新景矿3#煤层瓦斯赋存规律分析*

蒲 阳

(1.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室；2.中煤科工集团重庆研究院有限公司)

新景矿3#煤层瓦斯赋存规律分析*

蒲 阳1,2

(1.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室；2.中煤科工集团重庆研究院有限公司)

从煤的变质程度、埋藏深度、地质构造、煤厚及顶底板条件等主要影响因素入手，对新景矿3#煤层瓦斯赋存规律进行了分析，发现煤体变质程度是影响瓦斯赋存水平的内在原因，埋藏深度控制着煤层瓦斯赋存整体水平，地质构造主要影响局部瓦斯赋存。结论对于矿井瓦斯治理具有一定的指导意义。

瓦斯含量 瓦斯赋存 变质程度 埋藏深度 地质构造

新景矿位于山西省阳泉市西北部，矿井始建于1990年，2008年核定生产能力为750万t/a。3#煤层为主采煤层，该煤层自建井至今共发生突(喷)出200余次，经煤炭科学研究总院抚顺分院鉴定为突出煤层，在新景矿现有的防突技术条件下，要使防突工作有所突破，必须对煤层瓦斯赋存规律进行深入分析，使得瓦斯防治工作更具针对性与目的性。

1 煤的变质程度对瓦斯赋存的影响

首先，煤的变质程度决定了原始瓦斯生成量的大小。根据前苏联学者光茨洛夫的研究成果：古代植物每变质生成1 t褐煤可产生68 m3甲烷，长烟煤168 m3甲烷，气煤212 m3甲烷，肥煤229 m3甲烷，焦煤270 m3甲烷，直到无烟煤产生419 m3甲烷[1]，可见煤的变质程度越高，煤层原始瓦斯生成量越高，尽管绝大部分原始瓦斯已经在漫长的成煤年代中逸散进入围岩或大气中，但在同样的瓦斯赋存条件下，原始瓦斯生成量从根本上决定了煤层总体瓦斯含量的大小。其次，煤的变质程度决定煤体本身对瓦斯吸附能力的大小。煤的变质程度越高，煤体内部因干馏作用而产生微孔隙越多，而煤对瓦斯的储集能力与煤的孔隙密切相关，孔体积和比表面积越大，煤储集气的能力越强[2]。新景矿3#煤层为变质程度较高的无烟煤，从理论上讲，煤体本身应具有较高的瓦斯含量与较强的瓦斯吸附能力。

由新景矿地勘成果来看，现有的31组地勘钻孔瓦斯含量值中有18组超过20 m3/t，其中3-148#钻孔瓦斯含量更是达到30.71 m3/t；由井下实测原始瓦斯含量值来看，近半年来3#煤层各主要掘进工作面区域预测瓦斯含量值普遍偏高，超过一半实测瓦斯含量值都大于临界值8 m3/t，最大值超过20 m3/t。

为了进一步验证3#煤层的瓦斯吸附能力，特在井下不同采区采集3份煤样，测定表征煤体瓦斯吸附能力大小的重要参数——吸附常数a，实验温度为30 ℃，测定仪器为HCA-1型高压容量法瓦斯吸附装置。测定结果显示，3#煤层吸附常数a为33.265 8～36.579 4 cm3/g，平均为34.825 3 cm3/g，吸附常数a偏大，说明3#煤层具有较强的瓦斯吸附能力。

综上所述，理论分析结果与现场实测及实验数据相互印证，说明煤的变质程度控制着3#煤层瓦斯含量整体水平，是决定煤层瓦斯赋存量大小的内在原因。

2 埋藏深度对瓦斯赋存的影响

煤层埋藏深度对瓦斯赋存造成最直接的影响，埋深的增加不仅因地应力增高而使煤层及围岩的透气性变差，而且瓦斯向地表运移的距离也增长，二者都有利于封存瓦斯[3-4]。新景矿井田范围内3#煤层无露头，煤层埋深均在300 m以上，大部分煤层埋深处于500～700 m，不存在煤层风化带和氧化带，图1为煤层埋藏深度与原始瓦斯含量的拟合关系。可以看出，两者呈高度正相关关系，表明埋藏深度对煤层瓦斯含量影响较大。

