永红煤矿3号煤层瓦斯地质规律之研究

杨峰峰，张巨峰，郑 超，周华龙，李建兵，雷武林

(1.陇东学院能源工程学院，甘肃庆阳745000；2.沁和能源集团有限公司，山西晋城048204)

永红煤矿3号煤层瓦斯地质规律之研究

杨峰峰1，张巨峰1，郑 超1，周华龙1，李建兵2，雷武林1

(1.陇东学院能源工程学院，甘肃庆阳745000；2.沁和能源集团有限公司，山西晋城048204)

为了研究地质构造对煤与瓦斯突出的影响，运用瓦斯地质学理论，结合地勘期间和矿井生产时揭露的瓦斯地质资料，采用定性、定量相结合的方法研究了永红煤矿3号煤层的瓦斯地质规律。结果表明，地质构造、煤层顶底板岩性、埋藏深度是影响瓦斯赋存规律的主要影响因素，煤层埋藏深度是控制瓦斯含量的主导因素。为矿井瓦斯防治提供了理论支撑，对煤矿安全高产高效绿色开采具有重要的指导意义。

瓦斯地质规律；地质构造；瓦斯赋存；瓦斯含量

大量的实践证实，煤与瓦斯突出常发生在构造发育的地质构造破坏带， 地质构造在一定程度上对煤与瓦斯突出具有控制作用[1]。国内外研究表明，煤与瓦斯突出大多发生在逆断层、正断层等强烈变形的构造区域，通常这些区域的煤层被破坏而形成了碎裂煤、碎粒煤或糜棱煤；而有些突出则与褶曲等因素有关，因为这些构造在一定区域内存在比较发育的构造煤[2-3]。此外，矿区的地质构造特征控制煤与瓦斯突出的分布，而构造的分级、分区以及分带特征是导致瓦斯突出分布不均衡的重要原因。对于煤与瓦斯突出矿井而言，要保证安全高效绿色开采，关键在于搞清楚矿井或工作面的煤层瓦斯赋存规律，从而为实施两个“四位一体”综合防突措施提供理论支持，因此，深入研究永红煤矿瓦斯地质规律，对控制、预防瓦斯事故的发生具有一定的现实指导意义[4-5]。

1 矿井概况

永红煤矿在2009年进行机械化采煤升级改造后，矿井核定生产能力为1.2Mt/a。煤层瓦斯含量为12.61～21.3m3/t，绝对瓦斯涌出量152.31m3/min，相对瓦斯涌出量94.37m3/t，批复等级为突出矿井。1994年6月24日早班9时多，永红煤矿旧区一下山3201掘进工作面回风顺槽在放炮时发生过一起瓦斯动力现象，巷道抛出煤量108t，涌出瓦斯量约8000m3。矿井采用斜井单水平开拓开采3号煤层，顶板管理方式为全部陷落法，永红煤矿矿区内主要含煤地层为上石炭统太原组和下二叠统山西组。

2 地质构造及控制特征研究

2.1 矿区地质构造演化及分布特征

该矿区位于山西省东南部位的太行山隆起南端靠西侧，同时也位于沁水复向斜盆地的南端，在矿区的东部赋存有NNE向的伊候山断层、白马断层和陈沟断层；矿区西部有发育为NWW-NE-NNE向展布的寺头-土沃弧形断裂构造带。山西省东南部位于山西中隆起区的中部和南部。晋东南区受到燕山期构造运动的控制，由于燕山运动也划分为不同的时期，因此其构造形式的表现也不尽相同。

燕山运动早期，由于东西向的主压应力作用使其构造变动在形态上主要表现为大型的开阔褶皱。而NNE向构造形成的时期主要是燕山运动中期，对应的主压应力方向为北西西—南东东方向，与此同时形成了北北东向的线型挤压带。在燕山晚期-喜山期最大的变化是区域构造应力形式发生了较大变化，主张应力方向为北西—南东向，而主压应力方向变为北东-南西向，与其对应的构造类型以断裂为主，褶皱次之。

