煤礦地質構造與瓦斯賦存規律的關系研究

摘要：煤炭作為一種重要的能源，對國家的經濟發展具有舉足輕重的地位。煤礦安全生產事關國家財產和人民生命安全。但是，在礦井中發生的瓦斯事故，卻是關系到礦井安全和高效生產的重要問題。煤礦瓦斯的賦存狀態受地質結構的影響和制約，因此，必須通過對礦井地質結構的研究，才能達到有效防治瓦斯災害的目的，從而掌握煤礦生產過程中瓦斯賦存的自然規律，進而有效防治礦井的瓦斯災害，提高礦井的安全管理水平和生產效益。通過對礦井瓦斯賦存規律的分析與探討，以期為礦井的安全生產提供參考。

關鍵詞：煤礦地質構造；瓦斯賦存規律；安全生產

瓦斯作為煤礦開采過程中主要的危險因素之一，其賦存規律受到多種地質因素的影響。其中，地質構造是控制瓦斯賦存的重要因素之一。深入研究煤礦地質構造與瓦斯賦存規律之間的關系，對提高煤礦安全生產水平、優化瓦斯抽采方案以及合理開發利用瓦斯資源，具有重要的理論和實際意義。

1煤層中瓦斯的地質特點概述

瓦斯在煤層中以吸附態或受壓自由態存在，兩者之間會隨著外界環境的變化，如溫度、壓力等，維持著動態平衡，其狀態也隨之發生變化。一些處于游離狀態的氣體會隨著壓力的增大或溫度的下降轉化為吸附態氣體；相反，一些吸附性氣體也會在壓降或升溫時轉變為游離態氣體。自由態瓦斯變為吸附瓦斯被稱為吸附，反之稱為解吸，在物理上講，瓦斯解吸為吸熱反應。在煤礦生產過程中，人們往往通過測量瓦斯含量和壓力等數據，對其進行探測，從而評價瓦斯抽采及利用的可能性［1］。

2煤層中瓦斯含量分析

2.1煤層中瓦斯含量的測量方法和原理

（1） 直接測量法：直接測量法一般包括井下瓦斯解吸、地面破碎前解吸瓦斯、破碎后解吸瓦斯等，且需進行瓦斯損失及不可解吸瓦斯的計算。該方法操作繁瑣，周期長，一般8 h才能完成一組分析，不能達到快速檢測的目的。

（2） 間接測量法：間接測量法要求首先在現場測量煤層中的瓦斯壓力，然后利用等溫吸附常數與工業分析指數相結合的方法推算出煤中的瓦斯含量。但該方法也存在耗時久的缺陷，一般要20天才能完成一套檢測。

（3） 井下直接測量法：井下直接測量法是根據《煤層瓦斯含量井下直接測定方法》（GB/T 23250—2009）規定執行。這種方法要求在同一地點至少應布置2個取樣鉆孔，取樣點間距不小于5 m，井下自然解吸瓦斯量連續觀測60～120 min或解吸量小于2 cm3/min為止［2］。

2.2瓦斯風化帶的測定

煤層中的瓦斯由深層經多個通道向地表移動，再加上地表以上空氣和其他生物活動產生的瓦斯沿煤層和地質裂隙向下移動，從而引起地下和地表的反向互動，使煤層中的瓦斯由淺向深、有規律地、有系統地運動，形成常見的煤層瓦斯風化帶（Wassfirmingband）。影響瓦斯風化帶的地質條件多種多樣，除了埋藏深度以外，還與煤層的傾角、風化作用、地質環境結構和地下水運動等因素有關。上述各要素對瓦斯風化帶的發育都有一定影響，從而使煤礦區各部位的風化帶下限也發生變化。在實際生產中，明確、準確地把握風化帶的位置，對預測煤層的賦存狀態等具有積極有效的作用。

