矿井瓦斯涌出量影响因素分析

朱士飞，秦云虎，徐田高

(江苏地质矿产设计研究院，江苏 徐州 221006)

矿井瓦斯涌出量影响因素分析

朱士飞，秦云虎，徐田高

(江苏地质矿产设计研究院，江苏 徐州 221006)

矿井瓦斯涌出量是受多因素综合影响的参数。地质构造、煤化作用、煤层厚度变化以及煤体结构均影响着瓦斯的涌出。矿井地质构造是控制瓦斯涌出的主导地质因素，其主要类型、规模、性质、疏密程度、排列组合以及构造部位等差异，对瓦斯涌出有不同程度的影响。在煤化作用过程中，瓦斯不断产生，而煤层瓦斯的伴生量直接依赖于煤化变质程度，故变质程度越高，产生的瓦斯量就越多。

瓦斯涌出量;地质构造;煤层厚度;煤化作用;煤体结构

1 概述

矿井瓦斯来源大致可归为3个方面(张子敏等，2005;L W Gwrba et al，2001，M Gatens，2005):煤(岩)层和地下水释放出来;化学及生物化学作用产生;煤炭过程中产生。影响煤与瓦斯涌出(突出)的因素多而且复杂，既包括各种地质因素，又包括非地质因素。

2 控制煤与瓦斯涌出的地质因素

2.1 地质构造对瓦斯涌出的影响

瓦斯(煤层气)形成和保存的地质因素奠定了瓦斯涌出(突出)的物质基础。矿井地质构造是控制瓦斯涌出的主导地质因素(M Gatens，2005;刘新荣等，2006)。地质构造的类型、规模、性质、疏密程度、排列组合以及构造部位等差异，对瓦斯涌出有着不同程度的影响。

2.1.1 煤层产状对瓦斯涌出的影响 在煤岩层走向、倾向或倾角突然变化的部位多属于应力集中的块段，应力变化梯度大，有利于瓦斯的涌出。

随着煤层倾角及其变化的增大，煤层瓦斯涌出量也随之增加。分析认为主要有以下原因:(1)煤层的透气性具有各向不均匀性，即煤层顺层方向的透气性比垂直层面方向的透气性大。(2)煤层倾角大，有利于采后冒落，垮落高度增大，卸压影响范围大，有利于邻近层瓦斯涌向采空区进而流向工作面。(3)瓦斯是一种气体，它以游离或吸附状态存在于煤(岩)层中。它总是从瓦斯压力高的地方流向瓦斯压力低的地方。在相同深度、相同压力下，煤层倾角越大，则瓦斯逸散的阻力相对较小，不利于瓦斯的保存。因此，煤层倾角在不同的地段，在其他有关因素相互制约下，对瓦斯涌出起着不同的作用。

2.1.2 断层对瓦斯涌出的影响 断层的影响是多方面的，特别是断裂类型，对煤层的完整性、煤体结构、煤的显微特征和煤的孔渗性有不同程度的影响，也影响着瓦斯的逸散和保存。

断层附近，由于在煤层及其顶底板岩层中产生了一系列构造裂隙，断层密度、断层规模以及断层类型均影响着瓦斯的涌出量。刘新荣等(2006)统计了某矿1122工作面5个块段的小断层密度，同时在断层处实测瓦斯涌出量，经回归分析拟合出小断层密度与瓦斯涌出量的线性关系(图1)。

正断层为开放性型，封闭性差，断层面为开放性，成为瓦斯运移的通道。逆断层多属于压性、压扭性，封闭性能好，瓦斯气体难以透过断层面运移，同时，逆断层断层面附近成为构造应力集中带，可加大煤层压力，使气体吸附量增大。对于规模较大的断层，若断层落差较大，断层错位破碎带较宽，均有利于瓦斯的逸散。所以，早期的构造活动中瓦斯得到大量逸散，到该处煤层开采时，瓦斯涌出量相对较少。

图1 瓦斯涌出量与小断层关系图(刘新荣等，2006)

