山西神州煤业井田煤层瓦斯赋存规律研究

周卫博

(山西省矿业联合会，山西 太原 030001)

1 地质概况

山西神州煤业公司井田位于河东煤田中段离柳矿区的北部，井田内主要含煤地层为山西组和太原组，地层总厚138.24 m，煤层总厚9.83 m，含煤系数为7.11%。区内可采煤层包括山西组4号煤层和太原组8、10号煤层。其中4号煤厚0.28～2.03 m，平均1.49 m；8号煤厚0.92～2.10 m，平均1.33 m；10号煤厚1.40～6.86 m，平均3.26 m。

本井田为一宽缓的不对称向斜构造，即中阳-离石向斜[1]。向斜轴在井田的南部走向为北北东，中部走向为近南北，向北逐渐转向北北西；该向斜轴部较宽缓，两翼倾角相差很大，东翼较缓，倾角为2°～3°，西翼较陡，倾角为15°～25°。中阳-离石向斜轴部两侧发育4条次一级褶曲。井田内共发育77条断层，均为正断层，其中落差大于3m的断层有13条。井田范围内无岩浆岩侵入现象。

2 煤层瓦斯赋存特征

2.1 各煤层瓦斯含量

各煤层钻孔瓦斯含量测试结果见表1。(1)4号煤层瓦斯含量为0.07～4.50 m3/t，井田西部煤层露头附近瓦斯含量很低，井田东南部瓦斯含量高，最高达4.50 m3/t。(2)8号煤层瓦斯含量0.27～7.51 m3/t，平均2.97 m3/t，井田西部煤层露头附近瓦斯含量低，东南部和北部瓦斯含量高，分别达7.51 m3/t和7.38 m3/t。(3)10号煤层瓦斯含量0.17～10.37 m3/t，平均4.51 m3/t。井田西部煤层露头附近瓦斯含量低，井田东南、东北、西南部瓦斯含量高，最高达10.37 m3/t和7.77 m3/t，个别钻孔(B15)瓦斯含量超过10 m3/t。

总体来看，平面上，神州煤业4、8、10号煤层瓦斯含量在井田东、北、南部较高；层位上，10号煤层瓦斯含量最高，8号煤层次之，4号煤层最低，瓦斯含量具有随埋深增加而加大的趋势。

2.2 各煤层瓦斯成分

各煤层瓦斯成分见表1。其中4号煤层瓦斯成分以氮气为主，占31.44%～99.17%，平均54%；其次为甲烷(CH4)，占37.41%；二氧化碳(CO2)占8.42%，烃系列(C2-C8)微量。总体上，该煤层以氮气带为主，在井田东南部分布有氮气—甲烷带。

8号煤层瓦斯成分以氮气(N2)为主，占57.18%；其次为甲烷(CH4)，平均占37.87%；二氧化碳(CO2)占11.23%，烃系列(C2-C8)微量。该煤层在井田西部煤层露头附近分布有氮气-二氧化碳带，接着为狭长的氮气带，在井田北部、东部、南部的绝大部分为氮气-甲烷带。

10号煤层瓦斯成分以氮气(N2)为主，平均占45.22%，其次为甲烷(CH4)，平均占39.99%，二氧化碳(CO2)占14.64%，烃系列(C2-C8)微量。在井田西部煤层露头附近分布有氮气-二氧化碳带，井田中部的一小部分为氮气带，在井田北部、东南部分布有氮气-甲烷带，井田东部和南部分布有甲烷带。

表1 钻孔瓦斯含量测定结果

3 煤层瓦斯含量影响因素分析

3.1 断层、褶皱构造

煤层构造形态特征对瓦斯保存有重要影响。(1)断层的影响：本井田内发现多处落差在0.5～5 m之间的断层，如4号煤层五采区4501工作面轨道顺槽掘进时期，遇落差为5.5 m的正断层，在远离该断层时，回风流瓦斯浓度仅为0.03%；接近断层后，瓦斯浓度上升至0.08%～0.12%之间，呈现增大的趋势。(2)褶皱构造的影响：向斜构造的两翼与轴部中和面以上为压应力场，这些区域属于应力集中的高压区；轴部中和面以下处于拉伸张应力场，这些区域煤层埋深往往较大，只有少量开放性裂隙产生，同时伴随部分应力释放，形成相对低压区。因此，向斜的两翼和轴部中和面以上是利于瓦斯封存和聚集的部位，特别是向斜的轴部是瓦斯含量高异常区，例如井田内8、10号煤层瓦斯含量高的B13、B10、B15号钻孔、4号煤层4307运输顺槽内W-2瓦斯测试点均位于向斜轴附近；井田西部向斜西翼翘起端钻孔瓦斯含量均低。

