地質(zhì)構造對煤層瓦斯影響分析與安全防治技術研究

張秀東

（晉能控股煤業(yè)集團燕子山礦，山西大同 037037）

1 工程概況

燕子山礦煤層風巷1424 m，機巷1345 m，切眼134 m，巷道支護采用煤錨。破巖采用掘進機，出貨采用皮帶機、鏈板機。地質(zhì)情況主要以斜切斷層為主，正斷層為NW 向發(fā)育，傾角60°～80°，落差較大；逆斷層為SN 向發(fā)育，傾角50°～60°，落差15 ～55 m。由于在工程建造過程中受到機械改造，斷層周圍填充性能較好，易形成封閉環(huán)境，具備瓦斯賦存條件。表1 為斷層落差統(tǒng)計（H≥10 m）。

表1 斷層落差統(tǒng)計（H≥10 m）Table 1 Fault throw statistics(H≥10 m)

2 燕子山礦煤層瓦斯賦存特征

采用低溫液氮吸附法[1-2]，對燕子山礦煤層不同直徑煤粒進行孔隙結構分析，隨著壓力不斷增加，吸附效果增大，吸附量與直徑呈現(xiàn)反比關系。對不同直徑煤?？讖竭M行分析，如圖1 所示，可以看出煤層孔徑分布有3 個峰值，峰值越高意味著煤粒直徑越小，微孔數(shù)目也就越多。對于微孔數(shù)目較多的煤層，其瓦斯吸附能力較強，吸附量也較大。

圖1 煤層孔隙分布特征圖Fig.1 Pore distribution characteristics of coal seam

煤層瓦斯含量的確定對瓦斯安全防治具有重要意義，含量獲取主要有直接法、間接法、經(jīng)驗法、圖解法、數(shù)值法等[3-4]。本文選用間接法測量，其計算公式為[5]：

式中：W 為瓦斯含量，m3/t；P 為瓦斯壓力，MPa；a、b 為吸附常數(shù)，m3/t、MPa-1；ts為吸附環(huán)境溫度，℃；t 為井下溫度，℃；Mad為水含量，%；n為常數(shù)；K 為孔隙容積，m3/t；k 為壓縮系數(shù)。

通常，煤層瓦斯主要由CH4、N2、CO2等組成，并將瓦斯分為4 個帶，見表2。其中，CO2～N2帶、N2帶、N2～CH4帶為瓦斯風化帶。根據(jù)煤礦生產(chǎn)資料測試參數(shù)，可以確定#10 煤層瓦斯壓力下限0.16 MPa，瓦斯風化帶下限為500 m，地面標高25.3 m，深埋532.4 m，標高-195.4 m。

表2 瓦斯分帶標準Table 2 Gas zoning standard

根據(jù)上述分析，根據(jù)實測數(shù)據(jù)可以得到#10 煤層瓦斯含量分布特性。如圖2 所示為中部瓦斯含量分布圖，可以看出中部地質(zhì)單元位于瓦斯風化帶下限以下，隨著深度的增加，瓦斯?jié)舛入S之增加，通過擬合可以由式（2） 表示：

圖2 中部瓦斯含量分布圖Fig.2 Central gas content distribution map

式中：Wdaf為煤層瓦斯含量，m3/t；H 為瓦斯深度，m。

#10 煤層西部瓦斯含量分布圖（圖3），西部瓦斯地質(zhì)單元位于瓦斯風化帶下限以下，和中部瓦斯分布具有相同的規(guī)律，都隨著深度的增加瓦斯?jié)舛壬撸ㄟ^線性擬合由式（3） 表示：

圖3 西部瓦斯含量分布Fig.3 Gas content distribution in the west

通過計算瓦斯含量，可以得到瓦斯含量和壓力的擬合曲線，如圖4 所示，可以看出擬合效果良好，隨著壓力的增加，瓦斯含量緩慢增加，其規(guī)律可以由式（4） 表示：

圖4 瓦斯含量和壓力擬合曲線Fig.4 Gas content and pressure fitting curve

根據(jù)上述分析，瓦斯含量為5.16 ～11.54 m3/t，中部瓦斯和西部瓦斯在走向上變化規(guī)律基本相同；對比同一深度中部和西部瓦斯?jié)舛?，西部略小于中部；在南北走向上，從南道北瓦斯?jié)舛戎饾u增大；在構造上，中部斷層密度小于西部，隨著深度的變化中部梯度變化大于西部。

3 燕子山礦煤層瓦斯影響分析

3.1 井田構造對瓦斯賦存影響

燕子山礦區(qū)煤層構造復雜，由于褶皺系統(tǒng)的影響，瓦斯含量呈現(xiàn)軸部較高，向斜兩翼淺部逐漸下降的現(xiàn)象，另外褶皺會影響局部瓦斯含量和賦存情況[6-7]。礦區(qū)構造以斜切斷層為主，在礦區(qū)改造、生產(chǎn)過程帶來的壓扭性等力學性質(zhì)，造成斷裂帶附近的瓦斯賦存條件較高，濃度較高。

井田包括多種構造，例如小斷層、小褶皺、對沖逆斷層組合、疊瓦狀逆斷層組合、背沖逆斷層組合等，多種井田構造在礦區(qū)煤層中形成相對封閉的環(huán)境，對瓦斯具有阻礙擴散和運移作用，對于煤層瓦斯的富集具有積極作用。通常來說，礦區(qū)構造區(qū)瓦斯含量相較于非構造區(qū)瓦斯含量較高。

