唐山矿南五区瓦斯涌出量预测及其特征分析

张 旭 朱炎铭 张建胜

（中国矿业大学资源与地球科学学院，江苏省徐州市，221008）

唐山矿南五区瓦斯涌出量预测及其特征分析

张 旭 朱炎铭 张建胜

（中国矿业大学资源与地球科学学院，江苏省徐州市，221008）

南五区为唐山矿新采区，缺少可靠性瓦斯地质资料，而该矿为高瓦斯矿井，因此需要对其瓦斯地质特征进行研究。本文结合矿井地质特征，运用邻近区已开采工作面实测瓦斯涌出量资料，采用分源预测法和地质统计法对南五区5＃、8＃和9＃煤层瓦斯涌出量分别做了预测。预测结果表明：煤层瓦斯涌出量随着埋深的增加明显增大，5＃煤层瓦斯涌出量由3m3／t增加到6m3／t，8＃和9＃煤层瓦斯涌出量由5m3／t增加到7m3／t。

瓦斯涌出量 分源预测法 唐山矿

1 矿井地质概况

唐山矿井田构造极为复杂，具有多期次、多性质、多方向和多级别的特点。由于受中－新生代区域构造应力场的作用，不仅受到了不同期构造的强烈改造与叠加，而且对煤层的厚度和赋存状态产生了较强烈的改造作用。南五区作为唐山矿重要的煤炭生产接续区，复杂的地质构造及瓦斯分布的不确定是制约该处煤炭安全生产的重要因素。南五区为新区，缺少可靠性瓦斯资料，需要对其瓦斯地质特征进行研究。

1.1 矿井构造

唐山煤矿分布在开平煤田的北部，是晚古生代华北聚煤区的一部分。在大地构造上处于中朝准地台燕山沉降带的东南侧，为华北断块区阴山—燕山断褶带与冀鲁断块坳陷相连接处的次级构造单元—唐山块陷之上。唐山矿地层走向为NE—SW，井田内主要构造绝大部分平行于地层走向，构造极为复杂，由北向南依次排列着FⅠ、FⅡ、FⅢ、FⅣ、FⅤ等主断层组成唐山矿断裂带，其断层走向与地层走向基本平行，见图1，其中南部边界断层FⅤ规模最大。褶皱构造发育，除东部发育的FⅢ断层以南的主向斜、背斜外，向西部还发育有岭子倾伏背斜等一系列褶曲构造。

图1 唐山矿矿井构造纲要图

1.2 埋藏—生气史

受构造作用，唐山矿煤层经历了不同埋藏过程，见图2，煤中有机质发生多次生气作用。大约到中三叠世末，煤层最大埋深约3300m，受热温度达115℃，到该期末，煤级达到气煤阶段（镜质组反射率达到0.8Ro%），煤中产生大量甲烷（第一次生气），其绝大多数逸散到围岩中进一步散失，少部分主要呈吸附态被保留在煤层中。而后，受印支运动的影响，地壳抬升，煤层埋藏变浅，原先吸附的瓦斯逐渐散失。

图2 唐山矿主煤层的埋藏—生气历史

唐山地区在燕山早—中期发育了典型的逆冲推覆构造，位于原地系统的石炭—二叠纪煤层，被推覆断层上盘地层所覆盖而再次埋深。该期末（大约100Ma）矿区主煤层埋深约达2400m，受燕山期区域岩浆活动而导致地温场异常，煤层受热最高可达150℃以上，不少地区煤达到1／3焦煤阶段（镜质组反射率达到1.3Ro%）。二次生气生成的大量甲烷补充煤中的瓦斯，煤中瓦斯主要以吸附态与游离态存在，而后地壳进一步抬升，煤中瓦斯又逐步逸散，但由于推覆构造的覆盖作用，瓦斯逸散缓慢，并使煤中瓦斯逐渐达到现今赋存状态。

1.3 矿井瓦斯地质概况

1.3.1 断层对瓦斯赋存控制

唐山矿发育的5条呈NE向平行排列的主要断层均为压性断层，不利于瓦斯的逸散。其中对瓦斯赋存控制最为明显的断裂构造为FⅢ大断层。FⅢ断层为一推覆构造，为第四系所掩盖，但FIII断层使唐山矿现今主要生产区瓦斯的逸散作用受到断层上盘地层的封盖影响，逸散速度变得十分缓慢，整体上来说有利于瓦斯的赋存。在不同的构造部位，构造对瓦斯赋存的影响也不尽相同，在靠近FIII断层滑动面的区域，由于应力较为集中，封闭性的压性断层较为发育，且有上盘岩层的封盖作用，具备有利于瓦斯赋存的地质条件；而在远离FIII断层面的区域，没有形成局部应力集中区域，地层的倾角较小，仅发育有较为宽缓的背、向斜，亦没有上盘岩层的封盖作用，瓦斯的保存条件较差，有利于瓦斯的逸散。在FⅤ断层的附近区域，受压性FⅤ断层的影响，围岩的封闭性增强，岩石相对被挤压致密，渗透性减弱，有利于瓦斯富集。

