金发煤矿开采层瓦斯地质规律研究及危险性预测

殷泽苍，李伟亮，赵峻民

(1.昆明煤炭科学研究所，云南 昆明 650041；2.曲靖市能源局，云南 曲靖 655000)

1 矿井概况

金发煤矿位于云南省富源县，矿区面积 1.303 9 km2，开采深度 +1 950 m～+1 600 m，生产能力为30万t/a，采用斜井开拓，现有4个井筒。区内含煤地层为上二叠统龙潭组，平均厚度 240.00 m，全区可采煤层15层，自上而下编号为C7、C8、C9、C11、C13-2、C14、C15、C16、C18、C19-1、C19-2、C21-2、C22-2、C23、C24。矿井的水文地质条件复杂程度总体属以弱裂隙含水充水为主的中等类型；矿床工程地质条件为以碎屑岩类层状结构软硬相间工程地质岩组为主的中等类型；环境地质条件属以次生环境地质问题为主的中等类型。金发煤矿现为高瓦斯矿井，煤尘有爆炸性，煤层自燃倾向性为Ⅱ类、自燃。

矿井目前有一个生产水平，即 +1 760 m 水平。井下布置2个采煤工作面(1903采煤工作面和1806上段工作面)和3个掘进工作面(1910机运巷掘进工作面、1910回风巷掘进工作面和1808机运巷掘进工作面)。1903采煤工作面开采C9煤层，1806上段工作面开采C8煤层，均采用走向壁式采煤方法，采煤机落煤，刮板输送机运输，单体液压支柱配π型钢梁支护，全部垮落法管理顶板。1910机运巷掘进工作面，采用掘进机掘进，岩巷掘进工作面采用风钻打眼，爆破掘进，支护采用U型钢、矿工钢、锚杆及锚索支护。

2 煤矿瓦斯地质规律研究

2.1 断层、褶皱构造对瓦斯赋存的影响

矿区大地构造位置处于滇东新华夏构造带南部，夹持于富源—弥勒大断裂，平关—阿岗大断裂之间的恩洪复向斜的东部中段，地层总体为一倾向北西的单斜构造。地层倾角6～10°，构造中等、断层较发育，对矿区有影响的主要断层有：F2、F3、F42、F43、F45等，如表1所示。

表1 金发煤矿断层统计表

金发煤矿构造对C8、C9煤层瓦斯的影响，符合褶皱对瓦斯赋存影响的普遍规律，在褶皱及构造复合部位，瓦斯赋存条件复杂，瓦斯含量、瓦斯压力相对较高，瓦斯动力现象危险性较大；在地应力作用强烈部位造成的扭转、断裂挤压、剪切活动会对煤层结构产生破坏作用，从而形成一定厚度的构造煤，也是瓦斯赋存的主要部位。F2断层位于矿区南东部边缘，地表破碎带现象明显，对矿区煤层开采及瓦斯聚集无影响；F3正断层出露于矿区中部，贯穿整个矿区，切割T1f1地层，T1f1地层属于泥岩，黏土质粉砂岩。因F3正断层出露于地表，地表水及雨水通过裂隙流入断层，使T1f1地层透气性变差，阻碍瓦斯逸散，排放瓦斯量较少，瓦斯含量相对增大；F42、F43、F45正断层分别位于矿区南西部、矿区南西部和矿区东部，虽然是正断层，但断层断距较小，对煤层瓦斯自然逸散帮助有限。

2.2 顶底板岩性对瓦斯赋存的影响

煤层围岩主要是指煤层直接顶、老顶和直接底等在内的一定厚度范围的层段。瓦斯之所以能够封存于煤层中某个部位，决定于它的隔气、透气性能，与围岩的孔隙性、渗透性和孔隙结构有关。

金发煤矿C8、C9含煤地层为层状岩类半坚硬夹软弱岩组，直接顶板为粉砂岩、泥质粉砂岩或粉砂质泥岩，岩石较坚硬，裂隙发育，稳固性稍差，但C8、C9煤层间接顶板为厚层粉砂岩，岩层强度高，完整性和稳固性好，由于顶底板围岩较为致密且在横向上发育较为平稳，形成良好的储气构造。

