双龙煤矿瓦斯赋存规律及突出危险性

刘向阳，田 凯

(1.陕西省一九四煤田地质有限公司，陕西 铜川 727000；2.陕西省煤田物探测绘有限公司，陕西 西安 710000)

0 引言

能源是国民经济发展的源动力，煤炭是中国的主要能源，矿井瓦斯是影响煤炭工业发展的重要因素，也是危害煤矿安全生产的重要因素之一，不安全的煤炭开采会导致煤矿安全事故，其元凶就是矿井瓦斯，它是存在于煤矿巷道中的甲烷气体，严重威胁着井下人员的生命安全和矿井设施安全，尤其是煤与瓦斯突出、瓦斯煤尘爆炸等重大恶性瓦斯事故已成为影响煤矿安全生产的头号杀手，不仅会对井下生产设施破坏，还会迫使企业正常生产中断，从而引起人们对煤炭行业的心理恐惧。随着煤炭资源开采强度和深度的不断增加，矿井瓦斯对煤矿安全生产的威胁将日趋严重，为了遏制煤矿瓦斯事故、促进煤矿安全生产，因此有必要对煤矿瓦斯的赋存规律和突出危险性有一个全面的了解和分析，同时也对煤矿安全生产具有指导意义。

1 矿井概况

陕西双龙煤业开发有限责任公司(双龙煤矿)隶属于黄陵矿业集团有限责任公司，位于陕西省黄陵县双龙镇，交通较便利。东西宽约2～6 km，南北长约1.75～11.03 km，形状不规则，面积为34 km2。

1.1 地质条件

含煤地层为侏罗系中统延安组中下部，共含煤2层，自上而下编号为：0号煤、2号煤，2号煤层是区内唯一可采煤层，全区分布。厚度0.61～4.50 m，平均2.32 m。属于中厚煤层，煤层结构简单，不含或含1～3层夹矸，夹矸厚度一般0.20～0.35 m，多为泥岩和粉砂岩。

2号煤层原煤水分变化在0.81%～4.65%之间，平均值为2.60%。原煤灰分变化在3.34%～39.57%之间，平均值为15.66%，原煤挥发分变化在31.18%～40.08%之间，平均值为35.44%，原煤Qnet，d变化在21.90～23.99 MJ/kg之间，平均为23.85 MJ/kg，浮煤粘结指数变化在13%～71%之间，原煤硫分为0.21%～1.8%，平均为0.47%，原煤磷分为0.134%～0.311%，平均0.12%，2号煤层为低灰、中高挥发分、特低硫、中-低磷、中发热量煤，弱-中等粘结性的富油煤。

双龙煤矿位于黄陵矿区的西南部，总体构造形态为一开阔而平缓的不对称且连续的向斜-背斜-向斜构造。向斜轴向在矿区中部近南北向，在矿区北部和南部为NNE向，西峪背斜从煤矿北部穿过，走向为从南西向北东，长度3.5 km，向西延入二号矿井中，地层倾角为1°～5°。煤矿范围内未见大型的断层构造，在煤矿开采过程中实际揭露所知，在煤矿中部、南部、二盘区及工业广场附近有8条断距小于10 m的正断层，煤矿南部揭露出一条近东西走向的正断层，落差11 m。

双龙煤矿属黄土高原地貌特征，地势西高东低，东北部以黄土塬地形为主，沟谷纵横，塬面支离破碎，沟底标高920～1 000 m，塬面标高一般1 200 m，最高1 463.80 m。西南部山峦起伏，沟壑纵横，地形复杂。沮水河为矿井地表最大河流，矿区北部有间歇性小支流北沟、王村沟、西沟，皆向东北方向汇入洛河第一大支流沮河中。

1.2 煤矿生产

双龙煤矿于1992年7月开工建设，2000年12月底建成投产，2012—2014年双龙煤矿进行技改，技改后矿区分为南、北两区，南北区系统相对独立，2015年4月南区开采完毕，南区封闭，北区生产系统即该矿区的生产系统，生产能力90万t/a。双龙煤矿采用斜井单水平开拓方式进行开采，矿井采煤工作面采用走向长壁综采垮落式回采工艺。

