瓦斯地质区划及瓦斯异常分析2煤层为例——以顺和煤矿二

韩松林，赵亚娟，高 琳，吕闰生

(1.河南能源化工集团有限公司，河南 郑州 476600；2.永城职业学院 电子信息工程系，河南 永城 476003;3.河南理工大学 资源环境学院，河南 焦作 454000)

0 引 言

瓦斯赋存特征受地质因素控制，瓦斯赋存与分布具有明显的分区分带特征[1-3]。瓦斯地质区划是煤矿实现瓦斯分级管理和分级治理的前提和基础，合理的瓦斯地质单元划分有助于煤矿高效瓦斯管理[4]。前人从瓦斯突出的地质构造控制和瓦斯赋存的地质条件控制方面开展了大量的研究，进一步促进和提高了煤矿瓦斯预测及治理技术水平。张子戌[5]提出了瓦斯地质单元构造复杂程度的定量评价方法，为瓦斯地质单元合理划分提供了理论依据。杨陆武[3]将地质构造、构造煤与瓦斯特征组合,开展了突出危险性区划，划分出了突出区、带、点。吕闰生等[6-8]将影响瓦斯赋存的地质因素进行了定量化研究，提出了定性地质因素的定量化表征方法并进行了应用。辛新平等[9]对瓦斯抽采关键指标-渗透率的地质影响因素进行了研究，并划分出不同抽采瓦斯地质单元。刘明举等[10]对巷道掘进中瓦斯异常涌出的瓦斯地质因素进行了研究，认为影响瓦斯突出的地质因素有很多，构造煤的发育是瓦斯异常的主控因素。王来斌等[11-13]开展了瓦斯地质区划方法研究，针对不同矿区筛选出主控因素，以此进行瓦斯区划。瓦斯地质区划是在空间上、时间上筛选出对瓦斯影响具有共性的指标，分析这些共性指标对瓦斯的贡献[14-15]，据此来划分不同瓦斯地质单元的方法。无论使用哪种方法来进行瓦斯区划，其中最核心、最基础的指标是瓦斯含量，而瓦斯含量的准确测试目前仍存在一定难度，即使在煤层同一位置测试结果相差也较大。因此，在进行瓦斯地质区划前需要对瓦斯含量测值可靠性进行评价和筛选[16-18]，才能更合理、准确地进行瓦斯地质区划。

以永煤集团顺和煤矿二2号煤层为例，采用瓦斯地质量化技术对影响瓦斯异常的地质因素进行筛选与分析，以期提高瓦斯防治的针对性和有效性，确保煤矿安全生产。

1 顺和井田瓦斯地质概况

顺和井田主要含煤地层为二叠系上、下石盒子组和山西组，含煤地层总厚度约613 m，共含煤31层，平均总厚11.84 m，含煤系数1.93%，其中山西组中下部的二2煤层为全区可采，下石盒子组中部三2和三4煤层为局部可采煤层。二2煤层直接顶板为泥岩或炭质泥岩，间接顶板为中粒砂岩；底板为砂质泥岩夹薄层细砂岩；煤厚0～3.85 m，平均2.30 m，一般不含夹矸。

本区二2煤层底板标高-400～-1 150 m，地表标高+35～+37 m，瓦斯涌出量2.00～15.18 m3/t，井田东部受岩浆侵入影响，发育大片天然焦及侵入体，瓦斯分布极不均衡，为煤与瓦斯突出煤层。井田总体构造为一宽缓单斜构造，煤层倾角6°～15°，区内发育SN、NE向高角度正断层，井田落差≥100 m断层4条，≥50～100 m的断层4条，≥15～50 m的13条，<15 m 的断层70条。

2 瓦斯地质区划及特征

顺和井田二2煤层构造复杂，受区域构造-永城隐伏背斜控制，北部与薛湖井田相邻，南部与陈四楼井田相邻，东部为岩浆岩侵入区，西部为边界断层。区内东部和南部存在较多滑动构造，煤层受挤压揉搓形成多个无煤区或不可采区。

