潞寧煤礦2號(hào)煤層瓦斯賦存規(guī)律研究

張 義，曹虎斌，段嘉敏，郭樂宏

(1.山西潞安集團(tuán)潞寧煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 寧武 036706;2.華北科技學(xué)院，北京 東燕郊 101601)

潞寧煤礦2號(hào)煤層瓦斯賦存規(guī)律研究

張 義1，曹虎斌1，段嘉敏2，郭樂宏1

(1.山西潞安集團(tuán)潞寧煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 寧武 036706;2.華北科技學(xué)院，北京 東燕郊 101601)

瓦斯賦存規(guī)律反映了煤層內(nèi)瓦斯含量的分布和特點(diǎn)，掌握該規(guī)律對(duì)礦井瓦斯的科學(xué)預(yù)測(cè)和防治有著非常積極的意義。本文根據(jù)潞寧煤礦2號(hào)煤層地勘時(shí)期的瓦斯參數(shù)和多年來礦方或科研院所井下實(shí)際測(cè)定瓦斯參數(shù)，繪制了井田內(nèi)煤層瓦斯含量的等值線圖。從瓦斯分布來看，2號(hào)煤層瓦斯含量由四周向井田中部的向斜軸部逐漸增大，整個(gè)井田瓦斯含量總體呈現(xiàn)四周低中部高，最大瓦斯含量地點(diǎn)出現(xiàn)在二三采區(qū)和二四采區(qū)之間區(qū)域。從瓦斯含量與煤層埋深的關(guān)系來看瓦斯含量隨埋深的增加而增加，預(yù)測(cè)2號(hào)煤的最大瓦斯含量為4.15 m3/t，瓦斯風(fēng)化帶的埋深為298 m。研究結(jié)果給潞寧煤礦深部開拓開采的瓦斯防治工作提供了可靠依據(jù)，也對(duì)鄰近礦井的瓦斯治理有一定的借鑒作用。

瓦斯含量;埋深;瓦斯賦存規(guī)律;瓦斯防治

0 引言

瓦斯賦存規(guī)律反映了井田內(nèi)煤層瓦斯分布狀況及特點(diǎn)，反映了礦井開采時(shí)的瓦斯涌出量大小。掌握井田內(nèi)的瓦斯賦存規(guī)律有利于礦井瓦斯的科學(xué)預(yù)測(cè)和防治，能夠提前制定針對(duì)性的措施，對(duì)于保障礦井安全生產(chǎn)具有重要的意義。瓦斯賦存規(guī)律主要是瓦斯含量隨煤層賦存的變化情況。瓦斯含量的大小不僅取決于成煤物質(zhì)、成煤環(huán)境、煤的變質(zhì)程度及變質(zhì)類型，而且還受圍巖、地質(zhì)構(gòu)造、水文地質(zhì)條件及巖漿活動(dòng)等因素的影響［1］。由于不同井田的成煤條件不同，其煤層瓦斯分布規(guī)律也均有差異，彭金剛等人根據(jù)煤礦具體條件研究了不同煤礦的瓦斯賦存規(guī)律，并利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)等數(shù)學(xué)方法進(jìn)行［2－7］。

山西潞安集團(tuán)潞寧煤業(yè)有限責(zé)任公司(以下簡(jiǎn)稱潞寧煤礦)位于山西省寧武縣華北屯鄉(xiāng)，該礦2012年被鑒定為高瓦斯礦井，個(gè)別采掘工作面瓦斯涌出量較大。隨著礦井進(jìn)一步延深，特別是二四采區(qū)開拓開采的全面展開，總體掌握煤層瓦斯賦存規(guī)律對(duì)進(jìn)行開拓開采設(shè)計(jì)和制定瓦斯防治措施顯得非常必要。近年雖然請(qǐng)相關(guān)科研機(jī)構(gòu)對(duì)礦井進(jìn)行了瓦斯參數(shù)測(cè)定和瓦斯涌出量預(yù)測(cè)，但沒有就瓦斯賦存規(guī)律進(jìn)行總體的研究。并且井田邊界外沒有類似條件的井田可以提供瓦斯賦存規(guī)律的參考資料。故此對(duì)潞寧煤礦主采的2號(hào)煤層瓦斯賦存規(guī)律進(jìn)行了研究。

1 礦井概況

潞寧煤礦井田位于寧武煤田南部，在縣城西南，直線距離42 km。井田長(zhǎng)9.3 km，寬4.8 km，井田面積30.9994 km2。井田的總體構(gòu)造形態(tài)為走向NE的寧?kù)o向斜，井田位于向斜北中部偏北西翼，大部分位于北西翼，地層平緩。井田內(nèi)斷裂構(gòu)造不發(fā)育，未發(fā)現(xiàn)大的斷層存在，也未發(fā)現(xiàn)陷落柱、巖漿巖等構(gòu)造。總體地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單。