1.3 瓦斯情况

双龙煤矿范围内16个钻孔瓦斯资料，其中处于南区的有4个(L12、L13、L14、L15)；处于北区的共12个。区内瓦斯成分为CH4占0%～86.25%，平均54.548%；CO2占0%；N2占13.12%～99%，平均43.42%。根据瓦斯风化带分带标准，矿井整体处于N2-CH4带中，除L42、L43为 N2带。

2 瓦斯赋存影响因素分析

2.1 煤层埋深对瓦斯赋存的影响

双龙煤矿位于黄陵矿区中部，主采2号煤层埋藏深度变化规律是东部埋藏较浅，西部埋藏较深，最深处是R112钻孔，深度为460 m，瓦斯钻孔含量为0.07 m3/t，煤矿平均埋藏深度为286.66 m，但瓦斯的含量随煤层埋深增大的规律性不明显，原因可能有以下几点，从矿井整体来看煤层埋藏深度相对较浅，煤矿北部和西北部煤层厚度变薄，再者与地表沟壑发育而煤层近水平发育特殊富集点已经逸散有关。

2.2 煤层厚度对瓦斯赋存的影响

煤层作为瓦斯的生气源岩，其瓦斯生成量与煤层厚度密切相关；瓦斯生于煤层，储于煤层，一定厚度的煤层是瓦斯生成与赋存的物质基础。一般来说，煤层越厚，瓦斯生成与赋存的物质基础条件越好，煤层瓦斯含量越高，开采时瓦斯涌出量就越大。

双龙煤矿2号煤层位于延安组第1段的中上部，K2标志层以下，全区分布，煤层厚度0.61(X95)～4.50 m(L44)，平均2.32 m。可采范围内煤层厚度虽横跨薄(0.80～1.30 m)，中厚(1.30～3.50 m)，厚(3.50～8.00 m)3个分级但其变化规律明显，即双龙向斜轴部向两翼逐渐由厚变薄。中厚煤层主要分布于煤矿中部，瓦斯涌出量相对较大，煤矿北部的煤层较薄，瓦斯含量相对较低，FX28号孔为0.41 mL/g可燃，FX30号孔为0.27 mL/g可燃，R107、R112、N54瓦斯含量为零，由此可知双龙煤矿煤厚变化对瓦斯异常分布有明显的影响。

2.3 煤层顶底板对瓦斯赋存的影响

一般顶板岩性为砂质泥岩，泥岩的岩类较有利于煤层瓦斯的保存，顶板岩层的岩性越疏松，岩石颗粒及孔隙越大，则越有利于煤层瓦斯的运移及逸散。双龙煤矿瓦斯富集区主要分布于矿区中部，钻孔瓦斯测试煤层瓦斯含量在0.07～5.73 m3/t之间，平均为2.02 m3/t。中部的L10、L11、L13大多数钻孔瓦斯含量测试值大于4.00 m3/t，最大达5.73 m3/t(L12)。该区域岩性以泥岩为主，最小值位于煤矿西北部为0.07 m3/t(R107)，2号煤层的顶板岩性分析得出该区域顶板岩性以粉砂岩为主。

2.4 地质构造瓦斯赋存的影响

该矿揭露有一条近EW向正断层，落差11 m，位于断层带附近的L13钻孔，瓦斯含量0.82 m3/t，远离断层带钻孔瓦斯含量在2.87～4.70 m3/t，平均3.80 m3/t，说明煤层中瓦斯通过断层已大多逸散；断层落差大于10 m时可能成煤层瓦斯逸散的通道，落差小可能成为瓦斯聚集的屏障是其主要特点。

煤矿北部钻孔有一走向NEE的宽缓小型隆起，轴长约3.5 km，两翼地层倾角1°～3°。该区为煤层瓦斯含量在0～0.07 m3/t之间，瓦斯含量小，煤矿内褶曲对瓦斯赋存变化影响不大。

2.5 水动力条件对瓦斯赋存的影响

双龙煤矿内主要含水层为侏罗系中统直罗组、延安组富水性较弱，是以裂隙为主的孔隙-裂隙型弱富水含水层。由于侏罗系中统直罗组(J2z)与延安组(J2y)地层中发育了多层泥岩、砂质泥岩、粉砂岩等致密岩性的隔水层，隔水层在阻断地下水径流的同时，一定程度上也阻断了煤系地层含水层之间的水力联系，垂向上各含水层基本处于孤立状态。矿区地下水主要在露头地带接受大气降水补给，顺层向深部运移，地下水从矿区浅部的无压潜水逐渐转变为承压含水，同时水力增强，活动性变弱，矿化度增高，最后过渡为滞流区，阻碍了煤层气的顺层逸散。在一定深度范围内，因地下水承压使煤储层压力增高，也造成煤层气侧向封堵。从而使煤层瓦斯气藏在深部发生富集。

