下溝煤礦4煤瓦斯地質(zhì)賦存及涌出量影響因素分析*

王 偉，藺亞兵，2，趙雪嬌，2，張永生

(1．陜西煤田地質(zhì)勘查研究院有限公司，陜西西安 710021;2．國土資源部煤炭資源勘查與綜合利用重點實驗室，陜西西安 710021)

0 引言

煤層瓦斯是一種地質(zhì)體，是煤演化作用的產(chǎn)物，生于煤層，儲存于煤層及其圍巖中［1］。礦井瓦斯突出與瓦斯爆炸是煤礦五大自然災害之一，嚴重威脅著井下人員的生命和財產(chǎn)安全［2］。下溝煤礦位于陜西省彬州市境內(nèi)，屬生產(chǎn)礦井，批準生產(chǎn)規(guī)模為3 Mt/a。2009—2014年瓦斯等級鑒定結(jié)果為瓦斯礦井，2015年和2016年連續(xù)兩年均為高瓦斯礦井。隨著煤礦生產(chǎn)不斷推進和瓦斯等級的提高，加強礦井瓦斯地質(zhì)特征及涌出量影響因素分析對于指導煤礦安全生產(chǎn)具有十分重要的意義。

1 地質(zhì)概況

彬長礦區(qū)位于鄂爾多斯盆地南部渭北撓摺帶北緣，礦區(qū)地表為大面積黃土覆蓋，基巖僅在較大的河谷兩側(cè)有少量出露，構造為走向N50°～70°E，傾向NW～NNW的單斜構造，其間發(fā)育有方向單一的寬緩褶曲構造，主要由4個背斜和2個向斜區(qū)構成，自南向北依次排列為:彬縣背斜、大佛寺向斜區(qū)、路家～小靈臺背斜、董家莊背斜、孟村向斜區(qū)、七里鋪～西坡背斜。下溝煤礦位于彬長礦區(qū)東南部大佛寺向斜東端南翼，南靠彬縣背斜，為北傾或北西傾斜的單斜構造，北部位于大佛寺向斜軸部，傾角0°～3°，中南部傾角5°～8°。

礦井內(nèi)大部分被第四系黃土及新近系紅土覆蓋，在涇河沿岸較大溝谷內(nèi)出露有白堊系下統(tǒng)洛河組、華池組地層。區(qū)內(nèi)地層由老至新依次有:中生界三疊系上統(tǒng)胡家村組，侏羅系下統(tǒng)富縣組，中統(tǒng)延安組、直羅組、安定組，白堊系下統(tǒng)宜君組、洛河組、華池組，新生界新近系、第四系。

下溝煤礦的含煤地層為中下侏羅統(tǒng)延安組地層，共分為上、中、下3個含煤段，共有可采煤層4層，分別為 4上－1、4上－2、4上、4 煤，主采 4 煤。4上－1、4上－2、4上煤僅在礦區(qū)的西部局部可采且煤層穩(wěn)定性較差，鉆孔控制程度低，含煤面積可信度較低。4煤位于延安組下含煤段的中部，距延安組含煤地層底部1．48～14．13 m，煤層大致呈東西走向，向北傾斜，傾角 0°～18°，中北部傾角較小，一般 0°～8°，南部傾角較大，一般 15°～18°。4煤煤厚 10．70～18.50 m，平均16．10 m，為巨厚煤層，全區(qū)可采，煤層結(jié)構復雜。

2 瓦斯地質(zhì)特征

煤層瓦斯賦存特征受控于地質(zhì)條件，瓦斯分布具有明顯的分區(qū)分帶性［3-4］。根據(jù)瓦斯分帶標準，下溝煤礦瓦斯分帶主要以CO2～N2帶為主，礦井西南部為N2～CH4帶，西部靠近大佛寺煤礦區(qū)域為甲烷帶，其瓦斯分帶如圖1所示。分帶特征基本反映了瓦斯成分、瓦斯含量、煤層埋藏深度及煤層頂板巖性之間關系密切，區(qū)內(nèi)構造簡單，地層產(chǎn)狀平緩，對瓦斯的排放和保存不會產(chǎn)生顯著影響。

