下沟煤矿4煤瓦斯地质赋存及涌出量影响因素分析*

王 伟，蔺亚兵，2，赵雪娇，2，张永生

(1．陕西煤田地质勘查研究院有限公司，陕西西安 710021;2．国土资源部煤炭资源勘查与综合利用重点实验室，陕西西安 710021)

0 引言

煤层瓦斯是一种地质体，是煤演化作用的产物，生于煤层，储存于煤层及其围岩中［1］。矿井瓦斯突出与瓦斯爆炸是煤矿五大自然灾害之一，严重威胁着井下人员的生命和财产安全［2］。下沟煤矿位于陕西省彬州市境内，属生产矿井，批准生产规模为3 Mt/a。2009—2014年瓦斯等级鉴定结果为瓦斯矿井，2015年和2016年连续两年均为高瓦斯矿井。随着煤矿生产不断推进和瓦斯等级的提高，加强矿井瓦斯地质特征及涌出量影响因素分析对于指导煤矿安全生产具有十分重要的意义。

1 地质概况

彬长矿区位于鄂尔多斯盆地南部渭北挠摺带北缘，矿区地表为大面积黄土覆盖，基岩仅在较大的河谷两侧有少量出露，构造为走向N50°～70°E，倾向NW～NNW的单斜构造，其间发育有方向单一的宽缓褶曲构造，主要由4个背斜和2个向斜区构成，自南向北依次排列为:彬县背斜、大佛寺向斜区、路家～小灵台背斜、董家庄背斜、孟村向斜区、七里铺～西坡背斜。下沟煤矿位于彬长矿区东南部大佛寺向斜东端南翼，南靠彬县背斜，为北倾或北西倾斜的单斜构造，北部位于大佛寺向斜轴部，倾角0°～3°，中南部倾角5°～8°。

矿井内大部分被第四系黄土及新近系红土覆盖，在泾河沿岸较大沟谷内出露有白垩系下统洛河组、华池组地层。区内地层由老至新依次有:中生界三叠系上统胡家村组，侏罗系下统富县组，中统延安组、直罗组、安定组，白垩系下统宜君组、洛河组、华池组，新生界新近系、第四系。

下沟煤矿的含煤地层为中下侏罗统延安组地层，共分为上、中、下3个含煤段，共有可采煤层4层，分别为 4上－1、4上－2、4上、4 煤，主采 4 煤。4上－1、4上－2、4上煤仅在矿区的西部局部可采且煤层稳定性较差，钻孔控制程度低，含煤面积可信度较低。4煤位于延安组下含煤段的中部，距延安组含煤地层底部1．48～14．13 m，煤层大致呈东西走向，向北倾斜，倾角 0°～18°，中北部倾角较小，一般 0°～8°，南部倾角较大，一般 15°～18°。4煤煤厚 10．70～18.50 m，平均16．10 m，为巨厚煤层，全区可采，煤层结构复杂。

2 瓦斯地质特征

煤层瓦斯赋存特征受控于地质条件，瓦斯分布具有明显的分区分带性［3-4］。根据瓦斯分带标准，下沟煤矿瓦斯分带主要以CO2～N2带为主，矿井西南部为N2～CH4带，西部靠近大佛寺煤矿区域为甲烷带，其瓦斯分带如图1所示。分带特征基本反映了瓦斯成分、瓦斯含量、煤层埋藏深度及煤层顶板岩性之间关系密切，区内构造简单，地层产状平缓，对瓦斯的排放和保存不会产生显著影响。

图1 下沟煤矿瓦斯分带图

在采煤工作面对4煤层的瓦斯含量、瓦斯压力、衰减系数、吸附常数等基础参数进行了测定，瓦斯含气量测试结果见表1，结果表明:4煤瓦斯含量为2.065 ～5．046 mL/g·daf，煤层瓦斯含量较高。瓦斯压力、衰减系数、吸附常数等基础参数测试结果见表2，测试结果表明:4煤瓦斯放散初速度为0．775 mL/s，煤层瓦斯压力在0．18 ～0．20 MPa 之间，依据《煤与瓦斯突出矿井鉴定规范》鉴定标准［5］，瓦斯突出危险性较小。

表1 瓦斯含量测试结果表

表2 瓦斯基础参数测试结果表

3 影响瓦斯赋存特征的因素

影响瓦斯赋存的主要地质因素有地质构造、顶底板岩性、埋藏深度、煤厚、陷落柱、岩浆岩侵入、水文地质条件等［6］。依据下沟煤矿以往地质资料及煤矿近期生产资料，主要分析地质构造、顶底板岩性、煤层埋深及上覆基岩厚度对瓦斯赋存特征的影响。

