銅川礦區鼎鑫煤礦瓦斯地質特征分析

陳琳

（安徽省地質礦產勘查局325 地質隊，安徽 淮北 235000）

瓦斯事故是威脅煤礦安全生產的重要地質災害之一，瓦斯賦存特征、瓦斯涌出特征、瓦斯地質條件的持續性評價是礦井地質工作中的重要任務，其對保障煤礦安全高效生產有著重要的指導意義[1-6]。瓦斯在形成、演化和賦存過程中，受沉積環境、構造演化、埋藏深度、地下水、巖漿巖等一系列因素的影響和控制，如何全面的評價瓦斯地質特征是礦井瓦斯防治的難點[7-11]。

銅川礦區鼎鑫煤礦為低瓦斯礦井，目前雖未發生瓦斯爆炸、煤與瓦斯突出等事故，但由于礦井地質條件較復雜，生產中對瓦斯防治工作產生了較為不利的影響。本文以地質勘探和井下監測的瓦斯及相關數據為基礎，全面分析了研究區瓦斯賦存特征、井下瓦斯涌出特征，探討了影響瓦斯含量和涌出量的相關地質因素，以期為該礦瓦斯預抽采和瓦斯災害防治提供依據。

1 地質概況

1.1 生產情況

鼎鑫煤礦位于銅川礦區東南部，井田面積0.948 9 km2，生產規模30 萬t/a，批準開采5 號和10 號煤層，目前主采10 號煤層，開采標高為+985—+795 m。

1.2 地層、煤層

區內含煤地層為上石炭統太原組和下二疊統的山西組。山西組含煤1、2、3 號煤層，均不可采；太原組含4、5、6、9、10 號煤層，5、10 號為可采煤層，其它煤層不可采。

井田內10 號煤層埋深20 ～210 m，煤層底板標高+795—+985 m，勘探資料顯示煤層厚度在0.95（642 孔） ～5.72 m（721 孔），可采率為77%，平均2.55 m，含0～1 層夾矸，夾矸厚度小于0.2 m，煤層結構較簡單。但實際井下揭露煤厚在3 m 左右，該礦開拓大巷及101、102 工作面揭露的10 號煤下分層煤厚均在2 m 以上，反應了在向斜構造中煤厚變化比較大的特點。總體來說，10號煤層屬于全區可采的較穩定煤層。

1.3 煤巖、煤質

該礦10 號煤層的顏色多為黑色和亮黑色，條痕顏色為灰黑。宏觀煤巖組分主要包括亮煤和鏡煤，宏觀煤巖類型主要屬于半光亮至光亮型，油脂光澤，條帶狀結構，貝殼狀斷口。性脆易碎，除薄層夾矸以外，局部還賦存有黃鐵礦薄膜或不規則結核體。總體來說，10 號煤層屬于富灰、高硫、低磷、高熱值的貧煤。

1.4 地質構造

研究區位于鄂爾多斯聚煤區東南緣渭北煤田銅川礦區的東南部，屬于銅-韓斷褶帶次級構造單位內。該構造單元的主要構造特征為擠壓和拉張構造并存，褶皺為主，斷層次之，構造方向主要為NE、NNE 和NW。

該井田總體構造形態為一傾向北北西、緩波狀起伏的單斜構造，地層傾角介于4°～9°，北緩南陡，在單斜的基礎上發育次級向背斜，未發現落差大于20 m 的中大型斷層斷裂（圖1）。其中，小型褶曲較為發育，共發現明顯起伏有5 個，分別為X1 ～X3 向斜，B1 和B2 背斜，褶曲一般軸長1～3 km，總體特點是向斜幅度大，兩翼傾角大，對煤層破壞較嚴重。此外，由于基底奧灰巖面起伏大，10 號煤層厚度變化較大，但基底起伏對5 號煤幾乎無影響。目前，井下實際揭露斷層有5 條，分別為F1 ～F5，正逆斷層均有發育，但落差一般都小于10 m，對采掘活動影響不大。

圖1 鼎鑫煤礦構造綱要Fig.1 Structure outline of Dingxin Coal Mine

2 瓦斯賦存特征分析

2.1 瓦斯參數

依據地質勘探階段的測試結果，井田內5 號煤層瓦斯含量介于0.15 ～0.35 m3/t，平均含量0.28 m3/t；10 號煤層瓦斯含量介于0.39 ～1.12 m3/t，平均含量0.5 m3/t；可以看出井田內淺部煤層的瓦斯含量要小于深部煤層。

瓦斯成分方面，5 號和10 號煤層均以N2為主，占比均在80%以上，CO2次之，CH4的占比極小。井田范圍內的煤系地層位于瓦斯風化帶以內，多屬于CO2-N2帶。

2.2 影響瓦斯賦存的地質因素

（1） 煤層頂、底板巖性特征。

5 號煤層頂板多為中細粒石英砂巖，透氣性相對較好，煤層形成過程中產生的甲烷容易逸散，瓦斯含量低；而10 號煤層頂、底板多為泥巖或砂泥巖互層，透氣性較較差，儲氣能力較強，相應的瓦斯含量就高（表1）。

