文家坡煤矿4 号煤层瓦斯赋存规律探究

李浩

（陕西煤田地质勘查研究院有限公司，陕西 西安 710021）

瓦斯是煤层在地质演变过程中形成的伴生物，是煤矿生产中的有害因素之一[1-3]。煤层的瓦斯赋存规律是矿井制定瓦斯治理措施的基础，对煤矿的安全生产异常重要，针对这个问题，王改明[4]以文家坡煤矿地质构造特征、顶底板岩性和煤层埋深为影响因素，对矿井4 号煤层进行了简要分析，认为煤层埋深是影响煤层瓦斯含量的主控因素。由于其分析缺乏基础资料支撑，大多分析不够深入、不够系统，对矿区瓦斯的赋存规律把握不够准确。本文立足于矿区勘探以来积累的翔实的基础资料，从五个方面较为系统、深入地分析矿区的瓦斯赋存规律，为煤矿未来的安全生产提供了较为翔实的瓦斯方面的参考资料。

1 矿井概况

文家坡煤矿位于彬长矿区东部，行政区划隶属陕西省彬州市管辖，其北侧、东侧为无煤区，南侧与火石咀煤矿相邻，西北侧与胡家河煤矿相邻，西南侧与小庄煤矿相邻，见图1。矿井规划面积约为87.39 km2,生产能力为400 万t/a，主采4 号煤层，全矿井划分为13个盘区，矿井瓦斯等级为高瓦斯。

图1 文家坡煤矿周边矿权关系

2 构造

彬长矿区位于鄂尔多斯盆地南部渭北北缘的彬县-黄陵拗褶带。总体构造形态为中生界构成的NW缓倾大型单斜构造[5-6]。其单斜之上发育了一些宽缓而不连续的褶皱。区内主要为一系列NEE 向的同沉积背向斜。向斜两翼宽缓，倾角为1～6°，背斜相对宽度较小。背斜从南到北有彬县背斜、路家-小灵台背斜、董家庄背斜矿区北部的七里铺-西坡背斜,背斜之间为师家店、南玉子向斜和孟村向斜,见图2。

图2 区域构造

文家坡煤矿位于路家-小灵台背斜与里村小背斜之间的南玉子向斜的东端。区内构造简单，地层平缓，构造线呈NEE 向，向斜两翼宽缓，倾角为1～6°。南玉子向斜在西部表现较为明显，向东逐渐消失。在NEE向构造线的基础上，发育一系列NNW 向的小型褶曲，构成井田的构造格架。未发现大中型断裂，生产中揭露数条小断层，见图3。

图3 文家坡煤矿构造纲要

3 煤层

文家坡煤矿含煤地层为侏罗系延安组，含煤9 层，自上而下编号为：1、2、3、4 上1、4 上2、4 上、4、4 下1、4 下2，可采煤层5 层，其中1、2、4 和4 煤分叉煤层4 下1 煤层为大部可采煤层，3 煤层为局部可采煤层，其余为不可采煤层。

4 煤层瓦斯主要基础参数

4.1 煤矿瓦斯含量及分带

根据以往地质勘探资料和井下瓦斯实测资料，利用解吸法在文家坡煤矿内40 个钻孔中采取瓦斯样40个，井下施测22 个点，采取瓦斯样20 个，采样样品质量均合格。通过分析发现，其自然瓦斯成分以氮气为主，深部CH4含量增加，干燥无灰基瓦斯含量为0.01～3.75 ml/g，见表1。文家坡煤矿瓦斯以CO2-N2带为主，其次为N2-CH4带，见图4。瓦斯含量测试点主要分布在41 盘区和42 盘区，见图4。

图4 文家坡煤矿瓦斯含量测试点分布及底板等高线

4.2 井下瓦斯参数测定

对开采的4 号煤层瓦斯含量进行鉴定：4 号煤层瓦斯含量为0.85～3.75 m3/t（见表1）；瓦斯压力为0.32～0.64 MPa，平均为0.46 MPa；煤对瓦斯的吸附常数a 值为22.209～35.380 m3/t.r，平均为25.27 m3/t.r；b值为0.620～0.895 MPa-1，平均为0.809 MPa-1；孔隙率为5.37%～8.61%，平均为7.01%；煤层透气性系数λ为0.13～0.39 m2/MPa2·d，平均为0.231 m2/MPa2·d；钻孔自然瓦斯流量衰减系数为0.012 3～0.048 0 d-1，平均为0.031 d-1。

5 瓦斯赋存规律研究

5.1 地质构造对瓦斯赋存的影响

煤矿内瓦斯主要受褶曲构造的控制，构造分布的不均衡性导致了瓦斯分布的不均衡性。

（1）断层对煤层瓦斯的控制

在文家坡煤矿中未发现大中型断裂，生产中揭露数条小断层，断层以小型正断层为主，结构面大部分具有拉张性质，断层面疏松，不利于瓦斯的保存，其附近瓦斯逸散，瓦斯含量偏低。例如，区内小断层附近的8-1 钻孔和8-2 钻孔的瓦斯含量分别为0.20 ml/g.daf、0.23 ml/g.daf，与周边钻孔的瓦斯含量相比，数据较小，见图5。

