青龍煤礦9 號(hào)煤層瓦斯賦存影響因素及涌出量預(yù)測(cè)

馮雨濤

（冀中股份內(nèi)蒙公司盛鑫煤業(yè)有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000）

0 引 言

煤炭資源是保障我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要資源之一，瓦斯在煤炭開(kāi)采過(guò)程中涌出，嚴(yán)重影響煤炭的高效生產(chǎn)。隨著淺部煤炭資源的逐步枯竭，開(kāi)采深度逐年增加，地質(zhì)條件越來(lái)越復(fù)雜，瓦斯問(wèn)題越來(lái)越突出。瓦斯伴隨著煤炭的演化作用生成的，生于、存儲(chǔ)于煤層及其圍巖中，以CH4為主要成分[1-2]。許多專(zhuān)家學(xué)者針對(duì)瓦斯的賦存規(guī)律及影響因素進(jìn)行研究，取得了一系列的成果，形成了瓦斯地質(zhì)相關(guān)理論。在借鑒學(xué)習(xí)前人的基礎(chǔ)上，以青龍煤礦為工程背景，結(jié)合井田地質(zhì)勘探的瓦斯地質(zhì)資料，對(duì)影響9 號(hào)煤層瓦斯賦存因素進(jìn)行分析，得到影響瓦斯賦存的主要因素，并結(jié)合得到的瓦斯分布規(guī)律，進(jìn)而預(yù)測(cè)9 號(hào)煤層在開(kāi)采過(guò)程中的瓦斯涌出量，對(duì)礦井的開(kāi)采過(guò)程中開(kāi)采規(guī)劃、瓦斯防治提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，從而指導(dǎo)青龍煤礦生產(chǎn)活動(dòng)。

1 工程概況

山西冀能青龍煤業(yè)有限公司青龍煤礦位于南距太原市區(qū)20 km，西距陽(yáng)曲縣城8 km，隸屬陽(yáng)曲縣黃寨鎮(zhèn)及東黃水鎮(zhèn)管轄，該礦處于礦井基建階段，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為0.9 Mt/a，由于煤層埋藏較深，開(kāi)拓方式均為立井開(kāi)拓。該井田含煤地層包括二疊系下統(tǒng)山西組、石炭系上統(tǒng)太原組及石炭系中統(tǒng)本溪組，可采煤層主要賦存于太原組和山西組，可采煤層為6 層煤，首采煤層為9 號(hào)煤層，埋藏深度為390 ～650 m，煤層厚度為1.60 ～6.50 m，平均為4.79 m，其中煤層中含0 ～3 層夾矸，煤層結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，賦存于山西組下部，上距K4 砂巖45.5 ～79.75 m，平均60.04 m，下距11 號(hào)煤層9.06 ～14.68 m，平均12.83 m。煤層直接頂板為粉砂巖或砂質(zhì)泥巖，底板粉砂巖或細(xì)粒砂巖。該井田斷層主要可分北東、北西向兩組，其中北西向斷層多切割、錯(cuò)斷北東向斷層，北西向斷層控制了井田的基本構(gòu)造格架，北西向斷層Fp4、Fp5、F29、F13、Fp2斷層將井田分成Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ5 個(gè)小區(qū)。

2 瓦斯賦存及影響因素

2.1 瓦斯賦存分析

瓦斯作為一種氣體儲(chǔ)存在煤層中，影響煤層瓦斯含量及其分布規(guī)律的地質(zhì)因素有很多，主要有地質(zhì)構(gòu)造、煤層的埋藏深度、煤層的頂?shù)装鍘r性、煤層厚度等其它因素。由于影響因素較多，即使同一煤層中瓦斯賦存特征也會(huì)有差別，同一礦井的不同煤層瓦斯賦存也會(huì)不同，瓦斯含量及分布規(guī)律由上述影響因素綜合影響造成，但各控制因素的影響程度是不同的[3]。

2.2 瓦斯賦存影響因素分析

通過(guò)對(duì)青龍煤礦井田地質(zhì)勘探的瓦斯地質(zhì)資料收集，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行分析，影響該礦瓦斯賦存影響因素如下。

2.2.1 煤層的埋藏深度

煤層埋藏深度是影響瓦斯賦存規(guī)律的重要因素[4]，據(jù)統(tǒng)計(jì)，隨著埋藏深度的增加，地應(yīng)力隨深度的增加而增加，煤層頂?shù)装鍘r性致密度更加緊密，不利于瓦斯的逸散，9 號(hào)煤層埋藏深度為390~650 m，隨著9 號(hào)煤層埋藏深度的增加，瓦斯的含量相應(yīng)的增加。

2.2.2 地質(zhì)構(gòu)造

斷裂構(gòu)造是地應(yīng)力使巖層發(fā)生脆性變形的一種表現(xiàn)，不同類(lèi)型、不同力學(xué)性質(zhì)的斷層對(duì)瓦斯的保存和排放有不同的影響。由于斷層的存在，煤層的連續(xù)、完整性被破壞，瓦斯的儲(chǔ)存條件發(fā)生變化。開(kāi)放性斷層因構(gòu)造力的釋放，斷層面附近形成低壓區(qū)，瓦斯逸散出去，瓦斯含量和瓦斯涌出量相對(duì)比較低；反之封閉型斷層密封性較好，瓦斯含量和瓦斯涌出量相對(duì)比較高[5-6]。青龍礦區(qū)內(nèi)共發(fā)現(xiàn)斷層38 條，斷層性質(zhì)以高角度正斷層為主，僅F25 為逆斷層。其中，落差≥100 m 的斷層4 條，≥50 ~100 m 的斷層2 條，≥30~50 m 的斷層4 條，＞10~30 m 的斷層6 條，≤10 m 的斷層22 條。北西向斷層控制了井田的基本構(gòu)造格架，其中北西向斷層Fp4、Fp5、F29、F13、Fp2將井田分成5 個(gè)小區(qū)，斷層構(gòu)造是影響青龍礦區(qū)瓦斯賦存的關(guān)鍵地質(zhì)因素。

