新集二矿瓦斯赋存规律研究

裴文洲

(中煤新集能源股份有限公司新集二矿，安徽省淮南市，232181)

瓦斯是煤层在地质演变过程中形成的伴生物，在煤层采掘过程中，煤层瓦斯含量的大小及其分布情况影响着采掘工作面瓦斯涌出，煤层瓦斯赋存规律是矿井制定瓦斯治理措施的基础。本文在整理新集二矿瓦斯地质资料和测试主要可采煤层基础参数基础上，分析不同因素对煤层瓦斯含量的影响，并采用回归法分析了煤层埋深与瓦斯含量的关系式，通过分源预测法反演了主要可采煤层的瓦斯含量，为矿井瓦斯治理提供了基础依据。

1 矿井概况

新集二矿位于安徽省凤台县城西约12 km处，东与新集三矿井田接壤，西与新集一矿毗邻。矿井改扩建后生产能力为300 万t/a，矿井开采的煤层具有自然发火倾向性，属Ⅱ级易自燃煤层，自然发火期3～6个月。煤尘具有爆炸性，爆炸指数为35.47%～44.3%。矿井2003年升级为煤与瓦斯突出矿井，2016年全矿最大绝对瓦斯涌出量为61.71 m3/min，相对瓦斯涌出量为11.70 m3/t。新集二矿井田含煤地层为石炭系和二叠系。石炭系太原组含煤5～7层，发育差，无工业价值。二叠系含煤地层的山西组和上、下石盒子组有可采煤层13-1#、11-2#、11-1#、9上#、9#、8#、7-2#、6-1上#、6-1#、5-2#、4-2#、1上#和1#共13层煤，其中主要可采煤层5层，分别为13-1#、11-2#、8#、6-1#和1#煤层，其主要地质特征如表1所示。

表1 新集二矿主要可采煤层地质特征表

2 煤层瓦斯基础参数

通过煤层取样，采用实验室DGC型瓦斯含量直接测定装置、HCA型高压容量法瓦斯吸附装置、MJC煤的坚固性系数测定装置、WT-1瓦斯放散初速度自动测定仪及MAC-2000全自动工业分析仪对主要可采煤层瓦斯基础参数进行测试，结果如表2所示。

表2 主要可采煤层瓦斯基础参数

3 瓦斯赋存规律研究

3.1 断层对瓦斯赋存的影响

井田内均为高角度正断层，断层带在自然状态下结构致密，当与非含水层对接时，多呈封闭状态，具有一定的隔水性；与弱含水层对接时，含水性不强，仍为致密和相对封闭状态；当与中强含水层对接时，断层处于即含水又导水状态。其中F10正断层位于井田中深部，横贯全井田，倾角较大，落差90～400 m，往东落差逐渐变小。井田由横贯全井田的F10断层组从南向北划分为两个块段。

(1)南部。井田南部煤层从南到北埋深逐渐增大，8#煤层底板标高-400～-1000 m。井田南部由于受阜凤逆冲断层影响，煤层瓦斯在地史时期已有部分逸散，往北局部地区虽然发育有小落差断层，但对煤层瓦斯含量影响不太明显。

(2)北部。块段北部以F10断层为界，此断层横穿全井田，走向近东西，落差90～400 m，对井田内各主采煤层均影响较大。受F10、F20断层影响，井田北部块段先上升后下降，上覆基岩厚度较大，基本无煤层露头。靠近F10、F20断层组，瓦斯逸散条件较好，其余煤层埋藏较深具有良好的瓦斯赋存条件。

总体上来讲，仅南部在阜凤逆冲断层、北部在F10断层组的影响下，瓦斯逸散条件较好外，其余地段均具有良好的瓦斯赋存条件。

3.2 顶板岩性对瓦斯赋存的影响

煤层顶板岩性是指与煤层直接接触的伪顶或直接顶岩性。上覆50 m砂岩比是统计煤层以上50 m岩层段内砂岩厚度所占的比例，表示该段岩层的组合特征，可反映煤层瓦斯运移、逸散的难易程度。顶板岩性和砂岩比都是影响瓦斯纵向运移、逸散的重要因素。

新集二矿煤层顶板有泥岩、炭质泥岩、砂质泥岩、细砂岩或粉砂岩，在横向上变化较大。8#煤层顶板主要是泥岩或砂质泥岩，且50 m砂岩比相比其他煤层小，在横向上变化不大，造成8#煤层瓦斯涌出量较同一标高其他煤层大。11-2#煤层在04勘探线以西顶板主要是细砂岩、中砂岩、石英砂岩，04线以东顶板主要是泥岩或砂质泥岩。6-1#煤层06线以东为砂岩顶板，其余以泥岩或炭质泥岩为直接顶板。而13-1#煤层顶板为泥岩或砂质泥岩。绘制8#和6-1#煤层50 m砂岩比与瓦斯涌出量关系，如图1和图2所示，可知砂岩比对8#和6-1#煤层瓦斯的赋存影响较大。

