礦井瓦斯地質規律與瓦斯預測的探討

尤純旺

（山西冀中能源金暉煤焦化工有限公司萬峰煤礦，山西 呂梁 032300）

萬峰煤礦位于山西省霍西煤田汾孝礦區東部，孝義市南約10km處，井田面積16km2，生產規模1.2Mt/a，工業儲量202.43Mt，可采儲量117.2Mt，礦井服務年限70年。采用立井、兩水平、集中運輸大巷、采區上、下山開拓方式。第一水平標高+200m，第二水平標高+100m。現生產一水平煤層為1#煤層，1號煤層平均厚度1.5米，結構簡單，全井田穩定可采。采煤方法為走向長壁綜合機械化方式，頂板管理方式為自然垮落。礦井采用中央并列式通風系統，回采工作面采用U型通風方式。1#煤層瓦斯含量為7.18～18.5m3/t，礦井達產時最大相對瓦斯涌出量為44.91m3/t，最大絕對瓦斯涌出量為113.40m3/min，為高瓦斯礦井。煤層透氣性系數為1.62～3.785m2/Mpa2.d，鉆孔瓦斯流量衰減系數為 0.0031～0.04995d-1，煤層透氣性較好，屬于可以抽采煤層，煤的自燃傾向性為Ⅱ類自燃，煤塵具有爆炸危險性。

1 礦井地質概況

1.1 井田地質條件

井田內發育的地層由下至上有：奧陶系下統的冶里組、亮甲山組和中統的下馬家溝組、上馬家溝組、峰峰組，石炭系中統本溪組、上統太原組，二疊系下統山西組、下石盒子組和上統上石盒子組，上第三系上新統，第四系中上更新統、全新統的地層。井田內可采煤層五層，即山西組 1#、3#和太原組 5#、9#、10+11#煤層，1#煤層平均厚度1.50m，結構簡單，全井田穩定可采，3#煤層局部可采，可采范圍平均厚度0.60m，5#煤層局部可采，可采范圍內平均厚度0.72m，9#煤層厚度平均1.36m，全井田可采，10+11#煤層平均厚度6.38m，全井田可采，與9#間距很近，開采時采取聯合開采。目前主要開采1#煤層，堅固性系數f為0.28～0.47，直接頂為黑色粉砂巖，厚 2.58m，間接頂為砂質泥巖、泥巖，厚3.07m，1#上煤頂板（老頂）為中細砂巖，巖石硬度f=8～10,致密較堅硬，平均厚度21.2米。距1上煤（厚0.85m）間距2.82-9.42米，平均6.26米。直接底為黑色砂質泥巖，厚6.03m。頂底板砂質泥巖、泥巖的巖石硬度f＝6。

1.2 井田地質構造及分布特征

井田位于霍西煤田的北緣，祁呂弧形褶皺帶的東翼與汾河挽近槽地的銜接部位，屬于祁呂弧褶皺帶東翼，位于盆狀復向斜北東部的大西莊背斜東北翼，受大西莊背斜影響，井田內總體來看為一單斜構造，地層走向近北西向，傾向北東，傾角 3°-12°，2004年勘探時發現在井田東部邊界附近發育一條正斷層F10，走向 N15°E，傾向北西，傾角 55°，落差35m，井下巷道揭露首采區內有21條斷層，其中落差大于10m的斷層2條，落差大于5m的斷層7條，落差小于5m的斷層3條，其余為0-2m的小斷層，現將井田內揭露主要斷層列如表1：

表1 萬峰煤礦揭露主要斷層表

1.3 構造煤發育及分布特征

從礦井已揭露區域來看，井田內區域未發現構造煤。

2 礦井瓦斯地質規律研究

2.1 斷層、褶皺構造對瓦斯賦存的影響

斷裂運動伴隨著構造運動而發生，斷裂的類型對瓦斯保存有重要影響，斷層將煤層斷開后，煤層與斷層另一盤接觸的巖性，若透氣性好則利于瓦斯排放。

斷層的空間方位對瓦斯的保存、逸散也有影響。一般走向斷層阻隔了瓦斯沿煤層傾斜方向的逸散，而傾向和斜交斷層則把煤層切割成互不聯系的塊體。不同類型的斷層，形成了不同的塊段的構造邊界條件，對瓦斯的保存，排放有不同的影響。

向斜構造的兩翼與軸部中和面以上為壓應力場，表現為明顯的應力集中，為高壓區；軸部中和面和以下處于拉伸張應力場，而且煤層埋深往往較大，只產生少量開放性裂隙，釋放部分應力，形成相對低壓區。這樣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。1207進風巷、回風巷在掘進過程中經過向斜軸部時瓦斯涌出量和瓦斯抽采量均出現顯著的增大。

背斜構造的兩翼與軸部中和面以下為壓應力場，表現為明顯的應力集中，為高壓區；軸部中和面和以上處于拉伸張應力場，而且煤層埋深往往較大，只產生少量開放性裂隙，釋放部分應力，形成相對低壓區。當煤層頂底板為厚的透氣性差的泥巖或頁巖時，埋深較大時，背斜的軸部中和面的上部巖石會表現為塑形變形，不會產生裂隙，這樣頂底板仍然保持良好的覆蓋性能，兩翼的瓦斯也會向軸部運移，造成煤層的高含氣性。

