铜川矿区鼎鑫煤矿瓦斯地质特征分析

陈琳

（安徽省地质矿产勘查局325 地质队，安徽 淮北 235000）

瓦斯事故是威胁煤矿安全生产的重要地质灾害之一，瓦斯赋存特征、瓦斯涌出特征、瓦斯地质条件的持续性评价是矿井地质工作中的重要任务，其对保障煤矿安全高效生产有着重要的指导意义[1-6]。瓦斯在形成、演化和赋存过程中，受沉积环境、构造演化、埋藏深度、地下水、岩浆岩等一系列因素的影响和控制，如何全面的评价瓦斯地质特征是矿井瓦斯防治的难点[7-11]。

铜川矿区鼎鑫煤矿为低瓦斯矿井，目前虽未发生瓦斯爆炸、煤与瓦斯突出等事故，但由于矿井地质条件较复杂，生产中对瓦斯防治工作产生了较为不利的影响。本文以地质勘探和井下监测的瓦斯及相关数据为基础，全面分析了研究区瓦斯赋存特征、井下瓦斯涌出特征，探讨了影响瓦斯含量和涌出量的相关地质因素，以期为该矿瓦斯预抽采和瓦斯灾害防治提供依据。

1 地质概况

1.1 生产情况

鼎鑫煤矿位于铜川矿区东南部，井田面积0.948 9 km2，生产规模30 万t/a，批准开采5 号和10 号煤层，目前主采10 号煤层，开采标高为+985—+795 m。

1.2 地层、煤层

区内含煤地层为上石炭统太原组和下二叠统的山西组。山西组含煤1、2、3 号煤层，均不可采；太原组含4、5、6、9、10 号煤层，5、10 号为可采煤层，其它煤层不可采。

井田内10 号煤层埋深20 ～210 m，煤层底板标高+795—+985 m，勘探资料显示煤层厚度在0.95（642 孔） ～5.72 m（721 孔），可采率为77%，平均2.55 m，含0～1 层夹矸，夹矸厚度小于0.2 m，煤层结构较简单。但实际井下揭露煤厚在3 m 左右，该矿开拓大巷及101、102 工作面揭露的10 号煤下分层煤厚均在2 m 以上，反应了在向斜构造中煤厚变化比较大的特点。总体来说，10号煤层属于全区可采的较稳定煤层。

1.3 煤岩、煤质

该矿10 号煤层的颜色多为黑色和亮黑色，条痕颜色为灰黑。宏观煤岩组分主要包括亮煤和镜煤，宏观煤岩类型主要属于半光亮至光亮型，油脂光泽，条带状结构，贝壳状断口。性脆易碎，除薄层夹矸以外，局部还赋存有黄铁矿薄膜或不规则结核体。总体来说，10 号煤层属于富灰、高硫、低磷、高热值的贫煤。

1.4 地质构造

研究区位于鄂尔多斯聚煤区东南缘渭北煤田铜川矿区的东南部，属于铜-韩断褶带次级构造单位内。该构造单元的主要构造特征为挤压和拉张构造并存，褶皱为主，断层次之，构造方向主要为NE、NNE 和NW。

该井田总体构造形态为一倾向北北西、缓波状起伏的单斜构造，地层倾角介于4°～9°，北缓南陡，在单斜的基础上发育次级向背斜，未发现落差大于20 m 的中大型断层断裂（图1）。其中，小型褶曲较为发育，共发现明显起伏有5 个，分别为X1 ～X3 向斜，B1 和B2 背斜，褶曲一般轴长1～3 km，总体特点是向斜幅度大，两翼倾角大，对煤层破坏较严重。此外，由于基底奥灰岩面起伏大，10 号煤层厚度变化较大，但基底起伏对5 号煤几乎无影响。目前，井下实际揭露断层有5 条，分别为F1 ～F5，正逆断层均有发育，但落差一般都小于10 m，对采掘活动影响不大。

图1 鼎鑫煤矿构造纲要Fig.1 Structure outline of Dingxin Coal Mine

2 瓦斯赋存特征分析

2.1 瓦斯参数

依据地质勘探阶段的测试结果，井田内5 号煤层瓦斯含量介于0.15 ～0.35 m3/t，平均含量0.28 m3/t；10 号煤层瓦斯含量介于0.39 ～1.12 m3/t，平均含量0.5 m3/t；可以看出井田内浅部煤层的瓦斯含量要小于深部煤层。

瓦斯成分方面，5 号和10 号煤层均以N2为主，占比均在80%以上，CO2次之，CH4的占比极小。井田范围内的煤系地层位于瓦斯风化带以内，多属于CO2-N2带。

2.2 影响瓦斯赋存的地质因素

（1） 煤层顶、底板岩性特征。

5 号煤层顶板多为中细粒石英砂岩，透气性相对较好，煤层形成过程中产生的甲烷容易逸散，瓦斯含量低；而10 号煤层顶、底板多为泥岩或砂泥岩互层，透气性较较差，储气能力较强，相应的瓦斯含量就高（表1）。

