习水县马临矿区主采煤层瓦斯含量分布趋势研究

李春妍，罗远方

(1.中煤科工集团 重庆研究院有限公司，重庆 400037；2.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室，重庆 400037；3. 习水县经济贸易局，贵州 遵义 564600)

瓦斯是成煤物质在漫长地质年代中的自然产物，储存在煤层及围岩裂隙中。煤层瓦斯含量是瓦斯治理和煤层气开发的关键基础参数[1]。《防治煤与瓦斯突出细则》将煤层瓦斯含量作为煤层瓦斯突出危险性预测、区域防突措施效果检验的主要指标[2]，准确掌握煤层瓦斯含量对煤矿瓦斯治理及安全生产意义重大[3-4]。煤层瓦斯含量及分布趋势受地质条件的控制[5-6]。在煤化作用过程中，成煤物质不断地产生瓦斯，煤化程度越高，生成的瓦斯量越多。在其他因素相同的条件下，煤的变质程度越高，煤层瓦斯含量越大[7]。当煤层顶板岩性为致密完整的岩石时，煤层中的瓦斯容易被保存下来；当顶板为多孔隙或脆性裂隙发育的岩石时，瓦斯容易逸散。地质构造可分为褶皱构造、断裂构造以及组合构造，其开放封闭以及复杂程度决定了煤层瓦斯含量分布趋势[8]。

本文通过对习水县马临矿区主采煤层煤的变质程度、煤层围岩特征、地质构造以及煤层埋深因素进行分析，得出影响煤层瓦斯含量分布趋势的主控因素。采用线性回归分析方法，建立基于主控因素的马临矿区主采煤层瓦斯含量计算数学模型，并依据数学模型对主采煤层瓦斯含量分布趋势进行分析。研究结果为习水县马临矿区煤层瓦斯突出危险性预测及瓦斯治理措施实施提供依据，对保障矿区安全生产具有重要意义。

1 矿区概况

马临矿区位于贵州省习水县南部，现有5对生产能力30万t/a以上的生产矿井。马临矿区整体位于桑木场背斜西翼，如图1所示。主要含煤地层为二叠系上统龙潭组，主采煤层为C5、C8、C12煤层，平均厚度分别为1.68 m、2.2 m、1.57 m。

图1 马临矿区主要构造纲要图

2 煤层瓦斯含量主控因素确定

2.1 煤的变质程度

煤的变质程度对瓦斯含量的影响主要表现在：煤的变质程度越高，瓦斯产出量越大；煤的变质程度增高，煤层渗透率下降，沿煤层向地表方向运移变慢；煤的变质程度增高，煤的瓦斯吸附能力增加，煤层中可以吸附的瓦斯量更大[9-10]。针对矿区内主采煤层(C5、C8、C12煤层)，各煤层均为高变质程度无烟煤，同一煤层中瓦斯产出及煤的吸附能力差别较小。所以矿区内煤的变质程度不是影响煤层瓦斯含量分布趋势的主控因素。

2.2 煤层围岩特征

煤层围岩是指煤层直接顶、老顶等在内的一定厚度范围的层段。矿区内各矿井主采煤层(C5、C8、C12煤层)顶板情况见表1。从表1可以看出，矿区内各主采煤层顶板多为泥岩或粉砂岩，泥岩和粉砂岩比较致密，孔隙半径较小，排驱压力较高，具有较高的能力将煤层瓦斯封存。结合地质资料矿区内主采煤层顶板稳定性较好。所以矿区内主采煤层围岩特征不是影响煤层瓦斯含量分布趋势的主控因素。

