文家坡煤礦4 號煤層瓦斯賦存規律探究

李浩

（陜西煤田地質勘查研究院有限公司，陜西 西安 710021）

瓦斯是煤層在地質演變過程中形成的伴生物，是煤礦生產中的有害因素之一[1-3]。煤層的瓦斯賦存規律是礦井制定瓦斯治理措施的基礎，對煤礦的安全生產異常重要，針對這個問題，王改明[4]以文家坡煤礦地質構造特征、頂底板巖性和煤層埋深為影響因素，對礦井4 號煤層進行了簡要分析，認為煤層埋深是影響煤層瓦斯含量的主控因素。由于其分析缺乏基礎資料支撐，大多分析不夠深入、不夠系統，對礦區瓦斯的賦存規律把握不夠準確。本文立足于礦區勘探以來積累的翔實的基礎資料，從五個方面較為系統、深入地分析礦區的瓦斯賦存規律，為煤礦未來的安全生產提供了較為翔實的瓦斯方面的參考資料。

1 礦井概況

文家坡煤礦位于彬長礦區東部，行政區劃隸屬陜西省彬州市管轄，其北側、東側為無煤區，南側與火石咀煤礦相鄰，西北側與胡家河煤礦相鄰，西南側與小莊煤礦相鄰，見圖1。礦井規劃面積約為87.39 km2,生產能力為400 萬t/a，主采4 號煤層，全礦井劃分為13個盤區，礦井瓦斯等級為高瓦斯。

圖1 文家坡煤礦周邊礦權關系

2 構造

彬長礦區位于鄂爾多斯盆地南部渭北北緣的彬縣-黃陵拗褶帶。總體構造形態為中生界構成的NW緩傾大型單斜構造[5-6]。其單斜之上發育了一些寬緩而不連續的褶皺。區內主要為一系列NEE 向的同沉積背向斜。向斜兩翼寬緩，傾角為1～6°，背斜相對寬度較小。背斜從南到北有彬縣背斜、路家-小靈臺背斜、董家莊背斜礦區北部的七里鋪-西坡背斜,背斜之間為師家店、南玉子向斜和孟村向斜,見圖2。

圖2 區域構造

文家坡煤礦位于路家-小靈臺背斜與里村小背斜之間的南玉子向斜的東端。區內構造簡單，地層平緩，構造線呈NEE 向，向斜兩翼寬緩，傾角為1～6°。南玉子向斜在西部表現較為明顯，向東逐漸消失。在NEE向構造線的基礎上，發育一系列NNW 向的小型褶曲，構成井田的構造格架。未發現大中型斷裂，生產中揭露數條小斷層，見圖3。

圖3 文家坡煤礦構造綱要

3 煤層

文家坡煤礦含煤地層為侏羅系延安組，含煤9 層，自上而下編號為：1、2、3、4 上1、4 上2、4 上、4、4 下1、4 下2，可采煤層5 層，其中1、2、4 和4 煤分叉煤層4 下1 煤層為大部可采煤層，3 煤層為局部可采煤層，其余為不可采煤層。

4 煤層瓦斯主要基礎參數

4.1 煤礦瓦斯含量及分帶

根據以往地質勘探資料和井下瓦斯實測資料，利用解吸法在文家坡煤礦內40 個鉆孔中采取瓦斯樣40個，井下施測22 個點，采取瓦斯樣20 個，采樣樣品質量均合格。通過分析發現，其自然瓦斯成分以氮氣為主，深部CH4含量增加，干燥無灰基瓦斯含量為0.01～3.75 ml/g，見表1。文家坡煤礦瓦斯以CO2-N2帶為主，其次為N2-CH4帶，見圖4。瓦斯含量測試點主要分布在41 盤區和42 盤區，見圖4。

