山阳煤矿1501面瓦斯赋存规律及控制因素分析

许满贵，曹艳军，张 鹏，张宏亮，徐经苍

(1.西安科技大学 能源学院，陕西 西安710054；2.陕西陕煤澄合矿业有限公司，陕西 澄城 715200)



山阳煤矿1501面瓦斯赋存规律及控制因素分析

许满贵1，曹艳军1，张 鹏2，张宏亮2，徐经苍2

(1.西安科技大学 能源学院，陕西 西安710054；2.陕西陕煤澄合矿业有限公司，陕西 澄城 715200)

为了查明山阳煤矿1501面的瓦斯赋存规律及其控制因素，采用瓦斯含量直接测定法井下实测了1501面瓦斯含量，利用实测数据结合相关资料绘制了1501面瓦斯含量等值线图，并结合实际情况得出了1501面“Ⅰ区域高，Ⅱ区域低，皮带巷一侧高，轨道巷一侧低”的瓦斯赋存规律。在此基础上，研究分析地质因素对1501面的瓦斯赋存控制作用，得出煤层厚度和水文地质条件是影响1501面瓦斯赋存差异的主要控制因素。研究结论可以对1501面回采期间瓦斯治理提供理论指导。

山阳煤矿；赋存规律；地质因素；控制因素

0 引 言

瓦斯是一种地质成因的气体地质体，其生成、运移、赋存和富集都受极其复杂的地质演化作用控制[1]。瓦斯赋存规律受多种因素影响，不同矿井的成煤环境和煤层赋存条件差异引起瓦斯赋存规律也不同[2]。瓦斯是中国煤矿生产安全事故的“头号杀手”，煤矿瓦斯事故灾害频发的根本原因是未能真正掌握矿井井田范围内瓦斯赋存规律。针对具体矿井的瓦斯赋存规律开展研究，有助于煤矿企业有针对性地开展瓦斯防治工作，进而从源头上防止瓦斯事故的发生，实现矿井安全和高产高效。

山阳煤矿属于新建矿井，1501回采面为首采工作面，为了在矿井投产后对瓦斯防治采取有效措施，需要对其瓦斯赋存规律进行分析研究，保证矿井投产后的安全生产。

1 矿井及工作面概况

1.1 矿井概况

山阳煤矿位于陕西省渭北石炭—二叠纪煤田澄合矿区中深部。东西走向长约12.5 km，南北倾向宽约5.8 km，井田面积约72.9 km2.设计生产能力3.0 Mt/a，为瓦斯矿井。构造形态简单，是一走向近东西、向北倾斜锯波状起伏的单斜构造。产状平缓，倾角一般3°～8°，地质条件较好。矿井采用立井开拓方式，主采5#煤层，全部垮落法管理顶板。

1.2 工作面概况

1501面为山阳煤矿的首采工作面，走向长2 400 m，倾向长180 m.1501工作面主采5#煤层属较稳定煤层，煤层底板标高+275～+344 m，煤层厚度2.5～5.7 m，平均4.0 m，可采储量2.1 Mt.

图1 1501面煤层底板等高线图Fig.1 Coal-floor contour map of 1501 working face

图2 1501面瓦斯含量等值线图Fig.2 Gas content contour map of 1501 working face

从1501面煤层底板等高线图(图1)可以看出，煤层底板总体呈现西低东高的地理形态，在巷道掘进过程中分别在皮带巷和轨道巷揭露2条小断层F1，F2，断层参数见表1.同时，在掘进过程中发现煤层由西到东呈现逐渐变薄的趋势。

根据1501面实际煤层赋存情况以坐标37 415 800为分隔点把1501工作面划分为2个区域进行研究。37 415 000～37 415 800控制的区域为Ⅰ区，37 415 800到开切眼区域为Ⅱ区。区域划分有利于根据工作面瓦斯含量变化、涌出量变化而针对性地制定不同的瓦斯治理措施。

从图1中可以看出Ⅰ区标高较Ⅱ区低，标高最高最低处相差近56 m，即埋深相差56 m.

表1 1501工作面断层参数表

2 1501面瓦斯含量、压力分布规律

2.1 瓦斯含量分布规律

依据《煤层瓦斯含量井下直接测定方法》[3](GB/T23250-2009)且结合山阳煤矿实际情况在1501工作面皮带巷、轨道巷以及开切眼处测定了多组煤层瓦斯含量。运用煤层瓦斯含量测定结果可靠性分析原则，抛弃明显存在误差的点后，筛选出具有代表性的12组数据，见表2.

利用1501面实测瓦斯含量数据且结合相关资料，采用sufer 8.0软件和AutoCAD软件绘制了1501面瓦斯含量等值线图(图2)。图中瓦斯含量单位为m3/t.

