蘆嶺煤礦10 號(hào)煤層瓦斯賦存及其控制因素綜合評(píng)價(jià)

楊祎超 ，徐宏杰 ，劉會(huì)虎 ，盧宏偉 ，劉 瑜 ，祝 月 ，詹北淮

（1.安徽理工大學(xué) 地球與環(huán)境學(xué)院，安徽 淮南 232001；2.淮北礦業(yè)股份有限公司 蘆嶺煤礦，安徽 淮北 235000）

自首次記錄到煤與瓦斯突出事件以來(lái)，地下開(kāi)采活動(dòng)中頻繁發(fā)生的煤與瓦斯突出事件嚴(yán)重威脅著煤礦的安全開(kāi)采，掌握礦井瓦斯賦存規(guī)律是進(jìn)行瓦斯有效治理的地質(zhì)保障[1-4]。蘆嶺煤礦位于安徽省宿州市，煤與瓦斯突出是該礦一直面臨的主要地質(zhì)問(wèn)題之一，生產(chǎn)中多次發(fā)生瓦斯超限。礦井10 號(hào)煤層為瓦斯突出煤層，在Ⅲ2采區(qū)掘進(jìn)過(guò)程中瓦斯涌出量波動(dòng)大，受地質(zhì)因素影響更大，地質(zhì)條件復(fù)雜。目前，較多學(xué)者開(kāi)展了本煤層或工作面瓦斯涌出規(guī)律的探索[5]，并研究了相關(guān)預(yù)測(cè)方法以及淺部煤層開(kāi)采對(duì)本煤層的影響關(guān)系[6-8]。蘆嶺煤礦目前主要針對(duì)8 號(hào)煤層開(kāi)展了開(kāi)采地質(zhì)條件綜合評(píng)價(jià)[9]、突出煤層含氣差異性機(jī)制[10]、地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜程度評(píng)價(jià)等方面的研究[11-13]，分析了開(kāi)采地質(zhì)條件，并對(duì)井田內(nèi)構(gòu)造發(fā)育程度進(jìn)行評(píng)價(jià)，建立了一套適應(yīng)特厚高瓦斯煤層綜合開(kāi)放開(kāi)采地質(zhì)條件的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。但是，研究區(qū)10 號(hào)煤層尚未進(jìn)行大規(guī)模開(kāi)采，因此缺少對(duì)10 號(hào)煤層瓦斯賦存規(guī)律的研究?；诖耍蕴J嶺煤礦地面和井下勘查數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，開(kāi)展了煤層瓦斯賦存規(guī)律及其控制因素綜合評(píng)價(jià)的研究，為10 號(hào)煤層巷道快速掘進(jìn)和工作面安全高效回采提供瓦斯治理參考。

1 礦井地質(zhì)概況

蘆嶺煤礦屬于煤與瓦斯突出礦井，礦井包括西、中、東南3 個(gè)瓦斯地質(zhì)單元。

研究區(qū)包括Ⅲ4采區(qū)和Ⅲ2采區(qū)。Ⅲ4采區(qū)西部屬于西部地質(zhì)單元（F7斷層以西至勘探線6-7 以東），傾角為5°～20°；Ⅲ2采區(qū)以及Ⅲ4采區(qū)東部屬于中部地質(zhì)單元（F7斷層以東至11 勘探線以西），傾角寬緩。研究區(qū)含煤地層為石炭系太原組和二疊系山西組，主要包括8、9、10 號(hào)煤層。研究區(qū)南（淺）以10 號(hào)煤層-590 m 底板等高線及F7-1斷層為界；研究區(qū)北（深）以10 號(hào)煤層-800 m 底板等高線為界。

研究區(qū)煤層厚度在0.70～4.99 m 之間，平均為2.07 m，煤層傾角為8°～25°，平均14.6°。煤層宏觀煤巖成分以亮煤為主，暗煤次之，屬于半亮型煤。10 號(hào)煤層幾乎全層為無(wú)煙煤和天然焦，鏡質(zhì)組為主，約占47.18%～71.01%，惰性組次之，約占9.454%～42.421%，殼質(zhì)組約占3.20%～16.58%。

