嘉禾矿业公司蒲溪井瓦斯地质规律分析

文湖南省安全技术中心 李润涛

嘉禾矿业公司蒲溪井瓦斯地质规律分析

瓦斯是在成煤过程中形成的，是从煤层、围岩、采空区以及生产过程中产生的各种气体的总称。它的形成与成煤过程和成煤物质有着密切的联系，而成煤作用本身就是各种地质作用的综合结果，因此，瓦斯是地质作用的产物，瓦斯的赋存和运移受各种地质因素影响。准确掌握瓦斯地质规律，能够为合理进行矿井通风设计、煤层气资源开发利用和瓦斯综合治理提供科学依据，有效指导矿井生产。本文以嘉禾矿业公司蒲溪井为例，运用板块构造理论和区域构造演化理论，研究地质构造对矿井瓦斯赋存的影响，根据实际生产中所积累的瓦斯和地质资料，研究矿井瓦斯分布规律和瓦斯涌出规律，根据瓦斯分布特征，更有针对性制订瓦斯治理及施工措施。

嘉禾矿业有限公司浦溪井（简称浦溪井，下同）为一严重煤与瓦斯突出矿井，自投产以来，全矿井共发生煤与瓦斯突出事故105次，突出类型以压出和倾出为主。最大一次突出，突出煤量为430t 、涌出瓦斯量为46000m3。随着开采深度增加，突出频率和突出强度都在不断加大。矿方虽然进行了大量的区域瓦斯防治工作，但从未开展过矿井区域瓦斯地质规律的研究。目前，矿井已进入深部的二水平开拓，瓦斯问题日益严重，要做到瓦斯抽采有的放矢，保证安全生产，就必须搞清楚瓦斯地质规律主控因素及地质规律。

矿井瓦斯地质规律的影响因素

1.断层、褶皱构造对瓦斯赋存的影响

地质构造是影响瓦斯存储最重要条件之一，封闭型地质构造有利于封存瓦斯，开放型地质构造有利于排放瓦斯，现分述如下。

（1）褶皱构造

闭合而完整的背斜或窟窿又覆盖不透气的地层是良好的储瓦斯构造，在其轴部煤层内往往积存高压瓦斯，形成“气顶”。在倾伏背斜的轴部，通常也比相同埋深的翼部瓦斯含量高。但是当背斜轴的顶部岩层为透气岩层或因张力形成连通地面的裂隙时，瓦斯会大量流失，轴部瓦斯含量反而比翼部小；向斜构造一般轴部的瓦斯含量比翼部高，这是因为轴部岩层受到强力挤压、围岩的透气性会变得更低，因此有利于在向斜的轴部地区封存较多的瓦斯。受构造影响形成煤层局部变厚也会出现瓦斯富集现象。此外，由两条封闭性断层与致密岩层封闭的地垒或地堑构造也容易致使聚集。

根据地勘资料，蒲溪井褶皱多发育于煤系地层中，出露频繁幅度较大，伸延较长，对煤层赋存和煤层产状均有一定的影响。从矿井构造分布图上得到，现有矿井范围内主要存在青石下背斜和下满堂向斜。青石下背斜出露井田北部，长约2.5公里，轴向近南北，两翼基本对称，倾角25～40°，脊线常有起伏，褶皱幅度60～80米，往南至34线附近倾没。青石下背斜轴部区域瓦斯易于聚集和保存，瓦斯含量会相对增大。下满堂向斜位于井田北部，由黄牛岭井田伸延，出露长约2公里，轴向呈南北向，北部略向东偏，两翼对称，倾角24～35°，褶皱幅度约40～80米，往北倾没，往南在34线附件仰起而消失。下满堂向斜区域易于瓦斯逸散，瓦斯含量偏低。

（2）断层构造

断层对煤层瓦斯含量的影响比较复杂，一方面要看断层带的封闭性；另一方面还要看与煤层接触的对盘岩层的透气性。开放性断层（一般是张性、张扭性或导水断层）一般有利于瓦斯释放。封闭性断层（一般是压性、压扭性、不导水、现在仍受挤压处于封闭的断层）而且与煤层接触的对盘岩层透气性低时，可以阻止煤层瓦斯的排放，在这种条件下，煤层瓦斯较易富集。由于断层集中应力带的影响，距断层一定距离的岩层与煤层的透气性因受挤压而降低，故出现瓦斯含量增高区。根据地勘钻孔资料显示，井田断裂不甚发育，已发现落差大于30米的断裂8条，主要分布于井田两份及南部。但在现有实际矿井范围内主要只有F63扭性正断层：出露井田东翼中部，伸延约2公里，走向北偏西20°，倾向南西，倾角70°，落差东部较大达100米，往西变小至50～30米。在该断层带上，瓦斯逸散，瓦斯含量值偏低。

