大同煤田同忻矿瓦斯地质特征及突出危险性预测

段宏跃， 张富明， 马玉龙， 李鹏飞， 谢卫东

(1.山西煤炭地质物探测绘研究院， 山西 晋中 030600； 2.中国矿业大学 资源与地球科学学院， 江苏 徐州 221116)

瓦斯是指赋存于煤层中成分包括N2、CH4、CO2和其他气体的复合物，当CH4的相对浓度介于一定范围(5%～16%)，具有爆炸危险性[1-2]。矿井开采过程中，随煤层深度的增加，地应力也随之增加，采掘工作的进行会使得煤岩体破碎，瓦斯大量解吸，急剧运动喷涌而出，也就是通常所说的“煤与瓦斯突出”事件，遇明火极易发生爆炸，其与水灾、火灾、煤尘和顶板事故并成为煤矿“五大灾害”[3-5]。经王东升[6]统计，我国2001—2010年期间所公布的煤矿瓦斯灾害事件达2 308起，灾害类型包括瓦斯爆炸、瓦斯突出和瓦斯中毒窒息等，造成上万人死亡。其中2005年2月阜新矿业集团海州立井发生特大瓦斯爆炸事故造成214人死亡，同年12月，唐山市刘官屯煤矿发生井下瓦斯爆炸，造成了91人死亡，17人下落不明的严重后果。因而，煤矿开采过程中需重视瓦斯灾害的防治工作。王麒翔等、秦玉金等和马晟翔等认为矿井瓦斯含量受埋深、煤厚和地层倾角等多因素共同控制[7-9]；董国伟等、杨海和范立民等认为构造类型、复杂程度和围岩性质控制着瓦斯赋存条件，影响煤与瓦斯突出的危险性[10-12]；曹田勇研究得出水文地质条件对瓦斯赋存同样有重要影响，认为煤层与地下水的沟通有助于瓦斯的散失和排放[13]；蒋静宇等、徐传伟等和于文龙等研究得出岩浆侵入与岩浆岩展布特征同样控制着瓦斯的形成、富集和保存过程[14-16]。

大同煤田同忻矿发育侏罗纪和石炭—二叠纪多套煤层，采掘过程中存在瓦斯涌出事件，具有一定的瓦斯突出危险性，因此为保证矿井安全生产工作的进行，本次研究基于井田地质资料，采集62口钻孔共214个瓦斯气样，以开采实测数据为依据，以实验测试为手段，以理论分析为方法，分析了瓦斯气体主要成分及含量特征，划分了各个煤层的瓦斯带类型，厘定了矿井瓦斯类型，探讨了瓦斯赋存影响因素及影响机理，预测了煤层瓦斯突出危险性，提出了煤层开采注意事项，研究结果对于大同煤田同忻矿的安全生产具有一定的理论意义。

1 研究区地质背景

大同煤田位于山西地台北端吕梁山北部的黄土高原，周围群山环绕，东南部为口泉山、东北部为雷公山、西部为西石山、西南部为洪涛山、西北部为牛心山[17]。同忻井田位于大同市西南方，大同煤田北部，区内出露地层较新，大多为侏罗系(图1)，为侏罗纪和石炭—二叠纪双纪煤田，但矿区为石炭—二叠纪矿井，发育上石炭统太原组和下二叠统山西组两套含煤建造，共含煤13层，地层平均总厚约113 m，煤厚平均24.62 m，含煤系数高于20%，其中3-5#和8#煤层为主采煤层。构造上，大同煤田处于天山—阴山纬向构造体系及华夏系和新华夏系的北东—北北东向构造体系的结合部位，区内主要受北东—南西向展布的大同向斜控制，同忻井田位于大同向斜的南东翼，区内大—中型断裂构造发育，多为拉张性正断层，此外研究区南部发育3条大型褶皱，呈“两向夹一背”特征分布。

