矿井瓦斯地质规律与瓦斯预测的探讨

摘 要：文章通过对万峰煤矿煤层、瓦斯及地质条件的分析和研究，初步探讨了影响矿井煤层瓦斯含量的主要地质因素、煤层瓦斯的赋存特征和分布规律，更好地认识和掌握煤层瓦斯含量及其变化规律，更好的对采掘工作面的瓦斯进行预测，对煤矿的安全生产具有积极的指导意义，为控制瓦斯事故、确保安全生产提供了理论依据。

关键词：瓦斯地质；瓦斯赋存；瓦斯抽采

中图分类号：U212.22 文献标识码：A

万峰煤矿位于山西省霍西煤田汾孝矿区东部，孝义市南约10km处，井田面积16km2，生产规模1.2Mt/a，工业储量202.43Mt，可采储量117.2Mt，矿井服务年限70年。采用立井、两水平、集中运输大巷、采区上、下山开拓方式。第一水平标高+200m，第二水平标高+100m。现生产一水平煤层为1#煤层，1号煤层平均厚度1.5米，结构简单，全井田稳定可采。采煤方法为走向长壁综合机械化方式，顶板管理方式为自然垮落。矿井采用中央并列式通风系统，回采工作面采用U型通风方式。1#煤层瓦斯含量为7.18～18.5m3/t，矿井达产时最大相对瓦斯涌出量为44.91m3/t，最大绝对瓦斯涌出量为113.40m3/min，为高瓦斯矿井。煤层透气性系数为1.62～3.785m2/Mpa2.d，钻孔瓦斯流量衰减系数为0.0031～0.04995d-1，煤层透气性较好，属于可以抽采煤层，煤的自燃倾向性为Ⅱ类自燃，煤尘具有爆炸危险性。

1 矿井地质概况

1.1 井田地质条件

井田内发育的地层由下至上有：奥陶系下统的冶里组、亮甲山组和中统的下马家沟组、上马家沟组、峰峰组，石炭系中统本溪组、上统太原组，二叠系下统山西组、下石盒子组和上统上石盒子组，上第三系上新统，第四系中上更新统、全新统的地层。井田内可采煤层五层，即山西组1#、3#和太原组5#、9#、10+11#煤层，1#煤层平均厚度1.50m，结构简单，全井田稳定可采，3#煤层局部可采，可采范围平均厚度0.60m，5#煤层局部可采，可采范围内平均厚度0.72m，9#煤层厚度平均1.36m，全井田可采，10+11#煤层平均厚度6.38m，全井田可采，与9#间距很近，开采时采取联合开采。目前主要开采1#煤层，坚固性系数f为0. 28～0.47，直接顶为黑色粉砂岩，厚2.58m，间接顶为砂质泥岩、泥岩，厚3.07m，1#上煤顶板（老顶）为中细砂岩，岩石硬度f=8～10,致密较坚硬，平均厚度21.2米。距1上煤（厚0.85m）间距2.82-9.42米，平均6.26米。直接底为黑色砂质泥岩，厚6.03m。顶底板砂质泥岩、泥岩的岩石硬度f＝6。

1.2 井田地质构造及分布特征

井田位于霍西煤田的北缘，祁吕弧形褶皱带的东翼与汾河挽近槽地的衔接部位，属于祁吕弧褶皱带东翼，位于盆状复向斜北东部的大西庄背斜东北翼，受大西庄背斜影响，井田内总体来看为一单斜构造，地层走向近北西向，倾向北东，倾角3°-12°，2004年勘探时发现在井田东部边界附近发育一条正断层F10，走向N15°E，倾向北西，倾角55°，落差35m，井下巷道揭露首采区内有21条断层，其中落差大于10m的断层2条，落差大于5m的断层7条，落差小于5m的断层3条，其余为0-2m的小断层，现将井田内揭露主要断层列如表1：

1.3 构造煤发育及分布特征

从矿井已揭露区域来看，井田内区域未发现构造煤。

2 矿井瓦斯地质规律研究

2.1 断层、褶皱构造对瓦斯赋存的影响

断裂运动伴随着构造运动而发生，断裂的类型对瓦斯保存有重要影响，断层将煤层断开后，煤层与断层另一盘接触的岩性，若透气性好则利于瓦斯排放。

断层的空间方位对瓦斯的保存、逸散也有影响。一般走向断层阻隔了瓦斯沿煤层倾斜方向的逸散，而倾向和斜交断层则把煤层切割成互不联系的块体。不同类型的断层，形成了不同的块段的构造边界条件，对瓦斯的保存，排放有不同的影响。

向斜构造的两翼与轴部中和面以上为压应力场，表现为明显的应力集中，为高压区；轴部中和面和以下处于拉伸张应力场，而且煤层埋深往往较大，只产生少量开放性裂隙，释放部分应力，形成相对低压区。这样向斜的两翼和轴部中和面以上是利于瓦斯封存和聚集的部位，特别是向斜的轴部是瓦斯含量高异常区。1207进风巷、回风巷在掘进过程中经过向斜轴部时瓦斯涌出量和瓦斯抽采量均出现显著的增大。

