文家坡煤礦4 號煤層瓦斯賦存規(guī)律探究

李浩

（陜西煤田地質(zhì)勘查研究院有限公司，陜西 西安 710021）

瓦斯是煤層在地質(zhì)演變過程中形成的伴生物，是煤礦生產(chǎn)中的有害因素之一[1-3]。煤層的瓦斯賦存規(guī)律是礦井制定瓦斯治理措施的基礎(chǔ)，對煤礦的安全生產(chǎn)異常重要，針對這個問題，王改明[4]以文家坡煤礦地質(zhì)構(gòu)造特征、頂?shù)装鍘r性和煤層埋深為影響因素，對礦井4 號煤層進(jìn)行了簡要分析，認(rèn)為煤層埋深是影響煤層瓦斯含量的主控因素。由于其分析缺乏基礎(chǔ)資料支撐，大多分析不夠深入、不夠系統(tǒng)，對礦區(qū)瓦斯的賦存規(guī)律把握不夠準(zhǔn)確。本文立足于礦區(qū)勘探以來積累的翔實(shí)的基礎(chǔ)資料，從五個方面較為系統(tǒng)、深入地分析礦區(qū)的瓦斯賦存規(guī)律，為煤礦未來的安全生產(chǎn)提供了較為翔實(shí)的瓦斯方面的參考資料。

1 礦井概況

文家坡煤礦位于彬長礦區(qū)東部，行政區(qū)劃隸屬陜西省彬州市管轄，其北側(cè)、東側(cè)為無煤區(qū)，南側(cè)與火石咀煤礦相鄰，西北側(cè)與胡家河煤礦相鄰，西南側(cè)與小莊煤礦相鄰，見圖1。礦井規(guī)劃面積約為87.39 km2,生產(chǎn)能力為400 萬t/a，主采4 號煤層，全礦井劃分為13個盤區(qū)，礦井瓦斯等級為高瓦斯。

圖1 文家坡煤礦周邊礦權(quán)關(guān)系

2 構(gòu)造

彬長礦區(qū)位于鄂爾多斯盆地南部渭北北緣的彬縣-黃陵拗褶帶?？傮w構(gòu)造形態(tài)為中生界構(gòu)成的NW緩傾大型單斜構(gòu)造[5-6]。其單斜之上發(fā)育了一些寬緩而不連續(xù)的褶皺。區(qū)內(nèi)主要為一系列NEE 向的同沉積背向斜。向斜兩翼寬緩，傾角為1～6°，背斜相對寬度較小。背斜從南到北有彬縣背斜、路家-小靈臺背斜、董家莊背斜礦區(qū)北部的七里鋪-西坡背斜,背斜之間為師家店、南玉子向斜和孟村向斜,見圖2。

圖2 區(qū)域構(gòu)造

文家坡煤礦位于路家-小靈臺背斜與里村小背斜之間的南玉子向斜的東端。區(qū)內(nèi)構(gòu)造簡單，地層平緩，構(gòu)造線呈NEE 向，向斜兩翼寬緩，傾角為1～6°。南玉子向斜在西部表現(xiàn)較為明顯，向東逐漸消失。在NEE向構(gòu)造線的基礎(chǔ)上，發(fā)育一系列NNW 向的小型褶曲，構(gòu)成井田的構(gòu)造格架。未發(fā)現(xiàn)大中型斷裂，生產(chǎn)中揭露數(shù)條小斷層，見圖3。

圖3 文家坡煤礦構(gòu)造綱要

3 煤層

文家坡煤礦含煤地層為侏羅系延安組，含煤9 層，自上而下編號為：1、2、3、4 上1、4 上2、4 上、4、4 下1、4 下2，可采煤層5 層，其中1、2、4 和4 煤分叉煤層4 下1 煤層為大部可采煤層，3 煤層為局部可采煤層，其余為不可采煤層。

4 煤層瓦斯主要基礎(chǔ)參數(shù)

4.1 煤礦瓦斯含量及分帶

根據(jù)以往地質(zhì)勘探資料和井下瓦斯實(shí)測資料，利用解吸法在文家坡煤礦內(nèi)40 個鉆孔中采取瓦斯樣40個，井下施測22 個點(diǎn)，采取瓦斯樣20 個，采樣樣品質(zhì)量均合格。通過分析發(fā)現(xiàn)，其自然瓦斯成分以氮?dú)鉃橹?，深部CH4含量增加，干燥無灰基瓦斯含量為0.01～3.75 ml/g，見表1。文家坡煤礦瓦斯以CO2-N2帶為主，其次為N2-CH4帶，見圖4。瓦斯含量測試點(diǎn)主要分布在41 盤區(qū)和42 盤區(qū)，見圖4。

