習(xí)水縣馬臨礦區(qū)主采煤層瓦斯含量分布趨勢研究

李春妍，羅遠方

(1.中煤科工集團 重慶研究院有限公司，重慶 400037；2.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國家重點實驗室，重慶 400037；3. 習(xí)水縣經(jīng)濟貿(mào)易局，貴州 遵義 564600)

瓦斯是成煤物質(zhì)在漫長地質(zhì)年代中的自然產(chǎn)物，儲存在煤層及圍巖裂隙中。煤層瓦斯含量是瓦斯治理和煤層氣開發(fā)的關(guān)鍵基礎(chǔ)參數(shù)[1]。《防治煤與瓦斯突出細則》將煤層瓦斯含量作為煤層瓦斯突出危險性預(yù)測、區(qū)域防突措施效果檢驗的主要指標[2]，準確掌握煤層瓦斯含量對煤礦瓦斯治理及安全生產(chǎn)意義重大[3-4]。煤層瓦斯含量及分布趨勢受地質(zhì)條件的控制[5-6]。在煤化作用過程中，成煤物質(zhì)不斷地產(chǎn)生瓦斯，煤化程度越高，生成的瓦斯量越多。在其他因素相同的條件下，煤的變質(zhì)程度越高，煤層瓦斯含量越大[7]。當煤層頂板巖性為致密完整的巖石時，煤層中的瓦斯容易被保存下來；當頂板為多孔隙或脆性裂隙發(fā)育的巖石時，瓦斯容易逸散。地質(zhì)構(gòu)造可分為褶皺構(gòu)造、斷裂構(gòu)造以及組合構(gòu)造，其開放封閉以及復(fù)雜程度決定了煤層瓦斯含量分布趨勢[8]。

本文通過對習(xí)水縣馬臨礦區(qū)主采煤層煤的變質(zhì)程度、煤層圍巖特征、地質(zhì)構(gòu)造以及煤層埋深因素進行分析，得出影響煤層瓦斯含量分布趨勢的主控因素。采用線性回歸分析方法，建立基于主控因素的馬臨礦區(qū)主采煤層瓦斯含量計算數(shù)學(xué)模型，并依據(jù)數(shù)學(xué)模型對主采煤層瓦斯含量分布趨勢進行分析。研究結(jié)果為習(xí)水縣馬臨礦區(qū)煤層瓦斯突出危險性預(yù)測及瓦斯治理措施實施提供依據(jù)，對保障礦區(qū)安全生產(chǎn)具有重要意義。

1 礦區(qū)概況

馬臨礦區(qū)位于貴州省習(xí)水縣南部，現(xiàn)有5對生產(chǎn)能力30萬t/a以上的生產(chǎn)礦井。馬臨礦區(qū)整體位于桑木場背斜西翼，如圖1所示。主要含煤地層為二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M，主采煤層為C5、C8、C12煤層，平均厚度分別為1.68 m、2.2 m、1.57 m。

圖1 馬臨礦區(qū)主要構(gòu)造綱要圖

2 煤層瓦斯含量主控因素確定

2.1 煤的變質(zhì)程度

煤的變質(zhì)程度對瓦斯含量的影響主要表現(xiàn)在：煤的變質(zhì)程度越高，瓦斯產(chǎn)出量越大；煤的變質(zhì)程度增高，煤層滲透率下降，沿煤層向地表方向運移變慢；煤的變質(zhì)程度增高，煤的瓦斯吸附能力增加，煤層中可以吸附的瓦斯量更大[9-10]。針對礦區(qū)內(nèi)主采煤層(C5、C8、C12煤層)，各煤層均為高變質(zhì)程度無煙煤，同一煤層中瓦斯產(chǎn)出及煤的吸附能力差別較小。所以礦區(qū)內(nèi)煤的變質(zhì)程度不是影響煤層瓦斯含量分布趨勢的主控因素。

2.2 煤層圍巖特征

煤層圍巖是指煤層直接頂、老頂?shù)仍趦?nèi)的一定厚度范圍的層段。礦區(qū)內(nèi)各礦井主采煤層(C5、C8、C12煤層)頂板情況見表1。從表1可以看出，礦區(qū)內(nèi)各主采煤層頂板多為泥巖或粉砂巖，泥巖和粉砂巖比較致密，孔隙半徑較小，排驅(qū)壓力較高，具有較高的能力將煤層瓦斯封存。結(jié)合地質(zhì)資料礦區(qū)內(nèi)主采煤層頂板穩(wěn)定性較好。所以礦區(qū)內(nèi)主采煤層圍巖特征不是影響煤層瓦斯含量分布趨勢的主控因素。

