天池煤矿15号煤瓦斯含量分布特征及主控因素分析

李德慧，李 兵，田庆玲，徐 云，张江华，杜立强

(1.煤与煤层气共采国家重点实验室，山西 晋城 048000；2.易安蓝焰煤与煤层气共采技术有限责任公司，山西 晋城 048000； 3.山西蓝焰煤层气集团有限责任公司，山西 晋城 048004；4.山西晋城无烟煤矿业集团有限责任公司，山西 晋城 048006)

煤层瓦斯含量既可用于煤与瓦斯突出危险性预测，又可作为井下瓦斯抽放防治的重要依据[1-2]。为此，众多学者从地质构造、埋深、顶底板岩性、水文地质条件等方面对瓦斯赋存进行了分析研究[3-7]。天池煤矿面积20.12km2，生产能力为1.2Mt/a，目前主采15号煤，该煤层瓦斯含量范围为3.06～16.61m3/t，变化范围较大，实际生产过程中煤与瓦斯突出问题时有发生，威胁矿井的安全生产，影响矿井的正常生产计划。摸清天池煤矿15号煤瓦斯含量分布特征及主控因素就显得十分必要。基于前人在瓦斯地质方面的研究经验，笔者以天池煤矿矿井地质报告、煤田地质勘探及井下钻孔取芯测试等资料为基础，对15号煤瓦斯含量分布特征进行了研究，并对影响15号煤瓦斯含量变化的主控因素进行了分析，以期对矿井的采掘衔接工作和开拓生产过程中的瓦斯治理提供参考。

1 地质背景

天池煤矿位于沁水盆地北部，矿区位于新华夏系构造体系第三隆起带中段的太行山隆褶带，与沁水拗陷接壤部位。天池煤矿地质构造较简单，地层总体呈走向北东，倾向北西的单斜构造，倾角平缓，一般在15°左右，无岩浆岩侵入体，发育有小的褶曲、断层及陷落柱，褶皱主要为与地层倾向近于平行的NW-NWW向宽缓褶皱。其次为与地层走向近于平行的NE-NNE向宽缓或膝状褶皱，目前15号煤为主采煤层，厚度介于0.45～7.60m之间，平均4.56m，埋深介于331.12～602.86m之间，主要为贫煤和无烟煤。

2 瓦斯含量分布特征

基于范围内的煤田地质勘探孔及井下钻孔取芯资料，统计后发现15号煤瓦斯含量变化较大。15号煤瓦斯成分中CH4(54.74%～90.33%)，其次为N2(8.29%～38.72%)，CO2最低，属氮气-甲烷带、甲烷带[8]。天池煤矿15号煤瓦斯含量整体呈现出的是北部高于南部，东部低于西部，矿井中部存在部分低值区。瓦斯含量整体上随着埋深增大而增大，但在构造发育区煤层瓦斯含量普遍较低。

3 瓦斯含量主控因素分析

3.1 构造作用

3.1.1 褶皱

研究天池煤矿地质构造(见图1)和天池煤矿瓦斯含量分布特征发现，中部瓦斯含量低值区的形成是受到了东远佛向斜、东远佛背斜和东远佛南向斜3条褶皱导致的，一般而言向斜轴部与向斜两翼相比瓦斯含量较高，而背斜两翼与背斜轴部相比瓦斯含量较高[9]，而向斜两翼和背斜轴部是瓦斯含量较低的区域，而中部的瓦斯含量低值区恰好位于这3条褶皱相互作用影响的范围内，最终形成了井田中部瓦斯含量的低值区。

图1 天池煤矿地质构造纲要

3.1.2 断层影响

地质勘探资料显示井田内既有封闭性断层，也有开放性断层。封闭性断层对瓦斯逸散起阻挡作用，成为逸散的屏障，最为明显的是补4井，该井虽处于断层附近(见图1)，但根据取芯数据显示其瓦斯含量为最高。而开放性断层易造成瓦斯的纵向逸散，如补1井和补5井均在断层带上(见图1)，导致该区域内的瓦斯发生逸散，所以其测试值偏低[10]。

3.1.3 陷落柱影响

陷落柱对瓦斯的赋存亦取决于其封闭性[11]，天池煤矿内陷落柱发育，根据报告显示矿区内目前已查明的陷落柱共计38个，且均对15号煤层造成了破坏。陷落柱对15号煤的破坏会直接导致该煤层内瓦斯在纵向上发生运移，与含水层相导通的陷落柱具有一定的导水性[12]，受其影响还可能造成周围15号煤中灰分和水分增加，导致吨煤瓦斯含量的降低，最终形成陷落柱附近瓦斯含量偏低。根据图1所示，已探明的38个陷落柱主要发育在天池煤矿的南部和中北部，受其影响，瓦斯含量明显偏低。

3.2 埋深影响

通常认为在瓦斯风化带以下，同一煤层随埋深增加，瓦斯含量相应增大，天池煤矿15号煤层埋深介于331.12～602.86m之间，整个矿区自东向西煤层埋深增加，自南向北煤层埋深增加。