永红煤矿的构造形迹主要以宽缓的褶皱主，褶皱构造的轴向为北东向、南北向或北北东向，倾角在5°左右。未见断层，无岩浆活动、无陷落柱。矿区内的构造属简单类，构造纲要如图1所示。

图1 永红煤矿构造纲要图

2.2 构造煤发育及分布特征

矿区内3号煤层上半部分为硬煤，表现为光泽明亮，呈现层状，并且节理和次生节理发育，节理面有擦痕，断口呈现出参差多角状、坚硬的煤质很难用手掰断，属Ⅱ类破坏型煤。3号煤层下半部分局部地方有一层厚度约0.3～0.6m的软煤分层比较发育，而软分层之上全部为硬煤。3号煤层底部的软煤分层颜色暗淡，为细小的碎粒状煤，层理紊乱、无次序；相对而言，节理不清晰、次生节理的密度比较大，而且呈现出全粉煤或粉碎煤的特性，属于Ⅲ类偏Ⅳ类破坏型煤。

3 矿井瓦斯地质规律研究

3.1 褶曲对煤层瓦斯赋存的影响

一般认为，闭合且完整的背斜会形成较好的储存瓦斯的构造，通常在轴部区域会储存大量的高压瓦斯而形成“气顶”。但是对于向斜构造而言，由于其轴部受到较大的挤压作用而导致透气性变差，所以向斜构造两翼的瓦斯含量常常比其轴部的要高。永红煤矿井下向斜相对较缓，两翼倾角不超过10°，如沟北村向斜两翼地层倾角4～6°，一般5°左右，这样的构造形态不利于瓦斯向两翼逸散，加之顶、底板为较大厚度的泥岩，更有利于瓦斯的封存，从而在向斜的轴部为瓦斯积聚区。

3.2 构造煤对瓦斯赋存的影响

永红煤矿局部地区存在构造煤，通常情况下，构造煤发育区应力比较集中，渗透性较其他区域差，使瓦斯更容易保存，加之构造煤本身强度比较低，抵抗破坏的能力要比原生结构煤低。根据以往突出事故发生规律可知，发生突出的地点或附近往往存在构造煤，在生产中尤其要注意断层上盘和褶皱翼部。总之，在开采或掘进过程中要搞清构造煤发育区域，保证安全生产。

3.3 顶、底板岩性对瓦斯赋存的影响

顶底板岩性包括岩石的孔隙率、渗透性和孔隙结构[6]。通常来说顶底板岩石的孔隙率越大，裂隙间的连通性、渗透性、隔气及透气性越好，越有利于煤层瓦斯的赋存，反之亦然。一般情况下，当煤层顶底板为页岩、油母页岩等比较致密、完整的岩石时，煤层中的瓦斯就容易被保存下来；而当顶底板为孔隙较发育或脆性裂隙相对发育的砾岩、砂岩等岩石时，相互贯通的裂隙给瓦斯的运移提供了通道，瓦斯很容易逸散[7]。永红煤矿3号煤层的伪顶为泥岩，直接顶为泥岩、粉砂岩或者砂质泥岩，厚度2.56～8.24m，老顶为砂质泥岩或中细砂岩，厚度0～5.55m，平均厚度4.24m。底板为泥岩、粉细砂岩和砂质泥岩，厚度为5.62～8.92m，平均厚度为7.49m。当煤层顶板为粉砂岩时，其瓦斯含量为13.21m3/t.r，而附近瓦斯含量相对较大的永2号孔(瓦斯含量为16.33m3/t.r)、永5号孔(瓦斯含量为15.00m3/t.r)、永6号孔(瓦斯含量为15.98m3/t.r)、114号孔(瓦斯含量为17.44m3/t.r)，由此可见，泥岩更有利于煤层瓦斯的保存。

