貴州水城縣阿戛煤礦煤層瓦斯賦存規(guī)律及影響因素分析

金黎黎

摘要：根據(jù)阿戛煤礦地質(zhì)資料，對(duì)煤礦瓦斯成分、瓦斯含量、瓦斯分帶及瓦斯空間變化規(guī)律進(jìn)行分析，初步探討影響瓦斯賦存因素，為礦井建設(shè)及生產(chǎn)過(guò)程中編制防突專項(xiàng)設(shè)計(jì)提供了地質(zhì)依據(jù)，對(duì)防治煤礦瓦斯事故的發(fā)生有著重要意義。

關(guān)鍵詞：阿戛煤礦；主采煤層；瓦斯成分；瓦斯含量；瓦斯分帶；瓦斯賦存；變化規(guī)律；地質(zhì)構(gòu)造

1.引言

阿戛煤礦位于水城縣中部，礦區(qū)位于格目底向斜北翼東段。構(gòu)造形態(tài)為向西南急傾斜的單斜構(gòu)造，地層走向北西，一般為105°～115°，傾向南東，傾角由東向西有規(guī)律地變陡（60°～80°）。礦區(qū)可采煤層多，煤層瓦斯含量高，阿戛煤礦屬突出礦井。隨著開(kāi)采深度的逐漸增加，瓦斯涌出量日漸增大。瓦斯已經(jīng)成為制約阿戛煤礦安全高效生產(chǎn)的首要問(wèn)題。根據(jù)瓦斯地質(zhì)相關(guān)理論，結(jié)合煤礦地質(zhì)勘探的瓦斯地質(zhì)資料，研究阿戛煤礦瓦斯資料，找到影響瓦斯賦存的主要控制因素，進(jìn)而掌握煤礦的瓦斯分布規(guī)律，對(duì)煤礦在未來(lái)開(kāi)采區(qū)域生產(chǎn)過(guò)程中的瓦斯防治工作提供依據(jù)。

2.區(qū)域地質(zhì)背景

阿戛煤礦區(qū)域構(gòu)造屬羌塘—揚(yáng)子—華南板塊（Ⅰ）揚(yáng)子陸塊（Ⅱ）上揚(yáng)子陸塊（Ⅲ）威寧隆起區(qū)（Ⅳ）威寧穹盆構(gòu)造變形區(qū)[1]。礦區(qū)處在威寧穹盆構(gòu)造變形區(qū)格目底向斜和水城斷裂之間（見(jiàn)圖1）。水城斷裂作為威寧穹盆構(gòu)造變形區(qū)和六盤水裂陷槽的邊界斷裂，不僅對(duì)六盤水裂陷槽的構(gòu)造演化進(jìn)行了約束，同時(shí)對(duì)其西南部包括礦區(qū)在內(nèi)的穹盆構(gòu)造變形區(qū)產(chǎn)生了重要的影響。格目底向斜位于水城斷裂西南側(cè)約10km～15km，北西向延伸約70km。向斜兩翼不對(duì)稱，南西翼地層向北東方向傾斜，約15°～45°，北東翼地層傾向南西，一般在66°～86°，部分地段甚至倒轉(zhuǎn)。格目底向斜卷入的地層為二疊系、三疊系以及侏羅系。由于褶皺卷入的地層最新為侏羅系，結(jié)合區(qū)域資料分析，該向斜為燕山期構(gòu)造作用的產(chǎn)物。

礦區(qū)位于格目底向斜北翼東段。構(gòu)造形態(tài)為向西南急傾斜的單斜構(gòu)造，地層走向北西，傾向南東，傾角由東向西有規(guī)律地變陡（60°～80°）。礦區(qū)內(nèi)斷層發(fā)育斷層3條。其中走向正斷層1條（F1）、逆斷層2條（F2、F3）。

3.煤礦瓦斯采樣情況

本次研究根據(jù)《地勘時(shí)期瓦斯含量的測(cè)定方法》（GB/ T23249-2009）采樣化驗(yàn)瓦斯樣共99件。

3.1瓦斯成分分析

自然瓦斯成分以CH4為主，濃度為13.80%～90.29%，平均為58.73%，N2濃度為0.38%～57.06%，平均為26.21%，CO2濃度為0%～26.67%，平均為3.71%，重?zé)N濃度為0.25%～ 28.40%，平均為11.02%（各煤層詳見(jiàn)表1）。

