紅菱煤礦西三采區12＃煤層瓦斯賦存規律及控制因素分析

李浩然 程遠平 郭曉宇

（中國礦業大學安全工程學院，江蘇省徐州市，221116）

紅菱煤礦西三采區12＃煤層瓦斯賦存規律及控制因素分析

李浩然 程遠平 郭曉宇

（中國礦業大學安全工程學院，江蘇省徐州市，221116）

分析了紅菱煤礦西三采區12＃煤層瓦斯含量與埋藏深度的關系，研究了礦井地質構造、圍巖巖性特征以及巖漿巖侵入對煤層瓦斯含量的影響，為指導煤礦瓦斯治理工作提供了可靠數據。結果表明，西三采區12＃煤層瓦斯含量主要受埋藏深度控制，采區內地質構造簡單，其對瓦斯的控制作用較弱，局部煤體受巖漿巖侵入的影響，瓦斯含量增大；西三采區整體瓦斯含量高，瓦斯壓力大，煤與瓦斯突出危險性大，在采掘活動進行前，需要采取區域消突措施來消除煤與瓦斯突出危險性。

煤礦瓦斯 瓦斯賦存 地質構造 瓦斯含量 煤與瓦斯突出

隨著礦井開采深度的增加，煤層地應力增高、瓦斯含量和瓦斯壓力增大，再加上煤層透氣性低，瓦斯采前抽采困難，煤與瓦斯突出和爆炸災害日趨嚴重，因此，準確地了解礦井的瓦斯賦存規律對指導礦井的生產活動有著十分重要的現實意義。

1 礦井概況

沈陽紅菱煤礦西三采區位于該礦西翼－780m水平，西起F59斷層、紅陽三礦風井煤柱，東至F19斷層和F19－2斷層，北起煤層露頭，南至F58斷層，南北長1.84km，東西寬1.08km，面積1.99km2。西三采區含煤地層為石炭、二疊系，地層共含14層煤，其中3＃煤、7＃煤和12＃煤為本區主要可采煤層。3＃煤層為單一薄煤層，平均厚0.93m，全區大部可采，3＃煤距7－1＃煤層平均間距為38.4m；7＃煤層是復合煤層，平均厚2.67 m，7＃煤層與12＃煤層平均間距為63.4m；12＃煤層為復合煤層，平均厚4.13m，12＃煤層底板即為13＃煤層頂板，13＃煤層由1～5個煤分層組成復合結構煤層，厚度0.2～4.75m，平均厚2.02m，西三采區地層柱狀圖見圖1。

圖1 西三采區地層柱狀圖

2 區域地質構造

2.1 褶曲

西三采區位于西大卜背斜傾伏端淺部，軸部東側，地層受軸向N35°～40°E、傾伏角3～7°的傾伏背斜控制，等高線呈不規則半環形，扇狀分布。總體為單斜構造，而在單斜構造內有小型復式背向斜。

2.2 斷層

－780m水平共有5條斷層，F19為正斷層，走向N40°E，傾向SE，傾角80°，斷距15～130 m，延伸4.00km，3＃～13＃煤層范圍發育；F60為正斷層，走向N30°E，傾向NW，傾角80°，斷距0～52m，延伸0.60km，3＃～13＃煤層范圍發育；F59正斷層，走向N30°E，傾向SE，傾角45～80°，斷距0～12m，延伸1.6km，3＃、7＃煤層范圍發育；F58為正斷層，走向N60°W，傾向NE，傾角80°，斷距0～10m，延伸0.85km；F19－2正斷層，走向N40°W，傾向SE，傾角80°，斷距0～40m，延伸1.5km。

3 影響瓦斯賦存因素分析

煤層瓦斯含量受多種因素的制約，諸如煤質、埋藏深度、構造、煤的物理化學性質以及煤層頂、底板巖性等，不同礦區，各種地質因素施加影響的顯著性可能是不相同。結合紅菱煤礦西三采區的地質條件進行分析，得出可能影響煤層瓦斯含量的因素。

3.1 煤層埋藏深度

埋藏深度是決定煤層瓦斯含量大小的重要因素。對同一煤田或煤層，在瓦斯風化帶以下，煤層瓦斯壓力隨深度加大線性增加，故煤層瓦斯含量隨深度增加而增大，它反映了煤層瓦斯由深部向地表運移的總規律，該規律已為大量生產和科研實踐所證實。

紅菱煤礦西三采區煤樣工業分析數據見表1，采用式（1）求得瓦斯含量X：

式中：V——單位質量煤的空隙容積，m3／t；

p——煤層瓦斯壓力，MPa；

T0——標準狀態下的絕對溫度，K；

p0——標準狀態下的絕對壓力，MPa；ζ——瓦斯壓縮系數；

a——煤的極限瓦斯吸附量，m3／t；

b——瓦斯吸附常數，MPa－1；

t0——實驗室測定煤吸附常數時的實驗溫度，℃；

T——煤層溫度，℃；

A、W——分別為煤的灰分和水分，%。

計算出不同埋深情況下瓦斯含量值，見圖2。

圖2 西三采區瓦斯含量與埋深關系圖

由圖2可以看出，西三采區整體瓦斯含量很高，在標高為575m時，瓦斯含量就達到了8.4 m3／t，且隨著標高的加大，瓦斯含量不斷增大。但兩者并不是簡單的線性關系，當標高相對較淺時，隨著深度的增加，瓦斯含量增加較快，當標高大于700m時，煤層瓦斯含量增加速度明顯變慢。煤層埋藏深度是影響瓦斯含量的主要控制因素。