1.3.2 矿井瓦斯涌出量特征

根据唐山矿历年来开采工作面各煤层通风月报、旬报、年报统计，运用瓦斯地质统计法对全矿井的5＃、8＃和9＃煤层进行了绝对瓦斯涌出量与煤层埋深的回归分析。在回归分析的过程中，去除回采工作面出现瓦斯绝对涌出量异常的点。

通过对5＃煤层40个瓦斯涌出点的涌出量回归分析，得出标高同涌出量符合线性关系，其预测公式为：

其中拟合度R2＝0.8411，拟合程度较高，规律性明显。预测结果见图3。

图3 5＃煤层绝对瓦斯涌出量与煤层埋深关系回归分析

由于8＃煤层和9＃煤层间距较小，且两煤层在煤层顶底板岩性、埋深、构造发育程度等方面都有极大的相似之处，因此把8＃、9＃煤层放在一起，进行瓦斯涌出点的涌出量与煤层底板标高的回归分析。选取8＃、9＃煤层回采工作面43个绝对瓦斯涌出点的涌出量进行回归分析，得出公式：

其中拟合度R2＝0.8032，拟合程度较高，规律性明显，8＃、9＃煤层瓦斯涌出量预测结果见图4。

图4 8＃、9＃煤层绝对瓦斯涌出量与煤层埋深关系回归分析

从回归分析结果来看，唐山矿5＃、8＃和9＃煤层瓦斯涌出量与煤层埋深呈线性关系，即随着埋深的增大，绝对瓦斯涌出量也随之增大，规律性显著。

2 南五区瓦斯涌出量预测

2.1 南五区地质特征

南五区位于唐山矿南西部，东至井田边界，南至安机寨保护煤柱线。据钻孔资料统计，该区共有5＃、8＃和9＃3个主采煤层，煤层倾角都较大，5＃煤层为发育稳定的薄煤层，平均埋深890m左右，煤层厚度由SE－NW逐渐变薄，8＃煤层为由北向南逐渐变薄的中厚煤层，9＃煤层为由西向东逐渐变薄的中厚煤层，两煤层间距不大，平均埋深940m左右。据三维地震勘探结果统计，研究区5＃煤层共发现断层33条，以逆断层为主，断层倾向多呈NW向，少量呈SW、SE向。8＃、9＃煤层构造发育规律与5＃煤层类似，但断层数量较5＃煤层少，分别发育断层25条。

2.2 瓦斯涌出量预测

由于唐山矿生产作业区域广，构造形式多，多煤层开采，因而瓦斯涌出量因区域、构造部位及煤层的不同而有差异。

本文采用分源预测法对南五区瓦斯涌出量预测。分源预测法是以煤层瓦斯含量为基础，其实质是按照矿井生产过程中瓦斯涌出源的多少、各个涌出源瓦斯涌出量的大小来预测矿井、采区、回采面和掘进工作面等的瓦斯涌出量。

