潘三礦11—2煤層瓦斯賦存主控因素分析

周鑫隆 ++柏發松++石必明 ++穆朝民

摘要：為了研究淮南潘三礦11-2煤層的瓦斯賦存規律和主控因素，運用瓦斯地質理論和線性回歸的方法，結合潘三礦地質勘探期間瓦斯地質資料和現場實測瓦斯數據，分析了11-2煤層瓦斯賦存特征，探討了煤層瓦斯賦存與埋藏深度、地質構造、頂底板巖性、煤厚和煤體結構之間的關系。結果表明：煤層埋深、地質構造和頂板巖性是影響11-2煤層瓦斯賦存的主要控制因素，煤厚增加使得瓦斯含量也相應增大，構造軟煤的不均勻分布在一定程度上增大了瓦斯突出危險性，從而為潘三礦煤與瓦斯突出危險性預測提供了依據。

關鍵詞：瓦斯賦存；瓦斯含量；瓦斯壓力；主控因素；回歸分析

中圖分類號：TD712.2文獻標志碼：A

[WT]文章編號：1672-1098（2015）01-0050-05

收稿日期：2014-07-31

作者簡介：周鑫隆（1989-），男，湖北襄陽人，在讀碩士，研究方向：安全科學與工程。

[JZ（〗[WT3BZ]Analysis of Main Influencing Factors of Gas Occurrence in 11-2 Coal Seam in Pansan Coal Mine

ZHOU Xin-long1，BO Fa-song2，SHI Bi-ming1，MU Chao-min1

（1. School of Energy and Safety， Anhui University of Science and Technology， Huainan Anhui 232001， China； 2. Pansan Coal Mine， Huainan Mining Group Co.， Ltd.， Huainan Anhui 232001， China）

Abstract：In order to study gas occurrence regularity in 11-2 coal seam in Pansan Coal Mine and the main influencing factors， the features of gas occurrence in 11-2 coal seam was analyzed and the gas occurrence in dependence on coal seam depth， geological structure， roof and floor lithology， coal body structure was discussed. The results showed that coal seam depth， geological structure and roof lithology are the main influencing factors of gas occurrence in 11-2 coal seam. With the coal seam thickness increasing， gas content rises， and the inhomogeneous distribution of tectonic soft coal induces gas outburst hazard rising to some extent. The study results provide a basic reference to prediction of coal and gas outburst in Pansan Coal Mine.

Key words：gas occurrence； gas content； gas pressure； main influencing factors； regression analysis

瓦斯是煤的形成過程中受各種地質因素綜合作用的產物，其賦存規律與復雜的煤層地質條件及煤體自身的性質有著密切的關系[1]。國內外研究表明：區域地質構造、圍巖透氣性、埋藏深度、煤層厚度、煤體自身性質等是影響瓦斯生成、運移、賦存的幾個主要因素[2-4]。運用瓦斯地質理論對瓦斯基礎參數進行分析研究，理清煤層瓦斯賦存規律及其主要控制因素，對科學指導瓦斯防治、預測瓦斯突出危險性具有重要意義[5]。

1地質概況

11區域地質構造

淮南煤田位于華北板塊南緣，秦嶺造山帶北緣，東為郯廬斷裂帶，北與蚌埠隆起南帶相接，總體上呈東西向展布，煤田含煤地層為二疊系上、下石盒子組和山西組，且煤層賦存呈現西部淺、東部深的特征。

淮南煤田受大別山帶的控制，礦區內逆沖推覆斷裂發育（見圖1），主要有由南向北的八公山-舜耕山-劉莊推覆體、由北向南的上窯-明龍山-尚塘推覆體、以及WE向的淮南扇形復向斜帶，在復向斜帶內還發育有潘集背斜、陳橋背斜和謝橋古溝向斜等[6-7]。

