新景礦15 號(hào)煤層瓦斯賦存影響因素分析

李曉偉

（陽(yáng)泉新宇巖土工程有限責(zé)任公司，山西 陽(yáng)泉 045000）

0 引 言

近年來(lái)，隨著煤炭資源淺部資源的枯竭，逐漸向縱深發(fā)展，礦井瓦斯災(zāi)害日益嚴(yán)重，成為影響礦井安全高效生產(chǎn)的重要因素之一。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，自1990 年開(kāi)始，瓦斯突出礦井逐漸遞增，平均每年發(fā)生瓦斯突出280 余次[1]，瓦斯賦存規(guī)律認(rèn)識(shí)不清，是發(fā)生瓦斯災(zāi)害的根本原因，研究煤層瓦斯的賦存狀況是礦井瓦斯研究中的重要環(huán)節(jié)[2-3]。許多國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家學(xué)者對(duì)瓦斯賦存規(guī)律進(jìn)行了多方面的研究，并取得了一定的成果，本文在借鑒學(xué)習(xí)前人的基礎(chǔ)上，對(duì)新景礦15 號(hào)煤層瓦斯賦存規(guī)律進(jìn)行研究，并對(duì)瓦斯涌出量進(jìn)行預(yù)測(cè)研究，對(duì)瓦斯災(zāi)害防治和安全生產(chǎn)工作提供指導(dǎo)意義。

1 工程概況

新景礦業(yè)有限責(zé)任公司位于山西陽(yáng)泉，是國(guó)有重點(diǎn)能源建設(shè)項(xiàng)目，核定生產(chǎn)能力為580 萬(wàn)t/a，依據(jù)陽(yáng)煤集團(tuán)最新批復(fù)的礦井瓦斯等級(jí)鑒定結(jié)果文件，新景礦近4 年均鑒定為煤與瓦斯突出礦井。礦區(qū)內(nèi)主要含煤巖系為上石炭系太原組及下二疊系山西組地層，平均總厚度為170.9 m，共含煤16 層，有的煤層厚度較薄，無(wú)開(kāi)采價(jià)值，主要開(kāi)采煤層為3、12、15 號(hào)煤層，局部可采6、8、9 號(hào)煤層，共6 個(gè)煤層。15 號(hào)煤層在全區(qū)內(nèi)均有分布，位于K2灰?guī)r之下，距13 煤層 14.92 ～51.19 m，平均為25.92 m。煤層厚度3.94 ～8.21 m，平均為6.14 m，可采性指數(shù)Km=1，煤厚變異系數(shù)γ=15.53%，厚度穩(wěn)定，是該區(qū)的主要可采厚煤層。礦井分2 個(gè)水平開(kāi)采，二水平標(biāo)高為525 m，主要開(kāi)采15 號(hào)煤層，采用走向長(zhǎng)壁，綜合機(jī)械化放頂煤采煤法，頂板管理采用全部垮落法，采用“U”型通風(fēng)方式。

2 影響礦井瓦斯賦存的地質(zhì)因素

經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)環(huán)境調(diào)查，對(duì)地質(zhì)資料進(jìn)行收集，從煤層頂?shù)装鍘r性、煤層厚度、煤層埋藏深度、地質(zhì)構(gòu)造等方面對(duì)影響瓦斯賦存特征進(jìn)行研究分析。

2.1 頂?shù)装鍘r性對(duì)瓦斯賦存的影響

煤層頂?shù)装宓奈锢硇再|(zhì)決定了瓦斯是否便于儲(chǔ)存，新景礦15 號(hào)煤層直接頂為黑色泥巖，從礦井東部至西部逐漸變薄而尖滅，被石灰?guī)r所代替，東部地區(qū)平均3.07 m，最厚可達(dá)6 ～7 m；老頂為灰黑色石灰?guī)r（K2 灰?guī)r），該層灰?guī)r常被2 ～3 層黑色泥巖所分割形成薄層狀的4 層石灰?guī)r，平均厚度9 ～12 m；直接底為灰黑色砂質(zhì)泥巖，厚度東部地區(qū)較薄，平均厚度7.16 m，最厚可達(dá)11.6 m，西部地區(qū)較厚平均厚度為15 m，最大可達(dá)23 m，老底為灰白色中粒砂巖（K1 砂巖），該層砂巖穩(wěn)定性高，分布廣泛。15 號(hào)煤層直接頂、直接底為泥巖，孔隙率小，具有良好的封閉能力，煤層老頂及老底屬于致密完整、受巖溶影響較小的巖石時(shí)，瓦斯逸散條件差，有利于瓦斯的賦存[4]，東部的賦存條件優(yōu)于西部，泥巖的孔隙率要小于灰?guī)r（K2 灰?guī)r），若灰?guī)r受巖溶影響較小，則有利于瓦斯的保存，反之，不利于瓦斯的保存。15 號(hào)煤層的頂?shù)装鍘r性是影響煤層瓦斯賦存的主要因素。

2.2 褶皺、斷層構(gòu)造對(duì)瓦斯賦存的影響

在新景礦生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，向斜構(gòu)造比背斜構(gòu)造有利于瓦斯儲(chǔ)存，瓦斯儲(chǔ)存良好的地段位于向斜的次級(jí)向斜部位，相對(duì)瓦斯涌出量在軸部附近明顯增大[5]。利用地質(zhì)勘探資料結(jié)合15 號(hào)煤層揭露情況共發(fā)現(xiàn)斷層 63 條，1 m 以下斷層 6 條，1 ～ 2 m 的斷層 32 條，2 ～ 3 m 的斷層 11 條，3 ～ 5 m 的斷層13 條，5 m 以上的斷層1 條。斷層造成了煤層及煤結(jié)構(gòu)的破壞，但其密閉性能良好，不利于瓦斯的逸散，便于瓦斯的儲(chǔ)存，揭露時(shí)瓦斯涌出量增大。在已回采工作面中，揭露1 組0.5 ～0.9 m 的正斷層，造成工作面的瓦斯含量明顯增大，對(duì)工作面的回采造成一定影響。

