中寨煤矿煤层瓦斯含量影响因素探析

蒋红兵，杨 磊，周 泽，梁 剑

(贵州省煤田地质局一七四队，贵州 贵阳 550081)

0 引 言

瓦斯又称煤层气，常伴随地质作用而产生并存储于煤层中，瓦斯含量高的煤层在开采过程中很易造成人员瓦斯中毒甚至爆炸。据统计，近年来在我国煤矿开采行业中瓦斯事故发生率占据各类事故总数的35%以上，即其已成为我国煤矿生产安全的第一大隐患[1-3]，每年因瓦斯出现的事故屡见不鲜，给行业造成巨大损失，也给相关企业敲醒了安全生产警钟，即瓦斯事故已成为煤炭开采行业必须重点防范的安全事项。对瓦斯事故进行有效防范，首先须准确掌握瓦斯的分布情况，要求相关企业单位在勘测和掘进阶段对煤层瓦斯含量情况进行详细分析[4，5]。因此必须在煤矿开采动工前，运用相关取样检测手段，结合含煤岩层的地质条件，对煤岩中的瓦斯分布情况和规律进行研究，有效防范瓦斯突出事故的发生[6]。

以贵州织金县中寨煤矿为例，通过对煤层特性各项勘测数据的详细统计与分析，对应瓦斯分布的影响因素对该区瓦斯的实际分布情况进行分析研究，提出有针对性的防范措施，使煤矿开采生产过程中趋利避害，为实现矿井安全生产提供可靠依据，从而促进煤矿的建设和发展。

1 地质概况

中寨煤矿地处贵州省织金县中寨乡，属大型矿井，矿区内出露地层在上震旦统至第四系的沉积序列中，其地层岩性特征详见表1。含煤岩层主要位于上震旦统至第四系的沉积序列中发育较好的二叠系上统龙潭组，推及成煤环境，大致为浅海至滨海平原沼泽相的海陆交互相地形作用发展而来，矿区位于一极不对称向斜的仰起端，地层走向SW～NE，北西翼地层倾角较小且宽缓，南东翼地层倾角大且狭窄，小断层较发育，落差均较小，且切割煤组地层，次一级褶曲不发育，其构造复杂程度为中等。区内含可采煤层11层，即3、5、6、7、14s、14z、16、25、27、30、32号煤层，含煤地层分上段(含3、5、6、7号共4层可采煤层)、中段(含14s、14z、16号共3层可采煤层)、下段(含25、27、30、32号共4层可采煤层)，煤类为无烟煤。

2 矿区煤层瓦斯分布概况

煤层瓦斯含量的分布首先与瓦斯原生量的多少有关，同时又由瓦斯发生的逸散和运移及遇到的煤层储藏条件所决定，即矿区的煤层地质条件和赋存条件与瓦斯含量息息相关，以上为研究煤层估算瓦斯分布情况的主要着眼点[7]。

影响瓦斯含量的煤层地质条件主要包括地质构造、煤田地质史、煤层埋藏深度、煤的变质程度、煤层围岩性质和水文地质条件等。

表1 中寨煤矿地层简表

Table 1 Well-field system stratigraphic summary in Zhongzhai coal mine

系统组段代号岩性特征厚度/m第四系Q由褐黄色砂、砾岩及亚黏土等组成,产植物根系,分布于低洼及缓坡地段,系冲、坡积物。6.42三叠系下统永宁镇组飞仙关组一段T1yn1灰色薄～中厚层状石灰岩,间夹薄层状白云岩,底部为薄层状泥质岩,仅分布于井田南西方向一带。150三至五段T1f3-5上部为泥质粉砂岩,间夹钙质泥岩、泥质灰岩薄层及厚层状石灰岩;中部为灰色石灰岩;中下部为泥质灰岩、钙质泥岩薄层;下部为紫红色薄层状泥质粉砂岩。207.40二段T1f2中、上部为灰色厚层状石灰岩,顶部含鲕粒;下部为浅灰色薄至中厚层状泥质灰岩,间夹紫红色粉砂岩及粉砂质泥岩。226.00一段T1f1浅灰绿色薄层状钙质粉砂岩,间夹钙质泥岩、薄层层状泥质灰岩。108.60二叠系上统大隆、长兴组P3c+d深灰色中厚层状硅质岩及石灰岩,间夹粉砂岩及钙质泥岩。18.60龙潭组P3l以泥岩及细粒碎屑岩为主,含少量碳酸盐岩和煤岩的浅海至滨海平原沼泽相的海陆交互相含煤建造,含煤25～45层,一般33层左右,含可采煤层11层。289.76峨嵋山玄武岩组P3β墨绿及褐红色,具气孔、杏仁状构造,上部为玄武质火山碎屑凝灰岩。>100