圖1淮南煤田區域地質構造圖

12礦井地質概況

潘三礦處于淮南復向斜潘集背斜與謝橋古溝向斜的交匯處，總體形態為一單斜構造，地層走向為NWW-SEE。井田為第四系松散層覆蓋的全隱蔽區，地質構造條件復雜，大、中、小型斷層發育。因受區域性NS擠壓作用，井田內發育有董崗郢次一級向斜為葉集次一級背斜，層滑構造在井田內也極其發育。11-2煤層質構造圖如圖2所示。

圖2潘三礦11-2煤層地質構造圖

煤層中、小型斷層的發育形式主要受董崗郢向斜控制，因此以董崗郢次級向斜為界將11-2煤劃分為東、西翼兩個地質單元。東翼地質單元內以逆斷層為主，煤層傾角一般都較小，主要有F5～F19～F47斷層組以及F39～F18斷層組，基本位于瓦斯風化帶以內，且發育有葉集次一級背斜和呈NE～SW向展布的沖刷帶。該區內煤層厚度變化很大，裂隙較為發育。西翼地質單元主要分布有F1-1～F24～F26斷層組，斷層落差大，正斷層發育較逆斷層要多，煤層傾角大，且距離基巖面較近。endprint

2瓦斯參數測定

在井下不同地點測定煤層瓦斯壓力并采集煤樣，去除灰分大于40%和水分含量高的煤樣后，采用直接法計算出煤層瓦斯含量，同時收集潘三礦地勘期間所測的大量瓦斯數據，得出20個不同埋深的可靠的瓦斯數據如表1所示。

表111-2煤層瓦斯數據表

采樣地點埋深/m瓦斯含量/（m3·t-1）瓦斯壓力/MPa地質單元

西三11-2煤上部采區皮帶機上山552622502西翼

西三采區1642（1）運順進料巷6598358037西翼

-753皮帶機石門7514908西翼

西二11-2新增回風下山7553906西翼

1492（1）軌順8016112西翼

1482（3）底板巷82760212西翼

1482（3）底板巷82867916西翼

17131（1）軌順60851406東翼

-584軌道巷625229405東翼

-585軌道巷625833606東翼

東三11-2煤軌道下山676493071東翼

17101（3）底抽巷70251413東翼

17161（1）高抽巷71263118東翼

東翼-650～-750新增進風下山73445410東翼

1792（1）高抽巷750156211東翼

-705～817m聯絡巷74961712東翼

1792（3）底抽巷772461813東翼

深部進風井7746641122東翼

17181（1）運順進料巷77776715東翼

17181（1）瓦斯綜合治理巷7806715東翼

3瓦斯賦存規律分析

通過對不同采樣地點、不同埋深的瓦斯數據進行分析，得出11-2煤層瓦斯賦存規律。

1） 在沿煤層走向上，東、西翼煤層瓦斯含量差異較大，在相同標高下，東翼瓦斯含量普遍比西翼要大；在沿垂直標高上，深部煤層瓦斯含量明顯大于淺部。

2） 瓦斯含量、瓦斯壓力分布規律。運用線性回歸的分析方法建立礦井11-2煤層東、西翼瓦斯含量，瓦斯壓力與埋深的數學模型，得出東、西翼11-2煤層瓦斯賦存規律如表2所示。

表2瓦斯含量、壓力與埋深關系表

所屬單元線性回歸方程相關系數對比關系

瓦斯含量與埋深關系

東翼X=0.01574H-5.849370.622 36>0.6

西翼X=0.01516H-6.418570.854 03>0.6

瓦斯壓力與埋深關系

東翼P=0.00501H-2.526540.810 97>0.6

西翼P=0.00449H-2.469340.768 16>0.6

注：X為煤層瓦斯含量，m3t-1；P為煤層瓦斯壓力，MPa；H為煤層埋深，m。

從表2中可以看出，隨著煤層埋藏深度的增加，東、西翼瓦斯含量和瓦斯壓力均呈線性增長，且相關系數均大于06。東翼瓦斯含量和壓力梯度分別為1574 m3/（t·hm）和0501 MPa/hm，西翼瓦斯含量和壓力梯度分別為1516 m3/（t·hm）和0449 MPa/hm。