表1 煤層頂、底板透氣性與瓦斯含量的關系Table 1 Relationship between permeability and gas content of coal seam roof and floor

（2） 地質構造。

依據地勘鉆孔測試的瓦斯含量數據，在X1 和X2 向斜軸部附近，瓦斯含量均較高，為兩翼瓦斯含量的3 倍以上。這是由于在構造應力較為強烈的褶皺轉折端附近容易形成的煤包，該區段煤厚大，產氣量大。

（3） 煤層埋藏深度。

實測數據表明，瓦斯含量和煤層的埋藏深度呈較為明顯的正相關關系。這是由于煤層埋藏淺的區域為瓦斯風化強烈區，瓦斯通過煤層露頭或其他通道直接或間接地向大氣釋放，因此淺部煤層瓦斯含量低。鼎鑫煤礦的瓦斯數據得出，該區瓦斯梯度為2（m3/t） /100 m 左右。

總體來說，井田內瓦斯含量與煤層頂/底板巖性、地質構造、煤層埋藏深度等因素都有一定的相關系。主要表現為，圍巖層理發育、開放性地質構造、煤層埋藏淺、地下水活動較強的，含量少；反之則較高。

3 瓦斯涌出特征分析

3.1 瓦斯涌出特征

井田內瓦斯涌出的主要來源包括采煤工作面、掘進工作面和采空區3 部分。依據礦方最新的瓦斯等級鑒定結果，2022 年8 月份實際生產天數28 d，生產原煤20 897 t，平均日產量為746 t，礦井絕對涌出量為1.88 m3/min，相對涌出量為3.47 m3/t，其中采煤工作面絕對瓦斯涌出量為1.38 m3/min，占礦井瓦斯的涌出量的73%，掘進工作面為0.29 m3/min，占比15%，采空區涌出量占比12%，采面瓦斯涌出量最大，其次為掘進煤和采空區。綜合鑒定鼎鑫煤礦瓦斯等級結果為低瓦斯礦井。

3.2 瓦斯涌出量的影響因素

（1） 瓦斯含量。

煤層自身的瓦斯含量在很大程度上決定了瓦斯的涌出量大小。依據地勘鉆孔測試的瓦斯含量和鄰近區域的瓦斯涌出量的對比發現，瓦斯含量與瓦斯涌出量呈正相關關系，即煤層瓦斯含量越高，相應工作面瓦斯涌出量越大（圖2）。

圖2 瓦斯含量與瓦斯涌出量關系曲線圖Fig.2 Relationship curve between gas content and gas emission

（2） 斷層。

井田內低角度的逆斷層封閉性好，其圍巖透氣性差，利于瓦斯的儲存[7]。如102 工作面在揭露F1斷層時，在距離斷層60 m 左右時，工作面瓦斯濃度由平時的0.03%增至0.09%；隨掘進延伸，瓦斯濃度逐漸增至0.15%，瓦斯的涌出量呈逐漸增大的趨勢。

（3） 地下水與瓦斯的關系。

據該井田全礦井涌水量與全礦井瓦斯涌出量的實測資料分析，兩者呈相互消長的關系，即涌水量大期，瓦斯涌出量相對較低；涌水量減小期，涌出量相對較高。

（4） 采煤方法和采煤工藝。

礦井瓦斯涌出量還受采煤方法和生產工藝的影響。表2 顯示掘進放炮階段，瓦斯涌出量遠大于打眼或支護階段；表3 顯示在同水平的掘進工作面中，瓦斯涌出量隨著掘進量的增加，瓦斯涌出量也隨著增加。

表2 工作面不同工序的瓦斯涌出量對比值（倍數關系）Table 2 Ratio of gas emission in different processes of working face(multiple relationship)

表3 103 回風巷道掘進期間絕對瓦斯涌出量Table 3 Absolute gas emission during tunneling of 103 return airway

此外，礦井瓦斯涌出量還受開采強度的影響。生產中，開采強度越大，瓦斯涌出量也越大；即產量越高，瓦斯釋放的范圍增大，釋放量亦增大。

綜合以上分析，影響鼎鑫煤礦瓦斯涌出量的因素主要包括瓦斯含量、地質構造、地下水、采煤工藝、開采強度等；主要表現為，瓦斯含量高、封閉型構造、地下水活動弱、炮掘、開采強度大時，涌出量大，反之，則小。

4 結 論

（1） 井田內主采煤層的瓦斯含量較低，5 號和10 號煤層平均瓦斯含量分別為0.28 m3/t 和0.5 m3/t；瓦斯成分以N2為主，煤系位于瓦斯風化帶以內；影響瓦斯賦存的主要因素包括煤層頂/底板巖性、地質構造和煤層埋藏深度等。

（2） 井田內瓦斯涌出的主要來源包括采煤工作面、掘進工作面和采空區，其中采煤工作面瓦斯涌出量占主導，煤礦瓦斯等級屬于低瓦斯礦井；影響礦井瓦斯涌出量的地質因素主要包括瓦斯含量、地質構造、地下水、采煤工藝、開采強度等。