采煤工作面瓦斯涌出量计算：

式中：q采——采煤工作面瓦斯涌出量，m3／t；

q1——开采层瓦斯涌出量，m3／t；

q2——邻近层瓦斯涌出量，m3／t。

2.2.1 开采层瓦斯涌出量计算

薄及中厚煤层不分层开采时：

式中：k1——围岩瓦斯涌出系数；

k2——工作面丢煤瓦斯涌出系数，用回采率的倒数计算；

k3——采面巷道预排瓦斯影响系数；

m——开采层厚度，m；

M——开采层采高，m；

W0——煤层原始瓦斯含量，取3.0m3／t；

W0′——每吨可燃质所含原始瓦斯含量，m3／t·r；

Mad——原煤水分含量，%，根据实测平均值确定；

Aad——原煤灰分含量，%，根据实测平均值确定；

Wc——运出矿井后煤的残存瓦斯含量，取2.0m3／t。

2.2.2 邻近层瓦斯涌出量计算

式中：M——开采层采高，m；

mi——第i个邻近层开采厚度；

ηi——第i个邻近层瓦斯排放率，%；

W0i——第i个邻近层煤层原始瓦斯含量，m3／t，无实测值时参照开采层选取；

Wci——第i个邻近层煤层残存瓦斯含量，m3／t，无实测值时参照开采层选取。

根据上述方法，按照式（3）、（4）、（5）、（6）进行计算，对南五区采掘工作面瓦斯涌出量和在不同日产煤量下绝对瓦斯涌出量进行预测，结果见表1、表2和表3。表1中为最终算得预测瓦斯涌出量，中间计算q1、q2的过程省略，以表1为例，南五区5＃煤层若煤层瓦斯含量为4.00m3／t，日产煤量为400t，预测瓦斯相对涌出量为6.06m3／t，绝对瓦斯涌出量为1.68m3／min。

表1 南五区5＃煤层采用分源法计算瓦斯涌出预测结果

表2 南五区8＃煤采用分源法计算瓦斯涌出预测结果

表3 南五区9＃煤层采用分源法计算瓦斯涌出预测结果

3 瓦斯地质特征分析

通过分源预测法对南五区5＃、8＃和9＃3个煤层的瓦斯涌出量进行预测，结合矿区地质特征，将瓦斯涌出量投放到地质图上，见图5、图6和图7。

南五区瓦斯涌出量总体上随煤层埋深的增大而增加，5＃煤层瓦斯涌出量由3m3／t增加到6m3／t，8＃、9＃煤层瓦斯涌出量由5m3／t增加到7m3／t。8＃、9＃煤层瓦斯涌出量相差不大，但与5＃煤层相差明显，这是因为5＃煤层与8＃、9＃煤层之间的间距大，受地质构造、煤层埋深及煤厚等因素影响较为明显，而8＃煤层和9＃煤层间距小，煤层顶底板岩性、地质构造等相差不大，瓦斯涌出量无太大差异，但8＃、9＃煤层煤厚较5＃煤层厚，因此其瓦斯涌出量相对比5＃煤层大。对比图5、图6和图7，发现各煤层在南五区的NW翼瓦斯梯度要大于SE翼，与煤层等高线分布的间隔相符合，且分布在向斜核部附近。向斜核部瓦斯含量一般要比两翼高，因为向斜核部围岩受到强烈挤压，岩石构造、孔隙等发生变化，围岩透气性降低，不利于瓦斯逸散。煤层在向斜核部也被相对压缩，单位空间内煤的含量增高，且煤层间距变小，瓦斯相对浓度增大，瓦斯逸散量相对减少，导致向斜核部瓦斯含量相对大，瓦斯涌出量也较两翼大。

图7 南五区9＃煤层瓦斯涌出量预测等值线图

4 结论

（1）唐山矿南五区瓦斯涌出的主要影响因素是开采区煤层埋深，即随着埋深的增大，各煤层的瓦斯涌出量也明显增大，线性拟合关系显著。

（2）由于受向斜构造的影响，南五区瓦斯含量值在向斜核部较两翼大。NW翼瓦斯梯度较SE翼大。5＃煤层瓦斯涌出量随埋深的增加由3.0m3／t到6.0m3／t，8＃、9＃煤层瓦斯涌出量由5m3／t增加到7m3／t，可能是受8＃、9＃煤层厚度较大影响，瓦斯涌出量偏高。

（3）由于各煤层受其他不稳定因素影响，防止煤矿安全事故的发生，要加强瓦斯涌出量、瓦斯压力的监测，根据预测结果，参考瓦斯涌出量预测图，合理、科学地规划该区的开采生产。

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Prediction and features analysis of gas emission in Nanwu section of Tangshan Mine

Zhang Xu，Zhu Yanming，Zhang Jiansheng
（School of Resource and Geoscience，China University of Mining and Technology，Xuzhou，Jiangsu 221008，China）

Owing to the lack of reliable gas geology data about Nanwu section，a new mining area of Tangshan Mine which has high gas content，it needs a research on its gas geology features.In this paper，based on the mine geological features and measured gas emission data of the working faces in near areas，different－source predicting method and geological statistics method have been used to predict the gas emission rate of 5＃，8＃and 9＃coal seam in Nanwu section.The results show that the gas emission rate increases significantly with increasing of buried depth of coal seam：gas emission rate increases from 3m3／t to 6m3／t in 5＃coal seam but increases from 5m3／t to 7m3／t in 8＃and 9＃coal seams.

gas emission rate，different－source predicting method，Tangshan Mine

P618.118

A

张旭（1990－），男，安徽巢湖人，硕士研究生，主要从事煤与油气地质研究。

（责任编辑 张毅玲）