芦岭煤矿10 号煤层瓦斯赋存及其控制因素综合评价

杨祎超 ，徐宏杰 ，刘会虎 ，卢宏伟 ，刘 瑜 ，祝 月 ，詹北淮

（1.安徽理工大学 地球与环境学院，安徽 淮南 232001；2.淮北矿业股份有限公司 芦岭煤矿，安徽 淮北 235000）

自首次记录到煤与瓦斯突出事件以来，地下开采活动中频繁发生的煤与瓦斯突出事件严重威胁着煤矿的安全开采，掌握矿井瓦斯赋存规律是进行瓦斯有效治理的地质保障[1-4]。芦岭煤矿位于安徽省宿州市，煤与瓦斯突出是该矿一直面临的主要地质问题之一，生产中多次发生瓦斯超限。矿井10 号煤层为瓦斯突出煤层，在Ⅲ2采区掘进过程中瓦斯涌出量波动大，受地质因素影响更大，地质条件复杂。目前，较多学者开展了本煤层或工作面瓦斯涌出规律的探索[5]，并研究了相关预测方法以及浅部煤层开采对本煤层的影响关系[6-8]。芦岭煤矿目前主要针对8 号煤层开展了开采地质条件综合评价[9]、突出煤层含气差异性机制[10]、地质构造复杂程度评价等方面的研究[11-13]，分析了开采地质条件，并对井田内构造发育程度进行评价，建立了一套适应特厚高瓦斯煤层综合开放开采地质条件的评价指标体系。但是，研究区10 号煤层尚未进行大规模开采，因此缺少对10 号煤层瓦斯赋存规律的研究。基于此，以芦岭煤矿地面和井下勘查数据为基础，开展了煤层瓦斯赋存规律及其控制因素综合评价的研究，为10 号煤层巷道快速掘进和工作面安全高效回采提供瓦斯治理参考。

1 矿井地质概况

芦岭煤矿属于煤与瓦斯突出矿井，矿井包括西、中、东南3 个瓦斯地质单元。

研究区包括Ⅲ4采区和Ⅲ2采区。Ⅲ4采区西部属于西部地质单元（F7断层以西至勘探线6-7 以东），倾角为5°～20°；Ⅲ2采区以及Ⅲ4采区东部属于中部地质单元（F7断层以东至11 勘探线以西），倾角宽缓。研究区含煤地层为石炭系太原组和二叠系山西组，主要包括8、9、10 号煤层。研究区南（浅）以10 号煤层-590 m 底板等高线及F7-1断层为界；研究区北（深）以10 号煤层-800 m 底板等高线为界。

研究区煤层厚度在0.70～4.99 m 之间，平均为2.07 m，煤层倾角为8°～25°，平均14.6°。煤层宏观煤岩成分以亮煤为主，暗煤次之，属于半亮型煤。10 号煤层几乎全层为无烟煤和天然焦，镜质组为主，约占47.18%～71.01%，惰性组次之，约占9.454%～42.421%，壳质组约占3.20%～16.58%。

2 煤层瓦斯赋存规律

2.1 煤层瓦斯含量与埋深的关系

10 号煤层瓦斯含量与埋深的关系如图1。

图1 10 号煤层瓦斯含量与埋深的关系Fig.1 Relationship between gas content and buried depth of No.10 coal seam

在瓦斯风化带下限深度以下（基岩埋深），10号煤层瓦斯含量具有随埋深加大而增加的总体趋势，且Ⅲ4采区（图1（b））的瓦斯含量随埋深的增加，增幅较大。

经回归分析，瓦斯含量与埋深之间具有如下线性关系：

式中：Wdaf为煤层干燥无灰基瓦斯含量，m3/t；X为基岩下埋藏深度，m。

2.2 煤层瓦斯压力与埋深的关系

10 号煤层瓦斯压力与埋深的关系如图2。

图2 10 号煤层瓦斯压力与埋深的关系Fig.2 Relationship between gas pressure and burial depth of No.10 coal seam

10 号煤层瓦斯压力随埋深的加大而增加，不同采区增速不一致，Ⅲ4采区（图2（b））较Ⅲ2采区（图2（a））瓦斯压力梯度更大。瓦斯压力与埋深之间具有较好线性关系，Ⅲ2和Ⅲ4采区的瓦斯压力梯度分别为0.82 MPa/hm和1.10 MPa/hm。

