基于划分瓦斯地质单元的瓦斯赋存规律研究

王玉怀，余 博，索 航

(1．华北科技学院，北京 东燕郊 101601；2.河北省矿井灾害防治重点实验室，北京 东燕郊 101601)

0 引言

平顶山天安煤业股份有限公司十三矿(以下简称十三矿)位于平顶山市东北19km，井田西北起兴国寺正断层，东南止于沟李封正断层，面积53.6 km2。设计生产能力为1.80 Mt/a，设计服务年限74.6年。目前有三个采区生产，即己一采区、己二下延和己三采区。己四采区处于开拓阶段，为接续采区。

十三矿在2002 年3 月、2008 年1 月、2010 年6 月共发生三次煤与瓦斯突出事故，突出煤量分别为196 t、594 t、1133 t。随着矿井开采深度和开采强度的逐渐增大，安全问题特别是煤与瓦斯突出问题将越来越影响和制约十三矿的生产。为此，根据瓦斯地质相关理论，并结合井田地质勘探和生产揭露的瓦斯地质资料，分析了十三矿的瓦斯赋存规律。

1 地质概况

十三矿井田在区域上处于平顶山煤田李口向斜和襄郏背斜的公共翼上，东南边界为北东向的沟李正断层，北东侧边界为紧靠襄郏断层的煤层露头，西部端部为北西向的兴国寺正断层(图1)。地层总体走向北西，为305°～340°，倾向南西，为215°～250°，倾角10°～35°。

由于井田北东边界接近于襄郏背斜轴部，其主体上受襄郏背斜构造的影响更为重要。接近襄郏背斜的井田西北部构造较为简单，为一向南西方向倾斜的单斜构造。东部灵武山向斜和白石山背斜是襄郏背斜与李口向斜公共翼部的次级向斜和背斜，其形成使区域构造复杂化。大型褶皱翼部次级褶皱的形成是区域强烈挤压的结果，也与复杂的顺煤层剪切有着必然的联系。由于顺煤断层的形成，在次级向斜轴部和翼部形成大范围的构造煤层，导致区域性瓦斯突出灾害的发生。

图1 十三矿井田构造纲要图

2 矿井瓦斯地质单元划分

本文开展了瓦斯地质历史的研究，综合分析构造特征、岩浆岩侵入和顶板岩性等因素后[1]，确定了以侯村正断层、紫云寺正断层为界，将十三矿井田划分为东、西两个瓦斯地质单元。

(1)构造特征。井田北东边界接近于襄郏背斜轴部，其主体上受襄郏背斜构造的影响更为重要。接近襄郏背斜的井田西北部构造较为简单，为南西方向倾斜的单斜构造。由于在南西倾向的单斜构造上发育了灵武山向斜和白石山背斜，其中并发育有垂直于灵武向斜的次一级褶皱构造，造成井田东南部以灵武向斜为中心的较为复杂构造区。

(2)岩浆岩侵入。十三矿东部的己一采区和己三采区均发育有呈NEE向展布的带状基性岩浆岩侵入体，使得一采区西翼11040 采面风巷至11081机巷都有天然焦发育，并伴随有火成岩侵入，侵入长度为610 m，几乎竖跨整个采区西翼；在三采区西翼13041采面风机巷及中下部的13081风巷地段有天然焦发育。采掘实践证明，整个己三采区西翼都有天然焦分布，范围不规则。西部没有发现火成岩入侵现象。

(3)顶板岩性。煤层围岩的透气性好坏，直接影响着煤层瓦斯的赋存、运移或富集，透气性好的砂岩顶板，有利于煤层瓦斯的逸散，煤层瓦斯含量相对较低，透气性差的泥岩、砂质泥岩顶板，对煤层瓦斯的逸散起阻碍作用，含量则相对较高[ 2]。从十三矿顶板泥岩和砂岩的厚度分布来看，东部和西部的厚度变化较为明显，泥岩厚度由东向西逐渐降低，砂岩厚度由东向西逐渐升高。

3 矿井瓦斯赋存规律及控制因素

由于矿井地质条件具有复杂性，所以在同一井田内，即使同一煤层的瓦斯含量也往往会有较大变化。煤层某一位置的瓦斯含量，是由该位置的多种地质因素综合影响决定的。但它们的影响程度是不一样的，通过对十三矿瓦斯地质规律的研究可知，影响十三矿二1煤层瓦斯含量和分布规律的地质因素主要有煤层埋藏深度、地质构造、煤层厚度和煤层顶板岩性等[3-6]。

(1)煤层埋藏深度

图2是依据煤层实测瓦斯含量和煤层埋深所做的相关关系散点图。由图可知，在十三矿井田范围内，自瓦斯风化带以下，到埋藏深度700 m以上，瓦斯含量与煤层埋藏深度总体上呈线性正相关关系。

图2 十三矿瓦斯含量与煤层埋藏深度关系图

经过回归分析，十三矿煤层瓦斯含量与煤层埋深有以下的变化规律：

在东地质单元中，相关系数R2达到0.7989，百米含量梯度达到3.02 m3/t。在西地质单元中，相关系数R2达到0.7898，百米含量梯度达到1.61 m3/t。

