地质构造对煤层瓦斯影响分析与安全防治技术研究

张秀东

（晋能控股煤业集团燕子山矿，山西大同 037037）

1 工程概况

燕子山矿煤层风巷1424 m，机巷1345 m，切眼134 m，巷道支护采用煤锚。破岩采用掘进机，出货采用皮带机、链板机。地质情况主要以斜切断层为主，正断层为NW 向发育，倾角60°～80°，落差较大；逆断层为SN 向发育，倾角50°～60°，落差15 ～55 m。由于在工程建造过程中受到机械改造，断层周围填充性能较好，易形成封闭环境，具备瓦斯赋存条件。表1 为断层落差统计（H≥10 m）。

表1 断层落差统计（H≥10 m）Table 1 Fault throw statistics(H≥10 m)

2 燕子山矿煤层瓦斯赋存特征

采用低温液氮吸附法[1-2]，对燕子山矿煤层不同直径煤粒进行孔隙结构分析，随着压力不断增加，吸附效果增大，吸附量与直径呈现反比关系。对不同直径煤粒孔径进行分析，如图1 所示，可以看出煤层孔径分布有3 个峰值，峰值越高意味着煤粒直径越小，微孔数目也就越多。对于微孔数目较多的煤层，其瓦斯吸附能力较强，吸附量也较大。

图1 煤层孔隙分布特征图Fig.1 Pore distribution characteristics of coal seam

煤层瓦斯含量的确定对瓦斯安全防治具有重要意义，含量获取主要有直接法、间接法、经验法、图解法、数值法等[3-4]。本文选用间接法测量，其计算公式为[5]：

式中：W 为瓦斯含量，m3/t；P 为瓦斯压力，MPa；a、b 为吸附常数，m3/t、MPa-1；ts为吸附环境温度，℃；t 为井下温度，℃；Mad为水含量，%；n为常数；K 为孔隙容积，m3/t；k 为压缩系数。

通常，煤层瓦斯主要由CH4、N2、CO2等组成，并将瓦斯分为4 个带，见表2。其中，CO2～N2带、N2带、N2～CH4带为瓦斯风化带。根据煤矿生产资料测试参数，可以确定#10 煤层瓦斯压力下限0.16 MPa，瓦斯风化带下限为500 m，地面标高25.3 m，深埋532.4 m，标高-195.4 m。

表2 瓦斯分带标准Table 2 Gas zoning standard

根据上述分析，根据实测数据可以得到#10 煤层瓦斯含量分布特性。如图2 所示为中部瓦斯含量分布图，可以看出中部地质单元位于瓦斯风化带下限以下，随着深度的增加，瓦斯浓度随之增加，通过拟合可以由式（2） 表示：

图2 中部瓦斯含量分布图Fig.2 Central gas content distribution map

式中：Wdaf为煤层瓦斯含量，m3/t；H 为瓦斯深度，m。

#10 煤层西部瓦斯含量分布图（图3），西部瓦斯地质单元位于瓦斯风化带下限以下，和中部瓦斯分布具有相同的规律，都随着深度的增加瓦斯浓度升高，通过线性拟合由式（3） 表示：

图3 西部瓦斯含量分布Fig.3 Gas content distribution in the west

通过计算瓦斯含量，可以得到瓦斯含量和压力的拟合曲线，如图4 所示，可以看出拟合效果良好，随着压力的增加，瓦斯含量缓慢增加，其规律可以由式（4） 表示：

图4 瓦斯含量和压力拟合曲线Fig.4 Gas content and pressure fitting curve

根据上述分析，瓦斯含量为5.16 ～11.54 m3/t，中部瓦斯和西部瓦斯在走向上变化规律基本相同；对比同一深度中部和西部瓦斯浓度，西部略小于中部；在南北走向上，从南道北瓦斯浓度逐渐增大；在构造上，中部断层密度小于西部，随着深度的变化中部梯度变化大于西部。

3 燕子山矿煤层瓦斯影响分析

3.1 井田构造对瓦斯赋存影响

燕子山矿区煤层构造复杂，由于褶皱系统的影响，瓦斯含量呈现轴部较高，向斜两翼浅部逐渐下降的现象，另外褶皱会影响局部瓦斯含量和赋存情况[6-7]。矿区构造以斜切断层为主，在矿区改造、生产过程带来的压扭性等力学性质，造成断裂带附近的瓦斯赋存条件较高，浓度较高。

井田包括多种构造，例如小断层、小褶皱、对冲逆断层组合、叠瓦状逆断层组合、背冲逆断层组合等，多种井田构造在矿区煤层中形成相对封闭的环境，对瓦斯具有阻碍扩散和运移作用，对于煤层瓦斯的富集具有积极作用。通常来说，矿区构造区瓦斯含量相较于非构造区瓦斯含量较高。

