潞宁煤矿2号煤层瓦斯赋存规律研究

2016-03-30曹虎斌段嘉敏郭乐宏

华北科技学院学报 2016年6期

关键词：煤业井田采区

张义，曹虎斌，段嘉敏，郭乐宏

(1.山西潞安集团潞宁煤业有限责任公司，山西宁武 036706;2.华北科技学院，北京东燕郊 101601)

潞宁煤矿2号煤层瓦斯赋存规律研究

张义1，曹虎斌1，段嘉敏2，郭乐宏1

(1.山西潞安集团潞宁煤业有限责任公司，山西宁武 036706;2.华北科技学院，北京东燕郊 101601)

瓦斯赋存规律反映了煤层内瓦斯含量的分布和特点，掌握该规律对矿井瓦斯的科学预测和防治有着非常积极的意义。本文根据潞宁煤矿2号煤层地勘时期的瓦斯参数和多年来矿方或科研院所井下实际测定瓦斯参数，绘制了井田内煤层瓦斯含量的等值线图。从瓦斯分布来看，2号煤层瓦斯含量由四周向井田中部的向斜轴部逐渐增大，整个井田瓦斯含量总体呈现四周低中部高，最大瓦斯含量地点出现在二三采区和二四采区之间区域。从瓦斯含量与煤层埋深的关系来看瓦斯含量随埋深的增加而增加，预测2号煤的最大瓦斯含量为4.15 m3/t，瓦斯风化带的埋深为298 m。研究结果给潞宁煤矿深部开拓开采的瓦斯防治工作提供了可靠依据，也对邻近矿井的瓦斯治理有一定的借鉴作用。

瓦斯含量;埋深;瓦斯赋存规律;瓦斯防治

0 引言

瓦斯赋存规律反映了井田内煤层瓦斯分布状况及特点，反映了矿井开采时的瓦斯涌出量大小。掌握井田内的瓦斯赋存规律有利于矿井瓦斯的科学预测和防治，能够提前制定针对性的措施，对于保障矿井安全生产具有重要的意义。瓦斯赋存规律主要是瓦斯含量随煤层赋存的变化情况。瓦斯含量的大小不仅取决于成煤物质、成煤环境、煤的变质程度及变质类型，而且还受围岩、地质构造、水文地质条件及岩浆活动等因素的影响［1］。由于不同井田的成煤条件不同，其煤层瓦斯分布规律也均有差异，彭金刚等人根据煤矿具体条件研究了不同煤矿的瓦斯赋存规律，并利用数理统计等数学方法进行［2－7］。

山西潞安集团潞宁煤业有限责任公司(以下简称潞宁煤矿)位于山西省宁武县华北屯乡，该矿2012年被鉴定为高瓦斯矿井，个别采掘工作面瓦斯涌出量较大。随着矿井进一步延深，特别是二四采区开拓开采的全面展开，总体掌握煤层瓦斯赋存规律对进行开拓开采设计和制定瓦斯防治措施显得非常必要。近年虽然请相关科研机构对矿井进行了瓦斯参数测定和瓦斯涌出量预测，但没有就瓦斯赋存规律进行总体的研究。并且井田边界外没有类似条件的井田可以提供瓦斯赋存规律的参考资料。故此对潞宁煤矿主采的2号煤层瓦斯赋存规律进行了研究。

1 矿井概况

潞宁煤矿井田位于宁武煤田南部，在县城西南，直线距离42 km。井田长9.3 km，宽4.8 km，井田面积30.9994 km2。井田的总体构造形态为走向NE的宁静向斜，井田位于向斜北中部偏北西翼，大部分位于北西翼，地层平缓。井田内断裂构造不发育，未发现大的断层存在，也未发现陷落柱、岩浆岩等构造。总体地质构造简单。

本区内含煤地层为侏罗系大同组上段二、三亚段，位于云岗组底部砂岩K标志层之下，共含煤层1层，其中大同组上段二亚段所含煤层厚度仅0.3 m不稳定不可采的1#煤层，不具开采经济价值;井田的可采煤层位于三亚段上部，自上而下为2#，3#煤层，现开采煤层为2#煤层。2#煤层厚0.35～5.80 m，平均3.28 m，属中厚煤层。全井田可采性指数(Km)为0.84，可采范围内煤厚0.7～5.80 m，平均3.79 m，厚度变异系数(γ)为23%，一般不含夹石，局部含1层夹石。煤厚变化规律不明显，大致为:西厚东薄，北厚南薄。顶板岩性多为炭质泥岩、泥岩，局部为粉砂岩，底板岩性绝大部分为泥岩。就全井田来看本煤层的层位稳定，厚度及煤质变化不大，结构简单。本煤层属大部可采的稳定煤层。