2.1 瓦斯地质区划指标

2.1.1 地质构造演化控制

本区构造在C-P期间构造形态有2种类型：①继承性同沉积构造(SN)；②断层二侧断块相对运动方向改变而形成的非继承性断层和“反相”褶皱，包括地垒断块形成的“反相背斜”和地堑断块形成的“反相”向斜，这2种反相褶皱控制了本区二2煤层埋藏深度变化，在背斜轴部煤系地层大多遭受剥蚀，甚至二2煤层也被剥蚀掉，向斜核部煤系地层大多得到保存。尽管目前煤层埋藏较深，但瓦斯含量较其他区同深度小。从井下揭露情况分析，靠近逆断层和区内小断层(H<5 m)附近瓦斯含量明显增大，大中型正断层附近瓦斯含量减小。

2.1.2 煤层顶、底板岩性

煤层顶、底板岩性及其透气性是影响煤层气垂向运移的主要屏障，透气性高的岩层对应区瓦斯较小，反之则较高。顺和井田二2煤层顶板岩性如图1所示。

图1 二2煤层顶板岩性分布Fig.1 Roof lithology map of No.22 coal seam

井田泥岩顶板(砂质泥岩可视为泥岩顶板)主要位于井田中部沿NE向展布。对比分析21、24采区高瓦斯区，煤层顶板均为泥岩顶板且较厚，21采区北部二2煤层顶板为中粒砂岩，南部为泥岩或砂质泥岩，相同条件下泥岩顶板瓦斯含量较大，砂岩顶板区瓦斯含量较小。24采区西翼大巷中粒砂岩顶板区埋深大，反而瓦斯低(6.64 m3/t)，2404运输巷底板抽放巷南部泥岩顶板区埋深小反而瓦斯大(14.07 m3/t)，说明顶板岩性对瓦斯赋存具有直接影响。

二2煤层底板为泥岩和砂质泥岩，对瓦斯保存影响一致。

2.1.3 岩浆岩侵入

区内岩浆沿基底断裂上升，遇煤层后沿煤层以岩床、串珠状等形态顺层侵入，造成部分煤层溶蚀、挤压变薄，在岩浆侵入体附近煤层受高温烘烤发育大片天然焦，瓦斯逸散，如东部岩浆侵入及天然焦发育区，瓦斯涌出量仅为2 m3/t，但在天然焦边界泥岩顶板附近，煤层受挤压变形而变厚，瓦斯明显增大(最大5 m3/t)。本区岩浆侵入区煤层气逸散明显。

2.1.4 煤层厚度

区内在井田西南部(煤厚<0.8 m)、东部岩浆侵入区(煤厚1.6～1.8 m)、东南部后王庄背斜露头附近煤厚(煤厚1.8 m)变化明显，对应的瓦斯涌出量在2～4 m3/t，开采中瓦斯负异常涌出。

2.2 瓦斯地质区划

综合考虑二2煤层地质构造演化特征、顶底板岩性及相变、岩浆岩侵入范围、大中型断层、瓦斯含量，结合生产中瓦斯异常涌出及瓦斯动现象，将顺和井田二2煤层区划为6个瓦斯地质单元，分别用①～⑥表示(图2)，各瓦斯地质单元特征见表1。

表1 二2煤层气地质区划特征Table 1 Gas geological zoning table of No.22 coal seam

图2 顺和井田瓦斯地质单元划分Fig.2 Gas geological unit division of Shunhe Mine Field

1)①单元：瓦斯含量测值较多，瓦斯涌出量(筛选合格值)与埋深关系散点图如图3所示，该区东部煤层受岩浆侵入挤压，煤层厚度发生明显变化，存在局部不可采区和大片天然焦。高瓦斯区(瓦斯涌出量>5 m3/t)位于二2煤层不可采边界附近，岩浆侵入对煤层挤压造成煤层滑动，由于岩浆沿煤层顶底板侵入，造成煤层变薄(2.72 m→2.17 m→1.92 m，越靠近岩浆侵入体煤层越薄)，同时岩浆高温使煤层发生热变质，生气量增大，在顶、底板附近岩浆岩形成良好盖层，煤层气得以保留，出现瓦斯异常区，不能作为研究瓦斯分布规律的依据，应予剔除。

