葛亭煤礦瓦斯賦存相關(guān)因素分析及應(yīng)用

勇朋林 韓喬羽

（山東科技大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266590）

魯西地區(qū)局部含煤區(qū)構(gòu)造復(fù)雜，直接影響到了煤礦瓦斯地質(zhì)預(yù)測。葛亭礦井位于濟(jì)寧煤田的西北部，該區(qū)瓦斯較低，通過對該礦的瓦斯地質(zhì)條件進(jìn)行分析，解析影響瓦斯散布的關(guān)鍵因素，并對礦井瓦斯含量與絕對涌出量加以預(yù)測，將會對葛亭煤礦（尤其是低瓦斯礦井）的瓦斯地質(zhì)特征研究與瓦斯涌出量預(yù)測做出巨大貢獻(xiàn)。葛亭煤礦中新生代斷層較為發(fā)育，為近南北向正斷層（圖1）。在南北兩側(cè)東西向構(gòu)造帶的影響下，區(qū)內(nèi)仍有東西向斷層；還有較少數(shù)量高差較小、展布較短的北西向斷層。

1 影響瓦斯賦存的主要因素

1.1 斷層特征對瓦斯賦存的影響

斷層會毀壞煤層的綿延性與完好性，改變瓦斯的賦存與散逸條件。斷層會對瓦斯的排放產(chǎn)生便利，但也有的會成為阻礙瓦斯排放的屏障，瓦斯賦存規(guī)律是鄰近斷層瓦斯絕對涌出量較低，偏離斷層與之相反。

圖1 井田主控?cái)鄬臃植技皡^(qū)塊劃分

向斜盆地區(qū)域中，當(dāng)煤層頂板有較好的阻擋環(huán)境時，會對瓦斯在垂直地層方向上的擴(kuò)散有一定阻力，多數(shù)瓦斯想要流往地面只可沿著兩側(cè)，但是盆地邊沿地帶，假使含煤地層有較大部分暴露在外，那么瓦斯的排放將會相當(dāng)便利。葛亭煤礦是近南北方向向斜褶曲的井田，且兩邊底板的埋深較淺，中心低，但因向斜兩翼的風(fēng)氧化帶過多，使瓦斯散逸嚴(yán)重。其軸部因擠壓，使瓦斯散逸受阻，但因后期較為復(fù)雜的構(gòu)造，以及被北東向、南北向及近東西向三向斷層割裂，且除了F3和F29斷層外，主要是張性斷層，使其形態(tài)不完整，從而對瓦斯的賦存產(chǎn)生重大影響，并加劇了瓦斯散逸。

1.2 煤層埋深變化對瓦斯賦存的影響

在相同地質(zhì)構(gòu)造與相似地質(zhì)環(huán)境下，煤層埋藏深度與瓦斯賦存之間有相關(guān)性。研究表明，葛亭煤礦在瓦斯風(fēng)化帶之上，煤層埋藏深度與瓦斯含量呈正相關(guān)。葛亭煤礦屬構(gòu)造復(fù)雜區(qū)，復(fù)雜的構(gòu)造是控制瓦斯賦存的主要因素，大的南北向構(gòu)造將礦區(qū)分割六個構(gòu)造單元，采區(qū)設(shè)計(jì)也是以構(gòu)造單元來劃分，在進(jìn)行煤層埋深與瓦斯研究時，應(yīng)進(jìn)行不同地質(zhì)構(gòu)造單元劃分，并進(jìn)一步研究煤層埋藏深度對瓦斯賦存的影響。此外，上覆基巖的厚度同樣會對瓦斯賦存產(chǎn)生影響，基巖厚不利于瓦斯逸散，反之亦然。

2 瓦斯涌出量異常分析

2.1 F35、F37、F43斷層帶東側(cè)回采工作面的瓦斯涌出量特征

（1）遠(yuǎn)離斷層F29屬構(gòu)造中等的區(qū)塊瓦斯涌出量分析

對井田東部F35、F37、F43東側(cè)瓦斯涌出量進(jìn)行了分析歸納，構(gòu)造程度屬中等，透氣性一般，南北向斷層較為發(fā)育，構(gòu)造煤不發(fā)育。對比往年回采工作面瓦斯涌出量，并對其數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，可得知瓦斯涌出量與埋深成正相關(guān)，瓦斯涌出量梯度是 0.006m3/(min·m)，見圖 2。

