瓦斯地质工作在煤矿瓦斯预测中的应用与探讨

张卫民

（太原市矿山设计研究院，山西 太原 030000）

·专题综述·

瓦斯地质工作在煤矿瓦斯预测中的应用与探讨

张卫民

（太原市矿山设计研究院，山西 太原 030000）

为深入推进煤矿瓦斯防治工作，在整理煤矿多年地质勘探、开采和测试揭露的瓦斯地质资料的基础上，利用瓦斯地质和瓦斯治理研究成果，揭示煤矿瓦斯地质规律，为瓦斯灾害治理和资源开发利用提供基本依据，并对在预测过程中遇到的一些问题做有益的探讨。

煤矿瓦斯；埋藏深度；矿井瓦斯预测

武甲煤矿位于山西省阳城县北西部、沁水煤田沁水普查区的南部，行政区隶属阳城县芹池镇、沁水县城关镇管辖。

该矿井至今尚未开采，一直处于基建、地质勘探（精查）期间，山西省地质矿产勘查开发局212地质队对武甲井田3＃煤层进行过10孔次的瓦斯含量测定。井田内施工的10个钻孔共采瓦斯样12个，其中3＃煤层10个，15＃煤层2个，各煤层瓦斯含量及瓦斯成分测定结果见表1。

表1 各煤层瓦斯含量及成分表

2004年6月，武甲煤矿在距离ZK3-l约50m的西南方向施工了一个地面检查孔，并委托河南理工大学对所施工的检查孔进行了3＃煤层瓦斯含量实测，测值为16．87m3／t·daf，3＃煤层瓦斯含量实测结果见表2。

表2 3＃煤层瓦斯实测结果表

1 瓦斯地质资料的整理和分析

本井田位于沁水块坳的南部，地层总体受一组宽缓褶皱控制，褶皱轴向北东东，倾伏角5°～8°，两翼地层倾角一般为5°～10°，局部为12°～14°。仅井田北部边缘发育一小型正断层，其余地段未见断层、陷落柱和滑塌构造，地质构造简单。根据煤科院抚顺分院提出的分源预测法计算得矿井3＃煤层相对瓦斯涌出量最大为11．16m3／t。

据阳城县煤炭局1997—2000年度煤矿瓦斯鉴定报告，与其井田矿界相连且同开采3＃煤层的相邻竹林山、油坊头、羊泉、伯附、沟沟等煤矿，矿井均为高瓦斯矿井，可见由于在本构造带上的整个井田内各矿井瓦斯涌出均较大，在该褶皱两侧由于受到顶底板的“密闭”作用，形成明显的瓦斯富集带。

根据该报告也可知：3＃煤层的瓦斯主要来自本煤层，因此，褶皱对该矿井瓦斯影响较大。

煤层围岩的隔气性和透气性能直接影响到瓦斯的保存条件。顶底板泥岩的厚度是直接反映煤层围岩透气性的一项瓦斯地质指标。孔隙与裂隙发育的砂岩、砾岩和灰岩的透气系数非常大，一般比致密而裂隙不发育的页岩、泥岩等岩石透气系数高出上万倍。

该矿井顶底板岩性，现根据钻孔资料对井田内3＃煤层顶底板条件进行了测试。其3＃煤层伪顶一般为黑色薄层状泥岩，水平层理十分发育，富含植物化石，厚度0～0．19 m，极不稳定，随着煤层开采而向下冒落。直接顶：为灰、灰白色中厚层之中粒砂岩夹泥岩，钙质胶结，分选一般，含有泥岩包裹体，斜层理明显，裂隙不太发育，厚3．05～13．55 m，岩石见水极易膨胀跨落，个别地段的直接顶为细粒砂岩及粉砂岩。据邻近侯甲煤矿岩石物理力学性质检验报告3＃煤顶板天然状态和饱和状态抗压强度分别为20．1 MPa和9．8 MPa，抗拉强度为1．82 MPa；底板为深灰色泥岩、粉砂质泥岩，厚度约为6．5 m，含有植物根、茎化石及炭质碎屑。底板天然状态和饱和状态抗压强度分别为26．3 MPa和12．2 MPa，抗拉强度为1．34 MPa。

