大斗溝礦14-3號煤層的瓦斯賦存規(guī)律研究

張朋偉，劉占寧，馬澤宇

（1.安陽工學(xué)院，河南 安陽 455000；2.河南省自然資源監(jiān)測院，鄭州 450000）

我國是煤炭資源大國，資源的開采加速經(jīng)濟(jì)的增長，但是對環(huán)境也產(chǎn)生了一定的影響。其中，瓦斯突出和爆炸等事故是所有事故中最嚴(yán)重的災(zāi)害之一，對煤礦工人的生命也構(gòu)成威脅[1]。因此，對于煤層瓦斯地質(zhì)規(guī)律的研究勢在必行。瓦斯是煤層、圍巖、采空區(qū)和生產(chǎn)環(huán)境在成煤過程中產(chǎn)生的各種氣體的總和[2-3]。瓦斯的產(chǎn)生與煤形成過程中的物質(zhì)密切相關(guān)，因此，瓦斯是地質(zhì)作用的產(chǎn)物，它的賦存和分布受著各種地質(zhì)作用和因素的影響。不同時期的地質(zhì)構(gòu)造促進(jìn)了煤層中構(gòu)造煤的形成，控制了其在井田中的分布和發(fā)育程度，進(jìn)而影響了煤體強(qiáng)度、煤層孔隙結(jié)構(gòu)、煤層吸附解吸特性，地質(zhì)構(gòu)造區(qū)瓦斯涌出特征及局部儲氣特征[4]。瓦斯賦存量、涌出量和煤與瓦斯突出受地質(zhì)構(gòu)造演化的影響，具有一定的瓦斯地質(zhì)規(guī)律。因此，從地質(zhì)規(guī)律角度探析，來進(jìn)行瓦斯賦存與分布的規(guī)律分析，對于預(yù)防礦井災(zāi)害具有很大的指導(dǎo)意義。

1 大斗溝地質(zhì)概況

大斗溝煤礦位于大同市西南部，大同煤田東翼，設(shè)計年產(chǎn)能45萬噸，2006年批準(zhǔn)年產(chǎn)能180萬噸。該礦所屬大同侏羅紀(jì)煤田總體呈NE向不對稱向斜構(gòu)造，主向斜軸南部為NE方向，北部為SN方向，二者呈斜連接關(guān)系[5]。在此基礎(chǔ)上，發(fā)育方向單一的寬緩褶皺（兩翼傾角一般小于10°），沿傾角和走向伴有少量斷層和一定數(shù)量的陷落柱。

大斗溝煤礦地質(zhì)構(gòu)造對瓦斯賦存的控制：

①相比之下，向斜地質(zhì)構(gòu)造的瓦斯賦存情況比背斜地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜一些，瓦斯含量較高、瓦斯壓力較大。尤其是兩個方向的向斜地質(zhì)構(gòu)造結(jié)合位置最有利于瓦斯的儲存。

②煤田NE（SN）向斷裂構(gòu)造是在基底NE（SN）向斷裂的基礎(chǔ)上，于燕山運動時期形成的，并在喜馬拉雅運動時期復(fù)活。兩個時期的構(gòu)造運動應(yīng)力場狀態(tài)有利于NE（SN）向斷裂地質(zhì)構(gòu)造的形成。因此，NE向成為內(nèi)田斷裂的主要發(fā)育方向。由于NE向和NNE向構(gòu)造是左旋擠壓扭轉(zhuǎn)運動形成的，但在構(gòu)造應(yīng)力場中SN向不如NE向有利，其發(fā)育程度次于NE向斷裂地質(zhì)構(gòu)造，因此兩者都有利于瓦斯的保存。

2 瓦斯賦存主控因素分析

煤層瓦斯賦存與地質(zhì)構(gòu)造有一定的關(guān)系，其形成、運移、賦存等規(guī)律受各自不同地質(zhì)作用的控制。預(yù)測煤與瓦斯突出危險區(qū)和瓦斯涌出量的主要方面在于瓦斯地質(zhì)規(guī)律研究，它也是瓦斯含量預(yù)測、瓦斯綜合治理的基礎(chǔ)。

2.1 褶曲、斷層對瓦斯賦存的影響

不同褶皺位置瓦斯含量不同，開采過程中瓦斯涌出量也不一樣。大斗溝煤礦位于煤田東南邊緣的北側(cè)中部。東南緣為口泉-峨茅口斷裂。大同向斜貫穿整個煤田區(qū)域。煤田地層產(chǎn)狀變化受大同煤田總體格局的制約，為寬緩背斜褶皺構(gòu)造。礦區(qū)為寬緩向斜交替褶皺，軸向為NE。地層傾角5°～10°，井田大斷層不發(fā)育，小斷層落差1 m～2 m較發(fā)育。所以對生產(chǎn)影響不大。

2.2 頂、底板巖性及厚度對瓦斯含量的影響

煤礦開采過程中，孔隙和裂縫發(fā)育的砂巖、礫巖和石灰?guī)r的滲透系數(shù)比較大，一般比裂縫密集但不發(fā)育的頁巖、泥巖等滲透系數(shù)高上千倍。大斗溝煤礦14號煤層頂?shù)装褰詾榧?xì)砂巖，局部夾薄層泥巖偽頂，其中頂板厚度在1 m～13.3 m，平均厚度4.17 m，透氣性相對比較好，便于瓦斯逸散。