圖4 文家坡煤礦瓦斯含量測試點分布及底板等高線

4.2 井下瓦斯參數測定

對開采的4 號煤層瓦斯含量進行鑒定：4 號煤層瓦斯含量為0.85～3.75 m3/t（見表1）；瓦斯壓力為0.32～0.64 MPa，平均為0.46 MPa；煤對瓦斯的吸附常數a 值為22.209～35.380 m3/t.r，平均為25.27 m3/t.r；b值為0.620～0.895 MPa-1，平均為0.809 MPa-1；孔隙率為5.37%～8.61%，平均為7.01%；煤層透氣性系數λ為0.13～0.39 m2/MPa2·d，平均為0.231 m2/MPa2·d；鉆孔自然瓦斯流量衰減系數為0.012 3～0.048 0 d-1，平均為0.031 d-1。

5 瓦斯賦存規律研究

5.1 地質構造對瓦斯賦存的影響

煤礦內瓦斯主要受褶曲構造的控制，構造分布的不均衡性導致了瓦斯分布的不均衡性。

（1）斷層對煤層瓦斯的控制

在文家坡煤礦中未發現大中型斷裂，生產中揭露數條小斷層，斷層以小型正斷層為主，結構面大部分具有拉張性質，斷層面疏松，不利于瓦斯的保存，其附近瓦斯逸散，瓦斯含量偏低。例如，區內小斷層附近的8-1 鉆孔和8-2 鉆孔的瓦斯含量分別為0.20 ml/g.daf、0.23 ml/g.daf，與周邊鉆孔的瓦斯含量相比，數據較小，見圖5。

（2）褶曲對煤層瓦斯的控制

文家坡煤礦褶曲分為NEE 褶曲和NNW 褶曲，其中煤礦內大部分區域處于NEE 褶曲的路家-小靈臺背斜（東部）北翼與里村小背斜（東部）南翼之間，中間局部形成NEE 褶曲的南玉子向斜寬緩聚煤凹陷區，在此基礎上，孟村向斜與里村小背斜之間發育了NNW 褶曲（背斜和向斜各3 個）。區內路家-小靈臺背斜、里村小背斜、B1 背斜和B2 背斜控制該區域的瓦斯賦存。背斜周邊地勢相對較高，利于瓦斯的聚集，反之亦然。參照井上瓦斯含量測值，由圖5 可以看出，路家-小靈臺背斜兩側、里村小背斜南翼、B2 背斜兩側和B1 背斜西側,瓦斯含量相對較高，南玉子向斜附近瓦斯含量相對較小。路家-小靈臺背斜南翼鉆孔11-2 的瓦斯含量為0.69 ml/g.daf，北翼鉆孔6-1、鉆孔6-2 和鉆孔9-5 的瓦斯含量分別為0.71 ml/g.daf、0.68 ml/g.daf 和0.88 ml/g.daf；里村小背斜南翼鉆孔12-3 的瓦斯含量為0.71 ml/g.daf；B2 背斜西翼鉆孔4-8 的瓦斯含量為0.31 ml/g.daf，東翼鉆孔5-9 的瓦斯含量為0.14 ml/g.daf；B1 背 斜 西 側 鉆 孔23 的瓦斯含量為1.29 ml/g.daf。南玉子向斜南翼鉆孔2-3、鉆孔6-5和鉆孔8-4 的瓦斯含量分別為0.01 ml/g.daf 和0.02 ml/g.daf 和0.05 ml/g.daf，背斜鉆孔4-6 和鉆孔7-8 的瓦斯含量分別為0.11 ml/g.daf 和0.04 ml/g.daf。由表1 可以看出，路家-小靈臺背斜兩側、里村小背斜南翼、B1 背斜西側這幾個鉆孔瓦斯含量是區內井上瓦斯含量測值中較大的幾個值，B2 背斜兩側鉆孔的瓦斯含量是其周邊鉆孔中瓦斯含量相對較大的；南玉子向斜兩翼鉆孔瓦斯含量值基本為區內瓦斯含量最小幾個值。比較B2 背斜、路家-小靈臺背斜及里村小背斜底板標高可以看出，B2 背斜附近的底板標高遠小于路家-小靈臺背斜和里村小背斜底板。因此，背斜附近的底板標高也不同程度地影響著瓦斯富集程度。

