楊柳煤礦10號煤層瓦斯賦存規(guī)律研究

程曉陽

（1.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400037； 2.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400037）

瓦斯災(zāi)害是制約高瓦斯、突出礦井安全、高效開采的主要原因之一。雖然我國在瓦斯災(zāi)害治理方面取得了顯著成效，但瓦斯事故依然未從根本上得到遏制，并且隨著開采深度和強(qiáng)度的增加，煤礦瓦斯災(zāi)害防治與安全生產(chǎn)之間的矛盾更加凸顯［1-3］。

為實(shí)現(xiàn)瓦斯災(zāi)害的精準(zhǔn)防控，厘清煤層瓦斯賦存特征是首要工作［4］。鑒于此，國內(nèi)外專家學(xué)者做了大量研究。肖鵬等通過數(shù)值模擬研究了煤系正斷層形成后的瓦斯運(yùn)移規(guī)律，并基于瓦斯含量和涌出量的監(jiān)測得出：正斷層兩側(cè)易形成瓦斯富集區(qū)［5］。姚春雨、康付如等研究了大中型斷層對瓦斯賦存的影響［6-7］。周洋等、田煥志等、孫小朋等研究了不同地質(zhì)構(gòu)造類型對瓦斯賦存的影響［8-10］。蔣靜宇、朱有彬等研究了巖漿巖侵入對瓦斯賦存的影響［11-12］。李永沖等、張明杰等、黃波等研究了水文地質(zhì)對瓦斯賦存的影響［13-15］。孫重興研究了煤層厚度對瓦斯賦存的影響［16］。張廣政以黑塘煤礦主采煤層為研究對象，分析了不同深度煤層的瓦斯參數(shù)變化規(guī)律，結(jié)果表明：該區(qū)域大致以800m 埋深為界存在“應(yīng)力轉(zhuǎn)折點(diǎn)”，瓦斯含量與埋深的關(guān)系趨于復(fù)雜［17］。

上述研究成果揭示了不同因素對瓦斯賦存的影響規(guī)律，成果豐富。然而，煤層瓦斯賦存狀態(tài)受諸多因素影響，且作用機(jī)理復(fù)雜，不同井田、不同礦區(qū)、甚至不同煤層瓦斯的賦存規(guī)律都具有顯著差異性［18］。因此，針對楊柳煤礦10號煤層進(jìn)行瓦斯賦存規(guī)律分析，從區(qū)域?qū)用姘芽孛簩油咚箍臻g分布特征，對楊柳煤礦的瓦斯災(zāi)害防治具有重要的指導(dǎo)意義。

1 礦井概況

1.1 井田構(gòu)造特征

楊柳煤礦位于童亭背斜東翼的北端，淺部走向近南北，深部由于斷層的切割，地層走向變化較大，地層傾向總體向東；地層傾角2°～29°，一般5°～24°。次一級小褶曲和斷裂構(gòu)造較發(fā)育，巖漿活動(dòng)較為強(qiáng)烈，構(gòu)造復(fù)雜程度綜合評價(jià)為中等類型（圖1）。

圖1 楊柳煤礦井田構(gòu)造綱要圖Figure 1 Structural outline map of Yangliu coal mine

1.2 煤層概況

楊柳煤礦設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為180 萬t/a，礦井主采82號和10 號煤層，目前僅開采10 號煤層。10 號煤層位于山西組，上距82號煤層54.35～88.49m，平均75.41m，下距太原組一灰頂界面約60m。煤層的煤厚為0～4.2m，平均厚度3.21m，煤的破壞類型為Ⅲ-Ⅳ，煤層堅(jiān)固性系數(shù)為0.56～1.1。煤類主要為1/3 JM，F(xiàn)M 次之，少量其它煤類。經(jīng)鑒定：楊柳煤礦10號煤層為煤與瓦斯突出煤層，實(shí)測最大瓦斯壓力2.65MPa，最大瓦斯含量13.63m3/t。

2 煤層瓦斯賦存影響因素分析

2.1 地質(zhì)構(gòu)造

（1）褶曲

礦井內(nèi)較大的褶曲有牛小集背斜、馬家背斜、小周家向斜。牛小集背斜軸向北西，軸長約4km，背斜寬窄不等，南、北兩段東翼陡，西翼緩；中段東翼緩，西翼陡，波幅數(shù)十米，被戴廟斷層、大侯家斷層切割。馬家背斜軸向北東，軸長約3km，背斜寬約2.5km，北翼陡，南翼緩，波幅大于250m，其南翼被大牛家斷層切割。小周家向斜在楊柳支斷層北側(cè)，軸向北西；在其南側(cè)，軸向轉(zhuǎn)向北東，軸長約3km，波幅大于200m，被楊柳支斷層、楊柳斷層切割。在礦井生產(chǎn)期間，已揭露的10號煤層頂?shù)装逯邪l(fā)現(xiàn)小褶曲較為發(fā)育，這些小褶曲主要分布于規(guī)模較大的褶曲兩翼或大中型斷層兩側(cè)，小褶曲一般無明顯規(guī)律可循，背斜上凸不高，向斜下凹不深。因此，在較大褶曲對煤層瓦斯賦存有影響，而小褶曲僅在局部范圍內(nèi)對煤層瓦斯賦存產(chǎn)生影響。

