采深度和產(chǎn)量的增大而增大，隨著煤層底板標(biāo)高的增大而減小。煤層瓦斯含量受斷層影響較為明顯，地質(zhì)構(gòu)造對瓦斯賦存的控制也很明顯。礦井瓦斯地質(zhì)研究工作是一個循序漸進(jìn)、不斷探索的過程，而且隨著礦井逐步向深部開拓，瓦斯含量會增大，所以在未來煤礦開拓和生產(chǎn)活動中，要對瓦斯進(jìn)一步測定，系統(tǒng)地積累和分析資料，對通風(fēng)系統(tǒng)和煤層瓦斯進(jìn)行科學(xué)管理，以有效的措施，嚴(yán)防由于局部瓦斯聚集造成瓦斯爆炸和二氧化碳窒息事故，確保礦井安全生產(chǎn)。

［1］新疆伊寧市鐵廠溝煤礦擴(kuò)大延深勘探報告［R］.2007.

［2］2007年～2011年歷年瓦斯等級鑒定情況［E］.

［3］生產(chǎn)階段全部瓦斯［E］.地質(zhì)資料.

TD712

A

1004-5716（2016）01-0169-03

2015-06-26

2015-07-07

王愛民（1960-），男（漢族），新疆伊寧人，工程師，現(xiàn)從事煤礦安全生產(chǎn)技術(shù)經(jīng)營管理工作。