2.2 頂底板巖性對瓦斯賦存的影響

頂底板巖性包括巖石的孔隙率、滲透性和空隙結構。一般來說頂底板巖石孔隙率大，連通情況好，滲透性好，孔隙度大，透氣性能好，有利煤層瓦斯逸散，反之亦然。萬峰煤礦1號煤層頂底板巖性為致密完整的粉砂巖或炭質泥巖，煤層中的瓦斯容易保存下來，所以煤層中瓦斯含量較大，達到8.4～18.5m3/t。

2.3 煤層埋深對瓦斯賦存的影響

隨著煤層埋深的增加，瓦斯含量增加。埋藏深度的增加，不僅地應力增高而使煤層及圍巖的透氣性變差，而瓦斯向地表運移的距離也增長，二者都有利封存瓦斯。分析萬峰煤礦1號煤層瓦斯含量測值與埋深關系可知（見表2），萬峰煤礦煤層瓦斯含量隨埋深增大而增加。

3 瓦斯含量分布及預測研究

煤層瓦斯含量受多種地質因素的制約，諸如煤質、埋藏深度、構造、煤的物理化學性質、煤層頂底板巖性等等，不同礦區，各種地質因素施加影響的顯著性可能是不相同的。對某一個具體井田而言，在諸多地質因素中總有一個主導因素控制瓦斯含量在井田范圍內變化的總體趨勢，其它地質因素只能在局部范圍內影響煤層瓦斯含量。

該井田地質構造屬簡單類，構造僅在局部影響煤層瓦斯賦存，對整個井田的影響作用較小。煤層埋藏深度是控制瓦斯含量變化的主導因素。

表2 1號煤層瓦斯含量測定數據匯總

通過對萬峰煤礦地勘和生產期間的1號煤層瓦斯含量測定數據（表2）的分析，得出萬峰煤礦煤層瓦斯賦存的規律如下：

萬峰煤礦1號煤層8個瓦斯含量控制點除W5鉆孔外，其余控制點瓦斯含量均較高，屬CH4帶。W5鉆孔所測得的煤層瓦斯（CH4）成分只有11.67%，遠小于80%，很顯然，W5鉆孔處于瓦斯風化帶。

萬峰煤礦1號煤層瓦斯含量具有隨埋藏深度增加而加大的整體趨勢，但存在一定的幅值波動，即，同一埋藏深度的煤層，瓦斯含量值可能存在一定的差異。

4 礦井瓦斯涌出量預測

根據安全生產行業標準《礦井瓦斯涌出量預測方法》（AQ1018-2006），采用分源預測法對萬峰煤礦回采工作面瓦斯涌出量進行預測如下：

礦井1號煤層，煤層厚度取平均值1.50m。

礦井設計生產能力為120萬t/a，1號煤層開采布置二個采區，首采工作面為一采區西翼的1103工作面。采用走向長壁，綜合機械化采煤法，全部垮落法管理頂板，回采工作面長度150m，回采率為97%。

分別對開采煤層（包括圍巖）和鄰近層瓦斯涌出量進行預測。

表3 1號煤層開采時鄰近層厚度及至開采層距離

1 號煤層開采時的相對瓦斯涌出量最大為18.5m3/t。橫向上看，瓦斯涌出量由西南向東?北方向逐漸增大，在礦井東北部達到最大。垂向上看，下部煤層比上部煤層瓦斯涌出量高，與煤層埋深成正比，底板等高線成反比。

表4 鄰近煤層相對瓦斯涌出量計算結果匯總表

1 號煤層開采時受到上下鄰近層煤層群的影響，距離鄰近層的距離見表3。

結論

萬峰礦區位于山西省霍西煤田霍州煤炭國家規劃礦區東北部。霍西煤田位于山西省中南部，北起汾陽，南至河津平原，西迄呂梁山東麓，東止霍山腳下，受多種構造帶影響，以壓性構造為主，構造帶集中分布在煤田兩側的呂梁山脈及太岳山脈，煤田內構造相對較簡單。本井田總體來看為一單斜構造，地層走向近北西向，傾向北東。

分析了斷層、褶曲、頂底板巖性、煤層埋深對礦井瓦斯賦存的影響，并得出煤層埋藏深度是控制瓦斯含量的主導因素。

據收集瓦斯含量資料，結合煤層埋藏深度可知：煤層瓦斯含量具有隨埋藏深度增大而加大的整體趨勢。

用分源預測法對萬峰煤礦回采工作面瓦斯涌出量進行了預測。預測結果表明：1號煤層瓦斯涌出量最大可達18.5m3/t。

用分源預測法對萬峰煤礦回采工作面鄰近層瓦斯涌出量進行了預測。預測結果表明：1號煤層開采時鄰近層煤層群的瓦斯涌出量最大可達12.04m3/t。

[1]陸秋琴.地下煤礦瓦斯運移數值模擬及積聚危險性評價研究 [J].西安建筑科技大學，2010.

[2]孫斌.基于危險源理論的煤礦瓦斯事故風險評價研究[J].西安科技大學，2003.