2.3 煤層上覆基巖厚度對瓦斯含量的影響

大頭溝煤礦中侏羅統(tǒng)云岡組上覆煤層厚度大于177.38 m，主要由中粒砂巖組成，其次為礫巖、細(xì)砂巖和粉砂巖，由黃土和壤土組成，與基巖不整合接觸。一般來說，煤層上部地層的巖性有利于瓦斯逸出。

2.4 埋藏深度、底板等高對瓦斯含量的影響

隨著煤層埋藏深度的增大，圍巖滲透性降低，瓦斯含量、壓力等隨著增大。對大頭溝礦14-3號煤層81616工作面、81613工作面、81606工作面、51614掘進(jìn)面、21614掘進(jìn)面進(jìn)行了瓦斯含量測量，獲得了5個瓦斯含量控制點，并對大頭溝礦附近的忻州窯礦14-3號煤層瓦斯基本參數(shù)進(jìn)行了測試。為有效反映全礦瓦斯情況，參考忻州窯14-3號煤層帶巷、回風(fēng)巷、軌道巷瓦斯含量控制點，

實測瓦斯含量（圖1）。

圖1 大斗溝礦及臨近煤礦瓦斯含量實測值圖

對地質(zhì)勘探過程中瓦斯含量實測值進(jìn)行回歸分析，得到大斗溝礦14-3號煤層的瓦斯含量分布規(guī)律，即14-3號煤層瓦斯含量隨著地板標(biāo)高的增大而減小（如圖2），兩者之間具有以下線性關(guān)系（相關(guān)系數(shù)R=0.923）：

圖2 14-3號煤層瓦斯含量與底板標(biāo)高線性關(guān)系圖

式中， Y-煤層瓦斯含量，m3/t；X-煤層底板標(biāo)高，m。

由式(1)可以得出，14-3號煤層的瓦斯含量增長梯度為2.2 m3/t/100 m，即底板標(biāo)高加深100 m，瓦斯含量總體增加2.2 m3/t左右，14-3號煤層的采掘范圍在標(biāo)高1 005 m～1 050 m之間，瓦斯含量總體在1.78 m3/t～3.65 m3/t之間；從相關(guān)系數(shù)看，底板標(biāo)高是影響瓦斯分布的重要因素。

3 瓦斯風(fēng)氧化帶確定及深部預(yù)測

3.1 瓦斯風(fēng)氧化帶確定

一般來說，煤層瓦斯的垂直分帶是連續(xù)的，如圖3所示，即二氧化碳-氮氣帶位于煤層最淺部分，根據(jù)深度往下依次是氮氣帶、氮氣-甲烷帶、甲烷帶。

圖3 煤層瓦斯垂向分帶圖

瓦斯風(fēng)化帶下限的確定主要依據(jù)瓦斯的具體成分。確定瓦斯風(fēng)化帶下限的指標(biāo)主要有：①煤層中所含瓦斯的CH4組分含量為80%；②煤層瓦斯壓力為0.1 MPa～0.15 MPa；③煤的瓦斯含量為2 m3/t～3 m3/t（煙煤）和5 m3/t～7 m3/t（無煙煤）；④瓦斯相對涌出量小于2 m3/t。

大斗溝礦14-3號煤層的埋藏深度與瓦斯含量有一定關(guān)系，具體研究得出，瓦斯的地勘與實測均在0 ～3.28 m3/t；其甲烷成分區(qū)間是0～27.51%；相反氮氣成分為：73.18%～98.56%，由2009～2020年礦井瓦斯等級鑒定得出大斗溝礦為低瓦斯礦井，相對瓦斯涌出量為1.07 m3/t～6.57 m3/t；間接計算瓦斯壓力0.14 MPa～0.42 MPa。綜上所述，該礦井埋藏深度280 m以上全部位于氮氣-甲烷帶。

通過以上定量分析，我們發(fā)現(xiàn)瓦斯含量與煤層底板標(biāo)高的相關(guān)系數(shù)為0.923，說明瓦斯含量與煤層底板標(biāo)高的關(guān)系更為密切，因此利用煤層底板標(biāo)高與瓦斯含量的關(guān)系可以用來預(yù)測瓦斯含量。由回歸方程：Y= -0.022X+24.885，可得出瓦斯深部預(yù)測回歸曲線趨勢圖（如圖4）。

圖4 瓦斯深部預(yù)測圖

由預(yù)測曲線圖4可知：煤層底板標(biāo)高從1 035 m到1 050 m時，其瓦斯含量從2.12 m3/t減少到1.79 m3/t，瓦斯賦存是逐漸減少的趨勢，對于深煤層開采相對有利。

4 結(jié)束語

研究大斗溝礦14-3號煤層的瓦斯賦存規(guī)律，并對瓦斯含量影響因素逐一分析，可知頂?shù)装鍘r性及厚度、上覆基巖厚度有利于瓦斯逸出，底板標(biāo)高是影響儲氣的主要控制因素。通過對大頭溝煤礦地質(zhì)構(gòu)造規(guī)律和特殊性的分析，可以看出大頭溝煤礦14-3號煤層上覆基巖和埋藏深度與瓦斯含量存在相關(guān)性。礦井埋藏深度在280 m以上，屬氮氣-甲烷帶。利用煤層底板標(biāo)高與瓦斯賦存狀態(tài)的回歸關(guān)系，預(yù)測了深部煤層瓦斯含量，得出預(yù)測曲線方程Y= -0.022X+24.885，預(yù)測結(jié)果表明瓦斯含量隨著底板標(biāo)高的增加而減少，有利于采掘。本文從理論上拓展了煤層瓦斯賦存的地質(zhì)規(guī)律的研究，為今后順利開展大斗溝煤礦瓦斯治理工作提供了參考。