（2）靠近斷層F29屬構(gòu)造中等區(qū)塊瓦斯涌出量分析

靠近F29斷層區(qū)局部出現(xiàn)了瓦斯異常，本次統(tǒng)計(jì)了4個工作面在靠近F29斷層處瓦斯涌出量的相關(guān)特征?？拷麱29斷層，構(gòu)造情況相對復(fù)雜，瓦斯絕對涌出量偏大，最高達(dá)到了1.60m3/min，對靠近該斷層幾個工作面點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，發(fā)現(xiàn)靠近斷層區(qū)，瓦斯絕對涌出量與標(biāo)高呈正相關(guān)，瓦斯涌出量梯度較前者增大，為0.01m3/(min·m)，回歸標(biāo)高時仍然取正數(shù)，與前者對比發(fā)現(xiàn)，雖然靠近F29斷層處瓦斯絕對涌出量增大，但是其仍與底板標(biāo)高有一定關(guān)系，這說明瓦斯涌出量受構(gòu)造和底板標(biāo)高共同控制。研究其偏大原因是該斷層可能屬于封閉性斷層，形成了局部的瓦斯富集帶，從而造成了斷層周圍瓦斯絕對涌出量增大，見圖3。

圖2 F35、F37、F43斷層帶東側(cè)遠(yuǎn)離斷層屬構(gòu)造中等的瓦斯涌出量與標(biāo)高關(guān)系

2.2 F6與F35、F37、F43斷層帶回采工作面的瓦斯涌出量特征

（1）靠近DF35工作面的瓦斯涌出量特征

該地質(zhì)單元位于靠近DF35處，共有3個工作面，即GT209、GT211、GT213，統(tǒng)計(jì)其數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，發(fā)現(xiàn)其絕對瓦斯涌出量與標(biāo)高呈正相關(guān)關(guān)系，瓦斯涌出量梯度是0.007m3/(min·m)，見圖4，因該斷層屬開放性斷層，對瓦斯賦存有一定的阻力，所以該區(qū)瓦斯涌出量偏低。

圖4 F6與 F35、F37、F43斷層帶工作面瓦斯涌出量特征

（2）遠(yuǎn)離DF35處的GT203和GT201工作面的瓦斯涌出量特征

該地質(zhì)單元位于靠近北部火成巖侵入地區(qū)，通過線性回歸分析發(fā)現(xiàn)，煤層與標(biāo)高呈線性關(guān)系，回歸梯度是0.005m3/(min·m)，回歸標(biāo)高用正數(shù)，說明該區(qū)瓦斯涌出量和標(biāo)高呈正相關(guān)。該區(qū)瓦斯含量總體偏低，都在0.5m3/min以下，主要是由于斷層活動是瓦斯散逸而造成的，見圖5。

圖5 遠(yuǎn)離DF35處的GT203和GT201工作面瓦斯涌出量特征

2.3 F4與F6斷層之間回采工作面的瓦斯涌出量特征

F4與F6之間的斷層區(qū)域，構(gòu)造程度屬簡單，透氣性不好，北部受到火成巖影響，主要有GT221和GT219共兩個采區(qū)，主要位于靠近F6斷層地區(qū)。對比往年回采工作面的瓦斯涌出量，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，得知瓦斯涌出量和埋深成正相關(guān)，瓦斯涌出量梯度是0.002m3/(min·m)，回歸標(biāo)高用正數(shù)，瓦斯的涌出量整體偏低，在0.5m3/min以下，皆因F6斷層導(dǎo)致瓦斯大量散逸，見圖6。

圖6 GT221和GT219工作面瓦斯涌出量分析

2.4 F2與F3斷層之間回采工作面的瓦斯涌出量特征

F2與F3斷層之間有四個回采工作面，該區(qū)地質(zhì)構(gòu)造簡單，小斷層發(fā)育少，構(gòu)造煤不發(fā)育。

瓦斯涌出量最高的主要集中在GT102工作面東部地區(qū)，主要是是由于該區(qū)位于整個向斜肘部，且封閉性較好，因此，瓦斯賦存條件較好。對比往年回采工作面的瓦斯涌出量，并對其數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，瓦斯涌出量梯度是0.783m3/(min·m)，回歸標(biāo)高用正數(shù)（圖7），可得知瓦斯涌出量與埋深成正相關(guān)。