圖4 文家坡煤礦瓦斯含量測試點(diǎn)分布及底板等高線

4.2 井下瓦斯參數(shù)測定

對開采的4 號煤層瓦斯含量進(jìn)行鑒定：4 號煤層瓦斯含量為0.85～3.75 m3/t（見表1）；瓦斯壓力為0.32～0.64 MPa，平均為0.46 MPa；煤對瓦斯的吸附常數(shù)a 值為22.209～35.380 m3/t.r，平均為25.27 m3/t.r；b值為0.620～0.895 MPa-1，平均為0.809 MPa-1；孔隙率為5.37%～8.61%，平均為7.01%；煤層透氣性系數(shù)λ為0.13～0.39 m2/MPa2·d，平均為0.231 m2/MPa2·d；鉆孔自然瓦斯流量衰減系數(shù)為0.012 3～0.048 0 d-1，平均為0.031 d-1。

5 瓦斯賦存規(guī)律研究

5.1 地質(zhì)構(gòu)造對瓦斯賦存的影響

煤礦內(nèi)瓦斯主要受褶曲構(gòu)造的控制，構(gòu)造分布的不均衡性導(dǎo)致了瓦斯分布的不均衡性。

（1）斷層對煤層瓦斯的控制

在文家坡煤礦中未發(fā)現(xiàn)大中型斷裂，生產(chǎn)中揭露數(shù)條小斷層，斷層以小型正斷層為主，結(jié)構(gòu)面大部分具有拉張性質(zhì)，斷層面疏松，不利于瓦斯的保存，其附近瓦斯逸散，瓦斯含量偏低。例如，區(qū)內(nèi)小斷層附近的8-1 鉆孔和8-2 鉆孔的瓦斯含量分別為0.20 ml/g.daf、0.23 ml/g.daf，與周邊鉆孔的瓦斯含量相比，數(shù)據(jù)較小，見圖5。

（2）褶曲對煤層瓦斯的控制

文家坡煤礦褶曲分為NEE 褶曲和NNW 褶曲，其中煤礦內(nèi)大部分區(qū)域處于NEE 褶曲的路家-小靈臺背斜（東部）北翼與里村小背斜（東部）南翼之間，中間局部形成NEE 褶曲的南玉子向斜寬緩聚煤凹陷區(qū)，在此基礎(chǔ)上，孟村向斜與里村小背斜之間發(fā)育了NNW 褶曲（背斜和向斜各3 個）。區(qū)內(nèi)路家-小靈臺背斜、里村小背斜、B1 背斜和B2 背斜控制該區(qū)域的瓦斯賦存。背斜周邊地勢相對較高，利于瓦斯的聚集，反之亦然。參照井上瓦斯含量測值，由圖5 可以看出，路家-小靈臺背斜兩側(cè)、里村小背斜南翼、B2 背斜兩側(cè)和B1 背斜西側(cè),瓦斯含量相對較高，南玉子向斜附近瓦斯含量相對較小。路家-小靈臺背斜南翼鉆孔11-2 的瓦斯含量為0.69 ml/g.daf，北翼鉆孔6-1、鉆孔6-2 和鉆孔9-5 的瓦斯含量分別為0.71 ml/g.daf、0.68 ml/g.daf 和0.88 ml/g.daf；里村小背斜南翼鉆孔12-3 的瓦斯含量為0.71 ml/g.daf；B2 背斜西翼鉆孔4-8 的瓦斯含量為0.31 ml/g.daf，東翼鉆孔5-9 的瓦斯含量為0.14 ml/g.daf；B1 背 斜 西 側(cè) 鉆 孔23 的瓦斯含量為1.29 ml/g.daf。南玉子向斜南翼鉆孔2-3、鉆孔6-5和鉆孔8-4 的瓦斯含量分別為0.01 ml/g.daf 和0.02 ml/g.daf 和0.05 ml/g.daf，背斜鉆孔4-6 和鉆孔7-8 的瓦斯含量分別為0.11 ml/g.daf 和0.04 ml/g.daf。由表1 可以看出，路家-小靈臺背斜兩側(cè)、里村小背斜南翼、B1 背斜西側(cè)這幾個鉆孔瓦斯含量是區(qū)內(nèi)井上瓦斯含量測值中較大的幾個值，B2 背斜兩側(cè)鉆孔的瓦斯含量是其周邊鉆孔中瓦斯含量相對較大的；南玉子向斜兩翼鉆孔瓦斯含量值基本為區(qū)內(nèi)瓦斯含量最小幾個值。比較B2 背斜、路家-小靈臺背斜及里村小背斜底板標(biāo)高可以看出，B2 背斜附近的底板標(biāo)高遠(yuǎn)小于路家-小靈臺背斜和里村小背斜底板。因此，背斜附近的底板標(biāo)高也不同程度地影響著瓦斯富集程度。

