宝鼎矿区深部瓦斯赋存规律研究

魏克敏，雍章弟，文泽康



宝鼎矿区深部瓦斯赋存规律研究

魏克敏1，雍章弟2，文泽康1

（1．四川煤炭产业集团攀枝花煤业公司，四川攀枝花 617006；2．攀枝花市国土资源局，四川攀枝花 617006）

通过对宝鼎矿区现有生产矿井瓦斯规律和深部钻孔采取的瓦斯参数的综合分析与研究，认为随着矿井开采标高的降低，高瓦斯区域逐渐增多，深部煤层的瓦斯含量会逐步增高，瓦斯压力也随之增大，矿井瓦斯涌出量也将逐渐升高；矿井将由瓦斯矿井过渡为高瓦斯矿井；在较好封闭性构造部位还可能存在高瓦斯高压力区域。

瓦斯；赋存规律；研究；宝鼎矿区

宝鼎矿区由川煤集团攀煤公司所属的四对矿井开采近40余年，浅部资源行将枯竭，为解决攀煤公司接替及十余万职工家属的生计问题，规划进入深部开采已迫在眉睫；矿井浅部属于瓦斯矿井，随着开采的深入，瓦斯含量势必要增加，研究深部瓦斯赋存规律、瓦斯含量如何变化，对安全生产具有十分重要的意义。本文通过对宝鼎矿区现有生产矿井瓦斯规律和深部钻孔采取的瓦斯参数的综合分析与研究，力求探索深部瓦斯分带、瓦斯赋存规律，为深部规划和矿井建设提供较为切合实际的依据。

1 矿区概况

1.1 矿区地质

宝鼎矿区地层属扬子区会理—楚雄分区渡口小区，矿区位于Ⅰ级构造单元扬子陆块的西缘，跨康滇地轴的盐源~丽江坳陷两个Ⅱ级构造单元，在康滇地轴内Ⅲ级构造单元中位于盐边台拱的南部；在区域构造分区中属于华坪小区东部，其东为仁各小区，南为团山小区

宝鼎矿区及外围出露的地层有三叠系上统丙南组（T3b）、大荞地组（T3d）、宝鼎组（T3bd）、新近系上新统昔格达组（N2x）及第四系上更新统（Qp）、全新统（Qh）矿区主要含煤地层为三叠系大荞地组，厚1 800～2 500m，为内陆湖泊、 河漫、沼泽、河流沉积，以砂岩、泥岩及煤层为主，含煤132层，其中可采煤层73层，可采煤层总厚度58.5m，主要可采煤层17层，编号为4、14、15-5、15、18、21-2、21-3、22-2、24-2、24-4、27、32、33、35、38、39、40号等。

1.2 矿区构造

矿区主体和次要构造的走向基本上都是NNE或NE向，是燕山运动晚期在区域NWW向主压应力作用下形成的。矿区主体构造为一北端扬起、向南西倾伏、东翼较缓、西翼较陡的开阔不对称向斜构造——大箐向斜（S4向斜），其轴线走向约为N30°E，核部及转折端地层倾角较小，一般在20°以下。西翼褶曲、断层不甚发育，地层走向与主体构造线基本一致。东翼边缘构造较复杂，发育一些的次级褶曲和断裂。矿区内共有褶曲49条，断层89条，攀煤公司所属矿井在开采浅部煤层过程中揭露隐伏断层72条。

矿区深部构造相对较简单。本区主压应力派生出了横向张应力和斜向剪应力。在横向派生张应力作用下在局部地段平行于主压应力轴的少量的Ⅳ级张性正断层，在闭合褶曲和紧闭褶曲的枢纽部位产生的纵向张应力的作用下沿枢纽部位形成了垂直于主压应力轴的少量的Ⅳ级张性正断层；在斜向剪应力作用下在局部地段形成了区内两组共轭平移断层。区内的正断层和平移断层是在派生应力的作用下形成的，因此规模小。也正由于本区没有主张应力和主剪应力，因而本区也没有形成规模较大（落差大于30m、延伸大于500m）的张性正断层和平移断层。

