高瓦斯煤層地質(zhì)控氣因素

高瓦斯煤層廣泛分布于我國華北、西南等煤炭主產(chǎn)區(qū)，是煤礦瓦斯災(zāi)害高發(fā)區(qū)域。地質(zhì)條件對瓦斯賦存、運(yùn)移與富集有重要控制作用，是實(shí)現(xiàn)瓦斯精準(zhǔn)預(yù)測及源頭治理的關(guān)鍵。當(dāng)前研究多集中于控氣因素的宏觀識(shí)別，缺乏對控氣機(jī)制的微尺度建模與空間差異性的深入揭示[1]。為此，本文以典型高瓦斯煤層為對象，系統(tǒng)研究控氣地質(zhì)因素的分類、機(jī)制與耦合效應(yīng)，構(gòu)建精細(xì)化表征方法體系，旨在提升瓦斯預(yù)測與區(qū)域治理的科學(xué)性與精準(zhǔn)度。

1.高瓦斯煤層地質(zhì)控氣因素分類及作用機(jī)制

1.1煤層賦存條件

煤層賦存條件是影響瓦斯富集與運(yùn)移的基礎(chǔ)控制因素。煤層厚度決定瓦斯的儲(chǔ)集空間，較厚煤層雖然具備較大的吸附容量，但內(nèi)部煤質(zhì)變化劇烈、層理結(jié)構(gòu)復(fù)雜，常表現(xiàn)出明顯的瓦斯富集差異性。而薄煤層則由于常與致密圍巖伴生，具有較強(qiáng)的封閉性能，瓦斯保存更為穩(wěn)定。

煤層傾角對瓦斯遷移方向具有導(dǎo)向性。傾角大的煤層，在重力與浮力共同作用下，瓦斯易沿構(gòu)造裂隙或?qū)娱g滑動(dòng)面運(yùn)移；而傾角較緩區(qū)域則相對穩(wěn)定，適于瓦斯封存。

此外，煤層埋深是影響瓦斯壓力與滲透特性的關(guān)鍵因素。煤層埋深增加，應(yīng)力增大，降低煤層的滲透性，煤層瓦斯不易流失。隨著煤層埋藏深度增加，煤層瓦斯向地表運(yùn)移的距離增大，有利于瓦斯保存。煤層瓦斯參數(shù)與煤層傾角也有一定關(guān)系，煤層傾角變化大時(shí)，瓦斯可沿著一些透氣性好的地層向上運(yùn)移和排放；煤層傾角小時(shí)，一些透氣性差的地層起到封存瓦斯的作用，已有資料表明，瓦斯壓力隨埋深增加而增長，壓力梯度約為 0.23MPa/100m 說明埋深對瓦斯賦存具有顯著主控作用。因此，煤層厚度、傾角與埋深等多因子之間的綜合耦合關(guān)系，決定了瓦斯的空間富集狀態(tài)，也為后續(xù)抽采參數(shù)設(shè)定提供理論基礎(chǔ)。

1.2構(gòu)造特征控制

煤層構(gòu)造特征是影響瓦斯運(yùn)移路徑與聚集機(jī)制的關(guān)鍵地質(zhì)因素。典型高瓦斯煤層區(qū)常發(fā)育斷層、褶皺與裂隙結(jié)構(gòu)，構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈區(qū)域瓦斯分布波動(dòng)性較大，容易形成局部富集。斷層帶內(nèi)張裂縫與剪切帶的存在，為瓦斯遷移提供了快捷通道，而小型逆斷層和局部斷塊常構(gòu)成相對封閉環(huán)境，使瓦斯在特定空間內(nèi)聚集并形成潛在危險(xiǎn)區(qū)域。

褶皺結(jié)構(gòu)對煤體裂隙系統(tǒng)具有深刻影響，尤其在軸部及翼部交匯區(qū)域，煤體受拉張應(yīng)力作用顯著，裂隙發(fā)育程度高，滲透性增強(qiáng)，有利于瓦斯逸散。而構(gòu)造底部或應(yīng)力閉合區(qū)則裂隙減少、圍巖致密，常形成瓦斯保存帶。