圖5 文家坡瓦斯含量等值線

表1 煤層瓦斯含量測定匯總

由上文可知，文家坡煤礦受區(qū)內(nèi)褶曲的影響，在背斜兩翼（或一翼）附近形成了易于瓦斯富集的區(qū)域，背斜附近底板標(biāo)高越高越有利于瓦斯的富集；向斜兩翼不利于瓦斯的富集。區(qū)內(nèi)在路家-小靈臺背斜兩翼、里村背斜南翼、B2 背斜兩翼和B1 背斜西翼，形成了瓦斯富集區(qū)。B2 背斜兩翼底板標(biāo)高相對較小，瓦斯富集程度相對較小。

綜上所述，地質(zhì)構(gòu)造對文家坡煤礦瓦斯的賦存影響較大，其中背斜附近瓦斯含量相對較高，向斜附近瓦斯含量相對較低。受局部小斷層的影響，構(gòu)造的封閉性變差，導(dǎo)致部分構(gòu)造區(qū)域瓦斯含量發(fā)生不同程度的下降。

5.2 頂?shù)装鍘r性對瓦斯賦存的影響

頂?shù)装鍘r性特征包括巖石的孔隙率、滲透性和孔隙結(jié)構(gòu)等要素。煤層頂?shù)装鍘r性對瓦斯賦存的影響，最終取決于它的隔氣性和透氣性。當(dāng)煤層頂?shù)讕r性為致密完整的巖石(如頁巖和泥巖)時，煤層中的瓦斯容易被保存下來，瓦斯壓力較大、瓦斯含量較高，而且煤與瓦斯突出危險程度增大；而頂?shù)装鍨槎嗫紫痘虼嘈粤严栋l(fā)育的巖石（如礫巖和砂巖）區(qū)域時，瓦斯封存條件較差，裂隙發(fā)育，瓦斯壓力相對較小，瓦斯含量相對較低，煤與瓦斯突出的危險程度較小。煤層圍巖的隔氣性和透氣性能直接影響瓦斯的保存條件。

文家坡煤礦4 號煤層頂板多為泥巖，其次為細(xì)-粗粒砂巖，少量粉砂巖，在賦煤區(qū)中西部地區(qū)，因被古河流沖刷，煤層頂板偶有粗粒砂巖，底板一 般為灰色含鋁質(zhì)泥巖或粉砂巖。為了便于分析，繪制了文家坡煤礦煤層氣頂板巖性和瓦斯含量關(guān)系圖，見圖6。由圖6 可以看出，煤層頂板為泥巖時，瓦斯含量相對較高，煤層頂板為砂巖時，瓦斯含量相對較低。由此可以看出，4 號煤層頂板圍巖巖性與瓦斯含量具有一定的相關(guān)性。

圖6 煤層頂板巖性與瓦斯含量關(guān)系

5.3 巖漿分布對瓦斯賦存的影響

文家坡煤礦范圍內(nèi)未發(fā)現(xiàn)巖漿巖。

5.4 煤層埋深對瓦斯賦存的影響

大量研究表明煤層埋深對瓦斯賦存的影響很大。在影響煤層瓦斯含量的眾多地質(zhì)因素中，煤層上覆巖體的厚度對瓦斯保存和逸散起著直接作用，煤層埋深被認(rèn)為是最具普遍性的因素之一。瓦斯的逸散以擴(kuò)散方式為主，空間兩點(diǎn)之間的濃度差是其擴(kuò)散的主要動力。在其他初始條件相似情況下，煤層上覆越厚，達(dá)到中值濃度或者擴(kuò)散終止所需要的時間就越長。煤層本身為一種高度致密的低滲透性巖層，上部分層和下部分層對中部分層有強(qiáng)烈封蓋作用，煤層越厚，中部分層中瓦斯向頂?shù)装鍞U(kuò)散的路徑就越長，擴(kuò)散阻力就越大，對瓦斯的保存越有利。根據(jù)地質(zhì)資料和實(shí)測的瓦斯含量、瓦斯壓力點(diǎn)分析，在煤礦范圍內(nèi)煤層瓦斯含量、瓦斯壓力與煤層埋深關(guān)系密切，瓦斯含量、瓦斯壓力、礦井瓦斯涌出量隨著埋深的增加而增加，煤層埋深的增加不僅會使地應(yīng)力增加，也會使煤層和圍巖的透氣性降低，同時瓦斯向地面的運(yùn)移距離增加，兩者都有利于瓦斯的保存，而不利于瓦斯的逸散。

