单一地堑构造影响下煤层瓦斯赋存规律研究

樊正兴

(中煤科工集团 重庆研究院有限公司，重庆 400037)

煤层瓦斯的生成、赋存、运移和富集除了受其生成条件的影响，更重要的是受地质构造的限制[1-2]。地堑是地壳上广泛发育的一种地质构造，为两侧被高角度断层围限，中间下降的槽形断块构造。地堑构造实质为断层组合构造，而断层对煤层瓦斯生成、赋存、运移和富集有非常大的影响[3]。对于开采受地堑构造影响煤层的矿井，研究地堑构造对煤层瓦斯赋存规律的影响，有利于矿井对各个生产时期采掘工作面的瓦斯涌出量进行准确预测，为矿井科学地进行抽、掘、采接替部署提供依据，实现矿井安全、高效生产。

1 矿井地质概况

山西古城煤矿开采3号煤层，设计生产能力为8.00Mt/a。地勘钻孔资料显示，3号煤层瓦斯含量在3.28～22.49m3/t之间。3号煤层瓦斯含量高，瓦斯成为制约矿井安全、高效生产的主要因素。

如图1所示，在井田中部，由安昌正断层和中华正断层围限，两条断层之间的地层下降，形成了槽型断块，即地堑构造。矿井井田地质构造除安昌与中华断层之间及其附近较为复杂外，其他绝大部分区域均属简单类。总体为NNE～NEE走向，倾向西、倾角4°左右的单斜构造，但波状起伏普遍发育，并伴有宽缓褶曲，致使局部地层倾角达8°以上，断层附近达25°左右，断裂构造以北东东向张扭性断裂为主。

图1 井田构造纲要

1.1 安昌正断层

据邻近矿井勘探报告叙述，该断层走向N56°E，倾向SE，倾角70°～80°。自东向西进入矿井勘探和开采区，区内该断层走向N50°～60°E，倾向SE，倾角80°左右，断距144～200m。

1.2 中华正断层

据邻近矿井详查报告叙述，该断层与北部安昌正断层形成地堑，走向与安昌断层大致平行，倾向NW，倾角80°，最大断距185m。

矿井开采的3号煤层位于山西组下部，下距14号煤层87.08～128.66m，平均98.29m。煤层厚3.35(0907孔)～10.45(3301孔)m，平均厚6.27m，0907号钻孔在安昌断层附近，3301号钻孔在二岗山北正断层附近，因此煤层厚度变化较大。该煤层含泥岩、炭质泥岩夹矸0～2层，一般为1层，距底板约0.80m左右发育一层较为稳定(平均厚度0.22m)。3号煤层变异系数Cr=0.14，属稳定性煤层。

2 地勘钻孔瓦斯含量分析

地勘期间，矿井对井田范围内3号煤层瓦斯含量进行了测定，但由于取样过程中的煤样采集深度、样品质量、密封效果和含量测定方法等原因，并不是每个含量测值均是可靠的。在利用地勘瓦斯含量时，必须进行含量测值的可靠性评价[4-5]。

地勘瓦斯含量可靠性评价的原则如下：

(1)煤样灰分含量不得超过40%，否则视为不可靠测值。

(2)煤样现场瓦斯解吸测定后，必须密封装罐，脱气前不漏气，否则视为不可靠测值。

(3)瓦斯带中所取测定煤样甲烷成分必须高于80%，否则视为不可靠测值。

(4)同一钻孔的同一煤层有2个或2个以上的瓦斯含量测值，且均满足条件(1)～(3)时，按最大测值确定煤层瓦斯含量。

(5)对于测定方法、瓦斯成分和试样质量不详的测值，按不合格测值考虑。

(6)地勘瓦斯含量测定时，如果推算出的取芯过程损失含量超过瓦斯含量测值的60%，说明提钻时间过长，该测值仅具参考意义。

对地勘钻孔3号煤层瓦斯含量经过可靠性评价以及煤层瓦斯含量换算(可燃基瓦斯含量换算成原煤瓦斯含量)后，结果如表1所示。

表1 地勘钻孔瓦斯含量

3 瓦斯赋存地质单元分析

根据地勘成果，结合与矿方相关技术及管理人员的访谈以及现有开拓开采实际揭露煤层情况，分析井田地质情况如下：

(1)结合3号煤层构造纲要图可知，井田在开采区域中部存在安昌断层、中华断层2条大断层，并且在2条大断层之间形成地堑。其中：安昌断层断距144～200m，倾角为80°左右，在区内延展长度为20km；中华断层最大断距185m，倾角为80°，在区内延展长度为17km。