煤層圍巖性質(zhì)很大程度上影響瓦斯賦存，圍巖致密、裂隙不發(fā)育的巖層，透氣性越小，瓦斯越容易保存，反之，將易于瓦斯流失。一般來說，煤層頂板巖性為致密完整的巖石，如頁巖、油頁巖時(shí)，煤層瓦斯含量較高。頂板為多孔或裂隙發(fā)育的巖石，如礫巖、透氣性好的砂巖時(shí)，瓦斯含量偏低。泥巖有利于瓦斯保存，但要是含有砂質(zhì)、粉砂質(zhì)，要看砂質(zhì)性質(zhì)、含量，封閉瓦斯能力也不同。

整體而言，構(gòu)造復(fù)雜程度與瓦斯賦存表現(xiàn)出高度耦合關(guān)系，必須在瓦斯災(zāi)害預(yù)警和區(qū)域抽采布置中予以優(yōu)先考慮。

1.3煤巖屬性差異

煤巖的組分結(jié)構(gòu)和物理屬性對瓦斯的吸附能力與運(yùn)移行為起主導(dǎo)作用。高鏡質(zhì)組含量煤體具有發(fā)達(dá)的微孔結(jié)構(gòu)和較大的比表面積，具備強(qiáng)吸附能力；而惰質(zhì)組和殼質(zhì)組含量高的煤巖多呈致密狀態(tài)，瓦斯吸附能力較弱。已有相關(guān)研究顯示，當(dāng)鏡質(zhì)組含量超過 70% ，煤層具有明顯的瓦斯富集傾向。

裂隙系統(tǒng)是煤巖力學(xué)變形的結(jié)果，也是瓦斯擴(kuò)散通道的重要載體。裂隙發(fā)育時(shí)，煤層表現(xiàn)為高滲透性，瓦斯易遷移。當(dāng)裂隙閉合或膠結(jié)后，瓦斯擴(kuò)散受限，形成潛在高壓區(qū)。

1.4水文地質(zhì)條件

水文地質(zhì)條件通過調(diào)控瓦斯賦存環(huán)境與滲流特征，在控氣機(jī)制中發(fā)揮重要作用。典型高瓦斯煤層中，若頂板導(dǎo)水性強(qiáng)，常形成瓦斯解吸帶，使原本富集區(qū)域瓦斯含量下降；而底板若為致密泥巖，則具備較好的封閉性，有助于形成穩(wěn)定瓦斯保存區(qū)。

在高含水區(qū)域，瓦斯以氣液相混合形式遷移，路徑復(fù)雜，抽采響應(yīng)差，抽采效率低；而弱含水區(qū)域瓦斯聚集穩(wěn)定、濃度高，是抽采的優(yōu)選區(qū)域[2]。這種“干帶富集、濕帶耗散”的分布模式在多區(qū)域瓦斯調(diào)查中均有體現(xiàn)。

2.控氣因素精細(xì)表征技術(shù)方法

2.1多源數(shù)據(jù)融合與三維建模

高瓦斯煤層瓦斯賦存具有顯著的空間異質(zhì)性，單一數(shù)據(jù)難以全面反映其控氣機(jī)制。為提升表征精度，引入多源地質(zhì)數(shù)據(jù)融合方法，整合鉆孔測井、瓦斯實(shí)測、三維地震與煤巖組分等信息，在統(tǒng)一坐標(biāo)系下構(gòu)建三維地質(zhì)模型。通過空間配準(zhǔn)與屬性重構(gòu)，增強(qiáng)了關(guān)鍵控氣因子的空間連續(xù)性表達(dá)能力。

建模過程中，采用Kriging插值對斷裂密度、煤層厚度等變量進(jìn)行擬合，結(jié)合地震反演成果刻畫地質(zhì)異常體。在GeoMoMap平臺(tái)上完成三維建模，實(shí)現(xiàn)斷裂構(gòu)造、煤層變異帶與瓦斯富集區(qū)的可視化識(shí)別。

如圖1所示，構(gòu)造帶與瓦斯異常區(qū)在空間上呈現(xiàn)顯著重疊，為精準(zhǔn)抽采與高風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警提供了重要數(shù)據(jù)支撐。

2.2控氣因子定量表達(dá)模型構(gòu)建

為了實(shí)現(xiàn)控氣因素與瓦斯賦存潛力之間的量化關(guān)聯(lián)，需構(gòu)建科學(xué)的多因子響應(yīng)模型。首先，通過主成分分析（PCA）方法提取數(shù)據(jù)集中影響最大的變量，避免變量間多重共線性影響。隨后，利用灰色關(guān)聯(lián)分析法（GRA）對各主控因素進(jìn)行相關(guān)度排序，篩選出對瓦斯賦存影響最顯著的參數(shù)組合，包括煤層埋深（D）、煤層厚度（H）、斷裂密度（F）、水文系數(shù)（W）與鏡質(zhì)組比例（Vr）。

在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建如下多元回歸模型：

G_as=a₁D+a₂H+a₃Fd+a₄W+a₅Vr+?

