卧龙湖煤矿瓦斯赋存规律与危险性预测

戴中浩，胡宝林，冯士安

（1.安徽省煤田地质局，安徽合肥230088；2.安徽理工大学，安徽淮南232001）

0 引言

瓦斯是煤层中各种地质因素综合作用的产物，其赋存和分布受地质条件的影响和制约[1～2]。卧龙湖煤矿中各可采煤层均存在着不同程度的瓦斯情况，因此对各可采煤层的瓦斯赋存规律和危险性预测进行研究是非常有必要的[3]。

1 研究区概况

卧龙湖煤矿位于安徽省濉溪县铁佛镇岳集乡境内，西以F2 断层为界，东以F7 断层为界；北以省界为界，与河南省永城县葛店煤矿毗邻，南以F13 断层和采矿权边界为界。南北长约8～9km，东西宽约3.5～4km，面积24.72km2。其地理坐标为：东经116°26'45″～116°30'00″；北纬33°45'15″～33°52'30″。

卧龙湖煤矿含煤地层为二叠系山西组、下石盒子组及上石盒子组，含煤地层总厚约700m，含10个煤层（组），煤层平均总厚约7.35m，其中编号1、2、3、4、5及11煤层为不可采煤层，6、7、8、10为可采煤层。可采煤层平均总厚约5.62m，占全部煤层平均总厚的76.5%。

2 测量方法

（1）直接法测量 煤层瓦斯含量实测采用《煤层瓦斯含量井下直接测定方法（GB/T23250-2009）》直接法测定。直接法测瓦斯含量是根据煤样暴露装罐后一段时间内的实测瓦斯解吸量，然后按照解吸规律，利用这段时间内的实测解吸量推算煤体从暴露那一刻至装罐解吸测定前这段时间的损失量，再在实验室测定解吸测定后煤样中的残存瓦斯量，三者之和即为煤层的瓦斯含量[4]。

（2）间接法测量 间接法测定煤层瓦斯含量建立在煤的瓦斯吸附理论基础上。由于原始煤层中的瓦斯是以游离态和吸附态两种状态存在，首先在现场实测或根据经验公式推知待测位置的煤层原始瓦斯压力，然后取样在实验室进行煤的工业分析、吸附常数a、b值、煤的孔隙率等参数的测定，最后根据瓦斯含量与以上各参数之间的关系公式计算煤层的原始瓦斯含量(公式如下)[5]。

式中：

a、b—吸附常数；

p—煤层瓦斯压力，MPa；

t0—实验室测定煤的吸附常数时的试验温度，℃；

t—煤层温度，℃；

n—系数，n=0.02/(0.993+0.07p)；

A—煤中灰分，%；

W—煤中水分，%；

Xx—煤的吸附瓦斯量，m3/t(标准状态下)。

3 矿井瓦斯赋存规律

瓦斯含量是煤与瓦斯突出矿井的重要参数，其物理意义是单位质量或体积的煤中所含有的瓦斯体积，以m3/t(ml/g)或m3/m3为单位。它不仅是计算矿井瓦斯储量和预测瓦斯涌出量的基础，也是目前被广泛采用的预测突出的重要参数。

本文主要采用井下瓦斯数据进行对比分析，但为更全面反应煤矿瓦斯数据特征，本文还搜集整理了卧龙湖矿勘探钻孔瓦斯数据以供参照，其中共选取勘探过程中合格钻孔瓦斯煤样99 个，其中6 煤层26 个，7煤层29个，8煤层32个，10煤层12个。各可采煤层样品采集深度为272.50～699.37m。煤层瓦斯成分主要为CH4，次为N2与CO2及少量C2H6、C3H8。CH4成分在0%～98.92%，含量在0～14.11m3/t.daf 之间。N2成分在0.03%～95.51%之间。勘探钻孔各煤层瓦斯含量情况见表1。

表2 北二采区6煤层井下实测瓦斯含量结果(部分)Table 2. Results of gas content measured underground in coal seam 6 of North No.2 Mining Area (in part)

3.1 6煤层井下瓦斯含量

（1）实测瓦斯含量 北二采区6 煤层瓦斯含量实测结果如表2(因数据较多，各主要煤层实测瓦斯仅列举部分)。从实测结果看，6煤层瓦斯含量分布变化较大，变化范围在3.9～13.1m3/t 之间。深部(550～650m)瓦斯含量较大，含量值稳定在10～13m3/t 之间(见图1)。

图1 卧龙湖矿6煤层实测瓦斯含量分布Figure 1. Measured gas content distribution in the coal seam 6 of the Wolonghu mine

