嘉禾礦業(yè)公司蒲溪井瓦斯地質規(guī)律分析

文湖南省安全技術中心 李潤濤

嘉禾礦業(yè)公司蒲溪井瓦斯地質規(guī)律分析

瓦斯是在成煤過程中形成的，是從煤層、圍巖、采空區(qū)以及生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的各種氣體的總稱。它的形成與成煤過程和成煤物質有著密切的聯(lián)系，而成煤作用本身就是各種地質作用的綜合結果，因此，瓦斯是地質作用的產(chǎn)物，瓦斯的賦存和運移受各種地質因素影響。準確掌握瓦斯地質規(guī)律，能夠為合理進行礦井通風設計、煤層氣資源開發(fā)利用和瓦斯綜合治理提供科學依據(jù)，有效指導礦井生產(chǎn)。本文以嘉禾礦業(yè)公司蒲溪井為例，運用板塊構造理論和區(qū)域構造演化理論，研究地質構造對礦井瓦斯賦存的影響，根據(jù)實際生產(chǎn)中所積累的瓦斯和地質資料，研究礦井瓦斯分布規(guī)律和瓦斯涌出規(guī)律，根據(jù)瓦斯分布特征，更有針對性制訂瓦斯治理及施工措施。

嘉禾礦業(yè)有限公司浦溪井（簡稱浦溪井，下同）為一嚴重煤與瓦斯突出礦井，自投產(chǎn)以來，全礦井共發(fā)生煤與瓦斯突出事故105次，突出類型以壓出和傾出為主。最大一次突出，突出煤量為430t 、涌出瓦斯量為46000m3。隨著開采深度增加，突出頻率和突出強度都在不斷加大。礦方雖然進行了大量的區(qū)域瓦斯防治工作，但從未開展過礦井區(qū)域瓦斯地質規(guī)律的研究。目前，礦井已進入深部的二水平開拓，瓦斯問題日益嚴重，要做到瓦斯抽采有的放矢，保證安全生產(chǎn)，就必須搞清楚瓦斯地質規(guī)律主控因素及地質規(guī)律。

礦井瓦斯地質規(guī)律的影響因素

1.斷層、褶皺構造對瓦斯賦存的影響

地質構造是影響瓦斯存儲最重要條件之一，封閉型地質構造有利于封存瓦斯，開放型地質構造有利于排放瓦斯，現(xiàn)分述如下。

（1）褶皺構造

閉合而完整的背斜或窟窿又覆蓋不透氣的地層是良好的儲瓦斯構造，在其軸部煤層內往往積存高壓瓦斯，形成“氣頂”。在傾伏背斜的軸部，通常也比相同埋深的翼部瓦斯含量高。但是當背斜軸的頂部巖層為透氣巖層或因張力形成連通地面的裂隙時，瓦斯會大量流失，軸部瓦斯含量反而比翼部??；向斜構造一般軸部的瓦斯含量比翼部高，這是因為軸部巖層受到強力擠壓、圍巖的透氣性會變得更低，因此有利于在向斜的軸部地區(qū)封存較多的瓦斯。受構造影響形成煤層局部變厚也會出現(xiàn)瓦斯富集現(xiàn)象。此外，由兩條封閉性斷層與致密巖層封閉的地壘或地塹構造也容易致使聚集。

根據(jù)地勘資料，蒲溪井褶皺多發(fā)育于煤系地層中，出露頻繁幅度較大，伸延較長，對煤層賦存和煤層產(chǎn)狀均有一定的影響。從礦井構造分布圖上得到，現(xiàn)有礦井范圍內主要存在青石下背斜和下滿堂向斜。青石下背斜出露井田北部，長約2.5公里，軸向近南北，兩翼基本對稱，傾角25～40°，脊線常有起伏，褶皺幅度60～80米，往南至34線附近傾沒。青石下背斜軸部區(qū)域瓦斯易于聚集和保存，瓦斯含量會相對增大。下滿堂向斜位于井田北部，由黃牛嶺井田伸延，出露長約2公里，軸向呈南北向，北部略向東偏，兩翼對稱，傾角24～35°，褶皺幅度約40～80米，往北傾沒，往南在34線附件仰起而消失。下滿堂向斜區(qū)域易于瓦斯逸散，瓦斯含量偏低。