中寨煤矿在勘探过程中通过对瓦斯样的解析、送验，并对得出的各项数据进行统计，详见表2。再根据影响瓦斯形成和存储的各项地质因素和变化规律，从地质构造、沉积环境、煤层埋藏深度等5个方面对瓦斯的实际分布情况展开分析。

3 煤层瓦斯影响因素

3.1 地质构造

影响煤层瓦斯含量的地质构造因素主要指煤田和控制井田所在地区的褶曲、断裂发育等情况。褶皱地质构造中，闭合而完整的背斜或弯窿构造且覆盖不透气的地层是瓦斯储存最佳构造，在其轴部煤层内通常积存高压瓦斯[8]。向斜构造一般在轴部岩层受压大、透气度差，因此向斜的轴部地区封存瓦斯较多。对于断层发育煤岩，开放性断层易引起断层附近的煤层瓦斯释放而降低其含量，封闭性断层透气性差从而为煤层瓦斯聚集创造了条件。

表2 中寨煤矿各算量煤层瓦斯成分、含量统计表

Table 2 Statistical table of gas composition and content in each calculated Zhongzhai coal seam

项目煤层无空气基瓦斯成分/%N2CH4重烃CO2干燥无灰基瓦斯含量/(mL·g-1)N2CH4可燃气体含量30.00-36.6013.61(19)60.65-99.6983.56(19)0.02-1.390.55(19)0.03-19.942.27(19)0.24-8.782.14(19)4.90-18.049.62(19)5.66-18.079.79(19)50.00-56.4116.16(13)40.36-99.0181.07(13)0.05-1.090.45(13)0.12-9.012.31(13)0.45-6.982.21(13)7.55-20.6510.90(13)7.72-20.8111.08(13)60.00-64.0917.11(25)35.65-99.8280.12(25)0.02-2.110.47(25)0.04-26.652.30(25)0.30-8.352.62(25)4.15-27.9411.27(25)4.17-28.4511.48(25)70.00-39.2210.01(17)58.52-98.9087.44(17)0.03-1.280.33(17)0.15-16.632.21(17)0.26-5.051.74(17)5.64-16.6411.57(17)7.16-16.6711.71(17)14s0.00-61.6719.72(15)37.44-98.9377.86(15)0.05-0.530.28(15)0.08-11.392.14(15)0.03-10.102.77(15)6.08-20.4711.49(15)6.11-20.5411.65(15)14z0.00-53.838.57(12)44.52-98.2288.37(12)0.02-0.860.47(12)0.09-5.182.59(12)0.57-4.341.61(12)6.07-20.7811.93(12)6.16-20.8012.15(12)160.00-65.7512.89(23)33.99-99.3185.04(23)0.05-0.770.32(23)0.06-6.211.75(23)0.21-7.792.05(23)7.06-19.7312.54(23)7.08-19.8412.71(23)250.00-12.962.27(11)83.18-99.8895.94(11)0.03-0.890.26(11)0.04-5.311.53(11)0.20-3.791.49(11)9.20-23.1514.89(11)9.62-23.4015.07(11)270.00-74.5512.79(31)24.89-99.7484.35(31)0.02-1.260.46(31)0.06-12.252.40(31)0.35-10.612.24(31)2.37-22.5512.56(31)7.42-26.3512.93(31)300.00-59.1114.99(30)40.59-99.3882.54(30)0.04-1.850.43(30)0.07-11.532.62(30)0.19-8.772.27(30)5.81-25.9812.86(30)6.30-26.0213.15(30)320.76-41.1010.79(12)55.22-98.0786.13(12)0.06-1.610.57(12)0.18-7.372.50(12)0.27-6.181.96(12)10.51-19.4313.46(12)10.84-19.5613.78(12)