2 煤層瓦斯賦存規(guī)律

2.1 煤層瓦斯含量與埋深的關(guān)系

10 號(hào)煤層瓦斯含量與埋深的關(guān)系如圖1。

圖1 10 號(hào)煤層瓦斯含量與埋深的關(guān)系Fig.1 Relationship between gas content and buried depth of No.10 coal seam

在瓦斯風(fēng)化帶下限深度以下（基巖埋深），10號(hào)煤層瓦斯含量具有隨埋深加大而增加的總體趨勢(shì)，且Ⅲ4采區(qū)（圖1（b））的瓦斯含量隨埋深的增加，增幅較大。

經(jīng)回歸分析，瓦斯含量與埋深之間具有如下線性關(guān)系：

式中：Wdaf為煤層干燥無(wú)灰基瓦斯含量，m3/t；X為基巖下埋藏深度，m。

2.2 煤層瓦斯壓力與埋深的關(guān)系

10 號(hào)煤層瓦斯壓力與埋深的關(guān)系如圖2。

圖2 10 號(hào)煤層瓦斯壓力與埋深的關(guān)系Fig.2 Relationship between gas pressure and burial depth of No.10 coal seam

10 號(hào)煤層瓦斯壓力隨埋深的加大而增加，不同采區(qū)增速不一致，Ⅲ4采區(qū)（圖2（b））較Ⅲ2采區(qū)（圖2（a））瓦斯壓力梯度更大。瓦斯壓力與埋深之間具有較好線性關(guān)系，Ⅲ2和Ⅲ4采區(qū)的瓦斯壓力梯度分別為0.82 MPa/hm和1.10 MPa/hm。

式中：p為煤層瓦斯壓力，MPa。

2.3 瓦斯含量預(yù)測(cè)

根據(jù)式（3）、式（4）瓦斯壓力擬合公式與間接法瓦斯含量數(shù)據(jù)計(jì)算方法[14]，獲得了研究區(qū)瓦斯含量預(yù)測(cè)等值線圖，10 號(hào)煤層瓦斯含量預(yù)測(cè)等值線圖如圖3。

圖3 10 號(hào)煤層瓦斯含量預(yù)測(cè)等值線圖Fig.3 Gas content prediction contour map of No.10 coal seam

研究區(qū)瓦斯含量范圍在5.09 ～10.55 m3/t 之間，瓦斯含量隨瓦斯壓力的增加而增大，中部與西部的瓦斯變化規(guī)律在傾向上基本一致，瓦斯含量由南到北呈逐漸增大的趨勢(shì)，在深度上由淺到深逐漸增加。此外，對(duì)于該煤層而言，即使在構(gòu)造相對(duì)發(fā)育的區(qū)域，其瓦斯含量仍然高于某些構(gòu)造較不發(fā)育的區(qū)域。這說(shuō)明該采區(qū)構(gòu)造的發(fā)育并不是完全會(huì)降低該區(qū)域內(nèi)的瓦斯含量，在某些情況下，反而會(huì)有利于煤層中瓦斯的解吸與保存。

2.4 瓦斯涌出量預(yù)測(cè)

基于分源預(yù)測(cè)法，開(kāi)展煤層瓦斯涌出量和鄰近層瓦斯涌出量預(yù)測(cè)，10 號(hào)煤層相對(duì)瓦斯涌出量預(yù)測(cè)圖如圖4，煤層瓦斯涌出量隨煤層標(biāo)高變化規(guī)律見(jiàn)表1。

表1 煤層瓦斯涌出量隨煤層標(biāo)高變化規(guī)律Table 1 Variation law of gas emission with elevation

