矿井瓦斯单元划分及其应用

何 鑫，崔洪庆，2，3*，何 峰，王泽华

（1.河南理工大学安全科学与工程学院，河南焦作 454000；2.河南省瓦斯地质与瓦斯治理重点实验室，河南焦作 454000；3.中原经济区煤层（页岩）气协同创新中心，河南焦作 454000；4.河南能源集团大众煤矿，河南安阳 455000）

井工煤矿瓦斯灾害事故频发，危害严重，瓦斯治理工作任重道远。不同地域、不同区块，瓦斯赋存情况各异，其生成、逸散也呈现不同的特征。因此，传统的瓦斯治理方法很难做到“放之四海而皆准”，只有根据各区域实际的瓦斯赋存条件及特征来制定相应的最优措施。由此可见，采区瓦斯单元划分是开展煤层瓦斯参数观测点合理布设、突出危险性预测和瓦斯抽采工程以及一切瓦斯灾害防治工作的先决条件。

1 现行区划方法及存在的问题

瓦斯依存于煤体，瓦斯赋存条件与煤体沉积环境的探究密不可分。研究表明，煤层中瓦斯富集程度以及突出危险区域的分布主要受地质条件尤其是构造控制［1］。

为预防和控制煤与瓦斯突出及其他事故的发生，我国相继颁布实施了《防治煤与瓦斯突出细则》等一系列行业法规，明确提出，“在开拓新水平、新采区或者采深增加超过50m，或者进入新的地质单元时，应当重新进行突出煤层危险性鉴定”；“同一地质单元内，突出点和具有明显突出预兆的位置以上20m（垂深）及以下的范围为突出危险区”；“测定煤层瓦斯压力、瓦斯含量等参数的测试点在不同地质单元内根据其范围、地质复杂程度等实际情况和条件分别布置；同一地质单元内沿煤层走向布置测试点不少于2 个，沿倾向不少于3 个，并确保在预测范围内埋深最大及标高最低的部位有测试点”［2］。

法规中屡次提及的“地质单元”，是指同一层位瓦斯地质条件相同或者相似的区域（块段）。生产实际中，通常将断层的同盘或褶曲同翼而煤层赋存、煤质和地质构造特点相近的区域作为同一地质单元来考虑［3］。

目前常用的区域划分方法包括地质单元法和瓦斯地质单元法。

（1）地质单元法

就煤田地质研究而言，有时依据地层进行地质单元划分，例如将连续沉积的一层煤或一组煤层及其顶底板岩层统一划分为一个地质单元，称为某煤层、某煤组等；有时以构造为主要因素来划分，称为某单斜构造、某向斜构造或某断裂构造等。

在同一对矿井中，即使开采同一煤层，也可能包含具有不同突出危险程度的多个特殊区域；不同的采区或工作面，瓦斯致灾危险性既可能相近，也可能差异明显。因此，单纯地从地质学角度进行区域划分对于突出危险性预测和瓦斯灾害防治等工作指导意义十分有限。

（2）瓦斯地质单元法

在瓦斯地质研究中，一般是通过分析影响煤层瓦斯赋存的地质因素，预测煤层瓦斯灾害危险性，并把具有不同突出危险性的区域称为瓦斯地质单元，所以瓦斯地质单元也可以称为突出危险性单元。而三级瓦斯地质研究指矿区级、矿井级、工作面级，并未对采区级瓦斯地质进行详细分析和区划。

1995 年，曹运兴首次提出依据构造煤和瓦斯分布划分瓦斯地质单元［4］。在瓦斯地质研究的基础上，彭立世等人建立瓦斯地质区划论，认为突出区、带、点的控制条件是有区别的，即瓦斯突出具有分级控制的特点，并提出瓦斯地质单元法作为瓦斯地质研究的工作方法［5］。杨陆武等将地质构造、瓦斯和构造煤等定量指标组合，划出具有突出危险性的区、带、点［6］。2013 年，汤海林等人提出将4 项单项指标作为点数据，结合瓦斯地质理论进行区域划分［7］。