图3 ①单元瓦斯涌出量与埋深关系Fig.3 Relationship between gas content and buried depth on ① unit

2)②单元：单元中部为后王庄背斜轴部剥蚀区，出露山西组及下石盒子组地层，发育二2煤层露头。该单元为DF7断层与F40逆断层的下盘抬升区，埋深变浅，煤层遭受风化剥蚀。瓦斯涌出量测值较多(1.76～2.65 m3/t)，靠近煤层露头附近处于瓦斯风化带，在统计该区瓦斯分布规律时，剔除瓦斯涌出量测值小于2 m3/t数值(图4中红色点)，瓦斯涌出量分布规律如图4所示，-420 m以浅为瓦斯风化带。

图4 ②单元瓦斯涌出量与埋深关系Fig.4 Relatinship between gas content and buried depth on ② unit

3)③单元：本单元处于地堑构造区，煤层埋深北深南浅，区内瓦斯含量波动大，存在瓦斯异常区。局部瓦斯含量随着埋深增大而减小，如1303钻孔二2煤厚仅2.04 m，相邻1312孔、83022孔、1402孔的煤厚分别为2.85、2.99、2.69 m，瓦斯涌出量测值最大点(15.85 m3/t)位于煤层厚度突变处附近。2401轨道巷底抽巷联巷实测瓦斯含量为5.62 m3/t(688 m)，而2402运输巷实测瓦斯涌出量3.74 m3/t(741 m)。受南部F40逆断层、煤层产状及煤层厚度控制，虽然煤层被抬升埋深变浅，但大落差逆断层受压封闭条件较好，制约了浅部瓦斯的逸散，同时本区煤层顶板为泥岩发育区。因此，本单元可划分为正常区和异常区，正常区瓦斯梯度每100 m为1.14 m3/100 m，异常区瓦斯梯度每100 m是4.61 m3。瓦斯赋存规律如图5、图6所示。预测本区瓦斯风化带深度为439 m(-403 m)，预测5 m3/t趋势线深度为702 m(-665 m)，预测10 m3/t趋势埋深为1 053 m(-1 016 m)。异常区5 m3/t上限深度787 m(-750 m)，下限深度681 m(-644 m)；10 m3/t上限深度678m(-641 m)，下限深度573 m(-536 m)。

图5 ③单元瓦斯含量与埋深关系Fig.4 Relationship between gas content and buried depth on ③ unit

图6 ③单元异常区瓦斯分布规律Fig.6 Gas abnormal distribution rule of ③ unit

4)④单元：该单元东部为煤层露头，遭受风化剥蚀，煤层底板标高-400～-550 m，大部分位于后王庄背斜隆起部分，本区煤层整体抬升埋深变浅。本单元没有瓦斯含量数据，结合煤层埋藏深度及地质条件分析，本区瓦斯赋存地质条件与②号瓦斯地质单元东南块段类似，可参照②号瓦斯地质单元瓦斯赋存规律。瓦斯风化带深度为383 m(-420 m)，相对瓦斯含涌出量最大3 m3/t。

5)⑤单元：为F8断层上盘与F12断层下盘所夹块段，单元西南部煤层变薄，煤层底板标高-500～-1 100 m，北部深南部浅。该区勘探钻孔较少且无瓦斯含量钻孔，该区瓦斯分布参照③号瓦斯地质单元。瓦斯风化带深度为439 m(-402 m)，5 m3/t趋势线深度为702 m(-676 m)，10 m3/t趋势埋深为1 053 m(-1 016 m)。

