山陽煤礦1501面瓦斯賦存規(guī)律及控制因素分析

許滿貴，曹艷軍，張 鵬，張宏亮，徐經(jīng)蒼

(1.西安科技大學(xué) 能源學(xué)院，陜西 西安710054；2.陜西陜煤澄合礦業(yè)有限公司，陜西 澄城 715200)

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山陽煤礦1501面瓦斯賦存規(guī)律及控制因素分析

許滿貴1，曹艷軍1，張 鵬2，張宏亮2，徐經(jīng)蒼2

(1.西安科技大學(xué) 能源學(xué)院，陜西 西安710054；2.陜西陜煤澄合礦業(yè)有限公司，陜西 澄城 715200)

為了查明山陽煤礦1501面的瓦斯賦存規(guī)律及其控制因素，采用瓦斯含量直接測定法井下實(shí)測了1501面瓦斯含量，利用實(shí)測數(shù)據(jù)結(jié)合相關(guān)資料繪制了1501面瓦斯含量等值線圖，并結(jié)合實(shí)際情況得出了1501面“Ⅰ區(qū)域高，Ⅱ區(qū)域低，皮帶巷一側(cè)高，軌道巷一側(cè)低”的瓦斯賦存規(guī)律。在此基礎(chǔ)上，研究分析地質(zhì)因素對1501面的瓦斯賦存控制作用，得出煤層厚度和水文地質(zhì)條件是影響1501面瓦斯賦存差異的主要控制因素。研究結(jié)論可以對1501面回采期間瓦斯治理提供理論指導(dǎo)。

山陽煤礦；賦存規(guī)律；地質(zhì)因素；控制因素

0 引 言

瓦斯是一種地質(zhì)成因的氣體地質(zhì)體，其生成、運(yùn)移、賦存和富集都受極其復(fù)雜的地質(zhì)演化作用控制[1]。瓦斯賦存規(guī)律受多種因素影響，不同礦井的成煤環(huán)境和煤層賦存條件差異引起瓦斯賦存規(guī)律也不同[2]。瓦斯是中國煤礦生產(chǎn)安全事故的“頭號殺手”，煤礦瓦斯事故災(zāi)害頻發(fā)的根本原因是未能真正掌握礦井井田范圍內(nèi)瓦斯賦存規(guī)律。針對具體礦井的瓦斯賦存規(guī)律開展研究，有助于煤礦企業(yè)有針對性地開展瓦斯防治工作，進(jìn)而從源頭上防止瓦斯事故的發(fā)生，實(shí)現(xiàn)礦井安全和高產(chǎn)高效。

山陽煤礦屬于新建礦井，1501回采面為首采工作面，為了在礦井投產(chǎn)后對瓦斯防治采取有效措施，需要對其瓦斯賦存規(guī)律進(jìn)行分析研究，保證礦井投產(chǎn)后的安全生產(chǎn)。

1 礦井及工作面概況

1.1 礦井概況

山陽煤礦位于陜西省渭北石炭—二疊紀(jì)煤田澄合礦區(qū)中深部。東西走向長約12.5 km，南北傾向?qū)捈s5.8 km，井田面積約72.9 km2.設(shè)計生產(chǎn)能力3.0 Mt/a，為瓦斯礦井。構(gòu)造形態(tài)簡單，是一走向近東西、向北傾斜鋸波狀起伏的單斜構(gòu)造。產(chǎn)狀平緩，傾角一般3°～8°，地質(zhì)條件較好。礦井采用立井開拓方式，主采5#煤層，全部垮落法管理頂板。

1.2 工作面概況

1501面為山陽煤礦的首采工作面，走向長2 400 m，傾向長180 m.1501工作面主采5#煤層屬較穩(wěn)定煤層，煤層底板標(biāo)高+275～+344 m，煤層厚度2.5～5.7 m，平均4.0 m，可采儲量2.1 Mt.