由此可见，采区瓦斯地质单元区划的重点是瓦斯参数和构造煤，瓦斯参数反映了瓦斯含量和瓦斯压力的分布情况，而构造煤的分布特征则可以反映地应力、地质构造等因素（表1）。

表1 瓦斯地质单元类型Table 1 Types of gas geological units

瓦斯地质单元的划分有单因素法、多因素综合法等。单因素法是依据瓦斯压力、瓦斯含量、煤厚等单一瓦斯或地质参数进行单元划分，适用于煤层厚度较小、局部构造复杂的区域；多因素综合法则是依据多个瓦斯地质参数进行综合性的单元划分，适合在煤与瓦斯突出严重及高瓦斯矿井中应用。

在前人的研究中，一般认为突出是地应力、瓦斯及煤的物理力学性质共同作用的结果，瓦斯地质单元法仅从构造煤类型和瓦斯浓度来衡量一个区域是否具有突出危险性则有失偏颇。其次，单因素和多因素综合划分法都基于大量的瓦斯地质参数。而对只有少量数据或缺少瓦斯地质资料的新建矿井和新开拓采区，此类方法难以满足瓦斯治理工程要求。单元划分特别是采区级瓦斯地质单元划分，缺乏可靠的模式和固定的指标［8］，一定程度上制约了瓦斯地质单元划分原则的建立。

无论是地质单元法或瓦斯地质单元法，都侧重于地质构造上的差异性，对开展瓦斯治理工作适用性有限；在采区突出危险性预测中，可能存在未消突的区域评价为消突区域而造成安全隐患，也可能无意义地增加防突工程量、延长抽采周期，造成采掘接替紧张。

采区瓦斯地质单元区划的目的不应局限于突出危险性的预测，而是要从瓦斯的生、储、运等方面进行分析，即同一单元中的瓦斯赋存条件要一致或接近。为满足突出预测中瓦斯参数测量点的合理布设、瓦斯灾害防治措施的准确有效的要求，基于瓦斯赋存构造逐级控制论和瓦斯地质区划论，将矿井（采区）中地层地质条件相同、瓦斯赋存影响因素相近、瓦斯分布特征相似的区域划分为一个“瓦斯单元”。

2 瓦斯单元划分

2.1 瓦斯赋存的影响因素

瓦斯是地质作用下的产物，煤层瓦斯的赋存状态是含煤地层在经历了复杂地质作用后演化而成［9］，其生成、存储、运移、逸散条件受地质作用的综合控制。影响瓦斯赋存的因素可分为地质因素与煤体物理特性，前者决定瓦斯的存储规律和逸散条件，后者则影响瓦斯的生成和在煤体内运移的能力。

2.1.1 地质因素

（1）地质构造

构造对含煤盆地演化具有控制作用，进而影响瓦斯的生成和分布［10］。褶皱、节理及断层等构造对瓦斯赋存特征有着重要影响。如处于褶曲轴部与两翼的煤层瓦斯差异明显；褶曲倾角不同也会对瓦斯赋存产生很大影响；断层上盘与下盘瓦斯参数差别很大；部分断层尖灭端煤层破坏，煤体强度变低，瓦斯含量变化显著。因而，不同构造类型、不同构造尺度、不同构造部位，对瓦斯赋存的控制范围和影响程度也不相同［11］。即地质构造对瓦斯赋存具有逐级控制的特征。

不同的构造形态对瓦斯的集聚和储存起着关键作用，其构造形式大致可分为以下三类：

1）封闭型构造：压性或扭性构造，容易形成构造软煤封闭区，有很大的瓦斯潜能，是瓦斯赋存的主要场所。

2）开放型构造：在张应力作用下形成的构造，利于瓦斯的排放作用。

3）半开放半封闭构造：同时受到压性和张应力作用形成的构造，具有一定的瓦斯潜能，又有一定的导水性。

由于开采程度的不断变化，构造的开放性或封闭性也并非绝对，随着煤层的揭露或巷道的掘进，其构造形态也会发生转化，甚至会因采动影响在断层的两盘发生突变。

构造类型是区域划分的首要因素［12］，断层走向的不同表征了各构造期构造强度和应力方向的差异［13］。我国煤矿区断层分布广泛且多为封闭性断层，其压性、压扭性和不导水性断层与煤层接触的对盘岩层透气性差，能够有效隔绝瓦斯逸散，瓦斯封存条件整体较好。