6)⑥单元：本单元发育大片天然焦和岩浆岩侵入体(无开采价值)，仅局部可采，煤层厚度变化大，区内发育NE向正断层，瓦斯涌出量为2～4 m3/t。

3 瓦斯异常分析

顺和矿在掘进24采区-702 m水平西翼轨道、输送带、回风大巷、2401轨道巷、2401底抽巷、2404轨道巷、2404底抽巷时，瓦斯异常增大。

3.1 瓦斯异常定量分析

为进一步定量评价主控地质因素对瓦斯异常的贡献，在此采用数量化理论I对定量、定性地质因素进行筛选。数量化理论I相当于多元线性回归分析，用于从定性的或兼有定量的自变量对因变量的预测问题[19-21]。

3.1.1 预测模型变量选取与建模

选取瓦斯含量为因变量，选取基岩厚度、大型断层影响范围(H>30 m)、煤层顶板岩性、基岩厚度、煤层厚度、褶皱平面变形系数、岩浆侵入等8个瓦斯影响指标为自变量。其中，煤层顶板岩性、断层为定性变量，用以二态变量取值，即用“0”和“1”表示属性的“无”和“有”，砂质泥岩、页岩可划分为泥岩项目 “有”之类目。断层影响范围项目以统计单元中心到断层的距离以50 m为界，划分为2类，即<50 m取“1”，>50 m取“0”。

顺和井田③号瓦斯地质单元处于4条断层的下降盘断块，二2煤层埋深大，采掘中瓦斯含量较高，而其他单元瓦斯含量均较小，在此仅评价③号单元瓦斯异常特征。该单元共划分出20个统计单元，其中18个单元数据用于建立模型，2个统计单元数据用于验证模型精度。基于数量化理论I，经数学统计分析，筛选出基岩厚度、顶板岩性和大型断层距离3个自变量，建立瓦斯地质数学模型：

W=0.038 35dl(1)-11.326 2dx(1,1)-10.013 91dx(1,2)+2.436 8dx(2,2)

(1)

式中：W为瓦斯含量预测值，m3/t；dl(1)为基岩深度，m；dx(1,1)为顶板岩性“泥岩”类目之反应；dx(1,2)为顶板岩性项目“非泥岩”类目之反应；dx(2,2)为断层项目“<50 m”类目之反应。

3.1.2 预测模型精度检验

R=0.853 6

R1=0.766 2t1=5.508 2

R2=0.894 9t2=8.508 0

R3=0.497 1t3=2.806 5

预测模型复相关系数为0.853 6，3个自变量的偏相关系数和t统计量均大于置信度95%(α=0.05)的临界值。模型实际检验误差为9.23%，精度满足工程实践。

3.2 瓦斯异常区预测

基于式(1)，对顺和矿③号瓦斯地质单元二2煤层气含量进行预测，瓦斯异常区预测结果如图7所示。③号瓦斯地质单元共有2个瓦斯异常区，瓦斯含量大于10 m3/t，一个位于单元南部F40逆断层北部，泥岩顶板区；另一个位于-1 016 m以深区域。

图7 ③号单元瓦斯异常区分布Fig.7 Gas abnormal area distribute of ③ unit

4 结 论

1)在定性分析地质构造发育特征的基础上，对顺和井田进行了瓦斯地质区划，划分出6个瓦斯地质单元，其中③瓦斯地质单元局部瓦斯存在正异常，①和②单元东部靠近岩浆侵入区瓦斯正异常，④和⑥单元瓦斯负异常。

2)采用瓦斯地质量化技术与方法，筛选出基岩厚度、煤层顶板岩性、大型断层的影响范围3个地质因素是影响③单元瓦斯异常的主控因素。

3)分析了顺和煤矿二2号煤层构造演化与瓦斯赋存的地质控制特征，不同期次的构造运动及其造成的“反相”褶皱是控制顺和井田煤层埋深变化的控制因素，也是造成二2煤层盖层厚度变化的主因。