圖1 1501面煤層底板等高線圖Fig.1 Coal-floor contour map of 1501 working face

圖2 1501面瓦斯含量等值線圖Fig.2 Gas content contour map of 1501 working face

從1501面煤層底板等高線圖(圖1)可以看出，煤層底板總體呈現(xiàn)西低東高的地理形態(tài)，在巷道掘進(jìn)過程中分別在皮帶巷和軌道巷揭露2條小斷層F1，F(xiàn)2，斷層參數(shù)見表1.同時，在掘進(jìn)過程中發(fā)現(xiàn)煤層由西到東呈現(xiàn)逐漸變薄的趨勢。

根據(jù)1501面實(shí)際煤層賦存情況以坐標(biāo)37 415 800為分隔點(diǎn)把1501工作面劃分為2個區(qū)域進(jìn)行研究。37 415 000～37 415 800控制的區(qū)域為Ⅰ區(qū)，37 415 800到開切眼區(qū)域為Ⅱ區(qū)。區(qū)域劃分有利于根據(jù)工作面瓦斯含量變化、涌出量變化而針對性地制定不同的瓦斯治理措施。

從圖1中可以看出Ⅰ區(qū)標(biāo)高較Ⅱ區(qū)低，標(biāo)高最高最低處相差近56 m，即埋深相差56 m.

表1 1501工作面斷層參數(shù)表

2 1501面瓦斯含量、壓力分布規(guī)律

2.1 瓦斯含量分布規(guī)律

依據(jù)《煤層瓦斯含量井下直接測定方法》[3](GB/T23250-2009)且結(jié)合山陽煤礦實(shí)際情況在1501工作面皮帶巷、軌道巷以及開切眼處測定了多組煤層瓦斯含量。運(yùn)用煤層瓦斯含量測定結(jié)果可靠性分析原則，拋棄明顯存在誤差的點(diǎn)后，篩選出具有代表性的12組數(shù)據(jù)，見表2.

利用1501面實(shí)測瓦斯含量數(shù)據(jù)且結(jié)合相關(guān)資料，采用sufer 8.0軟件和AutoCAD軟件繪制了1501面瓦斯含量等值線圖(圖2)。圖中瓦斯含量單位為m3/t.

從瓦斯等值線圖2可以看出，瓦斯賦存具有明顯的分區(qū)性，坐標(biāo)37 415 000～37 415 800控制的Ⅰ區(qū)瓦斯含量明顯較坐標(biāo)37 415 800到開切眼控制的Ⅱ區(qū)高。井下實(shí)測數(shù)據(jù)顯示1501面瓦斯含量為1.670 5～6.782 2 m3/t，Ⅰ區(qū)鉆孔瓦斯含量1.930 2～6.782 2 m3/t，平均值為3.829 3 m3/t.Ⅱ區(qū)實(shí)測鉆孔瓦斯含量1.670 5～2.684 2 m3/t，平均值為2.327 2 m3/t.Ⅰ區(qū)明顯高于Ⅱ區(qū)。這一結(jié)論與繪制的瓦斯等值線圖有良好的契合度。除此之外，從圖2中可以看出，1501工作面皮帶巷一側(cè)瓦斯含量比軌道巷一側(cè)高，這與巷道掘進(jìn)期間瓦斯涌出情況相一致。

綜上所述，山陽煤礦1501面瓦斯賦存呈現(xiàn)明顯的分區(qū)特性，即Ⅰ區(qū)原煤瓦斯含量高，Ⅱ區(qū)低；皮帶巷一側(cè)高，軌道巷一側(cè)低。

表2 1501面煤層瓦斯含量測定結(jié)果

2.2 瓦斯壓力分布規(guī)律

(1)

式中 W為煤層瓦斯含量，m3/t；p為煤層絕對瓦斯壓力，MPa；a，b為瓦斯吸附常數(shù),a=17.366 0m3/t，b=1.507 2MPa-1；Mad為煤中水分含量，%，Mad=0.66；Aad為煤中灰分含量，%，Aad=34.58；k為煤的孔隙率，k=0.098；γ為煤的容重，t/m3,γ=1.485.計算結(jié)果見表2.依據(jù)計算結(jié)果同時結(jié)合相關(guān)資料繪制出1501工作面瓦斯壓力等值線圖(圖3)。圖中瓦斯壓力單位為MPa.

圖3 1501面瓦斯壓力等值線圖Fig.3 Gas pressure contour map of 1501 working face

從圖3中可以看出，1501面瓦斯壓力值在0.08～0.40MPa，Ⅰ區(qū)瓦斯壓力較大，特別是Ⅰ區(qū)靠近皮帶巷一側(cè)煤層瓦斯壓力達(dá)到0.4MPa，而Ⅱ區(qū)煤層瓦斯壓力最大值為0.12MPa.由此可見2個區(qū)域瓦斯壓力具有明顯差異。這與圖2瓦斯含量等值線圖整體上具有一致性，說明瓦斯含量高的位置瓦斯壓力也高。