通过对3#煤层历年瓦斯突(喷)出事故进行数据统计分析，发现随着埋深的增加，瓦斯突(喷)出发生时的平均瓦斯涌出量和最大瓦斯涌出量随之增大(见图2)，而且，井下生产实践也表明，当采掘活动逐渐向煤层埋深较大的井田西部转移时，实测原始瓦斯含量也随之增大，瓦斯动力现象更加严重。由此更进一步说明埋藏深度控制着煤层瓦斯含量总体水平，当埋藏深度增大时，煤层瓦斯含量整体水平随之增大。

图1 3#煤层瓦斯含量与埋深关系

图2 历年突(喷)出瓦斯涌出量与埋深统计关系

3 地质构造对瓦斯赋存的影响

新景矿所属的阳泉矿区位于沁水盆地东北缘，太行隆起的中段西侧，受东部太行和北部五台的隆起影响，形成一个东北高而西南低、沿北西走向往南西倾斜的大单斜构造，新景井田位于该大单斜构造的西部，井田内次一级的褶曲构造比较发育，这些不同形态、不同组合的褶曲群构成了矿井构造的主体，

井田内大断层不太发育，大中型断层极少，绝大多数均属落差小于5 m的层间小断层，一般成群出现，均为在褶曲形成过程中由层间滑动生成的。此外，井田范围内陷落柱构造也比较发育，目前3#煤层已采区已揭露陷落柱70余个，平面形态多呈椭圆形或圆形，总体形态多呈群带状分布，群与群之间的间距一般多在800～1 000 m。

向斜轴部附近煤岩体由于受压应力作用，围岩及煤层透气性大大降低，阻止了瓦斯的逸散，所以较容易形成瓦斯积聚带。新景矿井田内断层多为褶曲形成过程中的伴生构造，属水平受压形成的封闭型断裂构造，水平构造应力使得断层周围煤体结构遭到严重破坏，煤层透气性降低，瓦斯运移通道受阻，造成大量瓦斯积聚。在陷落柱周围煤体内，可能存在应力集中带，有利于瓦斯的保存，也可能存在裂隙带，有利于瓦斯的逸散，必须根据矿井地质条件及采掘实践做具体分析。

从新景矿采掘工作面瓦斯监测数据来看，在向斜或断层影响范围内(一般不超过30 m)，瓦斯超限甚至喷出等动力现象频繁发生(见图3)；从历年瓦斯动力现象记录卡片来看，41.3%的突(喷)出事故地点受向斜或断层构造控制。以上2点现场实际情况均说明断层或向斜影响范围内，瓦斯赋存存在异常。而在陷落柱周围瓦斯涌出未见明显异常，实测瓦斯含量也未呈现持续偏高或是偏低的普遍现象，也未发生过其他瓦斯动力现象，虽未见异常，但为了安全起见，仍建议矿井在过陷落柱期间严格执行过构造或石门揭煤防突措施。

图3 地质构造对局部瓦斯赋存的影响

4 煤层厚度对瓦斯赋存的影响

瓦斯是成煤过程中的伴生气体，所以煤层厚度与瓦斯生成量的大小密切相关。在同一成煤条件下，煤层厚度越大，瓦斯生成量越多，而且，瓦斯向顶底板扩散路径越长，阻力越大。因此，煤层厚度越大，越有利于煤层瓦斯保存。3#煤层位于山西组中部，山西组为三角洲平原沉积[5]，这种长期稳定的沉积环境形成的3#煤层层位稳定，结构类型简单，煤层厚0.75～4.32 m，平均为2.33 m，倾角为5°～11°，局部地区煤层由于古河流冲刷变薄甚至尖灭，但影响范围不大，总体而言，煤层东部较厚，西北部较薄，由东南往西北方向有逐渐变薄之势，但由于煤层厚度变化幅度不大，还不足以对3#煤层整体瓦斯赋存造成显著影响。

