邱集煤矿东八采区瓦斯赋存特征分析

文/赵仁乐

瓦斯是煤矿生产过程中与煤伴生的有害气体，既威胁煤矿安全生产，又容易影响环境。对赋存于煤层中并具有一定储量的瓦斯进行抽采，不仅可以获得安全效益，而且能够获得经济效益。一般情况下，地质构造、煤层厚度、煤层埋深、煤层围岩、水动力条件、岩浆岩等都会影响煤层瓦斯的赋存。

基于此，为了掌握邱集煤矿东八采区的瓦斯赋存特征，以便进行有效治理，技术人员测试了该采区的各项瓦斯参数，分析了其指示意义，计算了该采区的瓦斯储量，探讨了该采区煤层瓦斯赋存特征的影响因素。结果表明：邱集煤矿东八采区煤层瓦斯放散初速度大，煤体结构破碎，瓦斯含量与压力中等、渗流能力高，煤层吸附能力一般，适合应用瓦斯抽采方法治理该采区的瓦斯；该采区瓦斯储量约5.858×106m3；影响瓦斯赋存的主要地质因素为断层、煤

层顶底板岩性和埋藏深度。

通过上述对邱集煤矿东八采区瓦斯赋存特征的系统分析和探究，为矿井瓦斯安全风险防控提供了理论指导和实践借鉴。

一、矿井地质概况

1.地质构造

邱集煤矿的大地构造位置为华北板块（Ⅰ级）鲁西地块（Ⅱ级）鲁中隆块（Ⅲ级）泰山-沂山隆起（Ⅳ）东阿-齐河潜凸（Ⅴ级）。井田整体为向北平缓倾斜的单斜构造，地层走向50°，北西倾向，倾角一般5°～8°，南侧为泰山凸起，出露太古代变质岩及古生代地层，在井田内出现新生代沉积，保留隐伏煤系地层，成为黄河煤田，期间发育小规模褶皱，构造复杂程度中等。

2.煤层与瓦斯

邱集煤矿为全隐蔽式井田，全部被第四系覆盖，井田地层自下而上依次为奥陶纪马家沟组，石炭-二叠纪月门沟群本溪组、太原组、山西组，二叠纪石盒子组、新近系和第四系（图1）。主要含煤地层为山西组和太原组，平均总厚度为249.27m。可采煤层为7、10、11、13四层，均赋存于太原组，煤层平均厚度9.19m，可采煤层的含煤系数为3.9%。其中，7、10两个上部煤层平均厚度之和为2.13 m，占可采煤层总厚度的23.2%，因此为本井田先期开采的煤层。

东八采区主采煤层为7煤。本区7煤层位于上石炭统太原组中上部，厚约45m，该层段含煤3层（5、6、7层煤），以砂岩、泥岩为主，夹粉细砂岩互层、灰岩及煤层，所含煤层除7煤可采外，其余均不可采。7煤为黑色，块状、粒状、粉状伴生，块状煤体具玻璃光泽，以亮煤为主，次为暗煤，夹少量镜煤条带，以条带状结构和层状结构为主，局部含黄铁矿结核，煤层局部夹矸一层，偶见两层。

二、瓦斯参数及分析

1.瓦斯参数

技术人员研究测定了邱集煤矿东八采区的瓦斯放散初速度、煤的坚固性系数、透气性系数、煤层瓦斯含量、瓦斯压力、吸附常数等（表1）。除煤层瓦斯压力、煤层瓦斯含量井下直接解吸部分的测定在井下现场进行外，其余参数测定均在中国矿业大学煤矿瓦斯治理工程研究中心检验检测实验室内完成。22.05m2·MPa-2·d-1，均高于 10m2·MPa-2·d-1，属于容易抽采的煤层，室内渗透率测试显示该采区煤层渗透率在4mD以上，渗流能力较高，利于瓦斯抽采及治理。

测定结果显示，采区煤的吸附常数a值为17.79 m3/t，b值为 0.71MPa-1。 从吸附常数 a、b值来看，煤层的吸附能力一般。

3.瓦斯储量

储量计算单元的边界，最好由查明的各类地质边界，如断层、地层变化（变薄、尖灭、剥蚀、变质等）、含气量下限、煤层净厚下限（0.5～0.8m）等边界确定；若未查明地质边界，主要由达到产量下限值的瓦斯井圈定，由于各种原因也可由矿权区边界、自然地理边界或人为储量计算线等圈定。采区储量计算边界和区块位置见图2，南以7煤底板标高-620m和7煤的沉积缺失边界为界，北、东以矿区边界为界。