（2）斷層構造

斷層對煤層瓦斯含量的影響比較復雜，一方面要看斷層帶的封閉性；另一方面還要看與煤層接觸的對盤巖層的透氣性。開放性斷層（一般是張性、張扭性或導水斷層）一般有利于瓦斯釋放。封閉性斷層（一般是壓性、壓扭性、不導水、現(xiàn)在仍受擠壓處于封閉的斷層）而且與煤層接觸的對盤巖層透氣性低時，可以阻止煤層瓦斯的排放，在這種條件下，煤層瓦斯較易富集。由于斷層集中應力帶的影響，距斷層一定距離的巖層與煤層的透氣性因受擠壓而降低，故出現(xiàn)瓦斯含量增高區(qū)。根據(jù)地勘鉆孔資料顯示，井田斷裂不甚發(fā)育，已發(fā)現(xiàn)落差大于30米的斷裂8條，主要分布于井田兩份及南部。但在現(xiàn)有實際礦井范圍內主要只有F63扭性正斷層：出露井田東翼中部，伸延約2公里，走向北偏西20°，傾向南西，傾角70°，落差東部較大達100米，往西變小至50～30米。在該斷層帶上，瓦斯逸散，瓦斯含量值偏低。

（3）陷落柱

瓦斯主要為熱成煤生成的烴（主要是甲烷），其大部分已運移出去，僅少部分通過范德華力被吸附在煤層基質微孔隙內表面，吸附量隨壓力增大而增大，隨溫度增高而減少。陷落柱在未發(fā)生之前，是一個相對比較封閉的系統(tǒng)，瓦斯隨地下水循環(huán)擴散到外部空間的趨勢受到限制。陷落柱發(fā)生之后，瓦斯的封閉條件遭到破壞，破壞了煤儲層的內、外邊界條件，使瓦斯的縱向運移條件變好，而且易造成煤中灰分和水分增大，使煤對瓦斯的吸附能力變弱，賦存條件變差，從而造成局部瓦斯含量降低。陷落柱周圍煤層裂隙發(fā)育，原始煤體的瓦斯加強解吸，由于陷落柱形成過程中，使陷落柱周圍的煤、巖層因柱體向下塌陷，周圍產(chǎn)生大量的張性節(jié)理，從而有利于煤層瓦斯向外運移排放。尤其當塌陷到地表，或產(chǎn)生與地表連通的裂隙，可造成煤層瓦斯與大氣的相互交換。同時，陷落柱的產(chǎn)生使地層壓力降低，吸附在煤層基質微孔隙內表面的氣很容易解吸，即造成陷落柱內及其周圍的瓦斯解吸。在局部地質構造單元內，陷落柱發(fā)育狀況成為煤層瓦斯含量最主要的控制因素。井田內陷落柱不發(fā)育，對煤層瓦斯含量影響不大。

2.頂板巖性對瓦斯賦存的影響

煤層圍巖的透氣性好壞，直接影響著煤層瓦斯的賦存、運移或富集，透氣性好的砂巖頂板，有利于煤層瓦斯的逸散，煤層瓦斯含量相對較低，透氣性差的泥巖、砂質泥巖頂板，對煤層瓦斯的逸散起阻礙作用，含量則相對較高。為探討蒲溪井V煤層圍巖對瓦斯含量的影響，統(tǒng)計鉆孔柱狀圖中煤層頂?shù)装迥鄮r厚度資料，繪制了煤層頂板泥巖厚度等值線圖，并回歸了其與瓦斯含量的關系（圖1）。