（3）陷落柱

瓦斯主要为热成煤生成的烃（主要是甲烷），其大部分已运移出去，仅少部分通过范德华力被吸附在煤层基质微孔隙内表面，吸附量随压力增大而增大，随温度增高而减少。陷落柱在未发生之前，是一个相对比较封闭的系统，瓦斯随地下水循环扩散到外部空间的趋势受到限制。陷落柱发生之后，瓦斯的封闭条件遭到破坏，破坏了煤储层的内、外边界条件，使瓦斯的纵向运移条件变好，而且易造成煤中灰分和水分增大，使煤对瓦斯的吸附能力变弱，赋存条件变差，从而造成局部瓦斯含量降低。陷落柱周围煤层裂隙发育，原始煤体的瓦斯加强解吸，由于陷落柱形成过程中，使陷落柱周围的煤、岩层因柱体向下塌陷，周围产生大量的张性节理，从而有利于煤层瓦斯向外运移排放。尤其当塌陷到地表，或产生与地表连通的裂隙，可造成煤层瓦斯与大气的相互交换。同时，陷落柱的产生使地层压力降低，吸附在煤层基质微孔隙内表面的气很容易解吸，即造成陷落柱内及其周围的瓦斯解吸。在局部地质构造单元内，陷落柱发育状况成为煤层瓦斯含量最主要的控制因素。井田内陷落柱不发育，对煤层瓦斯含量影响不大。

2.顶板岩性对瓦斯赋存的影响

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。为探讨蒲溪井V煤层围岩对瓦斯含量的影响，统计钻孔柱状图中煤层顶底板泥岩厚度资料，绘制了煤层顶板泥岩厚度等值线图，并回归了其与瓦斯含量的关系（图1）。

图1 瓦斯含量与顶板围岩厚度回归趋势线

由图1，随着顶板泥岩厚度的增加，瓦斯含量有呈增加的趋势，但规律性很差。

3.煤厚对瓦斯赋存的影响

煤层是瓦斯的主要储集层，通常情况下，煤层厚度是影响瓦斯含量和瓦斯涌出量的重要因素。为了研究煤厚对瓦斯的影响，统计了蒲溪井钻孔煤厚资料，并绘制V煤层厚度等值线。结合瓦斯含量资料，回归分析了瓦斯含量与煤厚的关系（图2）。

图2 瓦斯含量与煤层厚度回归趋势线

回归方程：y=0.4962x+10.105 （R2=0.5917）

其中： y——瓦斯含量

x——煤层厚度

R——相关系数

从图2及回归方程可以看出，瓦斯含量有随煤层厚度增加而增大的趋势，但相关性一般。

4.煤层埋深对瓦斯赋存的影响

煤层埋藏深度是决定煤层瓦斯含量大小的主要因素。煤层的埋藏深度越深，煤层中的瓦斯向地表运移的距离就越长，散失就越困难；同时，深度的增加也使煤层在地应力作用下降低了透气性，有利于保存瓦斯；由于煤层瓦斯压力增大，煤的吸附瓦斯量增加，也使煤层瓦斯含量增大。在甲烷带内，在不受地质构造影响的区域，当深度不大时，煤层的瓦斯含量随深度呈线性增加。

由于蒲溪井地形比较复杂，地势起伏不平，最高点和最低点最大相差很大，研究煤层底板标高和实际埋深对瓦斯含量的影响将有区别，因此分别讨论。

通过绘制煤层埋深等值线，并筛选、统计了瓦斯含量与对应煤层埋藏深度及底板标高数据，然后进行线性回归，分别得到趋势线图3、图4。

图3 瓦斯含量与煤层埋深回归趋势线

回归方程：y=0.0374x—1.6972（R2=0.2229）

其中： y——瓦斯含量

x——煤层埋深

R——相关系数

从回归方程可以看出，瓦斯含量随煤层埋深增加而增大，相关性较差。瓦斯含量梯度为3.74m3/t/100m。

图4 瓦斯含量与煤层底板标高回归趋势线

回归方程：y=-0.0808x+4.5379（R2=0.9338）

其中： y——瓦斯含量

x——底板等高线

R——相关系数

从回归方程可以看出，瓦斯含量随煤层底板标高减小而增大，且相关性较好。瓦斯含量梯度为8.08m3/ t/100m。

煤与瓦斯突出主导因素分析

结合前述结论不难看出，矿井历史绝大部分煤与瓦斯突出均发生在煤厚急剧变化的地方。下面给出煤厚等值线与突出多发区域对照图5（红色线条范围内为突出集中区域）。

图5 煤厚等值线与突出区域对照图

在研究区域构造演化和构造控制特征的基础上，分析了褶曲、顶底板岩性、煤厚、煤层埋深对井田瓦斯赋存的影响，并得到煤厚及煤层埋藏深度（煤层底板标高）是控制瓦斯含量的主导因素，地质构造是煤与瓦斯突出的主控因素。

目前，蒲溪井已经开始对二水平深部区域进行开拓部署，随着开采深度的增加，煤层瓦斯含量也随之增大；该范围内V煤煤厚变化急剧，故属于煤与瓦斯突出多发地带；另煤厚和瓦斯含量之间也存在一定的规律性，即瓦斯含量随煤厚增加而增大，故该范围内局部煤厚急剧增厚区域瓦斯含量也会急剧增大。总之，在进入深部开采之后，瓦斯问题势必更加严峻。建议在对二水平深部煤层进行开采之前，要加强瓦斯抽采力度，规范瓦斯抽采管理；开采过程中，严格执行两个“四位一体”防突措施，并做好安全防护措施，保证安全生产。□