地勘阶段煤层瓦斯围岩封闭能力评价与应用

石庆礼，李 杰

（贵州省煤田地质局实验室，贵阳 550023）

地勘阶段煤层瓦斯围岩封闭能力评价与应用

石庆礼，李 杰

（贵州省煤田地质局实验室，贵阳 550023）

运用瓦斯地质学理论分析影响煤层瓦斯围岩封闭性能的地质因素，得出煤层顶底板岩性、煤层封闭层泥岩比、有效岩层厚度效应系数为围岩封闭层主控地质因素。提出了有效封闭能力综合指数（ESCI）并建立了煤层瓦斯围岩封闭能力评价模型。以评价模型为基础对马依西一井3号煤层瓦斯围岩封闭能力进行评价。结果表明：研究区3号煤层的封闭层划分为Ⅰ-Ⅳ类，西翼3号煤层围岩封闭类型属于Ⅰ-Ⅱ类，具有强至较强的封闭能力，东翼3号煤层围岩封闭类型主要属于Ⅲ-Ⅳ类，封闭能力中等偏弱，在Ⅲ与Ⅳ类之间，有一小块属于Ⅱ类围岩封闭。总体上，西翼较东翼的围岩条件好，封闭瓦斯能力强，瓦斯含量高，随着围岩封闭条件自南西向北西逐渐变差，围岩封闭瓦斯能力减弱，瓦斯含量降低。

围岩封闭层；泥岩比；ESCI；评价

瓦斯灾害是煤矿主要灾害之一，严重制约着煤矿的安全生产。瓦斯地质学理论表明，瓦斯围岩的有效封闭使煤层瓦斯散逸通道减少而得以储存[1]。地勘阶段煤层围岩未受采动破坏，瓦斯处于原始储存状态。因此，可通过地勘阶段地质钻孔揭露的围岩厚度、岩性、节理及裂隙发育程度等分析煤层瓦斯储存地质因素，建立煤层瓦斯围岩封闭能力评价指标及评价模型。

1 围岩封闭层

围岩封闭层是指煤层纵向一定范围内的有效岩层，包括煤层的直接顶、老顶和底板，其作用是阻止煤层瓦斯的运移和扩散。通常，围岩封闭能力差，瓦斯大量运移扩散，不利于后期的井巷施工和人员安全，在采掘活动影响下，甚至易发生大量瓦斯涌出、煤与瓦斯突出等瓦斯灾害事故。反之，围岩封闭能力强，瓦斯不易运移扩散，后期只要采用适合的瓦斯抽采及防突措施即可有效降低瓦斯灾害发生率。

多数学者研究认为：围岩对瓦斯的封闭能力主要取决于毛细管压力、封闭层岩性、瓦斯压力、煤层埋深、构造发育程度等[2-3]，但主要还是取决于煤层顶、底板一定范围内围岩的物理力学性质和岩石结构特征。本文以马依西一井为例，运用瓦斯地质学方法对3号煤层瓦斯围岩地质因素进行分析，评价其围岩的封闭能力大小。

2 围岩封闭层主控地质因素

围岩封闭能力大小是各种地质因素和地质作用综合作用的结果。通常，若煤层瓦斯围岩为隔气性岩层（页岩、泥岩、炭质泥岩等），对瓦斯起封闭作用，瓦斯含量高；煤层瓦斯围岩为透气性岩层（中粒砂岩、裂隙发育的石灰岩、白云岩等），则瓦斯储存条件差，瓦斯含量较低。煤层顶底板围岩的裂隙节理越发育，瓦斯扩散通道越多，不利瓦斯储存，封闭能力较差。封闭层有效厚度越大，瓦斯运移扩散越困难。为此，选取煤层顶底板岩性、煤层封闭层有效厚度、煤层顶底板裂隙节理发育程度作为围岩封闭层主控地质因素，并由此建立煤层瓦斯封闭层泥岩比、有效岩层厚度效应系数、顶底板岩性3个定量评价指标[4-5]。

2.1 煤层顶底板岩性

含煤地层中，多以粉砂岩、细砂岩、泥岩、石灰岩沉积为主。因此，瓦斯围岩封闭层基本上为以上各大岩石的组合。按岩性特征分析，主要考虑岩石的粒度、磨圆度、致密性、分选性、胶结类型、结构构造、岩浆岩侵入等方面的差异，它们所组成的瓦斯封闭层能力将各不相同[3]。在相同厚度的条件下，瓦斯围岩封闭能力从大到小的排列顺序为：泥岩、炭质泥岩（页岩）、泥灰岩、粉砂质泥岩（铝土质泥岩）、泥质粉砂岩、粉砂岩、细砂岩、中粒砂岩、粗粒砂岩、石灰岩、断层角砾岩。