(2)地勘期间测得地堑两翼相近埋深处的煤层原煤瓦斯含量相差较大。如表2所示，埋深同为450m左右，地堑北翼709号钻孔和南翼1001号钻孔瓦斯含量相差大于5m3/t；埋深同为570m左右，地堑北翼911号钻孔和南翼904号钻孔瓦斯含量相差近3m3/t；埋深同为665m左右，地堑北翼711号钻孔和南翼1205号钻孔瓦斯含量相差大于4m3/t；埋深同为750m左右，地堑北翼1112号钻孔和南翼1501号钻孔瓦斯含量相差大于6m3/t。

表2 地堑两翼相近埋深处煤层瓦斯含量对比

(3)地堑两侧3号煤层顶底板岩性有差异。如表3所示，在地堑北侧，煤层顶板岩性多为砂质泥岩，底板岩性主要为砂质泥岩，局部为泥岩；而在地堑南侧，煤层顶板岩性多为粉砂岩和细粒砂岩，底板岩性主要为泥岩、砂质泥岩，局部存在粉砂岩。地堑附近对比地勘钻孔位置如图2所示。

表3 地堑两侧相近钻孔顶底板岩性对比

图2 地堑附近对比地勘钻孔位置

(4)通过对矿井开拓期间煤巷掘进工作面情况的调研、分析可知：矿井在地堑南、北两翼，煤层顶底板岩性差别较大，相同埋深情况下煤层原煤瓦斯含量差别也较大，如表4所示。

综上所述，该矿先期开采区域范围内3号煤层在地堑以北和地堑以南瓦斯赋存差异较大，在研究3号煤层瓦斯赋存规律时，应将地堑以北和地堑以南分别作为一个地质单元[6～8]来考虑。因此，在分析煤层瓦斯赋存规律时，以地堑为界将井田划分为两个地质单元分别进行分析。

表4 地堑两翼相近埋深煤巷掘进面瓦斯含量、涌出量对比

4 煤层瓦斯赋存规律研究

国内理论及实践均证明[9-10]，矿井瓦斯含量测定中，地勘测定结果一般偏小，但它可以反映整个矿井瓦斯赋存趋势。井下实测结果相对准确，但反映的是测试范围局部的情况。因此，采用以地勘测定结果为基础、以井下实测结果为依据，根据井下实测对地勘测定结果进行修正的方法确定矿井3号煤层的瓦斯含量。即采用井下实测与地勘测定结果比较，确定修正系数，对矿井地勘测定结果进行修正。

巷道掘进过程中，在地堑以北4个地勘钻孔附近，所测瓦斯含量情况如表5所示。4个地勘钻孔附近实测瓦斯含量与地勘瓦斯含量的平均比值约为1.25。因此，在井田内地堑以北区域，取瓦斯含量修正系数为K=1.25。在地堑以南4个地勘钻孔附近，所测瓦斯含量情况如表6所示。4个地勘钻孔附近实测瓦斯含量与地勘瓦斯含量的平均比值约为1.21。因此，在井田内地堑以南区域，取瓦斯含量修正系数为K=1.21。

表5 地堑以北地勘钻孔附近巷道掘进过程中实测瓦斯含量

按上述修正系数对地勘瓦斯含量值进行修正后，考虑到地勘钻孔瓦斯含量存在一些偶然性误差，因此在煤层地质构造及赋存条件无较大变化情况下，对少数测定数据明显不符合瓦斯赋存趋势的测点进行剔除。经修正和剔除后，地堑以北和地堑以南的地勘瓦斯含量结果分别如表7、表8所示。