基于范围内的煤田地质勘探孔、井下钻孔取芯资料的数据统计，将天池煤矿15号煤埋深与瓦斯含量进行线性回归分析，绘制埋深与瓦斯含量间的相关关系图(图2)，发现天池煤矿15号煤埋深与瓦斯含量的相关性仅为0.0179。根据天池煤矿瓦斯含量分布特征，分析认为地质构造影响了矿井内埋深对瓦斯含量的整体分布规律，最终导致整个图2显示15号煤埋深与瓦斯含量的相关性差。对井下钻孔取芯数据进行筛选，将断层和陷落柱附近(200m以内)钻孔取芯数据剔除，即将井下不受断层和陷落柱影响的区域内的钻孔取芯数据与埋深进行线性回归，绘制了埋深与井下瓦斯含量间的相关关系图(图3)，对比发现15号煤埋深与瓦斯含量的相关性达到了0.7659，说明天池煤矿15号煤瓦斯含量随埋深增加而增大，且呈现较好的相关性，也表明15号煤瓦斯含量受断层和陷落柱的影响较大，会引起该区域内出现瓦斯含量异常区，瓦斯含量的高低由其封闭特性决定。

图2 15号煤埋深与瓦斯含量

图3 不受断层和陷落柱影响的15号煤埋深与瓦斯含量关系

3.3 顶底板岩性

煤层顶底板岩石性质直接影响着瓦斯的赋存，致密且裂隙不发育的岩石阻碍了煤层瓦斯的逸散，瓦斯容易成藏，反之，瓦斯则易于逸散。煤层顶板多为泥岩类型，局部为砂岩和粉砂岩。根据煤顶板岩性分布图(图4)可以看出封闭性能好的泥岩主要分布在天池煤矿北部和南部的中段，而天池煤矿中西部和南部为砂岩类型，中东部为粉砂岩，将图4和图1相结合发现瓦斯含量高的北部地区无论从埋深、顶板岩性及地质构造方面均有利于煤层中瓦斯的赋存，而南部由于埋深浅且顶板岩性为砂岩，地质构造发育，造成了天池煤矿南部瓦斯含量较低，而中部由于褶皱、顶板岩性和埋深的关系，同样造成了天池煤矿中部瓦斯含量偏低。

图4 煤顶板岩性分布

天池煤矿15号煤底板多为灰色铝质泥岩，局部为泥岩或砂质泥岩，厚度0.70～6.84m，平均3.98m，阻止了瓦斯的逸散，对煤层中瓦斯赋存有利。

3.4 水文地质条件

水文地质对煤层瓦斯的控制可概括为水力运移逸散、水力封闭和水力封堵3种，其中水力运移逸散最终会形成瓦斯含量偏低，水力封闭和水力封堵则有利于瓦斯保存成藏[13]，天池煤矿15号煤层至奥陶系顶面之间以泥质岩类为主，平均厚度24.20m，对奥灰水起阻隔作用。内石炭、二叠系含水层之间以泥质岩类为主，厚度大且稳定，阻隔了各个含水层之间的水力联系，为另一隔水层。这两个隔水层在纵向上阻隔了15号煤纵向的瓦斯运移逸散。

矿井内石炭-地层在矿区东部出露于地表，接受地表水和大气降水的补给，矿井内地层总体呈走向北东，倾向北西的单斜构造，倾角平缓，一般为15°，因此矿井的北西向易形成承压水区，西北部有利于形成承压水封闭的煤层气藏，而地下水补给的流向阻止了煤瓦斯沿含水层向东部的逸散。

太原组石灰岩岩溶裂隙主要含水层为K2，K3，K4井层石灰岩，其平均厚度分别为5.97m，2.91m，3.37m。钻探钻至该层段后，冲洗液消耗量增大，如410号孔达5m3/h，412号孔达5m3/h，415号孔全漏，405号孔在K3-K2段水位变化达31m，图1中405号孔、410号孔、412号孔、415号孔附近均有陷落柱发育，而在矿区内无陷落柱发育的区域在勘探过程中对该含水层段作抽水试验，渗透系数为0.0113m/d，含水性并不大，综上分析认为该含水层含水性不均一，根据图1、图4及15号煤瓦斯含量分布特征研究发现，虽然区域内地质构造部位的15号煤瓦斯含量低，但并未形成较大的瓦斯含量低值区，分析原因在于含水层的渗透性很低，最终导致即使在陷落柱及开放性断层附近也未出现大范围的瓦斯逸散，分析认为天池煤矿水文地质条件对瓦斯含量的影响较小。

4 结 论

(1)天池煤矿15号煤瓦斯含量整体呈现为北高南低，西高东低的特点，矿区中部存在瓦斯含量的低值区。

(2)对于封闭性断层导致的补4井附近出现瓦斯含量偏高的情况，井下开拓采掘过程中须针对已探明的封闭性地质构造采取提前预判预抽措施，以防煤与瓦斯突出，影响正常的生产计划。

(3)埋深、地质构造、顶底板岩性及水文地质条件共同决定了天池煤矿15号煤瓦斯含量的高低分布特征。陷落柱、顶底板岩性和水文地质条件的共同作用下会造成15号煤瓦斯逸散，最终造成瓦斯含量偏低，但分析认为水文地质条件对瓦斯含量的影响有限。