應用圍巖封蓋封閉系數定量分析瓦斯賦存情況
——以陜北侏羅紀煤田小保當2號井為例

王 凱

(陜西省一八五煤田地質有限公司，陜西 榆林 719000)

0 引言

煤礦瓦斯常是礦井安全的隱患之一，影響著煤礦企業的生產。對于達到工業利用價值的瓦斯礦井，可以采取地面抽放的方式加以利用，從而減少井下瓦斯的涌出。而達不到工業利用價值的瓦斯礦井，預防煤與瓦斯涌出則是減少瓦斯所帶來的災害的手段之一，而預測煤與瓦斯的涌出，有針對性的預防可以達到減少費用，提前預防的目的。礦井瓦斯的分析研究同時也是地質報告中重要的一個章節。瓦斯垂向散逸受圍巖封閉強弱影響，傳統研究常采用定性分析的方法，認為致密性的巖層能夠封閉瓦斯，而孔隙率大的巖層不能夠封閉瓦斯，煤層瓦斯常通過此類巖層散逸。中國礦業大學教授秦勇認為“泥巖屬于屏障層，泥巖由于其物質成分、結構構造不同，封存瓦斯的能力存在差異”[1]。隨著瓦斯地質進一步研究，定性分析具有很大的局限性，如煤層瓦斯常能壓裂泥巖很薄而散逸，所以瓦斯的封閉與散逸不僅與煤層頂板的巖性有關，還與其厚度有關，因此從瓦斯地質的角度對煤層瓦斯頂板圍巖封閉能力進行定量化分析是必須的，也就是說采用封閉系數來定量研究生產礦井，對于在建新建礦井則采用封閉系數半定量研究。文中以小保當2號在建礦井為例，用圍巖封蓋封閉系數定量分析瓦斯賦存情況。

1 煤層圍巖封閉層

圍巖封閉層包括區域性封閉層和圈閉封閉層。圈閉封閉層指的是礦井煤層頂板一定范圍內的直接頂、老頂和底板在內的有效厚度的巖層的組合；而區域性封閉層指此一定范圍和厚度以外的巖層組合。區域封蓋層是有效巖層范圍內除煤層頂底板以外的巖層組合，圈閉封蓋層指煤層頂底板巖層。影響封閉層對瓦斯封閉能力的因素主要有煤層瓦斯壓力、排驅壓力、構造發育程度、巖層傾角、封閉層的物性、封閉層的厚度、煤層賦存深度等，這些因素將直接控制著煤層不同塊段瓦斯縱向運移能力。

1.1 有效封閉層的物性

有效封閉層指的是孔隙率粒徑細小的巖層，煤層形成的年代和環境的差異，使得封閉層也不同，陜北榆神府侏羅紀煤田的封閉層常為泥巖、炭質泥巖、粉砂質泥巖、泥質粉砂巖等細碎屑巖；石炭二疊紀煤田封閉層通常比較致密，常為一些灰巖、泥灰巖等。榆神府侏羅紀煤田煤層頂底板巖性多為泥巖、粉砂巖、砂巖。泥巖、粉砂巖比較致密，封閉效果強于砂巖，砂巖封閉瓦斯的能力不及泥巖和粉砂巖。

在瓦斯垂向散逸的過程中，如果砂巖的成巖作用強，孔隙率小，韌性強，裂隙節理不發育，也可以達到封閉瓦斯的效果，部分瓦斯氣體吸附于砂巖顆粒，部分繞過顆粒通過顆粒間的間隙繼續向上散逸，隨著散逸的路徑延長，瓦斯的壓力逐漸減弱，煤系地層中頂底板的中細粒砂巖，一般都比較致密，膠結物多為泥質，也能起到封閉煤層氣的作用。

1.2 有效封閉層的厚度

封閉層的有效性不僅與封閉層的巖性物理性質有關，而且要有一定的厚度要求。即使是封閉效果比砂巖好的泥質類巖石，其厚度如果很薄，在煤層氣高壓或突出時也容易產生一定的裂隙，從而為煤層氣的散逸提供了通道；而致密的砂巖，具有一定的厚度時同樣也能產生很好的封閉作用。中國礦業大學教授曾勇等研究認為，諸多影響封閉效應的因素中，以巖石類型、煤層頂底板厚度、頂板節理發育程度3個因素最重要[2]。同時同一煤層厚度的變化、不同部位瓦斯突出的強度不同，對有效封閉層的要求是不一樣的。

2 封閉系數

2.1 封閉系數的提出

為了定量地研究分析瓦斯賦存情況，對于不同厚度，有效范圍內不同物性的頂底板巖層的不同組合對煤層瓦斯封蓋能力差別較大。在此選用煤層頂板巖性、巖層厚度，調節系數3個指標，用這3個指標求出封閉系數來定量評價封閉性能。