（2）斷層

根據(jù)楊柳礦的地勘探測和工程揭露，該礦井的斷層較為發(fā)育。目前已揭露H＜5m 的斷層1 197條，5≤H＜10m 的斷層698 條，10≤H＜20m 的斷層406 條，20≤H＜50m 的斷層213 條，50≤H＜100m 的斷層40 條，H≥100m 的斷層14 條，且斷層主要以正斷層為主。小斷層主要分布于大中斷層兩側(cè)，分布規(guī)律較明顯，其走向與大斷層基本一致或以小角度相交，呈平行斜列。這些斷層縱橫交錯(cuò)，將煤層進(jìn)行不同程度地切割，使煤層錯(cuò)斷不連續(xù)，進(jìn)而影響煤層瓦斯賦存規(guī)律。

2.2 煤層厚度

楊柳煤礦10號煤層的厚度整體變化范圍不大，以中厚煤為主，平均3.21m，大部分煤層厚度都分布在2.5～3.5m。因此，煤層厚度相對穩(wěn)定，對瓦斯賦存的影響作用不顯著。

2.3 頂?shù)装鍘r性

楊柳煤礦10 號煤層頂板以泥巖、粉砂巖為主，細(xì)粒以上砂巖少；底板以粉砂巖、砂巖為主，泥巖較少。其孔隙率低，透氣性差，易于瓦斯的封存。雖然受巖漿巖不同程度的侵入或斷層影響，頂?shù)装宓耐暾砸欢ǔ潭仁艿狡茐?，形成瓦斯逸散的通道，但是影響區(qū)域較小。因此，頂?shù)装鍘r性對煤層瓦斯賦存的影響不顯著。

2.4 水文地質(zhì)

楊柳煤礦10號煤的頂?shù)装迳皫r裂隙水是礦井開拓和煤層開采的直接充水水源，是礦井涌水量的主要組成部分。煤系砂巖和巖漿巖裂隙發(fā)育不均，富水性弱。從井下揭露來看，大中型斷層多數(shù)無水且導(dǎo)水性差；小斷層亦是富水性弱，導(dǎo)水性差，加上10號煤層頂板巖性以泥巖為主，為瓦斯提供了良好的賦存條件。因此，水文地質(zhì)對瓦斯賦存的影響較小。

2.5 巖漿巖侵入

楊柳煤礦10號煤受巖漿巖侵入的影響較大，侵蝕區(qū)主要分布在礦井中部和東北部，侵蝕區(qū)約占該煤層資源量估算面積的1/4。巖漿主要從煤層中部侵入，部分從底部侵入，少量從中上部侵入。受巖漿巖侵入的影響，煤層被巖漿穿插，出現(xiàn)分叉合并現(xiàn)象，使煤層夾矸增多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可采性變差，在巖漿巖侵入?yún)^(qū)均未布設(shè)采煤工作面。因此，巖漿巖侵入對工作面瓦斯賦存的影響也較小。

2.6 煤層埋藏深度

研究表明：在一定埋藏深度內(nèi)，瓦斯含量隨煤層埋深的增大而增大［16-17］。楊柳煤礦的礦區(qū)地面平坦，地面標(biāo)高25.98～28.26m，一般27m左右。通過井下采掘工程揭露的瓦斯含量、瓦斯壓力數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)：在同一采區(qū)，煤層埋深越大的區(qū)域，瓦斯含量和壓力值也越高?？梢姡簩勇裆顚ν咚官x存影響較大。

3 煤層瓦斯賦存規(guī)律分析

通過楊柳煤礦10 號煤瓦斯賦存影響因素分析可見：地質(zhì)構(gòu)造和煤層埋深為煤層瓦斯賦存影響的主要因素，但是井田范圍內(nèi)構(gòu)造遍布、數(shù)量眾多，為瓦斯賦存規(guī)律的研究帶來一定困難。為此，根據(jù)大型構(gòu)造對井田割裂，而小型構(gòu)造局部影響的特點(diǎn)，將大型斷層作為地質(zhì)單元?jiǎng)澐值囊罁?jù)，而將煤層埋深作為地質(zhì)單元內(nèi)瓦斯賦存的主控因素，依此實(shí)現(xiàn)煤層瓦斯賦存規(guī)律分析。

3.1 瓦斯地質(zhì)單元?jiǎng)澐?/h3>

楊柳煤礦10 號煤層瓦斯地質(zhì)單元以井田內(nèi)的大牛家斷層和東南部楊柳支斷層、貫穿井田東北-西南的戴廟斷層及戴廟支斷層、西部的大侯家斷層為界，將楊柳井田10 號煤劃分為4 個(gè)地質(zhì)單元（圖2）。地質(zhì)單元I 包含107 采區(qū)和109 采區(qū)，地質(zhì)單元II 為105 采區(qū)，地質(zhì)單元III 包含104 采區(qū)和106 采區(qū)，地質(zhì)單元IV包含101、102、103采區(qū)。