背斜构造的两翼与轴部中和面以下为压应力场，表现为明显的应力集中，为高压区；轴部中和面和以上处于拉伸张应力场，而且煤层埋深往往较大，只产生少量开放性裂隙，释放部分应力，形成相对低压区。当煤层顶底板为厚的透气性差的泥岩或页岩时，埋深较大时，背斜的轴部中和面的上部岩石会表现为塑形变形，不会产生裂隙，这样顶底板仍然保持良好的覆盖性能，两翼的瓦斯也会向轴部运移，造成煤层的高含气性。

2.2 顶底板岩性对瓦斯赋存的影响

顶底板岩性包括岩石的孔隙率、渗透性和空隙结构。一般来说顶底板岩石孔隙率大，连通情况好，渗透性好，孔隙度大，透气性能好，有利煤层瓦斯逸散，反之亦然。万峰煤矿1号煤层顶底板岩性为致密完整的粉砂岩或炭质泥岩，煤层中的瓦斯容易保存下来，所以煤层中瓦斯含量较大，达到8.4～18.5m3/t。

2.3 煤层埋深对瓦斯赋存的影响

随着煤层埋深的增加，瓦斯含量增加。埋藏深度的增加，不仅地应力增高而使煤层及围岩的透气性变差，而瓦斯向地表运移的距离也增长，二者都有利封存瓦斯。分析万峰煤矿1号煤层瓦斯含量测值与埋深关系可知（见表2），万峰煤矿煤层瓦斯含量随埋深增大而增加。

3 瓦斯含量分布及预测研究

煤层瓦斯含量受多种地质因素的制约，诸如煤质、埋藏深度、构造、煤的物理化学性质、煤层顶底板岩性等等，不同矿区，各种地质因素施加影响的显著性可能是不相同的。对某一个具体井田而言，在诸多地质因素中总有一个主导因素控制瓦斯含量在井田范围内变化的总体趋势，其它地质因素只能在局部范围内影响煤层瓦斯含量。

该井田地质构造属简单类，构造仅在局部影响煤层瓦斯赋存，对整个井田的影响作用较小。煤层埋藏深度是控制瓦斯含量变化的主导因素。

表2 1号煤层瓦斯含量测定数据汇总

通过对万峰煤矿地勘和生产期间的1号煤层瓦斯含量测定数据（表2）的分析，得出万峰煤矿煤层瓦斯赋存的规律如下：

万峰煤矿1号煤层8个瓦斯含量控制点除W5钻孔外，其余控制点瓦斯含量均较高，属CH4带。W5钻孔所测得的煤层瓦斯（CH4）成分只有11.67%，远小于80%，很显然，W5钻孔处于瓦斯风化带。

万峰煤矿1号煤层瓦斯含量具有随埋藏深度增加而加大的整体趋势，但存在一定的幅值波动，即，同一埋藏深度的煤层，瓦斯含量值可能存在一定的差异。

4 矿井瓦斯涌出量预测

根据安全生产行业标准《矿井瓦斯涌出量预测方法》（AQ1018-2006），采用分源预测法对万峰煤矿回采工作面瓦斯涌出量进行预测如下：

矿井1号煤层，煤层厚度取平均值1.50m。

矿井设计生产能力为120万t/a，1号煤层开采布置二个采区，首采工作面为一采区西翼的1103工作面。采用走向长壁，综合机械化采煤法，全部垮落法管理顶板，回采工作面长度150m，回采率为97%。

分别对开采煤层（包括围岩）和邻近层瓦斯涌出量进行预测。

1号煤层开采时的相对瓦斯涌出量最大为18.5m3/t。横向上看，瓦斯涌出量由西南向东北方向逐渐增大，在矿井东北部达到最大。垂向上看，下部煤层比上部煤层瓦斯涌出量高，与煤层埋深成正比，底板等高线成反比。

1号煤层开采时受到上下邻近层煤层群的影响，距离邻近层的距离见表3。

结论

万峰矿区位于山西省霍西煤田霍州煤炭国家规划矿区东北部。霍西煤田位于山西省中南部，北起汾阳，南至河津平原，西迄吕梁山东麓，东止霍山脚下，受多种构造带影响，以压性构造为主，构造带集中分布在煤田两侧的吕梁山脉及太岳山脉，煤田内构造相对较简单。本井田总体来看为一单斜构造，地层走向近北西向，倾向北东。

分析了断层、褶曲、顶底板岩性、煤层埋深对矿井瓦斯赋存的影响，并得出煤层埋藏深度是控制瓦斯含量的主导因素。

据收集瓦斯含量资料，结合煤层埋藏深度可知：煤层瓦斯含量具有随埋藏深度增大而加大的整体趋势。

用分源预测法对万峰煤矿回采工作面瓦斯涌出量进行了预测。预测结果表明：1号煤层瓦斯涌出量最大可达18.5m3/t。

用分源预测法对万峰煤矿回采工作面邻近层瓦斯涌出量进行了预测。预测结果表明：1号煤层开采时邻近层煤层群的瓦斯涌出量最大可达12.04m3/t。

参考文献

[1]陆秋琴.地下煤矿瓦斯运移数值模拟及积聚危险性评价研究[J].西安建筑科技大学，2010.

[2]孙斌.基于危险源理论的煤矿瓦斯事故风险评价研究[J].西安科技大学，2003.