王家嶺礦4號煤層瓦斯賦存規律研究及主要影響因素分析

馮家正

(山西王家嶺煤業有限公司，山西 保德 036600)

王家嶺煤礦隸屬于晉能控股有限責任公司，為高瓦斯礦井。隨著礦井開采深度的增加，瓦斯突出問題已經逐漸成為制約礦井生產的較大隱患。研究4號煤層瓦斯賦存特征及影響因素能夠對礦井采掘工作面的瓦斯治理工作提供指導依據。瓦斯賦存于煤層及圍巖之中，其生成、存儲及賦存規律都受復雜的地質演化作用控制[1]。本文結合王家嶺礦地質條件，分析了4號煤層瓦斯賦存規律及影響因素。

1 礦井地質條件

王家嶺煤礦井田位于河東煤田北端，區內構筑簡單， 井田南北長約8.32 km，東西寬約5.43 km，為向W傾斜的單斜構造，傾角為6°。可采煤層為4號、7號上、7號、8號、9號煤層。目前，礦井主采4號煤層，屬于可抽放煤層，煤厚4.02～11.70 m，平均7.69 m，夾矸為2～3層，不存在大型斷裂和巖漿巖侵入以及陷落柱等構造，煤層頂板為砂質泥巖、粉砂巖及泥巖，底板為高嶺質泥巖及粉、細砂巖。

2 煤層瓦斯含量整體變化趨勢

2.1 瓦斯含量測定

王家嶺煤礦通風實驗室于2013年12月份建成并投入使用，配有瓦斯含量測定儀、瓦斯壓力測定儀、瓦斯突出參數測定儀等成套儀器設備及其它大小儀器設備共計20件，可隨時測定煤層瓦斯各項基礎參數。2018年委托重慶煤科院測定了4號煤層一采區瓦斯基本參數，結果見表1。

表1 王家嶺煤礦4號煤層一采區瓦斯基本參數測定情況

2.2 瓦斯含量整體變化趨勢分析

煤層埋深是決定煤層瓦斯含量的因素之一。隨著埋深的增加，一方面煤巖體的透氣性變差，煤的吸附瓦斯量增加；另一方面瓦斯向地表運移的距離增長，因此采深越大瓦斯含量一般越高。

隨著標高的加大，瓦斯含量增大。但兩者并不是簡單的線性關系，當標高相對較淺時，隨著深度的增加，瓦斯含量增加較快，標高較深時，瓦斯含量增加相對較慢。

如圖1所示，知王家嶺4號煤層原始瓦斯含量和煤層埋深之間的規律符合以下方程：y=0.011 3x+0.977 1,R2=0.536 7,即埋深每增加100 m，瓦斯含量增加1.13 m3/min。此外，可利用測點數據和坐標[2-3]，繪制4號煤層的瓦斯含量等值線，預測未開采區域的瓦斯賦存情況。

圖1 4號煤層原始瓦斯含量隨埋深的變化趨勢

3 煤層瓦斯涌出特性分析

3.1 煤層瓦斯涌出量預測分析

結合王家嶺煤礦地勘時期的瓦斯含量測定數據，采用分源預測法對礦井分采區進行了瓦斯涌出量預測，預測結果見表2、表3。

王家嶺煤礦瓦斯涌出來源主要是本煤層開采過程中瓦斯涌出及采空區瓦斯涌出，同時，鄰近層瓦斯涌出量較小。

表2 礦井瓦斯涌出量預測結果

表3 回采工作面瓦斯涌出量構成預測結果

3.2 煤層瓦斯涌出量實測分析

2018年度王家嶺煤礦瓦斯涌出量測定的相關人員經煤炭行業管理部門培訓合格后，自行組織了礦井瓦斯涌出量測定工作，并取得集團公司批復。測定結果如下：

測定結果1：全礦井絕對瓦斯涌出量為31.55 m3/min，其中回采工作面、備用工作面、掘進工作面絕對瓦斯涌出量分別為13.52 m3/min、9.04 m3/min、2.16 m3/min，分別占全礦井絕對瓦斯涌出量的42.9%、28.7%、6.8%；其他通風行人巷道、采空區等地點絕對瓦斯涌出總量為6.83 m3/min，占全礦井絕對瓦斯涌出量的21.6%.

