杨柳煤矿10号煤层瓦斯赋存规律研究

程晓阳

（1.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室，重庆 400037； 2.中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400037）

瓦斯灾害是制约高瓦斯、突出矿井安全、高效开采的主要原因之一。虽然我国在瓦斯灾害治理方面取得了显著成效，但瓦斯事故依然未从根本上得到遏制，并且随着开采深度和强度的增加，煤矿瓦斯灾害防治与安全生产之间的矛盾更加凸显［1-3］。

为实现瓦斯灾害的精准防控，厘清煤层瓦斯赋存特征是首要工作［4］。鉴于此，国内外专家学者做了大量研究。肖鹏等通过数值模拟研究了煤系正断层形成后的瓦斯运移规律，并基于瓦斯含量和涌出量的监测得出：正断层两侧易形成瓦斯富集区［5］。姚春雨、康付如等研究了大中型断层对瓦斯赋存的影响［6-7］。周洋等、田焕志等、孙小朋等研究了不同地质构造类型对瓦斯赋存的影响［8-10］。蒋静宇、朱有彬等研究了岩浆岩侵入对瓦斯赋存的影响［11-12］。李永冲等、张明杰等、黄波等研究了水文地质对瓦斯赋存的影响［13-15］。孙重兴研究了煤层厚度对瓦斯赋存的影响［16］。张广政以黑塘煤矿主采煤层为研究对象，分析了不同深度煤层的瓦斯参数变化规律，结果表明：该区域大致以800m 埋深为界存在“应力转折点”，瓦斯含量与埋深的关系趋于复杂［17］。

上述研究成果揭示了不同因素对瓦斯赋存的影响规律，成果丰富。然而，煤层瓦斯赋存状态受诸多因素影响，且作用机理复杂，不同井田、不同矿区、甚至不同煤层瓦斯的赋存规律都具有显著差异性［18］。因此，针对杨柳煤矿10号煤层进行瓦斯赋存规律分析，从区域层面把控煤层瓦斯空间分布特征，对杨柳煤矿的瓦斯灾害防治具有重要的指导意义。

1 矿井概况

1.1 井田构造特征

杨柳煤矿位于童亭背斜东翼的北端，浅部走向近南北，深部由于断层的切割，地层走向变化较大，地层倾向总体向东；地层倾角2°～29°，一般5°～24°。次一级小褶曲和断裂构造较发育，岩浆活动较为强烈，构造复杂程度综合评价为中等类型（图1）。

图1 杨柳煤矿井田构造纲要图Figure 1 Structural outline map of Yangliu coal mine

1.2 煤层概况

杨柳煤矿设计生产能力为180 万t/a，矿井主采82号和10 号煤层，目前仅开采10 号煤层。10 号煤层位于山西组，上距82号煤层54.35～88.49m，平均75.41m，下距太原组一灰顶界面约60m。煤层的煤厚为0～4.2m，平均厚度3.21m，煤的破坏类型为Ⅲ-Ⅳ，煤层坚固性系数为0.56～1.1。煤类主要为1/3 JM，FM 次之，少量其它煤类。经鉴定：杨柳煤矿10号煤层为煤与瓦斯突出煤层，实测最大瓦斯压力2.65MPa，最大瓦斯含量13.63m3/t。

2 煤层瓦斯赋存影响因素分析

2.1 地质构造

（1）褶曲

矿井内较大的褶曲有牛小集背斜、马家背斜、小周家向斜。牛小集背斜轴向北西，轴长约4km，背斜宽窄不等，南、北两段东翼陡，西翼缓；中段东翼缓，西翼陡，波幅数十米，被戴庙断层、大侯家断层切割。马家背斜轴向北东，轴长约3km，背斜宽约2.5km，北翼陡，南翼缓，波幅大于250m，其南翼被大牛家断层切割。小周家向斜在杨柳支断层北侧，轴向北西；在其南侧，轴向转向北东，轴长约3km，波幅大于200m，被杨柳支断层、杨柳断层切割。在矿井生产期间，已揭露的10号煤层顶底板中发现小褶曲较为发育，这些小褶曲主要分布于规模较大的褶曲两翼或大中型断层两侧，小褶曲一般无明显规律可循，背斜上凸不高，向斜下凹不深。因此，在较大褶曲对煤层瓦斯赋存有影响，而小褶曲仅在局部范围内对煤层瓦斯赋存产生影响。

