基于等间距网格法的瓦斯赋存主控因素分析

郝天轩，冯晓兵，张春林

(1.河南理工大学安全科学与工程学院，河南 焦作 454000；2.煤炭安全生产河南省协同创新中心，河南 焦作 454000)

瓦斯是煤在长期的地质演化过程中形成的气体地质体[1]。研究瓦斯赋存规律，准确地预测瓦斯的分布与含量，可以为煤矿的安全高效生产提供保障。

目前常用的研究方法是针对某矿的地质规律划分符合实际情况的瓦斯地质单元，分析各地质单元内在规律。舒龙勇等[2]采用瓦斯地质块段划分法将石台煤矿3煤层划分为3个独立的地质块段，研究了各个地质因素对瓦斯赋存的影响，此方法对高瓦斯及煤与瓦斯突出矿井较为适用；解振等[3]从瓦斯地质学角度分析了平顶山矿区东西区的瓦斯及突出分布特征，得出东部褶皱区是导致东西区明显差异的关键因素；闫江伟等[4]通过研究平顶山矿区17对生产矿井的实测数据，提出了该矿区瓦斯赋存的构造逐级控制特征；刘杰等[5]从煤的力学性质、压力梯度以及应力的角度入手，分析了各个地质条件对煤与瓦斯突出危险性之间的关系；王云刚等[6]通过建立熵权灰色关联分析模型分析了影响突出的地质因素的重要性。目前国内大部分学者对瓦斯赋存规律以地质因素为出发点，利用单一测量方或者混合选取多方较为符合实际情况的数据进行线性分析得出影响瓦斯赋存的主控因素，或是在面对多个瓦斯测试方的结果中选择一套最符合实际情况的数据，造成这种情况的原因是由于各个测试方所采取的瓦斯测量方法不同以及测量和进行实验过程中操作存在误差，导致所得的结果不同。其中，在数据筛选的过程中可能会丢失某些信息，且不能综合分析及处理多个测试方的数据。

本文从数据的角度进行分析，针对两个及两个以上的瓦斯测量方所测的瓦斯测量结果进行分析处理，通过等间距网格法划分出瓦斯数据单元，对数据进行分析处理，用更加准确的数据来分析影响瓦斯赋存规律的地质因素。

1 矿井概况

所研究煤矿属于永夏煤田，属黄淮冲积平原，所在位置在河南省商丘永城市和夏邑县境内，其区域构造位于华北陆块东南部的鲁西南断隆区域内。

井田范围内煤层受燕山时期地质构造的影响，使得煤层处于瓦斯风化带内，瓦斯含量普遍较低。但随着采掘活动进入南三、南五采区，矿井的瓦斯含量及瓦斯涌出量有明显增长的趋势，局部可能存在瓦斯富集区。

2 等间距网格法划分瓦斯数据单元

2.1 数据准备

根据所收集的瓦斯数据资料显示，该煤矿在地勘以及生产期间的瓦斯含量测点较多且分布不均，某些区域呈现“扎堆”现象，具有一定的连续型和离散性，且每个点对应的影响瓦斯含量因素的具体情况都不尽相同，给瓦斯含量数据的分析取值造成麻烦。

对具有不确定性对象的分析，引用归纳式学习方法[6]，其基本内容是：先从样本中提取不同属性之间的相互关系，再由这些信息中发现属性的相互关系，进行分析识别和预测。在典型的归纳式学习问题中，当某一属性的取值为连续型变量时，要把已有数据归类到已划分的不同区域内，方便分析不同属性的赋值在对应区域的相关性。

在进行取值区间划分时，对于连续型变量的划分，常用的有等间距法、极大熵法和等信息量区间法。本文应用等间距法对该煤矿地勘实测瓦斯含量和实验所测得的煤层原始瓦斯含量进行区域划分。

