开滦矿区唐山煤矿瓦斯涌出规律及其预测

高启林，周泽，周晓刚

(1.开滦(集团)有限责任公司唐山矿业分公司，河北唐山063000;2.中国矿业大学资源与地球科学学院，江苏徐州221116)

煤矿瓦斯突出问题是困扰矿井生产的难题之一［1－5］。唐山煤矿属多煤层开采，生产作业区域广，构造形式多样，瓦斯涌出量因区域、构造部位及煤层的不同而有所差异。该矿在井下掘进、生产过程中，存在瓦斯异常涌出现象，随着开采深度的增大，瓦斯异常现象越来越突出，给矿井安全生产带来隐患。分析瓦斯地质因素、总结瓦斯涌出规律及预测未开采区域瓦斯涌出量，是制定有效预防措施的必要前提，对预测下一开采水平的瓦斯分布特征、瓦斯涌出量及瓦斯突出危险性均有重要意义［5－6］。因此，笔者根据唐山煤矿地质背景，分析构造、埋深及地应力与瓦斯涌出量的关系，并预测瓦斯涌出情况，以期为煤矿安全生产提供参考。

1 地质背景

1.1 构造特征

唐山煤矿地层走向为NE—SW，主要构造绝大部分平行于地层走向(图1)。构造极为复杂，由北向南依次排列着FⅠ、FⅡ、FⅢ、FⅣ、FⅤ等主断层，其中，南部边界断层FⅤ规模最大。褶皱构造发育，除东部FⅢ断层以南的主向斜、背斜外，向西部还发育有岭子倾伏背斜等一系列褶曲构造。

图1 唐山煤矿矿井构造纲要Fig.1 Outline map of mine structures of Tangshan coal mine

1.2 含煤地层

唐山煤矿含煤地层主要分布在石炭系、二叠系，分别为下石盒子组(唐家庄组)、山西组(大苗庄组)、太原组上段(赵各庄组)、太原组下段(开平组)、本溪组(唐山组)，其中主要含煤地层集中分布在大苗庄组和赵各庄组。唐山煤矿可采煤层主要为5、6、8、9、11、12－1甲、12－1乙、12－2煤等八层煤，其中6、11、12－1甲、12－1乙、12－2煤层局部可采，5、8、9煤层为稳定的中厚－特厚煤层，是唐山矿主采煤层，11、12－1甲、12－1乙、12－2煤层为赵各庄组煤层，其余均为大苗庄组煤层。

1.3 瓦斯含量

根据矿井瓦斯含量资料，分析近十年分别在8041工作面、7962工作面巷道，T2179、8242及7044 W岩巷处测算的8、9煤，5煤及12－1煤的煤层游离瓦斯质量体积(vy)和吸附瓦斯质量体积(vx)，并将此二者的和作为煤层瓦斯质量体积(v)，结果如表1所示。由表1可见，9煤瓦斯质量体积值最大，介于3.0～7.6 m3/t之间。在已采区域，其瓦斯质量体积相对较小，介于3.0～6.0 m3/t，－850 m以浅区域瓦斯质量体积梯度为1.8 m3/(t·hm)，深部有减小的趋势，可达到0.25 m3/(t·hm)。对于未采区，瓦斯质量体积相对较大，接近煤层露头的区域，最小值可达1.0 m3/t，在－1 100 m深度处，最大值可达7.8 m3/t。

表1 唐山煤矿各煤层瓦斯质量体积测算值Table 1 Coal seams gas content measures value in Tangshan coal mine

2 瓦斯涌出规律

2.1 瓦斯涌出特征

唐山煤矿自2002年以来均被鉴定为高瓦斯矿井。据唐山矿瓦斯分析报表，2010年回采工作面瓦斯涌出量占瓦斯涌出总量的41.77%，掘进工作面为4.05%，开拓工作面为0.69%，封闭的采空区占53.50%;2011回采工作面、掘进工作面、开拓工作面瓦斯涌出量分别占矿井瓦斯涌出总量的46.32%、20.73%、0.72%，封闭采空区的瓦斯涌出量占矿井瓦斯涌出总量的32.23%。瓦斯涌出来源主要以回采工作面及采空区为主，涌出形式为普通涌出。回采工作面瓦斯涌出量是矿井瓦斯涌出量的主要组成部分，现有开采煤层中，8、9煤层的涌出量较大，平均超过30%。按采区分析，铁一、铁二、铁三三个主要采区瓦斯涌出量较大，超过60%。

