青龙煤矿9 号煤层瓦斯赋存影响因素及涌出量预测

冯雨涛

（冀中股份内蒙公司盛鑫煤业有限责任公司，内蒙古 鄂尔多斯 017000）

0 引 言

煤炭资源是保障我国国民经济发展的重要资源之一，瓦斯在煤炭开采过程中涌出，严重影响煤炭的高效生产。随着浅部煤炭资源的逐步枯竭，开采深度逐年增加，地质条件越来越复杂，瓦斯问题越来越突出。瓦斯伴随着煤炭的演化作用生成的，生于、存储于煤层及其围岩中，以CH4为主要成分[1-2]。许多专家学者针对瓦斯的赋存规律及影响因素进行研究，取得了一系列的成果，形成了瓦斯地质相关理论。在借鉴学习前人的基础上，以青龙煤矿为工程背景，结合井田地质勘探的瓦斯地质资料，对影响9 号煤层瓦斯赋存因素进行分析，得到影响瓦斯赋存的主要因素，并结合得到的瓦斯分布规律，进而预测9 号煤层在开采过程中的瓦斯涌出量，对矿井的开采过程中开采规划、瓦斯防治提供基础数据，从而指导青龙煤矿生产活动。

1 工程概况

山西冀能青龙煤业有限公司青龙煤矿位于南距太原市区20 km，西距阳曲县城8 km，隶属阳曲县黄寨镇及东黄水镇管辖，该矿处于矿井基建阶段，设计生产能力为0.9 Mt/a，由于煤层埋藏较深，开拓方式均为立井开拓。该井田含煤地层包括二叠系下统山西组、石炭系上统太原组及石炭系中统本溪组，可采煤层主要赋存于太原组和山西组，可采煤层为6 层煤，首采煤层为9 号煤层，埋藏深度为390 ～650 m，煤层厚度为1.60 ～6.50 m，平均为4.79 m，其中煤层中含0 ～3 层夹矸，煤层结构相对简单，赋存于山西组下部，上距K4 砂岩45.5 ～79.75 m，平均60.04 m，下距11 号煤层9.06 ～14.68 m，平均12.83 m。煤层直接顶板为粉砂岩或砂质泥岩，底板粉砂岩或细粒砂岩。该井田断层主要可分北东、北西向两组，其中北西向断层多切割、错断北东向断层，北西向断层控制了井田的基本构造格架，北西向断层Fp4、Fp5、F29、F13、Fp2断层将井田分成Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ5 个小区。

2 瓦斯赋存及影响因素

2.1 瓦斯赋存分析

瓦斯作为一种气体储存在煤层中，影响煤层瓦斯含量及其分布规律的地质因素有很多，主要有地质构造、煤层的埋藏深度、煤层的顶底板岩性、煤层厚度等其它因素。由于影响因素较多，即使同一煤层中瓦斯赋存特征也会有差别，同一矿井的不同煤层瓦斯赋存也会不同，瓦斯含量及分布规律由上述影响因素综合影响造成，但各控制因素的影响程度是不同的[3]。

2.2 瓦斯赋存影响因素分析

通过对青龙煤矿井田地质勘探的瓦斯地质资料收集，并结合现场情况进行分析，影响该矿瓦斯赋存影响因素如下。

2.2.1 煤层的埋藏深度

煤层埋藏深度是影响瓦斯赋存规律的重要因素[4]，据统计，随着埋藏深度的增加，地应力随深度的增加而增加，煤层顶底板岩性致密度更加紧密，不利于瓦斯的逸散，9 号煤层埋藏深度为390~650 m，随着9 号煤层埋藏深度的增加，瓦斯的含量相应的增加。

2.2.2 地质构造

断裂构造是地应力使岩层发生脆性变形的一种表现，不同类型、不同力学性质的断层对瓦斯的保存和排放有不同的影响。由于断层的存在，煤层的连续、完整性被破坏，瓦斯的储存条件发生变化。开放性断层因构造力的释放，断层面附近形成低压区，瓦斯逸散出去，瓦斯含量和瓦斯涌出量相对比较低；反之封闭型断层密封性较好，瓦斯含量和瓦斯涌出量相对比较高[5-6]。青龙矿区内共发现断层38 条，断层性质以高角度正断层为主，仅F25 为逆断层。其中，落差≥100 m 的断层4 条，≥50 ~100 m 的断层2 条，≥30~50 m 的断层4 条，＞10~30 m 的断层6 条，≤10 m 的断层22 条。北西向断层控制了井田的基本构造格架，其中北西向断层Fp4、Fp5、F29、F13、Fp2将井田分成5 个小区，断层构造是影响青龙矿区瓦斯赋存的关键地质因素。

