青龍煤礦9 號煤層瓦斯賦存影響因素及涌出量預測

馮雨濤

（冀中股份內蒙公司盛鑫煤業有限責任公司，內蒙古 鄂爾多斯 017000）

0 引 言

煤炭資源是保障我國國民經濟發展的重要資源之一，瓦斯在煤炭開采過程中涌出，嚴重影響煤炭的高效生產。隨著淺部煤炭資源的逐步枯竭，開采深度逐年增加，地質條件越來越復雜，瓦斯問題越來越突出。瓦斯伴隨著煤炭的演化作用生成的，生于、存儲于煤層及其圍巖中，以CH4為主要成分[1-2]。許多專家學者針對瓦斯的賦存規律及影響因素進行研究，取得了一系列的成果，形成了瓦斯地質相關理論。在借鑒學習前人的基礎上，以青龍煤礦為工程背景，結合井田地質勘探的瓦斯地質資料，對影響9 號煤層瓦斯賦存因素進行分析，得到影響瓦斯賦存的主要因素，并結合得到的瓦斯分布規律，進而預測9 號煤層在開采過程中的瓦斯涌出量，對礦井的開采過程中開采規劃、瓦斯防治提供基礎數據，從而指導青龍煤礦生產活動。

1 工程概況

山西冀能青龍煤業有限公司青龍煤礦位于南距太原市區20 km，西距陽曲縣城8 km，隸屬陽曲縣黃寨鎮及東黃水鎮管轄，該礦處于礦井基建階段，設計生產能力為0.9 Mt/a，由于煤層埋藏較深，開拓方式均為立井開拓。該井田含煤地層包括二疊系下統山西組、石炭系上統太原組及石炭系中統本溪組，可采煤層主要賦存于太原組和山西組，可采煤層為6 層煤，首采煤層為9 號煤層，埋藏深度為390 ～650 m，煤層厚度為1.60 ～6.50 m，平均為4.79 m，其中煤層中含0 ～3 層夾矸，煤層結構相對簡單，賦存于山西組下部，上距K4 砂巖45.5 ～79.75 m，平均60.04 m，下距11 號煤層9.06 ～14.68 m，平均12.83 m。煤層直接頂板為粉砂巖或砂質泥巖，底板粉砂巖或細粒砂巖。該井田斷層主要可分北東、北西向兩組，其中北西向斷層多切割、錯斷北東向斷層，北西向斷層控制了井田的基本構造格架，北西向斷層Fp4、Fp5、F29、F13、Fp2斷層將井田分成Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ5 個小區。

2 瓦斯賦存及影響因素

2.1 瓦斯賦存分析

瓦斯作為一種氣體儲存在煤層中，影響煤層瓦斯含量及其分布規律的地質因素有很多，主要有地質構造、煤層的埋藏深度、煤層的頂底板巖性、煤層厚度等其它因素。由于影響因素較多，即使同一煤層中瓦斯賦存特征也會有差別，同一礦井的不同煤層瓦斯賦存也會不同，瓦斯含量及分布規律由上述影響因素綜合影響造成，但各控制因素的影響程度是不同的[3]。

2.2 瓦斯賦存影響因素分析

通過對青龍煤礦井田地質勘探的瓦斯地質資料收集，并結合現場情況進行分析，影響該礦瓦斯賦存影響因素如下。

2.2.1 煤層的埋藏深度

煤層埋藏深度是影響瓦斯賦存規律的重要因素[4]，據統計，隨著埋藏深度的增加，地應力隨深度的增加而增加，煤層頂底板巖性致密度更加緊密，不利于瓦斯的逸散，9 號煤層埋藏深度為390~650 m，隨著9 號煤層埋藏深度的增加，瓦斯的含量相應的增加。

2.2.2 地質構造

斷裂構造是地應力使巖層發生脆性變形的一種表現，不同類型、不同力學性質的斷層對瓦斯的保存和排放有不同的影響。由于斷層的存在，煤層的連續、完整性被破壞，瓦斯的儲存條件發生變化。開放性斷層因構造力的釋放，斷層面附近形成低壓區，瓦斯逸散出去，瓦斯含量和瓦斯涌出量相對比較低；反之封閉型斷層密封性較好，瓦斯含量和瓦斯涌出量相對比較高[5-6]。青龍礦區內共發現斷層38 條，斷層性質以高角度正斷層為主，僅F25 為逆斷層。其中，落差≥100 m 的斷層4 條，≥50 ~100 m 的斷層2 條，≥30~50 m 的斷層4 條，＞10~30 m 的斷層6 條，≤10 m 的斷層22 條。北西向斷層控制了井田的基本構造格架，其中北西向斷層Fp4、Fp5、F29、F13、Fp2將井田分成5 個小區，斷層構造是影響青龍礦區瓦斯賦存的關鍵地質因素。

