蘆嶺煤礦10 號煤層瓦斯賦存及其控制因素綜合評價

楊祎超 ，徐宏杰 ，劉會虎 ，盧宏偉 ，劉 瑜 ，祝 月 ，詹北淮

（1.安徽理工大學 地球與環(huán)境學院，安徽 淮南 232001；2.淮北礦業(yè)股份有限公司 蘆嶺煤礦，安徽 淮北 235000）

自首次記錄到煤與瓦斯突出事件以來，地下開采活動中頻繁發(fā)生的煤與瓦斯突出事件嚴重威脅著煤礦的安全開采，掌握礦井瓦斯賦存規(guī)律是進行瓦斯有效治理的地質(zhì)保障[1-4]。蘆嶺煤礦位于安徽省宿州市，煤與瓦斯突出是該礦一直面臨的主要地質(zhì)問題之一，生產(chǎn)中多次發(fā)生瓦斯超限。礦井10 號煤層為瓦斯突出煤層，在Ⅲ2采區(qū)掘進過程中瓦斯涌出量波動大，受地質(zhì)因素影響更大，地質(zhì)條件復雜。目前，較多學者開展了本煤層或工作面瓦斯涌出規(guī)律的探索[5]，并研究了相關(guān)預測方法以及淺部煤層開采對本煤層的影響關(guān)系[6-8]。蘆嶺煤礦目前主要針對8 號煤層開展了開采地質(zhì)條件綜合評價[9]、突出煤層含氣差異性機制[10]、地質(zhì)構(gòu)造復雜程度評價等方面的研究[11-13]，分析了開采地質(zhì)條件，并對井田內(nèi)構(gòu)造發(fā)育程度進行評價，建立了一套適應特厚高瓦斯煤層綜合開放開采地質(zhì)條件的評價指標體系。但是，研究區(qū)10 號煤層尚未進行大規(guī)模開采，因此缺少對10 號煤層瓦斯賦存規(guī)律的研究。基于此，以蘆嶺煤礦地面和井下勘查數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，開展了煤層瓦斯賦存規(guī)律及其控制因素綜合評價的研究，為10 號煤層巷道快速掘進和工作面安全高效回采提供瓦斯治理參考。

1 礦井地質(zhì)概況

蘆嶺煤礦屬于煤與瓦斯突出礦井，礦井包括西、中、東南3 個瓦斯地質(zhì)單元。

研究區(qū)包括Ⅲ4采區(qū)和Ⅲ2采區(qū)。Ⅲ4采區(qū)西部屬于西部地質(zhì)單元（F7斷層以西至勘探線6-7 以東），傾角為5°～20°；Ⅲ2采區(qū)以及Ⅲ4采區(qū)東部屬于中部地質(zhì)單元（F7斷層以東至11 勘探線以西），傾角寬緩。研究區(qū)含煤地層為石炭系太原組和二疊系山西組，主要包括8、9、10 號煤層。研究區(qū)南（淺）以10 號煤層-590 m 底板等高線及F7-1斷層為界；研究區(qū)北（深）以10 號煤層-800 m 底板等高線為界。

研究區(qū)煤層厚度在0.70～4.99 m 之間，平均為2.07 m，煤層傾角為8°～25°，平均14.6°。煤層宏觀煤巖成分以亮煤為主，暗煤次之，屬于半亮型煤。10 號煤層幾乎全層為無煙煤和天然焦，鏡質(zhì)組為主，約占47.18%～71.01%，惰性組次之，約占9.454%～42.421%，殼質(zhì)組約占3.20%～16.58%。

2 煤層瓦斯賦存規(guī)律

2.1 煤層瓦斯含量與埋深的關(guān)系

10 號煤層瓦斯含量與埋深的關(guān)系如圖1。

圖1 10 號煤層瓦斯含量與埋深的關(guān)系Fig.1 Relationship between gas content and buried depth of No.10 coal seam

