葛亭煤矿瓦斯赋存相关因素分析及应用

勇朋林 韩乔羽

（山东科技大学地球科学与工程学院，山东 青岛 266590）

鲁西地区局部含煤区构造复杂，直接影响到了煤矿瓦斯地质预测。葛亭矿井位于济宁煤田的西北部，该区瓦斯较低，通过对该矿的瓦斯地质条件进行分析，解析影响瓦斯散布的关键因素，并对矿井瓦斯含量与绝对涌出量加以预测，将会对葛亭煤矿（尤其是低瓦斯矿井）的瓦斯地质特征研究与瓦斯涌出量预测做出巨大贡献。葛亭煤矿中新生代断层较为发育，为近南北向正断层（图1）。在南北两侧东西向构造带的影响下，区内仍有东西向断层；还有较少数量高差较小、展布较短的北西向断层。

1 影响瓦斯赋存的主要因素

1.1 断层特征对瓦斯赋存的影响

断层会毁坏煤层的绵延性与完好性，改变瓦斯的赋存与散逸条件。断层会对瓦斯的排放产生便利，但也有的会成为阻碍瓦斯排放的屏障，瓦斯赋存规律是邻近断层瓦斯绝对涌出量较低，偏离断层与之相反。

图1 井田主控断层分布及区块划分

向斜盆地区域中，当煤层顶板有较好的阻挡环境时，会对瓦斯在垂直地层方向上的扩散有一定阻力，多数瓦斯想要流往地面只可沿着两侧，但是盆地边沿地带，假使含煤地层有较大部分暴露在外，那么瓦斯的排放将会相当便利。葛亭煤矿是近南北方向向斜褶曲的井田，且两边底板的埋深较浅，中心低，但因向斜两翼的风氧化带过多，使瓦斯散逸严重。其轴部因挤压，使瓦斯散逸受阻，但因后期较为复杂的构造，以及被北东向、南北向及近东西向三向断层割裂，且除了F3和F29断层外，主要是张性断层，使其形态不完整，从而对瓦斯的赋存产生重大影响，并加剧了瓦斯散逸。

1.2 煤层埋深变化对瓦斯赋存的影响

在相同地质构造与相似地质环境下，煤层埋藏深度与瓦斯赋存之间有相关性。研究表明，葛亭煤矿在瓦斯风化带之上，煤层埋藏深度与瓦斯含量呈正相关。葛亭煤矿属构造复杂区，复杂的构造是控制瓦斯赋存的主要因素，大的南北向构造将矿区分割六个构造单元，采区设计也是以构造单元来划分，在进行煤层埋深与瓦斯研究时，应进行不同地质构造单元划分，并进一步研究煤层埋藏深度对瓦斯赋存的影响。此外，上覆基岩的厚度同样会对瓦斯赋存产生影响，基岩厚不利于瓦斯逸散，反之亦然。

2 瓦斯涌出量异常分析

2.1 F35、F37、F43断层带东侧回采工作面的瓦斯涌出量特征

（1）远离断层F29属构造中等的区块瓦斯涌出量分析

对井田东部F35、F37、F43东侧瓦斯涌出量进行了分析归纳，构造程度属中等，透气性一般，南北向断层较为发育，构造煤不发育。对比往年回采工作面瓦斯涌出量，并对其数据进行回归分析，可得知瓦斯涌出量与埋深成正相关，瓦斯涌出量梯度是 0.006m3/(min·m)，见图 2。

（2）靠近断层F29属构造中等区块瓦斯涌出量分析

靠近F29断层区局部出现了瓦斯异常，本次统计了4个工作面在靠近F29断层处瓦斯涌出量的相关特征。靠近F29断层，构造情况相对复杂，瓦斯绝对涌出量偏大，最高达到了1.60m3/min，对靠近该断层几个工作面点的数据进行回归分析，发现靠近断层区，瓦斯绝对涌出量与标高呈正相关，瓦斯涌出量梯度较前者增大，为0.01m3/(min·m)，回归标高时仍然取正数，与前者对比发现，虽然靠近F29断层处瓦斯绝对涌出量增大，但是其仍与底板标高有一定关系，这说明瓦斯涌出量受构造和底板标高共同控制。研究其偏大原因是该断层可能属于封闭性断层，形成了局部的瓦斯富集带，从而造成了断层周围瓦斯绝对涌出量增大，见图3。

图2 F35、F37、F43断层带东侧远离断层属构造中等的瓦斯涌出量与标高关系

2.2 F6与F35、F37、F43断层带回采工作面的瓦斯涌出量特征

（1）靠近DF35工作面的瓦斯涌出量特征

该地质单元位于靠近DF35处，共有3个工作面，即GT209、GT211、GT213，统计其数据进行回归分析，发现其绝对瓦斯涌出量与标高呈正相关关系，瓦斯涌出量梯度是0.007m3/(min·m)，见图4，因该断层属开放性断层，对瓦斯赋存有一定的阻力，所以该区瓦斯涌出量偏低。