本矿井采用斜井开拓方式，全井田共布置主斜井、副斜井、进风斜井和回风斜井四个井筒。矿井分为两个水平开采，一水平标高为+1350 m，二水平标高为+970 m。2#煤层全井田划分为五个采区，即二一、二二、二三、二四和二五采区。采用走向长壁后退式采煤方法，综采一次采全高，矿井采掘比为2∶5。矿井采用机械抽出式通风方法，通风方式为混合式。主斜井、副斜井、进风斜井进风，回风井回风，回风井安装主通风机2台，排风量为11850 m3/min。矿井瓦斯等级为高瓦斯矿井，矿井绝对瓦斯涌出量为19.71 m3/min，相对瓦斯涌出量为4.78 m3/t。

2 煤层瓦斯含量

对于生产矿井来说煤层瓦斯含量的资料来源主要有两个，一是来源于地质勘探时期的钻孔瓦斯含量，另一个矿井生产过程中测定的不同地点的瓦斯含量。地勘测试的瓦斯含量结果控制范围较大，可反映整个矿井的瓦斯赋存趋势，但由于勘探取煤样过程中的瓦斯流失问题，造成测定的结果偏差较大。而井下实测瓦斯含量相对比较准确，但只能反映局部瓦斯赋存情况。故本次分析主要以《山西潞安集团潞宁煤业有限责任生产矿井地质报告》［9］为基础，结合历次请科研院所进行的矿井瓦斯相关研究中实际测定煤层瓦斯含量资料和矿井生产过程中矿方自行测定的瓦斯含量资料进行分析。

2.1 地勘煤层瓦斯含量

该井田内断裂构造不发育，未发现大的断层存在，井田构造属简单类，因此该区域断层对瓦斯的赋存规律影响较小。井田主体为一向斜构造，在向斜轴部附近表现为瓦斯含量增大的趋势，由于轴部受河流冲刷影响，煤层变薄至不可采，轴部瓦斯主要受煤厚影响，含量较小。因此，构造对地勘钻孔瓦斯含量影响较小。

根据《山西潞安集团潞宁煤业有限责任生产矿井地质报告》，矿井在地勘期间对主要煤层的瓦斯含量进行了测定。由于地勘钻孔测定的瓦斯含量主要是可燃基的瓦斯含量，因此必须对地质报告中提拱的钻孔瓦斯含量数据换算成原始煤层瓦斯含量，换算方法见式(1)所示，换算结果见表1。

式中:Wo——原煤瓦斯含量，m3/t;W——可燃基瓦斯含量，m3/t.r;Aad——煤中空气干燥基灰分质量分数，%;Mad——煤中空气干燥基水分质量分数，%。

表1 地勘钻孔瓦斯含量统计表

2.2 井下实测瓦斯含量

煤矿生产过程测定煤层瓦斯含量的方法按大类来说分两类，一是直接测定瓦斯含量，另一个是间接测定瓦斯含量。

(1)直接法测定煤层瓦斯含量

直接测定瓦斯含量时在井下取煤样后直接用瓦斯解析仪进行解吸得到解吸量，然后再拿到地面进行粉碎抽真空解吸得到残存量，再通过计算得到损失量，相加得到总的煤层瓦斯含量。

根据煤炭科学研究总院抚顺分院编制的《潞宁煤业有限责任公司深部煤层瓦斯基础参数测定研究报告》［10］，该院在潞宁煤业有限责任公司回风下山和22112运料巷等地点采集煤样，采用直接法测定了2#煤层瓦斯含量，其2#煤层井下实测瓦斯含量见表2。

表2 煤层瓦斯含量测定结果表

(2)间接法测定煤层瓦斯含量

采用间接法确定煤层的瓦斯含量是利用煤层瓦斯压力、空隙率、灰分、水分、视密度等相关参数计算得来。其中吸附瓦斯量的多少，决定于煤对瓦斯的吸附能力和瓦斯压力、温度等条件，可根据朗格缪尔方程确定，游离瓦斯由煤的孔隙率及煤层瓦斯压力决定。

煤层瓦斯含量的计算公式为:

式中:X——煤层瓦斯含量，m3/t;a——吸附常数，试验温度下的极限吸附量，m3/t;b——吸附常数，MPa－1;P——煤层绝对瓦斯压力，MPa; Aad——煤的灰分，%;Mad——煤的水分，%; K——煤的孔隙体积，m3/m3;r——煤的视密度，t/m3。