从瓦斯等值线图2可以看出，瓦斯赋存具有明显的分区性，坐标37 415 000～37 415 800控制的Ⅰ区瓦斯含量明显较坐标37 415 800到开切眼控制的Ⅱ区高。井下实测数据显示1501面瓦斯含量为1.670 5～6.782 2 m3/t，Ⅰ区钻孔瓦斯含量1.930 2～6.782 2 m3/t，平均值为3.829 3 m3/t.Ⅱ区实测钻孔瓦斯含量1.670 5～2.684 2 m3/t，平均值为2.327 2 m3/t.Ⅰ区明显高于Ⅱ区。这一结论与绘制的瓦斯等值线图有良好的契合度。除此之外，从图2中可以看出，1501工作面皮带巷一侧瓦斯含量比轨道巷一侧高，这与巷道掘进期间瓦斯涌出情况相一致。

综上所述，山阳煤矿1501面瓦斯赋存呈现明显的分区特性，即Ⅰ区原煤瓦斯含量高，Ⅱ区低；皮带巷一侧高，轨道巷一侧低。

表2 1501面煤层瓦斯含量测定结果

2.2 瓦斯压力分布规律

(1)

式中 W为煤层瓦斯含量，m3/t；p为煤层绝对瓦斯压力，MPa；a，b为瓦斯吸附常数,a=17.366 0m3/t，b=1.507 2MPa-1；Mad为煤中水分含量，%，Mad=0.66；Aad为煤中灰分含量，%，Aad=34.58；k为煤的孔隙率，k=0.098；γ为煤的容重，t/m3,γ=1.485.计算结果见表2.依据计算结果同时结合相关资料绘制出1501工作面瓦斯压力等值线图(图3)。图中瓦斯压力单位为MPa.

图3 1501面瓦斯压力等值线图Fig.3 Gas pressure contour map of 1501 working face

从图3中可以看出，1501面瓦斯压力值在0.08～0.40MPa，Ⅰ区瓦斯压力较大，特别是Ⅰ区靠近皮带巷一侧煤层瓦斯压力达到0.4MPa，而Ⅱ区煤层瓦斯压力最大值为0.12MPa.由此可见2个区域瓦斯压力具有明显差异。这与图2瓦斯含量等值线图整体上具有一致性，说明瓦斯含量高的位置瓦斯压力也高。

3 瓦斯赋存规律的控制因素分析

3.1 地质构造对瓦斯赋存的影响

地质构造控制煤的形成与富集，也控制着瓦斯的赋存[5]。地质构造既可改变煤层瓦斯赋存形态及煤体结构，又可改变围岩透气性能[6]。1501面地质构造简单，掘进期间没有发现大的断层，仅在Ⅱ区皮带巷和轨道巷揭露2条小型正断层F1，F2，落差分别为0.8和2.5m，对回采影响较小，对瓦斯赋存也影响有限。总体上1501面地质构造对于瓦斯赋存影响不大。

3.2 煤层埋深对瓦斯赋存的影响

煤层埋深是控制瓦斯的重要因素，它是地表与煤层顶板之间的垂直距离。在一定的深度范围内，煤层中瓦斯含量随埋藏深度的增加而增大。在地形起伏较大地区，瓦斯含量与覆盖层的厚度密切相关[7]。依据测定数据利用回归分析法确定出瓦斯含量与埋深的关系，得到煤层瓦斯含量随埋藏深度的变化趋势如图4所示。

图4 瓦斯含量与煤层埋深关系图Fig.4 Relationship between gas content and coal seam depth

W=0.029 2x-10.009.

(2)

式中 x为煤层埋藏深度，m.从图4可以看出，瓦斯含量与煤层埋深成正相关关系，即随着埋藏深度增加瓦斯含量增大但拟合度(相关性)很差，相关性系数R2=0.146 6.其原因主要是山阳煤矿5#煤层处于瓦斯风化带内。国内外大量实验结果表明，在甲烷带内，瓦斯含量随煤层埋深的增加而增加，绝大多数呈线性增加。而在瓦斯风化带中，二者之间线性关系较差，但总体趋势还是瓦斯含量随煤层埋深增加而增大。

3.3 煤层厚度对瓦斯赋存的影响

煤层是含煤岩系中具有较多孔隙的有机岩层，对瓦斯有较强的吸附能力，煤层厚度是影响瓦斯含量的重要因素之一。

煤层厚度越大，对瓦斯的吸附能力越大，储集的瓦斯量也越大[8]。随着煤层厚度增加，成煤时期生成的瓦斯量增多。而且煤层越厚，瓦斯的储存空间越大，瓦斯含量越高。回归分析测点数据得出煤层厚度和瓦斯含量的具体关系如图5所示。

W=1.897 8x-3.758 8.