測定結果2：礦井布置有1個采區，采區風排瓦斯量為19.36 m3/min，抽采量為12.19 m3/min，其中回采工作面、備用工作面風排瓦斯量分別為6.74 m3/min、3.63 m3/min，抽采量分別為6.78 m3/min、5.41 m3/min。

根據2018年礦井瓦斯涌出量實測結果，知礦井瓦斯涌出量主要來源于采煤工作面，工作面瓦斯主要來源于本煤層和采空區涌出。

最終根據王家嶺煤礦瓦斯涌出量預測結果和實測結果綜合分析，確定王家嶺煤礦4號煤層瓦斯涌出來源主要是采工區及本煤層開采過程中的瓦斯涌出。

4 煤層圍巖的透氣性

煤層本身、圍巖性質及其透氣性對煤層瓦斯含量有較大影響。煤層及其圍巖透氣性越大，瓦斯含量越小，反之則越大。煤層頂底板透氣性低的巖層越厚，則煤層的瓦斯含量越高。通常泥巖、頁巖、粉砂巖和致密的灰巖的透氣性差，而中粗砂巖、礫巖或是裂隙溶洞發育的灰巖則透氣性較好。目前，王家嶺煤礦開采的4號煤層頂板為砂質泥巖、粉砂巖及泥巖，底板為高嶺質泥巖及粉、細砂巖，透氣性差，因此瓦斯含量較高。

5 地質構造

5.1 單斜構造

地質構造是影響瓦斯含量最重要的條件之一，王家嶺煤礦井田總體為向西傾斜的單斜構筑，傾角一般為6°左右。結合圖2所示，4號煤層瓦斯含量分布整體呈現出由東向西逐漸增大的趨勢，與井田整體構造保持了較好的一致性，即井田位置較高瓦斯含量越小，反之則越大。

圖2 4號煤層瓦斯含量等值線

5.2 斷裂構造

斷層對煤層瓦斯含量的影響比較復雜，一方面要看斷層(帶)的封閉性，另一方還要看與煤層接觸的對盤巖層的透氣性。開放性斷層是煤層排放瓦斯的通道，當與煤層接觸的對盤巖層透氣性大時，瓦斯含量較低。封閉性斷層且與煤層接觸的對盤巖層透氣性低時，隔斷了深部煤層與地表的聯系，可以阻止煤層瓦斯的排放，其煤層瓦斯含量較高。

目前王家嶺煤礦4號煤層未發現較大斷層，小型斷層對瓦斯賦存影響不大，斷距最大為1.8 m，經測定，斷層附近煤層瓦斯含量均在2 m3/t左右，瓦斯涌出量較小。

6 沖刷帶對瓦斯賦存的影響

沖刷帶對瓦斯賦存的影響主要看進入沖刷帶后煤層頂板透氣性的變化情況，若頂板透氣性增大則煤層瓦斯含量降低，反之則升高。

王家嶺煤礦18102工作面運輸巷、回風巷在掘進期間進入沖刷帶后，瓦斯含量分別從4 m3/t、2.7 m3/t降至2 m3/t、1.3 m3/t。經分析，進入沖刷帶前，煤層頂板以砂質泥巖為主，透氣性差；進入沖刷帶后，頂板以中、粗砂巖為主，透氣性較大，瓦斯含量降低。

圖3 18102膠帶、回風巷進入沖刷帶示意

7 結 語

1) 王家嶺煤礦4號煤層瓦斯含量隨煤層埋深增大而增大，瓦斯梯度為1.13 m3/(t·100 m)。

2) 王家嶺煤礦4號煤層圍巖的透氣性差，利于瓦斯的存儲。

3) 沖刷帶對瓦斯賦存的影響主要看進入沖刷帶后煤層頂板透氣性的變化情況，若頂板透氣性增大則煤層瓦斯含量降低，反之則升高。

4) 王家嶺煤礦4號煤層瓦斯涌出來源主要是本煤層開采過程中瓦斯涌出及采空區瓦斯涌出。