（2）断层

根据杨柳矿的地勘探测和工程揭露，该矿井的断层较为发育。目前已揭露H＜5m 的断层1 197条，5≤H＜10m 的断层698 条，10≤H＜20m 的断层406 条，20≤H＜50m 的断层213 条，50≤H＜100m 的断层40 条，H≥100m 的断层14 条，且断层主要以正断层为主。小断层主要分布于大中断层两侧，分布规律较明显，其走向与大断层基本一致或以小角度相交，呈平行斜列。这些断层纵横交错，将煤层进行不同程度地切割，使煤层错断不连续，进而影响煤层瓦斯赋存规律。

2.2 煤层厚度

杨柳煤矿10号煤层的厚度整体变化范围不大，以中厚煤为主，平均3.21m，大部分煤层厚度都分布在2.5～3.5m。因此，煤层厚度相对稳定，对瓦斯赋存的影响作用不显著。

2.3 顶底板岩性

杨柳煤矿10 号煤层顶板以泥岩、粉砂岩为主，细粒以上砂岩少；底板以粉砂岩、砂岩为主，泥岩较少。其孔隙率低，透气性差，易于瓦斯的封存。虽然受岩浆岩不同程度的侵入或断层影响，顶底板的完整性一定程度受到破坏，形成瓦斯逸散的通道，但是影响区域较小。因此，顶底板岩性对煤层瓦斯赋存的影响不显著。

2.4 水文地质

杨柳煤矿10号煤的顶底板砂岩裂隙水是矿井开拓和煤层开采的直接充水水源，是矿井涌水量的主要组成部分。煤系砂岩和岩浆岩裂隙发育不均，富水性弱。从井下揭露来看，大中型断层多数无水且导水性差；小断层亦是富水性弱，导水性差，加上10号煤层顶板岩性以泥岩为主，为瓦斯提供了良好的赋存条件。因此，水文地质对瓦斯赋存的影响较小。

2.5 岩浆岩侵入

杨柳煤矿10号煤受岩浆岩侵入的影响较大，侵蚀区主要分布在矿井中部和东北部，侵蚀区约占该煤层资源量估算面积的1/4。岩浆主要从煤层中部侵入，部分从底部侵入，少量从中上部侵入。受岩浆岩侵入的影响，煤层被岩浆穿插，出现分叉合并现象，使煤层夹矸增多，结构复杂，可采性变差，在岩浆岩侵入区均未布设采煤工作面。因此，岩浆岩侵入对工作面瓦斯赋存的影响也较小。

2.6 煤层埋藏深度

研究表明：在一定埋藏深度内，瓦斯含量随煤层埋深的增大而增大［16-17］。杨柳煤矿的矿区地面平坦，地面标高25.98～28.26m，一般27m左右。通过井下采掘工程揭露的瓦斯含量、瓦斯压力数据发现：在同一采区，煤层埋深越大的区域，瓦斯含量和压力值也越高。可见，煤层埋深对瓦斯赋存影响较大。

3 煤层瓦斯赋存规律分析

通过杨柳煤矿10 号煤瓦斯赋存影响因素分析可见：地质构造和煤层埋深为煤层瓦斯赋存影响的主要因素，但是井田范围内构造遍布、数量众多，为瓦斯赋存规律的研究带来一定困难。为此，根据大型构造对井田割裂，而小型构造局部影响的特点，将大型断层作为地质单元划分的依据，而将煤层埋深作为地质单元内瓦斯赋存的主控因素，依此实现煤层瓦斯赋存规律分析。