2.3煤層瓦斯產生的壓力分析

煤層壓力指的是煤體孔隙內的可移動瓦斯壓力，是其在流體運動作用下，煤層內部的壓力。煤層壓力既是瓦斯涌出的一個參照值，又是瓦斯涌出的主推動力。通過對煤層內瓦斯壓力的分析，可實現對煤層瓦斯突出風險的準確評估，為煤礦安全生產提供理論依據。在測試煤層原始瓦斯壓力時，采用水泥灰漿或黃泥封堵。鉆孔完成后，工人們在鉆孔預定的密封深度安裝壓力試驗管，并在孔口處用木塞將測壓管堵死，然后用注漿泵不斷地向孔內注入水泥砂漿。48 h后，將壓力計裝入，操作人員對壓力數據進行觀測和記錄，直至其平穩為止。尤其要指出的是，在鉆井穿越地層的過程中，由于煤層底層含水，當鉆孔閉合后，孔隙中往往會積聚大量的水，使測得的壓力變成了水壓，會影響測壓的準確性。一般來說，應該等到測壓管沒有水流出以后再安裝壓力測試表。

2.4煤的瓦斯涌出量分析

瓦斯涌出量是指礦井及巖層中瓦斯涌出的多少。其表示方式分為絕對瓦斯涌出量和相對瓦斯涌出量。用m3/min表示絕對瓦斯涌出量，指單位時間內瓦斯涌出的體積；相對瓦斯涌出量用m3/t表示，由此可得出同期每t煤的相對瓦斯涌出量。在煤量不變的情況下，二者成正比，因為絕對瓦斯涌出量與區塊產量之比等于相對瓦斯涌出量。

2.5煤層瓦斯涌出量的預測

瓦斯涌出量的預測，目前主要有2種方法：礦山統計法和分源計算法，可以對一個地區瓦斯涌出量的提前估計。

（1） 分源計算法根據煤礦瓦斯賦存和礦井瓦斯涌出量的源匯關系，對瓦斯的涌出量進行估算，該法要求煤層瓦斯參數作為參考，非常詳細和全面，一般在新建礦井中進行，計算方法比較復雜。

（2） 礦山統計法是一種比較簡單易操作的方法，可用于測定煤礦開采過程中瓦斯的涌出量，但可能存在較大誤差。若有較多的瓦斯資源，用此法仍能較準確地估計出瓦斯涌出量。

3煤礦地質構造對瓦斯賦存的關系影響

3.1煤層的種類對瓦斯賦存的影響

煤層巖體的類型對煤層瓦斯的賦存狀況及開采有很大的影響。由于煤層巖體的理化特性差異較大，所以對煤層瓦斯的吸附、解吸、運移等過程有顯著影響。其中，以褐煤、長焰煤為代表的低階煤，其孔隙度高、滲透率高，對瓦斯的運移與開采十分有利。但高階煤的孔隙度低、滲透性差，使得瓦斯運移與采出困難。煤中有機質的含量、成熟度等因素對瓦斯的分布及賦存狀態也有很大的影響。隨著有機質含量的增加，瓦斯產量也隨之增加；隨著成熟度的提高，煤層瓦斯的吸附性也隨之增強。在瓦斯勘探開發中，必須對其進行精細識別與分析，以掌握其理化特性，進而指導下一步開采。

3.2構造條件分析的影響

構造環境對煤層瓦斯的賦存狀況及開采也有很大的影響。在復雜的地質結構區，煤層常受到強烈的擠壓、剪切等變形，從而改變煤層中瓦斯的賦存與運移規律。一方面，構造活動會引起煤層破裂，加大煤層氣體的逸出風險。同時，構造活動也會產生一些有利的天然氣儲存空間，例如褶皺軸、斷層帶等，為瓦斯的聚集與保存提供了有利條件。在瓦斯勘探開發中，必須對其進行精細的地質分析與評價，才能更好地認識瓦斯的賦存狀況及規律，進而有利于煤礦及瓦斯的開采。

