东风矿67＃煤层瓦斯赋存影响因素分析及突出危险区预测

高卫国，王 蔚，2，马韶萍

（1．河南理工大学安全科学与工程学院，河南 焦作454000；2．河南省瓦斯地质与瓦斯治理重点实验室—省部共建国家重点实验室培育基地，河南 焦作454000）

1 概 况

东风煤矿位于黑龙江七台河市新兴区，是黑龙江龙煤集团股份有限公司下属煤矿。该矿有矿区铁路专用线与黑龙江省重要铁路线接轨，公路可通往黑龙江省重要的市县，交通方便。井田属丘陵－低山地区，其地势呈东北低西南高，地面高程在＋175～＋285m左右，高程差为110m，地形较高且陡，地面径流排泄强烈，地下水补给条件较差。矿井经矿井延深和技术改造，核定生产能力达到0．36Mt／a。主要开采下白垩统鸡西群城子河组62＃、67＃等煤层，煤质以焦煤为主。现阶段东风矿为斜井水平分区式开拓，一水平现已采完；二水平（±0m～－200m）为现阶段主要产煤水平，布置有三个采区；开拓工程均在三水平（标高－200m以下），布置有两个采区。经历年瓦斯等级鉴定，矿井瓦斯绝对涌出量已达到37．2m3／min，相对涌出量已达到27．08m3／t，为高瓦斯矿井。

2 矿井主要地质特征

2．1 地层及煤层特征

矿井主要含煤地层为中生界白垩系地层，其中城子河组、穆棱组含煤层数较多。

城子河组地层为东风矿主要含煤地层之一。其下部岩性主要以中粗砂岩为主，向上岩石颗粒变细，以粉砂岩为主，厚度达991m，共含煤28层，煤层总厚为14．23m。总含煤系数1．45%，其中主采煤层62＃、67＃均位于此层。

穆棱组平行不整合于城子河组之上，为东风矿主要的煤系地层之一。岩性主要以细颗粒砂岩为主，部分兼有粉砂岩及粗砂岩，厚度达220m，共含煤五层，煤层较薄，均为不可采煤层。

东风矿现阶段主采煤层为67＃，煤层厚度为0．54～1．33m，平均1．0m。煤层结构简单，属全区发育较稳定煤层，具有较高的控制及研究程度，可采指数达到94%，煤厚变异系数为11%。煤层煤质属暗淡型煤，以暗煤居多，原煤灰分为24．23%，硫含量为0．24%，水分1．175%，挥发分33．91%，为1／3焦煤。其顶板主要分布有粗砂岩，底板主要分布有中砂岩。

2．2 构造特征

东风矿位于勃利煤田中部，山字型断裂构造西面。井田地层大体呈北西向倾斜的大高差单斜构造区。其内部构造以高角度张性正断层为主，主要的控制断层54条，其中有28条断层落差大于30m，无较大褶曲构造发育。其中主干断裂主要有近NW315°和近SN两组张扭性正断层构成。沿主干断裂分布有大量次生、派生断层，次级断层呈“入”字型，派生断层主要沿主干断裂层面滑动，不切割大断裂。受张扭性正断层影响，东风矿在生产过程中揭露了大量的小断层均为正断层。

2．3 水文特征

东风矿主要发育张性断层，裂隙发育，发育程度随着埋藏深度的增加而逐渐减小，其地层的富水性出现非常明显的垂直分带和分层规律。其中主要发育有含水层3层；隔水层相对较薄，但全区稳定发育，分为4层。

含水层有：①73＃煤层底板粗砂岩含水层，平均厚度为20m，较稳定，向西部有分叉现象。据抽水资料显示，其 K值为1．43m／h，q为0．664L／s·m；②66＃煤层顶板中粗砂岩含水层，平均厚度为40m，沿9号勘探线分布，向西逐步变薄，据抽水资料显示，其K值为0．315m／h，q为0．213L／s·m；③62＃煤层顶板中－粗砂岩含水层，平均厚度20m，沿9号勘探线分布，向西逐步变薄；

