東風礦67＃煤層瓦斯賦存影響因素分析及突出危險區預測

高衛國，王 蔚，2，馬韶萍

（1．河南理工大學安全科學與工程學院，河南 焦作454000；2．河南省瓦斯地質與瓦斯治理重點實驗室—省部共建國家重點實驗室培育基地，河南 焦作454000）

1 概 況

東風煤礦位于黑龍江七臺河市新興區，是黑龍江龍煤集團股份有限公司下屬煤礦。該礦有礦區鐵路專用線與黑龍江省重要鐵路線接軌，公路可通往黑龍江省重要的市縣，交通方便。井田屬丘陵－低山地區，其地勢呈東北低西南高，地面高程在＋175～＋285m左右，高程差為110m，地形較高且陡，地面徑流排泄強烈，地下水補給條件較差。礦井經礦井延深和技術改造，核定生產能力達到0．36Mt／a。主要開采下白堊統雞西群城子河組62＃、67＃等煤層，煤質以焦煤為主。現階段東風礦為斜井水平分區式開拓，一水平現已采完；二水平（±0m～－200m）為現階段主要產煤水平，布置有三個采區；開拓工程均在三水平（標高－200m以下），布置有兩個采區。經歷年瓦斯等級鑒定，礦井瓦斯絕對涌出量已達到37．2m3／min，相對涌出量已達到27．08m3／t，為高瓦斯礦井。

2 礦井主要地質特征

2．1 地層及煤層特征

礦井主要含煤地層為中生界白堊系地層，其中城子河組、穆棱組含煤層數較多。

城子河組地層為東風礦主要含煤地層之一。其下部巖性主要以中粗砂巖為主，向上巖石顆粒變細，以粉砂巖為主，厚度達991m，共含煤28層，煤層總厚為14．23m。總含煤系數1．45%，其中主采煤層62＃、67＃均位于此層。

穆棱組平行不整合于城子河組之上，為東風礦主要的煤系地層之一。巖性主要以細顆粒砂巖為主，部分兼有粉砂巖及粗砂巖，厚度達220m，共含煤五層，煤層較薄，均為不可采煤層。

東風礦現階段主采煤層為67＃，煤層厚度為0．54～1．33m，平均1．0m。煤層結構簡單，屬全區發育較穩定煤層，具有較高的控制及研究程度，可采指數達到94%，煤厚變異系數為11%。煤層煤質屬暗淡型煤，以暗煤居多，原煤灰分為24．23%，硫含量為0．24%，水分1．175%，揮發分33．91%，為1／3焦煤。其頂板主要分布有粗砂巖，底板主要分布有中砂巖。

2．2 構造特征

東風礦位于勃利煤田中部，山字型斷裂構造西面。井田地層大體呈北西向傾斜的大高差單斜構造區。其內部構造以高角度張性正斷層為主，主要的控制斷層54條，其中有28條斷層落差大于30m，無較大褶曲構造發育。其中主干斷裂主要有近NW315°和近SN兩組張扭性正斷層構成。沿主干斷裂分布有大量次生、派生斷層，次級斷層呈“入”字型，派生斷層主要沿主干斷裂層面滑動，不切割大斷裂。受張扭性正斷層影響，東風礦在生產過程中揭露了大量的小斷層均為正斷層。

2．3 水文特征

東風礦主要發育張性斷層，裂隙發育，發育程度隨著埋藏深度的增加而逐漸減小，其地層的富水性出現非常明顯的垂直分帶和分層規律。其中主要發育有含水層3層；隔水層相對較薄，但全區穩定發育，分為4層。

含水層有：①73＃煤層底板粗砂巖含水層，平均厚度為20m，較穩定，向西部有分叉現象。據抽水資料顯示，其 K值為1．43m／h，q為0．664L／s·m；②66＃煤層頂板中粗砂巖含水層，平均厚度為40m，沿9號勘探線分布，向西逐步變薄，據抽水資料顯示，其K值為0．315m／h，q為0．213L／s·m；③62＃煤層頂板中－粗砂巖含水層，平均厚度20m，沿9號勘探線分布，向西逐步變薄；