图1 同忻矿构造位置及见煤钻孔分布特征

2 样品与实验

本次研究共调研钻孔62口，采集瓦斯气样214个，其中山4#煤层18个，2#煤层8个，3-5#煤层53个，8#煤层44个和9#煤层7个，采样点密度达0.7点/km2，选用地勘瓦斯解析仪和瓦斯罐现场采样，做好密闭性处理。室内脱气测试分析实验选用PE/XL型气相色谱仪，并配备真空脱气装置(图2)，相关实验在山西省地质矿产研究院严格依据国家标准完成。

图2 PE型气相色谱仪

3 实验结果

3.1 瓦斯成分测试结果

瓦斯自然成分测试结果显示气体成分以N2、CH4和CO2为主，含少量C2-C8烃类气体(表1)，总而言瓦斯中CH4相对含量介于0.00～79.70%之间，山4#煤中平均为35.39%，2#煤中平均为17.19%，3-5#煤中平均为24.06%，8#煤中平均为35.04%，9#煤中平均为11.85%；瓦斯中CO2相对含量介于0.00～42.68%之间，山4#煤中平均为6.62%，2#煤中平均为6.24%，3-5#煤中平均8.76%，8#煤中平均为5.52%，9#煤中平均为6.63%；依据瓦斯分带标准划分，本区各煤层瓦斯采样深度一般在300～500 m之间，干燥无灰基瓦斯中CH4含量计算结果大多在2 mL/g以下，成分中CH4相对含量小于80%，CO2小于20%，且本区揭露所采瓦斯样的煤层均处于瓦斯风化带之内，各煤层瓦斯带划分如下：

表1 瓦斯成分测试结果

山4#煤为N2-CH4带和N2带；2#煤层中包括N2-CH4带和N2带；3-5#煤层中包括N2-CH4带、N2带和CO2-N2带；8#煤层中包括N2-CH4带和N2带；9#煤层中包括N2-CH4带和N2带。

3.2 矿井瓦斯类型

根据本区瓦斯样测定CH4含量最高为2.48 m3/t，矿井瓦斯类型应属于简单，2012年度矿井瓦斯等级和CO2涌出量鉴定结果只有绝对涌出量，年度绝对涌出量为27.25 m3/min，回采瓦斯最大绝对涌出量为4.79 m3/min，掘进瓦斯最大绝对涌出量为1.47 m3/min，CO2绝对涌出量为16.01 m3/min，批复等级为高瓦斯矿井；2014年同忻矿全矿瓦斯与CO2涌出量测定结果为：绝对瓦斯涌出量为39.57 m3/min，相对瓦斯涌出量为1.47 m3/t；采面最大绝对涌出量为10.21 m3/min，掘进面最大绝对涌出量为3.36 m3/min，鉴定为高瓦斯矿井；2015年同忻矿全矿瓦斯与CO2涌出量测定结果为：矿井瓦斯绝对涌出量为50.53 m3/min，瓦斯相对涌出量为1.50 m3/t，采面最大绝对涌出量为13.69 m3/min，掘进面最大绝对涌出量为5.27 m3/min，鉴定为高瓦斯矿井；2016年同忻矿全矿瓦斯与CO2涌出量测定结果为：矿井瓦斯绝对涌出量为64.01 m3/min，瓦斯相对涌出量为1.98 m3/t，采面最大绝对涌出量为23.63 m3/min，掘进面最大绝对涌出量为4.08 m3/min，鉴定为高瓦斯矿井；基于此，同忻矿定位高瓦斯矿井。