表1 矿区内各矿井主采煤层顶板情况

2.3 地质构造

矿区内A矿井位于桑木场背斜北西翼，基本构造形态为一单斜构造，地层走向北东，倾向北西，倾角14°。区内次级褶皱和断裂构造不发育，煤层赋存较稳定，单斜构造，走向、倾角变化不大，区内次级褶皱和断裂构造不发育；C矿井位于桑木场背斜北西翼，基本构造形态为一单斜构造，地层走向北东，倾向北西，倾角14°。区内次级褶皱和断裂构造不发育；D矿井桑木场大背斜北西翼南段，总体呈一单斜构造，地层走向近NE～SW向，倾向近NW向，倾角7～12°，平均约10°，浅部为7°，向深部逐渐增大至12°，矿区内未发育断层及次级褶曲；E矿井桑木场背斜北西翼，为一单斜构造。地层走向北东，倾向北西，倾角10～15°，区内次级褶皱不发育。以上4个矿井区域内均为一单斜构造，地质构造复杂程度属简单类型。只有 B矿井地处桑木场背斜的北西翼南西端，无断裂构造，但发育一个次级小背斜——朝阳洞背斜，背斜轴向北东，核部地层为P2m的厚层块状灰岩，两翼地层为P2l的碎屑岩、P3c的灰岩和T1y的碎屑岩夹泥质灰岩及泥灰岩，北西翼岩层倾向为300～360°，倾角4～16°，矿区煤层就产于该翼地层中，北东翼岩层倾向0～65°，倾角0～13°，为一宽缓的短轴背斜。B矿井地质构造复杂程度属中等类型。综上所述，矿区内大部分区域地质复杂程度为简单类型，所以矿区大范围内地质构造不是影响煤层瓦斯含量分布趋势的主控因素。

2.4 煤层埋藏深度

结合矿区内各矿井相对瓦斯涌出量大于2 m3/t，实测各主采瓦斯含量绝大部分大于5 m3/t，个别主采煤层中瓦斯的CH4成分高于80%，得出矿区内各主采煤层在矿井开拓区域内均处在瓦斯带内。在瓦斯带内，在煤层稳定，地质构造影响较小时，在一定范围内，煤层瓦斯含量随煤层埋深的增大而增大。

综上所述，通过对马临矿区内主采煤层的煤的变质程度、煤层围岩特征、地质构造及煤层埋藏深度情况进行分析，煤层埋藏深度为影响马临矿区主采煤层瓦斯含量分布趋势的主控因素。

3 瓦斯含量计算数学模型构建及分析

3.1 数学模型构建

采用直接法，依据国家标准《煤层瓦斯含量井下直接测定方法》，采用DGC瓦斯含量直接测定装置对矿区内生产矿井主采煤层不同埋藏深度下煤层原始瓦斯含量进行测定。矿区内主采煤层瓦斯含量随埋深的变化关系如图2所示。

采用线性回归分析法，分别研究马临矿区C5、C8、C12煤层瓦斯含量与埋深之间的关系，构建瓦斯含量计算数学模型。数学模型见表2，结果如图3所示。

表2 回归分析得数学模型结果

3.2 瓦斯含量分布趋势分析

从回归分析结果可以看出，马临矿区主采煤层瓦斯含量随埋深增减符合线性关系。在一定埋深范围内，煤层埋深每增加100 m，C5煤层瓦斯含量增加1.627 m3/t，C8煤层瓦斯含量增加1.65 m3/t，C12煤层瓦斯含量增加0.976 m3/t。使用基于煤层埋藏深度的瓦斯含量计算数学模型对主采煤层瓦斯含量为8 m3/t时的埋深进行计算。得到C5煤层在埋深大于327 m时，煤层瓦斯含量将大于8 m3/t，C8煤层在埋深大于228 m时，煤层瓦斯含量将大于8 m3/t，C12煤层在埋深大于567 m时，煤层瓦斯含量将大于8 m3/t。

4 结 语

1) 通过对比分析马临矿区主采煤层煤的变质程度、煤层围岩特征、地质构造以及煤层埋深因素对煤层瓦斯含量的影响，确定影响煤层瓦斯含量分布趋势的主控因素为煤层埋深。

2) 采用线性回归方法分析得到，马临矿区瓦斯含量与埋深呈拟合度较高的线性关系，构建了基于煤层埋深的煤层瓦斯含量计算数学模型。

3) 分析了马临矿区主采煤层瓦斯含量分布趋势，C5煤层在埋深大于327 m时，煤层瓦斯含量将大于8 m3/t，C8煤层在埋深大于228 m时，煤层瓦斯含量将大于8 m3/t，C12煤层在埋深大于567 m时，煤层瓦斯含量将大于8 m3/t。