樊寨井田二1煤层瓦斯含量主控因素研究

李金海，徐永红，王军飞(郑州祥隆地质工程有限公司，河南 郑州 452371)

樊寨井田二1煤层瓦斯含量主控因素研究

李金海，徐永红，王军飞
(郑州祥隆地质工程有限公司，河南 郑州 452371)

为了查明樊寨井田瓦斯含量的主控因素，本文系统收集和统计了地质勘查阶段樊寨井田二1煤层的瓦斯地质资料，详细分析了地质构造、煤层埋深、基岩厚度、煤层厚度、煤层围岩、煤质等地质因素对煤层瓦斯含量的影响，应用回归分析方法建立以基岩厚度、煤层厚度、顶板20 m封闭系数为变量的瓦斯含量预测模型公式，并依据模型方程对井田二1煤层瓦斯含量进行了预测，为煤矿安全生产提供数据。

樊寨井田；瓦斯含量；煤层

1 研究区概况

樊寨井田位于新密复式向斜中段轴部，发育有浮山寨断层等6条较大的断裂构造及罗湾滑动构造。主要可采煤层为山西组二1煤层，埋深约300～900 m，层位赋存稳定，平均厚度为4.70 m，绝大部分可采，为粉状贫煤。

2 瓦斯含量影响因素分析

2.1 地质构造

樊寨井田整体仍呈一向斜构造，向斜轴部大致沿五里堡断层附近，井田内发育有水车园背斜等次级褶曲及浮山寨正断层、樊寨正断层、苏寨正断层、王家沟正断层、吕家沟正断层等断裂构造，此外还发育有罗湾滑动构造。樊寨井田断层特征见表1。

地质构造既可改变煤体结构及赋存形态，又可改变煤层围岩透气性[1-4]。断裂构造对瓦斯形成后的运移、赋存与分布起着直接控制作用。张性断裂一般为开放性断层，对煤层瓦斯起到排放作用；压性与压扭性断裂一般属封闭性断层，对煤层瓦斯起到封闭作用，不利于瓦斯逸散[5-6]。

浮山寨正断层为樊寨井田与北部杨河井田的分界断层，因滑动构造复合原因导致断层带具有压扭性质，不利于瓦斯逸散，造成局部断层带附近瓦斯含量相对较高。王家沟正断层为浮山寨较大的分支断层，其南北二1煤顶板裂隙发育，底板也较破碎，有利于瓦斯释放，瓦斯含量很低，沿断层带形成了一条带状的二氧化碳-氮气带。南部的樊寨正断层、苏寨正断层、五里堡正断层及西部的吕家沟正断层为落差较大的开放性断层，有利于地质历史时期瓦斯的排放。五里堡正断层附近的二1煤处于新密向斜轴部，有利于瓦斯聚集，瓦斯含量普遍较高。

表1 樊寨井田断层特征

罗湾滑动构造形成二1煤层厚度变薄或增厚现象，井田范围内出现的薄无煤带以及巨厚煤带多与滑动构造有关；且滑动构造对瓦斯、煤质及煤层顶底板等都有较大的影响，可造成局部瓦斯聚集、煤变质程度增高、降低煤层顶底板岩石的力学强度等。

2.2 煤层埋深及基岩厚度

英祖李 将长白山定为朝鲜的“北岳”，视为朝鲜众山之宗且尊为王室诞生之地。此后一百多年，朝鲜都有对长白山的祭祀活动，并遵循满语，称长白山为“白头山”。

在一定深度范围内，煤层的瓦斯含量随埋藏深度增加而增大[7-10]。因为随深度增加，煤层瓦斯压力和吸附能力也相应增加，致使瓦斯含量增大。基岩厚度即地质历史时期最后一次生烃后煤层的埋深，也就是现今煤层到其上部第一个不整合面的距离。基岩厚度大，围岩总体的透气性差，地质历史时期瓦斯逸散的距离也增大，致使瓦斯含量增大。樊寨井田二1煤层的埋藏深度在300～900 m，基岩厚度285～880 m，就其与瓦斯含量的关系见图1和图2。由图1和图2可知，埋藏深度、基岩厚度与瓦斯含量呈正相关性，即埋深越大，基岩越厚，煤层瓦斯含量越高。