4 讨论

4.1 构造发育特征对瓦斯赋存的影响

同忻井田构造上位于大同向斜东翼，井田地层展布特征多为宽缓的单斜，倾角介于2°～20°之间，相对而言，井田东南部倾角较大。构造轴迹总体沿北东—北北东向延伸，包括断裂、褶皱、岩浆岩展布等，于井田内部占绝对优势，符合燕山期构造运动的应力场特征。经统计，井田内部共揭露断层55条，其中正断层54条，逆断层仅见1条(图3)。不同类型断层对应不同地应力条件，对瓦斯保存的影响也因之各异，正断层属于拉张性构造，断层面附近应力集中煤体、岩体破碎、导通裂隙发育、渗透率明显增大、压力梯度小、破坏了煤岩体的完整性和气体岩性圈闭条件，且研究区内断裂以拉张性为主，利于游离态甲烷释放及吸附态甲烷的脱附过程的进行；而逆断层为压扭性构造，断层面附近同样为应力集中区，裂隙发育，但有别于前者，此类裂隙多为封闭性构造，瓦斯难以大量迅速的透过断层面运移散失，利于构造圈闭的形成，使得其附近瓦斯保存条件较好。

褶皱构造是气体富集的主要场所，一般而言，“向斜控气，构造高点成藏”。研究区内发育刁窝嘴向斜、韩家窑背斜和北羊路向斜3条大型褶皱(图3)，此外，伴生一定量的次生小型褶曲。前文提及研究区地层倾角小，多为宽缓的单斜，这样一来瓦斯的保存条件较好，以横向运移为主，沿煤田两翼流向地表散失，垂向上散失作用微弱，总体而言，不利于瓦斯散失和排放；对比于各构造点位的瓦斯含量测试结果，高瓦斯区多位于向斜轴部、背斜鞍部、鼻状构造的倾斜端及“S”型背斜转折端等。此外，井田东部边缘煤层出露地表，且露头区附近的地层倾角大，瓦斯易于沿层理面或面割理等裂隙发生顺层向上散失作用，区域测试结果显示，瓦斯中CH4含量多小于0.50 mL/g(干燥无灰基)，CH4相对含量在10%以下，明显低于西部和中—北部的测试结果，沿井田中-西部和北部方向，煤层倾角逐渐变缓，与露头区距离渐远，瓦斯保存条件编号，导致了瓦斯中CH4的相对含量增高。

井田开掘过程中在井田东部共揭露了12个陷落柱，性质多为岩溶陷落柱，包括圆形、椭圆形、葫芦形、长条形及不规则状，椭圆和长条形陷落柱与断裂延伸特征类似，多沿北东—南西向展布(图3)。以上陷落柱均为侏罗系煤层开采中揭露，推测其极可能延伸至石炭系煤层，陷落柱对煤层瓦斯赋存同样存在两方面影响，其一，若陷落柱空间沟通导水裂隙带、透水含水层、地表水体或老窑积水，导致煤矿开采中水体流量大，而瓦斯含量低的特点，水体流动驱动裂隙和孔隙中的瓦斯发生运移，同时水中可溶解一定量的瓦斯携带其流动，散失量较大避免了瓦斯的大规模富集；另一方面，若陷落柱空间的封闭条件较好，常隐伏于致密基岩之下，不存在与地面或地表水体沟通的开放性通道，为瓦斯富集提供储集空间，形成岩性—构造符合圈闭，瓦斯难以散失。

图3 同忻矿构造发育特征

4.2 煤层埋深对瓦斯赋存的影响

埋深是影响瓦斯赋存的主要地质条件之一，随埋深的增加，地层温度、压力和封闭性能等环境条件相应发生变化。因此，本次研究绘制了埋深与瓦斯含量相关性散点图，发现二者呈线性正相关关系(R2=0.554 03)，瓦斯含量随埋深的增大而变高(图4)。煤岩中CH4的吸附曲线符合Ⅰ型吸附等温线特征，曲线初始阶段随压力的提升吸附量迅速增大，随后曲线上升速度变缓，逐渐达到饱和状态(图5)。

图4 瓦斯含量与煤层埋深相关性散点图

图5 煤岩中CH4吸附等温线[18]