2.2.3 顶底板岩性

在瓦斯赋存规律中发现，煤层顶底板围岩的透气性，直接影响着瓦斯的赋存、运移，致密且裂隙不发育的泥岩，有助于储存瓦斯。9 号煤层的顶板为粉砂岩或砂质泥岩，底板为粉砂岩或细粒砂岩，主要为致密结构细碎屑岩，渗透性差，有利于瓦斯的保存，阻碍了煤层瓦斯的逸散。

3 瓦斯赋存规律分析

为了探究瓦斯煤层赋存规律，在青龙矿区布置测点，得到了9 号煤层瓦斯测定结果，9 号煤瓦斯含量0.89 ~ 5.29 m3/t，平均2.63 m3/t，瓦斯成分中CH4占0.00~65.67%，平均18.06%。9 号煤层瓦斯成分CH4平均18.06%，氮气平均72.69%，为N2、N2—CH4、N2—CO2带。

表1 9 号煤层瓦斯含量及成分测定成果Table 1 Gas content and composition determination results of No.9 coal seam

瓦斯含量分布与煤层埋深、断层分布特征关系密切，煤层埋深越大瓦斯含量越大，埋深较大区域个别点受断层带的影响瓦斯含量较低；9 号煤由浅部至深部，瓦斯含量逐渐增高；在F29 与F1-1 断层之间表明尤为明显，与煤层埋深规律一致。依据9 号煤层的埋藏深度以及瓦斯含量梯度，绘制了9号煤层瓦斯含量等值线图，平面上各可采煤层在F29 断层以东瓦斯含量较低，以西较高。9 号煤瓦斯含量等值线图如图1 所示。

4 瓦斯量预测

为了保障青龙煤矿的安全生产，依据矿井瓦斯赋存规律及生产规划，利用分源预测法对矿井瓦斯涌出量进行了合理预测，对矿井回采（包括开采层、围岩和邻近层）、掘进及采空区瓦斯涌出量进行计算，并结合河南理工大学编制的《山西冀能青龙煤业有限公司9 号、11 号和13 号煤层瓦斯涌出量预测》报告（以下简称“瓦斯涌出量预测”），预测结果为：青龙煤矿在开采9 号煤层时，矿井最大绝对瓦斯涌出量为10.64 m3/min，最大相对瓦斯涌出量为5.62 m3/t；回采工作面最大绝对瓦斯涌出量为3.42 m3/min；掘进工作面最大绝对瓦斯涌出量为1.22 m3/min。山西冀能青龙煤业有限公司青龙煤矿目前处于矿井基建阶段，瓦斯地质参数较少，建议在开拓至新水平、新采区时，补充测定瓦斯参数，并根据测定结果和采掘方案调整情况，及时修正矿井瓦斯涌出量预测结果。

图1 9 号煤瓦斯含量等值线图Fig.1 Gas content contour map of No.9 coal

5 结 论

通过对青龙煤矿9 号煤层瓦斯赋存影响条件进行分析，并根据测定结果得到9 号煤层瓦斯含量等值线，对煤层开采过程中瓦斯涌出量进行预测。

（1） 9 号煤层瓦斯赋存影响因素主要有煤层的埋藏深度、地质构造断层、顶底板岩性等因素；埋藏深度、断层影响瓦斯赋存的关键地质因素。

（2） 开采9 号煤层时，矿井最大绝对瓦斯涌出量为10.64 m3/min，最大相对瓦斯涌出量为5.62 m3/t；回采工作面最大绝对瓦斯涌出量为3.42 m3/min；掘进工作面最大绝对瓦斯涌出量为1.22 m3/min，可为青龙煤矿在开采规划、瓦斯防治提供基础数据。