3 瓦斯賦存規(guī)律的控制因素分析

3.1 地質(zhì)構(gòu)造對瓦斯賦存的影響

地質(zhì)構(gòu)造控制煤的形成與富集，也控制著瓦斯的賦存[5]。地質(zhì)構(gòu)造既可改變煤層瓦斯賦存形態(tài)及煤體結(jié)構(gòu)，又可改變圍巖透氣性能[6]。1501面地質(zhì)構(gòu)造簡單，掘進(jìn)期間沒有發(fā)現(xiàn)大的斷層，僅在Ⅱ區(qū)皮帶巷和軌道巷揭露2條小型正斷層F1，F(xiàn)2，落差分別為0.8和2.5m，對回采影響較小，對瓦斯賦存也影響有限。總體上1501面地質(zhì)構(gòu)造對于瓦斯賦存影響不大。

3.2 煤層埋深對瓦斯賦存的影響

煤層埋深是控制瓦斯的重要因素，它是地表與煤層頂板之間的垂直距離。在一定的深度范圍內(nèi)，煤層中瓦斯含量隨埋藏深度的增加而增大。在地形起伏較大地區(qū)，瓦斯含量與覆蓋層的厚度密切相關(guān)[7]。依據(jù)測定數(shù)據(jù)利用回歸分析法確定出瓦斯含量與埋深的關(guān)系，得到煤層瓦斯含量隨埋藏深度的變化趨勢如圖4所示。

圖4 瓦斯含量與煤層埋深關(guān)系圖Fig.4 Relationship between gas content and coal seam depth

W=0.029 2x-10.009.

(2)

式中 x為煤層埋藏深度，m.從圖4可以看出，瓦斯含量與煤層埋深成正相關(guān)關(guān)系，即隨著埋藏深度增加瓦斯含量增大但擬合度(相關(guān)性)很差，相關(guān)性系數(shù)R2=0.146 6.其原因主要是山陽煤礦5#煤層處于瓦斯風(fēng)化帶內(nèi)。國內(nèi)外大量實(shí)驗結(jié)果表明，在甲烷帶內(nèi)，瓦斯含量隨煤層埋深的增加而增加，絕大多數(shù)呈線性增加。而在瓦斯風(fēng)化帶中，二者之間線性關(guān)系較差，但總體趨勢還是瓦斯含量隨煤層埋深增加而增大。

3.3 煤層厚度對瓦斯賦存的影響

煤層是含煤巖系中具有較多孔隙的有機(jī)巖層，對瓦斯有較強(qiáng)的吸附能力，煤層厚度是影響瓦斯含量的重要因素之一。

煤層厚度越大，對瓦斯的吸附能力越大，儲集的瓦斯量也越大[8]。隨著煤層厚度增加，成煤時期生成的瓦斯量增多。而且煤層越厚，瓦斯的儲存空間越大，瓦斯含量越高。回歸分析測點(diǎn)數(shù)據(jù)得出煤層厚度和瓦斯含量的具體關(guān)系如圖5所示。

W=1.897 8x-3.758 8.

(3)

式中 x為煤層厚度，m.從圖5可以看出，瓦斯含量與煤層厚度有較好的相關(guān)性，相關(guān)性系數(shù)R2=0.637 2，由此說明煤層厚度對1501面瓦斯賦存規(guī)律有很大的影響。

圖5 瓦斯含量與煤層厚度關(guān)系圖Fig.5 Relationship between gas content and coal seam thickness

3.4 頂?shù)装鍘r性對瓦斯賦存的影響

含煤地層的巖性組合及其透氣性對煤層瓦斯含量有重大影響[9]，煤層圍巖條件決定煤層頂板巖性及透氣性，其好壞直接影響瓦斯賦存量的大小。山陽煤礦主采5#煤，該煤層位于二疊紀(jì)山西組下段，頂板為二疊系下石盒子組，以灰綠、灰、深灰色粉砂巖、砂質(zhì)泥巖為主。底板為石英系太原組，巖性主要由石英砂巖、粉巖、碳酸巖和煤層組成。

5#煤層頂板以粉砂巖和砂質(zhì)泥巖為主，透氣性較好，封閉性差，不利于瓦斯的儲存。底板大部分由粉砂巖組成，透氣性也比較高，也不利于瓦斯的儲存，這種頂?shù)装逄匦詻Q定了1501面煤層瓦斯含量整體偏低的格局。