（2）间接法瓦斯含量 根据北一采区底抽巷、6101风巷及北翼回风巷N9点煤样的工业分析结果及瓦斯吸附参数试验测定结果(见表3)，结合井下各瓦斯压力测试结果，求得6煤层的瓦斯含量(见表4)。

依据6 煤层的瓦斯压力赋存规律计算出对应标高处的瓦斯压力。然后按照公式计算出瓦斯含量，将计算得到的结果与直接法实测结果进行对比如图2。

从图中可以看出，直接法与间接法得到的6 煤层瓦斯含量具有相似的规律性，均随埋深的增加而增加[6]。综合地面钻孔瓦斯实测数据、井下实测数据及根据瓦斯压力间接法结果：预测北一采区，瓦斯含量在8～14m3/t 之间；北二采区瓦斯含量在12～15m3/t之间。

3.2 7煤层井下瓦斯含量

（1）实测瓦斯含量 北二采区7 煤层瓦斯含量实测结果如表5。从实测的结果可以看出，北二采区7煤的瓦斯含量普遍偏大，瓦斯含量值较分散，变化范围在5.04～18.57m3/t之间，且随着深度的增加，瓦斯含量有上升的趋势，深部的瓦斯含量近18m3/t(见图3)。

（2）间接法瓦斯含量 根据北二采区II23底抽巷1#钻场煤样的工业分析结果及瓦斯吸附参数试验测定结果(见表3)，结合井下各瓦斯压力测试结果，求得7煤层的瓦斯含量(见表6)。

表4 卧龙湖煤矿6煤层间接法计算瓦斯含量一览表Table 4. Gas content of the Wolonghu coal seam 6 by indirect method

图2 直接法与间接法测定的6煤层实测瓦斯含量对比图Figure 2. Comparison of measured gas content in coal seam 6 by direct and indirect methods

7 煤层瓦斯含量计算结果与直接法实测结果对比如图4。从图中可以看出，直接法与间接法测定的煤层瓦斯含量结果具有相同的趋势，都随着埋深的增加而增大。综合地面钻孔瓦斯实测数据、井下实测数据及根据瓦斯压力间接法结果：预测北一采区，瓦斯含量在8～16m3/t之间，北二采区瓦斯含量在14～18m3/t之间。

图3 卧龙湖矿7煤层实测瓦斯含量分布Figure 3. Measured gas content distribution in coal seam 7 of the Wolonghu mine

3.3 8煤层井下瓦斯含量

（1）实测瓦斯含量 北二采区8煤层瓦斯含量实测结果如表7。将实测8煤层瓦斯含量和对应标高作图，得到图5。从实测的结果可以看出，北二采区8 煤的瓦斯含量较分散，变化范围在4.4～19.1m3/t之间，且随着深度的增加，瓦斯含量增量明显，在深部达到19.1m3/t，并有进一步增加的趋势。

（2）间接法瓦斯含量 根据II23底抽巷1#钻场煤样的工业分析结果及瓦斯吸附参数试验测定结果(见表3)，结合井下各瓦斯压力测试结果，求得8煤层的瓦斯含量(见表8)。

8煤层瓦斯含量计算结果与直接法实测结果对比如图6。从图中可以看出，间接法计算的8煤层瓦斯含量与实测的瓦斯含量具有相似的变化规律，瓦斯含量随着埋深的增加而增加，深部实测瓦斯含量值较分散，变化范围大。预测北一采区瓦斯含量在10～20m3/t之间，北二采区瓦斯含量在7～16m3/t之间。

表5 北二采区7煤层井下实测瓦斯含量结果（部分）Table 5. Results of gas content measured underground in coal seam 7 of North No.2 Mining Area (in part)

表6 7煤层间接法计算瓦斯含量一览表Table 6. List of gas content calculated by indirect method in coal seam 7

图4 直接法与间接法测定的7煤层瓦斯含量对比Figure 4. Comparison of gas content in coal seam 7 measured by direct and indirect methods

表7 北二采区8煤层井下实测瓦斯含量结果(部分)Table 7. Results of gas content measured underground in coal seam 8 of North No.2 Mining Area (in part)

3.4 10煤层井下瓦斯含量

表8 8煤层间接法计算瓦斯含量一览表(部分)Table 8. List of gas content calculated by indirect method in coal seam 8 (in part)

图6 直接法与间接法测定的8煤层瓦斯含量对比Figure 6. Comparison of gas content in coal seam 8 measured by direct and indirect methods

（1）实测瓦斯含量 10煤层瓦斯含量实测结果如表9。从实测的结果可以看出，首采区10煤层的瓦斯含量普遍偏大，瓦斯含量值较分散，瓦斯含量变化范围在2.75～28.56m3/t之间，平均10.86m3/t，且随着深度的增加，瓦斯含量有上升的趋势(见图7)，岩浆接触带瓦斯含量偏小，距接触带100m左右具有增高趋势。