2.6 油型气对瓦斯赋存的影响

直罗组的含油层位距离主采2号煤层间距较大，但其对煤矿床的开采也有影响；富县、瓦窑堡组地层含油层在煤矿床动采后，煤层底板涌出油气和煤层瓦斯气体混合，使采区内的煤层瓦斯含量升高，油型气和煤层瓦斯的混合气体将会对煤矿安全生产产生威胁。煤层瓦斯气藏实质是煤层瓦斯与油型气藏共同作用的结果，油型气的混入客观上增加了煤层瓦斯的含量。故油型气亦是煤矿煤层瓦斯重要且显著的来源之一，双龙煤矿区内虽然没有喷气钻孔，也未发现过油型气的喷出和涌出现象。

综上所述，双龙煤矿范围内由于2号煤层埋藏较浅，煤层厚度变化不大，埋深、上覆基岩厚度、煤层厚度等对瓦斯赋存的影响作用较小，而煤层顶板岩性特征、地质构造、水动力条件、油型气等对瓦斯赋存的影响作用更为明显，即双龙煤矿瓦斯分布不是某单一因素主导，而是受多种因素综合影响的结果，其影响因素分析统计见表1。

表1 双龙煤矿瓦斯含量分布影响因素分析统计Table 1 Analysis and statistics of influencing factors of gas content distribution in Shuanglong coal mine

3 瓦斯突出危险性分析

3.1 瓦斯突出危险性参数测定

3.1.1 单项指标法

矿区内2号煤层没有发生过煤与瓦斯动力现象。依据《煤与瓦斯突出矿井鉴定规范》(AQ1024—2006)和《防治煤与瓦斯突出规定》，对于没有发生瓦斯动力现象的煤层预测突出危险性时，采用煤的破坏类型、瓦斯放散初速度指标(ΔP)、煤的坚固性系数(f)和煤层瓦斯压力(P)判定煤层的突出危险性。取鉴定煤层各测点的最高煤层破坏类型、最小坚固性系数、最大瓦斯放散初速度指标、最大瓦斯压力值作为该煤层突出危险性判定指标，全部指标值达到或超过所列临界值时，确定煤与瓦斯突出煤层和煤与瓦斯突出矿井。单项临界指标值见表2。

表2 煤层瓦斯突出危险性单项临界指标值一览Table 2 Single critical index value of coal seam gas outburst risk

从测定结果看，煤层瓦斯放散初速度超过了临界值，但破坏类型和煤的坚固性系数以及瓦斯压力没有超过其临界值。根据常规经验，煤矿区现开采煤层的瓦斯含量较小，煤层实际瓦斯压力最大值为0.54 MPa，根据单项指标法，双龙煤矿2号煤层不具有瓦斯突出危险性，测定结果见表3。

表3 2号煤层突出危险性单项指标测定结果Table 3 Measurement results of single index of outburst risk in No.2 coal seam

3.1.2 综合指标法

综合指标法预测煤层突出危险性计算公式如下

D=(0.007 5H/f-3)(P-0.74)

K=ΔP/f

式中，D为煤层突出危险性综合指标；K为煤的突出危险性综合指标；H为开采深度，m；P为煤层瓦斯压力，MPa；ΔP为软煤分层的瓦斯放散初速度指标；f为软煤分层的坚固性系数。

当D、K值同时大于或等于临界值时，才能预测为突出危险区；如果(0.007 5H/f-3)和(P-0.74)同时为负，无论D值大小，预测为突出危险区；其余情况下，预测为突出危险区。综合指标D、K预测煤层区域突出危险性的临界值，见表4。

表4 综合指标D、K预测煤层区域突出危险性的临界值Table 4 Critical value of comprehensive indexes D and K for predicting regional outburst risk of coal seam

