樊寨井田二1煤層瓦斯含量主控因素研究

李金海，徐永紅，王軍飛(鄭州祥隆地質工程有限公司，河南 鄭州 452371)

樊寨井田二1煤層瓦斯含量主控因素研究

李金海，徐永紅，王軍飛
(鄭州祥隆地質工程有限公司，河南 鄭州 452371)

為了查明樊寨井田瓦斯含量的主控因素，本文系統收集和統計了地質勘查階段樊寨井田二1煤層的瓦斯地質資料，詳細分析了地質構造、煤層埋深、基巖厚度、煤層厚度、煤層圍巖、煤質等地質因素對煤層瓦斯含量的影響，應用回歸分析方法建立以基巖厚度、煤層厚度、頂板20 m封閉系數為變量的瓦斯含量預測模型公式，并依據模型方程對井田二1煤層瓦斯含量進行了預測，為煤礦安全生產提供數據。

樊寨井田；瓦斯含量；煤層

1 研究區概況

樊寨井田位于新密復式向斜中段軸部，發育有浮山寨斷層等6條較大的斷裂構造及羅灣滑動構造。主要可采煤層為山西組二1煤層，埋深約300～900 m，層位賦存穩定，平均厚度為4.70 m，絕大部分可采，為粉狀貧煤。

2 瓦斯含量影響因素分析

2.1 地質構造

樊寨井田整體仍呈一向斜構造，向斜軸部大致沿五里堡斷層附近，井田內發育有水車園背斜等次級褶曲及浮山寨正斷層、樊寨正斷層、蘇寨正斷層、王家溝正斷層、呂家溝正斷層等斷裂構造，此外還發育有羅灣滑動構造。樊寨井田斷層特征見表1。

地質構造既可改變煤體結構及賦存形態，又可改變煤層圍巖透氣性[1-4]。斷裂構造對瓦斯形成后的運移、賦存與分布起著直接控制作用。張性斷裂一般為開放性斷層，對煤層瓦斯起到排放作用；壓性與壓扭性斷裂一般屬封閉性斷層，對煤層瓦斯起到封閉作用，不利于瓦斯逸散[5-6]。

浮山寨正斷層為樊寨井田與北部楊河井田的分界斷層，因滑動構造復合原因導致斷層帶具有壓扭性質，不利于瓦斯逸散，造成局部斷層帶附近瓦斯含量相對較高。王家溝正斷層為浮山寨較大的分支斷層，其南北二1煤頂板裂隙發育，底板也較破碎，有利于瓦斯釋放，瓦斯含量很低，沿斷層帶形成了一條帶狀的二氧化碳-氮氣帶。南部的樊寨正斷層、蘇寨正斷層、五里堡正斷層及西部的呂家溝正斷層為落差較大的開放性斷層，有利于地質歷史時期瓦斯的排放。五里堡正斷層附近的二1煤處于新密向斜軸部，有利于瓦斯聚集，瓦斯含量普遍較高。

表1 樊寨井田斷層特征

羅灣滑動構造形成二1煤層厚度變薄或增厚現象，井田范圍內出現的薄無煤帶以及巨厚煤帶多與滑動構造有關；且滑動構造對瓦斯、煤質及煤層頂底板等都有較大的影響，可造成局部瓦斯聚集、煤變質程度增高、降低煤層頂底板巖石的力學強度等。

2.2 煤層埋深及基巖厚度

英祖李 將長白山定為朝鮮的“北岳”，視為朝鮮眾山之宗且尊為王室誕生之地。此后一百多年，朝鮮都有對長白山的祭祀活動，并遵循滿語，稱長白山為“白頭山”。

在一定深度范圍內，煤層的瓦斯含量隨埋藏深度增加而增大[7-10]。因為隨深度增加，煤層瓦斯壓力和吸附能力也相應增加，致使瓦斯含量增大。基巖厚度即地質歷史時期最后一次生烴后煤層的埋深，也就是現今煤層到其上部第一個不整合面的距離。基巖厚度大，圍巖總體的透氣性差，地質歷史時期瓦斯逸散的距離也增大，致使瓦斯含量增大。樊寨井田二1煤層的埋藏深度在300～900 m，基巖厚度285～880 m，就其與瓦斯含量的關系見圖1和圖2。由圖1和圖2可知，埋藏深度、基巖厚度與瓦斯含量呈正相關性，即埋深越大，基巖越厚，煤層瓦斯含量越高。