从上述试验数据可以看出，3＃煤层顶底板岩石属软质岩石。其透气系数非常小，煤层围岩的透气性能比较小，有利于瓦斯的保存。

山西省地质矿产勘查开发局212地质队对武甲井田3＃煤层进行过10孔次的瓦斯含量测定，测定结果见表3。

表3 地勘期间瓦斯含量测定汇总表

从武甲分公司和邻近矿井获得的煤层瓦斯含量来看，武甲分公司3＃煤层瓦斯含量分布存在着受煤层埋藏深度控制的基本特征，两者之间的散点关系见图1。

图1 3＃煤层瓦斯含量与煤层埋藏深度散点关系图

经回归分析，瓦斯含量（X）具有随埋藏深度（H）增大而加大的整体趋势，两者之间具有如下形式的线性统计规律（相关系数R2=0．882 3）：

式中：

W—煤层瓦斯含量，m3／t·r；

H—煤层埋藏深度，m。

由式（1）可以得出：3＃煤层的瓦斯梯度为3．98 m3／t·r／100 m。其瓦斯含量随上覆岩层厚度（埋深）增加而增加，但其相关系数较低。

通过以上分析，找出了影响煤层瓦斯含量的不同因素。煤层瓦斯含量分布规律简单归纳如下：

1）煤层瓦斯含量随埋藏深度增加而增加。2）顶底板围岩特征对瓦斯赋存的影响较大，3＃煤层顶底板岩石属软质岩石。其透气系数非常小，煤层围岩的透气性能比较小，有利于瓦斯的保存。3）本矿无岩浆岩，煤层瓦斯含量与岩浆岩无关。4）含煤地层及其周围的含水地层和导水通道，都可能成为瓦斯运移的通道；含水地层含水量不足时，其中的气体成分容易与含煤地层中的瓦斯发生成分置换，降低煤层瓦斯中CH4的含量。

说明煤层埋藏深度是影响瓦斯含量变化（或瓦斯赋存）的主控因素，其次为煤层上覆岩层岩性及区域及井田地质构造。

据此可近似推测瓦斯含量分布趋势如下：

煤层埋藏深度332 m处的煤层瓦斯含量趋势值是14 m3·t-1；

煤层埋藏深度382 m处的煤层瓦斯含量趋势值是16 m3·t-1。

2 矿井瓦斯涌出量预测

瓦斯涌出量的大小主要取决于下列自然因素和开采技术因素：煤层和围岩的瓦斯含量、开采规模、采煤方法等。

根据安全生产行业标准《矿井瓦斯涌出量预测方法》（AQ1018-2006），因该矿属基建矿井，至今未进行生产，采用分源预测法对武甲分公司矿井瓦斯涌出量进行预测。

分源预测法的技术原理：根据煤层瓦斯含量和矿井瓦斯涌出的源汇关系，利用瓦斯涌出源的瓦斯涌出规律并结合煤层的赋存条件和开采技术条件，通过对回采工作面和掘进工作面瓦斯涌出量的计算，达到预测采区和矿井瓦斯涌出量的目的。

综掘工作面瓦斯涌出量预测结果见表4。普掘工作面掘进煤量为85 t／天，瓦斯涌出量为初期2．77 m3／min，中期3．10 m3／min，后期3．10 m3／min。

表4 采区瓦斯涌出量预测结果表

生产初期（一采区）3＃煤层生产时，矿井相对瓦斯涌出量为20．07 m3／t，绝对瓦斯涌出量为44．84 m3／min；生产中期（二采区）3＃煤层生产时，矿井相对瓦斯涌出量为25．986m3／t，绝对瓦斯涌出量为58．09 m3／min；生产后期（三采区）3＃煤层生产时，矿井相对瓦斯涌出量为25．02 m3／t，绝对瓦斯涌出量为55．95 m3／min。

综上所述，武甲分公司在开采3＃煤层时，无论哪个采区开采，矿井最大相对瓦斯涌出量都将大于10 m3／t。因此，按照《煤矿安全规程》第133条的规定，武甲分公司预测都属于高瓦斯矿井。

3 总 结

1）地勘期间所测10个瓦斯含量值存在甲烷成分低（部分）、瓦斯含量严重偏低的问题，不能作为矿井瓦斯涌出量预测和瓦斯治理的依据。

2）该矿3＃煤层围岩的透气性不好，3＃煤层瓦斯含量均大于8 m3／t，都处于高瓦斯区。本矿井瓦斯资源量约1 977．8 Mm3。储量丰度为1．26×108m3／km2，本井田气藏分类为浅型，储量规模为小型，地质储量丰度为中型。

3）通过检查孔和部分邻近生产矿井井下实测，共获得了可用于武甲井用3＃煤层瓦斯含量分布规律分析的10个合格的瓦斯含量实测值；从检查孔和邻近生产矿井采集煤样气体成分分析结果来看，武甲井田3＃煤层不存在瓦斯风化带，全部处于甲烷带内，甲烷成分均预测高于90%。