依据2008年10月煤炭科学研究总院抚顺分院编制的《潞宁煤业有限责任公司深部煤层瓦斯基础参数测定研究报告》，将数据以及相应的绝对瓦斯压力代入上述计算公式中，计算结果如下表3所示。

表3 煤层原始瓦斯含量计算结果表

国内理论研究及实践均证明，矿井瓦斯含量测定中，地勘测试的结果一般偏小，但它控制范围较大，可反映整个矿井的瓦斯赋存趋势。而井下实测瓦斯含量相对比较准确，但只能反映局部瓦斯赋存情况。因此，以地勘测定结果为基础、井下实测结果为依据，对井下实测同一地质单元内不同埋深下的瓦斯含量与地勘钻孔相同、相近埋深的瓦斯含量进行对比修正，得到瓦斯含量修正系数为K=1.47，潞宁煤业2#煤层井下实测瓦斯含量约为地勘瓦斯含量的1.35倍。修正后的瓦斯含量见表4。

表4 根据井下实测瓦斯含量修正后的地勘瓦斯含量

3 瓦斯赋存规律分析

考虑到地勘钻孔瓦斯含量和压力换算瓦斯含量存在一些偶然性误差，尤其在煤层地质构造及赋存条件无较大变化情况下，对少数测定数据明显不符合瓦斯带赋存趋势的测点进行剔除;对于煤层瓦斯含量明显小于残存量和大于吸附常数的测点应剔除;位于断层、褶曲轴部、陷落柱等地质构造附近，明显受地质构造影响的瓦斯含量测点应剔除。

《山西潞安集团潞宁煤业有限责任公司煤矿勘探地质报告》提到“除L11、LB12号孔2煤层瓦斯含量明显大以外，其余钻孔煤层瓦斯含量多为0.50～2 ml/g.daf。瓦斯分带及瓦斯梯度不明显。另外，由试验结果显示，甲烷含量有些反常，随煤层埋深减小而瓦斯含量增大。推测有现场瓦斯解吸操作不当引起。”

L11、LB12钻孔中2号煤层测定瓦斯含量不应完全舍弃，以相近埋深平均值作为参考。L11钻孔2号煤层埋深为484m，相近埋深的钻孔只有LB2，LB2钻孔2号煤层埋深为476 m，瓦斯含量为2.21m3/t，考虑存在一定高差，L11钻孔2号煤层瓦斯含量取3.0 m3/t;LB12钻孔2号煤层埋深为562 m，相近埋深的钻孔只有LB8，LB8钻孔2号煤层埋深为550.8 m，瓦斯含量为2.57 m3/t，但是比其埋深浅的回风下山瓦斯含量为4.06 m3/t，综合考虑高差影响因素，LB12钻孔2号煤层瓦斯含量取4.10 m3/t。

对2号煤层瓦斯含量进行可靠性评估和筛选后得到有效的瓦斯含量值，将这些瓦斯含量值和相应的取样或测定地点的埋深列入同一张表中，见表5。

表5 用于数据拟合地勘测点瓦斯含量

根据上述数据，以埋深为横坐标，煤层瓦斯含量为纵坐标，绘制于直角坐标系中，得到它们之间关系的散点图，见图1。从图中可以看出，瓦斯含量变化的总体趋势是随着埋深的增加而升高的。将瓦斯含量和埋深进行回归分析，得到潞宁煤业2号煤层瓦斯含量和埋深的回归方程，见式(3)，回归的相关系数的平方R2为0.6474，说明相关关系较好。

图1 瓦斯含量与埋深关系图

W=0.0145H－4.1104 (3)

式中:W——煤层瓦斯含量，m3/t;H——煤层埋深，m。

根据地勘报告数据，2号煤层瓦斯含量较高，煤层瓦斯成分以甲烷为主，甲烷成分变化在6.33%～92.13%，平均43.60%;二氧化碳成分变化在1.08%～25.64%，平均10.17%;氮气成分变化在0.74%～78.50%，平均43.89%;属氮气－甲烷带。根据《矿井瓦斯涌出量预测方法》(AQ1018–2006)标准中瓦斯风化带的下部边界确定条件综合分析得出，矿井2#煤层埋深大于298 m处于甲烷带内，埋深小于298m处于瓦斯风化带内。