表9 10煤层井下实测瓦斯含量结果(部分)Table 9. Results of gas content measured underground in coal seam 10 (in part)

图7 卧龙湖矿首采区10煤层实测瓦斯含量分布Figure 7. Measured gas content distribution of coal seam 10 in the first mining area of the Wolonghu mine

（2）间接法瓦斯含量 根据南一采区1011底抽巷及南一采区辅助轨道上山煤样的工业分析结果及瓦斯吸附参数试验测定结果(见表3)，结合井下各瓦斯压力测试结果，求得10煤层的瓦斯含量(见表10)。

表10 10煤层间接法计算瓦斯含量一览表(部分)Table 10. List of gas content calculated by indirect method in coal seam 10 (in part)

10 煤层瓦斯含量计算结果与直接法实测结果对比如图8。从图中可以看出，总体上瓦斯含量随着埋深的增加而增加，但井下实测的瓦斯含量普遍较高，深部实测瓦斯含量值较分散，变化范围大。

4 煤与瓦斯区域突出危险性预测

图8 直接法与间接法测定的10煤层瓦斯含量对比Figure 8. Comparison of gas content in coal seam 10 measured by direct and indirect methods

据《卧龙湖煤矿6 煤层煤与瓦斯突出危险性鉴定报告》《卧龙湖煤矿南一采区10煤层剩余块段煤与瓦斯突出区域划分》和《卧龙湖煤矿北二采区瓦斯基础参数测定及瓦斯赋存规律研究报告》，卧龙湖矿各煤层瓦斯参数见表11，Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ类煤损失瓦斯量误差较低[7]。

卧龙湖矿6煤层的破坏类型为III～IV类；煤层瓦斯压力为0.6MPa（北一采区），小于突出临界值0.74MPa；煤样的坚固性系数f为0.56，大于突出临界值0.5；瓦斯放散初速度△P为28mmHg，大于突出临界值10mmHg；煤层瓦斯含量达8.64m3/t，大于《防治煤与瓦斯突出规定》规定的8m3/t[8]；6煤发生过瓦斯动力现象和突出预兆。鉴定认为：卧龙湖煤矿6煤层具有突出危险性，－475m 及以深煤层的瓦斯压力超过突出临界值。

卧龙湖矿7煤层的破坏类型为III～IV类；煤层瓦斯压力为1.85MPa（－645.5m），大于突出临界值0.74MPa；煤样的坚固性系数f为0.38，小于突出临界值0.5；瓦斯放散初速度△P为12.2mmHg，大于突出临界值10mmHg；瓦斯含量达18m3/t（-628m），大于《防治煤与瓦斯突出规定》规定的8m3/t。

7 煤层下距8 煤层平均间距仅7.52m。根据7 煤层瓦斯压力变化规律推算，-540m及以深煤层瓦斯压力超过突出临界值。

8煤层根据煤炭科学研究总院重庆分院《卧龙湖煤矿北一采区8煤层开拓后区域预测报告》鉴定为突出煤层；卧龙湖煤矿对北一采区8煤层进行开拓后区域预测。同时经安徽恒源煤电股份有限公司2009年34号文批复，卧龙湖煤矿北一采区8煤层标高－478.1m及以深为突出危险区。

卧龙湖矿10煤层瓦斯风化带下限为-340m，即标高-340m以浅的区域为无突出危险区，标高-340m及以深和岩浆岩侵入边界以外60m 范围的区域为突出危险区域。

综上可知，6 煤层-475m 以深煤层的瓦斯压力超过突出临界值；7 煤层-540m 以深煤层瓦斯压力超过突出临界值；8煤层标高-478.1m以深为突出危险区；10煤层-340m以浅区域为无突出危险区，-340m以深和岩浆岩侵入边界以外60m 范围的区域为突出危险区域。根据《煤矿瓦斯等级鉴定暂行办法》《防治煤与瓦斯突出规定》和《煤矿地质工作规定》的划分原则，卧龙湖矿的矿井瓦斯类型为“极复杂”。

5 结论

卧龙湖煤矿的编号6、7、8、10 煤层的井下瓦斯实测及间接法计算含量有较好的对比性，且均随着深度增加而增加，四个煤层的瓦斯含量不同程度地超过了《防治煤与瓦斯突出规定》规定的8m3/t，为突出煤层，因此卧龙湖煤矿鉴定为煤与瓦斯突出矿井。同时根据《煤矿瓦斯等级鉴定暂行办法》《防治煤与瓦斯突出规定》和《煤矿地质工作规定》的划分原则，卧龙湖矿的矿井瓦斯类型划为“极复杂”。