大斗溝礦14-3號煤層的瓦斯賦存規律研究

張朋偉，劉占寧，馬澤宇

（1.安陽工學院，河南 安陽 455000；2.河南省自然資源監測院，鄭州 450000）

我國是煤炭資源大國，資源的開采加速經濟的增長，但是對環境也產生了一定的影響。其中，瓦斯突出和爆炸等事故是所有事故中最嚴重的災害之一，對煤礦工人的生命也構成威脅[1]。因此，對于煤層瓦斯地質規律的研究勢在必行。瓦斯是煤層、圍巖、采空區和生產環境在成煤過程中產生的各種氣體的總和[2-3]。瓦斯的產生與煤形成過程中的物質密切相關，因此，瓦斯是地質作用的產物，它的賦存和分布受著各種地質作用和因素的影響。不同時期的地質構造促進了煤層中構造煤的形成，控制了其在井田中的分布和發育程度，進而影響了煤體強度、煤層孔隙結構、煤層吸附解吸特性，地質構造區瓦斯涌出特征及局部儲氣特征[4]。瓦斯賦存量、涌出量和煤與瓦斯突出受地質構造演化的影響，具有一定的瓦斯地質規律。因此，從地質規律角度探析，來進行瓦斯賦存與分布的規律分析，對于預防礦井災害具有很大的指導意義。

1 大斗溝地質概況

大斗溝煤礦位于大同市西南部，大同煤田東翼，設計年產能45萬噸，2006年批準年產能180萬噸。該礦所屬大同侏羅紀煤田總體呈NE向不對稱向斜構造，主向斜軸南部為NE方向，北部為SN方向，二者呈斜連接關系[5]。在此基礎上，發育方向單一的寬緩褶皺（兩翼傾角一般小于10°），沿傾角和走向伴有少量斷層和一定數量的陷落柱。

大斗溝煤礦地質構造對瓦斯賦存的控制：

①相比之下，向斜地質構造的瓦斯賦存情況比背斜地質構造復雜一些，瓦斯含量較高、瓦斯壓力較大。尤其是兩個方向的向斜地質構造結合位置最有利于瓦斯的儲存。

②煤田NE（SN）向斷裂構造是在基底NE（SN）向斷裂的基礎上，于燕山運動時期形成的，并在喜馬拉雅運動時期復活。兩個時期的構造運動應力場狀態有利于NE（SN）向斷裂地質構造的形成。因此，NE向成為內田斷裂的主要發育方向。由于NE向和NNE向構造是左旋擠壓扭轉運動形成的，但在構造應力場中SN向不如NE向有利，其發育程度次于NE向斷裂地質構造，因此兩者都有利于瓦斯的保存。

2 瓦斯賦存主控因素分析

煤層瓦斯賦存與地質構造有一定的關系，其形成、運移、賦存等規律受各自不同地質作用的控制。預測煤與瓦斯突出危險區和瓦斯涌出量的主要方面在于瓦斯地質規律研究，它也是瓦斯含量預測、瓦斯綜合治理的基礎。

2.1 褶曲、斷層對瓦斯賦存的影響

不同褶皺位置瓦斯含量不同，開采過程中瓦斯涌出量也不一樣。大斗溝煤礦位于煤田東南邊緣的北側中部。東南緣為口泉-峨茅口斷裂。大同向斜貫穿整個煤田區域。煤田地層產狀變化受大同煤田總體格局的制約，為寬緩背斜褶皺構造。礦區為寬緩向斜交替褶皺，軸向為NE。地層傾角5°～10°，井田大斷層不發育，小斷層落差1 m～2 m較發育。所以對生產影響不大。

2.2 頂、底板巖性及厚度對瓦斯含量的影響

煤礦開采過程中，孔隙和裂縫發育的砂巖、礫巖和石灰巖的滲透系數比較大，一般比裂縫密集但不發育的頁巖、泥巖等滲透系數高上千倍。大斗溝煤礦14號煤層頂底板皆為細砂巖，局部夾薄層泥巖偽頂，其中頂板厚度在1 m～13.3 m，平均厚度4.17 m，透氣性相對比較好，便于瓦斯逸散。

2.3 煤層上覆基巖厚度對瓦斯含量的影響

大頭溝煤礦中侏羅統云岡組上覆煤層厚度大于177.38 m，主要由中粒砂巖組成，其次為礫巖、細砂巖和粉砂巖，由黃土和壤土組成，與基巖不整合接觸。一般來說，煤層上部地層的巖性有利于瓦斯逸出。