经计算，D、K值的结果分别为负数，因此，依据综合指标法，双龙煤矿2号煤层不具有煤与瓦斯突出危险性。

3.2 煤与瓦斯突出危险性影响因素分析

地质构造：由于构造都是在煤层形成之后才发生的，从而会破坏煤层原有的形态，有利于瓦斯的排放，封闭性的地质构造有利于瓦斯的聚集，开放性的构造有利于瓦斯的排放，双龙煤矿总体构造形态为一开阔而平缓的不对称向斜构造。

煤层厚度及其变化：双龙煤矿2号煤层厚度为0.61(X95)～4.50 m(L44)，平均2.32 m，可采厚度为0.80～2.75 m，煤层厚度变化不大。

煤的坚固性系数：表示煤抵抗外力能力的一个综合性指标。它由煤的强度、硬度、脆性决定。煤作为突出的受力体，值越小破碎就越容易，突出危险性就越大，结合以往区内的资料显示，2号煤的坚固性系数(f值)为1.46～1.57，大于0.5，抵抗外力破坏的能力较强。

瓦斯压力：瓦斯压力为瓦斯突出提供动力来源，瓦斯压力随着煤矿开采深度的增加而增加。结合以往瓦斯压力测试钻孔，测得绝对瓦斯压力值为0.1～0.54 MPa，煤层瓦斯压力不高、瓦斯含量不大、透气性好，采掘工作面不易形成较高的瓦斯压力梯度。实测瓦斯压力值均小于0.74 MPa。

开采深度：开采深度越大，地应力就越大，瓦斯含量随之增加，软煤就越被破坏的严重，释放出来的初始释放瓦斯膨胀能就越大，突出危险性和突出强度也就越大，双龙煤矿的煤层平均埋深286.66 m，最大埋深是460 m，底板标高830～890 m。煤层埋深较浅，未发生煤与瓦斯突出动力现象。

煤岩体的透气性系数：煤是一种孔隙一裂隙结构体。不同的煤其孔隙和裂隙尺寸、结构形式以及发育程度均有很大差别，煤的渗透性与煤的孔隙结构、煤的裂隙、煤的水分、地应力等因素有关。一般来说，突出煤层具有低的透气性系数，随着地应力的增大而减少。同样压力F，具有突出的构造煤，膨胀变形值大，渗透率低，突出危险性越大。双龙煤矿测得煤层透气性系数为1.152 9 m2/MPa2·d；测得煤层透气性系数为9.775 0 m2/MPa2·d。

瓦斯放散初速度：瓦斯放散初速度由煤的物理、力学性质决定，在瓦斯含量相同的条件下，煤的放散初速度越大，煤的破坏类型越严重，越容易促成突出的发生。双龙煤矿实测煤的瓦斯放散初速度(Δp)为10～16，虽然本次实测瓦斯放散初速度(Δp)大于10，但双龙煤矿瓦斯含量实测数据较小，且煤层的其它指标都未超过临界值，故双龙煤矿2号煤层不具有瓦斯突出危险性。

煤的顶底板及围岩特征：在2号煤层的顶底板当中，低透气性岩石(泥岩、砂质泥岩、煤层、炭质泥岩等)厚度约占地层总厚度的53%，中透气性岩石(主要为砂岩)约占地层总厚度的47%，煤系中无高透气性岩层，围岩岩性圈闭，总体上对瓦斯储存是有利的。据钻孔以及矿井下巷道揭露显示，2号煤层顶板多以泥岩、砂质泥岩为主，透气性较低，具有相对较好的封闭性，有利于瓦斯封存。

4 结论

(1)双龙煤矿煤层瓦斯含量总体较低，但瓦斯含量分布很不均衡。原煤瓦斯含量随小型构造的不同而发生变化；断距小于10 m的断层一般对煤层瓦斯起“富集”影响，断距大于10 m的断层对煤层瓦斯起稀释作用；原煤瓦斯含量与煤层厚度呈正相关关系；聚煤盆地原煤瓦斯含量表现为中部大而边部相对较小；煤层顶板岩性为砂质泥岩、泥岩封闭性能好的岩类，较有利于煤层瓦斯的保存；油型气亦是煤层瓦斯重要且显著的来源之一。

(2)通过对以上资料及实测的瓦斯参数等资料分析，双龙煤矿矿井未见任何突出预兆，也未发生过煤与瓦斯突出动力现象。根据《煤矿安全规程》第176条、《防治煤与瓦斯突出细则》第5条有关生产矿井突出矿井、煤层鉴定的规定，双龙煤矿2号煤层不属于突出危险煤层。