而温度的升高不利于煤岩中CH4吸附过程的进行，呈明显的负相关关系[19]。埋深的增大气藏的封闭条件同样变好，王世谦等认为当埋深<500 m时，气藏保存条件较差，一般不将其列为重点区域[20]。测试样品取样位置埋深介于300～1 000 m之间，多数点位埋深大于500 m，因此需将埋深列为重点影响因素之一。结合研究区样品特征，正常压力梯度(静水压力)下，地层压力小于10 MPa，此时，煤岩中的气体吸附作用一般未达到平衡状态，压力的正方向影响权重要远高于煤岩温度的影响，故而压力、温度、埋深作用杂糅，三者相关耦合总体上造成了以上的相关性特征。

4.3 岩浆侵入及煤化程度对瓦斯赋存的影响

地质历史过程中，研究区曾发生多期岩浆侵入，主采煤层3-5#和8#煤层中煌斑岩大面积侵入，产状以岩墙为主，主要分布于井田东部和井田西部区域，其侵入破坏了煤层的原有厚度和煤体结构，同时使得接触带区域放任煤岩变质程度增高，煤类由正常演化阶段的气煤或1/3焦煤转变为贫煤和无烟煤；瓦斯含量及成分变化同样较大，其中受岩浆中挥发分成分的影响，瓦斯中CO2相对含量明显增大，重烃含量增加。另一方面，通过岩浆岩手标本观测发现，其风化严重，以碳酸盐化作用为主，此外，发生接触变质作用的煤岩中裂隙和孔隙中均有不同程度碳酸盐充填，说明区域内风化作用强，瓦斯散失量大，且CH4相对含量一般低于正常煤煤岩瓦斯中。

本次研究中以挥发分产率表征煤岩煤化程度，挥发分产率愈低，煤化程度愈高，反之则愈低[21]。岩浆侵入区煤岩样品的挥发分产率明显低于无岩浆岩区(图6和图7)，代表受岩浆热作用影响煤化程度较高。岩浆侵入区挥发分产率与瓦斯含量总体呈线性负相关关系(R2=0.426 11)(图6)，说明区域内高煤化程度和岩浆侵入有利于瓦斯的富集，一方面岩浆侵入过程使得地层增温，部分煤层已变质为天然焦，区域内煤岩生烃能力显著增强，益于气源充注，另一方面岩浆侵入，形成的岩墙、岩株和岩脉等封堵了原有裂隙同样使得封闭条件变好，总体而言岩浆的侵入瓦提升了区域内圈闭品质。

图6 岩浆侵入区瓦斯含量与煤岩挥发分产率相关性散点图

而无岩浆岩区，挥发分产率相对较高主体位于25%～45%，煤化程度相对较低，挥发分产率与瓦斯含量无明显相关性，散点分布杂乱，难以直观体现煤化程度对于瓦斯赋存的影响(图7)。一般而言，随煤化程度的提升，煤岩中有机质热成熟度提升，生烃作用增强，煤岩中微、纳米级孔隙更为发育，对于气体的吸附能力和储集能力都有较大提升。陈洋等认为煤岩变质程度对瓦斯赋存有重要影响，相同压力下，煤化程度越大，气体储存能力越强；范衡等的研究结果同样表明挥发分与瓦斯含量相关性拟合，近似为双曲线的一支，同样呈负相关关系；李满贵等同样得出类似的研究结果[21-23]。而本次研究中出现相关性不明显情况，分析是由于多因素相关杂糅，取样点位受压力温度构造条件共同影响造成的。