其中， G_gas 為目標(biāo)變量，表示單位體積煤層的瓦斯賦存潛力， a₁ 至 a₅ 為回歸系數(shù)， ? 為誤差項(xiàng)。模型采用最小二乘法進(jìn)行參數(shù)估計(jì)，并通過交叉驗(yàn)證手段檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷姆夯芰?，確保其在不同地質(zhì)條件和煤層特征下均具有良好的適用性和預(yù)測精度。

該模型不僅為瓦斯賦存規(guī)律的定量分析提供了有效工具，也為煤礦控氣策略制定與風(fēng)險(xiǎn)評估奠定了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

3.結(jié)果與討論

3.1控氣因素空間耦合關(guān)系分析

多源數(shù)據(jù)建模結(jié)果顯示，瓦斯異常富集區(qū)多分布于斷裂密集、煤層厚度突變及煤巖結(jié)構(gòu)復(fù)雜區(qū)域。這些區(qū)域既具備良好封閉性，又具富集潛力，構(gòu)造擾動(dòng)程度直接影響瓦斯的遷移與聚集。斷裂交匯處煤層受剪切擠壓影響，裂隙發(fā)育、鏡質(zhì)組含量高，易形成高壓富瓦區(qū)。GIS空間疊加分析與等值線擬合表明，控氣因子之間存在明顯的非線性耦合，為優(yōu)化治理策略提供了依據(jù)。

3.2不同控氣組合模式識(shí)別

綜合把控氣體相關(guān)特征，鑒別出三類典型組合樣式：（1）斷裂一厚煤帶氣體富集類型：分布于斷裂跟厚煤層交匯的地段，有著良好的瓦斯賦存能力。（2）煤層大傾角一裂隙導(dǎo)流型：煤層有較大的傾角，裂隙暢通無阻礙，極易引發(fā)瓦斯遷移聚集，要提前進(jìn)行瓦斯預(yù)抽泄壓。（3）含水低滲約束樣式：水文呈現(xiàn)強(qiáng)封閉特性，滲透率欠佳，瓦斯穩(wěn)定地實(shí)現(xiàn)富集，利于低負(fù)壓條件下進(jìn)行抽采，各模式的空間分布差異特征明顯，支撐分區(qū)治理與精準(zhǔn)抽采的推進(jìn)。

4.結(jié)束語

在高瓦斯存在的煤層間，煤層的埋深情況、構(gòu)造裂隙現(xiàn)象、煤巖的組分構(gòu)成及水文條件協(xié)同發(fā)力，在瓦斯的賦存與運(yùn)移方面起主導(dǎo)，搭建起多因子響應(yīng)模型可切實(shí)鑒別富瓦區(qū)域，增進(jìn)抽采的精度及治理的效率?？貧庖蛩氐木?xì)刻畫，可給風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警、抽采規(guī)劃與安全管控提供理論上的支撐，未來應(yīng)把動(dòng)態(tài)監(jiān)測、智能感知與數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)技術(shù)相融合，促使瓦斯治理朝著精準(zhǔn)化、智慧化以及體系化方向邁進(jìn)。能

參考文獻(xiàn)：

[1]程立華。高瓦斯礦井分層開采工作面瓦斯綜合治理技術(shù)[J].江西煤炭科技，2024，（03）：237-239+243.

[2]尚林偉。高瓦斯低滲煤層卸壓增透鉆孔有效影響范圍監(jiān)測技術(shù)研究[J].陜西煤炭，2025，44（03）：96-101+144.DOI：10.20120/j.cnki.issn.1671-749x.2025.0317.作者單位：貴州文家壩礦業(yè)有限公司一礦