参照煤层底板等高线图及井上下对照图，计算出井田内不同地点的煤层瓦斯含量，并根据煤层瓦斯含量分布情况绘制出2#煤层瓦斯含量等值线图，见图2。

根据潞宁煤矿2#煤层瓦斯含量等值线图可知，二二采区最大埋深为560 m，最大瓦斯含量为4.01 m3/t;二三采区最大埋深为550 m，最大瓦斯含量为3.86 m3/t;二四采区最大埋深为570 m，最大瓦斯含量为4.15 m3/t;二五采区最大埋深为470m，最大瓦斯含量为2.70m3/t。从图2可以看出，2#煤层瓦斯含量由四周向井田中部的向斜轴部逐渐增大，整个井田瓦斯含量总体呈现四周低中部高，最大瓦斯含量地点出现在二三采区和二四采区之间区域。

4 结论

(1)根据潞宁煤矿2号煤层地勘时期的瓦斯参数和多年来矿方或科研院所井下实际测定瓦斯参数，绘制了井田内煤层瓦斯含量的等值线图。结合煤层赋存状况分析了2号煤层瓦斯赋存规律。

(2)从瓦斯分布来看2号煤层瓦斯含量由四周向井田中部的向斜轴部逐渐增大，整个井田瓦斯含量总体呈现四周低中部高，最大瓦斯含量地点出现在二三采区和二四采区之间区域。

(3)从瓦斯含量与煤层埋深的关系来看瓦斯含量随埋深的增加而增加，经回归分析得到瓦斯含量与埋深之间具有W=0.0145H－4.1104的线性统计规律。根据模型预测煤层埋深每增加100 m，相对应吨煤瓦斯含量增加1.45 m3/t，预测2号煤的最大瓦斯含量为4.15 m3/t，瓦斯风化带的埋深为298 m。

［1］张子敏.瓦斯地质学［M］.徐州:中国矿业大学出版社，2009.

［2］黄建平，许彦鹏，冯利民，等.矿井瓦斯赋存规律研究［J］.煤炭工程，2009(9):83－85.

［3］彭金刚，黄华州，王敏，等.红阳三矿深部瓦斯赋存规律及突出危险性评估［J］.煤炭技术，2015，34(11):131－133.

［4］邱有鑫.司马煤矿3#煤层瓦斯赋存规律研究［J］.煤炭技术，2015，34(7):180－181.

［5］李奇.丁集煤业深部煤层瓦斯赋存规律模拟与验证［J］.煤矿安全，2015，46(12):166－169.

［6］王正帅，李向往，吴治国，等.新疆艾维尔沟矿区1930煤矿瓦斯赋存规律研究［J］.中州煤炭，2016，3:13－15.

［7］吴海军.沁水煤田里必煤矿瓦斯赋存规律研究［J］.煤矿安全，2016，47(3):5－8.

［8］中煤科工集团重庆研究院.山西潞安集团潞宁煤业有限责任公司矿井(1.80Mt/a)瓦斯涌出量预测报告［R］.2014，7.

［9］山西省地质勘查局二一一地质队.山西潞安集团潞宁煤业有限责任公司生产矿井地质报告［R］.2013，10.

［10］煤炭科学研究总院抚顺分院.潞宁煤业有限责任公司深部煤层瓦斯基础参数测定研究报告［R］.2008，10.

Study on Gas Occurrence Regularity on 2#Coal Seam in Luning Coal Mine

ZHANG Yi1，CAO Hu－bin1，DUAN Jia－min2，GUO Le－hong1

(1.Luning Coal Industry Co.，Ltd.，Shanxi Lu’an Mining Corp.，Ningwu，036706，China; 2.North China Institute of Science and Technology，Yanjiao，101601，China)

Gas occurrence regularity reflects the distribution and characteristics of the gas content in the coal seam.Grasping the regularity has a very positive significance for the scientific prediction and prevention of mine gas.According to the gas parameters of geological survey and the ones measured by the mine or scientific research institute for many years of the coal seam in Luning coal mine，the contour map of gas content in the coal seam is drawn in the paper.From the gas distribution，the gas content of 2#coal seam increases gradually from all around to the synclinal axis of the coal mine central part.The gas content of the whole field appears low all around and high in the center，and the maximum gas content appears between the two－three mining area and two－four mining area.From the relationship between gas content and coal seam burial depth，the gas content increases with the increase of burial depth.The maximum gas content of 2#coal seam is predicted to be 4.15m3/t，and the depth of gas weathering zone is 298m.The results provide reliable basis for gas prevention and control in deep mining of Luning coal mine，and also have reference effect for gas control of adjacent mine.

gas content;burial depth;gas occurrence regularity;gas prevention and control