圖1 下溝煤礦瓦斯分帶圖

在采煤工作面對4煤層的瓦斯含量、瓦斯壓力、衰減系數(shù)、吸附常數(shù)等基礎參數(shù)進行了測定，瓦斯含氣量測試結(jié)果見表1，結(jié)果表明:4煤瓦斯含量為2.065 ～5．046 mL/g·daf，煤層瓦斯含量較高。瓦斯壓力、衰減系數(shù)、吸附常數(shù)等基礎參數(shù)測試結(jié)果見表2，測試結(jié)果表明:4煤瓦斯放散初速度為0．775 mL/s，煤層瓦斯壓力在0．18 ～0．20 MPa 之間，依據(jù)《煤與瓦斯突出礦井鑒定規(guī)范》鑒定標準［5］，瓦斯突出危險性較小。

表1 瓦斯含量測試結(jié)果表

表2 瓦斯基礎參數(shù)測試結(jié)果表

3 影響瓦斯賦存特征的因素

影響瓦斯賦存的主要地質(zhì)因素有地質(zhì)構造、頂?shù)装鍘r性、埋藏深度、煤厚、陷落柱、巖漿巖侵入、水文地質(zhì)條件等［6］。依據(jù)下溝煤礦以往地質(zhì)資料及煤礦近期生產(chǎn)資料，主要分析地質(zhì)構造、頂?shù)装鍘r性、煤層埋深及上覆基巖厚度對瓦斯賦存特征的影響。

3．1 斷層、褶皺構造對瓦斯賦存的影響

下溝煤礦瓦斯主要受褶曲構造的控制，由于構造分布的不均衡性，導致了瓦斯分布的不均衡性。整體的分布規(guī)律受井田內(nèi)單斜控制，在單斜區(qū)域瓦斯含量較高，在河岸單斜下盤瓦斯含量較小。煤礦的南翼，為河岸單斜的上盤及下盤，此單斜構造將涇河兩翼煤層分為上盤和下盤，上盤埋藏較淺，下盤相對較深，該單斜構造的傾斜長度為200 m左右，坡度45°左右，垂直高度130～163 m。該構造為彬長礦區(qū)主要構造，瓦斯涌出量大的高瓦斯礦井均分布在單斜上盤，如水簾洞煤礦、大佛寺煤礦。下盤火石咀煤礦、亭南煤礦則為低瓦斯礦井［7］。下溝煤礦404采區(qū)整體處于單斜構造的下盤，由于404采區(qū)的4401、4402、4403綜放工作面沿煤層走向布置，回風順槽穿入單斜構造的上盤，導致該工作面有一部分將單斜構造上盤圈入，因此該區(qū)域內(nèi)瓦斯涌出量明顯大于礦井其它區(qū)域瓦斯涌出量。根據(jù)瓦斯涌出量的觀測數(shù)據(jù)，4401、4402、4403工作面瓦斯絕對涌出量在12．77～39．19 m3/min，而處于河岸單斜下盤的1816、2807等工作面的瓦斯絕對涌出量多為0．70～2．09 m3/min。

3．2 頂?shù)装鍘r性對瓦斯賦存的影響

4煤頂板多為黑灰色泥巖、砂質(zhì)泥巖、炭質(zhì)泥巖，局部為粉、細砂巖，厚度0．34 ～3．25 m，在井田內(nèi)南厚北薄，屬軟弱巖層，穩(wěn)定性差。老頂為灰白色粗粒砂巖，淺灰色～灰色粉細砂巖及砂質(zhì)泥巖互層，砂巖致密塊狀，厚7～15．90 m，抗壓強度小于100 kg/cm3，屬半堅硬、中等冒落巖層。底板為灰色含鋁質(zhì)泥巖，屬軟弱巖層，遇水膨脹，易發(fā)生底臌現(xiàn)象。由于4煤頂、底板均為厚度較大、透氣性較差的泥質(zhì)巖，且孔隙度低、滲透性差、排驅(qū)壓力大，表現(xiàn)為隔氣層性質(zhì)，因此整體表現(xiàn)為頂、底板泥巖厚度與瓦斯含量呈正相關關系。另外在頂、底板泥巖厚度＞4 m時，其甲烷含量 ＞2．5 mL/g·r;當泥巖厚度 ＜4 m時，其甲烷含量 ＜2．5 mL/g·r。因此瓦斯賦存規(guī)律與煤層頂、底板泥巖厚度關系較密切。