如：鹤岗煤田19次煤与瓦斯突出均发生在断层构造附近［14］，最大一次突出发生在新兴煤矿，为NW向断层与岩浆活动综合作用所致。根据鹤岗煤田区域构造演化、瓦斯赋存特征以及地应力分布规律，将鹤岗煤田划分为3 个高突瓦斯区和1 个低突瓦斯区［15］。

（2）地应力

地应力对瓦斯赋存影响显著，瓦斯在地层中的运移受控于地应力（表2）。2010 年，兰天伟等人基于地质动力区划法和板块构造学说，采用多因素模式识别概率预测法划分研究范围内的危险区域，地质动力区划论开始广泛应用于矿井瓦斯地质分析中来［16］。如淮南煤田处于板块交汇的凹地区域，地应力对瓦斯赋存控制作用显著，郯庐断裂带和大别山弧形构造带组成了应力集中区，直接造成淮南矿区瓦斯含量高、煤与瓦斯突出事故频发［17-18］。

表2 全国典型煤矿区地应力统计Table 2 Geostress statistics of typical coal mining areas in China

表3 古汉山矿主要断层统计Table 3 Statistics of major faults in Guhanshan mine

我国煤矿区地应力普遍较高，且随着煤炭开采向深部延伸，地应力也越来越大；虽然受高应力的挤压剪切作用而产生大量新的节理和裂隙，但在煤层应力集中区域会有更多的裂隙被封闭，引起瓦斯的集聚。

（3）埋深（上覆基岩厚度）

埋深是影响瓦斯的主要因素。随着上覆基岩厚度的增加，瓦斯向地表运移的距离增大，阻隔作用增强，有利于瓦斯封存。通常情况下，瓦斯风化带下方瓦斯含量会随着上覆基岩厚度的增大而增大。如长虹矿二1煤层瓦斯分布受煤层露头、断层等影响，造成不同区域瓦斯分布的差异性，由此划分为3个瓦斯地质单元［19］。新安矿依据埋深划分为第一水平和第二水平两大瓦斯地质单元［20］。

（4）顶底板岩性（围岩透气性）

顶底板岩性在瓦斯封存中的作用是渗透性不同，围岩的透气性不仅体现在瓦斯向地表运移的阻隔性，也表现为不同倾向地层、构造影响下瓦斯水平运移能力的差异。不同岩性地层力学性质不同，在构造应力作用下裂隙发育程度大相径庭［21］，以泥岩、粉砂质泥岩为主的顶底板，透气性较差，对瓦斯封盖能力较强。

（5）水文地质

地下水对瓦斯的运移具有明显的控制作用，主要体现在侵占作用、封闭作用或运移作用［22］。在实际工作中，须考虑地表径流、地下水补给情况、各含水层之间的联系、隔水层的渗透性等。通常情况下，富水性弱、流动性差或受构造影响形成水封闭圈的，对瓦斯的封存效果较好。如韩城矿受断层及花岗岩体的阻隔作用，以杨山庄、文家岭为界，分为两个水文地质区［23］。

2.1.2 煤体物理特性

煤质特征既体现了煤层中瓦斯的富集程度，也反映了煤体抵抗应力破坏的难易程度。

（1）变质程度

变质程度主要通过煤体瓦斯生成量及煤吸附能力来影响煤层瓦斯含量。作为瓦斯吸附体，变质程度越高其瓦斯生成量越多；其吸附甲烷能力也随变质程度增加而增强。我国煤的变质程度多受深成变质作用控制，即随埋藏深度的增大而增加，挥发分在垂直方向上趋势是向下变低［24］。

根据河南省和贵州省煤矿区同一埋深范围内（400～700m）煤层瓦斯含量统计可知，变质程度整体与瓦斯含量呈正相关，中低变质煤阶段瓦斯含量随变质程度稳定上升，高变质煤瓦斯含量总体高于中低变质煤，但高变质煤阶段瓦斯含量与变质程度关系不明显。

（2）煤厚

煤体属于高密实低渗透性岩层，上下分层对中分层具有较强的封盖作用，中分层瓦斯向顶底板扩散的路径越长、阻力越大，越利于瓦斯封存。厚煤带通常也是瓦斯富集带，尤其是煤厚变化大的区域，极易造成瓦斯的局部不均衡分布，诱发瓦斯灾害。

