雙龍煤礦瓦斯賦存規律及突出危險性

劉向陽，田 凱

(1.陜西省一九四煤田地質有限公司，陜西 銅川 727000；2.陜西省煤田物探測繪有限公司，陜西 西安 710000)

0 引言

能源是國民經濟發展的源動力，煤炭是中國的主要能源，礦井瓦斯是影響煤炭工業發展的重要因素，也是危害煤礦安全生產的重要因素之一，不安全的煤炭開采會導致煤礦安全事故，其元兇就是礦井瓦斯，它是存在于煤礦巷道中的甲烷氣體，嚴重威脅著井下人員的生命安全和礦井設施安全，尤其是煤與瓦斯突出、瓦斯煤塵爆炸等重大惡性瓦斯事故已成為影響煤礦安全生產的頭號殺手，不僅會對井下生產設施破壞，還會迫使企業正常生產中斷，從而引起人們對煤炭行業的心理恐懼。隨著煤炭資源開采強度和深度的不斷增加，礦井瓦斯對煤礦安全生產的威脅將日趨嚴重，為了遏制煤礦瓦斯事故、促進煤礦安全生產，因此有必要對煤礦瓦斯的賦存規律和突出危險性有一個全面的了解和分析，同時也對煤礦安全生產具有指導意義。

1 礦井概況

陜西雙龍煤業開發有限責任公司(雙龍煤礦)隸屬于黃陵礦業集團有限責任公司，位于陜西省黃陵縣雙龍鎮，交通較便利。東西寬約2～6 km，南北長約1.75～11.03 km，形狀不規則，面積為34 km2。

1.1 地質條件

含煤地層為侏羅系中統延安組中下部，共含煤2層，自上而下編號為：0號煤、2號煤，2號煤層是區內唯一可采煤層，全區分布。厚度0.61～4.50 m，平均2.32 m。屬于中厚煤層，煤層結構簡單，不含或含1～3層夾矸，夾矸厚度一般0.20～0.35 m，多為泥巖和粉砂巖。

2號煤層原煤水分變化在0.81%～4.65%之間，平均值為2.60%。原煤灰分變化在3.34%～39.57%之間，平均值為15.66%，原煤揮發分變化在31.18%～40.08%之間，平均值為35.44%，原煤Qnet，d變化在21.90～23.99 MJ/kg之間，平均為23.85 MJ/kg，浮煤粘結指數變化在13%～71%之間，原煤硫分為0.21%～1.8%，平均為0.47%，原煤磷分為0.134%～0.311%，平均0.12%，2號煤層為低灰、中高揮發分、特低硫、中-低磷、中發熱量煤，弱-中等粘結性的富油煤。

雙龍煤礦位于黃陵礦區的西南部，總體構造形態為一開闊而平緩的不對稱且連續的向斜-背斜-向斜構造。向斜軸向在礦區中部近南北向，在礦區北部和南部為NNE向，西峪背斜從煤礦北部穿過，走向為從南西向北東，長度3.5 km，向西延入二號礦井中，地層傾角為1°～5°。煤礦范圍內未見大型的斷層構造，在煤礦開采過程中實際揭露所知，在煤礦中部、南部、二盤區及工業廣場附近有8條斷距小于10 m的正斷層，煤礦南部揭露出一條近東西走向的正斷層，落差11 m。

雙龍煤礦屬黃土高原地貌特征，地勢西高東低，東北部以黃土塬地形為主，溝谷縱橫，塬面支離破碎，溝底標高920～1 000 m，塬面標高一般1 200 m，最高1 463.80 m。西南部山巒起伏，溝壑縱橫，地形復雜。沮水河為礦井地表最大河流，礦區北部有間歇性小支流北溝、王村溝、西溝，皆向東北方向匯入洛河第一大支流沮河中。

1.2 煤礦生產

雙龍煤礦于1992年7月開工建設，2000年12月底建成投產，2012—2014年雙龍煤礦進行技改，技改后礦區分為南、北兩區，南北區系統相對獨立，2015年4月南區開采完畢，南區封閉，北區生產系統即該礦區的生產系統，生產能力90萬t/a。雙龍煤礦采用斜井單水平開拓方式進行開采，礦井采煤工作面采用走向長壁綜采垮落式回采工藝。