4影響煤層瓦斯賦存的控制因素

41埋深對瓦斯賦存的影響

隨著埋藏深度的不斷增加，煤層地應力也不斷增大，使得煤層及圍巖透氣性越來越差，煤層與地表的距離也相應增大，導致瓦斯在煤巖層中的運移、向地表逸散的難度增大[8]。

埋深/m

圖3東翼煤層瓦斯含量隨深度變化趨勢圖

埋深/m

圖4西翼煤層瓦斯含量隨深度變化趨勢圖

由圖3可以看出，在埋深變化不大的情況下，東翼煤層瓦斯含量存在很大差異，瓦斯含量分布比較離散，在660 m以下瓦斯含量與埋深的線性關系不明顯，但在660 m以上瓦斯含量隨埋深呈線性增長。由圖4可以看出各散點基本都在擬和線附近，西翼煤層瓦斯含量隨埋深變化很明顯。綜合以上分析可知，埋深是煤層瓦斯賦存的主要控制因素，且西翼地質單元瓦斯分布受埋深影響更大。

42地質構造對瓦斯賦存的影響

地質構造是影響區域內瓦斯流動的重要條件之一[9]。具體到11-2煤而言，地質構造主要以斷層構造和層滑構造兩個方面為主。

1） 斷層構造。研究資料表明[10]：斷層構造對煤層的完整度、煤體的結構性質以及瓦斯的賦存條件等都有極其重要的影響。

潘三礦11-2煤層大、中、小型斷層發育，東翼地質單元以張性正斷層為主，西翼以壓性逆斷層為主。文獻[11]曾以地勘期間和礦井生產中的大量瓦斯數據為基礎，統計了24個不同區域鉆孔的瓦斯含量數據及其與最近主斷層之間的距離。利用這些數據，通過線性回歸建立了數學模型，得出瓦斯含量X隨主斷層距離L變化規律如圖5～圖6所示。

主斷層距離/m

圖5東翼瓦斯含量隨主斷層距離變化規律

主斷層距離/m

圖6西翼瓦斯含量隨主斷層距離變化規律

從整體來看，東、西翼瓦斯含量大體上隨著主斷層距離的增大而增大，說明斷層構造對瓦斯含量的分布起著重要作用。從局部來看，東、西翼瓦斯含量并非全都隨著主斷層距離的增大而呈線性增長，部分階段反而會減小，這是由于11-2煤層大、中、小型斷層發育，在開放型斷層附近煤層地應力得到釋放，瓦斯運移、逸散容易，而封閉型斷層附近煤層地應力較為集中，瓦斯壓力大，瓦斯逸散困難而大量保存。綜合分析可知：斷層構造是影響瓦斯賦存非常重要的控制因素。

2） 層滑構造。井田內層滑構造極其發育，主要是受淮南復向斜潘集背斜控制，且一般表現為張性正斷層特征。11-2煤層頂板為巖性相對軟弱的砂質泥巖和中細砂巖，在構造應力或重力作用下產生滑動變形，在煤層中發育出較為平整的斷裂面，傾角一般在30°～60°之間，滑動一段時間后，與煤層的頂（底）板相接觸，導致煤層發生嚴重變形，使得煤層厚度和原生結構發生變化，同時也提高了煤層的煤化程度和灰分，破壞了煤層頂底板的穩定性。endprint

43頂板巖性對瓦斯賦存的影響

11-2煤層頂板主要以泥質巖為主，局部為中細砂巖，底板主要以泥質巖或砂質泥巖為主，頂底板位于斷層帶內，破碎嚴重并產生大量裂隙，不利于瓦斯的保存。砂泥比直接反映著頂板的巖性特征，砂泥比越大，頂板含泥質巖越少，頂板透氣性也就越小，阻礙了煤層瓦斯在煤巖體間的運移，逸散困難，瓦斯含量也就越高。反之，瓦斯含量則越小[12]。為直觀反映頂板巖性對瓦斯賦存的影響程度，取頂板30 m內巖層砂泥比作為考察對象，研究砂泥比m與瓦斯含量X之間的關系，研究結果如圖7所示。

