马兰矿煤层瓦斯赋存规律分析及预测

陈继福

(山西大同大学 建筑与测绘工程学院，山西大同 037003)

0 引言

众所周知，煤炭是经历漫长的沉积过程形成的，在成煤过程中伴生的瓦斯气体在经历复杂的地质历史演化作用后，其赋存状态也发生巨大改变，主要影响因素有：地质构造、围岩岩性、岩浆岩和地下水活动等[1-4]。不同因素对煤层瓦斯的赋存影响不尽相同，也造成了瓦斯分布特征的极大不均衡[5]。如若不对煤层瓦斯赋存规律进行研究，从区域宏观角度对瓦斯的分区特征进行把控，势必会造成瓦斯灾害防治工作的盲目性，进而为高瓦斯或突出矿井埋下巨大的安全隐患。因此，煤层瓦斯赋存规律研究对于因地制宜的进行瓦斯灾害的防控和利用、保障矿井安全生产具有重要意义[6-7]。

1 矿井概况

1.1 井田构造特征

马兰矿井田位于吕梁山背斜东翼，太原西山煤田构造盆地西北边缘，地形总体呈东北低西南高，地层倾角为东缓西陡。井田主要构造形式分东西两部分，北部由马兰向斜所控制，西南部主要受北社-常安向斜所控制。井田内断层、陷落柱较发育，但大断层较少(图1)。

图1 井田主要构造纲要图Figure 1 Structural outline map of minefield

1.2 煤层概况

马兰矿区主要含煤地层为二叠系下统山西组和石炭系上统太原组，共含19层煤。可采煤层有02#、03#、2#、3#、4#、6#、7#、8#和9#，平均总厚13.34m，可采含煤系数9%。矿井主采煤层为02#、2#和8#。02#煤层平均厚度为1.38m，属薄-中厚煤层，大部分不含矸石，部分含矸1～2层，属大部可采的稳定煤层；2#煤层平均厚度为2.12m，煤层中部较厚，南北部较薄，含夹矸0-1层，偶含夹矸2层，属大部可采的稳定煤层；8#煤层平均煤厚3.98m，一般有2层夹石，最多4层，结构复杂，属稳定可采煤层。经鉴定，02#、2#和8#煤层均为突出煤层。

2 煤层瓦斯赋存影响因素分析及主控因素确定

2.1 煤层瓦斯赋存影响因素分析

2.1.1 煤层埋深

研究和实践表明：在瓦斯带内，煤层埋深与瓦斯含量间存在良好的线性关系，埋深越大，则瓦斯含量越大[8]。究其原因：埋深增大使得瓦斯向外逸散路径延长，有利于瓦斯的封存；同时由埋深增大引起的地温升高强化了煤体的煤化作用和生烃能力，两者的叠加作用进一步增强了煤体的瓦斯赋存能力。在马兰矿区西部，煤层风氧化带断续出露，且煤层埋深较浅，因此，井田西部的瓦斯含量低于南翼。整体而言，瓦斯含量随埋深自西向东增大。

2.1.2 地质构造

①断层。根据马兰矿的地勘结果和井下实际工程揭露，井田内的较大断层(落差大于5m)多为高角度的开放性断层，断层的存在促进了瓦斯气体向外运移。然而，北社断裂带下部存在较大范围的岩浆岩侵蚀区，为煤层提供了充足的瓦斯补给来源，并且断层的存在一定程度阻止了深部瓦斯通向地表，故该区域属高瓦斯带。井田北翼的小断层相对发育，且埋深较浅，瓦斯含量明显低于南翼。

②褶曲。马兰矿的褶曲构造主要为受强力水平挤压作用形成的向斜构造，该向斜由井田北部的镇城底井田延伸进入，延伸长度为12.79km。褶曲两翼极不对称，东缓西陡，为平缓宽幅褶曲。向斜轴部和两翼的中小断层发育，故马兰向斜轴部的瓦斯含量相对较大。

③陷落柱。根据马兰矿地质报告资料来看，井田内陷落柱分布比较分散，个体相对较小，且数量较少，胶结状态中等，充填较密实，不利于瓦斯富集。

2.1.3 围岩岩性

围岩主要指煤层的顶板和底板，其岩性对瓦斯的储存具有重要意义。若围岩完整致密，则对煤层瓦斯具有良好的密封效果，反之亦然。马兰矿地勘钻孔分析及围岩透气性测定结果显示：主采煤层的直接顶、底板均以透气性较差的炭质泥岩或粉砂质泥岩为主，对煤层瓦斯的封闭作用良好。因此，本区瓦斯含量较高。

2.1.4 岩浆侵入

在马兰矿区西南部，煤体遭受了岩浆的侵入。在热变质作用下，煤层瓦斯生成量显著增大，并且岩浆岩似层状侵入形式阻塞了气体向外运移的路径，该区域的瓦斯必然富集。然而，沿北社断层走向线有部分岩浆岩出露与地表，形成了瓦斯逸散通道，在一定程度上有利于气体排放。总体而言，井田范围内南翼采区受火成岩侵入影响瓦斯含量较西翼要大。

2.1.5 地下水活动

马兰矿区的地下水补给来源主要为井田西部的大范围煤层露头，补给的地下水自西向东径流，带动瓦斯气体运移，引起瓦斯含量自西向东逐渐增大。强烈的地下水活动也是造成太原组煤层瓦斯含量低于山西组煤层的主要重要原因。

2.2 煤层瓦斯赋存主控因素确定

由上面的分析可知：马兰矿煤层瓦斯赋存的影响因素众多，且不同因素对瓦斯赋存的影响机理不同，也造成了各因素影响程度的巨大差异[9]。因此，在诸多因素中甄别出煤层瓦斯赋存主控因素，对于掌握煤层瓦斯整体变化趋势具有重要意义。