1.3 瓦斯情況

雙龍煤礦范圍內16個鉆孔瓦斯資料，其中處于南區的有4個(L12、L13、L14、L15)；處于北區的共12個。區內瓦斯成分為CH4占0%～86.25%，平均54.548%；CO2占0%；N2占13.12%～99%，平均43.42%。根據瓦斯風化帶分帶標準，礦井整體處于N2-CH4帶中，除L42、L43為 N2帶。

2 瓦斯賦存影響因素分析

2.1 煤層埋深對瓦斯賦存的影響

雙龍煤礦位于黃陵礦區中部，主采2號煤層埋藏深度變化規律是東部埋藏較淺，西部埋藏較深，最深處是R112鉆孔，深度為460 m，瓦斯鉆孔含量為0.07 m3/t，煤礦平均埋藏深度為286.66 m，但瓦斯的含量隨煤層埋深增大的規律性不明顯，原因可能有以下幾點，從礦井整體來看煤層埋藏深度相對較淺，煤礦北部和西北部煤層厚度變薄，再者與地表溝壑發育而煤層近水平發育特殊富集點已經逸散有關。

2.2 煤層厚度對瓦斯賦存的影響

煤層作為瓦斯的生氣源巖，其瓦斯生成量與煤層厚度密切相關；瓦斯生于煤層，儲于煤層，一定厚度的煤層是瓦斯生成與賦存的物質基礎。一般來說，煤層越厚，瓦斯生成與賦存的物質基礎條件越好，煤層瓦斯含量越高，開采時瓦斯涌出量就越大。

雙龍煤礦2號煤層位于延安組第1段的中上部，K2標志層以下，全區分布，煤層厚度0.61(X95)～4.50 m(L44)，平均2.32 m。可采范圍內煤層厚度雖橫跨薄(0.80～1.30 m)，中厚(1.30～3.50 m)，厚(3.50～8.00 m)3個分級但其變化規律明顯，即雙龍向斜軸部向兩翼逐漸由厚變薄。中厚煤層主要分布于煤礦中部，瓦斯涌出量相對較大，煤礦北部的煤層較薄，瓦斯含量相對較低，FX28號孔為0.41 mL/g可燃，FX30號孔為0.27 mL/g可燃，R107、R112、N54瓦斯含量為零，由此可知雙龍煤礦煤厚變化對瓦斯異常分布有明顯的影響。

2.3 煤層頂底板對瓦斯賦存的影響

一般頂板巖性為砂質泥巖，泥巖的巖類較有利于煤層瓦斯的保存，頂板巖層的巖性越疏松，巖石顆粒及孔隙越大，則越有利于煤層瓦斯的運移及逸散。雙龍煤礦瓦斯富集區主要分布于礦區中部，鉆孔瓦斯測試煤層瓦斯含量在0.07～5.73 m3/t之間，平均為2.02 m3/t。中部的L10、L11、L13大多數鉆孔瓦斯含量測試值大于4.00 m3/t，最大達5.73 m3/t(L12)。該區域巖性以泥巖為主，最小值位于煤礦西北部為0.07 m3/t(R107)，2號煤層的頂板巖性分析得出該區域頂板巖性以粉砂巖為主。

2.4 地質構造瓦斯賦存的影響

該礦揭露有一條近EW向正斷層，落差11 m，位于斷層帶附近的L13鉆孔，瓦斯含量0.82 m3/t，遠離斷層帶鉆孔瓦斯含量在2.87～4.70 m3/t，平均3.80 m3/t，說明煤層中瓦斯通過斷層已大多逸散；斷層落差大于10 m時可能成煤層瓦斯逸散的通道，落差小可能成為瓦斯聚集的屏障是其主要特點。

煤礦北部鉆孔有一走向NEE的寬緩小型隆起，軸長約3.5 km，兩翼地層傾角1°～3°。該區為煤層瓦斯含量在0～0.07 m3/t之間，瓦斯含量小，煤礦內褶曲對瓦斯賦存變化影響不大。

2.5 水動力條件對瓦斯賦存的影響

雙龍煤礦內主要含水層為侏羅系中統直羅組、延安組富水性較弱，是以裂隙為主的孔隙-裂隙型弱富水含水層。由于侏羅系中統直羅組(J2z)與延安組(J2y)地層中發育了多層泥巖、砂質泥巖、粉砂巖等致密巖性的隔水層，隔水層在阻斷地下水徑流的同時，一定程度上也阻斷了煤系地層含水層之間的水力聯系，垂向上各含水層基本處于孤立狀態。礦區地下水主要在露頭地帶接受大氣降水補給，順層向深部運移，地下水從礦區淺部的無壓潛水逐漸轉變為承壓含水，同時水力增強，活動性變弱，礦化度增高，最后過渡為滯流區，阻礙了煤層氣的順層逸散。在一定深度范圍內，因地下水承壓使煤儲層壓力增高，也造成煤層氣側向封堵。從而使煤層瓦斯氣藏在深部發生富集。