5 顶底板条件对瓦斯赋存的影响

煤层顶底板条件对瓦斯赋存起着最为直接的作用，煤层顶底板岩性越致密，岩层透气性越低，则越有利于保存瓦斯气体。3#煤层为复合性顶板，主要由薄层的泥岩、砂质泥岩、中-粗粒砂岩组合而成，泥岩厚0.15～0.20 m，砂质泥岩厚3.2～7.2 m，平均为4.6 m，中—粗粒砂岩厚度较大，为4.4～11.2 m，平均为7.4 m；底板以砂质泥岩、泥岩为主。顶底板均含有透气性较差的岩层，但是厚度不大，因此，顶底板条件对阻止煤层瓦斯向周围岩体中扩散具有一定的作用，但不属于影响煤层瓦斯赋存的决定性因素。

由于古河道的冲刷作用，在3#煤层顶板形成了数量较多的冲刷带，主要分布在矿区的中部和南部地区，多呈NNE向和近南北向延伸条带，宽度由几十米到上百米，长度由几百米到上千米不等。冲刷带常造成煤层伪顶与直接顶消失，同时严重薄化煤层，引起煤层与瓦斯分布不均衡，破坏煤体结构，同时由于顶板岩性与受力状态的变化，极易在冲刷带及其周围区域形成瓦斯赋存异常带。根据井下生产实际情况，当采掘工作面靠近冲刷带时，容易出现瓦斯异常现象，如历年瓦斯喷出中有28次直接与冲刷带相关，沿冲刷带边缘布置的芦南二区北七切巷在掘进过程中实测瓦斯含量明显偏高，且在打钻过程中多次出现喷孔、卡钻等动力现象。

6 结 论

新景矿3#煤层变质程度较高，煤体本身具有较强的瓦斯生成能力与吸附能力，这是决定3#煤层整体瓦斯赋存水平偏高的内在原因；煤层埋藏深度控制整体瓦斯含量水平，随着埋深的增大，瓦斯含量呈线性增大趋势；断层、向斜构造以及冲刷带控制着局部瓦斯赋存，导致在局部地区形成瓦斯积聚带。根据瓦斯赋存规律，为了提高防突措施效果，新景矿应优先开采底部15#煤层，以形成对3#煤层的卸压保护作用，同时配合顶(底)板抽放措施，从根本上降低区域煤层瓦斯含量水平；在日常采掘作业中，应强化地质构造预测预报，发现异常立即确认并处理，过构造期间严格执行专项防突措施，确保工作面作业安全。

[1] 张劲松,刘文波,曲晓明,等.浅析阳泉矿区3#煤层落煤残存瓦斯含量与暴露时间的关系[J].煤矿安全,2008(10):86-88.

[2] 钟玲文,张 慧,员争荣，等.煤的比表面积孔体积及其对煤吸附能力的影响[J].煤田地质与勘探,2002,30(3):26-28.

[3] 俞启香.矿井瓦斯防治[M].徐州:中国矿业大学出版社,1992.

[4] 王恩营,任沁元.影响裴沟矿煤层瓦斯赋存规律的地质因素分析[J].煤,2010,19(3):5-7.

[5] 焦希颖,王 一.阳泉矿区含煤地层沉积环境及其对煤层厚度分布控制[J].岩相古地理,1999,19(3):30-39.

*“十二五”国家科技支撑计划项目(编号：2012BAK04B01)；中国煤炭科工集团有限公司科技创新基金项目(编号：2013ZD002)。

2014-08-13)

蒲 阳(1986—)，男，助理工程师，硕士，400037 重庆市沙坪坝区上桥三村55号。