圖5 文家坡瓦斯含量等值線

表1 煤層瓦斯含量測定匯總

由上文可知，文家坡煤礦受區內褶曲的影響，在背斜兩翼（或一翼）附近形成了易于瓦斯富集的區域，背斜附近底板標高越高越有利于瓦斯的富集；向斜兩翼不利于瓦斯的富集。區內在路家-小靈臺背斜兩翼、里村背斜南翼、B2 背斜兩翼和B1 背斜西翼，形成了瓦斯富集區。B2 背斜兩翼底板標高相對較小，瓦斯富集程度相對較小。

綜上所述，地質構造對文家坡煤礦瓦斯的賦存影響較大，其中背斜附近瓦斯含量相對較高，向斜附近瓦斯含量相對較低。受局部小斷層的影響，構造的封閉性變差，導致部分構造區域瓦斯含量發生不同程度的下降。

5.2 頂底板巖性對瓦斯賦存的影響

頂底板巖性特征包括巖石的孔隙率、滲透性和孔隙結構等要素。煤層頂底板巖性對瓦斯賦存的影響，最終取決于它的隔氣性和透氣性。當煤層頂底巖性為致密完整的巖石(如頁巖和泥巖)時，煤層中的瓦斯容易被保存下來，瓦斯壓力較大、瓦斯含量較高，而且煤與瓦斯突出危險程度增大；而頂底板為多孔隙或脆性裂隙發育的巖石（如礫巖和砂巖）區域時，瓦斯封存條件較差，裂隙發育，瓦斯壓力相對較小，瓦斯含量相對較低，煤與瓦斯突出的危險程度較小。煤層圍巖的隔氣性和透氣性能直接影響瓦斯的保存條件。

文家坡煤礦4 號煤層頂板多為泥巖，其次為細-粗粒砂巖，少量粉砂巖，在賦煤區中西部地區，因被古河流沖刷，煤層頂板偶有粗粒砂巖，底板一 般為灰色含鋁質泥巖或粉砂巖。為了便于分析，繪制了文家坡煤礦煤層氣頂板巖性和瓦斯含量關系圖，見圖6。由圖6 可以看出，煤層頂板為泥巖時，瓦斯含量相對較高，煤層頂板為砂巖時，瓦斯含量相對較低。由此可以看出，4 號煤層頂板圍巖巖性與瓦斯含量具有一定的相關性。

圖6 煤層頂板巖性與瓦斯含量關系

5.3 巖漿分布對瓦斯賦存的影響

文家坡煤礦范圍內未發現巖漿巖。

5.4 煤層埋深對瓦斯賦存的影響

大量研究表明煤層埋深對瓦斯賦存的影響很大。在影響煤層瓦斯含量的眾多地質因素中，煤層上覆巖體的厚度對瓦斯保存和逸散起著直接作用，煤層埋深被認為是最具普遍性的因素之一。瓦斯的逸散以擴散方式為主，空間兩點之間的濃度差是其擴散的主要動力。在其他初始條件相似情況下，煤層上覆越厚，達到中值濃度或者擴散終止所需要的時間就越長。煤層本身為一種高度致密的低滲透性巖層，上部分層和下部分層對中部分層有強烈封蓋作用，煤層越厚，中部分層中瓦斯向頂底板擴散的路徑就越長，擴散阻力就越大，對瓦斯的保存越有利。根據地質資料和實測的瓦斯含量、瓦斯壓力點分析，在煤礦范圍內煤層瓦斯含量、瓦斯壓力與煤層埋深關系密切，瓦斯含量、瓦斯壓力、礦井瓦斯涌出量隨著埋深的增加而增加，煤層埋深的增加不僅會使地應力增加，也會使煤層和圍巖的透氣性降低，同時瓦斯向地面的運移距離增加，兩者都有利于瓦斯的保存，而不利于瓦斯的逸散。