隔水層有：①74＃煤層底板凝灰巖隔水層，平均厚度2～3cm，全區均勻分布；②67＃煤層底板凝灰巖隔水層，平均厚度5～7cm，全區均勻分布；③65＃煤層底板凝灰巖隔水層，平均厚度2～3，全區均勻分布；④61＃煤層底板凝灰巖隔水層，平均厚度3～5cm，全區均勻分布。

2．4 上覆巖層特征

東風礦地面起伏較小，其上覆第四紀沉積層，厚度較小且較為松散，厚度只有9m左右，垂向差異不大。煤層上覆基巖厚度為煤層埋深減去第四系沉積層厚度，主要分布有砂巖、粉砂巖、凝灰巖、泥巖等，部分地區分布有粗砂巖。

3 瓦斯與主要地質因素的關系定性分析

3．1 地質構造

東風礦井田范圍內地質構造以斷層為主，未發育褶皺構造。其中多發育張扭性正斷層，且次級斷層及派生斷層也多為正斷層為主，同時在礦井采煤過程中揭露了大量的小斷層，斷層的性質也均為正斷層。主要控制斷層達54條，統計出54條斷層數據，做出斷層走向玫瑰花圖，見圖1。

圖1 東風煤礦斷層走向玫瑰花圖

通過對斷層玫瑰花圖分析，可知東風礦礦井斷層走向以NW和NE向較為發育，且多為大角度張性正斷層，并收張扭應力控制，導致東風礦斷層割裂了煤層，破壞煤層連續性，產生大量裂隙，使得礦井在標高－200m以上的煤層瓦斯沿著斷層產生裂隙大量的逸散，瓦斯含量較低。隨著煤層埋藏深度的增加，斷層對煤層破壞作用越來越小，瓦斯含量逐步變高，導致近幾年瓦斯涌出量增高。

3．2 水文地質

東風礦井含水層發育較好，但補給條件較差，且礦井涌水量不大，具有以靜儲量為主的充水特征；并且67＃煤層頂底板中發育有較好的隔水層，十分不利于瓦斯的逸散。但其上層煤層開采時導致頂底板破裂，67＃煤層賦存的瓦斯通過破裂帶逸散到上覆已采煤層中，瓦斯逸散較大。

3．3 煤層上覆基巖

東風礦第四系地層主要為黃土層，裸露于地面，膠結性較差，發育大量孔隙，連通性較好，容易釋放瓦斯，對賦存影響較小。所以在對礦井埋深對瓦斯賦存的影響主要體現在煤層上覆基巖厚度的大小，礦井瓦斯含量、涌出量主要是隨煤層上覆基巖厚度增加而增大。

4 上覆基巖厚度與瓦斯含量定量分析

4．1 基巖厚度與瓦斯含量回歸分析

根據礦井資料統計，采集了67＃煤層120多個鉆孔的上覆基巖厚度及埋深等值線，繪制出了東風礦上覆基巖厚度等值線，見圖2。

為了對瓦斯含量與基巖厚度的關系進行定量分析，統計出煤礦生產過程中實測瓦斯含量與其相應的上覆基巖厚度，見表1。并對其進行線性回歸分析，做出關系趨勢圖，見圖3。

圖2 東風煤礦67＃煤層深部上覆基巖厚度等值線

表1 東風煤礦67＃煤層瓦斯含量測定結果表

圖3 東風礦67＃煤層瓦斯含量與基巖厚度的關系

一般說來，隨著埋藏深度的增加，上覆基巖的厚度也會增大，煤層中的瓦斯壓力也隨著埋深增加而增大，由于瓦斯壓力的增加，煤與巖石中的游離瓦斯量所占的比例也會增大，而煤中的吸附瓦斯逐漸趨于飽和［1－2］。據此類推，在礦井既定范圍內，煤層瓦斯含量也會隨著上覆基巖厚度的增加而增加大；而當上覆基巖厚度繼續增加時，瓦斯含量變化的幅度會有減緩。通過圖3可以看出：煤層上覆基巖厚度550～900m范圍內的瓦斯含量與上覆基巖厚度呈正相關，相關性較高，相關性系數R值達到0．72。