2.2 煤层封闭层泥岩比

在煤层瓦斯围岩中，泥岩的封闭能力最强，石灰岩及断层角砾岩因节理裂隙发育封闭能力最弱。为了定量研究封闭层段内岩石的整体有效封闭能力，可将瓦斯围岩有效封闭层段内不同岩层按表1系数转化为泥岩厚度之和占封闭层厚度的比值，该比值即为煤层封闭层泥岩比，取值为0～1，泥岩比越大表示在有效层段内对瓦斯封闭能力越强，反之则对瓦斯封闭能力越弱。

表1 煤层顶底板有效封闭层段不同岩石转化系数

2.3 有效岩层厚度效应系数

为了准确评价瓦斯围岩封闭层对瓦斯的封闭能力，引入有效岩层厚度效应系数（C）。它指围岩有效封闭层段内不同岩层厚度按表2权重分别转化为封闭能力最强的泥岩厚度，依据其与煤层间距分别计算不同岩层对煤层瓦斯的封闭能力：

表2 瓦斯围岩封闭层不同地质因素相对权重

式中：C为有效岩层厚度效应系数；Li为岩层厚度，m；ki为权重，按表2取值；hi为岩层底板至煤层顶板间距或岩层顶板至煤层底板间距，m。

煤层直接顶底板岩层作为单独指标考虑，不参与公式计算。

通常，有效岩层厚度效应系数越大，封闭瓦斯能力越强；反之，封闭瓦斯能力越弱。

3 围岩封闭层段有效范围分析

对顶底板封闭层段泥岩比、有效岩层厚度效应系数、顶底板岩性的研究均涉及到瓦斯围岩有效封闭范围。统计范围小，有效封闭瓦斯的岩层可能缺失，代表性差；统计范围大，将不影响或影响很小的岩层参与统计，工作量增大而且会导致围岩封闭层指标计算出现偏差。因此，科学合理地确定有效层段，对研究围岩瓦斯封闭能力至关重要。为了确定合理的有效封闭层段，在马依西一井分别取距钻孔3号煤层顶板10 m，20 m，30 m，40 m，50 m，60 m，70 m和距底板5 m，10 m，15 m，20 m，25 m，30 m范围内岩层段进行研究，分析其与瓦斯含量的关系，见图1。

图1 3号煤层顶、底板岩层厚度与瓦斯含量相关系数

通过分析，选用50 m作为3号煤层顶板有效封闭厚度，20 m作为3号煤层底板有效封闭厚度。

4 煤层瓦斯围岩封闭能力评价

4.1 建立评价指标

上述分析，煤层瓦斯围岩封闭能力与煤层顶底板岩性、煤层泥岩比、有效岩层厚度相关。为此，以该3个瓦斯地质因素作为基本评价指标。在研究3个单项指标与瓦斯围岩封闭能力基础上，提出反映3个基本指标对瓦斯封闭综合作用的有效封闭能力综合指数（ESCI）。计算该综合能力指数（ESCI）后，对马依西一井3号煤层瓦斯围岩封闭能力进行评价。

4.2 评价模型

有效封闭能力综合指数（ESCI），综合了封闭层段泥岩比、有效岩层厚度效应系数、顶底板岩性3个指标，其计算式为：

式中：Qi为量化后的煤层封闭层段顶底板泥岩比、顶底板有效岩层厚度效应系数、顶底板岩性。

在上述分析的围岩封闭有效范围内，统计各岩层厚度，按表1转化除以有效封闭层段厚度得出泥岩比；按公式（1）及表2得出有效岩层厚度效应系数；按表1转化得出岩性量化值。有效封闭能力综合指数（ESCI），取值为0%～100%，值越大，封闭层对瓦斯封闭能力越强。反之，则越弱。

5 评价模型实例分析与应用

在马依西一井选择进行煤层瓦斯含量测试的14个钻孔资料[6]，分别对3号煤层有效封闭层段内的顶底板泥岩比(n)、顶底板有效岩层厚度效应系数（C）、顶底板岩性进行量化。计算出3号煤层有效封闭能力综合指数（ESCI），见表3。