2 矿区瓦斯

2.1 浅部矿井瓦斯

经近几年攀煤公司瓦斯涌出量统计，生产矿井瓦斯相对涌出量在0.98~8.96m3/t.d，瓦斯绝对涌出量1.62~18.466m3/min，其中太平煤矿最低，小宝鼎矿最高，其原因除与煤层、埋深相关外，还与通风方式和开采强度相关。攀煤公司四个矿仅小宝鼎矿为抽出式通风，其余皆为压入式，因老窑瓦斯进入工作面而使小宝鼎矿瓦斯含量较高。从四个矿历年瓦斯统计表看，四对矿井随着开采水平的延深，矿井瓦斯涌出量均有逐渐增高的趋势。

矿井生产积累的瓦斯资料表明，宝鼎煤矿区的煤层瓦斯涌出量在不同煤层、不同构造部位和不同埋深差异较大，表现出非均匀性和复杂性。总体而言，浅部生产矿井瓦斯含量较低，为瓦斯矿井。

浅部勘查工作采取的瓦斯样多集中在孔深500m以浅（标高1 020 m以上），勘查结果表明矿区浅部瓦斯含量低，为0.15~7.27m3/t，多＜3 m3/t，仅个别点较大。各煤层的采样深度多在风氧化带之氮气沼气带中，但总的趋势是随埋深增加，瓦斯含量呈增大的趋势。

2.2 深部煤层瓦斯

为使深部瓦斯研究更符合实际，本文采用宝鼎矿区深部详查勘探时采取的瓦斯样和瓦斯测试数据为依据。

2.3 瓦斯成分及瓦斯含量

2.3.1 瓦斯成分

瓦斯成分以甲烷为主，随煤层埋深的增大而增高。甲烷带瓦斯成分含量平均为：甲烷为88.24％，氮气为12.27％，CO2为1.78％，氧气为1.45％，氢气0.75％。另外含有少量乙烷和丙烷，含量0.17%～1.79％，平均0.52％。主要煤层主要成分见表1。

表1 主要煤层瓦斯主要成分统计表（%）

2.3.2 煤心解吸瓦斯含量

根据勘探成果和重庆煤科院进行的部分瓦斯采取测试参数，煤层的瓦斯压力（P）、煤体吸附常数（a、b）、煤的孔隙率等几个技术参数见表2。

表2 煤层瓦斯压力、高压等温吸附参数表

计算煤层瓦斯最大吸附量的朗格缪尔方程简略公式为：

式中：P为瓦斯压力，单位：MPa；μ为煤的孔隙率；A灰分；m水分；r容重。

由公式可见，煤层的瓦斯、特别是游离瓦斯含量主要与瓦斯压力正相关，a、b值决定于煤质，一般a值为20～70，b值为0.03～0.3左右。根据生产矿井不同水平和勘探时钻孔揭露不同深度瓦斯变化统计，宝鼎矿区的a值偏小、b值偏大。

利用朗格缪尔方程求得24-2、24-4和27号煤层瓦斯最大理论吸附量分别为18.71 m3/t、30.01 m3/t、24.80 m3/t。说明宝鼎矿区深部部分煤层局部瓦斯含量可能较高。

通过解析，在矿区深部，煤层瓦斯含量一般为5～10 m3/t，较浅部瓦斯含量明显增高。

2.4 瓦斯含量分布规律

2.4.1瓦斯梯度及瓦斯梯增率

以煤层埋藏深度（H）为自变量，瓦斯含量（Q）为应变量对矿区煤层瓦斯含量测定成果进行回归分析，建立瓦斯含量与煤层埋深的线性方程为Q＝0.009 8H+4.402 6，计算出矿区煤层平均瓦斯含量梯度为102m/m3/t，平均梯增率为0.98m3/t/100m。其中，太平矿10、15号煤层，花山矿6、17号煤层，大宝鼎矿4、10、15号煤层，瓦斯递增率较大，梯度值较小。小宝鼎矿32、36、38煤层，太平矿11、18号，花山矿3、4、15、22号煤层，大宝顶矿10、15号煤层，瓦斯梯增率较小，梯度值较大。