表1 煤层顶、底板透气性与瓦斯含量的关系Table 1 Relationship between permeability and gas content of coal seam roof and floor

（2） 地质构造。

依据地勘钻孔测试的瓦斯含量数据，在X1 和X2 向斜轴部附近，瓦斯含量均较高，为两翼瓦斯含量的3 倍以上。这是由于在构造应力较为强烈的褶皱转折端附近容易形成的煤包，该区段煤厚大，产气量大。

（3） 煤层埋藏深度。

实测数据表明，瓦斯含量和煤层的埋藏深度呈较为明显的正相关关系。这是由于煤层埋藏浅的区域为瓦斯风化强烈区，瓦斯通过煤层露头或其他通道直接或间接地向大气释放，因此浅部煤层瓦斯含量低。鼎鑫煤矿的瓦斯数据得出，该区瓦斯梯度为2（m3/t） /100 m 左右。

总体来说，井田内瓦斯含量与煤层顶/底板岩性、地质构造、煤层埋藏深度等因素都有一定的相关系。主要表现为，围岩层理发育、开放性地质构造、煤层埋藏浅、地下水活动较强的，含量少；反之则较高。

3 瓦斯涌出特征分析

3.1 瓦斯涌出特征

井田内瓦斯涌出的主要来源包括采煤工作面、掘进工作面和采空区3 部分。依据矿方最新的瓦斯等级鉴定结果，2022 年8 月份实际生产天数28 d，生产原煤20 897 t，平均日产量为746 t，矿井绝对涌出量为1.88 m3/min，相对涌出量为3.47 m3/t，其中采煤工作面绝对瓦斯涌出量为1.38 m3/min，占矿井瓦斯的涌出量的73%，掘进工作面为0.29 m3/min，占比15%，采空区涌出量占比12%，采面瓦斯涌出量最大，其次为掘进煤和采空区。综合鉴定鼎鑫煤矿瓦斯等级结果为低瓦斯矿井。

3.2 瓦斯涌出量的影响因素

（1） 瓦斯含量。

煤层自身的瓦斯含量在很大程度上决定了瓦斯的涌出量大小。依据地勘钻孔测试的瓦斯含量和邻近区域的瓦斯涌出量的对比发现，瓦斯含量与瓦斯涌出量呈正相关关系，即煤层瓦斯含量越高，相应工作面瓦斯涌出量越大（图2）。

图2 瓦斯含量与瓦斯涌出量关系曲线图Fig.2 Relationship curve between gas content and gas emission

（2） 断层。

井田内低角度的逆断层封闭性好，其围岩透气性差，利于瓦斯的储存[7]。如102 工作面在揭露F1断层时，在距离断层60 m 左右时，工作面瓦斯浓度由平时的0.03%增至0.09%；随掘进延伸，瓦斯浓度逐渐增至0.15%，瓦斯的涌出量呈逐渐增大的趋势。

（3） 地下水与瓦斯的关系。

据该井田全矿井涌水量与全矿井瓦斯涌出量的实测资料分析，两者呈相互消长的关系，即涌水量大期，瓦斯涌出量相对较低；涌水量减小期，涌出量相对较高。

（4） 采煤方法和采煤工艺。

矿井瓦斯涌出量还受采煤方法和生产工艺的影响。表2 显示掘进放炮阶段，瓦斯涌出量远大于打眼或支护阶段；表3 显示在同水平的掘进工作面中，瓦斯涌出量随着掘进量的增加，瓦斯涌出量也随着增加。

表2 工作面不同工序的瓦斯涌出量对比值（倍数关系）Table 2 Ratio of gas emission in different processes of working face(multiple relationship)

表3 103 回风巷道掘进期间绝对瓦斯涌出量Table 3 Absolute gas emission during tunneling of 103 return airway

此外，矿井瓦斯涌出量还受开采强度的影响。生产中，开采强度越大，瓦斯涌出量也越大；即产量越高，瓦斯释放的范围增大，释放量亦增大。

综合以上分析，影响鼎鑫煤矿瓦斯涌出量的因素主要包括瓦斯含量、地质构造、地下水、采煤工艺、开采强度等；主要表现为，瓦斯含量高、封闭型构造、地下水活动弱、炮掘、开采强度大时，涌出量大，反之，则小。

4 结 论

（1） 井田内主采煤层的瓦斯含量较低，5 号和10 号煤层平均瓦斯含量分别为0.28 m3/t 和0.5 m3/t；瓦斯成分以N2为主，煤系位于瓦斯风化带以内；影响瓦斯赋存的主要因素包括煤层顶/底板岩性、地质构造和煤层埋藏深度等。

（2） 井田内瓦斯涌出的主要来源包括采煤工作面、掘进工作面和采空区，其中采煤工作面瓦斯涌出量占主导，煤矿瓦斯等级属于低瓦斯矿井；影响矿井瓦斯涌出量的地质因素主要包括瓦斯含量、地质构造、地下水、采煤工艺、开采强度等。