表1 采区瓦斯参数

图2 东八采区煤层底板等高线及瓦斯储量计算区块图

2.瓦斯参数指示意义

采区瓦斯放散初速度较大，介于14.00～16.00m3·min-1，增加了割煤瞬间瓦斯的管控难度。采区煤的坚固性系数介于0.44～0.59，表明该采区煤层的煤体结构较为破碎，与该区7煤块状、粒状、粉状相伴生的煤体结构相吻合。采区煤层瓦斯含量为5.08m3/t，瓦斯压力为0.54MPa，煤层瓦斯含量与压力中等。

煤层透气性表征煤层对瓦斯流动的阻力，反映瓦斯沿煤层流动的难易程度，通常用透气性系数来衡量。煤层透气性系数是评价煤层瓦斯能否实行预抽的基本参数。其物理意义是：在1m长煤体上，当压力平方差为1MPa2时，通过1m2煤层断面，每昼夜流过的瓦斯量 （m3）。采区实测煤层透气性系数为14.84～应用体积法计算煤层瓦斯的储量，计算公式为：

式中：W1—可采煤层瓦斯储量m3；

A—煤层含气面积，取 51.25×104m2；

H—煤层真厚度，取1.4m；

D—煤的容重，取1.34t/m3；

C—瓦斯含量，取5.08m3/t；

计算得W1=48.82×105m3

式中：W—瓦斯地质储量，m3；

K—兼顾邻近层及围岩的瓦斯储量，取0.20；

计算得 W=5.86×106m3。

三、瓦斯赋存影响因素

1.断层

断层破坏了地层的连续性，改变了瓦斯的保存与逸散环境。一般而言，压性或压扭性断层利于瓦斯保存，张性断层利于瓦斯逸散。此外，小断层发育的密集程度在一定程度上影响煤层的瓦斯含量，小断层越密集，构造应力越大，煤体结构破坏越严重，裂隙越发育，煤层中吸附态的瓦斯易向游离态转化，导致小断层发育区瓦斯含量较小，而瓦斯涌出量却较大。矿区内发育有两组较大断层，以北东～北北东向断层为主，近东西向断层次之，主要为张性正断层，由于据东八采区较远，对该采区瓦斯含量影响不大；但是，矿井经过井筒、大巷等开拓工程，以及采区工作面，共揭露100余条小断层，落差大都在5m左右，平均652条/km2，且有部分断层就处于该采区的边界部位（图2），表明该采区所处的构造应力较大，瓦斯含量较小而涌出量可能很大。

2.顶底板岩性

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，煤层围岩条件影响煤层顶底板岩性及透气性，其好坏直接影响瓦斯赋存量的大小。东八采区7煤位于太原组中上部，老顶主要为粉、细砂岩，厚度6.06m，直接顶为泥岩，厚度2.26m，直接底为粘土岩，老底为中砂岩。该采区煤层直接顶为泥岩且较厚，隔气性较好，利于煤层对瓦斯的保存；直接底为粘土岩，也有利于瓦斯的保存。因此，该采区煤层顶底板非常有利于煤层对瓦斯的保存。

3.埋藏深度

埋藏深度与瓦斯赋存特征存在较大关系。随着煤层埋藏加深，地应力增加，煤层中的瓦斯逐渐由游离态转变为吸附态，不利于瓦斯的逸散；同时，煤的变质程度增强，瓦斯生成量增加。在瓦斯风化带以深，瓦斯含量随埋藏深度的增大而增加。地形起伏较大地区，瓦斯含量与覆盖层的厚度关系密切。邱集矿7煤在二阶段底板标高为-480m～-560m时为气煤、肥煤，到了三阶段底板为-620m～-670m后，变为1/3焦煤，煤的变质程度增强。东八采区7煤主要位于三阶段，说明埋深对该采区瓦斯的生成与保存有较大影响。

四、结论

1.邱集煤矿东八采区瓦斯放散初速度介于14.00～16.00m3·min-1，煤的坚固性系数介于 0.44 ～0.59，煤层瓦斯含量5.077m3/t，瓦斯压力为0.54MPa，实测煤层透气性系数为 14.84 ～22.05m2·MPa-2·d-1；具有煤层瓦斯放散初速度大、煤体结构破碎、瓦斯含量与压力中等、吸附能力一般、渗流能力高的特点，利于瓦斯抽采方法治理。

2.根据地质、矿权区、自然地理等边界划定采区的瓦斯储量计算单元，应用体积法计算得该采区的瓦斯地质储量约为5.86×106m3。

3.根据瓦斯地质的相关理论和采区所在位置的地质情况分析，影响该区煤层瓦斯赋存的主要地质因素为断层、煤层顶底板岩性和埋藏深度等。