3.4 煤层厚度对瓦斯赋存的影响

煤层厚度越大，则瓦斯生成量也越大，煤层的厚度变化破坏了瓦斯分布的均衡性，也就对瓦斯的运移和变化产生影响，因此，在一定程度上可认为煤厚变化也是造成瓦斯分布不均衡的重要原因[8]。永红煤矿3号煤层煤厚4.7～6.0m，煤层厚度与瓦斯含量数据见表1，煤层厚度变化不大，并对煤层瓦斯含量与煤厚关系(图2)进行拟合分析可知，其煤厚与瓦斯含量的关系不明显。

表1 煤层厚度与瓦斯含量对应关系表

图2 煤厚与瓦斯含量关系图

3.5 埋藏深度对瓦斯赋存的影响

如果煤层有露头，瓦斯容易溢出，瓦斯含量越小。地应力随着埋深的增加而增加的同时，煤层及围岩的透气性也变差，甲烷所占比例增加，瓦斯含量相应增大。同时也导致了瓦斯向地表运移距离的变大，这两者都对瓦斯的封存起到有利的作用。

根据永红煤矿3号煤层瓦斯含量实测值与埋深关系可知(如图3所示)，永红煤矿3号煤层瓦斯含量随埋藏深度的增大而增加。

4 瓦斯含量分布及预测研究

(1)随机变量η与n个可控变量x1，x2，…，xn满足关系式：

(1)

其中a0，a1，…，an，σ2均为未知参数，n>1，则称η与x1，x2，…，xn之间具有线性相关性，公式(1)即为n元正态线性回归模型。

(2)多元线性回归方程。假设随机变量与η与n个可控变量x1，x2，…，xn之间有线性相关关系，也就满足n元线性回归模型，根据n个样本值(xi1，xi2，…，xin；yi)，其中i=1，2，…，n，求未知参数a0，a1，…，an的最小二乘估计值，最终可得到n元线性回归方程：

y=a0+a1x1+a2x2+…+anxn

(2)

(3)瓦斯含量预测

由于构造及顶底板岩性难以进行定量分析，而煤厚与瓦斯含量关系不明显，因此以煤层埋深作为瓦斯含量影响最大的因素建立线性回归模型图式：

y=a0+a1x1

(3)

式中：x1为煤层埋深。用3号煤层8个实测数据为样本[(xi1，xi2，…，xin；yi)，其中i=1，2，…，10]代入式(3)，埋藏深度与瓦斯含量对应关系见表2，拟合计算得出3号煤层线性回归方程为：y=8.0727+0.03635x1。

表2 埋藏深度与瓦斯含量实测数据表

根据本矿实际条件，构造煤、褶曲等对瓦斯赋存的影响只能采用定性的方法进行分析，而埋藏深度与瓦斯含量直接的关系可以通过定性的方法进行回归分析，因此，通过建立回归模型可以更直观地分析二者之间的关系。由表2可知，埋藏深度与瓦斯含量呈正相关关系。

图3 瓦斯含量与埋深关系散点图

一般来说，煤层瓦斯含量受到煤种、构造、埋藏的深度、煤的理化性质、顶、底板岩性等多种地质因素的制约，不同的矿井所具有的地质条件千变万化，因此各种地质因素对其施加影响的显著性很大程度上是不一样的。也就是说，不同的矿井所属的各种地质因素中总有一个控制全矿范围内瓦斯含量变化总体趋势的主导因素，而其它的地质因素只能在局部地区对煤层瓦斯含量起到一定程度的影响。

通过对本矿井的地质条件进行分析可知，永红煤矿矿井地质构造简单，这些简单的地质构造只能对局部的煤层瓦斯赋存规律产生影响，如构造煤及褶曲等只在局部地区存在，对矿井小范围内会产生影响，而埋藏深度在整个矿井范围内影响瓦斯含量的大小。综上可知，煤层的埋藏深度才是控制永红煤矿瓦斯含量变化的主导因素，为今后的瓦斯治理工作及安全开采提供了依据。