3.2瓦斯含量測(cè)試分析

礦區(qū)內(nèi)可采煤層的可燃?xì)怏w含量為1.40ml/g～24.44ml/g. daf，全區(qū)平均含量為7.85ml/g.daf，其中C1號(hào)煤層平均含量為6.76ml/g.daf；C5號(hào)煤層平均含量為6.14ml/g.daf；C8號(hào)煤層平均含量為4.00ml/g.daf；C9號(hào)煤層平均含量為7.17ml/g.daf；C12號(hào)煤層平均含量為8.44ml/g.daf；C13號(hào)煤層平均含量為9.32ml/g.daf；C14號(hào)煤層平均含量為6.96ml/g.daf；C15a號(hào)煤層平均含量為12.35ml/g.daf；C15b號(hào)煤層平均含量為7.73ml/g.daf；C16號(hào)煤層平均含量為10.28ml/g.daf；C18a號(hào)煤層平均含量為10.66ml/g.daf；C18b號(hào)煤層平均含量為12.40ml/g.daf；C20號(hào)煤層平均含量為6.51ml/g.daf；C26號(hào)煤層平均含量為4.32ml/g.daf；C43號(hào)煤層平均含量為6.18ml/g.daf；C52號(hào)煤層平均含量為4.26ml/g.daf；C60號(hào)煤層平均含量為6.14ml/g.daf；C64a號(hào)煤層平均含量為4.34mL/g.daf；C64b號(hào)煤層平均含量為6.05ml/g.daf；C67號(hào)煤層平均含量為6.37ml/g.daf；C68號(hào)煤層平均含量為4.94ml/g.daf；C69號(hào)煤層平均含量為6.22ml/g.daf。本次采瓦斯樣以“集氣式采樣器”采取，瓦斯含量不包括煤樣裝罐前的損失量，故含量數(shù)據(jù)總體偏小。

3.3瓦斯分帶及瓦斯空間變化規(guī)律

瓦斯分帶是根據(jù)各瓦斯樣品中的不同氣體與氣體總體積的比值劃分，根據(jù)本次地質(zhì)勘探情況，我們將比例按照0%～ 20%、20%～80%、80%～100%進(jìn)行劃分。根據(jù)勘探工作中記錄的鉆孔數(shù)據(jù)，對(duì)各可采煤層進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，煤礦內(nèi)瓦斯大致可分為三個(gè)帶，分別為N2帶、N2～CH4帶、CH4帶，其中以CH4帶為主。瓦斯梯度：煤層埋藏深度每增加73m時(shí)，其瓦斯含量增加1ml/g.daf。瓦斯增長(zhǎng)率：煤層埋藏深度每增加100m時(shí)，瓦斯含量增加1.38ml/g.daf。瓦斯分布規(guī)律為：同一煤層含氣量總體隨埋深的增加而增加。

4.瓦斯賦存及其影響因素

4.1煤巖性質(zhì)對(duì)瓦斯賦存的影響

煤既是氣源巖又是儲(chǔ)集巖，從煤巖、煤化角度研究瓦斯，主要是從生成瓦斯氣體的能力和儲(chǔ)存瓦斯氣體的能力這兩個(gè)方面進(jìn)行研究[1]。

4.1.1瓦斯生成能力

煤是天然的瓦斯吸附體，在瓦斯排放條件相同的情況下，煤的變質(zhì)程度越高，煤層的瓦斯含量越大，原因是瓦斯主要是煤化作用的產(chǎn)物，其產(chǎn)出量直接依賴于煤化程度[2]。阿戛煤礦內(nèi)可采煤層均為焦煤，以亮煤、暗煤為主，夾少量鏡煤條帶，屬半暗—半亮型煤；各可采煤層灰分平均值介于低灰—中高灰分之間，屬于Ⅲ～Ⅳ變質(zhì)階段，變質(zhì)程度均屬中煤階煤，煤巖的瓦斯生成能力處于中高水平，因此巖體的原始瓦斯含量較高。

4.1.2煤巖瓦斯儲(chǔ)存能力

煤對(duì)瓦斯的儲(chǔ)集能力與煤的孔隙密切相關(guān)，孔隙體積和比表面積越大，煤儲(chǔ)集氣的能力越強(qiáng)[3]?？紫兜奈⒖自桨l(fā)育，煤的儲(chǔ)氣能力越強(qiáng)，比表面積越大，煤的吸附能力越高?？紫堵孰S煤化程度增高（或揮發(fā)分產(chǎn)率的降低）而降低，隨煤的破壞程度增大而增大。煤的孔隙決定煤的比表面積，比表面積是度量煤巖孔隙內(nèi)表面積發(fā)育程度的物理量，即單位重量煤樣所具有的孔隙內(nèi)表面積。阿戛煤礦可采煤為焦煤，孔隙率為0.62%～5.26%，平均2.86%，初步評(píng)價(jià)為吸附能力和解吸能力一般的煤。

4.2地質(zhì)構(gòu)造

背、向斜構(gòu)造對(duì)瓦斯賦存的影響，主要是構(gòu)造軸部為應(yīng)力集中區(qū)，受到擠壓后使軸部煤層變得致密而透氣性較差，煤層生成的瓦斯不易逸散，當(dāng)外部保存條件較好時(shí)，易產(chǎn)生較高的瓦斯含量。斷裂運(yùn)動(dòng)是伴隨著構(gòu)造運(yùn)動(dòng)同時(shí)發(fā)生的，斷裂的類型對(duì)瓦斯賦存有著重要的影響：開(kāi)放型斷層有利于瓦斯逸散，封閉型斷層有利與瓦斯保存[4]。即使在同一煤礦范圍內(nèi)，地質(zhì)條件也是不盡相同的，所以同一煤層的瓦斯賦存特征是有變化的，這些變化是由多種控制因素綜合影響的，各控制因素的影響也是不同的。