图1 中寨煤矿区域构造纲要图

中寨煤矿位于1∶20万区域地质图毕节幅的西南部，地处区域大地构造位置:扬子准地台(Ⅰ级)、上扬子地台褶带(Ⅱ级)、黔中早古拱褶断束(Ⅲ级)、纳雍织金凹褶断束(Ⅳ级)。区域内发育十余个较大褶曲，其走向均为北东向，从北往南有张维背斜、三塘向斜、后寨背斜、阿弓向斜、地贵背斜、珠藏向斜等，此次勘查井田位于三塘向斜北东端。南东边界发育的出露断层以及海陆交替相成煤环境为瓦斯的形成创造了条件，也是该区域富含瓦斯的初步判定标志。使瓦斯分布以瓦斯带为主，有部分氮气～瓦斯带，且随地势和断层集中分布于东部和北部，东北部和西部以及中部也有分布但含量相对较少，区域构造纲要如图1所示。

3.2 沉积环境

煤炭的形成伴随着不同时期的地质变化沉积演化而来，成煤过程地质的变化主要表现为地壳的运动作用，海陆交替相含煤系岩性稳定，历经长期海侵又被泥岩等致密地层覆盖,粒度较细的沉积物成煤层透气性差。中寨矿区内资料显示龙潭组系1套以灰、灰黄色砂岩、粉砂岩和深灰、灰黑色泥岩为主、含少量碳酸盐岩的浅海至滨海平原沼泽相的海陆交互相含煤建造[9];研究发现区内晚二叠世沉积环境为海陆交互相，总体处于区域性海侵，导致缺少沉积时水体深度较浅、本应分布于盆地低部位的粗粒沉积低位体系域，此类煤层含瓦斯量普遍较高。

3.3 煤层埋藏深度

根据矿区内化验资料分析,煤层瓦斯中甲烷和重烃的浓度随埋深的增大而变高，二氧化碳与氮气的浓度随埋深的增大而变低。事实证明，随着煤层埋藏越深则越有利于阻止瓦斯的逸散程度，在煤层浅部露头处及断层处瓦斯含量相对偏低。经计算，瓦斯风化带以下，在同一个地质构造单元里，开采技术条件基本相同时，埋藏深度与相对瓦斯涌出量呈正相关。矿区瓦斯浓度垂直分布如图2所示。

3.4 煤的变质程度

煤在变质过程中对瓦斯的吸附能力也在改变。在地压作用下，随着孔隙率较小，长焰煤表现为较弱的吸附能力；煤质再进一步变化，在高温、高压以及干馏等作用下生成的无烟煤，体内表面积达到最大值，吸附能力在此阶段达到巅峰。但在无烟煤向超无烟煤质变的过程中，却会出现微孔收缩并减少、吸附能力骤降的现象，最后变质到石墨形态时则其吸附能力就会完全消失。由此判断可知，无烟煤阶段煤层即成为最能吸附瓦斯的阶段[10]。