由于不同测量单位存在测量煤层瓦斯含量方法的差异性，为了更加科学合理的进行数据分析，减少误差。在同一埋深，沿煤层走向与垂直方向每100 m等间距划分一个瓦斯数据单元，该煤矿二2煤层的煤层倾角平均为14°，埋藏深度相差最多25 m时实际煤层相差100 m。取数据单元内各测量方最大值作为各测量方测试的煤层原始瓦斯含量，并进行数据对比。

为了确保数据的准确性，将从该煤矿取样进行实验分析的数据与该煤矿地勘以及实际生产期间的数据划分为一类区域。同时为了保证数据的充实性，引用中煤科工集团沈阳研究院所测瓦斯含量，与矿方实际生产期间数据划分为另一类区域。图1为网格法划分后瓦斯数据单元，其中阴影部分为矿方与校方瓦斯含量数据共有区域；黑色填充部分为矿方与沈阳方瓦斯含量数据共有区域。

图1 瓦斯数据单元示意图Fig.1 Schematic diagram of the gas data unit

2.2 数据处理

类比法是指在新事物和已知事物之间具有相似的逻辑推理和科学研究方法。采用类比法分析区域内不同测定方所测的瓦斯含量，以此来推断出区域外的瓦斯赋存规律，最后推断整个矿井的煤层瓦斯赋存规律。

由于各测定方在测试瓦斯含量时所采用的方法不同，导致在相同区域内同一地点附近瓦斯含量测定结果也不相同。为了保证数据更贴近煤层瓦斯含量的实际情况，取数据单元区域内各测试方的最大值，进行分析比值。

将从该煤矿用真空罐取得的煤样进行实验分析所获得的数据与矿方实际生产期间数据进行对比，得出矿方与校方瓦斯含量比值，并用二者比值所得的瓦斯含量比值的平均值作为校正系数，用校方所测瓦斯含量与校正系数相乘获得矿方与校方校正后瓦斯含量，见表1。同理将中煤科工集团沈阳研究院所测瓦斯含量，与矿方实际生产期间数据进行对比，获得矿方与沈阳方校正后瓦斯含量数据，见表2。

表1 矿方与校方数据对比Table 1 Comparison of mine and school data

注：“矿瓦斯含量”表示矿井自身测试的瓦斯含量数据；“校瓦斯含量”表示河南理工大学测试的瓦斯含量数据；“矿/校比值”表示矿井自身与河南理工大学测试结果的比值。

表2 矿方与沈阳方数据对比Table 2 Comparison of mine and Shenyang data

注：“矿瓦斯含量”表示矿井自身测试的瓦斯含量数据；“沈瓦斯含量”表示中煤科工集团沈阳研究院测试的瓦斯含量数据；“矿/沈比值”表示矿井自身与中煤科工集团沈阳研究院测试结果的比值。

3 瓦斯赋存影响因素分析

3.1 煤层埋深及上覆基岩厚度对瓦斯赋存的影响

3.1.1 煤层埋藏深度对瓦斯赋存的影响

通常情况下出露于地表的煤层，瓦斯会通过岩层裂隙向地表逸散，由于压力差的存在，空气会渗入煤层内，使煤层内瓦斯浓度降低。但地应力会随着埋藏深度的增加而增大，导致瓦斯透过围岩向地表运移的难度增加，使得瓦斯易于保存。理论上讲，煤层中的瓦斯含量会随着埋藏深度的增加而增大，但达到一定埋深之后，煤中游离态的瓦斯会随着瓦斯压力的增加而增大，使得煤中吸附的瓦斯趋近于饱和状态，增大的趋势会有所减缓。

依据表1和表2的数据绘制瓦斯含量与煤层埋藏深度之间的关系，见图2，其中4个测试点由于所处位置附近断层间距较大，导致数据异常，将其剔除。根据图2可知，煤层瓦斯含量线性回归方程为y=0.0057x-0.1215。总体上来看，瓦斯含量与煤层埋藏深度呈正相关关系，但相关性系数为0.4720，说明埋藏深度对瓦斯含量有一定影响，但并非是最主要的因素。