2.3 煤層埋深對(duì)瓦斯賦存的影響

煤層埋深是決定瓦斯賦存的重要地質(zhì)因素之一，在新景煤礦中，15 號(hào)煤層處于瓦斯風(fēng)化帶以下，是埋深最大的煤層，煤化程度增大，煤的生氣量也相應(yīng)的增大及吸附能力加強(qiáng)；上覆地層增厚，瓦斯運(yùn)移路徑變長(zhǎng)，封閉條件相對(duì)較好，有利于瓦斯的儲(chǔ)存。隨著煤層埋深的增大，瓦斯壓力也隨著增加[6]。

（1） 煤層埋深對(duì)瓦斯含量的影響。

通過(guò)對(duì)15 號(hào)煤層瓦斯含量的統(tǒng)計(jì)，做出散點(diǎn)圖，并擬合曲線(xiàn)，得出15 號(hào)煤層瓦斯含量隨著煤層埋深的變化趨勢(shì)，如圖1 所示，瓦斯含量與埋深的線(xiàn)性公式為y=0.035 x-8.04。礦區(qū)內(nèi)15 號(hào)煤層的埋藏深度普遍較大，為480～719 m，該條件對(duì)于煤層瓦斯的保存極為有利，一般情況下埋深較大的地區(qū)瓦斯含量也相對(duì)較高。從圖1 中發(fā)現(xiàn)15 號(hào)煤層瓦斯含量變化較大，原因是15 號(hào)煤層在東北部埋藏較淺，西南部埋藏較深，15 號(hào)煤層直接頂為黑色泥巖，在東部地區(qū)平均3.07 m，最厚可達(dá)6 ～7 m，從礦井東部至西部逐漸變薄而尖滅，煤層直接頂由泥巖變?yōu)槭規(guī)r，石灰?guī)r巖溶裂隙及溶洞較為發(fā)育，儲(chǔ)存在煤層中的瓦斯漫長(zhǎng)的地質(zhì)變化過(guò)程中，在石灰?guī)r巖溶裂隙大量積存，從而導(dǎo)致煤層中的瓦斯含量變化較大，但總體來(lái)說(shuō)煤層瓦斯含量與埋深相關(guān)性好，所以利用煤層埋深可以很好的預(yù)測(cè)煤層瓦斯含量的變化，15 號(hào)煤層瓦斯含量在8 ～17 m3/t。

圖1 15 號(hào)煤層瓦斯含量與埋深變化趨勢(shì)Fig.1 Change trend of gas content and buried depth in No.15 coal seam

（2） 煤層埋深對(duì)瓦斯壓力的影響。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，對(duì)煤層瓦斯壓力進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，做出散點(diǎn)圖，并擬合曲線(xiàn)，15 號(hào)煤層在不同的埋深下的瓦斯壓力與煤層埋深的線(xiàn)性關(guān)系如圖2 所示，15 號(hào)煤層瓦斯壓力與埋深的線(xiàn)性公式為y=0.000 59 x+0.2。隨著15 號(hào)煤層埋深的不斷的增加，瓦斯壓力逐漸升高，將會(huì)造成應(yīng)力集中，引發(fā)瓦斯動(dòng)力現(xiàn)象的產(chǎn)生[7]。

圖2 15 號(hào)煤層瓦斯壓力與埋深關(guān)系Fig.2 Relationship between gas pressure and buried depth in No.15 coal seam

2.4 煤層厚度對(duì)瓦斯賦存的影響

煤層中的瓦斯是與煤伴生的氣態(tài)地質(zhì)體，煤是天然的吸附體，是瓦斯的主要儲(chǔ)存單元，煤層厚度是瓦斯生成的物質(zhì)基礎(chǔ)，煤層厚度越大，其存貯瓦斯的能力越強(qiáng)，厚煤帶一般也是瓦斯富集帶。15號(hào)煤層厚度3.94 ～8.21 m，平均為6.14 m，厚度穩(wěn)定，屬于全區(qū)可采煤層，具有良好的瓦斯保存條件，產(chǎn)生的瓦斯量也較多，瓦斯含量也較大。

2.5 巖溶陷落柱對(duì)瓦斯賦存的影響

根據(jù)現(xiàn)有的井田地質(zhì)資料，礦區(qū)內(nèi)陷落柱比較發(fā)育，在已開(kāi)采區(qū)的陷落柱密集區(qū)高達(dá)每平方公里16 個(gè)，在煤層開(kāi)采過(guò)程中發(fā)現(xiàn)陷落柱周?chē)簩邮艿綘恳?，較破碎，煤層呈片狀，而陷落柱通透性較好，有利于瓦斯的逸散，陷落柱對(duì)15 號(hào)煤層的瓦斯賦存影響較小。

3 結(jié) 論

（1） 通過(guò)對(duì)新景煤礦15 號(hào)煤層賦存條件影響因素進(jìn)行多方面的分析，頂?shù)装鍘r性、煤層埋深是煤層瓦斯賦存的主控因素。

（2） 總體來(lái)說(shuō)15 號(hào)煤層瓦斯含量與埋深相關(guān)性好，利用煤層埋深可以很好的預(yù)測(cè)煤層瓦斯含量的變化，15 號(hào)煤層瓦斯含量在8 ～17 m3/t。