在瓦斯風化帶下限深度以下（基巖埋深），10號煤層瓦斯含量具有隨埋深加大而增加的總體趨勢，且Ⅲ4采區(qū)（圖1（b））的瓦斯含量隨埋深的增加，增幅較大。

經(jīng)回歸分析，瓦斯含量與埋深之間具有如下線性關(guān)系：

式中：Wdaf為煤層干燥無灰基瓦斯含量，m3/t；X為基巖下埋藏深度，m。

2.2 煤層瓦斯壓力與埋深的關(guān)系

10 號煤層瓦斯壓力與埋深的關(guān)系如圖2。

圖2 10 號煤層瓦斯壓力與埋深的關(guān)系Fig.2 Relationship between gas pressure and burial depth of No.10 coal seam

10 號煤層瓦斯壓力隨埋深的加大而增加，不同采區(qū)增速不一致，Ⅲ4采區(qū)（圖2（b））較Ⅲ2采區(qū)（圖2（a））瓦斯壓力梯度更大。瓦斯壓力與埋深之間具有較好線性關(guān)系，Ⅲ2和Ⅲ4采區(qū)的瓦斯壓力梯度分別為0.82 MPa/hm和1.10 MPa/hm。

式中：p為煤層瓦斯壓力，MPa。

2.3 瓦斯含量預測

根據(jù)式（3）、式（4）瓦斯壓力擬合公式與間接法瓦斯含量數(shù)據(jù)計算方法[14]，獲得了研究區(qū)瓦斯含量預測等值線圖，10 號煤層瓦斯含量預測等值線圖如圖3。

圖3 10 號煤層瓦斯含量預測等值線圖Fig.3 Gas content prediction contour map of No.10 coal seam

研究區(qū)瓦斯含量范圍在5.09 ～10.55 m3/t 之間，瓦斯含量隨瓦斯壓力的增加而增大，中部與西部的瓦斯變化規(guī)律在傾向上基本一致，瓦斯含量由南到北呈逐漸增大的趨勢，在深度上由淺到深逐漸增加。此外，對于該煤層而言，即使在構(gòu)造相對發(fā)育的區(qū)域，其瓦斯含量仍然高于某些構(gòu)造較不發(fā)育的區(qū)域。這說明該采區(qū)構(gòu)造的發(fā)育并不是完全會降低該區(qū)域內(nèi)的瓦斯含量，在某些情況下，反而會有利于煤層中瓦斯的解吸與保存。

2.4 瓦斯涌出量預測

基于分源預測法，開展煤層瓦斯涌出量和鄰近層瓦斯涌出量預測，10 號煤層相對瓦斯涌出量預測圖如圖4，煤層瓦斯涌出量隨煤層標高變化規(guī)律見表1。

表1 煤層瓦斯涌出量隨煤層標高變化規(guī)律Table 1 Variation law of gas emission with elevation

圖4 10 號煤層相對瓦斯涌出量預測圖Fig.4 Gas relative emission prediction contour map of No.10 coal seam

煤層瓦斯預測涌出量范圍在9.23～16.11 m3/t之間。在-600 m 標高時，中部瓦斯單元和西部瓦斯單元的煤層瓦斯涌出量分別達到9.76、12.79 m3/t；-700 m 標 高 和-800 m 標 高 時，分 別 達 到11.71、14.72、13.01、16.11 m3/t。

瓦斯涌出量在傾向上的變化規(guī)律基本相同，由南到北逐漸增大；在深度上，由淺到深瓦斯的涌出量逐漸增加。西部瓦斯單元涌出量略高于中部瓦斯單元，且西部涌出量變化梯度大于中部。