5 安全技术措施

根据本矿生产实际，依靠生产科学新技术、新装备，在石门揭煤及煤巷掘进过程中应及时测定瓦斯压力或瓦斯含量，准确预测突出危险性，强化瓦斯治理工作。

由于3号煤层局部存在软分层煤，因此，采取专门的探测及预防措施，掌握瓦斯地质规律，保证矿井安全生产。

坚持两个“四位一体”综合防突措施，尤其是在构造煤存在的区域，采用适合软煤的瓦斯抽采技术及装备，做好瓦斯治理工作。

完善监测监控系统，加强采掘工作面地质构造探测、瓦斯动力现象的观测。

6 结论

在分析区域构造演化和构造控制特征的基础上，定性、定量地分析了褶曲、顶底板岩性及煤层埋深对矿井瓦斯赋存的影响，并分析得到了控制瓦斯含量的主导因素是煤层的埋藏深度。

得出了永红煤矿瓦斯赋存规律，从而为永红煤矿制定和采取防治瓦斯技术提供了依据。

[1]舒龙勇,程远平,王亮，等.地质因素对煤层瓦斯赋存影响的研究[J].中国安全科学学报，2011,21(2)：121-125.

[2]俞启香.矿井瓦斯防治[M].徐州:中国矿业大学出版社,1992,539-542.

[3]程远平,俞启香.中国煤矿区域性瓦斯治理技术的发展[J].采矿与安全工程学报,2007,25(4):383-390.

[4]周华强等.严重突出煤层回采工作面瓦斯地质规律分析及控制技术[J].煤矿安全,2014,45(4):159-162.

[5]王青元,杨天鸿,李铁良,等.八连城煤矿19号煤层瓦斯地质规律研究[J].煤炭科学技术,2012,01:115-117.

[6]杨宏民,王松,陈向军,等.长平煤矿3号煤层瓦斯赋存规律分析[J].煤矿安全,2011,(5):117-119.

[7]王松.寺河矿区域预抽煤层瓦斯防突效果评价方法及临界值的研究[D].河南理工大学,2011:15-20.

[8]王晓彬,张子敏,张玉贵，等.新安煤矿瓦斯赋存影响因素分析[J].煤炭工程,2010,(2):78-81.

【责任编辑 赵建萍】

Study on Geological Laws of NO.3 Coal Seam Gas in Yonghong Coal Mine

YANG Feng-feng1，ZHANG Ju-feng1，ZHENG Chao1，ZHOU Hua-long1，LI Jian-bing2，LEI Wu-lin1

(1.CollegeofEnergyEngineering,LongDongUniversity,Qingyang745000,Gansu2.QinheEnergyGroupCorporationLtd.,Jincheng048204,Shanxi)

In order to research the influence of geological structure on coal and gas outburst,using gas geological theory,combing with the geological exploration and the gas geological data revealed in the mine produc-tion,a qualitative and quantitative combined method was applied to reserach the gas-geology laws of the No.3 Mine seam of Yonghong. Results show that the major influencing factors are geological structure,the lithologies of coal seam roof and floor and the thickness of coal seam and so on. It is shown that the burial depth of coal-bed is a main controlling factor. It provides theoretical support for mine gas prevention and controling,and has important guiding significance for coal mine safety high yield and high efficiency green mining.

gas-geological laws;geological structure;gas occurrence;gas content

1674-1730(2017)03-0090-04

2016-06-07

陇东学院青年科技创新项目《陇东宁正矿区高瓦斯厚煤层采动裂隙发育区瓦斯抽采技术研究》(XYZK1610)；陇东学院青年科技创新项目《基于AHP的煤炭地下气化可行性研究》(XYZK1611)；庆阳市自然科学基金《石门快速揭煤压裂酸化机理研究》(zj2014-05)；陇东学院青年科技创新项目《巨厚黄土下深部开采地表深陷规律研究》(XYBY1610)

杨峰峰(1988—)，男，甘肃静宁人，助教，硕士，主要从事矿井瓦斯灾害防治教学与科研。

TD712

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