砂泥比

圖7瓦斯含量隨頂板砂泥比變化趨勢

由圖7可以看出，各散點沿擬和線均勻分布，離散性較低，也就是說瓦斯含量隨著頂板砂泥比的增大而減小。因此分析可知，11-2煤層瓦斯含量隨著頂板巖層透氣性的降低而減小，對11-2煤層的瓦斯賦存有很大的影響。

44煤厚對瓦斯賦存的影響

生產實踐表明：瓦斯涌出量隨著煤層厚度的增加而增大，且煤厚帶也往往是應力變化集中帶[13]。11-2煤層東部為較穩定煤層，厚度0～24 m，平均17 m；西部為穩定煤層，厚度057～407 m，平均184 m。

煤厚/m

圖8瓦斯含量隨煤層厚度變化趨勢

從圖8建立的瓦斯含量與煤厚之間的數學模型分析可知，11-2煤層瓦斯含量整體上隨著煤層厚度的增加而增大，但離散度較大，且在煤厚為185～20 m時，瓦斯含量與煤厚線性關系不明顯，說明在這些點上煤厚并不是瓦斯含量分布的主要影響因素。因此，煤厚對11-2煤層瓦斯賦存有一定的影響但不是主要控制因素。

45煤體對瓦斯賦存的影響

煤體結構和煤的變質程度是影響瓦斯賦存的因素之一。煤體結構受破壞程度越高，煤體強度就越低，抵抗突出的能力越小，瓦斯突出的危險性也就越高。另外，煤的變質程度越高，生成的瓦斯量也就越多，吸附瓦斯的能力也越大[14]。

潘三礦井田內地質構造條件復雜，部分煤層煤體結構遭到破壞，受構造應力作用形成了以面狀分布的構造軟煤。中深部構造軟煤相比于淺部較為發育，在小向斜軸部煤層厚度較兩翼大，構造軟煤加厚。發育類型主要為Ⅱ類和Ⅲ類，煤體呈鱗片狀、粉末狀或土糜狀，厚度為03～215 m，平均厚度為076 m。整個煤層塊煤、碎塊煤和粉沫煤的比例為6∶1∶3，這說明構造軟煤受地質構造影響在11-2煤層內呈現不均勻分布，這在一定程度上增加了采掘工作中瓦斯突出危險性。

11-2煤層以1/3焦煤、氣煤為主，在實驗室對煤層煤樣進行分析，結果如表3所示。

表3煤樣工業分析及相關參數

采樣地點工業分析MadAadVdaf

瓦斯放散初速度ΔP孔隙率堅固性系數f

-817東翼軌道大巷1.4221.2728.38.07.640.61

結合煤的分級指標[15]可以看出，11-2煤層屬于低水分、中揮發分、中灰分煤，成煤過程處于主要生氣階段，煤的變質程度較高，生成瓦斯量較多，煤體微孔發育，吸附表面積大，貯存瓦斯的能力也比較強。

5結論

1） 11-2煤層瓦斯賦存總體上呈現東翼地質單元瓦斯含量普遍比西翼要高，深部煤層瓦斯含量明顯大于淺部的分布規律。東翼瓦斯含量和壓力梯度分別為1574 m3/（t·hm）和0501 MPa/hm，西翼瓦斯含量和壓力梯度分別為1516 m3/（t·hm）和0449 MPa/hm。

2） 運用瓦斯地質理論和線性回歸方法分析得出煤層埋深、地質構造、頂板巖性是影響11-2煤層瓦斯賦存和突出分布的主要控制因素，三者與瓦斯分布的相關系數達到08以上。

3） 隨著煤層厚度的增加，瓦斯含量也相應增大，而煤層中構造軟煤的不均勻分布在一定程度上增大了瓦斯突出危險性，二者對瓦斯賦存有一定的影響但不是主要控制因素。endprint