利用钻孔煤心瓦斯解吸成果，选择相近构造部位瓦斯解吸成果正常的数据计算的17-1、17、18-1、18、21-3、22-2、24-1、33-1、39 煤层的瓦斯梯度和梯增率表明深部煤层瓦斯梯增率较浅部增大。其中17、39煤层瓦斯梯度值较大，梯增率较小，而其余7层煤层梯度值较小，梯增率较大。

2.4.2 瓦斯分带

根据目前的研究成果，确定瓦斯风化带下界的指标一般是：煤体中CH4成分要在80％左右，煤体瓦斯压力1～1.5kg/cm2，瓦斯含量＜2~4m3/t。全国储委1987年颁发的《煤炭资源地质勘探规范说明》中规定瓦斯风化带的下界为CH4含量为80％。表3及图2表明，随着埋深增加，宝鼎矿区煤层瓦斯含量和煤层甲烷浓度逐渐增高，但各煤层及同一煤层在不同构造部位变化较大。甲烷浓度80％对应的煤层埋深大致为350～600m。据此，预测宝鼎矿区多数煤层瓦斯风化带深度为350～600m。

表3 太平、大宝顶矿实测煤层瓦斯含量表

3 控制瓦斯赋存规律的地质因素

1）地质构造对瓦斯赋存的影响。在断裂构造作用区，煤体的形变往往改变煤对瓦斯吸附与解析的状态，所产生的构造裂隙直接影响到瓦斯的赋存与运移。褶皱构造对瓦斯分布也有极重要的影响，由于褶皱构造在轴部易形成一个封闭的区域，这不利于瓦斯的排放，甚至还会起到一定的封闭作用，特别是背斜的轴部，将造成瓦斯含量异常增大。当煤层顶板为致密岩层且未暴露时，一般在背斜，瓦斯含量由两翼向轴部增大；在向斜轴部瓦斯含量减小。当煤层顶板为脆性岩层裂隙较多时，瓦斯含量在背斜轴部减小，在向斜轴部增加。

另外，在宝鼎矿区，煤层的顶底板岩性也是影响煤层瓦斯含量的重要因素。当煤层的顶、底板岩性皆为泥岩、泥质粉砂岩、炭质泥岩时，由于封闭性好，煤层的瓦斯含量会变得异常大。其中12、23、24-3、38等煤层显得尤为突出。

2）埋深对瓦斯赋存的影响。根据矿区煤层瓦斯赋存规律分析，随着矿井开采标高的降低，深部煤层的瓦斯含量会逐步增高，瓦斯压力也随之增大，矿井瓦斯涌出量也将逐渐升高，高瓦斯区域逐渐增多；矿井将由瓦斯矿井过渡为高瓦斯矿井。

3）顶底板岩性对瓦斯赋存的影响。矿区内各煤层直接顶多为粉砂岩、细砂岩、泥质粉砂岩（表3-1-1），上覆岩层透气性好，含煤地层沉积后地层不断隆起并遭受剥蚀，煤层中的瓦斯得以大量逸散；矿区内各煤层多有露头，不利于瓦斯保存。

4）煤层厚度对瓦斯赋存的影响。矿区含煤地层厚度大，可采煤层多，各煤层的瓦斯生成、保存条件存在差异，4、17-1、18-1、21-2、21-3、22-1、23、24-1、24-3、24-4、32、35、39、40等煤层厚度相对于其它煤层要大，瓦斯涌出量较大，其它煤层瓦斯涌出量相对较低。

5）煤质对瓦斯赋存的影响。宝鼎矿区主要煤类为焦煤、贫煤、贫瘦煤及瘦煤，变质程度较低，属中煤级，大孔隙较少，微孔较多，煤储层的吸附能力较弱，含气量较低。其中，太平矿基本全为焦煤，变质程度相对较低，煤层生气量相对贫煤、贫瘦煤（花山、小宝鼎和大宝顶矿）要低，煤层瓦斯含量较低。