隔水层有：①74＃煤层底板凝灰岩隔水层，平均厚度2～3cm，全区均匀分布；②67＃煤层底板凝灰岩隔水层，平均厚度5～7cm，全区均匀分布；③65＃煤层底板凝灰岩隔水层，平均厚度2～3，全区均匀分布；④61＃煤层底板凝灰岩隔水层，平均厚度3～5cm，全区均匀分布。

2．4 上覆岩层特征

东风矿地面起伏较小，其上覆第四纪沉积层，厚度较小且较为松散，厚度只有9m左右，垂向差异不大。煤层上覆基岩厚度为煤层埋深减去第四系沉积层厚度，主要分布有砂岩、粉砂岩、凝灰岩、泥岩等，部分地区分布有粗砂岩。

3 瓦斯与主要地质因素的关系定性分析

3．1 地质构造

东风矿井田范围内地质构造以断层为主，未发育褶皱构造。其中多发育张扭性正断层，且次级断层及派生断层也多为正断层为主，同时在矿井采煤过程中揭露了大量的小断层，断层的性质也均为正断层。主要控制断层达54条，统计出54条断层数据，做出断层走向玫瑰花图，见图1。

图1 东风煤矿断层走向玫瑰花图

通过对断层玫瑰花图分析，可知东风矿矿井断层走向以NW和NE向较为发育，且多为大角度张性正断层，并收张扭应力控制，导致东风矿断层割裂了煤层，破坏煤层连续性，产生大量裂隙，使得矿井在标高－200m以上的煤层瓦斯沿着断层产生裂隙大量的逸散，瓦斯含量较低。随着煤层埋藏深度的增加，断层对煤层破坏作用越来越小，瓦斯含量逐步变高，导致近几年瓦斯涌出量增高。

3．2 水文地质

东风矿井含水层发育较好，但补给条件较差，且矿井涌水量不大，具有以静储量为主的充水特征；并且67＃煤层顶底板中发育有较好的隔水层，十分不利于瓦斯的逸散。但其上层煤层开采时导致顶底板破裂，67＃煤层赋存的瓦斯通过破裂带逸散到上覆已采煤层中，瓦斯逸散较大。

3．3 煤层上覆基岩

东风矿第四系地层主要为黄土层，裸露于地面，胶结性较差，发育大量孔隙，连通性较好，容易释放瓦斯，对赋存影响较小。所以在对矿井埋深对瓦斯赋存的影响主要体现在煤层上覆基岩厚度的大小，矿井瓦斯含量、涌出量主要是随煤层上覆基岩厚度增加而增大。

4 上覆基岩厚度与瓦斯含量定量分析

4．1 基岩厚度与瓦斯含量回归分析

根据矿井资料统计，采集了67＃煤层120多个钻孔的上覆基岩厚度及埋深等值线，绘制出了东风矿上覆基岩厚度等值线，见图2。

为了对瓦斯含量与基岩厚度的关系进行定量分析，统计出煤矿生产过程中实测瓦斯含量与其相应的上覆基岩厚度，见表1。并对其进行线性回归分析，做出关系趋势图，见图3。

图2 东风煤矿67＃煤层深部上覆基岩厚度等值线

表1 东风煤矿67＃煤层瓦斯含量测定结果表

图3 东风矿67＃煤层瓦斯含量与基岩厚度的关系

一般说来，随着埋藏深度的增加，上覆基岩的厚度也会增大，煤层中的瓦斯压力也随着埋深增加而增大，由于瓦斯压力的增加，煤与岩石中的游离瓦斯量所占的比例也会增大，而煤中的吸附瓦斯逐渐趋于饱和［1－2］。据此类推，在矿井既定范围内，煤层瓦斯含量也会随着上覆基岩厚度的增加而增加大；而当上覆基岩厚度继续增加时，瓦斯含量变化的幅度会有减缓。通过图3可以看出：煤层上覆基岩厚度550～900m范围内的瓦斯含量与上覆基岩厚度呈正相关，相关性较高，相关性系数R值达到0．72。

