阿刀亥矿急倾斜煤层瓦斯赋存影响因素分析

庞禹东

（神华集团包头矿业公司，内蒙古自治区包头市，014010）

瓦斯是成煤过程中的一种伴生产物，通常以游离和吸附两种状态存在于煤体之中。煤层中瓦斯赋存、运移及分布规律除受成煤过程中生成的瓦斯量影响，还受多种地质因素的综合因素控制，从而造成同一矿井瓦斯赋存在空间分布上变化较大。

近年来，神华集团包头矿业公司阿刀亥煤矿随着矿井开采强度和开采深度的增加，煤层瓦斯的涌出量明显增大，并呈现出分布的不均匀性和不确定性，针对这一情况，有必要查明和分析阿刀亥矿煤层瓦斯赋存规律影响因素，揭示瓦斯分布的基本特征和规律，为阿刀亥矿瓦斯治理工作提供参考和依据。

1 矿井概况

阿刀亥煤矿位于阴山山脉大青山煤田的中段南缘，东与老窝铺井田相邻，西与大炭壕井田相邻，现生产能力为90万t／a。矿区内含煤地层为石炭系上统拴马桩组，属内陆山间盆地相沉积，主要由煤层、砂质粘土岩、泥岩及各种粒级的碎屑岩组成，碎屑岩与砾岩占70%以上，相变频繁，泥炭沼泽相与河流相相互交替，煤层厚度变化大，结构复杂，煤分层难以对比。本区地质构造从属于大青山煤田总的构造特征，即构造线走向近东西，发育有大型断裂构造及紧闭式倒转褶曲。煤系地层含Cu2和Cu4两个煤层组，煤系地层全厚183 m，煤层总厚为28 m，含煤系数为15%，煤层倾角80～90°。矿井采用斜井多水平开拓，采煤方法为急倾斜特厚煤层分水平走向长壁综采放顶煤法，矿井通风方式为中央并列抽出式。矿井的相对瓦斯涌出量在16.3～56.0 m3／t，变化较大，分布极不均匀。

2 影响瓦斯赋存的因素分析

2.1 煤的变质程度

在成煤过程中瓦斯不断产生，同时煤体孔隙率也不断变化，因此，煤的变质程度高低，既影响着瓦斯生成量，又决定着煤对瓦斯的吸附能力。

通过对阿刀亥煤矿不同地点煤样的瓦斯含量和挥发分产率实验室测定，如图1所示。结果表明，煤层的瓦斯含量随着煤的挥发分的增大而减少。

图1 煤层瓦斯含量与煤的挥发分关系图

2.2 地质构造

岩层由于受到地质构造的作用，从而使得围岩不同部位封闭瓦斯的能力存在很大差异，封闭型地质构造有利于瓦斯的储存，而开放型地质构造有利于瓦斯排放。不同的地质构造控制着生成瓦斯的保存或逸散。

A2－S2褶曲是决定本区构造形态的主要褶曲，其中A2为直立倒转背斜，S2为直立倒转向斜，这组褶曲纵贯全区，西由悦来尧进入本井田，向东一直延伸出井田东部边界，区内全长6300 m。A2背斜轴走向N85°E，轴面倾向南，轴的倾伏角为44°。在茂八风井以西，背斜轴在煤层顶底通过，白家窑以东A2背斜从煤组中通过，致使Cu2煤组发生重复。由于背斜的影响，本区煤系地层被分隔为两部分。背斜南翼为一内部构造复杂的复式向斜（S2向斜），其内煤系不但赋存较深，且受次级构造破坏严重；而背斜北翼煤系为一简单的单斜，其内构造简单，无断裂及次级褶曲，从而使得北翼煤层东部采区瓦斯含量相对大于西部采区的瓦斯含量。阿刀亥矿区断裂构造均为高角度断层，在A2背斜南翼较为发育，而在北翼没有发现，断层构造基本上对煤层的瓦斯赋存没有产生大的影响。

