下溝煤礦4煤瓦斯地質賦存及涌出量影響因素分析*

王 偉，藺亞兵，2，趙雪嬌，2，張永生

(1．陜西煤田地質勘查研究院有限公司，陜西西安 710021;2．國土資源部煤炭資源勘查與綜合利用重點實驗室，陜西西安 710021)

0 引言

煤層瓦斯是一種地質體，是煤演化作用的產物，生于煤層，儲存于煤層及其圍巖中［1］。礦井瓦斯突出與瓦斯爆炸是煤礦五大自然災害之一，嚴重威脅著井下人員的生命和財產安全［2］。下溝煤礦位于陜西省彬州市境內，屬生產礦井，批準生產規模為3 Mt/a。2009—2014年瓦斯等級鑒定結果為瓦斯礦井，2015年和2016年連續兩年均為高瓦斯礦井。隨著煤礦生產不斷推進和瓦斯等級的提高，加強礦井瓦斯地質特征及涌出量影響因素分析對于指導煤礦安全生產具有十分重要的意義。

1 地質概況

彬長礦區位于鄂爾多斯盆地南部渭北撓摺帶北緣，礦區地表為大面積黃土覆蓋，基巖僅在較大的河谷兩側有少量出露，構造為走向N50°～70°E，傾向NW～NNW的單斜構造，其間發育有方向單一的寬緩褶曲構造，主要由4個背斜和2個向斜區構成，自南向北依次排列為:彬縣背斜、大佛寺向斜區、路家～小靈臺背斜、董家莊背斜、孟村向斜區、七里鋪～西坡背斜。下溝煤礦位于彬長礦區東南部大佛寺向斜東端南翼，南靠彬縣背斜，為北傾或北西傾斜的單斜構造，北部位于大佛寺向斜軸部，傾角0°～3°，中南部傾角5°～8°。

礦井內大部分被第四系黃土及新近系紅土覆蓋，在涇河沿岸較大溝谷內出露有白堊系下統洛河組、華池組地層。區內地層由老至新依次有:中生界三疊系上統胡家村組，侏羅系下統富縣組，中統延安組、直羅組、安定組，白堊系下統宜君組、洛河組、華池組，新生界新近系、第四系。

下溝煤礦的含煤地層為中下侏羅統延安組地層，共分為上、中、下3個含煤段，共有可采煤層4層，分別為 4上－1、4上－2、4上、4 煤，主采 4 煤。4上－1、4上－2、4上煤僅在礦區的西部局部可采且煤層穩定性較差，鉆孔控制程度低，含煤面積可信度較低。4煤位于延安組下含煤段的中部，距延安組含煤地層底部1．48～14．13 m，煤層大致呈東西走向，向北傾斜，傾角 0°～18°，中北部傾角較小，一般 0°～8°，南部傾角較大，一般 15°～18°。4煤煤厚 10．70～18.50 m，平均16．10 m，為巨厚煤層，全區可采，煤層結構復雜。

2 瓦斯地質特征

煤層瓦斯賦存特征受控于地質條件，瓦斯分布具有明顯的分區分帶性［3-4］。根據瓦斯分帶標準，下溝煤礦瓦斯分帶主要以CO2～N2帶為主，礦井西南部為N2～CH4帶，西部靠近大佛寺煤礦區域為甲烷帶，其瓦斯分帶如圖1所示。分帶特征基本反映了瓦斯成分、瓦斯含量、煤層埋藏深度及煤層頂板巖性之間關系密切，區內構造簡單，地層產狀平緩，對瓦斯的排放和保存不會產生顯著影響。

圖1 下溝煤礦瓦斯分帶圖

在采煤工作面對4煤層的瓦斯含量、瓦斯壓力、衰減系數、吸附常數等基礎參數進行了測定，瓦斯含氣量測試結果見表1，結果表明:4煤瓦斯含量為2.065 ～5．046 mL/g·daf，煤層瓦斯含量較高。瓦斯壓力、衰減系數、吸附常數等基礎參數測試結果見表2，測試結果表明:4煤瓦斯放散初速度為0．775 mL/s，煤層瓦斯壓力在0．18 ～0．20 MPa 之間，依據《煤與瓦斯突出礦井鑒定規范》鑒定標準［5］，瓦斯突出危險性較小。

表1 瓦斯含量測試結果表

表2 瓦斯基礎參數測試結果表

3 影響瓦斯賦存特征的因素

影響瓦斯賦存的主要地質因素有地質構造、頂底板巖性、埋藏深度、煤厚、陷落柱、巖漿巖侵入、水文地質條件等［6］。依據下溝煤礦以往地質資料及煤礦近期生產資料，主要分析地質構造、頂底板巖性、煤層埋深及上覆基巖厚度對瓦斯賦存特征的影響。