結(jié)合10 號煤層瓦斯含量預測等值線圖（圖3）分析，明顯看出瓦斯含量越大其對應的瓦斯相對涌出量也越大，揭示煤層瓦斯含量是影響瓦斯涌出量的重要因素。

3 10 號煤層瓦斯賦存控制因素綜合評價

3.1 評價理論方法

煤層瓦斯賦存控制受較多因素影響，總體分為幾何類因素和安全類因素，其中幾何類因素屬于不可控因素，對煤層瓦斯賦存的影響占主導地位[15]。為定量描述煤層瓦斯賦存控制因素，采用模糊物元方法對10 號煤層的瓦斯賦存控制因素進行了定量預測。該方法通過模糊數(shù)學的判別準則，構(gòu)建歸一化矩陣。同時，基于模糊理論權(quán)重，將影響因素賦予各自的權(quán)重系數(shù)，因而能更加客觀的衡量各因素的作用[16]。過程如下：先從優(yōu)隸屬度原則構(gòu)建制約瓦斯賦存控制因素的從優(yōu)隸屬度模糊物元；再經(jīng)標準模糊物元與差平方復合模糊物元計算，采用熵值法確定影響因子的權(quán)重；最終計算出歐氏貼近度復合模糊物元；最后通過對復合物元值的大小作圖來開展煤層瓦斯賦存控制因素綜合評價[17-18]。最終分為3 類（其中：CPR 為煤厚變概比）：①Ⅰ類：瓦斯壓力點均小于0.74 MPa，構(gòu)造較為簡單，屬于Ⅰ類原生煤，CPR 在0%～50%；②Ⅱ類：瓦斯壓力點均在0.74～1.62 MPa，構(gòu)造較復雜，屬于Ⅱ類碎裂煤，CPR 在50%～75%；③Ⅲ類：瓦斯壓力點均大于1.62 MPa，構(gòu)造復雜，屬于Ⅲ類構(gòu)造煤，CPR 在75%以上。

3.2 評價因素

煤層瓦斯賦存受地應力、構(gòu)造復雜程度、煤層厚度變化、頂?shù)装鍡l件、含夾矸層數(shù)及厚度、巖溶塌陷及巖漿侵入、瓦斯壓力、埋藏深度、煤體結(jié)構(gòu)等多因素共同作用[19-20]。其中地應力為主控因素，對賦存起決定性作用。地應力對煤體的地質(zhì)影響表現(xiàn)為煤的構(gòu)造復雜程度不同，即煤發(fā)生變形變位的程度不同，進而影響煤體結(jié)構(gòu)。地應力越高，對煤體的破壞越強烈，因而，煤體結(jié)構(gòu)強度較弱或發(fā)生破壞往往使得煤層更加復雜[21]。瓦斯的存在往往給煤炭的開采帶來較大的難度，既增加了煤炭的開采成本，又可能會導致瓦斯爆炸、煤與瓦斯突出等礦井災害[22]。蘆嶺煤礦自建井以來，因煤層厚度變化引發(fā)了3 次煤與瓦斯突出事故，且煤層厚度越厚，煤體瓦斯含量越高，壓力越大都是引起煤與瓦斯突出的重要因素。

綜合上述影響因素，確定瓦斯壓力、地質(zhì)構(gòu)造復雜程度、煤體結(jié)構(gòu)和煤層總厚度4 項因素作為定量評價蘆嶺煤礦10 號煤層控制因素的評價指標[23]，對10 號煤層開展瓦斯賦存控制因素評價。

3.3 評價因素分析

3.3.1 瓦斯壓力

研究區(qū)瓦斯壓力與煤層深度具有良好的擬合關(guān)系，Ⅲ2采區(qū)、Ⅲ4采區(qū)分別滿足式（3）、式（4），總體呈線性趨勢，隨深度遞增。分別選擇瓦斯壓力小于0.74 MPa、0.74～1.62 MPa 及大于1.62 MPa 3 個區(qū)間作為區(qū)別3 類采區(qū)的參數(shù)指標[24]。根據(jù)探測數(shù)據(jù)點作圖，10 號煤層瓦斯壓力分布如圖5。

圖5 10 號煤層瓦斯壓力分布Fig.5 Gas pressure distribution of No.10 coal seam

由圖5 可知，10 號煤層部分測點的瓦斯壓力均大于或等于0.74 MPa，屬于Ⅱ、Ⅲ類區(qū)域。對瓦斯壓力大于或等于0.74 MPa 的測點數(shù)進行統(tǒng)計，結(jié)果表明：10 號煤層瓦斯壓力高于0.74 MPa 的測點數(shù)占總測點數(shù)的41.24%。