2.6 油型氣對瓦斯賦存的影響

直羅組的含油層位距離主采2號煤層間距較大，但其對煤礦床的開采也有影響；富縣、瓦窯堡組地層含油層在煤礦床動采后，煤層底板涌出油氣和煤層瓦斯氣體混合，使采區內的煤層瓦斯含量升高，油型氣和煤層瓦斯的混合氣體將會對煤礦安全生產產生威脅。煤層瓦斯氣藏實質是煤層瓦斯與油型氣藏共同作用的結果，油型氣的混入客觀上增加了煤層瓦斯的含量。故油型氣亦是煤礦煤層瓦斯重要且顯著的來源之一，雙龍煤礦區內雖然沒有噴氣鉆孔，也未發現過油型氣的噴出和涌出現象。

綜上所述，雙龍煤礦范圍內由于2號煤層埋藏較淺，煤層厚度變化不大，埋深、上覆基巖厚度、煤層厚度等對瓦斯賦存的影響作用較小，而煤層頂板巖性特征、地質構造、水動力條件、油型氣等對瓦斯賦存的影響作用更為明顯，即雙龍煤礦瓦斯分布不是某單一因素主導，而是受多種因素綜合影響的結果，其影響因素分析統計見表1。

表1 雙龍煤礦瓦斯含量分布影響因素分析統計Table 1 Analysis and statistics of influencing factors of gas content distribution in Shuanglong coal mine

3 瓦斯突出危險性分析

3.1 瓦斯突出危險性參數測定

3.1.1 單項指標法

礦區內2號煤層沒有發生過煤與瓦斯動力現象。依據《煤與瓦斯突出礦井鑒定規范》(AQ1024—2006)和《防治煤與瓦斯突出規定》，對于沒有發生瓦斯動力現象的煤層預測突出危險性時，采用煤的破壞類型、瓦斯放散初速度指標(ΔP)、煤的堅固性系數(f)和煤層瓦斯壓力(P)判定煤層的突出危險性。取鑒定煤層各測點的最高煤層破壞類型、最小堅固性系數、最大瓦斯放散初速度指標、最大瓦斯壓力值作為該煤層突出危險性判定指標，全部指標值達到或超過所列臨界值時，確定煤與瓦斯突出煤層和煤與瓦斯突出礦井。單項臨界指標值見表2。

表2 煤層瓦斯突出危險性單項臨界指標值一覽Table 2 Single critical index value of coal seam gas outburst risk

從測定結果看，煤層瓦斯放散初速度超過了臨界值，但破壞類型和煤的堅固性系數以及瓦斯壓力沒有超過其臨界值。根據常規經驗，煤礦區現開采煤層的瓦斯含量較小，煤層實際瓦斯壓力最大值為0.54 MPa，根據單項指標法，雙龍煤礦2號煤層不具有瓦斯突出危險性，測定結果見表3。

表3 2號煤層突出危險性單項指標測定結果Table 3 Measurement results of single index of outburst risk in No.2 coal seam

3.1.2 綜合指標法

綜合指標法預測煤層突出危險性計算公式如下

D=(0.007 5H/f-3)(P-0.74)

K=ΔP/f

式中，D為煤層突出危險性綜合指標；K為煤的突出危險性綜合指標；H為開采深度，m；P為煤層瓦斯壓力，MPa；ΔP為軟煤分層的瓦斯放散初速度指標；f為軟煤分層的堅固性系數。

當D、K值同時大于或等于臨界值時，才能預測為突出危險區；如果(0.007 5H/f-3)和(P-0.74)同時為負，無論D值大小，預測為突出危險區；其余情況下，預測為突出危險區。綜合指標D、K預測煤層區域突出危險性的臨界值，見表4。

表4 綜合指標D、K預測煤層區域突出危險性的臨界值Table 4 Critical value of comprehensive indexes D and K for predicting regional outburst risk of coal seam

經計算，D、K值的結果分別為負數，因此，依據綜合指標法，雙龍煤礦2號煤層不具有煤與瓦斯突出危險性。

3.2 煤與瓦斯突出危險性影響因素分析

地質構造：由于構造都是在煤層形成之后才發生的，從而會破壞煤層原有的形態，有利于瓦斯的排放，封閉性的地質構造有利于瓦斯的聚集，開放性的構造有利于瓦斯的排放，雙龍煤礦總體構造形態為一開闊而平緩的不對稱向斜構造。