由以上分析可知，在十三矿井田范围内，煤层埋藏深度对瓦斯含量的影响较大，瓦斯含量随着煤层埋深的增加而逐渐增大；且在相同埋深的情况下，东地质单元内的瓦斯含量普遍要比西地质单元的瓦斯含量高，百米瓦斯梯度也较西地质单元的要高。究其原因，主要是煤层埋藏深度的增加不仅会因地应力增高而使煤层和围岩的透气性降低，同时瓦斯向地表运移的距离也增大，两者的变化都有利于瓦斯的封存，而不利于瓦斯的逸散，从而造成了深部的瓦斯含量比浅部的高，即瓦斯梯度规律[7]。

(2)地质构造

边界的大型断层会使井田瓦斯含量整体增大。井田西北部为单斜构造，东南部浅部为褶皱构造，深部发育有灵武山向斜、白石山背斜，而呈波状起伏，同时两者均伴随有大量断层发生，且以正断层为主。

井田边界断层中兴国寺正断层走向300°，倾向30°，倾角77°，落差20～60 m，全长约5100 m，为井田北西部边界断层。沟李封正断层走向235°，倾向325°，倾角52°，落差40～90 m，全长约5000 m，为井田南东部边界断层。以上2条边界断层均为封闭性断层，研究表明: 井田边界为压性断层的封闭型构造组合时，通常会使煤层瓦斯含量较高[8-9]。由于十三矿井田边界断层的存在，致使整个矿井处于封闭的情况下，瓦斯受到阻拦而不易逸散，导致井田整体上瓦斯含量较大。

(3)煤层厚度

煤层本身是生气层又是储气层，其厚度变化对瓦斯赋存也有一定影响[10]。在十三矿井田东部区域，煤层处于合并状态，厚度整体较大，局部煤厚达到6 m以上；中西部的煤层则处于分层状态。东部厚煤带的存在，也会造成东部瓦斯含量相对较高。

(4)煤层顶板岩性

孔隙与裂隙发育的砂岩、砾岩和灰岩的透气系数非常大，一般比致密而裂隙不发育的页岩、泥岩等岩石透气系数高出千倍以上[11]，所以顶板岩性对瓦斯的赋存也有较大的影响。十三矿二1煤层顶板以砂质泥岩和细中粒砂岩为主，但区域上分布变化较大，泥岩厚度由东向西逐渐降低，砂岩厚度由东向西逐渐升高，这也是造成矿井瓦斯含量整体上东高西低的一个重要原因。

4 结论

(1)依据构造特征、岩浆侵入、煤层变质、顶板岩性、煤层分层与合并、地热特征等因素，将十三矿井田划分了东、西两个地质单元。

(2)总体上来看，十三矿瓦斯含量自二1煤层露头随着煤层埋深的增大而逐渐增高。同一埋深，矿井东部煤层瓦斯含量较西部大，而且瓦斯含量递增梯度也大，这一变化规律十分明显。

(3)地质构造、围岩透气性、埋藏深度、煤层厚度、煤层变质特征是影响十三矿瓦斯赋存及含量分布的主要因素，边界的大型封闭性断层造成井田含量整体较大，而小断层、顶板岩性、厚煤带的存在以及煤层变质特征是造成井田局部瓦斯富集的重要因素。

(4)由于瓦斯赋存分布不均衡，所以建议矿井在开采断层影响区域内的煤层时，加强瓦斯含量测定工作和煤与瓦斯突出预测工作，以确保安全生产。

[1] 曹运兴．瓦斯地质单元法预测瓦斯突出的认识基础与实践[J]．煤炭学报，1995，20(增刊)：76-78．

[2] 林柏泉, 崔恒信. 矿井瓦斯防治理论与技[M]. 徐州: 中国矿业大学出版社, 1998.

[3] 张小东，卢耀东，王利丽．古汉山井田煤层气赋存特征[J]．河南理工大学学报：自然科学版，2007，26(1)：27-30．

[4] 张铁岗．矿井瓦斯综合治理技术[M]．北京：煤炭工业出版社，2001．

[5] 中国矿业学院瓦斯组．煤和瓦斯突出的防治[M]．北京：煤炭工业出版社，1979．

[6] 吴观茂，吴文金，黄明，等．影响煤层瓦斯赋存规律的多地质因素回归分析研究[J]．煤炭工程，2007，11：79-82．

[7] 俞启香. 矿井瓦斯防治[M]. 徐州: 中国矿业大学出版社, 1992.

[8] 焦作矿业学院. 瓦斯地质概论[M]. 北京: 煤炭工业出版社, 1990.

[9] 周世宁, 林柏泉. 煤层瓦斯赋存与流动理论[M]. 北京: 煤炭工业出版社, 1999.

[10] 张子敏. 瓦斯地质学[M]. 徐州: 中国矿业大学出版社, 2008.

[11] 张子敏，林又玲，吕绍林.中国煤层瓦斯分布特征[M].北京:煤炭工业出版社, 1998.