圖4 10 號(hào)煤層相對(duì)瓦斯涌出量預(yù)測(cè)圖Fig.4 Gas relative emission prediction contour map of No.10 coal seam

煤層瓦斯預(yù)測(cè)涌出量范圍在9.23～16.11 m3/t之間。在-600 m 標(biāo)高時(shí)，中部瓦斯單元和西部瓦斯單元的煤層瓦斯涌出量分別達(dá)到9.76、12.79 m3/t；-700 m 標(biāo) 高 和-800 m 標(biāo) 高 時(shí)，分 別 達(dá) 到11.71、14.72、13.01、16.11 m3/t。

瓦斯涌出量在傾向上的變化規(guī)律基本相同，由南到北逐漸增大；在深度上，由淺到深瓦斯的涌出量逐漸增加。西部瓦斯單元涌出量略高于中部瓦斯單元，且西部涌出量變化梯度大于中部。

結(jié)合10 號(hào)煤層瓦斯含量預(yù)測(cè)等值線圖（圖3）分析，明顯看出瓦斯含量越大其對(duì)應(yīng)的瓦斯相對(duì)涌出量也越大，揭示煤層瓦斯含量是影響瓦斯涌出量的重要因素。

3 10 號(hào)煤層瓦斯賦存控制因素綜合評(píng)價(jià)

3.1 評(píng)價(jià)理論方法

煤層瓦斯賦存控制受較多因素影響，總體分為幾何類因素和安全類因素，其中幾何類因素屬于不可控因素，對(duì)煤層瓦斯賦存的影響占主導(dǎo)地位[15]。為定量描述煤層瓦斯賦存控制因素，采用模糊物元方法對(duì)10 號(hào)煤層的瓦斯賦存控制因素進(jìn)行了定量預(yù)測(cè)。該方法通過(guò)模糊數(shù)學(xué)的判別準(zhǔn)則，構(gòu)建歸一化矩陣。同時(shí)，基于模糊理論權(quán)重，將影響因素賦予各自的權(quán)重系數(shù)，因而能更加客觀的衡量各因素的作用[16]。過(guò)程如下：先從優(yōu)隸屬度原則構(gòu)建制約瓦斯賦存控制因素的從優(yōu)隸屬度模糊物元；再經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)模糊物元與差平方復(fù)合模糊物元計(jì)算，采用熵值法確定影響因子的權(quán)重；最終計(jì)算出歐氏貼近度復(fù)合模糊物元；最后通過(guò)對(duì)復(fù)合物元值的大小作圖來(lái)開(kāi)展煤層瓦斯賦存控制因素綜合評(píng)價(jià)[17-18]。最終分為3 類（其中：CPR 為煤厚變概比）：①Ⅰ類：瓦斯壓力點(diǎn)均小于0.74 MPa，構(gòu)造較為簡(jiǎn)單，屬于Ⅰ類原生煤，CPR 在0%～50%；②Ⅱ類：瓦斯壓力點(diǎn)均在0.74～1.62 MPa，構(gòu)造較復(fù)雜，屬于Ⅱ類碎裂煤，CPR 在50%～75%；③Ⅲ類：瓦斯壓力點(diǎn)均大于1.62 MPa，構(gòu)造復(fù)雜，屬于Ⅲ類構(gòu)造煤，CPR 在75%以上。