2.3 煤层顶底板岩性特征

煤层顶底板岩性特征包括顶底板岩性及厚度，其隔气性和透气性能直接影响煤层瓦斯的赋存条件。阿刀亥矿主采煤层与其顶底板赋存构造为相对简单的近于直立的单斜构造，煤岩层露头良好，在浅部有利于煤系地层及煤中瓦斯的逸散。但随着开采深度的增加，煤层顶底板岩厚变化较大，为了更加系统地研究主采煤层顶底板岩厚与煤层瓦斯赋存含量及涌出量的关系，现将开采区煤层顶底板10 m内的泥岩厚度及对应测点的瓦斯含量进行整理，并对两组数据进行相关性分析，见图2。

图2 煤层瓦斯含量与顶底板岩厚关系

从图2看出，随着煤层顶底板岩厚的增加，煤层瓦斯含量有所增加，其中顶板岩厚的增加对煤层瓦斯含量的影响更为明显。

2.4 煤层埋藏深度

随着煤层埋藏深度的增加和地应力的增高，煤层和围岩的透气性相应降低，瓦斯运移距离的加大，导致瓦斯赋存量随煤层埋深增加的程度不尽相同。由于阿刀亥矿矿区第四系很薄，因此，阿刀亥矿区基岩厚度对瓦斯赋存的影响基本上等同于煤层埋藏深度对瓦斯赋存的影响。阿刀亥矿在实际生产过程中随着开采深度的增加，其煤层瓦斯含量及瓦斯涌出量与煤层开采标高之间的关系，见图3。

从图3可以看出，煤层瓦斯含量和绝对瓦斯涌出量均随着开采煤层标高的降低呈线性增大的趋势，由此预测了矿井在开采煤层底板标高为1155 m、1100 m和1000 m时，煤层瓦斯含量和绝对涌出量，见表1。

图3 煤层瓦斯含量、绝对瓦斯涌出量与煤层底板标高关系图

表1 不同底板标高瓦斯含量及绝对瓦斯涌出量预测表

2.5 煤层厚度

煤层为瓦斯生成提供重要的物质基础，同时也是煤层瓦斯存储的场所。根据阿刀亥矿多年的开采资料及地质勘查得出的数据资料可知，阿刀亥矿煤组的最大厚度为49.67 m，最小厚度为0.90 m，平均厚度为19.23 m，含夹石3～42层。Cu2煤层瓦斯含量与煤层厚度之间的关系如图4所示，随着煤层厚度的增加，瓦斯含量逐渐增大。

图4 煤层瓦斯含量与煤层厚度关系图

2.6 水文地质条件

地下水活动一方面可加强煤层中瓦斯移动，起到逸散作用；另一方面还可对瓦斯产生封闭作用。阿刀亥矿区水文地质条件简单，含水层虽较多，但含水不丰富，断层破碎带为主要含水带，属于孔隙、裂隙水为主的水文地质条件的中等类型。现有开采矿井有少量的滴水和渗水，对煤层的瓦斯赋存影响较小，同时从历年统计矿井涌水为300～500 m3／d等综合因素考虑，阿刀亥矿地下水活动对瓦斯的赋存影响有限。

3 结论

阿刀亥矿在开采过程中相对瓦斯涌出量变化较大，分布极不均匀，为此，从煤的变质程度、地质构造、顶底板岩性、埋藏深度、煤层厚度和水文地质条件等方面对瓦斯赋存规律进行了系统的分析研究，可以看出阿刀亥矿开采煤层的瓦斯含量随着煤的变质程度的加深、顶底板岩厚的增大、煤层埋藏深度的增加、煤层厚度的增大均呈线性上升趋势，而褶皱、断层以及地下水活动对煤层的瓦斯赋存影响有限，从而为瓦斯治理工作提供了重要参考和依据。

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