某礦下4、下5煤層瓦斯賦存規律研究

曹 佳， 李 娟， 任 超

(徐州長城基礎工程有限公司，江蘇 徐州 221000)

1 礦井概況

榆樹田煤礦位于新疆庫車縣境內，距離庫車縣城約60 km。煤礦為基建礦井，劃定礦區面積約5.66 km2，范圍由9個拐點坐標圈定，開采深度由1 700～1 050 m標高。煤礦設計生產能力90萬噸/年，服務年限為69.8 a，第一水平標高+1 300 m。2017年進行試生產，主采煤層下5煤，煤層平均厚度9.35 m，煤層傾角約14°。

礦井位于夏闊坦向斜東段，橫跨夏闊坦向斜兩翼，向斜軸部為中侏羅統克努爾組(J2k)地層，向兩側依次為下侏羅統阿合組(J1a)，塔里奇克組(J1t)地層。向斜軸呈近東西向展布，東部翹起，向西傾伏，北翼緩，地層傾角10°～14°，南翼陡，地層傾角40°～60°。為不對稱向斜。區內未發現>30 m的斷層。礦區構造復雜程度屬中等類。

2 瓦斯地質工作概況

據收集資料，煤礦勘探階段下4、下5煤共采集了13個瓦斯樣，其中下4煤層瓦斯樣3個，下5煤層瓦斯樣10個，下4煤層平均瓦斯含量0.643 m3/t，下5煤層平均瓦斯含量1.34 m3/t。

煤礦于2013～2017年間通過井下實測和實驗室測定的方式對下4、下5煤層的瓦斯基礎參數進行了測定。瓦斯含量及壓力測試點位置主要集中于開拓大巷及設計110501工作面，共取得數據21組，其中下4煤層瓦斯含量0.73～5.78 m3/t，下5煤層瓦斯含量4.24～7.44 m3/t；下4煤層瓦斯壓力0.15～0.70 MPa，下5煤層瓦斯壓力0.20～0.73 MPa。由于勘探階段鉆孔瓦斯含量數據與井下實測數據相比相差較大，本次研究認為地勘階段鉆孔瓦斯資料誤差較大，數值偏低，故本次研究相關瓦斯數據均采用井下實測數值。

3 煤層瓦斯賦存規律分析

3.1 瓦斯賦存的控制條件

一般認為，煤層瓦斯賦存受到煤的變質程度、煤層厚度、構造條件、煤層頂(底)板巖性、水文地質條件、埋藏深度等因素影響。本文主要針對煤礦下4、下5煤層瓦斯賦存的以下因素進行分析。

(1)構造條件：榆樹田煤礦位于夏闊坦向斜東段，橫跨夏闊坦向斜兩翼，為南翼陡、北翼緩的不對稱向斜，次級斷裂不發育。全區瓦斯含量整體上沿向斜軸由翹起端向傾伏端逐漸增大，又北翼緩而南翼陡，向斜北翼含量略高于南翼。

(2)煤層頂(底)板巖性：礦井各煤層頂板多為粉砂巖，局部為泥巖和砂質泥巖，底板基本為粉砂巖和砂質泥巖。泥巖與砂巖相比較致密，孔隙半徑較小，對瓦斯有較強的封存能力。另外，厚層砂巖易于發生斷裂構造，致使圍巖透氣性大，瓦斯易于流失，從而降低煤層瓦斯含量。全區范圍內各煤層頂底板絕大部分為粉砂巖，故頂底板巖性不是影響本區煤層瓦斯賦存的主要因素。

(3)煤層埋深及上覆基巖厚度：煤層埋深及上覆基巖厚度是煤層瓦斯賦存的重要控制因素。一般而言，煤層中的瓦斯壓力隨著埋藏深度的增加而增大，隨著瓦斯壓力的增加，在煤與巖石中游離瓦斯量所占的比例增大的同時，煤中的吸附瓦斯逐漸趨于飽和。由此可以推斷，在一定深度范圍內，煤層瓦斯壓力及含量隨埋深的增大線性增加。

本區內基巖大面積裸露，第四系覆蓋層沿現代沖溝小面積分布，因此，榆樹田煤礦的埋深和上覆基巖厚度基本一致，從深度上可以合并研究其對瓦斯賦存的影響。本區瓦斯含量一般情況下由東北至西南隨著埋深(上覆基巖厚度)增加而逐漸升高。

(4)巖漿巖分布：區內無巖漿巖分布，煤層未受到巖漿活動破壞或影響，故巖漿巖對本次研究的下4、下5煤層瓦斯賦存均沒有影響。

3.2 瓦斯含量、壓力預測

通過前文對地質相關因素的分析，本次研究認為煤層埋深是榆樹田煤層瓦斯賦存最重要的地質控制因素。故本次研究利用礦井已知的瓦斯含量、壓力數據，剔除離差較大數據，建立煤層瓦斯含量及壓力與煤層埋深的相關性，如圖1所示。

圖1 下4、下5煤層埋深與瓦斯含量、壓力關系圖

由于本次研究測點位置相對集中且數據相對較少，各煤層線性變化規律可能與實際有一定的誤差，本次暫以此作為繪圖及預測依據，礦井在之后的生產過程中應根據實際測定的多點數據進行修正、調整。根據本次對煤層埋深和瓦斯含量、壓力進行線性擬合分析，得出相關方程如下。

下4煤層W4=0.0135h-0.3026R2=0.9745

(1)

下5煤層W5=0.0153h+0.0117R2=0.9713

(2)

下4煤層P4=0.0016h-0.0294R2=0.9423

(3)

下5煤層P5=0.0010h+0.2358R2=0.9874

(4)

式中：W為瓦斯含量，m3/t；P為瓦斯壓力，MPa；h為煤層埋深，m。

根據(1)～(4)式計算，研究區內下4煤層埋深范圍為160～480 m，預測瓦斯壓力0.23～0.63 MPa，預測瓦斯含量1.86～6.18 m3/t。下5煤層埋深范圍為180～500 m，預測瓦斯壓力的范圍為0.42～0.71 MPa；預測瓦斯含量為2.76～7.66 m3/t。

4 煤與瓦斯突出危險性分析

榆樹田煤礦為基建礦井，未發生過煤與瓦斯突出事故，根據本區瓦斯預測情況來看，煤礦在第一水平+1 300 m標高及以上(埋深475 m以淺)區域煤層瓦斯含量及壓力均為達到預測突出危險性的臨界值。但本次預測采用的實測數據均位于本構造單元的淺部，且相鄰生產礦井榆樹嶺煤礦實測瓦斯壓力為0.52 MPa，測試點位置亦處于本構造單元的淺部，推測本區深部瓦斯含量及壓力較高。故研究區在深部(+1 300 m以深)可能存在煤與瓦斯突出危險性。

5 結語

通過對榆樹田煤礦的瓦斯賦存規律的分析研究，得知礦井瓦斯含量整體上沿向斜軸由翹起端向傾伏端逐漸增大，瓦斯含量隨著煤層埋深逐漸增大的規律基本明顯。同時采用線性回歸擬合法對瓦斯含量與瓦斯壓力進行研究，得出下4、下5煤層埋深與瓦斯含量、壓力的相關方程并對瓦斯含量及壓力進行了預測。依據預測結果，煤礦在第一水平+1 300 m標高及以上(埋深475 m以淺)區域沒有瓦斯突出危險性。但是隨著開采深度的加大，瓦斯含量及壓力均會增加，故在深部(+1 300 m以深)可能存在煤與瓦斯突出危險性。