近年来，随着开采的推进，煤层埋藏深度增加，掘进工作面及回采工作面的瓦斯涌出量也明显增加。从2005年至2011年，掘进工作面的瓦斯绝对涌出量呈增加的趋势，最大值由2005年的1.30 m3/min，增加至2011年的1.90 m3/min;回采工作面相对瓦斯涌出量从2005年到2011年总体呈增大的趋势，且接近断层带的回采工作面瓦斯涌出量增大明显。

2.2 构造与瓦斯涌出量的关系

瓦斯涌出量明显受构造控制，大构造带附近瓦斯富集较多，涌出量为正常区域的2～10倍。瓦斯分布与褶皱、断层的发育密切相关，当围岩的封闭条件较好时，背斜往往有利于瓦斯的存储，是良好的储气构造;当围岩透气性好的情况下，背斜中的瓦斯容易沿裂隙逸散［7］。断层的类型和发育程度对瓦斯涌出的影响一般表现为，张性断层有利于瓦斯的排放，压性断层对瓦斯的排放起阻碍作用［8－9］。

唐山煤矿9煤褶曲不同部位瓦斯涌出量的统计结果如表2所示。由表2可知，越接近背斜的核部，瓦斯涌出量越高。分析原因在于，唐山矿9煤顶板岩性封闭条件较好，背斜构造作用使之形成了一个聚气构造，瓦斯涌出量在煤层褶曲核部有增大趋势，但增大的趋势不很明显。

表2 唐山煤矿9煤褶曲不同部位的瓦斯涌出量Table 2 Gas emission rate in different parts of faults of 9thcoal seam in Tangshan coal mine

研究表明，唐山井田发育着许多NE—SW向压扭性断层，研究区内主要控制性断层除FⅣ断层是东正、西逆外，其余均是逆断层和逆掩断层。断层附近的煤层呈挤压状态，局部煤层大幅增厚，有利于煤层瓦斯的富集。唐山矿9煤瓦斯相对涌出量与已发现小断层的关系如图2所示。分析显示，在小断层发育的北翼区，瓦斯涌出量出现高值，而在西翼区和铁一区，小断层虽然也发育，但相对瓦斯涌出量出现低值，即煤层瓦斯涌出量随小断层发育的复杂化而表现出增大趋势。

图2 唐山煤矿9煤瓦斯相对涌出量与小断层关系Fig.2 Relationship between gas emission rate and small faults of 9thcoal seam in Tangshan coal mine

2.3 埋深、地应力与瓦斯涌出量的关系

由统计分析可知，随着煤层埋深的增加瓦斯涌出量呈现明显的递增规律，同时，瓦斯涌出量也与地应力密切相关［10－13］。唐山煤矿地应力场总体上为构造应力场型，即最大主应力在近水平方向，最大水平主应力总体为偏北东南西向;地质构造明显地影响岩体初始应力状态的分布。

就矿区铁一区而言，最大主应力等值线总体上呈北东—南西向延伸，靠近向斜核部略有偏转。在该区东北部最大主应力增大的部位，对应瓦斯涌出量有增大的趋势，出现异常增大现象，绝对瓦斯涌出量值达到7.30 m3/min甚至更大。铁三区水平最大主应力的方向性更为明显，呈北东—南西向展布，绝对瓦斯涌出量等值线展布方向和水平最大主应力的展布方向近于一致，但瓦斯涌出量变化趋势与应力值变化关系不明显。

3 瓦斯涌出量预测

3.1 地质统计法

地质统计法是目前运用最广的瓦斯预测方法之一，实质是，根据本井田或邻近井田的实际瓦斯涌出量得出矿井瓦斯涌出量与煤层埋深的关系，从而预测新井田延伸水平的瓦斯涌出量。笔者基于历年来唐山煤矿各煤层通风月报、旬报、年报以及历年瓦斯鉴定报告，对全矿各煤层瓦斯绝对涌出量进行统计分析。由于8煤和9煤煤层间距较小，在矿井范围内的大部分区域出现煤层合并现象，两煤层在煤层顶底板岩性、埋深、构造发育程度等方面也都有极大的相似之处，因此，选取两者回采工作面的43个点进行绝对瓦斯涌出量与煤层埋深关系的回归分析，如图3所示。结果显示，瓦斯涌出量与煤层埋深存在明显的线性关系，拟合程度较高，达到0.8以上，绝对瓦斯涌出量随着埋深的增大而增大，变化梯度为1.35 m3/(min·hm)。