3．1 斷層、褶皺構造對瓦斯賦存的影響

下溝煤礦瓦斯主要受褶曲構造的控制，由于構造分布的不均衡性，導致了瓦斯分布的不均衡性。整體的分布規律受井田內單斜控制，在單斜區域瓦斯含量較高，在河岸單斜下盤瓦斯含量較小。煤礦的南翼，為河岸單斜的上盤及下盤，此單斜構造將涇河兩翼煤層分為上盤和下盤，上盤埋藏較淺，下盤相對較深，該單斜構造的傾斜長度為200 m左右，坡度45°左右，垂直高度130～163 m。該構造為彬長礦區主要構造，瓦斯涌出量大的高瓦斯礦井均分布在單斜上盤，如水簾洞煤礦、大佛寺煤礦。下盤火石咀煤礦、亭南煤礦則為低瓦斯礦井［7］。下溝煤礦404采區整體處于單斜構造的下盤，由于404采區的4401、4402、4403綜放工作面沿煤層走向布置，回風順槽穿入單斜構造的上盤，導致該工作面有一部分將單斜構造上盤圈入，因此該區域內瓦斯涌出量明顯大于礦井其它區域瓦斯涌出量。根據瓦斯涌出量的觀測數據，4401、4402、4403工作面瓦斯絕對涌出量在12．77～39．19 m3/min，而處于河岸單斜下盤的1816、2807等工作面的瓦斯絕對涌出量多為0．70～2．09 m3/min。

3．2 頂底板巖性對瓦斯賦存的影響

4煤頂板多為黑灰色泥巖、砂質泥巖、炭質泥巖，局部為粉、細砂巖，厚度0．34 ～3．25 m，在井田內南厚北薄，屬軟弱巖層，穩定性差。老頂為灰白色粗粒砂巖，淺灰色～灰色粉細砂巖及砂質泥巖互層，砂巖致密塊狀，厚7～15．90 m，抗壓強度小于100 kg/cm3，屬半堅硬、中等冒落巖層。底板為灰色含鋁質泥巖，屬軟弱巖層，遇水膨脹，易發生底臌現象。由于4煤頂、底板均為厚度較大、透氣性較差的泥質巖，且孔隙度低、滲透性差、排驅壓力大，表現為隔氣層性質，因此整體表現為頂、底板泥巖厚度與瓦斯含量呈正相關關系。另外在頂、底板泥巖厚度＞4 m時，其甲烷含量 ＞2．5 mL/g·r;當泥巖厚度 ＜4 m時，其甲烷含量 ＜2．5 mL/g·r。因此瓦斯賦存規律與煤層頂、底板泥巖厚度關系較密切。

3．3 煤層埋深及上覆基巖厚度對瓦斯賦存的影響

分析瓦斯資料和數據得知，由于地質構造的控制因素，4煤瓦斯含量與煤層埋藏深度和上覆基巖厚度基本上呈正相關關系。隨著煤層埋藏深度和上覆基巖厚度的增加，煤層氣主要成分甲烷的濃度增加，含量也增大。這說明煤層埋藏越深，上覆基巖厚度越大，瓦斯向地表運移的距離越長，地應力增高使煤層及圍巖的透氣性變差，煤層瓦斯越難通過覆蓋地層逸散，瓦斯含量就越高。

4 瓦斯涌出量影響因素分析

4．1 瓦斯原始含量對瓦斯涌出量的影響

煤層的瓦斯含量是影響瓦斯涌出量的決定因素。煤層瓦斯含量越大，瓦斯壓力越高，透氣性越好，則涌出的瓦斯量就越高。煤層瓦斯含量的單位與礦井相對瓦斯涌出量相同，但其代表的物理意義卻完全不同，數量上也不相等。通常煤層原始瓦斯含量越高，瓦斯相對涌出量也就越大。在下溝煤礦南部三采區，煤層原始瓦斯含量較高，瓦斯涌出量增大。礦井瓦斯等級也由之前的瓦斯礦井鑒定為高瓦斯礦井。

4．2 煤層埋深對瓦斯涌出量影響

在瓦斯帶內開采的礦井，隨著煤礦開采深度的增加，相對瓦斯涌出量增高［8］。煤系地層中有相鄰煤層存在時，其含有的瓦斯會通過裂隙涌出到開采煤層的風流中，因此，相鄰煤層越多，含有的瓦斯量將越大;而距離開采層越近，則礦井的瓦斯涌出量就越大。

4．3 地質構造對瓦斯涌出量影響因素分析

下溝煤礦地質構造相對簡單。整體的分布規律受井田內單斜控制，在單斜區域瓦斯含量較高，在河岸單斜下盤瓦斯含量較小，單斜及礦井西北部為瓦斯絕對涌出量大于15 m3/min區域、單斜下盤為小于5 m3/min區域。位于彬縣背斜北翼的三采區瓦斯涌出量明顯高于其他區域，ZF301回采工作面瓦斯絕對涌出量最高達到77 m3/min，構造對煤礦瓦斯涌出特征明顯。

5 結論

(1)下溝煤礦瓦斯含量 2．065 ～5．046 mL/g·daf，瓦斯相對富集區主要位于煤礦西部南部彬縣背斜單斜區域。煤礦瓦斯分帶主要為CO2～N2帶，礦井西南部為N2～CH4帶，西部靠近大佛寺煤礦區域為甲烷帶。

(2)影響下溝煤礦4煤瓦斯地質特征的因素主要為單斜構造，煤層埋深和上覆基巖厚度，頂底板泥巖厚度。在單斜區域瓦斯含量較高;當煤層埋藏深度和上覆基巖厚度越大時，瓦斯含量越高;煤層頂底板泥巖厚度越大瓦斯含量越高。

(3)影響下溝煤礦4煤瓦斯涌出量的主要因素有瓦斯原始含量、煤層埋深、地質構造。煤層原始瓦斯含量較高，瓦斯涌出量增大;隨著開采深度的增加，相對瓦斯涌出量增高;在單斜構造區域瓦斯涌出量明顯高于其他區域。