2.2.3 頂底板巖性

在瓦斯賦存規律中發現，煤層頂底板圍巖的透氣性，直接影響著瓦斯的賦存、運移，致密且裂隙不發育的泥巖，有助于儲存瓦斯。9 號煤層的頂板為粉砂巖或砂質泥巖，底板為粉砂巖或細粒砂巖，主要為致密結構細碎屑巖，滲透性差，有利于瓦斯的保存，阻礙了煤層瓦斯的逸散。

3 瓦斯賦存規律分析

為了探究瓦斯煤層賦存規律，在青龍礦區布置測點，得到了9 號煤層瓦斯測定結果，9 號煤瓦斯含量0.89 ~ 5.29 m3/t，平均2.63 m3/t，瓦斯成分中CH4占0.00~65.67%，平均18.06%。9 號煤層瓦斯成分CH4平均18.06%，氮氣平均72.69%，為N2、N2—CH4、N2—CO2帶。

表1 9 號煤層瓦斯含量及成分測定成果Table 1 Gas content and composition determination results of No.9 coal seam

瓦斯含量分布與煤層埋深、斷層分布特征關系密切，煤層埋深越大瓦斯含量越大，埋深較大區域個別點受斷層帶的影響瓦斯含量較低；9 號煤由淺部至深部，瓦斯含量逐漸增高；在F29 與F1-1 斷層之間表明尤為明顯，與煤層埋深規律一致。依據9 號煤層的埋藏深度以及瓦斯含量梯度，繪制了9號煤層瓦斯含量等值線圖，平面上各可采煤層在F29 斷層以東瓦斯含量較低，以西較高。9 號煤瓦斯含量等值線圖如圖1 所示。

4 瓦斯量預測

為了保障青龍煤礦的安全生產，依據礦井瓦斯賦存規律及生產規劃，利用分源預測法對礦井瓦斯涌出量進行了合理預測，對礦井回采（包括開采層、圍巖和鄰近層）、掘進及采空區瓦斯涌出量進行計算，并結合河南理工大學編制的《山西冀能青龍煤業有限公司9 號、11 號和13 號煤層瓦斯涌出量預測》報告（以下簡稱“瓦斯涌出量預測”），預測結果為：青龍煤礦在開采9 號煤層時，礦井最大絕對瓦斯涌出量為10.64 m3/min，最大相對瓦斯涌出量為5.62 m3/t；回采工作面最大絕對瓦斯涌出量為3.42 m3/min；掘進工作面最大絕對瓦斯涌出量為1.22 m3/min。山西冀能青龍煤業有限公司青龍煤礦目前處于礦井基建階段，瓦斯地質參數較少，建議在開拓至新水平、新采區時，補充測定瓦斯參數，并根據測定結果和采掘方案調整情況，及時修正礦井瓦斯涌出量預測結果。

圖1 9 號煤瓦斯含量等值線圖Fig.1 Gas content contour map of No.9 coal

5 結 論

通過對青龍煤礦9 號煤層瓦斯賦存影響條件進行分析，并根據測定結果得到9 號煤層瓦斯含量等值線，對煤層開采過程中瓦斯涌出量進行預測。

（1） 9 號煤層瓦斯賦存影響因素主要有煤層的埋藏深度、地質構造斷層、頂底板巖性等因素；埋藏深度、斷層影響瓦斯賦存的關鍵地質因素。

（2） 開采9 號煤層時，礦井最大絕對瓦斯涌出量為10.64 m3/min，最大相對瓦斯涌出量為5.62 m3/t；回采工作面最大絕對瓦斯涌出量為3.42 m3/min；掘進工作面最大絕對瓦斯涌出量為1.22 m3/min，可為青龍煤礦在開采規劃、瓦斯防治提供基礎數據。