2.3 岩浆岩分布对瓦斯赋存的影响

矿区岩浆活动主要为二叠统基性岩浆的喷溢作用，形成了区域内广泛分布的峨眉山玄武岩。依据火山的岩相及含矿性特征，区域上可划分为2个规模较大的喷发旋回以及多个喷发亚旋回，底部未见爆发堆积。各喷发(亚)旋回以“红顶绿底”为标志，显示从溢流相至空落相和间歇喷发堆积层序。构成了含煤岩系沉积基底，与含煤地层假整合接触，对煤层、煤质无影响。金发煤矿没有岩浆侵入，不作讨论。

2.4 煤层上覆基岩厚度对瓦斯赋存的影响

金发煤矿为恩洪矿区九井田中部矿，地层走向、山脉走向与主体构造线方向基本一致，总体为一倾向北西的单斜构造，出露地层与区域地层基本一致，地层走向北东—南西，倾向北西，地层倾角一般6～10°，属缓倾斜近水平岩层，矿区F2、F3、F42、F43、F45断层较发育，还发现微波状起伏及小错动。C8、C9煤埋深范围分别在8～598 m、5～615 m。通过调研分析埋深是影响矿井C8、C9煤瓦斯含量最重要因素(图1)。

根据不同地点瓦斯含量和埋深，经数据融合处理，得到金发煤矿C8、C9煤埋深和瓦斯含量关系图和关系式。从图1可以看出，随埋深增加，煤层瓦斯含量明显上升，并且具有很好的相关性。说明本区内煤层瓦斯含量与煤层的埋藏厚度有着密切的关系，煤层埋藏厚度大则煤层瓦斯含量就大，反之亦然。

C8煤层埋深和瓦斯含量的关系式为：

Y=1.403 6ln(X)-3.119 6

(1)

C9煤层埋深和瓦斯含量的关系式为：

Y=2.593 6ln(X)-9.072 1

(2)

式(1)(2)中Y为煤层瓦斯含量，X为埋深。

(a)C8煤层 (b)C9煤层

如图2所示，从金发煤矿煤层瓦斯含量分布看，区内C8、C9煤层的瓦斯含量从南向北方向增高，在矿区中北部达到最高值，变化规律和煤层埋深变化基本一致，瓦斯含量及煤层开采时瓦斯涌出特征符合“煤层埋深较浅时瓦斯含量相对较小、涌出量相对较小；煤层埋藏加深时瓦斯含量相对较大、涌出量相对增大”的规律。

3 矿井瓦斯涌出量预测

C8、C9煤层采煤工作面瓦斯涌出量分别为 10.16 m3/t、10.96 m3/t，C8、C9煤层单个掘进工作面瓦斯涌出量分别为 0.87 m3/min、1.96 m3/min，按采区日产量 909 t 计，C8、C9煤层首采区瓦斯相对涌出量分别为 13.34 m3/t、17.60 m3/t，绝对涌出量分别为 8.42 m3/min、11.11 m3/min。采区瓦斯和矿井瓦斯涌出不均衡系数取1.2，这样采区最大瓦斯涌出量将可能分别达到10.10m3/min、13.33m3/min；矿井最大瓦斯涌出量将可能分别达到 12.12 m3/min、16.00 m3/min。

根据煤层瓦斯参数测定报告和历年瓦斯等级鉴定(涌出量测定)报告(表2)，对其中的绝对瓦斯涌出量和瓦斯含量进行数据融合处理，可以得到C8、C9煤层采煤工作面绝对瓦斯涌出量和瓦斯含量对应关系(图3)，即：

Y=0.289e0.182X

(3)

式(3)中Y为工作面绝对瓦斯涌出量，X为瓦斯含量。

表2 矿井瓦斯涌出量计算结果Tab.2 Calculation results of mine gas emission

以式(1)为依据，对所选取各预测点计算工作面瓦斯绝对涌出量，矿井C8、C9煤层工作面瓦斯绝对涌出量为1.41～6.70 m3/min、1.43～7.00 m3/min。

(a)C8煤层 (b)C9煤层

4 煤与瓦斯区域突出危险性预测

4.1 煤与瓦斯突出危险性参数测定及分析

如前所述，煤层埋深是控制瓦斯参数的主要因素，基本原理是埋深控制着地应力、瓦斯含量和瓦斯压力。同时构造软煤厚度、煤层顶板岩性与地质构造也是影响金发煤矿C8、C9煤瓦斯特性的重要因素。