(1)马兰矿区内的主要构造类型有断层、褶曲和陷落柱等，尤以中、小断层为主，中、小断层的存在对于瓦斯赋存的影响仅在局部范围内产生，煤层瓦斯赋存的总体规律并未发生大的改变。岩浆岩活动也仅导致局部区域瓦斯含量的升高。

(2)井田范围内各主采煤层整体赋存稳定，且顶底板岩性相对稳定，对瓦斯起到了一定的封存作用。地下水活动也在促进瓦斯运移方面发挥了积极作用。两因素虽对瓦斯的整体赋存产生了一定影响，但影响程度有限。

(3)根据马兰矿瓦斯参数的实际测定结果，瓦斯含量和瓦斯压力均随煤层埋深的增大而增大，且受邻近工作面瓦斯涌出的影响较小。

可见，煤层埋深为马兰矿煤层瓦斯赋存的主控因素。

3 地质构造单元划分

(1)依据地质情况分析。根据马兰矿地质资料及生产过程中的实际揭露：井田范围内整体构造情况简单，绝大部分地质构造为断层，且断层断距一般为1～5m，延伸长度较短，总体断距较小，并未对地层和煤层起到切割分裂作用。根据生产过程已揭露区域及钻孔资料，断层两侧煤层厚度变化小、煤层顶底板岩性未见变化。

(2)依据煤层赋存分析。马兰矿现主采02#、2#和8#煤层，根据对地勘钻孔的成果分析，结合现有开拓巷道的实际揭露情况，02#煤层厚度0.90～1.24m，2#煤层厚度2.05～2.20m，8#煤层厚度3.67～4.37m，各煤层的煤层厚度变化较小，并未出现煤层厚度的急剧增大或减小情况，煤层整体赋存相对稳定。各煤层的直接顶、底板均以粉砂质泥岩或炭质泥岩为主，并且生产实际揭露情况表明顶底板岩性均未发生大的变化。

(3)根据煤质分析。根据地勘资料及生产过程中的实际揭露，02#、2#和8#煤层均为焦煤，煤质变化较小。

(4)依据瓦斯涌出情况分析。矿井开采过程中，各煤层瓦斯涌出总体稳定，掘进工作面瓦斯涌出随埋深增大而逐渐增大，开采范围内邻近工作面瓦斯涌出变化较小。

综上所述，通过对各煤层的地质构造、煤层赋存、煤质及瓦斯涌出情况的分析，各煤层赋存状态相对稳定，可将02#、2#和8#煤层分别划分为同一地质构造单元。

4 瓦斯赋存规律模型构建及预测

煤层瓦斯参数主要包括瓦斯含量和瓦斯压力。依据煤层瓦斯赋存主控因素确定和地质构造单元划分结果，在充分收集各煤层地勘期间或受采动影响较小区域所测得的原始瓦斯压力和原始瓦斯含量数据的基础上，采用线性回归分析方法，分别研究马兰矿02#、2#和8#煤层的瓦斯赋存参数与埋深之间的关系，构建马兰矿瓦斯赋存规律模型，结果见图2～3和表1。

从图2～3和表1可以看出：马兰矿02#、2#和8#煤层的瓦斯含量和瓦斯压力与埋深间存在拟合度较高的线性关系。根据数学模型可知：马兰矿02#、2#和8#煤层的百米瓦斯含量梯度依次为2.29、2.49 和1.44m3/t，百米瓦斯压力梯度依次为0.33、0.36和0.26MPa。

图2 瓦斯含量与埋深关系图Figure 2 Relationship between gas content and buried depth

瓦斯参数煤层数学模型R2瓦斯含量02#y=0.022 9x-3.9320.966 52#y=0.024 9x-2.294 10.858 18#y=0.014 4x-0.5130.875 5瓦斯压力02#y=0.003 3x-0.867 20.968 22#y=0.003 6x-0.704 90.828 38#y=0.002 6x-0.252 60.896 3

根据瓦斯参数梯度，在井田内选取若干个预测点可知：各煤层埋深由西向东逐渐增大，埋深最大点位于采区东部，因此各煤层瓦斯压力和瓦斯含量也由西向东逐渐增大。02#煤层预测最大瓦斯含量和最大瓦斯压力分别为12.9m3/t和1.56MPa，埋深为735m；2#煤层预测最大瓦斯含量和最大瓦斯压力分别为16.26m3/t和1.98MPa，埋深为745m；8#煤层预测最大瓦斯含量和最大瓦斯压力分别为10.58m3/t和1.75MPa，埋深为770m。

5 结论

(1)通过对比分析煤层埋深、地质构造、围岩岩性、岩浆岩和地下水活动等因素对马兰矿煤层瓦斯赋存规律的影响，确定煤层埋深为影响马兰矿瓦斯赋存的主控因素。

(2)依据马兰矿各主采煤层的地质情况、煤层赋存情况、煤质及瓦斯涌出情况的分析，将02#、2#和8#煤层分别划分为同一地质构造单元(上)。

(3)在煤层赋存主控因素确定及地质构造单元划分的基础上，采用线性回归分析的方法，分别建立了马兰矿02#、2#和8#煤层瓦斯压力和瓦斯含量与埋深之间的数学模型，并依此推测出马兰矿02#、2#和8#煤层的最大瓦斯含量分别为12.9m3/t、16.26m3/t和10.58m3/t，最大瓦斯压力分别为1.56MPa、1.98MPa和1.75MPa。