4．2 瓦斯含量分布及預測

通過對瓦斯賦存影響因素的定性及定量分析可知，影響東風礦67＃煤層瓦斯賦存的因素眾多。其中大部分地質因素只能進行定性分析，只有底板標高、埋藏深度、上覆基巖厚度三個因素可以進行定量分析，且這三個定量因素對67＃煤層瓦斯含量影響較大。分別對這三個因素與瓦斯含量的關系進行線性回歸分析，得出線性關系式，見表2。

表3 煤層瓦斯含量與主要影響因素關系表

由表3可以看出，67＃煤層的煤層底板標高，埋藏深度以及上覆基巖厚度與瓦斯含量相關性系數均達到0．8以上，相關性較高，其中上覆基巖厚度對瓦斯含量的影響最大。結合東風礦瓦斯形成條件及賦存情況，建立煤層上覆基巖厚度與瓦斯含量之間的數學模型，對未采區域煤層瓦斯含量預測更具有普遍意義。

通過上述分析，根據瓦斯含量與上覆基巖厚度回歸方程，得出67＃煤層瓦斯含量梯度為1．16m3／t／100m，從而可知上覆基巖厚度為545m、717m、891m 所對應的瓦斯含量值分別為 4m3／t、6m3／t、8m3／t。

5 煤與瓦斯突出危險區預測

煤與瓦斯突出是煤礦井下采掘過程中煤和瓦斯突然涌出并產生巨大動力效應的煤巖動力災害，可能導致瓦斯爆炸，是煤礦事故發生頻率高、人員傷亡大的地質災害［3－4］。有效地進行區域突出危險性預測（以下簡稱區域預測）可減少防突措施實施的盲目性，增加防突工作的針對性，避免對非突出區域投入大量人力、財力和物力，有利于保障礦井安全生產。根據煤層瓦斯參數結合瓦斯地質分析的突出危險性區域預測方法要求，應當根據煤層瓦斯壓力P進行預測，如果沒有或者缺少煤層瓦斯壓力資料，也可根據煤層瓦斯含量 W進行預測［5］。

參照《防治煤與瓦斯突出規定》，東風礦瓦斯壓力過小，實測壓力數據少，結合礦井瓦斯賦存地質規律，采用瓦斯含量對東風67＃煤層進行突出危險區預測，即瓦斯含量大于8m3／t的區域定為突出危險區。67＃煤層瓦斯含量8m3／t對應的上覆基巖厚度為891m。為了保證礦井安全生產，應當采取瓦斯含量劃分的突出危險界線，即將67＃煤層上覆基巖891m以深劃分為煤與瓦斯突出危險區。

6 結 論

根據礦井地質特征分析，結合瓦斯賦存情況，對東風礦井田內地質因素對瓦斯賦存的影響進行了分析，確定了煤層上覆基巖厚度是影響67＃煤層瓦斯賦存的主控因素。經過定性分析及定量計算，確定了東風礦67＃煤層瓦斯含量隨著煤層上覆基巖厚度的增加而變大，達到每增加100m，瓦斯含量增大1．16m3／t。根據瓦斯賦存規律的分析，結合相關煤礦安全規定，預測出67＃煤層上覆基巖891m以深劃分為突出危險區，為煤礦安全生產起到了重要的指導作用。

［1］ 萇延輝，宋常勝．華陽煤礦瓦斯地質規律分析［J］．中國礦業，2012，21（zk）：517－519．

［2］ 張子敏．瓦斯地質學［M］．徐州：中國礦業大學出版社，2009．

［3］ 鄭仰發，鞠文君，朱廣軼．基于FTA方法的煤與瓦斯突出危險性評價研究［J］．中國礦業，2012，21（zk）：509－511，516．

［4］ 俞啟香．礦井瓦斯防治［M］．徐州：中國礦業大學出版社，1998：69－87．

［5］ 國家安全生產監督管理總局，國家煤礦安全監察局．防治煤與瓦斯突出規定［Z］．2012．