余吾3#煤層瓦斯賦存主控因素研究

孫章應 楊 鍵 李炳玉

（山西潞安集團余吾煤業有限責任公司，山西 長治 046103）

在礦井的安全生產過程中瓦斯的防治尤為重要。余吾煤業是高瓦斯礦井，在礦井生產過程中對瓦斯的預測與防治是煤礦安全生產的前提。對瓦斯賦存規律的研究是加強瓦斯防治的基礎，地質構造對瓦斯的形成和保存、運移和富集有密切的關系[1]，為此需要對各種地質因素進行單獨分析。

曹佐勇等[2]研究表明，不滲透壓扭性逆斷層應力場有利于瓦斯賦存，且煤層區域性瓦斯賦存明顯受到斷層控制。陳金濤等[3]研究表明，瓦斯突出的高發區一般在瓦斯含量高的構造位置上。在余吾煤業范圍內，局部煤層賦存較為復雜，小褶曲、小斷層等地質構造較多，因此研究地質構造對瓦斯賦存的影響，可以為局部瓦斯治理和預防瓦斯事故提供基礎依據。

1 礦井瓦斯地質概況

余吾井田存在近南北向的逆斷層，為喜山期運動東西向拉張形成的南北向裂陷。在裂隙作用下發育的正斷層走向為北東東向，傾角較大，主要分布在井田南北邊界一帶，構成井田南北邊界。井田還存在作為礦井北邊界的文王山南正斷層，作為礦井南邊界的西魏正斷層以及其附近東賈、F24、F25 正斷層。在余吾井田內，逆斷層較為發育，總體構造形態為走向北北東—南北向西緩傾的單斜，在井田北部發育有斷距小于20m 的小斷層群。受單斜的影響發育了比較單一的寬緩褶曲，其中貫穿全區的有5 條。由于單斜的作用，在井田范圍內沿傾向發育有少量斷距大于20m 的斷層，其中余吾逆斷層斷距最大為66m。此外，通過鉆探和物探探明的陷落柱有6 個。基于余吾礦井的主要斷層、褶皺、陷落柱等地質因素，結合關鍵地質體的劃分原則，現將余吾礦井整體劃分為一個瓦斯地質單元。

對開采過程中3#煤層的瓦斯壓力和瓦斯含量的值進行了測試。井下實測地點瓦斯壓力為0.27~1.1MPa，瓦斯含量值為6.62~11.27m3/t，掘進工作面相對瓦斯涌出量4.29~4.68m3/t，回采工作面相對瓦斯涌出量9.50~10.36m3/min，采空區相對瓦斯涌出量4.14~4.51m3/t，3#煤層相對瓦斯涌出量17.93~19.55m3/t。通過合理的計算方法得到煤層氣儲量為15731.65Mm3。余吾煤業屬于高瓦斯礦井。

2 礦井瓦斯賦存規律分析

2.1 區域構造控制特征

華北盆地與其南北兩側的揚子地塊及西伯利亞地塊之間的作用關系決定了潞安礦區的構造演化及形態，以及礦區石炭、二疊紀煤層沉積格局及演化。晉獲斷裂帶對區域構造起到主導作用，在區域控制作用下余吾煤業井田內發育了走向為北北東-南北向西緩傾的單斜。由此導致井田內比較單一的寬緩褶曲，此外在走向和傾向上還發育了一定數量的斷層和陷落柱。區域構造控制著余吾煤業公司區域瓦斯分布。

2.2 埋深對瓦斯賦存的影響分析

有相關的研究表明，瓦斯賦存的主要影響因素之一是埋深。具體表現為：對于埋深較淺的煤層，作用于煤層的上覆應力較小，隨著時間的推移，在煤體中吸附的瓦斯易于解吸，此時煤體距離地表較近，瓦斯流通通道較好，瓦斯和空氣相互交換，使得煤體中的瓦斯壓力降低；隨著煤礦開采深度的增加，煤層上覆巖層的壓力變大，使得煤體壓密，瓦斯流通通道受阻，在壓力的作用下煤體的吸附能力加強，由此使得深部的瓦斯壓力較高。