图3 唐山煤矿8、9煤层瓦斯涌出量与煤层埋深回归分析Fig.3 Regression analysis of 8th、9thcoal seam depth and gas emission rate in Tangshan coal mine

3.2 分源预测法

3.2.1 预测原理

分源预测法预测矿井、采区、回采面和掘进工作面等的瓦斯涌出量，实质是根据矿井生产过程中瓦斯涌出源的数量及各个涌出源的瓦斯涌出量来预测的，而各个瓦斯涌出源瓦斯涌出量是以瓦斯涌出规律、煤层瓦斯含量及煤层开采技术条件为基础计算的［14－16］。根据AQ1018—2006《矿井瓦斯涌出量预测方法》，以及唐山煤矿的地质情况，采用分源预测法对唐山煤矿8、9煤回采工作面瓦斯涌出量进行预测。

回采工作面瓦斯涌出量预测值用相对瓦斯涌出量(vr)表达，即开采层(包括围岩)相对瓦斯涌出量(vr1)与邻近层相对瓦斯涌出量(vr2)之和，计算式为

式中:k1——围岩瓦斯涌出系数;

k2——工作面丢煤瓦斯涌出系数;

k3——准备巷道预排瓦斯对工作面煤体瓦斯涌出影响系数;

v0——煤层原始瓦斯量，m3/t;

v1——煤的残存瓦斯量，m3/t。

di——第i个邻近层厚度，m;

d'——开采层的开采厚度，m;k'i——取决于层间距离的第i邻近层瓦斯排放率;v0i——第i邻近层原始瓦斯量，m3/t。

3.2.2 预测结果

利用分源预测理论，综合考虑矿井回采面、邻近层瓦斯涌出量预测结果，对不同瓦斯含量下的相对瓦斯涌出量进行预测，得出8、9煤开采层不同瓦斯含量下的相对瓦斯涌出量，如表3所示。由于8、9煤存在煤层合并区，合区与其他非合并区域在煤层厚度、煤层层间距等方面都存在相对较大差异，所以在进行邻近煤层瓦斯涌出量预测时，将8、9煤分别分为上巷、下巷、岳胥区和8、9煤合并区四个区域进行计算，得出了8、9煤邻近煤层瓦斯涌出量，如表4所示。结果显示，瓦斯涌出量随煤层瓦斯含量增大而增大，并且呈明显的正相关关系，不同煤层变化梯度不同，主要受煤层厚度、开采技术、与邻近层的距离等因素控制。

表3 唐山煤矿8、9煤回采工作面瓦斯涌出预测结果Table 3 Working face gas emission rate forecasting results of 8th，9thcoal seam in Tangshan coal mine

表4 唐山煤矿8、9煤层各区邻近煤层瓦斯含量对应回采工作面瓦斯涌出量Table 4 Adjacent coal seam gas content corresponding to mining working face gas emission rate of 8th，9th coal seam mine

4 结论

(1)唐山煤矿瓦斯涌出形式为普通涌出，瓦斯涌出来源主要为煤层瓦斯及采空区瓦斯。回采工作面瓦斯涌出量是矿井瓦斯涌出量的主要组成部分，其与煤层埋深及构造发育密切相关。

(2)唐山煤矿瓦斯涌出量随埋深增大而增大;瓦斯涌出量明显受构造控制，在大的构造附近瓦斯富集较多;同时瓦斯涌出量与现代地应力场存在非线性关系，其分布与最大主应力的分布状态大体一致。

(3)地质统计法预测结果拟合度高达0.8以上，规律性明显，绝对瓦斯涌出量随着埋深的增大而增大，变化梯度为1.35 m3/(min·hm);分源预测法预测结果显示，瓦斯涌出量随煤层瓦斯量增大而增大，并且明显呈正相关关系。

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