向斜軸部受到的擠壓作用強(qiáng)烈，圍巖的透氣性變得比較低，煤體結(jié)構(gòu)變得松散，游離狀態(tài)的瓦斯增加，瓦斯壓力高，有利于瓦斯在向斜軸部富集，所以向斜軸部瓦斯含量往往高于兩翼[5]。阿戛煤礦位于格目底向斜北翼東段，構(gòu)造形態(tài)為向西南急傾斜的單斜構(gòu)造，地層走向北西，傾向南東，傾角由東向西變陡，利于瓦斯富存，不利于瓦斯釋放。煤礦內(nèi)發(fā)育的F1、F2、F3斷層均為封閉性逆斷層，不利于瓦斯的排放，因此瓦斯含量相對(duì)較大，阿戛煤礦劃分為突出礦井。

4.3煤層埋藏深度

隨著煤層埋藏深度的增加，地應(yīng)力相應(yīng)增高，同時(shí)圍巖的透氣性降低，瓦斯向地表運(yùn)移的距離也會(huì)增大，這種變化有利于瓦斯封存、不利于瓦斯放散[6]。因此，在瓦斯風(fēng)化帶以下，瓦斯含量一般會(huì)隨煤層埋藏深度增加而變大。煤礦內(nèi)瓦斯含量與埋藏深度具有一定的正相關(guān)性（見(jiàn)圖2），顯示隨埋藏深度的增加，煤層瓦斯含量有逐漸增高的趨勢(shì)。

4.4煤層頂?shù)装?/p>

煤層產(chǎn)生的瓦斯儲(chǔ)存離不開(kāi)煤巖層中的裂隙空間，這些瓦斯的運(yùn)移則與連通性好的裂隙通道息息相關(guān)。當(dāng)煤層頂?shù)装鍨橥笟庑圆畹捻?yè)巖、砂頁(yè)巖時(shí)，煤層生成的瓦斯不能充分逸散或運(yùn)移，所以一般瓦斯含量較高，采掘活動(dòng)時(shí)涌出量也較大。[7]煤礦內(nèi)含煤地層為二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M，巖性由灰色細(xì)砂巖、粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥巖及煤層組成，屬較軟巖—硬質(zhì)巖類。這說(shuō)明頂?shù)装鍘r性致密，透氣性差，遮擋能力強(qiáng)，屬于屏障層圍巖，不利于煤層瓦斯的逸散，對(duì)瓦斯起封存作用。

5.結(jié)論

（1）通過(guò)對(duì)礦區(qū)采集的瓦斯樣試驗(yàn)分析，查明了煤礦瓦斯成分以甲烷為主，含有少量的氮?dú)夂投趸?；礦區(qū)范圍內(nèi)，從上到下瓦斯可劃分3個(gè)帶；且隨著煤層埋深的增加，瓦斯含量逐步增大。（2）從煤巖體特征、地質(zhì)構(gòu)造、煤層埋深、頂?shù)装鍘r性等方面分析表明，區(qū)內(nèi)的瓦斯賦存環(huán)境不利于瓦斯的逸散，有利于瓦斯的富存，導(dǎo)致區(qū)內(nèi)煤層瓦斯含量高，為突出礦井。

參考文獻(xiàn)：

[1]張子敏.瓦斯地質(zhì)學(xué)[M].徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社， 2009.

[2]周世寧，林柏泉.煤層瓦斯賦存與流動(dòng)理論[M].北京：煤炭工業(yè)出版社， 1998.

[3]鐘玲文，張慧，員爭(zhēng)榮.煤的比表面積孔體積及其對(duì)煤吸附能力的影響[J].煤田地質(zhì)與勘探， 2003， 30（3）：26-29.

[4]俞啟香.礦井瓦斯防治[M].中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社， 1992. 16-17.

[5]韓軍，張宏偉，霍丙杰.向斜構(gòu)造煤與瓦斯突出機(jī)理探討[J].煤炭學(xué)報(bào)， 2008， 33（8）：908-913.

[6]林柏泉，崔恒信.礦井瓦斯防治理論與技術(shù)[M].徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)， 1998. 8-9.

[7]胡志勇，殷為斌.夾河煤礦瓦斯賦存規(guī)律分析與預(yù)測(cè)[J].煤炭科技， 2005， 3：47—48.

[8]貴州華瑞鼎興能源有限公司水城縣阿戛鄉(xiāng)阿戛煤礦（兼并重組）資源儲(chǔ)量核實(shí)及勘探報(bào)告[R].貴州省煤田地質(zhì)局地質(zhì)勘察研究院， 2020.