封閉系數是指以煤層為參照層，疊加煤層頂底板各個巖性巖層對煤層氣的封閉影響系數。計算公式是

K=∑mi×ki/hi

(1)

式中：K—封閉影響系數；mi—統計層段內某巖層厚度；hi—某巖層校正后的底界至煤層頂板的距離；ki—某巖層厚度調整系數。

在利用公式1進行計算時，首先對參與計算的各巖層進行有效厚度的校正，以校正的厚度表示該巖層有效影響厚度，也就是把各巖層以泥巖作為統計標準巖層，轉化為系數為1.0的泥巖，其它巖層的厚度均以該巖層本身的厚度再乘以厚度調整系數求得。為了防止值出現不合理的異常，當公式中mi<1.0時將其取值為1.0；煤層直接頂板為泥巖或炭質泥巖時，hi取值1.0。

調整系數ki采用見表1。

表1 巖層厚度調整系數表

根據以往生產礦井研究煤層上下20 m范圍內，封閉層的封閉系數與瓦斯涌出量之間擬合曲線有較好的相關性，呈正線性相關。用于文中采用的陜北侏羅紀煤田小保當2號在建礦井的瓦斯預測，由于延安組各段大多數煤層間距≤20 m，為計算方便，簡化為煤層以上砂土層以下全部巖層參與計算。

2.2 封閉系數的現實意義

封閉系數綜合了煤層有效范圍內的巖性、厚度對煤層瓦斯封閉的影響。其不僅強調煤層頂底板巖性和厚度對瓦斯氣體的封閉作用，即泥巖等封閉性較好的巖層頂底板統計值比較大；砂巖等封閉性較差的巖層頂底板統計值就較小；同時不忽視薄的直接頂底板之上或之下的數層巖層對煤層氣的封閉作用。利用上面公式對鉆孔資料中煤層頂底板上下不同層段的巖性組合特征進行統計，得出封閉系數值，依據此值可以查明頂底板多大厚度的巖層對煤層氣的含氣量影響較大。

3 應用實例

陜北侏羅紀煤田小保當2號井是在建的大型礦井。小保當井田隸屬榆神三期規劃區，井田位于小保當井田北部，榆神三期總體規劃區的東北部。小保當2號井田規劃建設規模為1 300萬t/a，區內主要可采煤層2-2(2-2上)、3-1、4-2(4-2下)、5-2(5-2上)、5-2下，結構簡單～較簡單；厚度變化小，局部雖有變薄現象，但變化規律性明顯；煤類單一，以不粘煤為主，長焰煤次之；均屬穩定煤層。除3-1煤層在井田西部沿西北方向由于沉積相變煤層變薄分布一條帶狀不可采區域外，其余煤層賦存區均為全區可采，為此井田內煤層穩定類型程度屬穩定型。

區內各煤層偽頂主要以≤0.5 m的泥巖、炭質泥巖為主，直接頂以砂巖和粉砂巖為主；基本頂主要以位于直接頂之上厚度>3 m、節理和裂隙及層理不甚發育的較為均質的整體砂巖和粉砂巖為主。直接頂以粉砂巖、細粒砂巖、中厚層泥巖為主。文中僅以2-2上(2-2)主采煤層進行瓦斯賦存情況分析。

采用式1計算2-2上(2-2)煤層封閉系數見表2。

2-2上(2-2)封閉系數三維等值線圖如圖1所示。

由圖可以看出，2-2上(2-2)煤層在XE28孔、XE23、XE20及K3-1孔瓦斯封閉系數較大，向四周變小，最小封閉系數位于XE14孔，總體上區內西南部封閉系數大，北東部封閉系數小，井田中部北東—西南方向系數小，兩側偏大且西北側大于東南側，西南部四角系數大，中間小。在封閉系數大的區域掘進巷道或者回采需要注意該處的瓦斯富集及涌出量大的問題。

2號礦井是在建礦井，無法取得瓦斯涌出量實際值進行驗證，但通過封閉系數三維等值線圖結合構造、煤層厚度變化以及水文資料可以預測瓦斯的賦存情況，用以指導巷道的掘進和煤層的回采。

表2 2-2上(2-2)煤層封閉系數統計表

圖1 2-2上(2-2)封閉系數三維等值線圖

4 結語

煤層瓦斯賦存與涌出量大小取決于頂底板巖性、有效厚度以及煤系地層水文情況等外因，也與煤層厚度、煤變質程度、煤層破碎及內生裂隙等內因有關。預測煤層瓦斯賦存情況考慮的因素越多，預測的越接近實際情況，但是考慮的因素越多情況越復雜，對于科技工作者來說難度不小，而應用煤層頂底板封閉系數對在建礦井瓦斯預測則變得輕松且易于掌握。文中以陜西省神府礦區侏羅紀煤田小保當2號井田2-2上(2-2)煤層為例，進行了瓦斯賦存情況預測，可供礦井巷道開拓和回采時參考。