2.1.3 褶皱对瓦斯涌出的影响 煤田次级褶皱越发育，煤层瓦斯涌出量越大。在褶皱构造中，瓦斯向背斜构造的轴部及其附近利于流动部位易发生瓦斯涌出突出。当背斜的轴部及其附近张性断裂比较发育，或者轴部受到侵蚀时，则成为煤层瓦斯排放的通道，这时在褶皱构造的翼部和向斜的轴部煤层的瓦斯含量就比较高，易于发生瓦斯涌出。由于平行煤层及围岩层面方向的渗透性能远大于垂直层面方向，因而倾角比较平缓的褶皱一翼比倾角陡急一翼煤层瓦斯含量高，瓦斯突出危险性也就比较大(L W Gurba et al，2001)。

2.1.4 陷落柱对瓦斯涌出的影响 据沈慰安等(2008)研究，陷落柱形成过程中使周围的煤、岩层因柱体向下塌陷，周围产生大量的张性节理，从而有利于煤层瓦斯向外排放导致瓦斯浓度升高(通常要将陷落柱分为导水与不导水。不导水的，可能你的论述还有道理，但如是导水的，瓦斯涌出量相对较低)。

2.2 煤层厚度变化对瓦斯涌出的影响

煤层是瓦斯生成与储集的场所，也是发生瓦斯涌出的物质基础。煤层厚度影响着瓦斯生成量，是原始沉积条件的差异和后期构造运动的结果。煤层厚度变化的梯度在一定程度上反映了瓦斯变化的梯度，影响着瓦斯的涌出。瓦斯涌出量与煤层厚度关系较为密切，厚度大，开采时相应瓦斯涌出量也大。

2.3 煤化作用对瓦斯涌出的影响

煤化作用机理对煤储层含气性演化起着重要控制作用(W H Somerton，1975;秦勇等，1999)。在中低变质阶段的烟煤，煤中气体的扩散能力强，气体解吸率高，反映了煤中气体渗透性好。高煤级煤气体解吸速度慢，吸附时间长，渗透性较差。从更宽的演化角度来看，以镜质组最大反射率4%为分划性界线，煤化作用早—中期为“煤层气生成—吸附性增强—煤层气储集”阶段，煤化作用后期则为“生成作用停止—吸附性消失—煤层气残留或逸散”阶段，这是镜质组反射率大于5.0%的地区煤层含气量极低的根本性地质原因(图2)。

图2 中国煤层含气量随煤级的演化趋势图

2.4 煤体结构对瓦斯涌出的影响

煤的抗压、抗张和抗剪强度只是泥岩的几分之一，不足砂岩和灰岩的十分之一，与上覆和下伏岩层相比，煤对应力和应变环境特别敏感，因此，在不同的应力－应变环境和构造应力作用下煤层易发生破碎以及韧塑性变形和流变迁移，从而煤层内部的某些分层，甚至全煤层成为碎粒状、鳞片状或糜棱状。焦作瓦斯研究所把煤层在后期改造中所形成的结构称为煤体结构(张子敏等，2005)。

按照煤在构造作用下的破碎程度，可将构造煤主要分为碎裂煤、碎粒煤、粉粒煤和糜棱煤4种类型(张子敏等，2005)。杨其銮等(1986)研究了煤的瓦斯解吸特征，煤的破坏类型越高，解吸指数越大。正是由于构造煤是地质构造强挤压、剪切作用的产物，它含有极发育的细小剪切面，疏松多孔，能储存大量的高压瓦斯，具有高吸附瓦斯的能力和快速解吸瓦斯的能力，是造成煤与瓦斯突出的内在原因。

2.5 水文地质条件对瓦斯涌出的影响

秦胜飞等从地下水活动性的角度，强调了甲烷水溶性对瓦斯聚散的控制作用(A D Alexeev et al，2004)。傅雪海在总结国内外涉及瓦斯(煤层气)与水文地质因素的基础上，认为水文地质对煤层气的控制作用之一就是水文地质影响煤层气的运移和富集(傅雪海等，2005)。