3.2 評(píng)價(jià)因素

煤層瓦斯賦存受地應(yīng)力、構(gòu)造復(fù)雜程度、煤層厚度變化、頂?shù)装鍡l件、含夾矸層數(shù)及厚度、巖溶塌陷及巖漿侵入、瓦斯壓力、埋藏深度、煤體結(jié)構(gòu)等多因素共同作用[19-20]。其中地應(yīng)力為主控因素，對(duì)賦存起決定性作用。地應(yīng)力對(duì)煤體的地質(zhì)影響表現(xiàn)為煤的構(gòu)造復(fù)雜程度不同，即煤發(fā)生變形變位的程度不同，進(jìn)而影響煤體結(jié)構(gòu)。地應(yīng)力越高，對(duì)煤體的破壞越強(qiáng)烈，因而，煤體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較弱或發(fā)生破壞往往使得煤層更加復(fù)雜[21]。瓦斯的存在往往給煤炭的開(kāi)采帶來(lái)較大的難度，既增加了煤炭的開(kāi)采成本，又可能會(huì)導(dǎo)致瓦斯爆炸、煤與瓦斯突出等礦井災(zāi)害[22]。蘆嶺煤礦自建井以來(lái)，因煤層厚度變化引發(fā)了3 次煤與瓦斯突出事故，且煤層厚度越厚，煤體瓦斯含量越高，壓力越大都是引起煤與瓦斯突出的重要因素。

綜合上述影響因素，確定瓦斯壓力、地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜程度、煤體結(jié)構(gòu)和煤層總厚度4 項(xiàng)因素作為定量評(píng)價(jià)蘆嶺煤礦10 號(hào)煤層控制因素的評(píng)價(jià)指標(biāo)[23]，對(duì)10 號(hào)煤層開(kāi)展瓦斯賦存控制因素評(píng)價(jià)。

3.3 評(píng)價(jià)因素分析

3.3.1 瓦斯壓力

研究區(qū)瓦斯壓力與煤層深度具有良好的擬合關(guān)系，Ⅲ2采區(qū)、Ⅲ4采區(qū)分別滿足式（3）、式（4），總體呈線性趨勢(shì)，隨深度遞增。分別選擇瓦斯壓力小于0.74 MPa、0.74～1.62 MPa 及大于1.62 MPa 3 個(gè)區(qū)間作為區(qū)別3 類采區(qū)的參數(shù)指標(biāo)[24]。根據(jù)探測(cè)數(shù)據(jù)點(diǎn)作圖，10 號(hào)煤層瓦斯壓力分布如圖5。

圖5 10 號(hào)煤層瓦斯壓力分布Fig.5 Gas pressure distribution of No.10 coal seam

由圖5 可知，10 號(hào)煤層部分測(cè)點(diǎn)的瓦斯壓力均大于或等于0.74 MPa，屬于Ⅱ、Ⅲ類區(qū)域。對(duì)瓦斯壓力大于或等于0.74 MPa 的測(cè)點(diǎn)數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果表明：10 號(hào)煤層瓦斯壓力高于0.74 MPa 的測(cè)點(diǎn)數(shù)占總測(cè)點(diǎn)數(shù)的41.24%。

3.3.2 構(gòu)造復(fù)雜程度

地質(zhì)構(gòu)造是引起煤層賦存狀態(tài)復(fù)雜的重要因素之一，其主要體現(xiàn)為斷裂和褶皺[25]。研究區(qū)斷層共計(jì)108 條，正斷層64 條，逆斷層44 條，斷層落差大于10 m 的有26 條，這對(duì)礦井瓦斯賦存的影響程度較大。研究區(qū)傾向和走向玫瑰花圖及傾角直方圖如圖6。

圖6 研究區(qū)傾向和走向玫瑰花圖及傾角直方圖Fig.6 Rose diagrams of mining area tendency and strike and histograms of inclination angle

由圖6 可以看出：Ⅲ2采區(qū)走向以NE-NW 向?yàn)橹?，N 向次之，斷層傾角相對(duì)較大，以40°～70°為主，斷層?xùn)|傾西傾各半；Ⅲ4采區(qū)走向以NW-N向?yàn)橹?，EW-NEE 向次之，傾角相對(duì)較大，以40°～70°為主，斷層?xùn)|傾略大于西傾，以NE-E 向?yàn)橹鳎琋WW-W 向次之。

10 號(hào)煤層斷裂分維分布如圖7，10 號(hào)煤層褶皺分維分布如圖8。

圖7 10 號(hào)煤層斷裂分維分布Fig.7 Distribution of fault fractal of No.10 coal seam

圖8 10 號(hào)煤層褶皺分維分布Fig.8 Fractal dimension distribution of folds in No.10 coal seam

