阿刀亥礦急傾斜煤層瓦斯賦存影響因素分析

龐禹東

（神華集團(tuán)包頭礦業(yè)公司，內(nèi)蒙古自治區(qū)包頭市，014010）

瓦斯是成煤過程中的一種伴生產(chǎn)物，通常以游離和吸附兩種狀態(tài)存在于煤體之中。煤層中瓦斯賦存、運(yùn)移及分布規(guī)律除受成煤過程中生成的瓦斯量影響，還受多種地質(zhì)因素的綜合因素控制，從而造成同一礦井瓦斯賦存在空間分布上變化較大。

近年來，神華集團(tuán)包頭礦業(yè)公司阿刀亥煤礦隨著礦井開采強(qiáng)度和開采深度的增加，煤層瓦斯的涌出量明顯增大，并呈現(xiàn)出分布的不均勻性和不確定性，針對這一情況，有必要查明和分析阿刀亥礦煤層瓦斯賦存規(guī)律影響因素，揭示瓦斯分布的基本特征和規(guī)律，為阿刀亥礦瓦斯治理工作提供參考和依據(jù)。

1 礦井概況

阿刀亥煤礦位于陰山山脈大青山煤田的中段南緣，東與老窩鋪井田相鄰，西與大炭壕井田相鄰，現(xiàn)生產(chǎn)能力為90萬t／a。礦區(qū)內(nèi)含煤地層為石炭系上統(tǒng)拴馬樁組，屬內(nèi)陸山間盆地相沉積，主要由煤層、砂質(zhì)粘土巖、泥巖及各種粒級的碎屑巖組成，碎屑巖與礫巖占70%以上，相變頻繁，泥炭沼澤相與河流相相互交替，煤層厚度變化大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，煤分層難以對比。本區(qū)地質(zhì)構(gòu)造從屬于大青山煤田總的構(gòu)造特征，即構(gòu)造線走向近東西，發(fā)育有大型斷裂構(gòu)造及緊閉式倒轉(zhuǎn)褶曲。煤系地層含Cu2和Cu4兩個煤層組，煤系地層全厚183 m，煤層總厚為28 m，含煤系數(shù)為15%，煤層傾角80～90°。礦井采用斜井多水平開拓，采煤方法為急傾斜特厚煤層分水平走向長壁綜采放頂煤法，礦井通風(fēng)方式為中央并列抽出式。礦井的相對瓦斯涌出量在16.3～56.0 m3／t，變化較大，分布極不均勻。

2 影響瓦斯賦存的因素分析

2.1 煤的變質(zhì)程度

在成煤過程中瓦斯不斷產(chǎn)生，同時煤體孔隙率也不斷變化，因此，煤的變質(zhì)程度高低，既影響著瓦斯生成量，又決定著煤對瓦斯的吸附能力。

通過對阿刀亥煤礦不同地點(diǎn)煤樣的瓦斯含量和揮發(fā)分產(chǎn)率實(shí)驗(yàn)室測定，如圖1所示。結(jié)果表明，煤層的瓦斯含量隨著煤的揮發(fā)分的增大而減少。

圖1 煤層瓦斯含量與煤的揮發(fā)分關(guān)系圖

2.2 地質(zhì)構(gòu)造

巖層由于受到地質(zhì)構(gòu)造的作用，從而使得圍巖不同部位封閉瓦斯的能力存在很大差異，封閉型地質(zhì)構(gòu)造有利于瓦斯的儲存，而開放型地質(zhì)構(gòu)造有利于瓦斯排放。不同的地質(zhì)構(gòu)造控制著生成瓦斯的保存或逸散。

A2－S2褶曲是決定本區(qū)構(gòu)造形態(tài)的主要褶曲，其中A2為直立倒轉(zhuǎn)背斜，S2為直立倒轉(zhuǎn)向斜，這組褶曲縱貫全區(qū)，西由悅來堯進(jìn)入本井田，向東一直延伸出井田東部邊界，區(qū)內(nèi)全長6300 m。A2背斜軸走向N85°E，軸面傾向南，軸的傾伏角為44°。在茂八風(fēng)井以西，背斜軸在煤層頂?shù)淄ㄟ^，白家窯以東A2背斜從煤組中通過，致使Cu2煤組發(fā)生重復(fù)。由于背斜的影響，本區(qū)煤系地層被分隔為兩部分。背斜南翼為一內(nèi)部構(gòu)造復(fù)雜的復(fù)式向斜（S2向斜），其內(nèi)煤系不但賦存較深，且受次級構(gòu)造破壞嚴(yán)重；而背斜北翼煤系為一簡單的單斜，其內(nèi)構(gòu)造簡單，無斷裂及次級褶曲，從而使得北翼煤層?xùn)|部采區(qū)瓦斯含量相對大于西部采區(qū)的瓦斯含量。阿刀亥礦區(qū)斷裂構(gòu)造均為高角度斷層，在A2背斜南翼較為發(fā)育，而在北翼沒有發(fā)現(xiàn)，斷層構(gòu)造基本上對煤層的瓦斯賦存沒有產(chǎn)生大的影響。