3.3斷層及小構造對瓦斯賦存影響

斷層的作用是多方面的，特別是裂隙對煤體結構、煤體完整性、煤體微觀形貌及滲透性等都會產生不同的影響，進而對瓦斯的逸出與賦存產生一定的影響。在靠近斷層的煤層及頂板、底板地層中形成一系列的結構裂縫，其密度、規模和類型對瓦斯涌出量都有一定的影響。該斷裂是一種開放的、封閉程度低的斷裂面，它是瓦斯運移的主要通道。逆沖斷裂以壓扭性為主，封閉性好，瓦斯不易通過斷裂表面運移，而在逆沖斷裂的斷口處，則會形成一個應力集中區，從而增加煤體的承壓能力，增加瓦斯的吸附量。在大型斷裂中，如果斷裂落差比較大，斷層錯位破碎帶較寬，則有利于瓦斯逸出。同時煤層層疊發育，瓦斯涌出量不斷增加，次生層疊也日益增多。在褶皺結構中，軸部和背斜結構中鄰近流體的有利位置更容易產生氣體噴射，成為氣體泄漏區，或當背斜軸及鄰近張性斷層發育較好時發生剝蝕。由于煤層沿水平方向和沿巖層的滲透性要強于垂直面，因此，傾向較緩的褶曲一翼的瓦斯含量高于陡急一翼的煤層，其瓦斯突出風險也更大。

3.4煤層埋藏深度對煤層瓦斯賦存狀態的影響

煤層埋藏深度對瓦斯濃度起著決定性的作用。隨著煤層埋深的增加，瓦斯在地層中向地表運移的距離增加，更不易散失。同時，開采深度的增大使煤層在采動壓力下的滲透率下降，這對瓦斯的保護起到了有利作用。隨著煤體瓦斯壓力的提高，煤體對瓦斯的吸附能力也隨之提高，同時也使煤體中的瓦斯含量增加。在甲烷帶內，淺部區域瓦斯濃度隨深度增大而增大。一般而言，隨著埋藏深度的增加，瓦斯量逐漸增加，且兩者之間的相關性很強。

3.5煤層厚度對瓦斯賦存的影響

煤層是瓦斯的主要儲藏地，煤層的厚度對瓦斯含量及產量有很大的影響。煤層的厚度大，瓦斯含量高。

3.6瓦斯賦存與水文地質條件的關系

地下水運移，一方面推動裂縫、孔隙內瓦斯運移，另一方面也將溶于水的瓦斯一并運移。同時，水分的吸附也會降低煤體對瓦斯的吸附能力，增加瓦斯的釋放量。因而，地下水的活性對瓦斯的賦存狀態有著重要影響。水與氣所占據的空間具有互補性，即水多瓦斯少，水少瓦斯多。

3.7煤礦裂隙對瓦斯賦存的影響

裂隙作為特殊的微觀結構，直接影響著煤層的滲透性，對瓦斯會有一定影響。裂縫的產生與許多因素相關，如地殼運動和巖性變化等。在煤礦生產中，裂縫的產生與構造是影響煤礦安全生產的關鍵因素。裂縫系統發育，使煤層滲透性增加，對瓦斯的開采有利，而裂隙較差的煤層對瓦斯的抽采效果產生一定的影響。

4結語

煤礦地質構造與瓦斯賦存規律之間存在著密切的關系。深入研究這種關系，對于保障煤礦安全生產、提高瓦斯資源的開發利用效率具有至關重要的作用。隨著科技的不斷進步和研究的深入，相信在未來能夠更加準確地掌握瓦斯賦存規律，實現煤礦行業的高質量發展。

參考文獻：

［1］曹佳，李娟，任超.某礦下煤層瓦斯賦存規律研究［J］.資源信息與工程，2019，34（2）：91-92.

［2］王峰，陳婭鑫.小莊煤礦煤層瓦斯賦存規律研究［J］.中國煤炭，2019，45（2）：40-44.

作者簡介：劉旋，男，陜西咸陽人，助理工程師，碩士，研究方向：復雜地質條件下瓦斯運移規律。