2.2.3 頂?shù)装鍘r性

在瓦斯賦存規(guī)律中發(fā)現(xiàn)，煤層頂?shù)装鍑鷰r的透氣性，直接影響著瓦斯的賦存、運(yùn)移，致密且裂隙不發(fā)育的泥巖，有助于儲(chǔ)存瓦斯。9 號(hào)煤層的頂板為粉砂巖或砂質(zhì)泥巖，底板為粉砂巖或細(xì)粒砂巖，主要為致密結(jié)構(gòu)細(xì)碎屑巖，滲透性差，有利于瓦斯的保存，阻礙了煤層瓦斯的逸散。

3 瓦斯賦存規(guī)律分析

為了探究瓦斯煤層賦存規(guī)律，在青龍礦區(qū)布置測(cè)點(diǎn)，得到了9 號(hào)煤層瓦斯測(cè)定結(jié)果，9 號(hào)煤瓦斯含量0.89 ~ 5.29 m3/t，平均2.63 m3/t，瓦斯成分中CH4占0.00~65.67%，平均18.06%。9 號(hào)煤層瓦斯成分CH4平均18.06%，氮?dú)馄骄?2.69%，為N2、N2—CH4、N2—CO2帶。

表1 9 號(hào)煤層瓦斯含量及成分測(cè)定成果Table 1 Gas content and composition determination results of No.9 coal seam

瓦斯含量分布與煤層埋深、斷層分布特征關(guān)系密切，煤層埋深越大瓦斯含量越大，埋深較大區(qū)域個(gè)別點(diǎn)受斷層帶的影響瓦斯含量較低；9 號(hào)煤由淺部至深部，瓦斯含量逐漸增高；在F29 與F1-1 斷層之間表明尤為明顯，與煤層埋深規(guī)律一致。依據(jù)9 號(hào)煤層的埋藏深度以及瓦斯含量梯度，繪制了9號(hào)煤層瓦斯含量等值線圖，平面上各可采煤層在F29 斷層以東瓦斯含量較低，以西較高。9 號(hào)煤瓦斯含量等值線圖如圖1 所示。

4 瓦斯量預(yù)測(cè)

為了保障青龍煤礦的安全生產(chǎn)，依據(jù)礦井瓦斯賦存規(guī)律及生產(chǎn)規(guī)劃，利用分源預(yù)測(cè)法對(duì)礦井瓦斯涌出量進(jìn)行了合理預(yù)測(cè)，對(duì)礦井回采（包括開(kāi)采層、圍巖和鄰近層）、掘進(jìn)及采空區(qū)瓦斯涌出量進(jìn)行計(jì)算，并結(jié)合河南理工大學(xué)編制的《山西冀能青龍煤業(yè)有限公司9 號(hào)、11 號(hào)和13 號(hào)煤層瓦斯涌出量預(yù)測(cè)》報(bào)告（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“瓦斯涌出量預(yù)測(cè)”），預(yù)測(cè)結(jié)果為：青龍煤礦在開(kāi)采9 號(hào)煤層時(shí)，礦井最大絕對(duì)瓦斯涌出量為10.64 m3/min，最大相對(duì)瓦斯涌出量為5.62 m3/t；回采工作面最大絕對(duì)瓦斯涌出量為3.42 m3/min；掘進(jìn)工作面最大絕對(duì)瓦斯涌出量為1.22 m3/min。山西冀能青龍煤業(yè)有限公司青龍煤礦目前處于礦井基建階段，瓦斯地質(zhì)參數(shù)較少，建議在開(kāi)拓至新水平、新采區(qū)時(shí)，補(bǔ)充測(cè)定瓦斯參數(shù)，并根據(jù)測(cè)定結(jié)果和采掘方案調(diào)整情況，及時(shí)修正礦井瓦斯涌出量預(yù)測(cè)結(jié)果。

圖1 9 號(hào)煤瓦斯含量等值線圖Fig.1 Gas content contour map of No.9 coal

5 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)青龍煤礦9 號(hào)煤層瓦斯賦存影響條件進(jìn)行分析，并根據(jù)測(cè)定結(jié)果得到9 號(hào)煤層瓦斯含量等值線，對(duì)煤層開(kāi)采過(guò)程中瓦斯涌出量進(jìn)行預(yù)測(cè)。

（1） 9 號(hào)煤層瓦斯賦存影響因素主要有煤層的埋藏深度、地質(zhì)構(gòu)造斷層、頂?shù)装鍘r性等因素；埋藏深度、斷層影響瓦斯賦存的關(guān)鍵地質(zhì)因素。

（2） 開(kāi)采9 號(hào)煤層時(shí)，礦井最大絕對(duì)瓦斯涌出量為10.64 m3/min，最大相對(duì)瓦斯涌出量為5.62 m3/t；回采工作面最大絕對(duì)瓦斯涌出量為3.42 m3/min；掘進(jìn)工作面最大絕對(duì)瓦斯涌出量為1.22 m3/min，可為青龍煤礦在開(kāi)采規(guī)劃、瓦斯防治提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。