圖2 楊柳煤礦10號煤層地質(zhì)單元?jiǎng)澐质疽鈭DFigure 2 Geological unit division diagram of No.10 coal seam in Yangliu coal mine

3.2 煤層瓦斯參數(shù)預(yù)測模型

為了從區(qū)域?qū)用鎸盍旱V10 號煤層瓦斯分布特征進(jìn)行掌握，需要對煤層瓦斯參數(shù)進(jìn)行預(yù)測。因此，根據(jù)煤層瓦斯賦存規(guī)律影響因素分析及地質(zhì)單元?jiǎng)澐智闆r，系統(tǒng)收集楊柳煤礦10號煤層勘查期間或采動(dòng)影響較小區(qū)域的瓦斯壓力、瓦斯含量測試數(shù)據(jù)，并采用線性回歸分析方法，建立10 號煤層瓦斯壓力、瓦斯含量預(yù)測模型。

從圖3 可以看出：楊柳煤礦10 號煤層各地質(zhì)單元瓦斯含量、瓦斯壓力與煤層埋深的線性擬合關(guān)系良好，且各地質(zhì)單元的瓦斯含量梯度也具有明顯的差異性，地質(zhì)單元I 煤層瓦斯含量梯度為1.45m3/t/100m，瓦斯壓力梯度為0.51MPa/100m；地質(zhì)單元II煤層瓦斯含量梯度為0.68m3/t/100m，瓦斯壓力梯度為0.10MPa/100m；地質(zhì)單元III煤層瓦斯含量梯度為15.24m3/t/100m，瓦斯壓力梯度為0.97MPa/100m；地質(zhì)單元IV 煤層瓦斯含量梯度為0.62m3/t/100m，瓦斯壓力梯度為0.03MPa/100m。這也驗(yàn)證了10 號煤層地質(zhì)單元?jiǎng)澐值暮侠硇浴Ｍ瑫r(shí)，地質(zhì)單元III的瓦斯含量和瓦斯壓力梯度明顯高于其他三個(gè)地質(zhì)單元，這可能與該地質(zhì)單元周圍巖漿巖的侵入有關(guān)。

圖3 不同地質(zhì)單元瓦斯壓力、瓦斯含量預(yù)測Figure 3 Prediction of gas pressure and gas content in different geological units

3.3 模型驗(yàn)證

為了驗(yàn)證上述預(yù)測模型的可靠性，在109 采區(qū)回風(fēng)大巷選擇6 個(gè)測點(diǎn)進(jìn)行瓦斯壓力和含量測試，其實(shí)測結(jié)果和預(yù)測結(jié)果的誤差分析如表1 和表2 所示。瓦斯壓力的實(shí)測和預(yù)測絕對誤差為0.00～0.08MPa，平均絕對誤差0.045MPa，相對誤差0.00%～9.41%，平均相對誤差6.57%；瓦斯含量的實(shí)測和預(yù)測絕對誤差為0.11～0.56m3/t，平均絕對誤差0.34m3/t，相對誤差1.73%～9.38%，平均相對誤差6.66%。瓦斯含量和瓦斯壓力的預(yù)測誤差均在10%以內(nèi)，預(yù)測精度滿足礦井安全生產(chǎn)的需要。

表1 瓦斯壓力預(yù)測誤差分析Table 1 Error analysis of gas pressure prediction

表2 瓦斯含量預(yù)測誤差分析Table 2 Error analysis of gas content prediction

4 結(jié)論

1）通過分析地質(zhì)構(gòu)造、煤層厚度、頂?shù)装鍘r性、水文地質(zhì)、巖漿巖侵入、煤層賦藏深度等對楊柳煤礦10號煤層瓦斯賦存規(guī)律的影響，確定地質(zhì)構(gòu)造和煤層埋深為該煤層的主要影響因素。

2）依據(jù)楊柳礦井田范圍內(nèi)大型斷層對煤層進(jìn)行割裂特征，將10 號煤層劃分為4 個(gè)地質(zhì)單元，為瓦斯賦存規(guī)律研究提供分區(qū)指導(dǎo)。

3）在各瓦斯地質(zhì)單元內(nèi)，以煤層埋深為主控因素，采用線性擬合分析方法分別建立了瓦斯含量、瓦斯壓力預(yù)測模型，不同地質(zhì)單元的瓦斯含量和瓦斯壓力梯度具有顯著的差異性，驗(yàn)證了瓦斯地質(zhì)單元?jiǎng)澐值暮侠硇?。同時(shí)，通過瓦斯壓力、瓦斯含量實(shí)測結(jié)果和預(yù)測結(jié)果的對比分析，二者的預(yù)測誤差均在10%以內(nèi)，證明了單元?jiǎng)澐值暮侠硇浴?/p>