表1 礦區(qū)內(nèi)各礦井主采煤層頂板情況

2.3 地質(zhì)構(gòu)造

礦區(qū)內(nèi)A礦井位于桑木場背斜北西翼，基本構(gòu)造形態(tài)為一單斜構(gòu)造，地層走向北東，傾向北西，傾角14°。區(qū)內(nèi)次級褶皺和斷裂構(gòu)造不發(fā)育，煤層賦存較穩(wěn)定，單斜構(gòu)造，走向、傾角變化不大，區(qū)內(nèi)次級褶皺和斷裂構(gòu)造不發(fā)育；C礦井位于桑木場背斜北西翼，基本構(gòu)造形態(tài)為一單斜構(gòu)造，地層走向北東，傾向北西，傾角14°。區(qū)內(nèi)次級褶皺和斷裂構(gòu)造不發(fā)育；D礦井桑木場大背斜北西翼南段，總體呈一單斜構(gòu)造，地層走向近NE～SW向，傾向近NW向，傾角7～12°，平均約10°，淺部為7°，向深部逐漸增大至12°，礦區(qū)內(nèi)未發(fā)育斷層及次級褶曲；E礦井桑木場背斜北西翼，為一單斜構(gòu)造。地層走向北東，傾向北西，傾角10～15°，區(qū)內(nèi)次級褶皺不發(fā)育。以上4個礦井區(qū)域內(nèi)均為一單斜構(gòu)造，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜程度屬簡單類型。只有 B礦井地處桑木場背斜的北西翼南西端，無斷裂構(gòu)造，但發(fā)育一個次級小背斜——朝陽洞背斜，背斜軸向北東，核部地層為P2m的厚層塊狀灰?guī)r，兩翼地層為P2l的碎屑巖、P3c的灰?guī)r和T1y的碎屑巖夾泥質(zhì)灰?guī)r及泥灰?guī)r，北西翼巖層傾向為300～360°，傾角4～16°，礦區(qū)煤層就產(chǎn)于該翼地層中，北東翼巖層傾向0～65°，傾角0～13°，為一寬緩的短軸背斜。B礦井地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜程度屬中等類型。綜上所述，礦區(qū)內(nèi)大部分區(qū)域地質(zhì)復(fù)雜程度為簡單類型，所以礦區(qū)大范圍內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造不是影響煤層瓦斯含量分布趨勢的主控因素。

2.4 煤層埋藏深度

結(jié)合礦區(qū)內(nèi)各礦井相對瓦斯涌出量大于2 m3/t，實測各主采瓦斯含量絕大部分大于5 m3/t，個別主采煤層中瓦斯的CH4成分高于80%，得出礦區(qū)內(nèi)各主采煤層在礦井開拓區(qū)域內(nèi)均處在瓦斯帶內(nèi)。在瓦斯帶內(nèi)，在煤層穩(wěn)定，地質(zhì)構(gòu)造影響較小時，在一定范圍內(nèi)，煤層瓦斯含量隨煤層埋深的增大而增大。

綜上所述，通過對馬臨礦區(qū)內(nèi)主采煤層的煤的變質(zhì)程度、煤層圍巖特征、地質(zhì)構(gòu)造及煤層埋藏深度情況進行分析，煤層埋藏深度為影響馬臨礦區(qū)主采煤層瓦斯含量分布趨勢的主控因素。

3 瓦斯含量計算數(shù)學(xué)模型構(gòu)建及分析

3.1 數(shù)學(xué)模型構(gòu)建

采用直接法，依據(jù)國家標準《煤層瓦斯含量井下直接測定方法》，采用DGC瓦斯含量直接測定裝置對礦區(qū)內(nèi)生產(chǎn)礦井主采煤層不同埋藏深度下煤層原始瓦斯含量進行測定。礦區(qū)內(nèi)主采煤層瓦斯含量隨埋深的變化關(guān)系如圖2所示。

采用線性回歸分析法，分別研究馬臨礦區(qū)C5、C8、C12煤層瓦斯含量與埋深之間的關(guān)系，構(gòu)建瓦斯含量計算數(shù)學(xué)模型。數(shù)學(xué)模型見表2，結(jié)果如圖3所示。

表2 回歸分析得數(shù)學(xué)模型結(jié)果

3.2 瓦斯含量分布趨勢分析

從回歸分析結(jié)果可以看出，馬臨礦區(qū)主采煤層瓦斯含量隨埋深增減符合線性關(guān)系。在一定埋深范圍內(nèi)，煤層埋深每增加100 m，C5煤層瓦斯含量增加1.627 m3/t，C8煤層瓦斯含量增加1.65 m3/t，C12煤層瓦斯含量增加0.976 m3/t。使用基于煤層埋藏深度的瓦斯含量計算數(shù)學(xué)模型對主采煤層瓦斯含量為8 m3/t時的埋深進行計算。得到C5煤層在埋深大于327 m時，煤層瓦斯含量將大于8 m3/t，C8煤層在埋深大于228 m時，煤層瓦斯含量將大于8 m3/t，C12煤層在埋深大于567 m時，煤層瓦斯含量將大于8 m3/t。

4 結(jié) 語

1) 通過對比分析馬臨礦區(qū)主采煤層煤的變質(zhì)程度、煤層圍巖特征、地質(zhì)構(gòu)造以及煤層埋深因素對煤層瓦斯含量的影響，確定影響煤層瓦斯含量分布趨勢的主控因素為煤層埋深。

2) 采用線性回歸方法分析得到，馬臨礦區(qū)瓦斯含量與埋深呈擬合度較高的線性關(guān)系，構(gòu)建了基于煤層埋深的煤層瓦斯含量計算數(shù)學(xué)模型。

3) 分析了馬臨礦區(qū)主采煤層瓦斯含量分布趨勢，C5煤層在埋深大于327 m時，煤層瓦斯含量將大于8 m3/t，C8煤層在埋深大于228 m時，煤層瓦斯含量將大于8 m3/t，C12煤層在埋深大于567 m時，煤層瓦斯含量將大于8 m3/t。