干塘煤矿瓦斯含量变化规律及影响因素

2013-07-10叶秀娟

四川地质学报 2013年2期

向虎，叶秀娟

（四川省煤田地质工程勘察设计研究院，成都 610072）

瓦斯是一种易燃易爆气体，又由于它无色无味，很难被人直接察觉，因此，瓦斯是威胁煤矿安全生产的最大危险源，根据干塘煤矿勘查资料，干塘煤矿为低～高瓦斯矿井，矿井存在瓦斯危害。本文根据干塘煤矿勘查资料，分析了瓦斯含量变化情况，初步掌握了瓦斯变化规律，并对其影响因素进行探讨，对指导煤矿安全生产有着重要意义。

1 矿区概况

干塘煤矿位于四川省盐源县城250°方向直距约38km处，矿区边界外廓呈“凸”字形，面积约16.6km2。矿区位于青藏高原的东缘，总体地势南西高，北东低。一般标高2 800m，地形高差350～500m，为中等切割的高中山区，年平均气温12.1℃，年平均降水量853.2mm。

2 地质背景

图1 干塘沟向斜示意图

2.1 地层

矿区内出露的地层有三叠系上统东瓜岭组（T3d）和博大组（T3b）。东瓜岭组为含煤岩系，按岩性特征分为八段，岩性主要为砂岩、粉砂岩、泥岩，夹炭质泥岩及煤层，厚478～700m。博大组为矿区底界，主要岩性为深灰色厚层状石灰岩，夹灰色泥质粉砂岩、细粒砂岩，厚度大于300m。

2.2 构造

矿区位于干塘沟向斜南西端，干塘沟向斜为矿区主体构造，贯穿整个矿区，该向斜轴线走向N50°～60°E，向斜两端扬起，轴线南段呈南西向弧形突出，北段向北东方向弧形突出展布，总体略似一反“S”型。向斜北西翼陡，岩层倾角45°～75°，南东翼较缓，层倾角10°～30°，地层由新到老从核部向两翼逐渐撇开。干塘沟向斜示意图见图1。

3 煤层概况

矿区主要含煤地层为三叠系上统东瓜岭组，平均厚620m。含煤5～19层，主要可采煤层为C14、C12、C5煤层，各煤层主要特征简介如下：

3.1 C14煤层

位于东瓜岭组第四段上部，煤厚0.17～1.17m，平均0.49m，勘查区内大部可采，在可采范围内煤层厚度变化不大，属较稳定煤层。煤层顶板为深灰色泥岩、粉砂质泥岩及细砂岩，偶见中粒砂岩；底板为深灰色泥岩、砂质泥岩、粉砂岩及细～中粒砂岩。

3.2 C12煤层

位于东瓜岭组第二段上部，煤厚0.09～1.48m，平均0.68m。矿区内除向斜南翼西端和东端边缘不可采外，其余地段均可采，属较稳定煤层。顶板为深灰色泥岩、粉砂岩及细砂岩；底板为砂质泥岩、泥岩、泥质粉砂岩。

3.3 C5煤层

位于东瓜岭组第二段中下部，为勘查区主要可采煤层，煤厚0.30～1.17m，平均0.59m，全区可采，层位稳定，厚度变化不大，属较稳定煤层。该煤层结构较简单，多为独层，煤层顶板为深灰色泥岩，粉砂岩及泥质粉砂岩；底板为深灰色泥岩、粉砂岩及细砂岩。

表1 煤层瓦斯含量统计表

4 瓦斯含量（表1）

4.1 解吸瓦斯含量

根据现场解析和室内解析结果，得出了煤层解吸瓦斯含量：C14煤层瓦斯含量6.14～8.27m3/t，平均为7.33m3/t；C12煤层6.10～9.94m3/t，平均8.16m3/t；C5煤层7.21～12.65m3/t，平均为10.03m3/t。

