皇聯煤業3號煤層瓦斯賦存規律研究

樊進朝

（山西陽城皇城相府集團皇聯煤業有限公司，山西 晉城 048000）

山西陽城皇城相府集團皇聯煤業有限公司煤礦位于陽城縣城北東約12km北留鎮皇城村、溝底村、王街村一帶。批準開采3號～15號煤層，井田面積為9.6919km2，開采深度634～430m，生產規模1.20Mt/a，為高瓦斯礦井。礦井目前開采3號煤層，3號煤層的瓦斯含量較高，研究3號煤層的瓦斯賦存規律對礦井安全高效開采和3號煤層的瓦斯防治工作有著重要作用。

1 礦井概況

1.1 地質概況

井田位于沁水盆地東翼南段，晉獲褶斷帶西側，井田總體為一走向北北東向北西西傾伏的寬緩單斜構造，地層走向北東，傾向北西，傾角約 2～4°。該區斷裂構造不發育，僅在井田西北部開采3號煤層巷道發現1條小型逆斷層，斷層落差6m（見圖 1）。井田內未發現陷落柱構造，未見巖漿巖侵入。地質構造對采區的劃分和工作面的連續推進無影響，井田構造總體屬簡單類型。

圖1 地質構造綱要圖

1.2 3號煤層概況

3號煤層是低灰、特低硫、特高發熱量無煙煤。3號煤層位于山西組下部，煤層厚5.68～6.59m，平均厚6.17m，其煤層結構簡單～復雜，含0～4層矸石。該煤層井田內全區穩定可采，直接頂板為粉砂巖、泥巖、砂質泥巖、細粒砂巖。直接頂下常有0～0.20m的炭質泥巖及灰色泥巖偽頂，老頂為灰色細粒砂巖、泥巖互層。底板一般為泥巖、砂質泥巖、粉砂巖。根據開采設計，3號煤層布置一個生產能力1.20Mt/a的長壁綜采放頂工作面，工作面長度為120m。

2 3號煤層瓦斯參數測定

測定3號煤層基礎瓦斯參數是研究煤層瓦斯賦存規律的關鍵，在3號煤層開采過程中對瓦斯含量和瓦斯壓力進行了測定。

2.1 煤層瓦斯含量測定結果

采用井下直接法測定皇聯煤業3號煤層的原始瓦斯含量，測定結果如表1所示。

表1 3號煤層瓦斯含量測定結果

2.2 煤層瓦斯壓力測定結果

根據皇聯煤礦井下3號煤層的實際開采情況，無施工穿層測壓鉆孔條件，而采用順層測壓鉆孔存在封孔難度大、封孔不嚴等難題，易導致測定壓力偏低，無法反映煤層的真實瓦斯壓力。因此采用間接法測算煤層瓦斯壓力，如下表2。

表2 瓦斯含量反算瓦斯壓力表

3 煤層瓦斯賦存

3.1 煤層垂直分帶

當煤層具有露頭或者煤層處于沖積層之下時，煤層瓦斯會出現垂直分帶特征。煤層瓦斯帶狀分布是瓦斯治理的重要依據。根據氣體組分的差異，瓦斯垂直分帶劃分標準如表3。

表3 煤層瓦斯垂直分帶劃分標準

瓦斯風化帶下界深度可根據下列指標中的任何一項確定：

（1）煤層的相對瓦斯涌出量等于2～3m3/t處；

（2）煤層內的瓦斯組分中甲烷及重烴濃度總和達到80%（體積比）；

（3）煤層內的瓦斯壓力為0.1～0.15MPa；

（4）煤的瓦斯含量達到下列數值處：

① 長焰煤 1.0～1.5 m3/t·r；

② 氣煤 1.5～2.0m3/t·r；

③ 肥煤與焦煤 2.0～2.5m3/t·r；

④ 瘦煤 2.5～3.0m3/t·r；

⑤ 貧煤 3.0～4.0m3/t·r；

⑥ 無煙煤 5.0～7.0m3/t·r。

皇聯煤業3號煤層為無煙煤，選取6m3/t·r為瓦斯風化帶下限深度確定值。根據計算，3號煤層瓦斯風化帶下限埋深為322m，計算結果見表4。

表4 3號煤層瓦斯風化帶下界深度

3.2 煤層瓦斯賦存規律

對皇聯煤業3號煤層瓦斯賦存條件的研究，井田總體為一走向北北東向北西西傾伏的寬緩單斜構造，該區斷裂構造不發育，僅發現1條小型逆斷層，未發現陷落柱構造，未見巖漿巖侵入，地質構造瓦斯賦存影響較小，影響煤層瓦斯賦存主控因素是煤層埋深。煤層露于地表時，瓦斯容易逸散，使得瓦斯含量和壓力較低。隨著煤層與地表距離增加，地應力增加，煤層和圍巖透氣性變小，瓦斯逸散難度增大，使得瓦斯含量和壓力較大。根據對皇聯煤業3號煤層瓦斯含量和瓦斯壓力與煤層埋藏深度的關系進行擬合，如圖2、圖3所示。

擬合后的皇聯煤業3號煤層瓦斯含量預測模型為：

y=0.0068x+2.8406

擬合后的皇聯煤業3號號煤層瓦斯壓力預測模型為：

P=0.0004x+0.0097

式中：

y-煤層瓦斯含量，m3/t；

P-煤層瓦斯壓力，MPa；

x-煤層埋深，m。

圖2 3號煤層瓦斯含量與埋深關系圖

圖3 3號煤層瓦斯壓力與埋深關系圖

圖4 3號煤層瓦斯含量和瓦斯壓力等值線圖

皇聯煤業3號煤層瓦斯賦存的主控因素是埋深，瓦斯含量和瓦斯壓力隨埋深增大而增加。3煤層瓦斯賦存規律為每增加100m埋深，瓦斯含量增加0.68m3/t，瓦斯壓力增加0.04MPa。根據3號煤層瓦斯含量及瓦斯壓力等值線圖，井田范圍內東北部瓦斯含量和壓力最大，向南部和西部逐漸減小。井田范圍內3號煤層的埋深最大值為460m，對應的3號煤層最大瓦斯含量為5.97m3/t，最大瓦斯壓力為0.194MPa。

4 結論

（1）皇聯煤業井田構造總體屬簡單類型，煤層埋深是影響3號煤層瓦斯賦存的主要因素，構造只在其附近影響煤層瓦斯賦存。

（2）對皇聯煤業3煤層瓦斯賦存規律進行研究，找出埋深分別與瓦斯含量和瓦斯壓力的關系，瓦斯含量梯度為0.0068m3/(t·m)，瓦斯壓力梯度為0.0004MPa/m。3號煤層最大瓦斯含量為5.97m3/t，最大瓦斯壓力為0.194MPa。瓦斯含量和瓦斯壓力整體上呈現“東北部大，南部小”的規律。

（3）根據皇聯煤業3煤層的瓦斯賦存規律，繪制3號煤層瓦斯含量和瓦斯壓力等值線圖，豐富了礦井瓦斯資料，為瓦斯防治工作提供依據，對礦井安全生產具有重要指導意義。