煤層厚度及其變化：雙龍煤礦2號煤層厚度為0.61(X95)～4.50 m(L44)，平均2.32 m，可采厚度為0.80～2.75 m，煤層厚度變化不大。

煤的堅固性系數：表示煤抵抗外力能力的一個綜合性指標。它由煤的強度、硬度、脆性決定。煤作為突出的受力體，值越小破碎就越容易，突出危險性就越大，結合以往區內的資料顯示，2號煤的堅固性系數(f值)為1.46～1.57，大于0.5，抵抗外力破壞的能力較強。

瓦斯壓力：瓦斯壓力為瓦斯突出提供動力來源，瓦斯壓力隨著煤礦開采深度的增加而增加。結合以往瓦斯壓力測試鉆孔，測得絕對瓦斯壓力值為0.1～0.54 MPa，煤層瓦斯壓力不高、瓦斯含量不大、透氣性好，采掘工作面不易形成較高的瓦斯壓力梯度。實測瓦斯壓力值均小于0.74 MPa。

開采深度：開采深度越大，地應力就越大，瓦斯含量隨之增加，軟煤就越被破壞的嚴重，釋放出來的初始釋放瓦斯膨脹能就越大，突出危險性和突出強度也就越大，雙龍煤礦的煤層平均埋深286.66 m，最大埋深是460 m，底板標高830～890 m。煤層埋深較淺，未發生煤與瓦斯突出動力現象。

煤巖體的透氣性系數：煤是一種孔隙一裂隙結構體。不同的煤其孔隙和裂隙尺寸、結構形式以及發育程度均有很大差別，煤的滲透性與煤的孔隙結構、煤的裂隙、煤的水分、地應力等因素有關。一般來說，突出煤層具有低的透氣性系數，隨著地應力的增大而減少。同樣壓力F，具有突出的構造煤，膨脹變形值大，滲透率低，突出危險性越大。雙龍煤礦測得煤層透氣性系數為1.152 9 m2/MPa2·d；測得煤層透氣性系數為9.775 0 m2/MPa2·d。

瓦斯放散初速度：瓦斯放散初速度由煤的物理、力學性質決定，在瓦斯含量相同的條件下，煤的放散初速度越大，煤的破壞類型越嚴重，越容易促成突出的發生。雙龍煤礦實測煤的瓦斯放散初速度(Δp)為10～16，雖然本次實測瓦斯放散初速度(Δp)大于10，但雙龍煤礦瓦斯含量實測數據較小，且煤層的其它指標都未超過臨界值，故雙龍煤礦2號煤層不具有瓦斯突出危險性。

煤的頂底板及圍巖特征：在2號煤層的頂底板當中，低透氣性巖石(泥巖、砂質泥巖、煤層、炭質泥巖等)厚度約占地層總厚度的53%，中透氣性巖石(主要為砂巖)約占地層總厚度的47%，煤系中無高透氣性巖層，圍巖巖性圈閉，總體上對瓦斯儲存是有利的。據鉆孔以及礦井下巷道揭露顯示，2號煤層頂板多以泥巖、砂質泥巖為主，透氣性較低，具有相對較好的封閉性，有利于瓦斯封存。

4 結論

(1)雙龍煤礦煤層瓦斯含量總體較低，但瓦斯含量分布很不均衡。原煤瓦斯含量隨小型構造的不同而發生變化；斷距小于10 m的斷層一般對煤層瓦斯起“富集”影響，斷距大于10 m的斷層對煤層瓦斯起稀釋作用；原煤瓦斯含量與煤層厚度呈正相關關系；聚煤盆地原煤瓦斯含量表現為中部大而邊部相對較小；煤層頂板巖性為砂質泥巖、泥巖封閉性能好的巖類，較有利于煤層瓦斯的保存；油型氣亦是煤層瓦斯重要且顯著的來源之一。

(2)通過對以上資料及實測的瓦斯參數等資料分析，雙龍煤礦礦井未見任何突出預兆，也未發生過煤與瓦斯突出動力現象。根據《煤礦安全規程》第176條、《防治煤與瓦斯突出細則》第5條有關生產礦井突出礦井、煤層鑒定的規定，雙龍煤礦2號煤層不屬于突出危險煤層。