統計分析了余吾礦不同深度瓦斯壓力數據，井田范圍內3#煤層埋深150~587m，目前主開采工作面的埋深在500m 左右。通過擬合瓦斯壓力與埋深的關系可以看出，煤層瓦斯壓力與埋深線性相關，具有很高的相關性，故結合表1 可以得出，3#煤層隨著埋深的增加利于瓦斯賦存。根據圖1 擬合出來的關系式，對不同埋深的瓦斯壓力進行了預測，與實測瓦斯壓力進行了對比，進行了誤差分析，誤差在可接受的范圍內，由此通過擬合公式來預測余吾3#煤層的瓦斯壓力具有一定的合理性。

2.3 地質構造對瓦斯賦存的影響分析

（1）斷層對瓦斯賦存的影響

余吾礦井經歷燕山運動和喜山運動，這兩次構造運動對礦井的地質構造產生重大的影響，產生了三種斷層組合。

由兩條產狀大致相同斷層組合而形成的階梯狀斷層組合（圖2），從斷層的剖面圖上可以得出斷層的上盤在同一個方向上呈階梯狀依次下降。處于斷層面的煤體在斷層的作用下處于拉伸狀態，導致兩側的煤體較為破碎，形成較高的構造應力，由此使得瓦斯壓力局部升高。

表1 3#煤層實際瓦斯壓力與預測值誤差

圖1 煤層瓦斯壓力與埋深關系圖

圖2 東賈正斷層、F24 階梯狀斷層組合

在余吾逆斷層和F2 斷層的作用下，夾在兩斷層的中間盤下沉，形成對沖逆斷層組合（圖3）。由于中間盤下層形成了封閉的環境，在斷層的作用下煤體較為松軟，兩端上升盤產狀發生急劇變化，煤層破壞嚴重，構造煤發育明顯。這樣的斷層組合有利于瓦斯的富集，對瓦斯的賦存起到積極作用。

在余吾逆斷層和F7 逆斷層的作用下，二仙頭背斜兩邊盤沉降、中間盤上升形成背沖逆斷層組合（圖4）。這一斷層組合所形成的封閉環境，使得瓦斯不易于逸散。在逆斷層的作用下，與斷層接觸的煤體受到嚴重揉搓，導致煤體松軟；在中間盤的位置上構造煤較為發育。這一斷層組合對于瓦斯的賦存起到積極的作用。

圖3 余吾逆斷層組成的對沖逆斷層

圖4 余吾逆斷層和F7 背沖斷層組合

（2）褶皺對瓦斯賦存的影響

在余吾逆斷層作用下，煤體產狀發生急劇變化，產生斷層相關褶皺（圖5）。這一褶皺以北北東-南北向為主，形成閉合而完整的背斜。在儲氣性能良好煤層頂板的覆蓋下，背斜軸部局部瓦斯壓力增高。在向斜的軸部，在構造應力作用下煤體較為致密，透氣性較差，是瓦斯的富集區[4]。在斷層作用下形成的相關褶皺對瓦斯的賦存起到積極作用。

圖5 余吾逆斷層引起的斷層相關褶皺

3 基于三維瓦斯地質圖的瓦斯地質規律分析

3.1 三維瓦斯地質圖繪制

以余吾煤業1:5000 采掘平面圖為基礎，結合瓦斯壓力、瓦斯含量等值線，通過3DMine 礦業工程軟件繪制了余吾3 號煤層三維瓦斯地質圖（圖6、圖7）。

圖6 瓦斯壓力三維效果圖

圖7 瓦斯含量三維效果圖

3.2 瓦斯賦存規律分析

在井田內所有的斷層中，位于井田中部的余吾逆斷層最大斷距為66m，位于井田北部的斷層群斷距小于20m。現場對余吾逆斷層附近的瓦斯壓力、瓦斯含量進行了實測，最大瓦斯壓力為1.0MPa，最大瓦斯含量為11m3/min，再由此向外瓦斯壓力、瓦斯含量逐漸減小。對位于井田北部的斷層群的瓦斯壓力、瓦斯含量進行了實測，最大瓦斯壓力為1.1MPa，最大瓦斯含量為11m3/min，再由此向外瓦斯壓力、瓦斯含量逐漸減小。

