某矿下4、下5煤层瓦斯赋存规律研究

曹 佳， 李 娟， 任 超

(徐州长城基础工程有限公司，江苏 徐州 221000)

1 矿井概况

榆树田煤矿位于新疆库车县境内，距离库车县城约60 km。煤矿为基建矿井，划定矿区面积约5.66 km2，范围由9个拐点坐标圈定，开采深度由1 700～1 050 m标高。煤矿设计生产能力90万吨/年，服务年限为69.8 a，第一水平标高+1 300 m。2017年进行试生产，主采煤层下5煤，煤层平均厚度9.35 m，煤层倾角约14°。

矿井位于夏阔坦向斜东段，横跨夏阔坦向斜两翼，向斜轴部为中侏罗统克努尔组(J2k)地层，向两侧依次为下侏罗统阿合组(J1a)，塔里奇克组(J1t)地层。向斜轴呈近东西向展布，东部翘起，向西倾伏，北翼缓，地层倾角10°～14°，南翼陡，地层倾角40°～60°。为不对称向斜。区内未发现>30 m的断层。矿区构造复杂程度属中等类。

2 瓦斯地质工作概况

据收集资料，煤矿勘探阶段下4、下5煤共采集了13个瓦斯样，其中下4煤层瓦斯样3个，下5煤层瓦斯样10个，下4煤层平均瓦斯含量0.643 m3/t，下5煤层平均瓦斯含量1.34 m3/t。

煤矿于2013～2017年间通过井下实测和实验室测定的方式对下4、下5煤层的瓦斯基础参数进行了测定。瓦斯含量及压力测试点位置主要集中于开拓大巷及设计110501工作面，共取得数据21组，其中下4煤层瓦斯含量0.73～5.78 m3/t，下5煤层瓦斯含量4.24～7.44 m3/t；下4煤层瓦斯压力0.15～0.70 MPa，下5煤层瓦斯压力0.20～0.73 MPa。由于勘探阶段钻孔瓦斯含量数据与井下实测数据相比相差较大，本次研究认为地勘阶段钻孔瓦斯资料误差较大，数值偏低，故本次研究相关瓦斯数据均采用井下实测数值。

3 煤层瓦斯赋存规律分析

3.1 瓦斯赋存的控制条件

一般认为，煤层瓦斯赋存受到煤的变质程度、煤层厚度、构造条件、煤层顶(底)板岩性、水文地质条件、埋藏深度等因素影响。本文主要针对煤矿下4、下5煤层瓦斯赋存的以下因素进行分析。

(1)构造条件：榆树田煤矿位于夏阔坦向斜东段，横跨夏阔坦向斜两翼，为南翼陡、北翼缓的不对称向斜，次级断裂不发育。全区瓦斯含量整体上沿向斜轴由翘起端向倾伏端逐渐增大，又北翼缓而南翼陡，向斜北翼含量略高于南翼。

(2)煤层顶(底)板岩性：矿井各煤层顶板多为粉砂岩，局部为泥岩和砂质泥岩，底板基本为粉砂岩和砂质泥岩。泥岩与砂岩相比较致密，孔隙半径较小，对瓦斯有较强的封存能力。另外，厚层砂岩易于发生断裂构造，致使围岩透气性大，瓦斯易于流失，从而降低煤层瓦斯含量。全区范围内各煤层顶底板绝大部分为粉砂岩，故顶底板岩性不是影响本区煤层瓦斯赋存的主要因素。

(3)煤层埋深及上覆基岩厚度：煤层埋深及上覆基岩厚度是煤层瓦斯赋存的重要控制因素。一般而言，煤层中的瓦斯压力随着埋藏深度的增加而增大，随着瓦斯压力的增加，在煤与岩石中游离瓦斯量所占的比例增大的同时，煤中的吸附瓦斯逐渐趋于饱和。由此可以推断，在一定深度范围内，煤层瓦斯压力及含量随埋深的增大线性增加。

本区内基岩大面积裸露，第四系覆盖层沿现代冲沟小面积分布，因此，榆树田煤矿的埋深和上覆基岩厚度基本一致，从深度上可以合并研究其对瓦斯赋存的影响。本区瓦斯含量一般情况下由东北至西南随着埋深(上覆基岩厚度)增加而逐渐升高。

(4)岩浆岩分布：区内无岩浆岩分布，煤层未受到岩浆活动破坏或影响，故岩浆岩对本次研究的下4、下5煤层瓦斯赋存均没有影响。

3.2 瓦斯含量、压力预测

通过前文对地质相关因素的分析，本次研究认为煤层埋深是榆树田煤层瓦斯赋存最重要的地质控制因素。故本次研究利用矿井已知的瓦斯含量、压力数据，剔除离差较大数据，建立煤层瓦斯含量及压力与煤层埋深的相关性，如图1所示。

图1 下4、下5煤层埋深与瓦斯含量、压力关系图

由于本次研究测点位置相对集中且数据相对较少，各煤层线性变化规律可能与实际有一定的误差，本次暂以此作为绘图及预测依据，矿井在之后的生产过程中应根据实际测定的多点数据进行修正、调整。根据本次对煤层埋深和瓦斯含量、压力进行线性拟合分析，得出相关方程如下。

下4煤层W4=0.0135h-0.3026R2=0.9745

(1)

下5煤层W5=0.0153h+0.0117R2=0.9713

(2)

下4煤层P4=0.0016h-0.0294R2=0.9423

(3)

下5煤层P5=0.0010h+0.2358R2=0.9874

(4)

式中：W为瓦斯含量，m3/t；P为瓦斯压力，MPa；h为煤层埋深，m。

根据(1)～(4)式计算，研究区内下4煤层埋深范围为160～480 m，预测瓦斯压力0.23～0.63 MPa，预测瓦斯含量1.86～6.18 m3/t。下5煤层埋深范围为180～500 m，预测瓦斯压力的范围为0.42～0.71 MPa；预测瓦斯含量为2.76～7.66 m3/t。

4 煤与瓦斯突出危险性分析

榆树田煤矿为基建矿井，未发生过煤与瓦斯突出事故，根据本区瓦斯预测情况来看，煤矿在第一水平+1 300 m标高及以上(埋深475 m以浅)区域煤层瓦斯含量及压力均为达到预测突出危险性的临界值。但本次预测采用的实测数据均位于本构造单元的浅部，且相邻生产矿井榆树岭煤矿实测瓦斯压力为0.52 MPa，测试点位置亦处于本构造单元的浅部，推测本区深部瓦斯含量及压力较高。故研究区在深部(+1 300 m以深)可能存在煤与瓦斯突出危险性。

5 结语

通过对榆树田煤矿的瓦斯赋存规律的分析研究，得知矿井瓦斯含量整体上沿向斜轴由翘起端向倾伏端逐渐增大，瓦斯含量随着煤层埋深逐渐增大的规律基本明显。同时采用线性回归拟合法对瓦斯含量与瓦斯压力进行研究，得出下4、下5煤层埋深与瓦斯含量、压力的相关方程并对瓦斯含量及压力进行了预测。依据预测结果，煤矿在第一水平+1 300 m标高及以上(埋深475 m以浅)区域没有瓦斯突出危险性。但是随着开采深度的加大，瓦斯含量及压力均会增加，故在深部(+1 300 m以深)可能存在煤与瓦斯突出危险性。