4.2 理论最大吸附量

根据煤质参数化验结果，可近似计算瓦斯最大吸附量，一般按Langmuir 公式计算：

式中：W总—煤层瓦斯最大吸附量(m3)；W吸—煤层吸附瓦斯含量(m3)；W游—煤层游离瓦斯含量(m3)；WG—吨煤瓦斯含量(m3/t)；a、b—吸附常数；P—煤层瓦斯压力(atm)；Ad—干燥基灰分(%)；Mad—分析基水分(%)；u—煤层孔隙率(%)；d—视密度(g/cm3)

按上述公式计算，求得部分煤层理论最大吸附量为14.20～22.75m3/t，比解吸瓦斯含量高，详见表2。

表2 理论瓦斯含量表

根据两种计算方法所得结果，计算所得的理论最大瓦斯吸附量较实际情况偏高，但两种计算结果的部分煤层最大瓦斯含量都大于10 m3/t，因此，综合评定本矿区为低～高瓦斯矿井。

图2 瓦斯含量随深度变化散点图

5 瓦斯含量变化规律及其影响因素

5.1 埋藏深度

煤层中瓦斯压力随着埋藏深度的增加而增大，随着瓦斯压力的增加，煤中游离瓦斯量所占的比例增大，同时，煤中吸附瓦斯逐渐趋于饱和。由此可以推断，在一定范围内，煤层瓦斯含量随埋藏深度的增大而增加。图2是以各煤层瓦斯含量为Y 坐标，以取样井深为X 坐标绘制的散点图，可以看出各煤层瓦斯含量随着埋藏深度的增加而逐渐增高，说明深度是影响本区煤层的最基本因素。

5.2 煤层厚度

瓦斯的逸散以扩散方式为主，空间两点之间的浓度差是其扩散的主要动力。在其他条件相似的情况下，煤储层厚度越大，达到中值浓度或者扩散终止所需要的时间就越长，煤储层本身是一种高度致密的低渗透性岩层，煤储层厚度越大，煤层气向顶底板扩散的路径就越长，扩散阻力就越大，对瓦斯保存越有利。从表1可以看出，随着煤层厚度的增大，瓦斯含量逐渐增大，因此，煤层厚度是影响瓦斯含量的因素之一。

5.3 变质程度

煤化作用过程中会不断产生瓦斯，煤化程度越高，生成的瓦斯量就越多，即在其他因素恒定的条件下，煤的变质程度越高，煤层瓦斯含量越大。同时，在成煤初期，褐煤的结构疏松，孔隙率大，瓦斯分子能渗入煤体内部，因而褐煤具有很强的吸附能力，但该阶段瓦斯生成量较少。在煤的变质过程中，地压作用使煤的孔隙率减小，煤质渐趋致密，因而吸附能力较弱，随着煤的进一步变质，在高温、高压作用下，煤体内部因干馏作用而生成许多微孔隙，在无烟煤时内表面积达到最大，煤的吸附能力最强，煤中瓦斯含量最大。根据表1成果，煤质从焦煤向瘦煤变质过程中，瓦斯含量逐渐增大。因此，变质程度是本区影响瓦斯含量的因素之一。

5.4 地层倾角

矿区主体构造为一不对称向斜—干塘沟向斜，向斜北西翼煤层陡，倾角一般45°～75°，而南东翼地层平缓，一般10°～30°。单纯从向斜构造来看，两翼地层倾角越大，煤层瓦斯越容易逸散，反之，两翼倾角越小，则有利于瓦斯的保存。从表1可以看出，地层倾角越大，瓦斯含量越低，因此，地层倾角是影响本区瓦斯含量的因素之一。

5.5 围岩条件

煤层围岩对瓦斯赋存的影响，取决于它的隔气和透气性能。与围岩的隔气和透气性能有关的指标是孔隙性和渗透性。泥质岩石由于孔隙小、渗透性差，因而有利于瓦斯的保存，而砂岩孔隙直径大，渗透性高，隔气能力弱，有利于瓦斯的逸散。从表1可以看出，当煤层顶底板为致密完整的岩石时，如泥岩，煤层中瓦斯越容易被保存下来，随着顶底板岩石中砂质含量增多，瓦斯越容易逸散，瓦斯含量越低。因此，围岩条件也是影响本区瓦斯含量因素。