4．2 瓦斯含量分布及预测

通过对瓦斯赋存影响因素的定性及定量分析可知，影响东风矿67＃煤层瓦斯赋存的因素众多。其中大部分地质因素只能进行定性分析，只有底板标高、埋藏深度、上覆基岩厚度三个因素可以进行定量分析，且这三个定量因素对67＃煤层瓦斯含量影响较大。分别对这三个因素与瓦斯含量的关系进行线性回归分析，得出线性关系式，见表2。

表3 煤层瓦斯含量与主要影响因素关系表

由表3可以看出，67＃煤层的煤层底板标高，埋藏深度以及上覆基岩厚度与瓦斯含量相关性系数均达到0．8以上，相关性较高，其中上覆基岩厚度对瓦斯含量的影响最大。结合东风矿瓦斯形成条件及赋存情况，建立煤层上覆基岩厚度与瓦斯含量之间的数学模型，对未采区域煤层瓦斯含量预测更具有普遍意义。

通过上述分析，根据瓦斯含量与上覆基岩厚度回归方程，得出67＃煤层瓦斯含量梯度为1．16m3／t／100m，从而可知上覆基岩厚度为545m、717m、891m 所对应的瓦斯含量值分别为 4m3／t、6m3／t、8m3／t。

5 煤与瓦斯突出危险区预测

煤与瓦斯突出是煤矿井下采掘过程中煤和瓦斯突然涌出并产生巨大动力效应的煤岩动力灾害，可能导致瓦斯爆炸，是煤矿事故发生频率高、人员伤亡大的地质灾害［3－4］。有效地进行区域突出危险性预测（以下简称区域预测）可减少防突措施实施的盲目性，增加防突工作的针对性，避免对非突出区域投入大量人力、财力和物力，有利于保障矿井安全生产。根据煤层瓦斯参数结合瓦斯地质分析的突出危险性区域预测方法要求，应当根据煤层瓦斯压力P进行预测，如果没有或者缺少煤层瓦斯压力资料，也可根据煤层瓦斯含量 W进行预测［5］。

参照《防治煤与瓦斯突出规定》，东风矿瓦斯压力过小，实测压力数据少，结合矿井瓦斯赋存地质规律，采用瓦斯含量对东风67＃煤层进行突出危险区预测，即瓦斯含量大于8m3／t的区域定为突出危险区。67＃煤层瓦斯含量8m3／t对应的上覆基岩厚度为891m。为了保证矿井安全生产，应当采取瓦斯含量划分的突出危险界线，即将67＃煤层上覆基岩891m以深划分为煤与瓦斯突出危险区。

6 结 论

根据矿井地质特征分析，结合瓦斯赋存情况，对东风矿井田内地质因素对瓦斯赋存的影响进行了分析，确定了煤层上覆基岩厚度是影响67＃煤层瓦斯赋存的主控因素。经过定性分析及定量计算，确定了东风矿67＃煤层瓦斯含量随着煤层上覆基岩厚度的增加而变大，达到每增加100m，瓦斯含量增大1．16m3／t。根据瓦斯赋存规律的分析，结合相关煤矿安全规定，预测出67＃煤层上覆基岩891m以深划分为突出危险区，为煤矿安全生产起到了重要的指导作用。

［1］ 苌延辉，宋常胜．华阳煤矿瓦斯地质规律分析［J］．中国矿业，2012，21（zk）：517－519．

［2］ 张子敏．瓦斯地质学［M］．徐州：中国矿业大学出版社，2009．

［3］ 郑仰发，鞠文君，朱广轶．基于FTA方法的煤与瓦斯突出危险性评价研究［J］．中国矿业，2012，21（zk）：509－511，516．

［4］ 俞启香．矿井瓦斯防治［M］．徐州：中国矿业大学出版社，1998：69－87．

［5］ 国家安全生产监督管理总局，国家煤矿安全监察局．防治煤与瓦斯突出规定［Z］．2012．