3．1 断层、褶皱构造对瓦斯赋存的影响

下沟煤矿瓦斯主要受褶曲构造的控制，由于构造分布的不均衡性，导致了瓦斯分布的不均衡性。整体的分布规律受井田内单斜控制，在单斜区域瓦斯含量较高，在河岸单斜下盘瓦斯含量较小。煤矿的南翼，为河岸单斜的上盘及下盘，此单斜构造将泾河两翼煤层分为上盘和下盘，上盘埋藏较浅，下盘相对较深，该单斜构造的倾斜长度为200 m左右，坡度45°左右，垂直高度130～163 m。该构造为彬长矿区主要构造，瓦斯涌出量大的高瓦斯矿井均分布在单斜上盘，如水帘洞煤矿、大佛寺煤矿。下盘火石咀煤矿、亭南煤矿则为低瓦斯矿井［7］。下沟煤矿404采区整体处于单斜构造的下盘，由于404采区的4401、4402、4403综放工作面沿煤层走向布置，回风顺槽穿入单斜构造的上盘，导致该工作面有一部分将单斜构造上盘圈入，因此该区域内瓦斯涌出量明显大于矿井其它区域瓦斯涌出量。根据瓦斯涌出量的观测数据，4401、4402、4403工作面瓦斯绝对涌出量在12．77～39．19 m3/min，而处于河岸单斜下盘的1816、2807等工作面的瓦斯绝对涌出量多为0．70～2．09 m3/min。

3．2 顶底板岩性对瓦斯赋存的影响

4煤顶板多为黑灰色泥岩、砂质泥岩、炭质泥岩，局部为粉、细砂岩，厚度0．34 ～3．25 m，在井田内南厚北薄，属软弱岩层，稳定性差。老顶为灰白色粗粒砂岩，浅灰色～灰色粉细砂岩及砂质泥岩互层，砂岩致密块状，厚7～15．90 m，抗压强度小于100 kg/cm3，属半坚硬、中等冒落岩层。底板为灰色含铝质泥岩，属软弱岩层，遇水膨胀，易发生底臌现象。由于4煤顶、底板均为厚度较大、透气性较差的泥质岩，且孔隙度低、渗透性差、排驱压力大，表现为隔气层性质，因此整体表现为顶、底板泥岩厚度与瓦斯含量呈正相关关系。另外在顶、底板泥岩厚度＞4 m时，其甲烷含量 ＞2．5 mL/g·r;当泥岩厚度 ＜4 m时，其甲烷含量 ＜2．5 mL/g·r。因此瓦斯赋存规律与煤层顶、底板泥岩厚度关系较密切。

3．3 煤层埋深及上覆基岩厚度对瓦斯赋存的影响

分析瓦斯资料和数据得知，由于地质构造的控制因素，4煤瓦斯含量与煤层埋藏深度和上覆基岩厚度基本上呈正相关关系。随着煤层埋藏深度和上覆基岩厚度的增加，煤层气主要成分甲烷的浓度增加，含量也增大。这说明煤层埋藏越深，上覆基岩厚度越大，瓦斯向地表运移的距离越长，地应力增高使煤层及围岩的透气性变差，煤层瓦斯越难通过覆盖地层逸散，瓦斯含量就越高。

4 瓦斯涌出量影响因素分析

4．1 瓦斯原始含量对瓦斯涌出量的影响

煤层的瓦斯含量是影响瓦斯涌出量的决定因素。煤层瓦斯含量越大，瓦斯压力越高，透气性越好，则涌出的瓦斯量就越高。煤层瓦斯含量的单位与矿井相对瓦斯涌出量相同，但其代表的物理意义却完全不同，数量上也不相等。通常煤层原始瓦斯含量越高，瓦斯相对涌出量也就越大。在下沟煤矿南部三采区，煤层原始瓦斯含量较高，瓦斯涌出量增大。矿井瓦斯等级也由之前的瓦斯矿井鉴定为高瓦斯矿井。

4．2 煤层埋深对瓦斯涌出量影响

在瓦斯带内开采的矿井，随着煤矿开采深度的增加，相对瓦斯涌出量增高［8］。煤系地层中有相邻煤层存在时，其含有的瓦斯会通过裂隙涌出到开采煤层的风流中，因此，相邻煤层越多，含有的瓦斯量将越大;而距离开采层越近，则矿井的瓦斯涌出量就越大。

4．3 地质构造对瓦斯涌出量影响因素分析

下沟煤矿地质构造相对简单。整体的分布规律受井田内单斜控制，在单斜区域瓦斯含量较高，在河岸单斜下盘瓦斯含量较小，单斜及矿井西北部为瓦斯绝对涌出量大于15 m3/min区域、单斜下盘为小于5 m3/min区域。位于彬县背斜北翼的三采区瓦斯涌出量明显高于其他区域，ZF301回采工作面瓦斯绝对涌出量最高达到77 m3/min，构造对煤矿瓦斯涌出特征明显。

5 结论

(1)下沟煤矿瓦斯含量 2．065 ～5．046 mL/g·daf，瓦斯相对富集区主要位于煤矿西部南部彬县背斜单斜区域。煤矿瓦斯分带主要为CO2～N2带，矿井西南部为N2～CH4带，西部靠近大佛寺煤矿区域为甲烷带。

(2)影响下沟煤矿4煤瓦斯地质特征的因素主要为单斜构造，煤层埋深和上覆基岩厚度，顶底板泥岩厚度。在单斜区域瓦斯含量较高;当煤层埋藏深度和上覆基岩厚度越大时，瓦斯含量越高;煤层顶底板泥岩厚度越大瓦斯含量越高。

(3)影响下沟煤矿4煤瓦斯涌出量的主要因素有瓦斯原始含量、煤层埋深、地质构造。煤层原始瓦斯含量较高，瓦斯涌出量增大;随着开采深度的增加，相对瓦斯涌出量增高;在单斜构造区域瓦斯涌出量明显高于其他区域。