不同构造单元、不同地区、不同含煤盆地，其水文地质条件复杂多样，在层序上存在第四系松散沉积物孔隙含水层、煤系地层孔隙－裂隙含水层、煤系碳酸盐及其下伏岩溶含水层3类含水层，但不同时代煤盆地含水层的主次不同，3类含水层之间的水力联系程度不同，同一含煤盆地不同地貌单元、不同构造样式、不同构造部位，地下水的补、径、排条件不同，对瓦斯的运移—逸散或封闭的能力亦差异明显。通常情况下，甲烷在水中的溶解度很低，但地下水径流是一个连续的动态过程，径流强度对瓦斯的逸散有重要影响。前人研究认为，水动力封闭有利于瓦斯的吸附及富集，而交替活跃的水动力条件将打破吸附与溶解和游离气之间的平衡，使吸附气逐渐减少，从而影响瓦斯的保存。在其水动力活跃的地区，瓦斯保存条件差，瓦斯贫乏，在水动力滞留区则瓦斯富集(傅雪海等，2005;V C Lling，1933)。

3 控制煤与瓦斯涌出的非地质因素

在一定的深度范围内，煤层瓦斯含量随埋藏深度的增大而增大。在我国目前的开采技术条件下，开采深度越深瓦斯涌出量也就越大。在相似的瓦斯地质条件下，开拓与开采范围大、产量高的矿井水平和采区其绝对涌出量相对来说比较大。当开拓与开采达到一定范围，产量达到一定水平之后，矿井相对瓦斯涌出量达到一定数量后变化不大。在生产工艺和瓦斯地质条件基本相似的条件下，随着产量的增减，矿井绝对瓦斯涌出量有明显的增减(杨勇等，2005)。

矿井开采时瓦斯的涌出地点即瓦斯涌出源。瓦斯涌出源的多少及其涌出量的大小，直接影响矿井瓦斯涌出量。矿井采煤工作面的瓦斯来源主要由3个部分组成:一是开采煤层的瓦斯涌出，二是邻近层煤层瓦斯涌出，三是生产采面采空区瓦斯涌出。矿井瓦斯浓度显然与开采深度、开拓和开采范围、矿井产量以及工作面个数、长度、开采顺序、落煤方式以及推进速度等因素的影响，上述参数的改变都会使工作面瓦斯涌出量发生变化(张子敏等，2005;叶建平等，1998;宋振琪，2003)。

高瓦斯或突出矿井中瓦斯以承压状态存在于煤层中，当回采、掘进、打钻等开采工作破坏了煤层中原有的瓦斯压力平衡后，煤层局部卸压产生膨胀变形，原有的天然裂缝和大孔隙张开，并形成新裂缝，由此增加煤体的渗透能力和透气性，提高瓦斯解吸能力与排放强度，导致瓦斯产生由高压区向低压区的流动，从而引发瓦斯涌出。

煤矿井下采矿工作会使煤层所受应力重新分布，造成次生透气性结构。同时，矿山压力可以使煤体透气性增高或降低。其表现为在卸压区内透气性增高，集中应力带内透气性降低。因而采矿工作会使煤层瓦斯赋存状态发生变化，具体表现为在釆掘空间中瓦斯涌出量的忽大忽小。如开采上、下保护层时，地应力重新分配，在保护层范围内，煤(岩)体透气性增大，煤体中的瓦斯大量释放，导致瓦斯赋存状态发生很大的变化，表观为保护层本身的开采过程中，瓦斯涌出量的增大，从而使邻近被保护层中的瓦斯得到释放(杨勇等，2005;宋振琪，2003;李宗翔，2004;吕国金等，2000)。

4 结语

(1)矿井地质构造、煤化作用、煤层厚度变化以及煤体结构均影响着瓦斯的涌出。矿井地质构造是控制瓦斯涌出的主导地质因素。地质构造的类型、规模、性质、疏密程度、排列组合以及构造部位等差异，对瓦斯涌出有不同程度的影响。煤层厚度影响着瓦斯生成量，是原始沉积条件的差异和后期构造运动的结果。煤层厚度变化的梯度在一定程度上反应了瓦斯变化的梯度，影响着瓦斯的涌出。瓦斯涌出量与煤层厚度关系较为密切，厚度大，开采时相应瓦斯涌出量也大。在煤化作用过程中，瓦斯不断产生，而煤层瓦斯的伴生量直接依赖于煤化变质程度，故变质程度越高，产生的瓦斯量就越多。由于煤结构比较破碎，煤颗粒粒间微裂隙也易于积存较多自由状态的瓦斯分子，储集瓦斯的空间也相对增加。