3.3.2 構(gòu)造復雜程度

地質(zhì)構(gòu)造是引起煤層賦存狀態(tài)復雜的重要因素之一，其主要體現(xiàn)為斷裂和褶皺[25]。研究區(qū)斷層共計108 條，正斷層64 條，逆斷層44 條，斷層落差大于10 m 的有26 條，這對礦井瓦斯賦存的影響程度較大。研究區(qū)傾向和走向玫瑰花圖及傾角直方圖如圖6。

圖6 研究區(qū)傾向和走向玫瑰花圖及傾角直方圖Fig.6 Rose diagrams of mining area tendency and strike and histograms of inclination angle

由圖6 可以看出：Ⅲ2采區(qū)走向以NE-NW 向為主，N 向次之，斷層傾角相對較大，以40°～70°為主，斷層東傾西傾各半；Ⅲ4采區(qū)走向以NW-N向為主，EW-NEE 向次之，傾角相對較大，以40°～70°為主，斷層東傾略大于西傾，以NE-E 向為主，NWW-W 向次之。

10 號煤層斷裂分維分布如圖7，10 號煤層褶皺分維分布如圖8。

圖7 10 號煤層斷裂分維分布Fig.7 Distribution of fault fractal of No.10 coal seam

圖8 10 號煤層褶皺分維分布Fig.8 Fractal dimension distribution of folds in No.10 coal seam

礦區(qū)發(fā)育有許多次級小褶皺以及小斷層，瓦斯含量呈現(xiàn)宿東向斜軸部較高，沿著向斜兩翼淺部逐漸降低，同時低次級褶皺進一步影響局部瓦斯含量的賦存狀態(tài)。礦區(qū)斷裂構(gòu)造以斜切斷層為主，斷層的力學性質(zhì)在多期地質(zhì)改造過程中多帶有壓性或壓扭性，所以推測斷裂帶附近常為瓦斯富集區(qū)。

褶皺評價指標難以確定，褶皺雖影響煤層空間產(chǎn)狀，卻沒有破壞其連續(xù)性和完整性，對煤層的影響主要體現(xiàn)在走向以及傾向上傾角的起伏變化[26-27]。構(gòu)造復雜程度采用斷裂分維值和褶皺分維值表示。斷裂分維值評價指標選擇相似維，先將網(wǎng)格邊長設為r0，對斷層進行覆蓋，統(tǒng)計其中包含斷層痕跡的網(wǎng)格數(shù)N(r)，逐漸縮小網(wǎng)格，使ri=r0/2i，得出相應的N(ri)，做出擬合直線：lnN(r)=a+blnr，得出分維值Ds[28]。褶皺分維值定量表征了構(gòu)造應力場下層狀巖層發(fā)生褶皺變形程度[29]，與褶皺發(fā)育程度存在較好的對應關(guān)系，由井田內(nèi)斷裂情況確定。通過褶皺分維值的分布可直觀反映井田范圍內(nèi)褶皺發(fā)育程度。

3.3.3 煤體結(jié)構(gòu)

井下觀測煤層頂板與底板均為粉砂巖，巷道所見煤厚約3.35 m，整體可以看清條帶狀結(jié)構(gòu)，但局部有較破碎的地方，中部有1 層似斷泥糜棱煤，向兩邊逐漸過渡為正常煤。10 號煤層1#鉆孔測井曲線圖如圖9。