3.1 瓦斯地质单元划分

杨柳煤矿10 号煤层瓦斯地质单元以井田内的大牛家断层和东南部杨柳支断层、贯穿井田东北-西南的戴庙断层及戴庙支断层、西部的大侯家断层为界，将杨柳井田10 号煤划分为4 个地质单元（图2）。地质单元I 包含107 采区和109 采区，地质单元II 为105 采区，地质单元III 包含104 采区和106 采区，地质单元IV包含101、102、103采区。

图2 杨柳煤矿10号煤层地质单元划分示意图Figure 2 Geological unit division diagram of No.10 coal seam in Yangliu coal mine

3.2 煤层瓦斯参数预测模型

为了从区域层面对杨柳煤矿10 号煤层瓦斯分布特征进行掌握，需要对煤层瓦斯参数进行预测。因此，根据煤层瓦斯赋存规律影响因素分析及地质单元划分情况，系统收集杨柳煤矿10号煤层勘查期间或采动影响较小区域的瓦斯压力、瓦斯含量测试数据，并采用线性回归分析方法，建立10 号煤层瓦斯压力、瓦斯含量预测模型。

从图3 可以看出：杨柳煤矿10 号煤层各地质单元瓦斯含量、瓦斯压力与煤层埋深的线性拟合关系良好，且各地质单元的瓦斯含量梯度也具有明显的差异性，地质单元I 煤层瓦斯含量梯度为1.45m3/t/100m，瓦斯压力梯度为0.51MPa/100m；地质单元II煤层瓦斯含量梯度为0.68m3/t/100m，瓦斯压力梯度为0.10MPa/100m；地质单元III煤层瓦斯含量梯度为15.24m3/t/100m，瓦斯压力梯度为0.97MPa/100m；地质单元IV 煤层瓦斯含量梯度为0.62m3/t/100m，瓦斯压力梯度为0.03MPa/100m。这也验证了10 号煤层地质单元划分的合理性。同时，地质单元III的瓦斯含量和瓦斯压力梯度明显高于其他三个地质单元，这可能与该地质单元周围岩浆岩的侵入有关。

图3 不同地质单元瓦斯压力、瓦斯含量预测Figure 3 Prediction of gas pressure and gas content in different geological units

3.3 模型验证

为了验证上述预测模型的可靠性，在109 采区回风大巷选择6 个测点进行瓦斯压力和含量测试，其实测结果和预测结果的误差分析如表1 和表2 所示。瓦斯压力的实测和预测绝对误差为0.00～0.08MPa，平均绝对误差0.045MPa，相对误差0.00%～9.41%，平均相对误差6.57%；瓦斯含量的实测和预测绝对误差为0.11～0.56m3/t，平均绝对误差0.34m3/t，相对误差1.73%～9.38%，平均相对误差6.66%。瓦斯含量和瓦斯压力的预测误差均在10%以内，预测精度满足矿井安全生产的需要。

表1 瓦斯压力预测误差分析Table 1 Error analysis of gas pressure prediction

表2 瓦斯含量预测误差分析Table 2 Error analysis of gas content prediction

4 结论

1）通过分析地质构造、煤层厚度、顶底板岩性、水文地质、岩浆岩侵入、煤层赋藏深度等对杨柳煤矿10号煤层瓦斯赋存规律的影响，确定地质构造和煤层埋深为该煤层的主要影响因素。

2）依据杨柳矿井田范围内大型断层对煤层进行割裂特征，将10 号煤层划分为4 个地质单元，为瓦斯赋存规律研究提供分区指导。

3）在各瓦斯地质单元内，以煤层埋深为主控因素，采用线性拟合分析方法分别建立了瓦斯含量、瓦斯压力预测模型，不同地质单元的瓦斯含量和瓦斯压力梯度具有显著的差异性，验证了瓦斯地质单元划分的合理性。同时，通过瓦斯压力、瓦斯含量实测结果和预测结果的对比分析，二者的预测误差均在10%以内，证明了单元划分的合理性。