图1 埋藏深度与瓦斯含量关系

图2 基岩厚度与瓦斯含量关系

2.3 煤层顶板围岩封闭性

目前对各地质因素影响的研究，不能停留在趋势性的分析上，基于大数据统计半定量的分析顶板围岩封闭性更符合客观实际。瓦斯自生成后受到构造等地质作用经历了扩散、运移、聚集等过程，煤层顶板的封闭性能直接影响到瓦斯的保存条件[11-14]。顶板一定层段范围内的岩性和厚度直接影响顶板围岩的封闭性能。本文引用封闭系数对顶板围岩封闭性进行评价，封闭系数是以煤层为参照层，叠加煤层顶板一定厚度范围内各个岩性岩层对煤层瓦斯的影响系数。统计公式见式(1)和式(2)。

(1)

hi=m1+m2+…+mi-1+(1-k)mi

(2)

式中：F为统计层段内封闭系数；mi为统计层段内某一岩性岩层厚度，m；hi为统计层段内某一岩性岩层校正后的底界与煤层顶界的距离，m；k为某一岩性岩层厚度调整系数。

式(1)和式(2)中，要先对统计层段内各种岩性的岩层以泥岩为标准岩层进行隔气厚度的校正，校正后的厚度代表岩层有效的影响厚度，然后叠加各岩层对煤层的封闭影响系数，得到统计层段内的封闭系数(图3，表2)。传统盖层的研究包括基岩厚度(大尺度)，直接顶板岩性和厚度(小尺度)，而对于统计层段顶板(中尺度)少有涉及。封闭系数综合了煤层直接顶板的岩性、厚度及统计层段内顶板对煤层瓦斯含量的影响。

表2 不同岩性岩层厚度调整系数

为探讨樊寨井田二1煤层顶板对瓦斯赋存的影响，本次统计了12个钻孔的瓦斯地质资料，分别计算出各钻孔二1煤层顶板10 m、20 m、30 m、40 m、50 m、60 m的封闭系数，通过比较瓦斯含量与其相关性系数R值，最终确定R值最大的20 m封闭系数作为煤层顶板封闭系数，见图4和图5。由图5可知，顶板20 m封闭系数与瓦斯含量呈正相关性，即20 m封闭系数越大，瓦斯含量越高。

图3 封闭系数示意图

图4 顶板不同统计层段封闭系数与瓦斯含量关系

图5 顶板20 m封闭系数与瓦斯含量关系

2.4 煤层厚度及煤质

一般情况下，煤层厚度与瓦斯含量关系较密切，煤层厚度愈大，瓦斯生成和储存量愈多[15-16]。二1煤层位赋存稳定，结构比较简单，平均厚度为4.70 m，绝大部分可采。具有沿走向东厚西薄、沿倾向浅部厚深部薄。由于本区受罗湾滑动构造影响，局部煤厚有增厚或变薄现象，但煤层厚度与瓦斯含量依然呈正相关性，即随煤厚增大，瓦斯含量有增高趋势，如图6所示。

煤中所含水分、灰分对瓦斯含量也有一定的影响。本次对樊寨井田二1煤水分、灰分与瓦斯含量的关系也进行了分析，结果显示水分、灰分对瓦斯含量影响很小。

3 瓦斯含量预测

根据瓦斯地质条件各单因素与瓦斯含量关系的分析，因断层、褶曲等地质构造无法进行量化统计，尤其是滑动构造影响本井田绝大部分区域，其影响机理很复杂；水分、灰分对瓦斯含量影响很小，故这些因素不参加拟合分析。最终确定基岩厚度、顶板20 m封闭系数、煤层厚度为主要控制因素进行拟合分析，并依据12个可靠的瓦斯含量点数据通过SPSS软件进行线性回归分析，得到回归模型方程，见式(3)。

Q=0.015M+0.125m+0.468F20-0.011

(3)

式中：Q为瓦斯含量预测值，cm3/g；M为基岩厚度，m；m为煤层厚度，m；F20为顶板20 m封闭系数。

利用式(3)，计算煤层瓦斯含量实测值与预测值的拟合优度(复相关系数R2)为0.9057，两条折线趋势基本一致(图7和图8)，说明预测瓦斯含量与实测瓦斯含量拟合度较高，回归模型方程较可靠。依据所建立的模型方程对樊寨井田二1煤层瓦斯含量进行预测(图9)，预测结果显示总体上井田向斜轴部瓦斯含量较高，两翼瓦斯含量较低。