4）3＃煤层瓦斯含量（X）具有随埋藏深度（H）增大而加大的整体趋势，两者之间具有如下形式的线性统计规律W=0．039 8H+0．781 1（相关系数R2= 0．882 3）：增长梯度3．98 m3／t·daf；根据埋藏深度和瓦斯含量之间的统计规律，绘制了武甲分公司3＃煤层瓦斯地质图。

5）矿井达产以后，矿井各生产时期的瓦斯涌出量预测结果为：初期，绝对瓦斯涌出量44．87 m3／min、相对瓦斯涌出量20．07 m3／t；中期，绝对瓦斯涌出量58．09 m3／min，相对瓦斯涌出量25．98 m3／t；后期，绝对瓦斯涌出量55．95 m3／min、相对瓦斯涌出量25．02 m3／t。

按照《煤矿安全规程》第l33条的规定，无论是生产前期、中期还是后期，武甲煤矿预测都属于高瓦斯矿井。

4 地勘期间瓦斯含量测定数据的分析探讨

经回归分析，瓦斯含量（X）与其埋藏深度（H）线性统计规律很不明显，瓦斯含量测值离散性很大，而武甲井田地质构造以褶曲为主，仅在井田北部边缘发育一条小型断层，煤层没有露头。在这样的构造背景和瓦斯地质条件下，煤层瓦斯含量定性分析，其必定具有随埋深增加而加大的总体趋势。由此可以推断地勘钻孔瓦斯含量测定在某个环节（取芯、试样密封等）出现了误差或错误。经分析地勘钻孔瓦斯含量测定资料可能存在如下问题：

1）测值严重偏低。邻近生产矿井瓦斯含量实测结果显示，尽管埋深浅于武甲井田，但煤层瓦斯含量已普遍高于8 m3／t·daf。武甲井田10个地勘瓦斯含量测值中，最大值仅为7．28 m3／t·daf，最小值为2．18 m3／t·daf，与该区生产矿井瓦斯含量分布实际情况出入较大。2004年6月，武甲煤矿在距离ZK3 -l约50m的西南方向施工了一个地面检查孔，并委托河南理工大学对所施工的检查孔进行了3＃煤层瓦斯含量实测，测值为16．87 m3／t·daf，约为ZK3-1勘探钻孔瓦斯含量测值（4．40 m3／t·daf）的3．8倍。由此可见，地勘钻孔所测瓦斯含量严重偏低。

2）部分试样甲烷（CH4）成分偏低。武甲井田邻近矿井井下实测结果显示，3＃煤层甲烷成分普遍高于90%，甲烷成分极少低于90%。考虑到武甲井田3＃煤层平均埋深较邻近生产矿井还要大100～150 m，因此，3＃煤层甲烷成分至少不会低于90%。2004年6月，河南理工大学在武甲井田检查孔（位于ZK3-1西南方向约50 m处）测试了3＃煤层瓦斯成分，结果显示煤层甲烷成分率达97．03%。从表3可以看出，ZKl-1、ZK2-1和ZK3-1的试样甲烷成分小于85%，不能代表煤层原始成分，表明试样（特别是ZK2 -1试样）在实验室分析之前存在严重的漏气现象。

通过分析，认为所测10个地勘瓦斯含量值均不可信，不能作为矿井瓦斯涌出量预测的依据。

［1］ 山西省地质矿产勘查开发局二一二地质队．山西省沁水煤田武甲井田勘探（精查）地质报告［R］．太原：山西省地质矿产勘查开发局，2002．

［2］ 煤炭科学研究总院沈阳研究院，阳泉煤科瓦斯治理工程项目部．山西晶鑫实业股份有限公司武甲煤矿矿井瓦斯抽放初步设计［R］．沈阳：煤炭科学研究总院沈阳研究院，2009．

［3］ 王玉武，牛德文．沁河、芦苇河流域高瓦斯矿井3号煤层瓦斯突出危险性区域预测和防治技术措施［D］．焦作：河南理工大学，2004．

Application and Discussion on Gas Geological Work in Coal Mine Gas Prediction

Zhang Wei-min

In order to further promote the work of coal mine gas prevention and control，based on coal mine for many years geological exploration，mining and testing exposed gas geological data，by using the research results of gas geology and gas control，reveal the law of gas geology in coal mine，provides the fundamental basis for the gas disaster governance and development and utilization of resources，and make some discussion on some problems in the forecasting process．

Coal mine gas；Buried depth；Prediction of mine gas

TD712

B

1672-0652（2013）09-0039-04

2013-06-22

张卫民（1966—），男，山西清徐人，1987年毕业于山西矿业学院，工程师，主要从事煤矿地质及技术管理工作（E-mail）2321872915＠qq．com