圖1 瓦斯含量與頂板圍巖厚度回歸趨勢線

由圖1，隨著頂板泥巖厚度的增加，瓦斯含量有呈增加的趨勢，但規(guī)律性很差。

3.煤厚對瓦斯賦存的影響

煤層是瓦斯的主要儲集層，通常情況下，煤層厚度是影響瓦斯含量和瓦斯涌出量的重要因素。為了研究煤厚對瓦斯的影響，統(tǒng)計了蒲溪井鉆孔煤厚資料，并繪制V煤層厚度等值線。結合瓦斯含量資料，回歸分析了瓦斯含量與煤厚的關系（圖2）。

圖2 瓦斯含量與煤層厚度回歸趨勢線

回歸方程：y=0.4962x+10.105 （R2=0.5917）

其中： y——瓦斯含量

x——煤層厚度

R——相關系數(shù)

從圖2及回歸方程可以看出，瓦斯含量有隨煤層厚度增加而增大的趨勢，但相關性一般。

4.煤層埋深對瓦斯賦存的影響

煤層埋藏深度是決定煤層瓦斯含量大小的主要因素。煤層的埋藏深度越深，煤層中的瓦斯向地表運移的距離就越長，散失就越困難；同時，深度的增加也使煤層在地應力作用下降低了透氣性，有利于保存瓦斯；由于煤層瓦斯壓力增大，煤的吸附瓦斯量增加，也使煤層瓦斯含量增大。在甲烷帶內，在不受地質構造影響的區(qū)域，當深度不大時，煤層的瓦斯含量隨深度呈線性增加。

由于蒲溪井地形比較復雜，地勢起伏不平，最高點和最低點最大相差很大，研究煤層底板標高和實際埋深對瓦斯含量的影響將有區(qū)別，因此分別討論。

通過繪制煤層埋深等值線，并篩選、統(tǒng)計了瓦斯含量與對應煤層埋藏深度及底板標高數(shù)據(jù)，然后進行線性回歸，分別得到趨勢線圖3、圖4。

圖3 瓦斯含量與煤層埋深回歸趨勢線

回歸方程：y=0.0374x—1.6972（R2=0.2229）

其中： y——瓦斯含量

x——煤層埋深

R——相關系數(shù)

從回歸方程可以看出，瓦斯含量隨煤層埋深增加而增大，相關性較差。瓦斯含量梯度為3.74m3/t/100m。

圖4 瓦斯含量與煤層底板標高回歸趨勢線

回歸方程：y=-0.0808x+4.5379（R2=0.9338）

其中： y——瓦斯含量

x——底板等高線

R——相關系數(shù)

從回歸方程可以看出，瓦斯含量隨煤層底板標高減小而增大，且相關性較好。瓦斯含量梯度為8.08m3/ t/100m。

煤與瓦斯突出主導因素分析

結合前述結論不難看出，礦井歷史絕大部分煤與瓦斯突出均發(fā)生在煤厚急劇變化的地方。下面給出煤厚等值線與突出多發(fā)區(qū)域對照圖5（紅色線條范圍內為突出集中區(qū)域）。

圖5 煤厚等值線與突出區(qū)域對照圖

在研究區(qū)域構造演化和構造控制特征的基礎上，分析了褶曲、頂?shù)装鍘r性、煤厚、煤層埋深對井田瓦斯賦存的影響，并得到煤厚及煤層埋藏深度（煤層底板標高）是控制瓦斯含量的主導因素，地質構造是煤與瓦斯突出的主控因素。

目前，蒲溪井已經(jīng)開始對二水平深部區(qū)域進行開拓部署，隨著開采深度的增加，煤層瓦斯含量也隨之增大；該范圍內V煤煤厚變化急劇，故屬于煤與瓦斯突出多發(fā)地帶；另煤厚和瓦斯含量之間也存在一定的規(guī)律性，即瓦斯含量隨煤厚增加而增大，故該范圍內局部煤厚急劇增厚區(qū)域瓦斯含量也會急劇增大。總之，在進入深部開采之后，瓦斯問題勢必更加嚴峻。建議在對二水平深部煤層進行開采之前，要加強瓦斯抽采力度，規(guī)范瓦斯抽采管理；開采過程中，嚴格執(zhí)行兩個“四位一體”防突措施，并做好安全防護措施，保證安全生產(chǎn)。□