礦區(qū)發(fā)育有許多次級(jí)小褶皺以及小斷層，瓦斯含量呈現(xiàn)宿東向斜軸部較高，沿著向斜兩翼淺部逐漸降低，同時(shí)低次級(jí)褶皺進(jìn)一步影響局部瓦斯含量的賦存狀態(tài)。礦區(qū)斷裂構(gòu)造以斜切斷層為主，斷層的力學(xué)性質(zhì)在多期地質(zhì)改造過(guò)程中多帶有壓性或壓扭性，所以推測(cè)斷裂帶附近常為瓦斯富集區(qū)。

褶皺評(píng)價(jià)指標(biāo)難以確定，褶皺雖影響煤層空間產(chǎn)狀，卻沒(méi)有破壞其連續(xù)性和完整性，對(duì)煤層的影響主要體現(xiàn)在走向以及傾向上傾角的起伏變化[26-27]。構(gòu)造復(fù)雜程度采用斷裂分維值和褶皺分維值表示。斷裂分維值評(píng)價(jià)指標(biāo)選擇相似維，先將網(wǎng)格邊長(zhǎng)設(shè)為r0，對(duì)斷層進(jìn)行覆蓋，統(tǒng)計(jì)其中包含斷層痕跡的網(wǎng)格數(shù)N(r)，逐漸縮小網(wǎng)格，使ri=r0/2i，得出相應(yīng)的N(ri)，做出擬合直線：lnN(r)=a+blnr，得出分維值Ds[28]。褶皺分維值定量表征了構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)下層狀巖層發(fā)生褶皺變形程度[29]，與褶皺發(fā)育程度存在較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，由井田內(nèi)斷裂情況確定。通過(guò)褶皺分維值的分布可直觀反映井田范圍內(nèi)褶皺發(fā)育程度。

3.3.3 煤體結(jié)構(gòu)

井下觀測(cè)煤層頂板與底板均為粉砂巖，巷道所見(jiàn)煤厚約3.35 m，整體可以看清條帶狀結(jié)構(gòu)，但局部有較破碎的地方，中部有1 層似斷泥糜棱煤，向兩邊逐漸過(guò)渡為正常煤。10 號(hào)煤層1#鉆孔測(cè)井曲線圖如圖9。

圖9 10 號(hào)煤層1#鉆孔測(cè)井曲線圖Fig.9 Logging curves of 1# hole in No.10 coal seam

由圖9 可以看出，煤層厚為3.41 m，選取辨識(shí)度高的4 條曲線，三側(cè)向電阻率、雙收時(shí)差、自然伽馬以及人工伽馬[30]，根據(jù)4 條測(cè)井曲線在同一煤層中不同幅值對(duì)比，可以劃分出相應(yīng)的分界線和相對(duì)幅值大小。自上而下分為4 層，第1層與第3 層中，三側(cè)向電阻率為高幅值，且峰頂圓滑，人工伽馬曲線幅值高且峰頂為近水平鋸齒狀，根據(jù)龍王寅等[31]對(duì)兩淮煤田不同結(jié)構(gòu)類型測(cè)井曲線形態(tài)特征的描述，可判識(shí)為Ⅰ類原生煤；第2 層與第4 層中，三側(cè)向電阻率幅值明顯降低，人工伽馬仍為高幅值，可判識(shí)為Ⅲ類構(gòu)造煤。由于10 號(hào)煤層所處層位較低，其灰分含量較少，所以伽馬值整體偏高。