表1 西三采區煤樣工業分析及瓦斯吸附參數試驗測定結果

3.2 地質構造

地質構造是影響瓦斯存儲的重要條件之一。封閉型的地質構造有利于封存瓦斯，開放型的地質構造有利于排放瓦斯。紅菱煤礦西三采區12＃煤層作為主采煤層，由于受主干構造影響，井田內發育很多小斷層和小褶皺，斷層情況見表2，這些小構造在局部上改變了煤層瓦斯含量，但是從整體上來看，對整個12＃煤層的瓦斯賦存影響不大。采區內斷層落差較小（通常小于10m），斷層在走向延伸范圍和煤層相比也小的多，煤層連續性好，斷層達不到控制瓦斯賦存的作用。

3.3 煤層圍巖巖性特征

煤層圍巖對瓦斯賦存的影響，決定于它的隔氣、透氣性能。一般來說，當煤層頂板巖性為致密完整的巖石，如泥巖、頁巖、油母頁巖時，煤層中的瓦斯容易被保存下來；頂板為多孔隙或脆性裂隙發育的巖石，如礫巖、砂巖時，瓦斯就容易逸散。紅菱煤礦西三采區12＃煤層頂板為海相泥巖，厚達8～15m，原生節理不發育，屬于低透氣性巖層，因此12＃煤層瓦斯含量高，儲存條件好。

表2 西三采區斷層情況表

3.4 巖漿巖

巖漿侵入到煤層里面時，在接觸變質和區域熱力變質作用下，煤的分子組成發生變化，芳香族稠環的縮合程度迅速提高，烷基側鏈及含氧官能團脫落分解，煤的揮發份降低，某礦火成巖侵入與揮發分變化關系如圖3所示，侵入作用使煤體的鏡質體反射率提高，變質程度增大。當巖漿順煤層侵入時，大量的熱能與接觸變質作用使煤層容易形成天然焦、天然半焦、超無煙煤；按變質程度深淺可以劃分出若干個帶，排列順序由近至遠依次為：天然焦、無煙煤及其他接觸變質煤、正常煤。煤質與成巖體大小及其間的巖層厚度有關，它們決定著煤層接觸變質程度和分布范圍，火成巖侵入地層后，在高溫烘烤和擠壓應力作用下，煤體結構和煤的孔隙發育特征發生了極大的改變，主要表現為煤體力學強度降低，由正常煤變為“構造煤”。煤層的突出指標瓦斯放散初速度Δp增加，煤體堅固性系數f值降低。

通過對西三采區的試樣研究發現，在探查鉆孔范圍內，7＃煤層全部被火成巖侵蝕，受火成巖影響附近煤層變質為天然焦。巖漿通過F19斷層侵入到煤系地層，12＃煤層受火成巖侵入影響較大，12－1＃煤層火成巖侵入面積占總面積的29%，造成12＃煤層構造煤發育。正常煤體與受火成巖侵入的煤體的突出參數對比見表3。

圖3 巖床厚度、煤層巖床間距與揮發分變化關系圖

表3 巖漿侵入區與正常區Δp和f值比照表

4 結論和建議

（1）紅菱煤礦西三采區瓦斯賦存主要受煤層埋藏深度的控制，瓦斯含量整體上較規律，煤層埋藏深度是瓦斯含量的主要控制因素，隨著深度的增加，瓦斯含量逐步增大。

（2）西三采區12＃煤層瓦斯含量高，煤與瓦斯突出危險性大，在進行采掘之前，一定要采取局部瓦斯治理技術，建議采用開采上保護層，附加穿層鉆孔預抽煤層瓦斯技術來消除12＃煤層的瓦斯突出危險性，只有在瓦斯含量、瓦斯壓力下降到突出臨界指標以下才可以進行采掘活動。

（3）西三采區地質構造較為簡單，其對瓦斯含量的控制作用較弱；但是，紅菱煤礦為突出礦井，整體地應力高，瓦斯含量大，突出危險性大，在礦井136次的突出中，發生在地質構造周圍的占43%，因此，在地質構造附近需要加強對瓦斯的監控預測，以保證煤礦的安全生產。

（4）巖漿巖的侵入造成了瓦斯含量的局部性增大，對受到巖漿巖侵入的煤體，加強對其瓦斯突出預測指標的監測，以防止煤與瓦斯突出危險性事故的發生。

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Study on gas occurrence law in No.12 coal seam of 3rd mining area in western of Hongling Coal Mine and its control factors

L
i Haoran，Cheng Yuanping，Guo Xiaoyu
（School of Safety Engineering，China University of Mining and Technology，Xuzhou，Jiangsu 221116，China）

The relationship between gas content and burial depth in No.12coal seam of 3rd western mining area of Hongling coal mine was analyzed，and the factors influencing gas content were studied，including the geological structure，the characteristics of surrounding rocks and magmatic intrusion，providing a reliable data for the gas control.The results showed that the gas content is mainly affected by the burial depth，and the simple geological structure has a slight role on the gas content.The gas content would increase in the local seams where the magma invaded.In addition，the high gas content and pressure easily causes the coal and gas outburst in the 3rd mining area，so some corresponding measures must be taken to eliminate the outburst risk before mining.

gas occurrence of coal mine，geological structure，gas content in coal seams，coal and gas outburst

TD712.2

A

李浩然（1987－），男，遼寧葫蘆島人，碩士研究生，主要從事煤礦瓦斯防治的研究工作。

（責任編輯 梁子榮）