圖1 埋藏深度與瓦斯含量關系

圖2 基巖厚度與瓦斯含量關系

2.3 煤層頂板圍巖封閉性

目前對各地質因素影響的研究，不能停留在趨勢性的分析上，基于大數據統計半定量的分析頂板圍巖封閉性更符合客觀實際。瓦斯自生成后受到構造等地質作用經歷了擴散、運移、聚集等過程，煤層頂板的封閉性能直接影響到瓦斯的保存條件[11-14]。頂板一定層段范圍內的巖性和厚度直接影響頂板圍巖的封閉性能。本文引用封閉系數對頂板圍巖封閉性進行評價，封閉系數是以煤層為參照層，疊加煤層頂板一定厚度范圍內各個巖性巖層對煤層瓦斯的影響系數。統計公式見式(1)和式(2)。

(1)

hi=m1+m2+…+mi-1+(1-k)mi

(2)

式中：F為統計層段內封閉系數；mi為統計層段內某一巖性巖層厚度，m；hi為統計層段內某一巖性巖層校正后的底界與煤層頂界的距離，m；k為某一巖性巖層厚度調整系數。

式(1)和式(2)中，要先對統計層段內各種巖性的巖層以泥巖為標準巖層進行隔氣厚度的校正，校正后的厚度代表巖層有效的影響厚度，然后疊加各巖層對煤層的封閉影響系數，得到統計層段內的封閉系數(圖3，表2)。傳統蓋層的研究包括基巖厚度(大尺度)，直接頂板巖性和厚度(小尺度)，而對于統計層段頂板(中尺度)少有涉及。封閉系數綜合了煤層直接頂板的巖性、厚度及統計層段內頂板對煤層瓦斯含量的影響。

表2 不同巖性巖層厚度調整系數

為探討樊寨井田二1煤層頂板對瓦斯賦存的影響，本次統計了12個鉆孔的瓦斯地質資料，分別計算出各鉆孔二1煤層頂板10 m、20 m、30 m、40 m、50 m、60 m的封閉系數，通過比較瓦斯含量與其相關性系數R值，最終確定R值最大的20 m封閉系數作為煤層頂板封閉系數，見圖4和圖5。由圖5可知，頂板20 m封閉系數與瓦斯含量呈正相關性，即20 m封閉系數越大，瓦斯含量越高。

圖3 封閉系數示意圖

圖4 頂板不同統計層段封閉系數與瓦斯含量關系

圖5 頂板20 m封閉系數與瓦斯含量關系

2.4 煤層厚度及煤質

一般情況下，煤層厚度與瓦斯含量關系較密切，煤層厚度愈大，瓦斯生成和儲存量愈多[15-16]。二1煤層位賦存穩定，結構比較簡單，平均厚度為4.70 m，絕大部分可采。具有沿走向東厚西薄、沿傾向淺部厚深部薄。由于本區受羅灣滑動構造影響，局部煤厚有增厚或變薄現象，但煤層厚度與瓦斯含量依然呈正相關性，即隨煤厚增大，瓦斯含量有增高趨勢，如圖6所示。

煤中所含水分、灰分對瓦斯含量也有一定的影響。本次對樊寨井田二1煤水分、灰分與瓦斯含量的關系也進行了分析，結果顯示水分、灰分對瓦斯含量影響很小。

3 瓦斯含量預測

根據瓦斯地質條件各單因素與瓦斯含量關系的分析，因斷層、褶曲等地質構造無法進行量化統計，尤其是滑動構造影響本井田絕大部分區域，其影響機理很復雜；水分、灰分對瓦斯含量影響很小，故這些因素不參加擬合分析。最終確定基巖厚度、頂板20 m封閉系數、煤層厚度為主要控制因素進行擬合分析，并依據12個可靠的瓦斯含量點數據通過SPSS軟件進行線性回歸分析，得到回歸模型方程，見式(3)。

Q=0.015M+0.125m+0.468F20-0.011

(3)

式中：Q為瓦斯含量預測值，cm3/g；M為基巖厚度，m；m為煤層厚度，m；F20為頂板20 m封閉系數。

利用式(3)，計算煤層瓦斯含量實測值與預測值的擬合優度(復相關系數R2)為0.9057，兩條折線趨勢基本一致(圖7和圖8)，說明預測瓦斯含量與實測瓦斯含量擬合度較高，回歸模型方程較可靠。依據所建立的模型方程對樊寨井田二1煤層瓦斯含量進行預測(圖9)，預測結果顯示總體上井田向斜軸部瓦斯含量較高，兩翼瓦斯含量較低。