图2 中寨矿区瓦斯浓度垂直分布图

表3 中寨煤矿煤岩特征表

Table 3 Characteristics of coal petrography in zhongzhai coal mine

煤层煤岩类型宏观微观有机组分/%镜质组惰质组无机组分/%黏土类硫化物类碳酸盐类氧化物类总量/%无机总量有机总量显微硬度HV/(N·mm-2)变质阶段A1半亮型微镜惰煤75.2724.734.673.220.735.1913.8186.193.16Ⅶ1A2半亮型微镜惰煤76.0024.002.882.101.526.1612.6687.343.26Ⅶ1A3半亮型微镜惰煤75.9824.025.053.160.803.8512.8687.143.30Ⅶ1A4半亮型微镜惰煤79.5020.503.964.450.433.3412.1887.823.24Ⅶ1A5半亮型微镜惰煤77.1522.854.692.631.004.0212.3487.663.40Ⅶ1A6半亮型微镜惰煤76.8923.114.212.200.733.7810.9189.093.37Ⅶ1A7半亮型微镜惰煤75.1524.851.745.160.504.3211.7188.293.45Ⅶ1A8半亮型微镜惰煤74.6525.354.382.271.064.5912.2987.713.42Ⅶ1A9半亮型微镜惰煤83.2016.808.770.720.665.0115.1684.843.49Ⅶ1A10半亮型微镜惰煤80.2119.794.421.921.084.7512.1787.833.53Ⅶ1A112半亮型微镜惰煤78.2321.775.683.454.495.8319.4680.543.55Ⅶ1平均微镜惰煤77.5022.504.592.841.184.6213.2386.773.38Ⅶ1

3.5 煤层围岩性质

围岩属性区分包涵隔气性、透气性，煤层围岩性质对煤岩层瓦斯含量分布有着重要影响。岩石经地壳运动作用形成的煤岩，大孔隙的砂岩透气性较好，不利于形成瓦斯储存条件，泥质围岩结构则会有利于瓦斯保存，促成瓦斯含量增加[11，12]。

对应煤层围岩性质分析可知：含量大的瓦斯带通常处在致密性围岩的包围中；在各煤层中，煤层顶、底板岩性大多为泥质砂岩、砂质泥岩及泥岩，岩层致密，可有效封盖住煤层，存住煤层中的气体渗透性较弱，因此形成了非常有利于保存瓦斯的环境，此为导致中寨煤矿各煤层瓦斯含量较高的重要因素。

4 结 论

通过对中寨煤矿勘探资料及煤质化验结果的分析，得出瓦斯含量的影响因素包括:

(1)地质构造:闭合而完整的背斜或弯窿构造且覆盖不透气的地层，其轴部煤层内通常积存大量瓦斯。向斜在轴部受压大、透气性差，一般封存瓦斯也较多。开放性断层因煤层瓦斯得到了释放，其瓦斯含量相对较低，反之，封闭性断层则为瓦斯的高度聚集提供了场所。

(2)沉积环境:成煤过程中，不同时期的地质变化使得海陆交替相含煤系岩性稳定，粒度较细的沉积物所形成的致密地层，天然为瓦斯富集提供了极为有利的盖层。

(3)埋藏深度:随着煤层埋藏深度的增大，瓦斯的逸散程度逐渐减小，在相对条件下，煤层的埋藏深度与相对瓦斯涌出量呈正相关。

(4)变质程度:瓦斯的吸附能力随煤的变质程度也在改变，孔隙率较小的长焰煤其吸附能力较弱，无烟煤因其体内表面积达到最大吸附能力也因此达到巅峰。超无烟煤在质变时其微孔收缩并减少，吸附能力骤降最后完全消失。而吸附能力是瓦斯富集的关键因素之一。

(5)围岩性质:大孔隙的砂岩透气性较好，不利于瓦斯储存，泥质围岩隔气性结构则有利于瓦斯的有效保存。

瓦斯一直是煤矿开发过程中高风险因素，给煤矿生产作业带来众多不利影响。现代煤矿业要获得发展也离不开安全生产第一要务中对瓦斯的重视，必须通过强化事前、事中风险预测和安全隐患防范监管，通过对中寨煤矿区各地质条件与瓦斯分布情况的对比分析，验证其中某些规律的适用性，能够进一步为瓦斯分布含量的准确性提供依据，以便提前采取措施以加强对煤与瓦斯危险性的防范和管控，避免瓦斯安全事故发生，才能安全地实现资源的开发和利用，并实现其经济效益和社会效益。