图1 8#煤层50 m砂岩比与瓦斯涌出量关系图

图2 6-1#煤层50 m砂岩比与瓦斯涌出量关系图

3.3 煤层上覆岩层厚度对瓦斯赋存的影响

顶板基岩厚度是指研究煤层上覆除冲积层之外的所有地层厚度。当地面标高变化不大时，研究煤层底板标高也能较好地表征顶板基岩厚度。一般而言，随着煤层上覆基岩厚度的增大，煤层承受的静压力增大，不仅使瓦斯的纵向和横向运移条件变差，而且使煤对瓦斯的吸附能力增强，赋存条件变好。但若上覆基岩厚度较小，且与地表有连通的断层和裂隙，造成煤层瓦斯与大气的相互交换，瓦斯的纵向和横向运移又是明显的。所以，煤层上覆基岩厚度或煤层埋藏深度的变化，往往是影响煤层瓦斯赋存的主要地质因素。由上所述，新集二矿地面标高差别不大，但由于阜凤逆冲断层的影响，上覆基岩由石千峰组、三叠系下统、上下第三系、外来系组成。其中三叠系与下第三系之间被不整合接触面分隔，代表了较长时间的沉积间断，四段岩层岩性和厚度也有大的差异，是造成井田煤层瓦斯分布不均衡的主要原因。

研究表明，新集二矿井田内的上覆基岩厚度有明显的差异，致使各研究煤层上覆基岩厚度对煤层瓦斯的赋存影响明显。一般呈现为随着顶板基岩厚度的增加，煤层瓦斯赋存条件变好。此因素在8#煤层和6-1#煤层中影响均比较明显，8#煤层和6-1#煤层基岩厚度与瓦斯涌出量关系如图3和图4所示。

图3 8#煤层基岩厚度与瓦斯涌出量关系图

图4 6-1#煤层基岩厚度与瓦斯涌出量关系图

3.4 煤层埋深对瓦斯赋存的影响

(1)8#煤层瓦斯含量分布。8#煤层瓦斯含量与埋藏深度散点关系如图5所示。经回归分析，瓦斯含量具有随埋藏深度增加而增大的整体趋势，两者之间线性相关性为0.8652。井田中部煤层，尽管埋藏深度比较大，但受F02、F10断层及伴生小断层的相互切割影响，煤层瓦斯具有较好的逸散条件，相对其他地点同深度的瓦斯含量降低，瓦斯含量的变化会比较明显。

(2)13-1#煤层瓦斯含量分布。13-1#煤层瓦斯含量与埋藏深度散点关系如图6所示。13-1#煤层处在CH4带内，因此相比其他煤层瓦斯含量值较高。经回归分析，瓦斯含量呈现随埋藏深度增加而增大的整体趋势，两者之间线性相关性为0.6211。

图5 8#煤层瓦斯含量与埋深关系散点图

图6 13-1#煤层瓦斯含量分布散点图

(3) 6-1#煤层瓦斯含量分布。6-1#煤层瓦斯含量与埋藏深度散点关系如图7所示。瓦斯风化带深度在-450～-500 m之间，因此从散点图中可以看出6-1#煤层瓦斯含量波动较大。瓦斯含量与埋藏深度的线性相关系数为0.4282，但是从整体上来看，瓦斯含量具有随埋藏深度增加而增大趋势。

图7 6-1#煤层瓦斯含量分布散点图

(4)11-2#煤层瓦斯含量分布。11-2#煤层有4个地勘瓦斯含量测值，且全部分布在-500 m浅区域，甲烷成份均低于80%，处于瓦斯风化带内，瓦斯含量波动比较大、分布规律不明显。井下实测结果表明已揭露区域瓦斯含量较小。因可利用的瓦斯含量点较少，为了分析11-2#煤层瓦斯含量分布规律，采用分源预测法，根据已采工作面瓦斯涌出量反演煤层瓦斯含量，结果如表3所示。

表3 11-2#煤层瓦斯涌出量反推瓦斯含量

根据对瓦斯含量地勘测值、井下测值和反演值的分析，绘制11-2#煤层瓦斯含量分布散点如图8所示。井田南部处于瓦斯风化带，受阜凤逆冲断层的影响，其瓦斯风化带深度在-400～-450 m。井田中深部，受F10、F11、F20断层的影响，瓦斯逸散条件较好。相比其他煤层，11-2#煤层瓦斯含量相对其他煤层明显偏小，但煤层瓦斯含量随埋藏深度增加而呈总体增大趋势，线性相关性为0.6787。

图 8 11-2#煤层瓦斯含量分布散点图

4 结论

新集二矿于2003年鉴定为突出矿井，主要可采煤层瓦斯含量均相对较大。井田内断层对煤层瓦斯含量具有控制作用。煤层顶板岩性的不同对煤层瓦斯密封性的影响，是导致煤层瓦斯含量大小差异的一个主要原因，且砂岩比对8#煤层和6-1#煤层瓦斯的赋存影响较大。煤层瓦斯含量总体上与煤层埋藏深度呈线性相关，煤层瓦斯含量随着深度的增加有增大的趋势。井田内煤层上覆基岩厚度差异明显，一般呈现为随着顶板基岩厚度的增加，煤层瓦斯赋存条件变好，瓦斯含量较大。

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