(3)

式中 x为煤层厚度，m.从图5可以看出，瓦斯含量与煤层厚度有较好的相关性，相关性系数R2=0.637 2，由此说明煤层厚度对1501面瓦斯赋存规律有很大的影响。

图5 瓦斯含量与煤层厚度关系图Fig.5 Relationship between gas content and coal seam thickness

3.4 顶底板岩性对瓦斯赋存的影响

含煤地层的岩性组合及其透气性对煤层瓦斯含量有重大影响[9]，煤层围岩条件决定煤层顶板岩性及透气性，其好坏直接影响瓦斯赋存量的大小。山阳煤矿主采5#煤，该煤层位于二叠纪山西组下段，顶板为二叠系下石盒子组，以灰绿、灰、深灰色粉砂岩、砂质泥岩为主。底板为石英系太原组，岩性主要由石英砂岩、粉岩、碳酸岩和煤层组成。

5#煤层顶板以粉砂岩和砂质泥岩为主，透气性较好，封闭性差，不利于瓦斯的储存。底板大部分由粉砂岩组成，透气性也比较高，也不利于瓦斯的储存，这种顶底板特性决定了1501面煤层瓦斯含量整体偏低的格局。

3.5 水文地质条件对瓦斯赋存的影响

水文地质特征是影响瓦斯赋存的另一个重要因素[10]。瓦斯主要以吸附状态赋存于煤孔隙中，地下水通过地层压力对瓦斯吸附聚集起控制作用，这种控制作用既可导致瓦斯(煤层气)散逸，又能起到保存聚集瓦斯的作用[11]。尽管瓦斯溶于水的程度不高，但地下水在漫长的地质年代可以带走数量可观的瓦斯。由于地下水的溶蚀作用，还会带走大量的矿物质，导致煤层天然卸压，地应力降低会引起煤层及围岩透气性增大，从而加强了煤层瓦斯的流失[12]。

1501工作面轨道巷有一个较大的出水点，初期涌水量160m3/h，目前稳定在130m3/h左右。皮带巷有2个较大的出水点，涌水量共计45m3/h左右。分析认为3个出水点均为掘进破坏5#煤底板后，导致K2灰岩水涌入工作面。由于地下水的运移，一方面驱动着裂隙和孔隙中的瓦斯运移，另一方面又带动了溶解于水中的瓦斯一起流动[12]，这种特殊的水文地质条件使得1501面瓦斯含量整体偏低，且轨道巷一侧涌水量为皮带巷涌水量的2.9倍，实测钻孔瓦斯含量轨道巷一侧整体明显低于皮带巷。这也与瓦斯等值线图所揭示的赋存规律高度吻合，说明水文条件对1501面瓦斯赋存规律有很大影响。总之，地下水活动使得山阳煤矿1501面呈现出“水大瓦斯小，水小瓦斯大”的特征。

4 结 论

1)通过井下直接测定煤层瓦斯含量得出1501面瓦斯含量1.670 5～6.782 2m3/t，且用间接法测定出1501面的瓦斯压力0.08～0.40MPa.利用测定数据绘制的瓦斯等值线图和压力等值线图很好地呈现了1501面瓦斯赋存及压力分布特征；

2)1501面的瓦斯赋存表现为“Ⅰ区域高，Ⅱ区域低，皮带巷一侧高，轨道巷一侧低”的赋存规律。在1501回采时应注意Ⅰ区域及皮带巷一侧的瓦斯涌出情况，加强这一区域的瓦斯治理，保证矿井安全生产；

3)综合分析了地质因素对1501面瓦斯含量的控制作用，得出影响1501瓦斯规律的主要控制因素为煤层厚度和水文地质条件。地质构造、埋深以及围岩特性对瓦斯赋存有一定影响，但影响不大。

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Gas occurrence regularity and controlling factors of 1501 working face in Shanyang coal mine

XU Man-gui1，CAO Yan-jun1，ZHANG Peng2，ZHANG Hong-liang2，XU Jing-cang2

(1.CollegeofEnergyScienceandEngineering,Xi’anUniversityofScienceandTechnology,Xi’an710054,China；2.ShaanxiChengheMiningCo.，Ltd.，Chengcheng715200，China)

To find out the gas occurrence regularity and its controlling factors of 1501 working face in Shanyang coal mine，the gas-content direct mensuration is adopted to measure the gas content of 1501 working face.We draw the gas content contour map of 1501 working face based on the measured and related data.Combined with actual situation，we obtain the gas occurrence regularity of 1501 working face which is“Ⅰregion is high and Ⅱ region is low，the side of belt lane is high and the side of track lane is low”.By analysing the geological factors’control action of gas occurrence on 1501 working face，it is concluded that the thickness of the coal seam and the hydro-geological conditions are the main controlling factors that influence the gas occurrence differences of 1501 working face.The conclusions of the study can provide theoretical guidance for gas control during the mining period of 1501 working face.

Shanyang coal mine；occurrence regularity；geological factors；controlling factors

10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2016.0604

1672-9315(2016)06-0782-05

2016-06-12 责任编辑：杨泉林

许满贵(1972-)，男，陕西宝鸡人，教授，E-mail：1911551709@qq.com

TD 712

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