（3）煤层倾角

瓦斯含量与煤层倾角具有一定的相关性。由于瓦斯沿垂直方向流动较水平方向容易，也就是说煤层倾角越小瓦斯含量越高［25］。

通过对河南省和贵州省煤矿瓦斯赋存规律的调研分析，认为影响瓦斯富集程度的主导因素如下：

地质因素（埋深＞地质构造＞地应力＞顶底板岩性＞水文地质）对瓦斯赋存的影响总体高于煤体物理特性（变质程度＞煤厚＞煤层倾角），采区内地质构造越复杂，局部瓦斯变化也越大。然而，各煤矿区地质背景不同，这些影响因素在同一采区不同区块内对瓦斯赋存的具体作用也不能一概而论。

2.2 瓦斯单元划分方法

我国煤矿采区多在同一水平，区域内开采深度变化不大，故在进行单元划分时，埋深不作为主要因素考量。其次，瓦斯单元的划分一般在同一矿井中，研究范围内板块交合较少、大型断层有限、煤质相近或相同。由此，将瓦斯赋存的影响因素调整为瓦斯逸散的影响因素，即构造形态＞地应力＞顶底板岩性＞水文地质＞煤厚＞煤层倾角。

矿井或采区范围内划分瓦斯单元时应以瓦斯地质区划论为依据，采用“主导因素”的分析手段探究矿区地质条件，辨明瓦斯赋存特征［26］。综合评判断层、褶曲、倾角等基本构造因素，采用“构造复杂程度系数”衡量其对瓦斯分布趋势的控制作用。以瓦斯逸散影响因素作为划定瓦斯单元边界的条件［27］。工作流程如下：

1）依据煤层埋藏深度等值线圈定人为边界；

2）选取断层线、褶曲轴等作为自然边界；

3）识别区域内断层优势发育方位和宏观裂隙特征；

4）探究构造应力场最大主应力的方向；

5）确定区域内顶底板岩性有无异常变化，分析其透气性，定性分析瓦斯运移方式及规律；

6）考察水文特征、岩浆岩侵入等情况；

7）考察煤厚、倾角局部有无异常变化。

各矿区构造类型、性质、规模及密集程度各不相同，影响程度不能一概而论，尤其是水文因素的影响［28］，对瓦斯单元划分成功与否具有“一票否决权”。实际工作中瓦斯地质单元区划不能千篇一律，更不能避重就轻，要对各要素进行细致的探查和全面的剖析，并将瓦斯单元的划分与矿区瓦斯地质图相结合［29］。

随着采掘生产的推进，构造揭露逐渐清晰、地质探明程度不断提高，单元区划也应结合三维地震勘探等手段循序渐进，进而预测区域突出危险性或对抽采工程进行优化设计。

3 瓦斯单元划分及应用实例

本文以古汉山矿二1煤层为例，论述矿井瓦斯单元的划分及应用。

3.1 古汉山矿概况

古汉山矿地处河南省焦作市东北端，太行山东南麓。井田北以位村断层、小凤凹断层和-300m 煤层底板等高线为界，南至油坊断层和-1 000 m 煤层底板等高线，西到界碑断层，东止古汉山断层（图1）。长11 km，宽2.3 km，面积25.63 km2。古汉山矿主采二1煤层，原始瓦斯含量4.01 ～28.2 m3/t，原始瓦斯压力0.2 ～2.42 MPa，具有煤与瓦斯突出危险性。

图1 古汉山矿地质构造纲要图Figure 1 Outline map of geological structure of Guhanshan mine

3.2 古汉山矿瓦斯单元划分

断层是影响古汉山矿瓦斯赋存最主要的地质因素，矿区内断层数量众多，且均为正断层，走向多为EW 向及NE 向，倾角30 °～75 °。断层附近地层中垂直节理发育，煤层顶板多有揉皱现象，局部还有层间滑动构造。井田内煤层总体表现为单斜构造形态，但也有宽缓的波浪起伏，局部出现小褶曲，褶曲规模较小，向、背斜轴间距150m 左右，煤层顶板滑动面发育，使煤岩层强度降低，煤层开采条件一般。