金发煤矿本次C8、C9煤要按《防治煤与瓦斯斯突出细则》的单项指标法(表3)对矿井突出危险性进行预测。

表3 煤层突出危险性鉴定指标

煤层突出危险性鉴定应当首先根据实际发生的瓦斯动力现象进行。瓦斯动力现象特征基本符合煤与瓦斯突出特征或者抛出煤的吨煤瓦斯涌出量≥ 30 m3(或者为本区域煤层瓦斯含量2倍以上)的，应当确定为煤与瓦斯突出，该煤层应当确定为突出煤层。金发煤矿未出现突出动力现象。

当根据瓦斯动力现象特征不能确定为突出，或者没有发生瓦斯动力现象时，应当根据实际测定的原始煤层瓦斯压力(相对压力)P、煤的坚固性系数f、煤的破坏类型、煤的瓦斯放散初速度ΔP等突出危险性指标进行鉴定。当f≤0.3、P≥0.74 MPa;或者0.3

4.2 煤与瓦斯区域突出危险性预测

煤层瓦斯突出参数包括瓦斯压力、瓦斯放散初速度、煤的坚固性系数和煤的破坏类型4个单项指标，根据金发煤矿开采煤层瓦斯基本参数测定统计表和开采煤层瓦斯基本参数(表4)报告可知如下内容。

1)构造煤类别：构造煤研究表明，井田内主采煤层C8、C9煤全层构造软煤发育，煤的破坏类型一般达到Ⅲ类。因此，全井田煤的破坏类型达到了突出煤层判定的临界值。

2)煤的坚固性系数f：根据煤样检测结果，C8、C9煤的坚固性系数f为0.33、0.23。C9煤指标达到了全井田判断煤层突出危险性的临界值。

3)瓦斯放散初速度ΔP：从测试结果来看，C8、C9煤ΔP为15.0，该指标达到了判断煤层突出危险的临界值。

4)瓦斯压力测定P：金发煤矿C8、C9煤层瓦斯压力分别为 0.52 MPa、0.68 MPa，较接近临界值(0.74 MPa)。

表4 金发煤矿C8、C9煤层瓦斯基本参数统计

根据《防治煤与瓦斯突出细则》第十一条的规定，虽然从瓦斯条件上来说，瓦斯含量是决定煤与瓦斯突出的根本因素，但最终还应以瓦斯压力和煤的坚固性系数来作为煤层是否有煤与瓦斯突出危险性的关键因素。其中瓦斯压力是否超过临界值是首要指标。

金发煤矿没有进行过瓦斯压力的实测工作，本研究使用煤层瓦斯含量与瓦斯压力的计算公式计算瓦斯压力，其数据有明显> 0.74 MPa 的区域，但 0.74 MPa 不能代表煤层自然条件下始突压力临界值。依据单项指标法和瓦斯地质的方法，煤层突出危险性预测的指标是瓦斯压力，其临界值为 0.74 MPa。由于矿界范围内其它3个指标都已达到临界值，因此把 0.74 MPa 压力值作为矿界内有无瓦斯突出危险的分界值，即矿界内煤层瓦斯压力> 0.74 MPa 的区域具有突出危险性。如图4所示，煤矿的突出危险区主要在矿界西北边靠近矿2坐标点附近(黑色区域)。

5 结 语

本文以金发煤矿为研究背景，分析其各种地质因素对于该矿瓦斯规律分布的影响；在此基础上通过现场收集数据和必要检测数据，确定煤层埋深是控制瓦斯含量的主要因素，建立瓦斯含量预测数学模型，预测全矿井C8、C9煤层瓦斯含量。

按照《防治煤与瓦斯斯突出细则》的煤体结构分类方案，本文确定该矿构造煤的类型为Ⅲ类；采样测定C8、C9煤瓦斯放散初速度ΔP值为15.0，f值分别为0.33、0.23。瓦斯压力(瓦斯含量)是判定该矿C8、C9煤瓦斯突出危险性的最重要指标(即≥0.74 MPa 为突出危险区)。煤矿的突出危险区主要在矿界西北边靠近矿2坐标点附近。