3.1.2 上覆基岩厚度对煤层瓦斯赋存的影响

煤层上覆基岩厚度为煤层埋藏深度与第四系的黄土层厚度之差。黄土层一般位于地表，与大气直接相连，其内部孔隙度大，使得瓦斯容易释放。一般来说煤层上覆基岩厚度越大，瓦斯向第四系黄土层运移的距离越远，受到的阻力越大，使得瓦斯不易逸散。

依据表1和表2数据绘制煤层瓦斯含量与上覆基岩厚度之间的关系，见图3，其中4个测试点由于所处位置附近断层间距较大等地质因素的影响，导致数据异常，将其剔除。根据图3可知,煤层瓦斯含量线性回归方程为y=0.0083x+1.2494。总体来看，煤层瓦斯含量与上覆基岩厚度呈正相关关系，相关性系数达到 0.6358，说明煤层上覆基岩厚度是影响煤层瓦斯含量的因素之一。

图2 煤层瓦斯含量与埋深相关关系散点图Fig.2 Scatter diagram between gas content and burial depth

图3 煤层瓦斯含量与上覆基岩厚度相关关系图Fig.3 Scatter diagram between gas content and overburden thickness

3.2 煤层厚度对瓦斯含量的影响

煤层厚度会影响瓦斯的扩散，瓦斯的逸散以扩散的方式为主，煤层厚度越大，达到煤层内部扩散中值浓度所需时间越长，中间层中瓦斯向顶底板扩散的路径越远，扩散阻力增大，对瓦斯保存越有利[7]。

依据表1和表2数据绘制了瓦斯含量与煤层厚度之间的关系，见图4。根据图4可知，煤层瓦斯含量线性回归方程为y=1.0922x-0.3193，相关性系数为 0.7899，说明煤层厚度是影响煤层瓦斯含量主控因素之一。

3.3 围岩对煤层瓦斯含量的影响

煤层围岩是指煤层顶底板一定厚度范围层段的岩层。煤层围岩的岩性组合以及顶板一定厚度层段影响系数会不同程度影响围岩的透气性能。

煤层的直接顶板以上的岩层，随着与煤层的距离的增大，对瓦斯赋存影响的有效性会呈现出指数性降低。为了进一步研究煤层直接顶板岩层，细化各个岩性对瓦斯赋存的影响，限定研究有效岩层厚度范围[8]。

根据地勘期间钻孔揭露情况，煤层顶板岩性组合，厚度变化情况各不相同。某些沉积岩体沉积物成分、内部构造以及粒间胶结程度等都有着较大的差异，这些差异的存在都会导致隔气性发生改变。在符合客观实际的前提下，略去具体分类而抓住主干，将顶板岩性进行简化分析处理，按照岩层的透气性将其分为泥岩类和砂岩类，岩性厚度统计到煤层顶板大占砂岩为止。设泥岩的相对隔气性为1，砂岩的相对隔气性为0，其他岩性以其相对隔气性附以系数进行厚度校正，见表3。

图4 煤层瓦斯含量与煤厚相关关系图Fig.4 Scatter diagram between gas content and seam thickness

表3 各岩性厚度调整系数Table 3 Regulation coefficient of rock thickness

不透气性岩层透气性岩层泥岩1粗粒砂岩0.1炭质泥岩1.1中粒砂岩0.2煤层0.8细砂岩0.3砂质泥岩0.6粉砂岩0.5

在煤层顶底板中，不同岩性岩层对煤层瓦斯赋存的影响会随着与煤层距离的增加而减小，为了描述顶板各个岩层的岩性组合、透气性和厚度等因素对瓦斯赋存的影响，引进岩层效应厚度影响系数的概念[9](图5)，采用下式计算。