3.5 水文地質(zhì)條件對瓦斯賦存的影響

水文地質(zhì)特征是影響瓦斯賦存的另一個重要因素[10]。瓦斯主要以吸附狀態(tài)賦存于煤孔隙中，地下水通過地層壓力對瓦斯吸附聚集起控制作用，這種控制作用既可導(dǎo)致瓦斯(煤層氣)散逸，又能起到保存聚集瓦斯的作用[11]。盡管瓦斯溶于水的程度不高，但地下水在漫長的地質(zhì)年代可以帶走數(shù)量可觀的瓦斯。由于地下水的溶蝕作用，還會帶走大量的礦物質(zhì)，導(dǎo)致煤層天然卸壓，地應(yīng)力降低會引起煤層及圍巖透氣性增大，從而加強(qiáng)了煤層瓦斯的流失[12]。

1501工作面軌道巷有一個較大的出水點(diǎn)，初期涌水量160m3/h，目前穩(wěn)定在130m3/h左右。皮帶巷有2個較大的出水點(diǎn)，涌水量共計45m3/h左右。分析認(rèn)為3個出水點(diǎn)均為掘進(jìn)破壞5#煤底板后，導(dǎo)致K2灰?guī)r水涌入工作面。由于地下水的運(yùn)移，一方面驅(qū)動著裂隙和孔隙中的瓦斯運(yùn)移，另一方面又帶動了溶解于水中的瓦斯一起流動[12]，這種特殊的水文地質(zhì)條件使得1501面瓦斯含量整體偏低，且軌道巷一側(cè)涌水量為皮帶巷涌水量的2.9倍，實(shí)測鉆孔瓦斯含量軌道巷一側(cè)整體明顯低于皮帶巷。這也與瓦斯等值線圖所揭示的賦存規(guī)律高度吻合，說明水文條件對1501面瓦斯賦存規(guī)律有很大影響。總之，地下水活動使得山陽煤礦1501面呈現(xiàn)出“水大瓦斯小，水小瓦斯大”的特征。

4 結(jié) 論

1)通過井下直接測定煤層瓦斯含量得出1501面瓦斯含量1.670 5～6.782 2m3/t，且用間接法測定出1501面的瓦斯壓力0.08～0.40MPa.利用測定數(shù)據(jù)繪制的瓦斯等值線圖和壓力等值線圖很好地呈現(xiàn)了1501面瓦斯賦存及壓力分布特征；

2)1501面的瓦斯賦存表現(xiàn)為“Ⅰ區(qū)域高，Ⅱ區(qū)域低，皮帶巷一側(cè)高，軌道巷一側(cè)低”的賦存規(guī)律。在1501回采時應(yīng)注意Ⅰ區(qū)域及皮帶巷一側(cè)的瓦斯涌出情況，加強(qiáng)這一區(qū)域的瓦斯治理，保證礦井安全生產(chǎn)；

3)綜合分析了地質(zhì)因素對1501面瓦斯含量的控制作用，得出影響1501瓦斯規(guī)律的主要控制因素為煤層厚度和水文地質(zhì)條件。地質(zhì)構(gòu)造、埋深以及圍巖特性對瓦斯賦存有一定影響，但影響不大。

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Gas occurrence regularity and controlling factors of 1501 working face in Shanyang coal mine

XU Man-gui1，CAO Yan-jun1，ZHANG Peng2，ZHANG Hong-liang2，XU Jing-cang2

(1.CollegeofEnergyScienceandEngineering,Xi’anUniversityofScienceandTechnology,Xi’an710054,China；2.ShaanxiChengheMiningCo.，Ltd.，Chengcheng715200，China)

To find out the gas occurrence regularity and its controlling factors of 1501 working face in Shanyang coal mine，the gas-content direct mensuration is adopted to measure the gas content of 1501 working face.We draw the gas content contour map of 1501 working face based on the measured and related data.Combined with actual situation，we obtain the gas occurrence regularity of 1501 working face which is“Ⅰregion is high and Ⅱ region is low，the side of belt lane is high and the side of track lane is low”.By analysing the geological factors’control action of gas occurrence on 1501 working face，it is concluded that the thickness of the coal seam and the hydro-geological conditions are the main controlling factors that influence the gas occurrence differences of 1501 working face.The conclusions of the study can provide theoretical guidance for gas control during the mining period of 1501 working face.

Shanyang coal mine；occurrence regularity；geological factors；controlling factors

10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2016.0604

1672-9315(2016)06-0782-05

2016-06-12 責(zé)任編輯：楊泉林

許滿貴(1972-)，男，陜西寶雞人，教授，E-mail：1911551709@qq.com

TD 712

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