3.3.4 煤層厚度

為定量分析煤層厚度，采用煤厚變概比定量表征煤厚變化。其為變異系數(shù)與煤層可采概率的百分比值[19]。變概比CPR 計(jì)算公式為：

式中：Cv為煤層變異系數(shù)，取24.52%；P{α ≤x≤β}為MATLAB 計(jì)算出的煤層可采概率。

因此，變概比越大煤層復(fù)雜程度越高，變概比對(duì)煤層影響的分級(jí)分析見(jiàn)表2。

表2 變概比對(duì)煤層影響的分級(jí)分析Table 2 Classification Analysis of coal seam effected by CPR

3.4 評(píng)價(jià)結(jié)果

據(jù)研究區(qū)范圍，基于模糊物元方法劃分了30個(gè)網(wǎng)格單元，并對(duì)每個(gè)網(wǎng)絡(luò)單元進(jìn)行編號(hào)；分別統(tǒng)計(jì)、計(jì)算每個(gè)網(wǎng)格單元中各影響因素的測(cè)定值。綜合10 號(hào)煤層瓦斯賦存的影響因素，對(duì)不同的網(wǎng)格單元因素進(jìn)行定量化評(píng)價(jià)，10 號(hào)煤層的分類評(píng)價(jià)預(yù)測(cè)網(wǎng)絡(luò)劃分如圖10。

圖10 10 號(hào)煤層的分類評(píng)價(jià)預(yù)測(cè)網(wǎng)絡(luò)劃分Fig.10 Divided prediction network about classification evaluation of No.10 coal seam

選取5 個(gè)評(píng)價(jià)影響因素，10 號(hào)煤層瓦斯控制因素評(píng)價(jià)臨界值見(jiàn)表3[24]。

表3 號(hào)煤層瓦斯控制因素評(píng)價(jià)臨界值Table 3 Critical values about control factors evaluation of No.10 coal seam

根據(jù)模糊物元評(píng)價(jià)方法步驟中計(jì)算公式[16]，得出歐氏貼近度ρHj。根據(jù)表3 中10 號(hào)煤層瓦斯控制因素評(píng)價(jià)的臨界值，采用模糊物元評(píng)價(jià)方法計(jì)算出Ⅰ類區(qū)域與Ⅱ類區(qū)域、Ⅱ類區(qū)域與Ⅲ區(qū)域的臨界歐氏貼近度ρH臨界1 和ρH臨界2，其結(jié)果分別為0.202、0.372。依據(jù)表3 中計(jì)算結(jié)果，繪制的10 號(hào)煤層控制因素分類預(yù)測(cè)分布圖如圖11。

圖11 10 號(hào)煤層的控制因素分類預(yù)測(cè)分布Fig.11 Predictive distribution about control factors of No.10 coal seam

由圖11 可以看出：Ⅱ類和Ⅲ類區(qū)域集中分布于研究區(qū)的東北部，占據(jù)了礦井的大部分區(qū)域；而Ⅰ類區(qū)域只占據(jù)了礦井的西南小部分。

4 結(jié) 語(yǔ)

1）10 號(hào)煤層瓦斯含量、瓦斯壓力及瓦斯涌出量隨著煤層埋深的增加而增大，且瓦斯含量與瓦斯壓力越大，瓦斯涌出量也越大，其范圍在9.23～16.11 m3/t，呈現(xiàn)出西部煤層瓦斯涌出量高于中部煤層瓦斯涌出量，且東北深部瓦斯涌出量最大的特點(diǎn)。

2）基于模糊物元方法，選取瓦斯壓力、構(gòu)造復(fù)雜程度、煤體結(jié)構(gòu)和煤層厚度4 個(gè)因素，對(duì)10號(hào)煤層瓦斯賦存控制因素進(jìn)行評(píng)價(jià)研究，劃分3類區(qū)域。其中，Ⅰ類區(qū)域占16.28%，Ⅱ類區(qū)域占37.36%，Ⅲ類區(qū)域占總面積的46.36%；并且呈現(xiàn)出東北深部地區(qū)多為Ⅱ類、Ⅲ類區(qū)域，西南淺層地區(qū)多為Ⅰ類區(qū)域的特征。