從收集到的文家坡煤礦資料來看，文家坡煤礦4號煤層埋深在478～811 m 之間，由圖7 可以看出，煤層埋深較大區(qū)域主要位于里村背斜南翼、路家－小靈臺背斜南部及42 盤區(qū)向斜附近，參照圖6 內(nèi)容可知，這些地方大多為瓦斯含量較高的區(qū)域，由此可以得出，文家坡煤礦4 號煤層瓦斯含量與煤層埋深有較高的相關(guān)性。隨著煤層埋深的增加，煤層瓦斯含量有相對逐漸增高的趨勢，見圖8。另外，隨著煤層埋深的增加，甲烷濃度也有增高的趨勢，見圖9。這說明煤層埋藏越深，上覆基巖厚度越大，瓦斯向地表運(yùn)移的距離越長，地應(yīng)力增加，使煤層和圍巖的透氣性變差，煤層瓦斯越難通過覆蓋地層逸散，瓦斯含量就越高，二者相關(guān)性較高。

圖7 文家坡煤礦4 號煤層埋深等值線

圖8 4 號煤層埋深與瓦斯含量關(guān)系

圖9 煤層埋深與甲烷濃度關(guān)系

5.5 沖刷帶對瓦斯賦存的影響

在文家坡煤礦首采區(qū)采掘過程中揭露了古河床沖刷帶，整個沖刷帶從西南指向東北，周邊有零星沖刷區(qū)塊，見圖10。

圖10 文家坡煤礦沖刷帶

為了探究同生沖刷帶對煤礦瓦斯賦存和涌出的影響，在井下4104 工作面和4105 工作面實(shí)測了沖刷帶和正常煤層瓦斯含量，發(fā)現(xiàn)沖刷帶瓦斯含量與正常煤層瓦斯含量均在1.7 m3/t 左右，說明同生沖刷帶對瓦斯賦存影響不大，原因有以下兩點(diǎn)。

（1）沖刷帶為同生沖刷帶，呈帶狀分布，沖刷帶頂板與正常煤層頂板巖性相同且連續(xù)，具有統(tǒng)一的壓力系統(tǒng)。

（2）沖刷帶大部位于南玉子向斜及延伸區(qū)，受古地形影響，該區(qū)域?yàn)楣虐枷?，有利于成煤，煤層厚度均?6 m 以上，同生沖刷帶僅對接觸帶煤質(zhì)有影響，對沖刷帶下部煤層煤質(zhì)影響不大，因此對沖刷帶煤層吸附氣含量影響均不大。

5.6 煤層厚度對瓦斯賦存的影響

一般認(rèn)為，煤層越厚，生成瓦斯的總量就越大。文家坡煤礦4 號煤層總體較厚，具有良好的原始瓦斯生成能力。特別是41 盤區(qū)和42 盤區(qū)大范圍位于聚煤凹陷區(qū)，沉積了巨厚煤層。與其他區(qū)域相比，該區(qū)域瓦斯生成能力較高。由圖11 可以看出，文家坡煤礦4 號煤層隨著煤層厚度增加瓦斯含量有逐漸增高的趨勢。

圖11 4 號煤層煤厚與瓦斯含量關(guān)系

6 結(jié)論

（1）文家坡煤礦受構(gòu)造賦煤的影響，在背斜區(qū)域附近瓦斯含量相對較高，在向斜區(qū)域附近瓦斯含量相對較低。受局部小斷層的影響，構(gòu)造的封閉性變差，造成部分構(gòu)造區(qū)域瓦斯含量有不同程度的下降。

（2）煤層埋深與區(qū)域瓦斯含量的相關(guān)性較高，基本遵循埋藏越深瓦斯含量越高的規(guī)律。

（3）煤層頂、底板巖性與瓦斯含量具有弱相關(guān)性，其中頂板為泥巖時，瓦斯含量相對較高，頂板為砂巖時，瓦斯含量相對較低。沖刷帶對區(qū)域瓦斯含量影響有限。

（4）煤層厚度與瓦斯含量也有一定的相關(guān)性，隨著煤層厚度的增加，瓦斯含量有增高的趨勢。