通过对构造形态的分析，以团相断层为界初步将古汉山井田二1煤层划分为Ⅰ和Ⅱ两个地质单元（图2）。

图2 古汉山矿地质单元区划图Figure 2 Geological unit zoning map of Guhanshan mine

单元I 位于团相断层上盘。团相断层和油坊断层具有共同的上盘且相对下降，实际构成了二1煤层地堑式构造控制形态，煤层整体呈走向NNE 的单斜构造。东北部为团相断层，落差135 m；西北部发育有位村断层，落差190 m；东南部发育有油坊断层，最大落差350 m；西南部发育有界碑断层，最大落差135 m，为古汉山矿和邻矿的分界线。

单元II 位于团相断层下盘。团相断层和古汉山断层具有共同的下盘且相对上升，实际构成了二1煤层地垒式构造控制形态，煤层整体呈走向NE的单斜构造。北部发育有古汉山断层；西北部发育有小凤凹断层，落差40 m；东南部以-1 000 m 煤层底板等高线为界；西南部为团相断层。

3.3 瓦斯单元宏观裂隙特征

在初步划分的两个地质单元中，二1煤层的宏观裂隙形态、发育规模、优势方位及其对煤层的破坏程度均呈现不同特征。

3.3.1 单元I的宏观裂隙特征

1）煤层经多次破坏，结构紊乱，宏观煤岩类型条带状结构和割理构造等原生煤层结构已很难见到。

2）靠近顶底板分别发育构造软煤分层，均属于顺层破坏的产物。未见大型宏观裂隙，软煤分层多以碎粒煤、粉煤或糜棱煤形态出现，属于Ⅳ或Ⅴ类高破坏煤体（图3）。

图3 靠近底板的构造软煤分层Figure 3 Structural soft coal stratification near the bottom

3）煤层中部以碎裂煤为主，宏观裂隙十分发育，多为中低倾角次生剪节理。裂缝紧闭或被粉煤密实填充，采动影响下也很少出现明显的裂缝开启现象（图4）。

图4 低倾角次生剪节理Figure 4 Low dip secondary shear joints

4）发育多组宏观裂隙，且具有多个优势发育方位。走向以NNE 或NWW 居多，倾向以SE 或SW 为主（图5）。

图5 地质单元Ⅰ中煤层宏观裂隙产状特征Figure 5 Characteristics of macro fracture production in coal seam in geological unit I

3.3.2 单元Ⅱ的宏观裂隙特征

1）煤层破坏程度较轻，可见宏观煤岩类型条带状分布和煤层割理等原生构造（图6）。

图6 原生构造及次生节理Figure 6 Primary structure and secondary joints

2）靠近顶板位置发育有构造软煤分层，无底部软煤分层。软煤分层多以碎粒煤形态出现，属于Ⅳ类破坏煤体（图7）。

图7 顶部的构造软煤分层Figure 7 Top structural soft coal stratification

3）煤层中下部以碎裂煤为主，高角度宏观裂隙十分发育，以次生剪节理或破劈理为主。裂缝开启或被粉煤松散填充，采动影响下可见裂缝开启现象（图8）。

图8 中下部高角度宏观裂隙构造Figure 8 High angle macro fracture structure in middle and lower part

4）宏观裂隙分组和优势发育方位明显。走向NE，倾向以SE或SW为主（图9）。

图9 地质单元Ⅱ中煤层宏观裂隙产状特征Figure 9 Characteristics of macro fracture production in coal seam in geological unit Ⅱ

3.4 煤层瓦斯优势渗流方向

研究表明，煤层及围岩裂隙对煤层的渗透率具有明显的控制作用［30-31］。当构造应力场最大主应力方向与煤层裂隙优势发育方位一致时，裂隙面受拉张作用，有利于裂隙壁距的增大和渗透率的增高；而在最大主应力方向与岩层优势裂隙发育方向垂直时，裂隙面受挤压作用，裂隙壁距减小甚至闭合，渗透率降低（图10）。其中，箭头方向代表现代应力场最大水平主应力方向，当两者夹角＜30°时，呈张性，利于构造发育，裂隙导气性良好；两者夹角＞60°时，呈压扭性，不利于构造发育，裂隙封闭导气性差。根据地应力构造形迹观测成果，古汉山矿现代构造应力场最大水平主应力方向为NE-EW。