式中：p为煤层瓦斯压力，MPa。

2.3 瓦斯含量预测

根据式（3）、式（4）瓦斯压力拟合公式与间接法瓦斯含量数据计算方法[14]，获得了研究区瓦斯含量预测等值线图，10 号煤层瓦斯含量预测等值线图如图3。

图3 10 号煤层瓦斯含量预测等值线图Fig.3 Gas content prediction contour map of No.10 coal seam

研究区瓦斯含量范围在5.09 ～10.55 m3/t 之间，瓦斯含量随瓦斯压力的增加而增大，中部与西部的瓦斯变化规律在倾向上基本一致，瓦斯含量由南到北呈逐渐增大的趋势，在深度上由浅到深逐渐增加。此外，对于该煤层而言，即使在构造相对发育的区域，其瓦斯含量仍然高于某些构造较不发育的区域。这说明该采区构造的发育并不是完全会降低该区域内的瓦斯含量，在某些情况下，反而会有利于煤层中瓦斯的解吸与保存。

2.4 瓦斯涌出量预测

基于分源预测法，开展煤层瓦斯涌出量和邻近层瓦斯涌出量预测，10 号煤层相对瓦斯涌出量预测图如图4，煤层瓦斯涌出量随煤层标高变化规律见表1。

表1 煤层瓦斯涌出量随煤层标高变化规律Table 1 Variation law of gas emission with elevation

图4 10 号煤层相对瓦斯涌出量预测图Fig.4 Gas relative emission prediction contour map of No.10 coal seam

煤层瓦斯预测涌出量范围在9.23～16.11 m3/t之间。在-600 m 标高时，中部瓦斯单元和西部瓦斯单元的煤层瓦斯涌出量分别达到9.76、12.79 m3/t；-700 m 标 高 和-800 m 标 高 时，分 别 达 到11.71、14.72、13.01、16.11 m3/t。

瓦斯涌出量在倾向上的变化规律基本相同，由南到北逐渐增大；在深度上，由浅到深瓦斯的涌出量逐渐增加。西部瓦斯单元涌出量略高于中部瓦斯单元，且西部涌出量变化梯度大于中部。

结合10 号煤层瓦斯含量预测等值线图（图3）分析，明显看出瓦斯含量越大其对应的瓦斯相对涌出量也越大，揭示煤层瓦斯含量是影响瓦斯涌出量的重要因素。

3 10 号煤层瓦斯赋存控制因素综合评价

3.1 评价理论方法

煤层瓦斯赋存控制受较多因素影响，总体分为几何类因素和安全类因素，其中几何类因素属于不可控因素，对煤层瓦斯赋存的影响占主导地位[15]。为定量描述煤层瓦斯赋存控制因素，采用模糊物元方法对10 号煤层的瓦斯赋存控制因素进行了定量预测。该方法通过模糊数学的判别准则，构建归一化矩阵。同时，基于模糊理论权重，将影响因素赋予各自的权重系数，因而能更加客观的衡量各因素的作用[16]。过程如下：先从优隶属度原则构建制约瓦斯赋存控制因素的从优隶属度模糊物元；再经标准模糊物元与差平方复合模糊物元计算，采用熵值法确定影响因子的权重；最终计算出欧氏贴近度复合模糊物元；最后通过对复合物元值的大小作图来开展煤层瓦斯赋存控制因素综合评价[17-18]。最终分为3 类（其中：CPR 为煤厚变概比）：①Ⅰ类：瓦斯压力点均小于0.74 MPa，构造较为简单，属于Ⅰ类原生煤，CPR 在0%～50%；②Ⅱ类：瓦斯压力点均在0.74～1.62 MPa，构造较复杂，属于Ⅱ类碎裂煤，CPR 在50%～75%；③Ⅲ类：瓦斯压力点均大于1.62 MPa，构造复杂，属于Ⅲ类构造煤，CPR 在75%以上。