圖6 煤厚與瓦斯含量關系

圖7 實測瓦斯含量與預測瓦斯含量對比

圖8 瓦斯含量實測值與預測值相關性

4 結 論

通過對樊寨井田瓦斯含量影響地質因素對比分析，查找出本井田煤層瓦斯賦存規律，確定二1煤層瓦斯含量主要受地質構造、基巖厚度、煤層厚度、頂板20 m封閉系數幾個主導因素的影響。基于本次統計分析，充分利用地質勘查階段鉆孔瓦斯含量實測值，應用SPSS軟件以基巖厚度、煤層厚度、頂板20 m封閉系數數據為基礎建立回歸模型，并依據模型方程對井田二1煤層瓦斯含量進行了預測，為礦井瓦斯含量預測及綜合治理奠定基礎。本井田受滑動構造影響，且斷層較發育，生產過程中還應密切關注其影響。

圖9 樊寨井田二1煤瓦斯含量預測等值線

[1] 李鵬，趙延湘，周繼禎.鄂莊煤礦瓦斯地質規律研究及治理措施[J].煤礦安全，2004，35(2)：8-10.

[2] 劉見寶，高暉，宋志敏，等.河南省太行構造區二1煤層瓦斯地質規律研究[J].能源與環保，2017，39(4)：1-6.

[3] 薛冰.重力滑動構造對煤與瓦斯突出的控制作用研究[J].煤炭科技，2017(1)：19-21.

[4] 閆江偉，張玉柱，王蔚.平頂山礦區瓦斯賦存的構造逐級控制特征[J].煤田地質與勘探，2015，43(2)：18-23.

[5] 李恒樂，曹運興，秦勇，等.重慶煤礦區瓦斯賦存特征及地質控制因素[J].煤田地質與勘探，2015，43(2)：1-7，12.

[6] 練友紅.蘆嶺煤礦瓦斯地質規律分析[J].礦業安全與環保，2007，34(6)：73-75.

[7] 萇延輝，宋常勝.華陽煤礦瓦斯地質規律分析[J].中國礦業，2012，21(S1)：517-519.

[8] 劉新榮，鮮學福，姜德義，等.煤層瓦斯涌出量與煤層埋藏深度關系的探討[J].礦業安全與環保，2001，28(1)：41-42.

[9] 李陽，張浪，舒龍勇，等.潞安礦區煤儲層特征及瓦斯含量分布規律研究[J].煤炭科學技術，2014，42(12)：65-69.

[10] 馮斌，李文前，郭新體，等.河南順和西礦區Ⅱ2煤層煤巖煤質特征及瓦斯含量分帶性[J].中國礦業，2013，22(4)：118-122，126.

[11] 董欽奎，賈煥福.興山礦22號煤層瓦斯涌出量大原因分析[J].煤炭技術，2000，19(1)：19-20.

[12] 王生會.煤層瓦斯含量的主要控制因素分析及回歸預測[J].煤炭科學技術，1997，25(9)：45-47.

[13] 王兆豐，趙鵬濤，王林，等.寨崖底煤礦煤層瓦斯含量影響因素分析[J].煤炭科學技術，2012，40(4)：49-51.

[14] 安鴻濤.龍灣井田3#煤層瓦斯含量分布規律及影響因素[J].煤礦安全，2013，44(8)：160-162.

[15] 賈明魁，徐德宇，李書文.新安煤田瓦斯地質規律研究[J].中國煤炭，2015(12)：31-35.

[16] 王國華，馮光俊，劉剛，等.東歡坨礦瓦斯地質特征及其控制因素分析[J].煤礦安全，2017，48(2)：149-152.

Study on the main control factors of Ⅱ1coal gas content in Fanzhai mine field

LI Jinhai，XU Yonghong，WANG Junfei
(Xianglong Geological Engineering Limited Corporation，Zhengzhou 452371，China)

In order to find out the main control factors of gas content in Fanzhai field，this paper systematically collect the gas geological data of Ⅱ1coal seam in Fanzhai mine field，and analyze the geological structure，burial depth，bedrock thickness，coal thickness，surrounding rock，coal quality and other geological factors on the coal gas content.Make bedrock thickness，coal thickness，roof closure coefficient of 20 meters as variables，use regression analysis method to establish the gas content prediction model.The gas content of Ⅱ1coal seam is predicted according to the model equation.It is to provide safety data for the mine field.

Fanzhai mine field；gas content；coal seam

2017-03-10 責任編輯：宋菲

李金海(1984-)，男，河北承德人，工學碩士，工程師。從事礦井地質研究工作，E-mail：lijinhaikk@163.com。

TD712

A

1004-4051(2017)08-0129-04