2.3 煤層頂?shù)装鍘r性特征

煤層頂?shù)装鍘r性特征包括頂?shù)装鍘r性及厚度，其隔氣性和透氣性能直接影響煤層瓦斯的賦存條件。阿刀亥礦主采煤層與其頂?shù)装遒x存構(gòu)造為相對簡單的近于直立的單斜構(gòu)造，煤巖層露頭良好，在淺部有利于煤系地層及煤中瓦斯的逸散。但隨著開采深度的增加，煤層頂?shù)装鍘r厚變化較大，為了更加系統(tǒng)地研究主采煤層頂?shù)装鍘r厚與煤層瓦斯賦存含量及涌出量的關(guān)系，現(xiàn)將開采區(qū)煤層頂?shù)装?0 m內(nèi)的泥巖厚度及對應(yīng)測點(diǎn)的瓦斯含量進(jìn)行整理，并對兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析，見圖2。

圖2 煤層瓦斯含量與頂?shù)装鍘r厚關(guān)系

從圖2看出，隨著煤層頂?shù)装鍘r厚的增加，煤層瓦斯含量有所增加，其中頂板巖厚的增加對煤層瓦斯含量的影響更為明顯。

2.4 煤層埋藏深度

隨著煤層埋藏深度的增加和地應(yīng)力的增高，煤層和圍巖的透氣性相應(yīng)降低，瓦斯運(yùn)移距離的加大，導(dǎo)致瓦斯賦存量隨煤層埋深增加的程度不盡相同。由于阿刀亥礦礦區(qū)第四系很薄，因此，阿刀亥礦區(qū)基巖厚度對瓦斯賦存的影響基本上等同于煤層埋藏深度對瓦斯賦存的影響。阿刀亥礦在實(shí)際生產(chǎn)過程中隨著開采深度的增加，其煤層瓦斯含量及瓦斯涌出量與煤層開采標(biāo)高之間的關(guān)系，見圖3。

從圖3可以看出，煤層瓦斯含量和絕對瓦斯涌出量均隨著開采煤層標(biāo)高的降低呈線性增大的趨勢，由此預(yù)測了礦井在開采煤層底板標(biāo)高為1155 m、1100 m和1000 m時，煤層瓦斯含量和絕對涌出量，見表1。

圖3 煤層瓦斯含量、絕對瓦斯涌出量與煤層底板標(biāo)高關(guān)系圖

表1 不同底板標(biāo)高瓦斯含量及絕對瓦斯涌出量預(yù)測表

2.5 煤層厚度

煤層為瓦斯生成提供重要的物質(zhì)基礎(chǔ)，同時也是煤層瓦斯存儲的場所。根據(jù)阿刀亥礦多年的開采資料及地質(zhì)勘查得出的數(shù)據(jù)資料可知，阿刀亥礦煤組的最大厚度為49.67 m，最小厚度為0.90 m，平均厚度為19.23 m，含夾石3～42層。Cu2煤層瓦斯含量與煤層厚度之間的關(guān)系如圖4所示，隨著煤層厚度的增加，瓦斯含量逐漸增大。

圖4 煤層瓦斯含量與煤層厚度關(guān)系圖

2.6 水文地質(zhì)條件

地下水活動一方面可加強(qiáng)煤層中瓦斯移動，起到逸散作用；另一方面還可對瓦斯產(chǎn)生封閉作用。阿刀亥礦區(qū)水文地質(zhì)條件簡單，含水層雖較多，但含水不豐富，斷層破碎帶為主要含水帶，屬于孔隙、裂隙水為主的水文地質(zhì)條件的中等類型。現(xiàn)有開采礦井有少量的滴水和滲水，對煤層的瓦斯賦存影響較小，同時從歷年統(tǒng)計(jì)礦井涌水為300～500 m3／d等綜合因素考慮，阿刀亥礦地下水活動對瓦斯的賦存影響有限。

3 結(jié)論

阿刀亥礦在開采過程中相對瓦斯涌出量變化較大，分布極不均勻，為此，從煤的變質(zhì)程度、地質(zhì)構(gòu)造、頂?shù)装鍘r性、埋藏深度、煤層厚度和水文地質(zhì)條件等方面對瓦斯賦存規(guī)律進(jìn)行了系統(tǒng)的分析研究，可以看出阿刀亥礦開采煤層的瓦斯含量隨著煤的變質(zhì)程度的加深、頂?shù)装鍘r厚的增大、煤層埋藏深度的增加、煤層厚度的增大均呈線性上升趨勢，而褶皺、斷層以及地下水活動對煤層的瓦斯賦存影響有限，從而為瓦斯治理工作提供了重要參考和依據(jù)。

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