基于三維瓦斯地質圖可以得出：

瓦斯壓力、瓦斯含量的變化趨勢大致相同，影響因素也較為一致，具有很好的對應關系，在瓦斯壓力高的區域瓦斯含量相對較高。

在大斷層附近的瓦斯壓力有降低的趨勢，在小斷層附近的瓦斯壓力有升高的趨勢。結合前文所述的斷層對瓦斯賦存規律影響的研究，這一結果產生的原因是：斷層的斷距過大，導致煤體的破裂程度加大，煤體結構更加破碎，從而使得煤體的透氣性系數提高，瓦斯擴散速度加快，導致的結果是在大斷層區域的瓦斯壓力減小；在小斷層區域周邊，由于斷層的存在及巖石的密封作用，局部瓦斯擴散能力減弱，由此導致瓦斯的局部聚集，從而使得局部瓦斯壓力升高。余吾3#煤層埋深較深，在斷層附近構成的封閉區間有利于瓦斯存儲，因此在斷層附近實施開采作業時，應該加強管理，堅持“先抽后采”、“監測監控”、“以風定產”的技術管理措施。

在背斜軸部，由于煤體受拉應力的作用而破裂，導致煤體間的間隙增大，從而使得瓦斯易于擴散，由此在背斜的軸部出現瓦斯壓力低于背斜兩翼。在向斜軸部，由于受到擠壓應力的作用，此區域的煤體局部壓縮，導致煤粒之間的間隙減小，瓦斯的逸散難度增加，使得瓦斯局部聚集，從而導致在向斜軸部瓦斯壓力大于兩翼。在開采煤層的過程中，尤其是過向斜軸部時，應特別注意瓦斯涌出的急劇增加，在瓦斯治理方面應采取綜合治理的防治措施。

從三維瓦斯地質圖中可以得出，在煤層埋深淺的區域，瓦斯壓力、瓦斯含量較煤層埋深的區域小。造成這一現象的原因是：在煤層埋深區域瓦斯補償較多，且煤層離地表較遠，瓦斯的逸散受阻，由此導致瓦斯聚集，瓦斯壓力增大。

綜上分析，余吾3#煤層可以劃分為一個瓦斯地質單元。埋深是礦井瓦斯賦存的主要影響因素，井田內的斷層、褶曲只是在局部區域對礦井的瓦斯賦存產生較小的影響。

4 結論

對余吾3#煤層區域構造控制作用進行了研究，結合煤層三維瓦斯地質圖，分析了斷層、褶曲、埋深對瓦斯賦存的影響規律，主要有以下結論：

（1）在地質構造作用下形成的三種斷層組合（階梯狀斷層組合、對沖逆斷層組合以及背沖逆斷層組合）使得局部瓦斯聚集，瓦斯壓力升高。

（2）余吾逆斷層影響形成的褶曲周圍的煤體較為破碎，構造煤發育，密封性較好，對瓦斯賦存起到積極的作用，導致局部瓦斯壓力增大。

（3）由三維瓦斯地質圖分析，瓦斯壓力和瓦斯含量的變化趨勢相同。在大斷層附近，瓦斯壓力、瓦斯含量降低；在小斷層附近，二者的數值增大，有利于瓦斯的積聚；在向斜的軸部二者的數值增大，有利于瓦斯的賦存，在背斜的軸部二者的數值減小。埋深是煤層瓦斯賦存的主控因素，隨著埋深的增加，瓦斯壓力和瓦斯含量的值增大。