表6 地堑以南地勘钻孔附近巷道掘进过程中实测瓦斯含量

表7 地堑以北地勘钻孔瓦斯含量修正筛选结果

表8 地堑以南地勘钻孔瓦斯含量修正筛选结果

在影响煤层瓦斯含量的众多地质因素中，煤层埋深被认为是最具普遍性的因素之一[11-13]。一般情况下，出露地表的煤层其所含瓦斯容易逸出，而且空气也向煤层渗透，因而煤层中含有CO2，N2等气体，瓦斯含量少，随着煤层埋藏深度的增加，甲烷所占比例增大，瓦斯含量增大。实践表明，在甲烷带，瓦斯含量、涌出量及瓦斯压力都与煤层埋藏深度有一定的比例关系。

根据表7、表8中的数据，绘制3号煤层瓦斯含量随埋深变化的拟合曲线，如图3、图4所示。从图中可以看出，该矿在地堑以北区域和地堑以南区域3号煤层瓦斯含量均具有随煤层埋藏深度增加而增加的趋势，线性规律明显。

图3 地堑以北区域3号煤层瓦斯含量与埋深关系

图4 地堑以南区域3号煤层瓦斯含量与埋深关系

在地堑以北区域和地堑以南区域，分别对3号煤层地勘瓦斯含量与埋深测值做回归分析：

地堑以北区域瓦斯含量(W)与埋藏深度(H)，两者之间具有如下形式的线性统计规律(相关系数R2=0.8553)：

W=0.0151H+5.0224

地堑以南区域瓦斯含量(W)与埋藏深度(H)，两者之间具有如下形式的线性统计规律(相关系数R2=0.8751)：

W=0.0439H-14.163

式中，W为瓦斯含量，m3/t；H为埋藏深度，m(400m≤H≤800m)；R2为相关系数。

由回归分析得到的瓦斯含量与埋深关系可以看出，在井田内地堑以北区域和地堑以南区域，3号煤层瓦斯含量均随着埋深的增加而增加，具有明显的线性规律。但是，受地堑构造的影响，地堑两侧3号煤层瓦斯含量与埋深的关系差异很大。在地堑以北区域，煤层埋深每增加100m，瓦斯含量提高1.51m3/t；在地堑以南区域，煤层埋深每增加100m，瓦斯含量提高4.39m3/t。地堑以南区域3号煤层瓦斯含量变化梯度明显较地堑以北剧烈。

5 考察验证

矿井在随后的煤巷掘进过程中，每掘进50m对3号煤层瓦斯含量进行一次测定。地堑以北N1303工作面回风巷和地堑以南S1301工作面回风巷实测3号煤层瓦斯含量与前面经研究预测的3号煤层瓦斯含量对比情况如图5、图6所示。

图5 N1303工作面回风巷实测与预测煤层瓦斯含量对比

图6 S1301工作面回风巷实测与预测煤层瓦斯含量对比

由图5、图6可以看出，利用本次研究得到的瓦斯含量与埋深关系对3号煤层瓦斯含量进行预测，预测值与实测值误差非常小。地堑以北区域的N1303工作面回风巷，在埋深为513m处，预测瓦斯含量与实测瓦斯含量偏差最大，预测瓦斯含量为12.77m3/t，实测瓦斯含量为12.19m3/t，偏差为0.58m3/t，误差率为+5%，全巷道误差率在-3%～+5%之间；地堑以南区域的S1301工作面回风巷，预测瓦斯含量与实际瓦斯含量的偏差为-0.54～0.44m3/t，误差率为-4%～+3%，最大误差率为-4%。可见本次研究得到的瓦斯赋存规律可用于该矿井瓦斯含量的预测。

6 结 论

通过分析古城煤矿的地堑构造特征和煤层赋存情况，采用现场实测和数学分析相结合的方法，研究了古城煤矿受地堑影响煤层的瓦斯赋存规律，得出以下结论：

(1)3号煤层在地堑以南和地堑以北区域分别属于两个不同的瓦斯地质单元，地堑以南和地堑以北区域3号煤层的瓦斯赋存规律应分别独立研究。

(2)在地堑以北区域和地堑以南区域3号煤层瓦斯含量均具有随煤层埋藏深度增加而增加的趋势，线性规律明显。地堑以北区域煤层瓦斯含量(W)与埋藏深度(H)，两者之间线性统计规律为：W=0.0151H+5.0224；地堑以南区域煤层瓦斯含量(W)与埋藏深度(H)，两者之间线性统计规律为：W=0.0439H-14.163。