式中：Q为岩层效应厚度影响系数；mi为岩层厚度；hi为岩层中点距煤层中点的距离；kj为岩层厚度调整系数。

在利用式(1)进行计算时，首先要依据表3岩性厚度调整系数对统计层段内各个岩层进行隔气厚度的调整，然后再除以该岩层距离煤层中点的距离。当公式中煤层底板灰岩厚度mi小于1.0时，防止Q值出现异常点，将其取值为1.0，然后进行分析，顶板厚度层段影响系数的分析从10 m开始，逐次增加10 m直至50 m为止，计算结果汇于表4。

图5 岩体效应厚度影响系数计算示意图Fig.5 Depth influence coefficient value

表4 瓦斯含量与厚度影响系数一览表Table 4 Influence coefficient of gas content and thickness

序号位置顶板10 m厚度影响系数顶板20 m厚度影响系数顶板30 m厚度影响系数顶板40 m厚度影响系数顶板50 m厚度影响系数瓦斯含量/(m3/t)12301工作面胶带顺槽P3点处0.2080.2400.2700.3200.3203.67022303工作面轨道顺槽G6点处0.2020.3840.3930.3930.4111.31032303工作面轨道顺槽G8点处0.2020.3840.3930.3930.4112.19042301工作面胶带顺槽P12点处0.2020.3840.3930.3930.4112.14052303工作面轨道顺槽G10点处0.1120.1180.1450.1750.1965.43062301工作面胶带顺槽P15点处0.1120.1180.1450.1750.1964.62072301工作面胶带顺槽P19点处0.1120.1180.1450.1750.1965.04082303工作面胶带顺槽P4点处0.1050.2010.2280.2280.2563.72092304工作面胶带顺槽P5点处0.2080.2400.2700.3200.3204.020102502见煤点0.0460.0460.0800.0790.0796.020112501工作面胶带顺槽P16点处0.2420.3280.3650.4150.4622.400122501工作面胶带顺槽P16点前20 m处0.2420.3280.3650.4150.4621.780132501工作面胶带顺槽P17点后23 m处0.1360.2400.2810.3390.4062.910142501工作面胶带顺槽P17点0.1360.2400.2810.3390.4062.740152303工作面轨道顺槽ZC3点外10 m处0.0460.0460.0800.0790.0793.930162303工作面轨道顺槽ZC3点外30 m处0.0460.0460.0800.0790.0794.080172304工作面胶带顺槽P7点后10 m处0.0940.1180.1560.1560.1562.990182304工作面胶带顺槽P8点后14 m处0.0940.1180.1560.1560.1563.150192304工作面胶带顺槽P20点后6 m处0.2960.3140.3350.3490.3662.660202304工作面胶带顺槽P20点前15 m处0.2960.3140.3350.3490.3662.400

图6是对地勘期间钻孔的10～50 m不同统计厚度影响系数的折线图，由图6可知煤层顶板岩层厚度为30 m时，相关性系数最大为0.8290。图7为顶板岩层30 m厚度影响系数与煤层瓦斯含量散点图，总体上看，影响系数与煤层瓦斯含量成负相关关系，线性回归方程为y=-5.1089x+5.9349，相关性系数达到 0.8290，说明厚度影响系数是影响煤层瓦斯赋存的一个重要控制因素。

图6 影响系数与岩层厚度统计折线图Fig.6 Line chart between influence coefficient and rock thickness

图7 影响系数与煤层瓦斯含量关系散点图Fig.7 Scatter diagram between gas content and influence coefficient

4 结 论

1) 应用等间距网格法划分瓦斯数据单元，通过数据对比，将比值的平均值作为校正系数，得出校正后的瓦斯含量。但划分数据单元的方法不同，可能会导致所得结果不同，今后也可应用极大熵法及等信息量区间法来划分数据单元，更加精确的减少误差。

2) 通过各个地质因素与校正后的瓦斯含量之间的关系，得出该煤矿煤层顶底板岩性和煤层厚度是影响该煤矿煤层瓦斯赋存的主要控制因素，其次是煤层上覆基岩厚度。