圖9 10 號煤層1#鉆孔測井曲線圖Fig.9 Logging curves of 1# hole in No.10 coal seam

由圖9 可以看出，煤層厚為3.41 m，選取辨識度高的4 條曲線，三側(cè)向電阻率、雙收時差、自然伽馬以及人工伽馬[30]，根據(jù)4 條測井曲線在同一煤層中不同幅值對比，可以劃分出相應的分界線和相對幅值大小。自上而下分為4 層，第1層與第3 層中，三側(cè)向電阻率為高幅值，且峰頂圓滑，人工伽馬曲線幅值高且峰頂為近水平鋸齒狀，根據(jù)龍王寅等[31]對兩淮煤田不同結(jié)構(gòu)類型測井曲線形態(tài)特征的描述，可判識為Ⅰ類原生煤；第2 層與第4 層中，三側(cè)向電阻率幅值明顯降低，人工伽馬仍為高幅值，可判識為Ⅲ類構(gòu)造煤。由于10 號煤層所處層位較低，其灰分含量較少，所以伽馬值整體偏高。

3.3.4 煤層厚度

為定量分析煤層厚度，采用煤厚變概比定量表征煤厚變化。其為變異系數(shù)與煤層可采概率的百分比值[19]。變概比CPR 計算公式為：

式中：Cv為煤層變異系數(shù)，取24.52%；P{α ≤x≤β}為MATLAB 計算出的煤層可采概率。

因此，變概比越大煤層復雜程度越高，變概比對煤層影響的分級分析見表2。

表2 變概比對煤層影響的分級分析Table 2 Classification Analysis of coal seam effected by CPR

3.4 評價結(jié)果

據(jù)研究區(qū)范圍，基于模糊物元方法劃分了30個網(wǎng)格單元，并對每個網(wǎng)絡單元進行編號；分別統(tǒng)計、計算每個網(wǎng)格單元中各影響因素的測定值。綜合10 號煤層瓦斯賦存的影響因素，對不同的網(wǎng)格單元因素進行定量化評價，10 號煤層的分類評價預測網(wǎng)絡劃分如圖10。

圖10 10 號煤層的分類評價預測網(wǎng)絡劃分Fig.10 Divided prediction network about classification evaluation of No.10 coal seam

選取5 個評價影響因素，10 號煤層瓦斯控制因素評價臨界值見表3[24]。

表3 號煤層瓦斯控制因素評價臨界值Table 3 Critical values about control factors evaluation of No.10 coal seam

根據(jù)模糊物元評價方法步驟中計算公式[16]，得出歐氏貼近度ρHj。根據(jù)表3 中10 號煤層瓦斯控制因素評價的臨界值，采用模糊物元評價方法計算出Ⅰ類區(qū)域與Ⅱ類區(qū)域、Ⅱ類區(qū)域與Ⅲ區(qū)域的臨界歐氏貼近度ρH臨界1 和ρH臨界2，其結(jié)果分別為0.202、0.372。依據(jù)表3 中計算結(jié)果，繪制的10 號煤層控制因素分類預測分布圖如圖11。

圖11 10 號煤層的控制因素分類預測分布Fig.11 Predictive distribution about control factors of No.10 coal seam

由圖11 可以看出：Ⅱ類和Ⅲ類區(qū)域集中分布于研究區(qū)的東北部，占據(jù)了礦井的大部分區(qū)域；而Ⅰ類區(qū)域只占據(jù)了礦井的西南小部分。

4 結(jié) 語

1）10 號煤層瓦斯含量、瓦斯壓力及瓦斯涌出量隨著煤層埋深的增加而增大，且瓦斯含量與瓦斯壓力越大，瓦斯涌出量也越大，其范圍在9.23～16.11 m3/t，呈現(xiàn)出西部煤層瓦斯涌出量高于中部煤層瓦斯涌出量，且東北深部瓦斯涌出量最大的特點。

2）基于模糊物元方法，選取瓦斯壓力、構(gòu)造復雜程度、煤體結(jié)構(gòu)和煤層厚度4 個因素，對10號煤層瓦斯賦存控制因素進行評價研究，劃分3類區(qū)域。其中，Ⅰ類區(qū)域占16.28%，Ⅱ類區(qū)域占37.36%，Ⅲ類區(qū)域占總面積的46.36%；并且呈現(xiàn)出東北深部地區(qū)多為Ⅱ類、Ⅲ類區(qū)域，西南淺層地區(qū)多為Ⅰ類區(qū)域的特征。