3．3 煤層埋深及上覆基巖厚度對瓦斯賦存的影響

分析瓦斯資料和數(shù)據(jù)得知，由于地質(zhì)構造的控制因素，4煤瓦斯含量與煤層埋藏深度和上覆基巖厚度基本上呈正相關關系。隨著煤層埋藏深度和上覆基巖厚度的增加，煤層氣主要成分甲烷的濃度增加，含量也增大。這說明煤層埋藏越深，上覆基巖厚度越大，瓦斯向地表運移的距離越長，地應力增高使煤層及圍巖的透氣性變差，煤層瓦斯越難通過覆蓋地層逸散，瓦斯含量就越高。

4 瓦斯涌出量影響因素分析

4．1 瓦斯原始含量對瓦斯涌出量的影響

煤層的瓦斯含量是影響瓦斯涌出量的決定因素。煤層瓦斯含量越大，瓦斯壓力越高，透氣性越好，則涌出的瓦斯量就越高。煤層瓦斯含量的單位與礦井相對瓦斯涌出量相同，但其代表的物理意義卻完全不同，數(shù)量上也不相等。通常煤層原始瓦斯含量越高，瓦斯相對涌出量也就越大。在下溝煤礦南部三采區(qū)，煤層原始瓦斯含量較高，瓦斯涌出量增大。礦井瓦斯等級也由之前的瓦斯礦井鑒定為高瓦斯礦井。

4．2 煤層埋深對瓦斯涌出量影響

在瓦斯帶內(nèi)開采的礦井，隨著煤礦開采深度的增加，相對瓦斯涌出量增高［8］。煤系地層中有相鄰煤層存在時，其含有的瓦斯會通過裂隙涌出到開采煤層的風流中，因此，相鄰煤層越多，含有的瓦斯量將越大;而距離開采層越近，則礦井的瓦斯涌出量就越大。

4．3 地質(zhì)構造對瓦斯涌出量影響因素分析

下溝煤礦地質(zhì)構造相對簡單。整體的分布規(guī)律受井田內(nèi)單斜控制，在單斜區(qū)域瓦斯含量較高，在河岸單斜下盤瓦斯含量較小，單斜及礦井西北部為瓦斯絕對涌出量大于15 m3/min區(qū)域、單斜下盤為小于5 m3/min區(qū)域。位于彬縣背斜北翼的三采區(qū)瓦斯涌出量明顯高于其他區(qū)域，ZF301回采工作面瓦斯絕對涌出量最高達到77 m3/min，構造對煤礦瓦斯涌出特征明顯。

5 結(jié)論

(1)下溝煤礦瓦斯含量 2．065 ～5．046 mL/g·daf，瓦斯相對富集區(qū)主要位于煤礦西部南部彬縣背斜單斜區(qū)域。煤礦瓦斯分帶主要為CO2～N2帶，礦井西南部為N2～CH4帶，西部靠近大佛寺煤礦區(qū)域為甲烷帶。

(2)影響下溝煤礦4煤瓦斯地質(zhì)特征的因素主要為單斜構造，煤層埋深和上覆基巖厚度，頂?shù)装迥鄮r厚度。在單斜區(qū)域瓦斯含量較高;當煤層埋藏深度和上覆基巖厚度越大時，瓦斯含量越高;煤層頂?shù)装迥鄮r厚度越大瓦斯含量越高。

(3)影響下溝煤礦4煤瓦斯涌出量的主要因素有瓦斯原始含量、煤層埋深、地質(zhì)構造。煤層原始瓦斯含量較高，瓦斯涌出量增大;隨著開采深度的增加，相對瓦斯涌出量增高;在單斜構造區(qū)域瓦斯涌出量明顯高于其他區(qū)域。