6）水文地质条件对瓦斯赋存的影响。大荞地组和宝鼎组各含水层之间水力联系差，补给源较远且有限，同一含水层组不同地段含水裂隙联通性较差，使得地下水运移对煤层瓦斯聚集、逸散影响较小。

7）沉积历史对瓦斯赋存的影响。宝鼎矿区属山间断陷盆地陆相含煤沉积，含煤地层沉积后地层不断隆起并遭受剥蚀，三叠纪含煤地层之上无侏罗纪、白垩纪地层，地质演化和沉积史均不利于瓦斯保存。

4 结论

1）根据判定煤与瓦斯突出的四项指标：即煤的破坏类型、瓦斯放散初速度（ΔP）、煤的坚固系数（f）和煤层瓦斯压力（P）（表5）。当四项指标全部达到或超过临界值时可确定为具有煤与瓦斯突出危险性。深部勘探和生产揭露均未能在同一钻孔或同一地点的同一煤层同时使四项指标达到临界值，但深部勘探时四项指标分别有超过临界值的现象，此应引起施工单位、设计和生产部门的高度重视，建议在勘探（精查）阶段布置足够的针对煤层瓦斯的测试工作，并委托有资质和能力的单位开展瓦斯赋存规律的专题研究及煤与瓦斯突出的专题评价研究工作，在今后生产中应加强矿井瓦斯地质工作。

2）为确保安全生产，对深部高瓦斯煤层应采用瓦斯综合治理技术进行治理。除优化通风方案，改善局部通风条件外，抽排瓦斯将是一项十分有效和经济的手段。

根据重庆煤科院对煤层透气性、辅以钻孔瓦斯流量及衰减系数的评价，花山矿3、4号煤层属可以抽放煤层，23号煤层属较难抽放煤层，大宝顶矿21号、小宝鼎矿39号煤层属较难抽放煤层，但在+1120m标高以上，39号煤层属可以抽放区域。因此，在矿井延深后的高瓦斯区域，对煤层透气性好、容易抽放的煤层，建议采用本层预抽方法；可采用顺层或穿层面孔方式；煤层透气性较差、采用分层开采的厚煤层，可利用先采分层的卸压作用抽放未采分层的瓦斯；单一低透气性高瓦斯煤层，可选用加密钻孔、交叉钻孔等方法强化抽放；煤与瓦斯突出危险的煤层，应选择穿层网络面孔方式抽放；煤巷掘进穿越高瓦斯区域时，可采用先抽后掘的方法。

[1] 苏时才、魏克敏，等. 宝鼎煤矿接替资源详查报告[R]. 2009, 10

[2] 煤科院重庆分院. 宝鼎矿区瓦斯综合治理技术研究报告. 2008, 9.

[3]. 国家安生生产监督管理总局, 国家煤矿安全监察局. 防治煤与瓦斯突出规定[S]. 煤炭工业出版社, 2009.1

[4]. 中华人民共和国国家质量监督检验检疫局. 煤层气含量测定方法.GB/T 19559-2008［S］.北京：中国标准出版社，2008

[5]. 赵铁锤、袁亮, 等. 煤矿总工程师技术手册[S]. 煤炭工业出版社, 2010.7

Occurrence of Gas in the Depth of the Baoding Coal Mine

WEI Min-zhang1YONG Zhang-di2WEN Ze-kang1

(1-Panzhihua Coal Mining Company, Sichuan Coal Mining Group, Panzhihua, Sichuan 617006; 2-Panzhihua Bureau of Land and Resources, Panzhihua, Sichuan 617006)

Study indicates that content, pressure and outflow rate of gas in the Baoding Coal Mine increase with depth and high content and high pressure of gas might come into existence in fully enclosed structural locations.

gas; occurrence; study; Baoding Coal Mine

P618.11

A

1006-0995（2015）01-0072-04

10.3969/j.issn.1006-0995.2015.01.017

2014-05-23

魏克敏（1969－），男，四川德阳人，教授级高级工程师，一直从事地质及管理相关工作