2.4 埋藏深度、底板等高對瓦斯含量的影響

隨著煤層埋藏深度的增大，圍巖滲透性降低，瓦斯含量、壓力等隨著增大。對大頭溝礦14-3號煤層81616工作面、81613工作面、81606工作面、51614掘進面、21614掘進面進行了瓦斯含量測量，獲得了5個瓦斯含量控制點，并對大頭溝礦附近的忻州窯礦14-3號煤層瓦斯基本參數進行了測試。為有效反映全礦瓦斯情況，參考忻州窯14-3號煤層帶巷、回風巷、軌道巷瓦斯含量控制點，

實測瓦斯含量（圖1）。

圖1 大斗溝礦及臨近煤礦瓦斯含量實測值圖

對地質勘探過程中瓦斯含量實測值進行回歸分析，得到大斗溝礦14-3號煤層的瓦斯含量分布規律，即14-3號煤層瓦斯含量隨著地板標高的增大而減小（如圖2），兩者之間具有以下線性關系（相關系數R=0.923）：

圖2 14-3號煤層瓦斯含量與底板標高線性關系圖

式中， Y-煤層瓦斯含量，m3/t；X-煤層底板標高，m。

由式(1)可以得出，14-3號煤層的瓦斯含量增長梯度為2.2 m3/t/100 m，即底板標高加深100 m，瓦斯含量總體增加2.2 m3/t左右，14-3號煤層的采掘范圍在標高1 005 m～1 050 m之間，瓦斯含量總體在1.78 m3/t～3.65 m3/t之間；從相關系數看，底板標高是影響瓦斯分布的重要因素。

3 瓦斯風氧化帶確定及深部預測

3.1 瓦斯風氧化帶確定

一般來說，煤層瓦斯的垂直分帶是連續的，如圖3所示，即二氧化碳-氮氣帶位于煤層最淺部分，根據深度往下依次是氮氣帶、氮氣-甲烷帶、甲烷帶。

圖3 煤層瓦斯垂向分帶圖

瓦斯風化帶下限的確定主要依據瓦斯的具體成分。確定瓦斯風化帶下限的指標主要有：①煤層中所含瓦斯的CH4組分含量為80%；②煤層瓦斯壓力為0.1 MPa～0.15 MPa；③煤的瓦斯含量為2 m3/t～3 m3/t（煙煤）和5 m3/t～7 m3/t（無煙煤）；④瓦斯相對涌出量小于2 m3/t。

大斗溝礦14-3號煤層的埋藏深度與瓦斯含量有一定關系，具體研究得出，瓦斯的地勘與實測均在0 ～3.28 m3/t；其甲烷成分區間是0～27.51%；相反氮氣成分為：73.18%～98.56%，由2009～2020年礦井瓦斯等級鑒定得出大斗溝礦為低瓦斯礦井，相對瓦斯涌出量為1.07 m3/t～6.57 m3/t；間接計算瓦斯壓力0.14 MPa～0.42 MPa。綜上所述，該礦井埋藏深度280 m以上全部位于氮氣-甲烷帶。

通過以上定量分析，我們發現瓦斯含量與煤層底板標高的相關系數為0.923，說明瓦斯含量與煤層底板標高的關系更為密切，因此利用煤層底板標高與瓦斯含量的關系可以用來預測瓦斯含量。由回歸方程：Y= -0.022X+24.885，可得出瓦斯深部預測回歸曲線趨勢圖（如圖4）。

圖4 瓦斯深部預測圖

由預測曲線圖4可知：煤層底板標高從1 035 m到1 050 m時，其瓦斯含量從2.12 m3/t減少到1.79 m3/t，瓦斯賦存是逐漸減少的趨勢，對于深煤層開采相對有利。

4 結束語

研究大斗溝礦14-3號煤層的瓦斯賦存規律，并對瓦斯含量影響因素逐一分析，可知頂底板巖性及厚度、上覆基巖厚度有利于瓦斯逸出，底板標高是影響儲氣的主要控制因素。通過對大頭溝煤礦地質構造規律和特殊性的分析，可以看出大頭溝煤礦14-3號煤層上覆基巖和埋藏深度與瓦斯含量存在相關性。礦井埋藏深度在280 m以上，屬氮氣-甲烷帶。利用煤層底板標高與瓦斯賦存狀態的回歸關系，預測了深部煤層瓦斯含量，得出預測曲線方程Y= -0.022X+24.885，預測結果表明瓦斯含量隨著底板標高的增加而減少，有利于采掘。本文從理論上拓展了煤層瓦斯賦存的地質規律的研究，為今后順利開展大斗溝煤礦瓦斯治理工作提供了參考。