3.2 采區(qū)構造對瓦斯賦存影響

通常來說，采區(qū)構造對瓦斯含量和瓦斯賦存的影響有兩個方面：一方面，當采區(qū)構造頂板封閉性較好時，在一定程度上對瓦斯聚集具有推進作用，隨著構造的產(chǎn)生，煤層中的瓦斯會沿著裂隙向上移動，形成上部瓦斯富集區(qū)；另一方面，采區(qū)構造形成的裂隙是瓦斯運移的通道，在構造處可以降低瓦斯?jié)舛?，同時伴隨著構造而破壞礦區(qū)煤層連續(xù)性，地層壓力變化而推進瓦斯解吸。

根據(jù)燕子山礦地質(zhì)特點，將礦區(qū)分為3 個隔水層和4 個含水層，隔水層主要由砂巖、泥巖等組成，具有較強的隔水性能，對于#10 煤層瓦斯的賦存性能沒有影響；含水層包含水分，#10 煤層經(jīng)過多年防水治理，水位有明顯下降，因此水源不足、富水性弱，對于#10 煤層來說基本沒有影響。

另外，采區(qū)構造作用導致巖漿進入煤層，受熱不均勻致使煤層變質(zhì)，溫度升高也促進瓦斯解吸而大量產(chǎn)生。針對#10 煤層來說，礦區(qū)中部和東部有幾處巖漿巖，巖漿巖主要存在于#8 煤層和#9 煤層，對于#10 煤層影響不大。

3.3 煤質(zhì)對瓦斯賦存影響

#10 煤層包含無煙煤和貧煤2 種，需要分不同煤質(zhì)對瓦斯賦存影響進行分析。如圖5 所示為無煙煤和貧煤揮發(fā)分即煤的變質(zhì)程度對瓦斯含量的關系，由圖5（a） 和圖5（b） 無煙煤和貧煤揮發(fā)分與瓦斯含量關系圖可以看出，不論無煙煤或貧煤，其瓦斯含量與煤的變質(zhì)程度都具有強相關性，因此煤質(zhì)對瓦斯賦存具有較強的控制作用。通常來說，在同等埋深的條件下，隨著揮發(fā)分的增加，瓦斯含量會逐漸下降。

圖5 煤質(zhì)（揮發(fā)分） 與瓦斯含量關系Fig.5 Relationship between coal quality(volatile matter)and gas content

3.4 頂板基巖厚度和煤層埋藏深度對瓦斯賦存影響

根據(jù)煤層數(shù)據(jù)統(tǒng)計，繪制#10 煤層頂板基巖厚度和煤層埋藏深度與瓦斯含量關系擬合圖，如圖6所示。從圖6（a） 中可以看出，頂板基巖厚度和瓦斯含量具有較強的相關性，厚度越大，瓦斯運移在縱向方向上距離增加，瓦斯賦存條件得到優(yōu)化，使得更多的瓦斯得到賦存而降低瓦斯運移能力。從圖6（b） 中可以看出，煤層埋藏深度和瓦斯含量相關性較強，隨著煤層深度的增加，瓦斯含量也隨之增加，同時煤層深度增加也限制了瓦斯的擴散和運移，瓦斯賦存條件得到強化。

圖6 煤層頂板基巖厚度和煤層埋藏深度與瓦斯含量關系擬合圖Fig.6 Fitting diagram of the relationship between bedrock thickness of coal seam roof,buried depth of coal seam and gas content

4 應用效果

針對煤層中不同地質(zhì)構造造成瓦斯含量的不同，需要對瓦斯含量較高的煤層進行超限防治，通常采用高位鉆孔方法對上覆煤層瓦斯進行抽采。利用地質(zhì)運動和工作面生產(chǎn)，可以實現(xiàn)上覆煤層的瓦斯治理。工作面裂隙高度10.2 ～18.3 m，鉆孔布置示意圖如圖7 所示。鉆孔位置距離鉆場60 m，高度17 m，已在采空裂隙帶內(nèi)。由于上煤層壓力較大，位于懸臂梁處的鉆孔起不到抽采作用，因此水平方向上鉆孔需要與巷道設置一定距離，通常為10 ～15 m。

圖7 鉆孔布置示意Fig.7 Borehole layout

將鉆孔分3 組，通過安全防治，距離工作面較遠時，第一組鉆場瓦斯含量基本降低在30%以下，這表明煤層裂隙與鉆場良好連接，安全防治有效；在高濃度區(qū)域，3 組最大峰值瓦斯含量為78、75、55%，這時需要高效抽采防治；距離工作面較近時，瓦斯含量均在10%以下，安全防治效果良好。

5 結語

針對燕子山礦井下瓦斯含量對安全生產(chǎn)的威脅，以地質(zhì)瓦斯理論為理論依據(jù)，分析了煤層瓦斯賦存特征和條件，建立了地質(zhì)構造對煤層瓦斯影響分析模型，分別對井田構造、采區(qū)構造、煤質(zhì)、頂板基巖厚度和煤層埋藏深度對瓦斯賦存影響進行分析，并提出了瓦斯安全防治技術方法，防治效果表明，距離工作面較遠處瓦斯含量可降到30%以下，距離工作面較近處瓦斯含量可降到10%，在濃度較高處通過高效抽采可有效控制瓦斯含量。