從收集到的文家坡煤礦資料來看，文家坡煤礦4號煤層埋深在478～811 m 之間，由圖7 可以看出，煤層埋深較大區域主要位于里村背斜南翼、路家－小靈臺背斜南部及42 盤區向斜附近，參照圖6 內容可知，這些地方大多為瓦斯含量較高的區域，由此可以得出，文家坡煤礦4 號煤層瓦斯含量與煤層埋深有較高的相關性。隨著煤層埋深的增加，煤層瓦斯含量有相對逐漸增高的趨勢，見圖8。另外，隨著煤層埋深的增加，甲烷濃度也有增高的趨勢，見圖9。這說明煤層埋藏越深，上覆基巖厚度越大，瓦斯向地表運移的距離越長，地應力增加，使煤層和圍巖的透氣性變差，煤層瓦斯越難通過覆蓋地層逸散，瓦斯含量就越高，二者相關性較高。

圖7 文家坡煤礦4 號煤層埋深等值線

圖8 4 號煤層埋深與瓦斯含量關系

圖9 煤層埋深與甲烷濃度關系

5.5 沖刷帶對瓦斯賦存的影響

在文家坡煤礦首采區采掘過程中揭露了古河床沖刷帶，整個沖刷帶從西南指向東北，周邊有零星沖刷區塊，見圖10。

圖10 文家坡煤礦沖刷帶

為了探究同生沖刷帶對煤礦瓦斯賦存和涌出的影響，在井下4104 工作面和4105 工作面實測了沖刷帶和正常煤層瓦斯含量，發現沖刷帶瓦斯含量與正常煤層瓦斯含量均在1.7 m3/t 左右，說明同生沖刷帶對瓦斯賦存影響不大，原因有以下兩點。

（1）沖刷帶為同生沖刷帶，呈帶狀分布，沖刷帶頂板與正常煤層頂板巖性相同且連續，具有統一的壓力系統。

（2）沖刷帶大部位于南玉子向斜及延伸區，受古地形影響，該區域為古凹陷，有利于成煤，煤層厚度均在16 m 以上，同生沖刷帶僅對接觸帶煤質有影響，對沖刷帶下部煤層煤質影響不大，因此對沖刷帶煤層吸附氣含量影響均不大。

5.6 煤層厚度對瓦斯賦存的影響

一般認為，煤層越厚，生成瓦斯的總量就越大。文家坡煤礦4 號煤層總體較厚，具有良好的原始瓦斯生成能力。特別是41 盤區和42 盤區大范圍位于聚煤凹陷區，沉積了巨厚煤層。與其他區域相比，該區域瓦斯生成能力較高。由圖11 可以看出，文家坡煤礦4 號煤層隨著煤層厚度增加瓦斯含量有逐漸增高的趨勢。

圖11 4 號煤層煤厚與瓦斯含量關系

6 結論

（1）文家坡煤礦受構造賦煤的影響，在背斜區域附近瓦斯含量相對較高，在向斜區域附近瓦斯含量相對較低。受局部小斷層的影響，構造的封閉性變差，造成部分構造區域瓦斯含量有不同程度的下降。

（2）煤層埋深與區域瓦斯含量的相關性較高，基本遵循埋藏越深瓦斯含量越高的規律。

（3）煤層頂、底板巖性與瓦斯含量具有弱相關性，其中頂板為泥巖時，瓦斯含量相對較高，頂板為砂巖時，瓦斯含量相對較低。沖刷帶對區域瓦斯含量影響有限。

（4）煤層厚度與瓦斯含量也有一定的相關性，隨著煤層厚度的增加，瓦斯含量有增高的趨勢。