3 瓦斯涌出量對斷層發(fā)育情況的影響

根據(jù)瓦斯涌出量分析發(fā)現(xiàn)，該區(qū)瓦斯絕對涌出量較低，普遍低于1m3/min，屬于低瓦斯礦井，但是根據(jù)全區(qū)瓦斯涌出量分布規(guī)律，研究發(fā)現(xiàn)，該礦瓦斯涌出量出現(xiàn)幾個異常區(qū)：第一，靠近F29斷層兩側(cè)的GT202工作面西側(cè)，出現(xiàn)了局部瓦斯涌出量超過1m3/min，以及靠近F29斷層的GT212工作面東側(cè)，局部瓦斯涌出量超過1m3/min，最高達(dá)到了1.6m3/min；第二，靠近F3斷層西側(cè)的GT103工作面和GT102工作面，局部瓦斯涌出量超過1m3/min，屬于瓦斯異常區(qū)，由于該礦主要受到構(gòu)造控制，其不同區(qū)塊瓦斯賦存特征控制機(jī)制中構(gòu)造成為主導(dǎo)因素，且根據(jù)歷年來水文地質(zhì)方面的研究發(fā)現(xiàn)，這2個斷層導(dǎo)水性差，封閉性較好，因此，推測這兩個異常區(qū)可能受到了斷層的控制，這兩個斷層為封閉性斷層。

通過歷年的瓦斯涌出量數(shù)據(jù)分析，全區(qū)瓦斯涌出量受到構(gòu)造控制，東區(qū)構(gòu)造較復(fù)雜，瓦斯涌出量分區(qū)復(fù)雜，西區(qū)構(gòu)造較簡單，瓦斯涌出量規(guī)律較簡單，南部構(gòu)造復(fù)雜，北部構(gòu)造簡單，巖漿侵入程度北部最強(qiáng)，根據(jù)構(gòu)造復(fù)雜程度、埋藏深度以及距離火成巖遠(yuǎn)近，本文將礦井劃分5個區(qū)塊，每個區(qū)塊進(jìn)行瓦斯涌出量數(shù)據(jù)分析，并繪制出瓦斯含量分布與斷層關(guān)系，分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在不同區(qū)塊中，當(dāng)構(gòu)造復(fù)雜程度相差不多時，瓦斯涌出量與煤層埋深呈正相關(guān)，如在F29斷層周邊瓦斯涌出量偏高，主要是由于斷層性質(zhì)決定，全區(qū)除了F29和F3斷層為封閉性斷層外，其他斷層都為開放性斷層。

圖7 F2與F3斷層之間回采工作面瓦斯涌出量回歸分析

4 結(jié)論

（1）葛亭煤礦屬低瓦斯礦井，在研究中逐漸發(fā)現(xiàn)了瓦斯涌出異常的現(xiàn)象，并利用瓦斯賦存規(guī)律反過來研究與預(yù)測斷層發(fā)育規(guī)律，發(fā)現(xiàn)瓦斯絕對涌出量較低處，靠近斷層，斷層較發(fā)育，而瓦斯較高處遠(yuǎn)離斷層，斷層較不發(fā)育。研究表明，在低瓦斯煤礦可以利用瓦斯涌出量預(yù)測斷層發(fā)育規(guī)律，這對低瓦斯礦井瓦斯地質(zhì)研究具有實(shí)際價值。

（2）本文統(tǒng)計(jì)了礦井內(nèi)瓦斯絕對涌出量的分布，運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法分析了不同構(gòu)造塊段回采工作面的瓦斯涌出規(guī)律，得出影響瓦斯賦存的關(guān)鍵因素為開采深度與斷層特征（封閉或開放），通過對瓦斯異?，F(xiàn)象深入剖析，發(fā)現(xiàn)：靠近F3和F29斷層附近為瓦斯絕對涌出量較高地區(qū)，說明F29和F3斷層為封閉性斷層。