图10 裂隙优势发育方位与最大主应力方向交角关系Figure 10 Relation of the intersection of dominant development orientation and maximum principal stress direction of fracture

单元I 中，煤层宏观裂隙以中低倾角次生剪节理为主，并以走向NNE 或NWW 居多，倾向以SE 或SW 为主。应力条件对走向NNE 向裂隙组开启作用明显，此方位裂隙对煤层渗透率贡献最大，瓦斯优势渗流方向为NNE。由于煤层的低倾角节理发育，故地质单元I中煤层水平方向渗透率较高。

单元II 中，煤层宏观裂隙主要是高倾角节理或破劈理，并以走向NE，倾向SE 或SW 的宏观裂隙为主。应力场与NE 向裂隙优势发育方位小角度相交，有利于裂隙开启，瓦斯优势渗流方向为NE。由于煤层宏观裂隙以高倾角裂隙为主，故地质单元II中煤层竖直方向渗透率较高。

在两个瓦斯地质单元中，煤层渗透性不仅在优势方位上不同，且渗透率大小也有所差异。具体表现如下：

1）单元I水平方向的煤层渗透性较好；

2）单元II竖直方向的煤层渗透性较好；

3）单元II 中的煤层渗透性明显好于单元I 的煤层渗透性。

煤层渗透性存在明显差异，除煤层破坏程度不同外，低渗透构造软煤分层的发育程度及分布特征也不相同，煤层宏观裂隙发育特征不同。

地质单元II内煤层宏观裂隙多为高倾角的剪节理和破劈理，宏观裂隙优势发育方位更加明显，开启的或松散填充的大型宏观裂隙比较发育，在采动影响下，裂缝开启现象也比较明显，更有利于煤层运移；而地质单元I 内煤层宏观裂隙多为中低倾角的剪节理，裂缝闭合紧密或填充密实，采动影响下也难以开启，因而不利于煤层渗透率的增加。

3.5 瓦斯抽采优化及成效

古汉山矿二1煤层划分为Ⅰ和Ⅱ两个不同的瓦斯地质单元。煤层瓦斯参数的测定，应对不同的单元分别进行，瓦斯治理工程也应依据各自的瓦斯参数分别进行设计。

1）瓦斯地质单元Ⅰ中，穿层钻孔可能连通较多的宏观裂隙；同时应加强煤层增透和瓦斯抽采力度，方能取得较好的抽采效果。

2）在瓦斯地质单元II 中，垂直NE 方向，沿NW或SE方向实施顺层瓦斯抽采钻孔，能够连通较多的宏观裂隙；由于其煤质渗透率较好，可适当减少煤层瓦斯抽采工程，即可取得较好的煤层瓦斯抽采效果。

古汉山矿瓦斯抽采实践表明，基于瓦斯地质单元划分所采取的抽采钻孔优化设计，使抽采浓度由11 %提高至19 %，抽采量由12 m3/t 提升至17 m3/t。减少工程量的同时大大提高了瓦斯抽采效率，取得了可观的经济效益。

4 结论

1）煤矿（采区）瓦斯地质单元的划分是瓦斯灾害防治工作的基础，同一矿区、同一地层中地质条件相同、瓦斯赋存影响因素相近、瓦斯分布特征相似的区域可划分为一个瓦斯地质单元。依据地质构造、地应力、顶底板岩性、水文地质、煤厚、煤层倾角等因素划分出的不同单元，能够较好地反映煤层瓦斯赋存及逸散特征，可作为煤矿（采区）瓦斯抽采设计和煤与瓦斯突出危险性预测的基本单元。

2）不同的瓦斯地质单元具有不同的宏观裂隙发育特征，煤层瓦斯渗透性以及煤层瓦斯优势渗流方向存在很大差异。因此，有必要对不同单元的瓦斯地质参数分别测定，并开展分单元的瓦斯治理工程优化设计，能够取得较好的瓦斯治理效果。

瓦斯地质单元区划的研究和工程实践表明，该方法理论依据扎实，防治瓦斯灾害成效显著，在煤矿生产管理中具有很大的推广应用前景。