（2）褶曲对煤层瓦斯的控制

文家坡煤矿褶曲分为NEE 褶曲和NNW 褶曲，其中煤矿内大部分区域处于NEE 褶曲的路家-小灵台背斜（东部）北翼与里村小背斜（东部）南翼之间，中间局部形成NEE 褶曲的南玉子向斜宽缓聚煤凹陷区，在此基础上，孟村向斜与里村小背斜之间发育了NNW 褶曲（背斜和向斜各3 个）。区内路家-小灵台背斜、里村小背斜、B1 背斜和B2 背斜控制该区域的瓦斯赋存。背斜周边地势相对较高，利于瓦斯的聚集，反之亦然。参照井上瓦斯含量测值，由图5 可以看出，路家-小灵台背斜两侧、里村小背斜南翼、B2 背斜两侧和B1 背斜西侧,瓦斯含量相对较高，南玉子向斜附近瓦斯含量相对较小。路家-小灵台背斜南翼钻孔11-2 的瓦斯含量为0.69 ml/g.daf，北翼钻孔6-1、钻孔6-2 和钻孔9-5 的瓦斯含量分别为0.71 ml/g.daf、0.68 ml/g.daf 和0.88 ml/g.daf；里村小背斜南翼钻孔12-3 的瓦斯含量为0.71 ml/g.daf；B2 背斜西翼钻孔4-8 的瓦斯含量为0.31 ml/g.daf，东翼钻孔5-9 的瓦斯含量为0.14 ml/g.daf；B1 背 斜 西 侧 钻 孔23 的瓦斯含量为1.29 ml/g.daf。南玉子向斜南翼钻孔2-3、钻孔6-5和钻孔8-4 的瓦斯含量分别为0.01 ml/g.daf 和0.02 ml/g.daf 和0.05 ml/g.daf，背斜钻孔4-6 和钻孔7-8 的瓦斯含量分别为0.11 ml/g.daf 和0.04 ml/g.daf。由表1 可以看出，路家-小灵台背斜两侧、里村小背斜南翼、B1 背斜西侧这几个钻孔瓦斯含量是区内井上瓦斯含量测值中较大的几个值，B2 背斜两侧钻孔的瓦斯含量是其周边钻孔中瓦斯含量相对较大的；南玉子向斜两翼钻孔瓦斯含量值基本为区内瓦斯含量最小几个值。比较B2 背斜、路家-小灵台背斜及里村小背斜底板标高可以看出，B2 背斜附近的底板标高远小于路家-小灵台背斜和里村小背斜底板。因此，背斜附近的底板标高也不同程度地影响着瓦斯富集程度。

图5 文家坡瓦斯含量等值线

表1 煤层瓦斯含量测定汇总

由上文可知，文家坡煤矿受区内褶曲的影响，在背斜两翼（或一翼）附近形成了易于瓦斯富集的区域，背斜附近底板标高越高越有利于瓦斯的富集；向斜两翼不利于瓦斯的富集。区内在路家-小灵台背斜两翼、里村背斜南翼、B2 背斜两翼和B1 背斜西翼，形成了瓦斯富集区。B2 背斜两翼底板标高相对较小，瓦斯富集程度相对较小。

综上所述，地质构造对文家坡煤矿瓦斯的赋存影响较大，其中背斜附近瓦斯含量相对较高，向斜附近瓦斯含量相对较低。受局部小断层的影响，构造的封闭性变差，导致部分构造区域瓦斯含量发生不同程度的下降。

5.2 顶底板岩性对瓦斯赋存的影响

顶底板岩性特征包括岩石的孔隙率、渗透性和孔隙结构等要素。煤层顶底板岩性对瓦斯赋存的影响，最终取决于它的隔气性和透气性。当煤层顶底岩性为致密完整的岩石(如页岩和泥岩)时，煤层中的瓦斯容易被保存下来，瓦斯压力较大、瓦斯含量较高，而且煤与瓦斯突出危险程度增大；而顶底板为多孔隙或脆性裂隙发育的岩石（如砾岩和砂岩）区域时，瓦斯封存条件较差，裂隙发育，瓦斯压力相对较小，瓦斯含量相对较低，煤与瓦斯突出的危险程度较小。煤层围岩的隔气性和透气性能直接影响瓦斯的保存条件。

文家坡煤矿4 号煤层顶板多为泥岩，其次为细-粗粒砂岩，少量粉砂岩，在赋煤区中西部地区，因被古河流冲刷，煤层顶板偶有粗粒砂岩，底板一 般为灰色含铝质泥岩或粉砂岩。为了便于分析，绘制了文家坡煤矿煤层气顶板岩性和瓦斯含量关系图，见图6。由图6 可以看出，煤层顶板为泥岩时，瓦斯含量相对较高，煤层顶板为砂岩时，瓦斯含量相对较低。由此可以看出，4 号煤层顶板围岩岩性与瓦斯含量具有一定的相关性。

