山西神州煤業(yè)井田煤層瓦斯賦存規(guī)律研究

周衛(wèi)博

(山西省礦業(yè)聯(lián)合會，山西 太原 030001)

1 地質(zhì)概況

山西神州煤業(yè)公司井田位于河東煤田中段離柳礦區(qū)的北部，井田內(nèi)主要含煤地層為山西組和太原組，地層總厚138.24 m，煤層總厚9.83 m，含煤系數(shù)為7.11%。區(qū)內(nèi)可采煤層包括山西組4號煤層和太原組8、10號煤層。其中4號煤厚0.28～2.03 m，平均1.49 m；8號煤厚0.92～2.10 m，平均1.33 m；10號煤厚1.40～6.86 m，平均3.26 m。

本井田為一寬緩的不對稱向斜構造，即中陽-離石向斜[1]。向斜軸在井田的南部走向為北北東，中部走向為近南北，向北逐漸轉(zhuǎn)向北北西；該向斜軸部較寬緩，兩翼傾角相差很大，東翼較緩，傾角為2°～3°，西翼較陡，傾角為15°～25°。中陽-離石向斜軸部兩側發(fā)育4條次一級褶曲。井田內(nèi)共發(fā)育77條斷層，均為正斷層，其中落差大于3m的斷層有13條。井田范圍內(nèi)無巖漿巖侵入現(xiàn)象。

2 煤層瓦斯賦存特征

2.1 各煤層瓦斯含量

各煤層鉆孔瓦斯含量測試結果見表1。(1)4號煤層瓦斯含量為0.07～4.50 m3/t，井田西部煤層露頭附近瓦斯含量很低，井田東南部瓦斯含量高，最高達4.50 m3/t。(2)8號煤層瓦斯含量0.27～7.51 m3/t，平均2.97 m3/t，井田西部煤層露頭附近瓦斯含量低，東南部和北部瓦斯含量高，分別達7.51 m3/t和7.38 m3/t。(3)10號煤層瓦斯含量0.17～10.37 m3/t，平均4.51 m3/t。井田西部煤層露頭附近瓦斯含量低，井田東南、東北、西南部瓦斯含量高，最高達10.37 m3/t和7.77 m3/t，個別鉆孔(B15)瓦斯含量超過10 m3/t。

總體來看，平面上，神州煤業(yè)4、8、10號煤層瓦斯含量在井田東、北、南部較高；層位上，10號煤層瓦斯含量最高，8號煤層次之，4號煤層最低，瓦斯含量具有隨埋深增加而加大的趨勢。

2.2 各煤層瓦斯成分

各煤層瓦斯成分見表1。其中4號煤層瓦斯成分以氮氣為主，占31.44%～99.17%，平均54%；其次為甲烷(CH4)，占37.41%；二氧化碳(CO2)占8.42%，烴系列(C2-C8)微量?？傮w上，該煤層以氮氣帶為主，在井田東南部分布有氮氣—甲烷帶。

8號煤層瓦斯成分以氮氣(N2)為主，占57.18%；其次為甲烷(CH4)，平均占37.87%；二氧化碳(CO2)占11.23%，烴系列(C2-C8)微量。該煤層在井田西部煤層露頭附近分布有氮氣-二氧化碳帶，接著為狹長的氮氣帶，在井田北部、東部、南部的絕大部分為氮氣-甲烷帶。

10號煤層瓦斯成分以氮氣(N2)為主，平均占45.22%，其次為甲烷(CH4)，平均占39.99%，二氧化碳(CO2)占14.64%，烴系列(C2-C8)微量。在井田西部煤層露頭附近分布有氮氣-二氧化碳帶，井田中部的一小部分為氮氣帶，在井田北部、東南部分布有氮氣-甲烷帶，井田東部和南部分布有甲烷帶。

表1 鉆孔瓦斯含量測定結果

3 煤層瓦斯含量影響因素分析

3.1 斷層、褶皺構造

煤層構造形態(tài)特征對瓦斯保存有重要影響。(1)斷層的影響：本井田內(nèi)發(fā)現(xiàn)多處落差在0.5～5 m之間的斷層，如4號煤層五采區(qū)4501工作面軌道順槽掘進時期，遇落差為5.5 m的正斷層，在遠離該斷層時，回風流瓦斯?jié)舛葍H為0.03%；接近斷層后，瓦斯?jié)舛壬仙?.08%～0.12%之間，呈現(xiàn)增大的趨勢。(2)褶皺構造的影響：向斜構造的兩翼與軸部中和面以上為壓應力場，這些區(qū)域?qū)儆趹械母邏簠^(qū)；軸部中和面以下處于拉伸張應力場，這些區(qū)域煤層埋深往往較大，只有少量開放性裂隙產(chǎn)生，同時伴隨部分應力釋放，形成相對低壓區(qū)。因此，向斜的兩翼和軸部中和面以上是利于瓦斯封存和聚集的部位，特別是向斜的軸部是瓦斯含量高異常區(qū)，例如井田內(nèi)8、10號煤層瓦斯含量高的B13、B10、B15號鉆孔、4號煤層4307運輸順槽內(nèi)W-2瓦斯測試點均位于向斜軸附近；井田西部向斜西翼翹起端鉆孔瓦斯含量均低。