3.2 采区构造对瓦斯赋存影响

通常来说，采区构造对瓦斯含量和瓦斯赋存的影响有两个方面：一方面，当采区构造顶板封闭性较好时，在一定程度上对瓦斯聚集具有推进作用，随着构造的产生，煤层中的瓦斯会沿着裂隙向上移动，形成上部瓦斯富集区；另一方面，采区构造形成的裂隙是瓦斯运移的通道，在构造处可以降低瓦斯浓度，同时伴随着构造而破坏矿区煤层连续性，地层压力变化而推进瓦斯解吸。

根据燕子山矿地质特点，将矿区分为3 个隔水层和4 个含水层，隔水层主要由砂岩、泥岩等组成，具有较强的隔水性能，对于#10 煤层瓦斯的赋存性能没有影响；含水层包含水分，#10 煤层经过多年防水治理，水位有明显下降，因此水源不足、富水性弱，对于#10 煤层来说基本没有影响。

另外，采区构造作用导致岩浆进入煤层，受热不均匀致使煤层变质，温度升高也促进瓦斯解吸而大量产生。针对#10 煤层来说，矿区中部和东部有几处岩浆岩，岩浆岩主要存在于#8 煤层和#9 煤层，对于#10 煤层影响不大。

3.3 煤质对瓦斯赋存影响

#10 煤层包含无烟煤和贫煤2 种，需要分不同煤质对瓦斯赋存影响进行分析。如图5 所示为无烟煤和贫煤挥发分即煤的变质程度对瓦斯含量的关系，由图5（a） 和图5（b） 无烟煤和贫煤挥发分与瓦斯含量关系图可以看出，不论无烟煤或贫煤，其瓦斯含量与煤的变质程度都具有强相关性，因此煤质对瓦斯赋存具有较强的控制作用。通常来说，在同等埋深的条件下，随着挥发分的增加，瓦斯含量会逐渐下降。

图5 煤质（挥发分） 与瓦斯含量关系Fig.5 Relationship between coal quality(volatile matter)and gas content

3.4 顶板基岩厚度和煤层埋藏深度对瓦斯赋存影响

根据煤层数据统计，绘制#10 煤层顶板基岩厚度和煤层埋藏深度与瓦斯含量关系拟合图，如图6所示。从图6（a） 中可以看出，顶板基岩厚度和瓦斯含量具有较强的相关性，厚度越大，瓦斯运移在纵向方向上距离增加，瓦斯赋存条件得到优化，使得更多的瓦斯得到赋存而降低瓦斯运移能力。从图6（b） 中可以看出，煤层埋藏深度和瓦斯含量相关性较强，随着煤层深度的增加，瓦斯含量也随之增加，同时煤层深度增加也限制了瓦斯的扩散和运移，瓦斯赋存条件得到强化。

图6 煤层顶板基岩厚度和煤层埋藏深度与瓦斯含量关系拟合图Fig.6 Fitting diagram of the relationship between bedrock thickness of coal seam roof,buried depth of coal seam and gas content

4 应用效果

针对煤层中不同地质构造造成瓦斯含量的不同，需要对瓦斯含量较高的煤层进行超限防治，通常采用高位钻孔方法对上覆煤层瓦斯进行抽采。利用地质运动和工作面生产，可以实现上覆煤层的瓦斯治理。工作面裂隙高度10.2 ～18.3 m，钻孔布置示意图如图7 所示。钻孔位置距离钻场60 m，高度17 m，已在采空裂隙带内。由于上煤层压力较大，位于悬臂梁处的钻孔起不到抽采作用，因此水平方向上钻孔需要与巷道设置一定距离，通常为10 ～15 m。

图7 钻孔布置示意Fig.7 Borehole layout

将钻孔分3 组，通过安全防治，距离工作面较远时，第一组钻场瓦斯含量基本降低在30%以下，这表明煤层裂隙与钻场良好连接，安全防治有效；在高浓度区域，3 组最大峰值瓦斯含量为78、75、55%，这时需要高效抽采防治；距离工作面较近时，瓦斯含量均在10%以下，安全防治效果良好。

5 结语

针对燕子山矿井下瓦斯含量对安全生产的威胁，以地质瓦斯理论为理论依据，分析了煤层瓦斯赋存特征和条件，建立了地质构造对煤层瓦斯影响分析模型，分别对井田构造、采区构造、煤质、顶板基岩厚度和煤层埋藏深度对瓦斯赋存影响进行分析，并提出了瓦斯安全防治技术方法，防治效果表明，距离工作面较远处瓦斯含量可降到30%以下，距离工作面较近处瓦斯含量可降到10%，在浓度较高处通过高效抽采可有效控制瓦斯含量。