图6 煤层顶板岩性与瓦斯含量关系

5.3 岩浆分布对瓦斯赋存的影响

文家坡煤矿范围内未发现岩浆岩。

5.4 煤层埋深对瓦斯赋存的影响

大量研究表明煤层埋深对瓦斯赋存的影响很大。在影响煤层瓦斯含量的众多地质因素中，煤层上覆岩体的厚度对瓦斯保存和逸散起着直接作用，煤层埋深被认为是最具普遍性的因素之一。瓦斯的逸散以扩散方式为主，空间两点之间的浓度差是其扩散的主要动力。在其他初始条件相似情况下，煤层上覆越厚，达到中值浓度或者扩散终止所需要的时间就越长。煤层本身为一种高度致密的低渗透性岩层，上部分层和下部分层对中部分层有强烈封盖作用，煤层越厚，中部分层中瓦斯向顶底板扩散的路径就越长，扩散阻力就越大，对瓦斯的保存越有利。根据地质资料和实测的瓦斯含量、瓦斯压力点分析，在煤矿范围内煤层瓦斯含量、瓦斯压力与煤层埋深关系密切，瓦斯含量、瓦斯压力、矿井瓦斯涌出量随着埋深的增加而增加，煤层埋深的增加不仅会使地应力增加，也会使煤层和围岩的透气性降低，同时瓦斯向地面的运移距离增加，两者都有利于瓦斯的保存，而不利于瓦斯的逸散。

从收集到的文家坡煤矿资料来看，文家坡煤矿4号煤层埋深在478～811 m 之间，由图7 可以看出，煤层埋深较大区域主要位于里村背斜南翼、路家－小灵台背斜南部及42 盘区向斜附近，参照图6 内容可知，这些地方大多为瓦斯含量较高的区域，由此可以得出，文家坡煤矿4 号煤层瓦斯含量与煤层埋深有较高的相关性。随着煤层埋深的增加，煤层瓦斯含量有相对逐渐增高的趋势，见图8。另外，随着煤层埋深的增加，甲烷浓度也有增高的趋势，见图9。这说明煤层埋藏越深，上覆基岩厚度越大，瓦斯向地表运移的距离越长，地应力增加，使煤层和围岩的透气性变差，煤层瓦斯越难通过覆盖地层逸散，瓦斯含量就越高，二者相关性较高。

图7 文家坡煤矿4 号煤层埋深等值线

图8 4 号煤层埋深与瓦斯含量关系

图9 煤层埋深与甲烷浓度关系

5.5 冲刷带对瓦斯赋存的影响

在文家坡煤矿首采区采掘过程中揭露了古河床冲刷带，整个冲刷带从西南指向东北，周边有零星冲刷区块，见图10。

图10 文家坡煤矿冲刷带

为了探究同生冲刷带对煤矿瓦斯赋存和涌出的影响，在井下4104 工作面和4105 工作面实测了冲刷带和正常煤层瓦斯含量，发现冲刷带瓦斯含量与正常煤层瓦斯含量均在1.7 m3/t 左右，说明同生冲刷带对瓦斯赋存影响不大，原因有以下两点。

（1）冲刷带为同生冲刷带，呈带状分布，冲刷带顶板与正常煤层顶板岩性相同且连续，具有统一的压力系统。

（2）冲刷带大部位于南玉子向斜及延伸区，受古地形影响，该区域为古凹陷，有利于成煤，煤层厚度均在16 m 以上，同生冲刷带仅对接触带煤质有影响，对冲刷带下部煤层煤质影响不大，因此对冲刷带煤层吸附气含量影响均不大。

5.6 煤层厚度对瓦斯赋存的影响

一般认为，煤层越厚，生成瓦斯的总量就越大。文家坡煤矿4 号煤层总体较厚，具有良好的原始瓦斯生成能力。特别是41 盘区和42 盘区大范围位于聚煤凹陷区，沉积了巨厚煤层。与其他区域相比，该区域瓦斯生成能力较高。由图11 可以看出，文家坡煤矿4 号煤层随着煤层厚度增加瓦斯含量有逐渐增高的趋势。

图11 4 号煤层煤厚与瓦斯含量关系

6 结论

（1）文家坡煤矿受构造赋煤的影响，在背斜区域附近瓦斯含量相对较高，在向斜区域附近瓦斯含量相对较低。受局部小断层的影响，构造的封闭性变差，造成部分构造区域瓦斯含量有不同程度的下降。

（2）煤层埋深与区域瓦斯含量的相关性较高，基本遵循埋藏越深瓦斯含量越高的规律。

（3）煤层顶、底板岩性与瓦斯含量具有弱相关性，其中顶板为泥岩时，瓦斯含量相对较高，顶板为砂岩时，瓦斯含量相对较低。冲刷带对区域瓦斯含量影响有限。

（4）煤层厚度与瓦斯含量也有一定的相关性，随着煤层厚度的增加，瓦斯含量有增高的趋势。