3.2 煤層埋深

據(jù)(圖1a)可知，4號煤層瓦斯含量隨埋深增大沒有規(guī)律性，這是由于中陽-離石向斜、白家莊向斜及次級褶皺構造共同作用的結果。井田內(nèi)8、10號煤層瓦斯含量隨煤層埋深增加而逐漸加大(圖1b、圖1c)，其中，8號煤層瓦斯含量增長梯度為0.93 m3/t/100 m，10號煤層瓦斯含量增長梯度為1.03 m3/t/100 m。隨埋藏深度的增加，一方面，煤層孔隙流體壓力增加，有利于更多氣體在煤基質(zhì)表面吸附；另一方面，地應力增高使煤層及圍巖的透氣性變差，瓦斯逸散更困難，二方面都有利于封存瓦斯[2]。因此，8、10號煤層瓦斯含量與煤層埋深呈顯著的正相關關系。

(a-4號煤層，b-8號煤層，c-10號煤層)

3.3 頂?shù)装鍘r性

一般來說，煤層頂?shù)装鍘r性為致密完整的巖石，如頁巖、油母頁巖時，煤層中的瓦斯容易保存；頂?shù)装鍨槎嗫紫痘虼嘈粤严栋l(fā)育的巖石，如礫巖、砂巖時，瓦斯就容易逸散。

本井田范圍內(nèi)的4號煤層頂?shù)装鍨樯百|(zhì)泥巖、泥巖、砂巖，巖性變化不大，并且開采過程中也未發(fā)現(xiàn)頂?shù)装逋咚巩惓栴}，因此頂?shù)装鍖?號煤層煤層瓦斯含量影響不明顯。神州煤業(yè)下組煤開掘以來，掘進工作面瓦斯涌出量不斷增大，嚴重影響工作面的正常推進及安全生產(chǎn)，特別是開掘8103運輸巷時，絕對瓦斯涌出量已達7.5 m3/min。經(jīng)分析，瓦斯主要來源于8號煤層上覆太原組L1灰?guī)r。該層灰?guī)r本身不具生烴能力，其中瓦斯由下部8、10號煤層中運移而來[3]，富集存儲在灰?guī)r的溶洞及裂隙空間。因此，在本煤礦開采過程中要注意煤層附近灰?guī)r層中瓦斯富集的影響。

3.4 其他因素

井田內(nèi)巖溶陷落柱對于煤層瓦斯賦存規(guī)律影響不明顯，例如在礦井三采區(qū)運輸下山掘進時期遇見陷落柱，在揭露該陷落柱前，工作面配風量為181 m3/min，回風流瓦斯?jié)舛葹?.04%，瓦斯絕對涌出量為0.07 m3/min；在揭露和通過陷落柱時，瓦斯未見異常，持續(xù)保持在0.03%～0.05%之間。

此外，井田范圍內(nèi)未發(fā)現(xiàn)巖漿活動，實際生產(chǎn)過程中亦未發(fā)現(xiàn)或揭露巖漿巖。因此，本區(qū)煤層瓦斯賦存不存在巖漿活動的影響。

4 結語

(1)平面上，神州煤業(yè)4、8、10號煤層瓦斯含量在井田東、北、南部較高；層位上，10號煤層瓦斯含量最高，8號煤層次之，4號煤層最低，瓦斯含量具有隨埋深增加而加大趨勢。4號煤層瓦斯分布特征以氮氣帶為主，在井田東南部分布有氮氣—甲烷帶；8號煤層在井田北部、東部、南部的絕大部分為氮氣-甲烷帶；10號煤層在井田北部、東南部分布有氮氣-甲烷帶，井田東部和南部分布有甲烷帶。

(2)煤層構造形態(tài)特征對瓦斯保存有重要影響，煤層距離正斷層越近，瓦斯含量呈現(xiàn)增大的趨勢；研究區(qū)向斜的軸部是瓦斯含量高異常區(qū)，井田西部向斜西翼翹起端鉆孔瓦斯含量均低。井田4號煤層瓦斯含量隨埋深增大沒有規(guī)律性，8、10號煤層瓦斯含量具有隨煤層埋深增加而加大的趨勢。太原組L1灰?guī)r中富集由8、10號煤層中運移而來的瓦斯氣體，在煤礦開采過程中需加以注意。