3.2 评价因素

煤层瓦斯赋存受地应力、构造复杂程度、煤层厚度变化、顶底板条件、含夹矸层数及厚度、岩溶塌陷及岩浆侵入、瓦斯压力、埋藏深度、煤体结构等多因素共同作用[19-20]。其中地应力为主控因素，对赋存起决定性作用。地应力对煤体的地质影响表现为煤的构造复杂程度不同，即煤发生变形变位的程度不同，进而影响煤体结构。地应力越高，对煤体的破坏越强烈，因而，煤体结构强度较弱或发生破坏往往使得煤层更加复杂[21]。瓦斯的存在往往给煤炭的开采带来较大的难度，既增加了煤炭的开采成本，又可能会导致瓦斯爆炸、煤与瓦斯突出等矿井灾害[22]。芦岭煤矿自建井以来，因煤层厚度变化引发了3 次煤与瓦斯突出事故，且煤层厚度越厚，煤体瓦斯含量越高，压力越大都是引起煤与瓦斯突出的重要因素。

综合上述影响因素，确定瓦斯压力、地质构造复杂程度、煤体结构和煤层总厚度4 项因素作为定量评价芦岭煤矿10 号煤层控制因素的评价指标[23]，对10 号煤层开展瓦斯赋存控制因素评价。

3.3 评价因素分析

3.3.1 瓦斯压力

研究区瓦斯压力与煤层深度具有良好的拟合关系，Ⅲ2采区、Ⅲ4采区分别满足式（3）、式（4），总体呈线性趋势，随深度递增。分别选择瓦斯压力小于0.74 MPa、0.74～1.62 MPa 及大于1.62 MPa 3 个区间作为区别3 类采区的参数指标[24]。根据探测数据点作图，10 号煤层瓦斯压力分布如图5。

图5 10 号煤层瓦斯压力分布Fig.5 Gas pressure distribution of No.10 coal seam

由图5 可知，10 号煤层部分测点的瓦斯压力均大于或等于0.74 MPa，属于Ⅱ、Ⅲ类区域。对瓦斯压力大于或等于0.74 MPa 的测点数进行统计，结果表明：10 号煤层瓦斯压力高于0.74 MPa 的测点数占总测点数的41.24%。

3.3.2 构造复杂程度

地质构造是引起煤层赋存状态复杂的重要因素之一，其主要体现为断裂和褶皱[25]。研究区断层共计108 条，正断层64 条，逆断层44 条，断层落差大于10 m 的有26 条，这对矿井瓦斯赋存的影响程度较大。研究区倾向和走向玫瑰花图及倾角直方图如图6。

图6 研究区倾向和走向玫瑰花图及倾角直方图Fig.6 Rose diagrams of mining area tendency and strike and histograms of inclination angle

由图6 可以看出：Ⅲ2采区走向以NE-NW 向为主，N 向次之，断层倾角相对较大，以40°～70°为主，断层东倾西倾各半；Ⅲ4采区走向以NW-N向为主，EW-NEE 向次之，倾角相对较大，以40°～70°为主，断层东倾略大于西倾，以NE-E 向为主，NWW-W 向次之。

10 号煤层断裂分维分布如图7，10 号煤层褶皱分维分布如图8。

图7 10 号煤层断裂分维分布Fig.7 Distribution of fault fractal of No.10 coal seam

图8 10 号煤层褶皱分维分布Fig.8 Fractal dimension distribution of folds in No.10 coal seam

矿区发育有许多次级小褶皱以及小断层，瓦斯含量呈现宿东向斜轴部较高，沿着向斜两翼浅部逐渐降低，同时低次级褶皱进一步影响局部瓦斯含量的赋存状态。矿区断裂构造以斜切断层为主，断层的力学性质在多期地质改造过程中多带有压性或压扭性，所以推测断裂带附近常为瓦斯富集区。

褶皱评价指标难以确定，褶皱虽影响煤层空间产状，却没有破坏其连续性和完整性，对煤层的影响主要体现在走向以及倾向上倾角的起伏变化[26-27]。构造复杂程度采用断裂分维值和褶皱分维值表示。断裂分维值评价指标选择相似维，先将网格边长设为r0，对断层进行覆盖，统计其中包含断层痕迹的网格数N(r)，逐渐缩小网格，使ri=r0/2i，得出相应的N(ri)，做出拟合直线：lnN(r)=a+blnr，得出分维值Ds[28]。褶皱分维值定量表征了构造应力场下层状岩层发生褶皱变形程度[29]，与褶皱发育程度存在较好的对应关系，由井田内断裂情况确定。通过褶皱分维值的分布可直观反映井田范围内褶皱发育程度。