(2)煤层中原有的瓦斯压力平衡受采动影响，煤层局部卸压产生膨胀变形，原有的天然裂缝和大孔隙张开，并形成新的裂缝，由此增加煤体的渗透能力和透气性，提高瓦斯解吸能力与排放强度，导致瓦斯产生由高压区向低压区的流动，从而引发瓦斯涌出，使矿井瓦斯涌出量增大。

傅雪海，秦勇，韩晓训，等.2005.煤层气运聚与水文地质关系研究述评［M］//宋岩，张新民.煤层气成藏机制及开采理论基础.北京:科学出版社.

刘新荣，鲜学福.2006.煤层瓦斯涌出量与若干地质因素之间的关系探讨［J］.矿业安全与环保，33(1):66－67.

李宗翔.2004.采空区开区移动瓦斯抽放的数值模拟［J］.中国矿业大学学报，33(1):74－78.

吕国金，赵万旭，运宝珍.2000.影响综放面瓦斯涌出量的相关因素探析［J］.煤矿安全，12(12):32－34.

秦勇，傅雪海，叶建平.等.1999.中国煤储层岩石物理学因素控气特征及机理［J］.中国矿业大学学报，28(1):14－19.

沈慰安，常胜秋，王鹏越.2008.基建矿井巷道掘进瓦斯涌出研究与治理［J］.能源技术与管理，5:1－2.

宋振琪.2003.煤矿重大事故预测和控制的动力信息基础的研究［M］.北京:煤炭工业出版社.

叶建平，秦勇，林大杨.1998.中国煤层气资源［M］.北京:中国矿业大学出版社.

杨其銮，王佑安.1986.煤屑瓦斯扩散理论及其应用［J］.煤炭学报，(3):87－93.

杨勇，王乔文.2005.影响矿井瓦斯涌出量的因素［J］.内蒙古煤炭经济，(4):93－95.

张子敏，张玉贵.2005.瓦斯地质规律与瓦斯预测［M］.北京:煤炭工业出版社.

ALEXEEV A D，ULYANOVA E V，STARIKOV G P，et al.2004.Latent methane in fossil coals［J］.Fuel，83(10):1407－1411.

GURBA L W，WEBER C R.2001.Effects of igneous intrusions on coalbed methane potential，Gunnedah Basin，Australia［J］.International Journal of Coal Geology，46:113 － 131.

GATENS M.2005.Coalbed methane development:Practices and progress in Canada［J］.Journal of Canadian Petroleum Technology，44(8):16 －21.

LLING V C.1933.The Migration of Oil and Natural Gas［J］.J Instn Petrol Technol(now:J Tnset Petrol)，19(4):229－260.

SOMERTON W H.1975.Effect of stress on permeability of coal［J］.Int J Rock Ech Min Sci，(12):129 － 145.

Affecting factors analyses on mine gas emission

ZHU Shi-fei，QIN Yun-hu，XU Tian-gao

(Jiangsu Institute of Geology and Mineral Resources，Xuzhou 221006，Jiangsu)

The mine gas emission rate was a parameter restricted by many factors，such as the structure in coal seam，carbonification，thickness variation and coal body structure.The coal seam structure was a leading geologic factor that controlled mine gas emission.The variation of coal seam thickness，which was attributed to different sedimentary microfacies and later tectonic movement，was of effect on the generation and preservation of coal bed methane.Particularly for the structure in coal seam，whose characters，conditions and causes of formation，failure mechanism，space patterns，scales，were of influence on mine gas emission in different degree.

Gas emission rate;Geological structure;Coal seam thickness;Carbonification;Coal structure

TD263

A

1674－3636(2011)01－0086－04

10.3969/j.issn.1674-3636.2011.01.86

2010－09－07;

2010－09－13;编辑:侯鹏飞

朱士飞(1976—)，男，工程师，博士，主要从事地质矿产开发研究工作，E-mail:shfzhu@163.com