3.2 煤层埋深

据(图1a)可知，4号煤层瓦斯含量随埋深增大没有规律性，这是由于中阳-离石向斜、白家庄向斜及次级褶皱构造共同作用的结果。井田内8、10号煤层瓦斯含量随煤层埋深增加而逐渐加大(图1b、图1c)，其中，8号煤层瓦斯含量增长梯度为0.93 m3/t/100 m，10号煤层瓦斯含量增长梯度为1.03 m3/t/100 m。随埋藏深度的增加，一方面，煤层孔隙流体压力增加，有利于更多气体在煤基质表面吸附；另一方面，地应力增高使煤层及围岩的透气性变差，瓦斯逸散更困难，二方面都有利于封存瓦斯[2]。因此，8、10号煤层瓦斯含量与煤层埋深呈显著的正相关关系。

(a-4号煤层，b-8号煤层，c-10号煤层)

3.3 顶底板岩性

一般来说，煤层顶底板岩性为致密完整的岩石，如页岩、油母页岩时，煤层中的瓦斯容易保存；顶底板为多孔隙或脆性裂隙发育的岩石，如砾岩、砂岩时，瓦斯就容易逸散。

本井田范围内的4号煤层顶底板为砂质泥岩、泥岩、砂岩，岩性变化不大，并且开采过程中也未发现顶底板瓦斯异常问题，因此顶底板对4号煤层煤层瓦斯含量影响不明显。神州煤业下组煤开掘以来，掘进工作面瓦斯涌出量不断增大，严重影响工作面的正常推进及安全生产，特别是开掘8103运输巷时，绝对瓦斯涌出量已达7.5 m3/min。经分析，瓦斯主要来源于8号煤层上覆太原组L1灰岩。该层灰岩本身不具生烃能力，其中瓦斯由下部8、10号煤层中运移而来[3]，富集存储在灰岩的溶洞及裂隙空间。因此，在本煤矿开采过程中要注意煤层附近灰岩层中瓦斯富集的影响。

3.4 其他因素

井田内岩溶陷落柱对于煤层瓦斯赋存规律影响不明显，例如在矿井三采区运输下山掘进时期遇见陷落柱，在揭露该陷落柱前，工作面配风量为181 m3/min，回风流瓦斯浓度为0.04%，瓦斯绝对涌出量为0.07 m3/min；在揭露和通过陷落柱时，瓦斯未见异常，持续保持在0.03%～0.05%之间。

此外，井田范围内未发现岩浆活动，实际生产过程中亦未发现或揭露岩浆岩。因此，本区煤层瓦斯赋存不存在岩浆活动的影响。

4 结语

(1)平面上，神州煤业4、8、10号煤层瓦斯含量在井田东、北、南部较高；层位上，10号煤层瓦斯含量最高，8号煤层次之，4号煤层最低，瓦斯含量具有随埋深增加而加大趋势。4号煤层瓦斯分布特征以氮气带为主，在井田东南部分布有氮气—甲烷带；8号煤层在井田北部、东部、南部的绝大部分为氮气-甲烷带；10号煤层在井田北部、东南部分布有氮气-甲烷带，井田东部和南部分布有甲烷带。

(2)煤层构造形态特征对瓦斯保存有重要影响，煤层距离正断层越近，瓦斯含量呈现增大的趋势；研究区向斜的轴部是瓦斯含量高异常区，井田西部向斜西翼翘起端钻孔瓦斯含量均低。井田4号煤层瓦斯含量随埋深增大没有规律性，8、10号煤层瓦斯含量具有随煤层埋深增加而加大的趋势。太原组L1灰岩中富集由8、10号煤层中运移而来的瓦斯气体，在煤矿开采过程中需加以注意。