3.3.3 煤体结构

井下观测煤层顶板与底板均为粉砂岩，巷道所见煤厚约3.35 m，整体可以看清条带状结构，但局部有较破碎的地方，中部有1 层似断泥糜棱煤，向两边逐渐过渡为正常煤。10 号煤层1#钻孔测井曲线图如图9。

图9 10 号煤层1#钻孔测井曲线图Fig.9 Logging curves of 1# hole in No.10 coal seam

由图9 可以看出，煤层厚为3.41 m，选取辨识度高的4 条曲线，三侧向电阻率、双收时差、自然伽马以及人工伽马[30]，根据4 条测井曲线在同一煤层中不同幅值对比，可以划分出相应的分界线和相对幅值大小。自上而下分为4 层，第1层与第3 层中，三侧向电阻率为高幅值，且峰顶圆滑，人工伽马曲线幅值高且峰顶为近水平锯齿状，根据龙王寅等[31]对两淮煤田不同结构类型测井曲线形态特征的描述，可判识为Ⅰ类原生煤；第2 层与第4 层中，三侧向电阻率幅值明显降低，人工伽马仍为高幅值，可判识为Ⅲ类构造煤。由于10 号煤层所处层位较低，其灰分含量较少，所以伽马值整体偏高。

3.3.4 煤层厚度

为定量分析煤层厚度，采用煤厚变概比定量表征煤厚变化。其为变异系数与煤层可采概率的百分比值[19]。变概比CPR 计算公式为：

式中：Cv为煤层变异系数，取24.52%；P{α ≤x≤β}为MATLAB 计算出的煤层可采概率。

因此，变概比越大煤层复杂程度越高，变概比对煤层影响的分级分析见表2。

表2 变概比对煤层影响的分级分析Table 2 Classification Analysis of coal seam effected by CPR

3.4 评价结果

据研究区范围，基于模糊物元方法划分了30个网格单元，并对每个网络单元进行编号；分别统计、计算每个网格单元中各影响因素的测定值。综合10 号煤层瓦斯赋存的影响因素，对不同的网格单元因素进行定量化评价，10 号煤层的分类评价预测网络划分如图10。

图10 10 号煤层的分类评价预测网络划分Fig.10 Divided prediction network about classification evaluation of No.10 coal seam

选取5 个评价影响因素，10 号煤层瓦斯控制因素评价临界值见表3[24]。

表3 号煤层瓦斯控制因素评价临界值Table 3 Critical values about control factors evaluation of No.10 coal seam

根据模糊物元评价方法步骤中计算公式[16]，得出欧氏贴近度ρHj。根据表3 中10 号煤层瓦斯控制因素评价的临界值，采用模糊物元评价方法计算出Ⅰ类区域与Ⅱ类区域、Ⅱ类区域与Ⅲ区域的临界欧氏贴近度ρH临界1 和ρH临界2，其结果分别为0.202、0.372。依据表3 中计算结果，绘制的10 号煤层控制因素分类预测分布图如图11。

图11 10 号煤层的控制因素分类预测分布Fig.11 Predictive distribution about control factors of No.10 coal seam

由图11 可以看出：Ⅱ类和Ⅲ类区域集中分布于研究区的东北部，占据了矿井的大部分区域；而Ⅰ类区域只占据了矿井的西南小部分。

4 结 语

1）10 号煤层瓦斯含量、瓦斯压力及瓦斯涌出量随着煤层埋深的增加而增大，且瓦斯含量与瓦斯压力越大，瓦斯涌出量也越大，其范围在9.23～16.11 m3/t，呈现出西部煤层瓦斯涌出量高于中部煤层瓦斯涌出量，且东北深部瓦斯涌出量最大的特点。

2）基于模糊物元方法，选取瓦斯压力、构造复杂程度、煤体结构和煤层厚度4 个因素，对10号煤层瓦斯赋存控制因素进行评价研究，划分3类区域。其中，Ⅰ类区域占16.28%，Ⅱ类区域占37.36%，Ⅲ类区域占总面积的46.36%；并且呈现出东北深部地区多为Ⅱ类、Ⅲ类区域，西南浅层地区多为Ⅰ类区域的特征。