图6 煤厚与瓦斯含量关系

图7 实测瓦斯含量与预测瓦斯含量对比

图8 瓦斯含量实测值与预测值相关性

4 结 论

通过对樊寨井田瓦斯含量影响地质因素对比分析，查找出本井田煤层瓦斯赋存规律，确定二1煤层瓦斯含量主要受地质构造、基岩厚度、煤层厚度、顶板20 m封闭系数几个主导因素的影响。基于本次统计分析，充分利用地质勘查阶段钻孔瓦斯含量实测值，应用SPSS软件以基岩厚度、煤层厚度、顶板20 m封闭系数数据为基础建立回归模型，并依据模型方程对井田二1煤层瓦斯含量进行了预测，为矿井瓦斯含量预测及综合治理奠定基础。本井田受滑动构造影响，且断层较发育，生产过程中还应密切关注其影响。

图9 樊寨井田二1煤瓦斯含量预测等值线

[1] 李鹏，赵延湘，周继祯.鄂庄煤矿瓦斯地质规律研究及治理措施[J].煤矿安全，2004，35(2)：8-10.

[2] 刘见宝，高晖，宋志敏，等.河南省太行构造区二1煤层瓦斯地质规律研究[J].能源与环保，2017，39(4)：1-6.

[3] 薛冰.重力滑动构造对煤与瓦斯突出的控制作用研究[J].煤炭科技，2017(1)：19-21.

[4] 闫江伟，张玉柱，王蔚.平顶山矿区瓦斯赋存的构造逐级控制特征[J].煤田地质与勘探，2015，43(2)：18-23.

[5] 李恒乐，曹运兴，秦勇，等.重庆煤矿区瓦斯赋存特征及地质控制因素[J].煤田地质与勘探，2015，43(2)：1-7，12.

[6] 练友红.芦岭煤矿瓦斯地质规律分析[J].矿业安全与环保，2007，34(6)：73-75.

[7] 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(S1)：517-519.

[8] 刘新荣，鲜学福，姜德义，等.煤层瓦斯涌出量与煤层埋藏深度关系的探讨[J].矿业安全与环保，2001，28(1)：41-42.

[9] 李阳，张浪，舒龙勇，等.潞安矿区煤储层特征及瓦斯含量分布规律研究[J].煤炭科学技术，2014，42(12)：65-69.

[10] 冯斌，李文前，郭新体，等.河南顺和西矿区Ⅱ2煤层煤岩煤质特征及瓦斯含量分带性[J].中国矿业，2013，22(4)：118-122，126.

[11] 董钦奎，贾焕福.兴山矿22号煤层瓦斯涌出量大原因分析[J].煤炭技术，2000，19(1)：19-20.

[12] 王生会.煤层瓦斯含量的主要控制因素分析及回归预测[J].煤炭科学技术，1997，25(9)：45-47.

[13] 王兆丰，赵鹏涛，王林，等.寨崖底煤矿煤层瓦斯含量影响因素分析[J].煤炭科学技术，2012，40(4)：49-51.

[14] 安鸿涛.龙湾井田3#煤层瓦斯含量分布规律及影响因素[J].煤矿安全，2013，44(8)：160-162.

[15] 贾明魁，徐德宇，李书文.新安煤田瓦斯地质规律研究[J].中国煤炭，2015(12)：31-35.

[16] 王国华，冯光俊，刘刚，等.东欢坨矿瓦斯地质特征及其控制因素分析[J].煤矿安全，2017，48(2)：149-152.

Study on the main control factors of Ⅱ1coal gas content in Fanzhai mine field

LI Jinhai，XU Yonghong，WANG Junfei
(Xianglong Geological Engineering Limited Corporation，Zhengzhou 452371，China)

In order to find out the main control factors of gas content in Fanzhai field，this paper systematically collect the gas geological data of Ⅱ1coal seam in Fanzhai mine field，and analyze the geological structure，burial depth，bedrock thickness，coal thickness，surrounding rock，coal quality and other geological factors on the coal gas content.Make bedrock thickness，coal thickness，roof closure coefficient of 20 meters as variables，use regression analysis method to establish the gas content prediction model.The gas content of Ⅱ1coal seam is predicted according to the model equation.It is to provide safety data for the mine field.

Fanzhai mine field；gas content；coal seam

2017-03-10 责任编辑：宋菲

李金海(1984-)，男，河北承德人，工学硕士，工程师。从事矿井地质研究工作，E-mail：lijinhaikk@163.com。

TD712

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1004-4051(2017)08-0129-04