图4 F6与 F35、F37、F43断层带工作面瓦斯涌出量特征

（2）远离DF35处的GT203和GT201工作面的瓦斯涌出量特征

该地质单元位于靠近北部火成岩侵入地区，通过线性回归分析发现，煤层与标高呈线性关系，回归梯度是0.005m3/(min·m)，回归标高用正数，说明该区瓦斯涌出量和标高呈正相关。该区瓦斯含量总体偏低，都在0.5m3/min以下，主要是由于断层活动是瓦斯散逸而造成的，见图5。

图5 远离DF35处的GT203和GT201工作面瓦斯涌出量特征

2.3 F4与F6断层之间回采工作面的瓦斯涌出量特征

F4与F6之间的断层区域，构造程度属简单，透气性不好，北部受到火成岩影响，主要有GT221和GT219共两个采区，主要位于靠近F6断层地区。对比往年回采工作面的瓦斯涌出量，并对数据进行回归分析，得知瓦斯涌出量和埋深成正相关，瓦斯涌出量梯度是0.002m3/(min·m)，回归标高用正数，瓦斯的涌出量整体偏低，在0.5m3/min以下，皆因F6断层导致瓦斯大量散逸，见图6。

图6 GT221和GT219工作面瓦斯涌出量分析

2.4 F2与F3断层之间回采工作面的瓦斯涌出量特征

F2与F3断层之间有四个回采工作面，该区地质构造简单，小断层发育少，构造煤不发育。

瓦斯涌出量最高的主要集中在GT102工作面东部地区，主要是是由于该区位于整个向斜肘部，且封闭性较好，因此，瓦斯赋存条件较好。对比往年回采工作面的瓦斯涌出量，并对其数据进行回归分析，瓦斯涌出量梯度是0.783m3/(min·m)，回归标高用正数（图7），可得知瓦斯涌出量与埋深成正相关。

3 瓦斯涌出量对断层发育情况的影响

根据瓦斯涌出量分析发现，该区瓦斯绝对涌出量较低，普遍低于1m3/min，属于低瓦斯矿井，但是根据全区瓦斯涌出量分布规律，研究发现，该矿瓦斯涌出量出现几个异常区：第一，靠近F29断层两侧的GT202工作面西侧，出现了局部瓦斯涌出量超过1m3/min，以及靠近F29断层的GT212工作面东侧，局部瓦斯涌出量超过1m3/min，最高达到了1.6m3/min；第二，靠近F3断层西侧的GT103工作面和GT102工作面，局部瓦斯涌出量超过1m3/min，属于瓦斯异常区，由于该矿主要受到构造控制，其不同区块瓦斯赋存特征控制机制中构造成为主导因素，且根据历年来水文地质方面的研究发现，这2个断层导水性差，封闭性较好，因此，推测这两个异常区可能受到了断层的控制，这两个断层为封闭性断层。

通过历年的瓦斯涌出量数据分析，全区瓦斯涌出量受到构造控制，东区构造较复杂，瓦斯涌出量分区复杂，西区构造较简单，瓦斯涌出量规律较简单，南部构造复杂，北部构造简单，岩浆侵入程度北部最强，根据构造复杂程度、埋藏深度以及距离火成岩远近，本文将矿井划分5个区块，每个区块进行瓦斯涌出量数据分析，并绘制出瓦斯含量分布与断层关系，分析结果发现，在不同区块中，当构造复杂程度相差不多时，瓦斯涌出量与煤层埋深呈正相关，如在F29断层周边瓦斯涌出量偏高，主要是由于断层性质决定，全区除了F29和F3断层为封闭性断层外，其他断层都为开放性断层。

图7 F2与F3断层之间回采工作面瓦斯涌出量回归分析

4 结论

（1）葛亭煤矿属低瓦斯矿井，在研究中逐渐发现了瓦斯涌出异常的现象，并利用瓦斯赋存规律反过来研究与预测断层发育规律，发现瓦斯绝对涌出量较低处，靠近断层，断层较发育，而瓦斯较高处远离断层，断层较不发育。研究表明，在低瓦斯煤矿可以利用瓦斯涌出量预测断层发育规律，这对低瓦斯矿井瓦斯地质研究具有实际价值。

（2）本文统计了矿井内瓦斯绝对涌出量的分布，运用数理统计方法分析了不同构造块段回采工作面的瓦斯涌出规律，得出影响瓦斯赋存的关键因素为开采深度与断层特征（封闭或开放），通过对瓦斯异常现象深入剖析，发现：靠近F3和F29断层附近为瓦斯绝对涌出量较高地区，说明F29和F3断层为封闭性断层。