图7 无岩浆区瓦斯含量与煤岩挥发分产率相关性散点图

上文中分析了研究区构造发育特征、煤层展布特征及样品煤化程度等因素对于瓦斯赋存的影响，而瓦斯对于矿井安全的危害在于采掘过程中的突出事件，故而统计了采掘过程中日产3 000 t时的绝对涌出量实测值，发现涌出量值介于0～25 m3/min之间，并探讨上覆基岩厚度的影响(图8)。通常而言上覆基岩厚度的影响与埋深类似，仅存在古近系及第四系松散堆积物的厚度区别，绝对瓦斯涌出量与上覆基岩厚度总体呈线性正相关关系(R2=0.535 15)，随上覆基岩厚度的增大瓦斯涌出量随之增加，相对于埋深的影响，上覆基岩厚度增大，一方面使得煤岩的气体吸附能力增强，另一方面基岩厚度大，延伸广，稳定性好，对于气体的封盖能力更强，故而涌出量更高。此外，根据目前开采阶段的瓦斯涌出量资料，矿井的绝对瓦斯涌出量大，相对瓦斯涌出量则较小，可知产量也是造成绝对瓦斯涌出量大的主要因素之一，因此在采掘过程中，要注意加大配风和加强通风管理，防止瓦斯超限，尤其是对于深埋藏煤层的开采。

图8 绝对瓦斯涌出量与上覆基岩厚度相关性散点图

4.4 瓦斯突出危险性预测

煤与瓦斯突出是多因素叠加影响下的一种复杂的动力现象，在煤体结构遭受破坏的构造煤区域发生危险性较大，突出过程中伴随数倍于煤层的原始瓦斯含量的瓦斯喷出[4]，表明构造煤与高能瓦斯和煤与瓦斯突出过程密切相关，构造煤是发生煤与瓦斯突出的物质基础，而高能瓦斯则是煤与瓦斯突出的主要能源，可追溯为地质构造控制着煤层瓦斯的赋存，控制着煤与瓦斯突出危险性，故而将高能瓦斯与一定厚度的构造煤的叠加区域列为煤与瓦斯突出危险区。本次研究中参考前人研究成果，选取了瓦斯放散初速度(ΔP)、煤的坚固性系数(f)和煤层瓦斯压力(P)等参数，依据矿区实测资料和《防治煤与瓦斯突出规定》确定以各种指标的突出危险性临界值(表2)，预测了研究区主采煤层3-5#煤层的瓦斯突出危险性，将达到或超过其临界值时的各区域该煤层视为突出危险煤层。

表2 预测煤层突出危险性单项指标

研究区3-5#煤层中瓦斯放散初速度ΔP、煤的坚固性系数f和煤层瓦斯压力P (MPa)均符合《防治煤与瓦斯突出规定》规定中的无突出危险性指标范围临界值(表3)，故而认为其突出危险性较小，即采掘过程中保证通风系统的正常运转，特别是深埋藏煤层，保证生产工作的正常进行及井工生命财产安全。

表3 研究区3-5#煤层瓦斯突出危险性评价结果

5 结论

本次研究分析了同忻矿瓦斯类型，并结合矿井构造特征、煤岩展布特征和岩浆岩等探讨了瓦斯赋存的影响因素，探讨了突出危险性，主要得出以下几点认识：

1)瓦斯成分以N2、CH4和CO2为主，山4#煤为N2-CH4带和N2带，2#煤层中包括N2-CH4带和N2带，3-5#煤层中包括N2-CH4带、N2带和CO2-N2带，8#煤层中包括N2-CH4带和N2带，9#煤层中包括N2-CH4带和N2带；基于2012—2016年同忻矿全矿瓦斯与CO2涌出量测定结果，将其定为高瓦斯矿井。

2)研究区断裂性质多为正断层，利于瓦斯气体的垂向运移和散失；向斜轴部、背斜鞍部、鼻状构造的倾斜端及“S”型背斜转折端等构造部位易于瓦斯的富集保存，靠近露头区位置则利于瓦斯气体与大气沟通，及时散失；封闭性陷落柱为瓦斯赋存提供储集空间，而与导水裂隙带联通的陷落柱则利于瓦斯气体的散失。

3)瓦斯含量与煤层埋深呈正相关关系，与岩浆侵入区煤样挥发分呈明显负相关关系，而无岩浆岩区，挥发分与瓦斯含量无明显相关性；日采3 000 t时的瓦斯涌出量与上覆基岩厚度呈线性正相关关系，即煤层埋深越大，突出危险性越高；基于多因素的瓦斯突出危险性预测结果表明，研究区突出危险性较小。