从表3可见，全矿井3号煤层ESCI值为58.33%～86.67%，瓦斯含量为4.23 m3/t～24.04 m3/t，两者的变化趋势基本一致，即ESCI值大，瓦斯含量大；ESCI值小，瓦斯含量小。为了进一步分析围岩封闭能力与瓦斯含量在平面上的分布，以ESCI值为基础，将本区3号煤层的封闭层划分为4种类型，见表4，并对本区封闭能力进行区划，如图2所示。

从图2可见，矿井西翼3号煤层围岩封闭类型属于Ⅰ～Ⅱ类，具有强至较强的封闭能力；东翼3号煤层围岩封闭类型主要属于Ⅲ～Ⅳ类，封闭能力中等偏弱，在Ⅲ与Ⅳ类之间，有一小块属于Ⅱ类围岩封闭。总体上，西翼较东翼的围岩条件好，围岩封闭瓦斯能力强，瓦斯含量高，随着围岩封闭条件自南西向北西逐渐变差，围岩封闭瓦斯能力减弱，瓦斯含量减小。

6 结论

1）通过瓦斯地质学理论分析了煤层瓦斯围岩封闭性能的地质因素，得出了煤层顶底板岩性、煤层封闭层泥岩比、有效岩层厚度效应系数为围岩封闭层主控地质因素。

2）运用数理统计方法，分析马依西一井3号煤层顶板泥岩比与封闭岩层厚度的相关系数，得出3号煤层顶板有效封闭厚度为50 m，底板有效封闭厚度为20 m。

表3 3号煤层围岩有效封闭能力综合指数(ESCI)计算值

图2 马依西一井3号煤层ESCI等值线及封闭能力区划图

表4 3号煤层围岩封闭类型及封闭能力分级表

3）提出了有效封闭能力综合指数(ESCI)并建立了瓦斯围岩封闭能力评价模型。

4）运用煤层瓦斯围岩封闭能力评价模型，实例分析了马依西一井3号煤层瓦斯围岩封闭能力，将本区3号煤层的封闭层划分为Ⅰ-Ⅳ类，并绘制了3号煤层ESCI等值线及封闭能力区划图。

[1]张子敏.瓦斯地质学[M].徐州：中国矿业大学出版社，2009．

[2]曾勇，王占磊，吴财芳，等.矿井煤层甲烷封盖条件的初步研究[J].煤田地质与勘探,2006，34(5)：31-34.

[3]吕闰生，张子戌.煤层瓦斯围岩封盖能力的定量分析[J].矿业安全与环保,2007，34(6)：1-3.

[4]张枚润，杨胜强，周中立，等.马依西一井3号煤层瓦斯含量预测[J].煤矿安全,2013(1)：127-129．

[5]安鸿涛.龙湾井田3号煤层煤层气赋存的地质控制因素[J].煤炭科学技术,2014，42(2)：41-43．

[6]刘祥先.贵州省盘县马依西一井田煤矿勘探地质报告[R].贵阳:贵州省西能煤炭勘查开发有限公司,2006.

（编辑：杨 鹏）

Evaluation on CBM Sealing Capability of Coal-enclosing Rocks in Exploring Stages

SHI Qingli,LI Jie
(Laboratory of Coalfield Geology Bureau of Guizhou Province,Guiyang 550023,China)

Based on gas geology,CBM sealing capability of coal-enclosing rocks were analyzed to conclude major controlling geological factors of the sealed layers,including the lithology of roof and floor of coal seam,mudstone ratio,and effect coefficient ofeffective rock thickness.The paper proposes an effective sealingcapacityindex(ESCI)and establishes an evaluation model on sealingcapabilityofsurroundingrock of CBM.Based on the model,No.3 coal seam of No.1 Mayixi Well’s sealing capability was evaluated.The results showthat the sealed layer of No.3 coal seam could be classified into 4 types:from type I to IV.No.3 at the west wing belongs to type I and II,with strong to stronger sealing capability;No.3 at the east wing belongs to type III and IV,with medium and weaker capability.Between the type III and IV in the mine is a piece of type II.In general,the condition in the west wing is better than that in the east,with strong sealing capability for CBM and high gas concentration.The sealing condition becomes worse from south-west tonorth-east part and gas sealingcapabilityand gas concentration decrease gradually.

seals ofcoal-enclosingrock;mudstone ratio;ESCI;evaluation

TD712.2

A

1672-5050（2016）04-054-04

10.3969/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2016.08.015

2016-04-13

石庆礼（1982-），男，贵州黎平人，硕士，工程师，从事煤田地质勘查、矿井通风与瓦斯治理等方面的研究。