本區(qū)內(nèi)含煤地層為侏羅系大同組上段二、三亞段，位于云崗組底部砂巖K標(biāo)志層之下，共含煤層1層，其中大同組上段二亞段所含煤層厚度僅0.3 m不穩(wěn)定不可采的1#煤層，不具開采經(jīng)濟(jì)價(jià)值;井田的可采煤層位于三亞段上部，自上而下為2#，3#煤層，現(xiàn)開采煤層為2#煤層。2#煤層厚0.35～5.80 m，平均3.28 m，屬中厚煤層。全井田可采性指數(shù)(Km)為0.84，可采范圍內(nèi)煤厚0.7～5.80 m，平均3.79 m，厚度變異系數(shù)(γ)為23%，一般不含夾石，局部含1層夾石。煤厚變化規(guī)律不明顯，大致為:西厚東薄，北厚南薄。頂板巖性多為炭質(zhì)泥巖、泥巖，局部為粉砂巖，底板巖性絕大部分為泥巖。就全井田來看本煤層的層位穩(wěn)定，厚度及煤質(zhì)變化不大，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。本煤層屬大部可采的穩(wěn)定煤層。

本礦井采用斜井開拓方式，全井田共布置主斜井、副斜井、進(jìn)風(fēng)斜井和回風(fēng)斜井四個(gè)井筒。礦井分為兩個(gè)水平開采，一水平標(biāo)高為+1350 m，二水平標(biāo)高為+970 m。2#煤層全井田劃分為五個(gè)采區(qū)，即二一、二二、二三、二四和二五采區(qū)。采用走向長(zhǎng)壁后退式采煤方法，綜采一次采全高，礦井采掘比為2∶5。礦井采用機(jī)械抽出式通風(fēng)方法，通風(fēng)方式為混合式。主斜井、副斜井、進(jìn)風(fēng)斜井進(jìn)風(fēng)，回風(fēng)井回風(fēng)，回風(fēng)井安裝主通風(fēng)機(jī)2臺(tái)，排風(fēng)量為11850 m3/min。礦井瓦斯等級(jí)為高瓦斯礦井，礦井絕對(duì)瓦斯涌出量為19.71 m3/min，相對(duì)瓦斯涌出量為4.78 m3/t。

2 煤層瓦斯含量

對(duì)于生產(chǎn)礦井來說煤層瓦斯含量的資料來源主要有兩個(gè)，一是來源于地質(zhì)勘探時(shí)期的鉆孔瓦斯含量，另一個(gè)礦井生產(chǎn)過程中測(cè)定的不同地點(diǎn)的瓦斯含量。地勘測(cè)試的瓦斯含量結(jié)果控制范圍較大，可反映整個(gè)礦井的瓦斯賦存趨勢(shì)，但由于勘探取煤樣過程中的瓦斯流失問題，造成測(cè)定的結(jié)果偏差較大。而井下實(shí)測(cè)瓦斯含量相對(duì)比較準(zhǔn)確，但只能反映局部瓦斯賦存情況。故本次分析主要以《山西潞安集團(tuán)潞寧煤業(yè)有限責(zé)任生產(chǎn)礦井地質(zhì)報(bào)告》［9］為基礎(chǔ)，結(jié)合歷次請(qǐng)科研院所進(jìn)行的礦井瓦斯相關(guān)研究中實(shí)際測(cè)定煤層瓦斯含量資料和礦井生產(chǎn)過程中礦方自行測(cè)定的瓦斯含量資料進(jìn)行分析。

2.1 地勘煤層瓦斯含量

該井田內(nèi)斷裂構(gòu)造不發(fā)育，未發(fā)現(xiàn)大的斷層存在，井田構(gòu)造屬簡(jiǎn)單類，因此該區(qū)域斷層對(duì)瓦斯的賦存規(guī)律影響較小。井田主體為一向斜構(gòu)造，在向斜軸部附近表現(xiàn)為瓦斯含量增大的趨勢(shì)，由于軸部受河流沖刷影響，煤層變薄至不可采，軸部瓦斯主要受煤厚影響，含量較小。因此，構(gòu)造對(duì)地勘鉆孔瓦斯含量影響較小。

根據(jù)《山西潞安集團(tuán)潞寧煤業(yè)有限責(zé)任生產(chǎn)礦井地質(zhì)報(bào)告》，礦井在地勘期間對(duì)主要煤層的瓦斯含量進(jìn)行了測(cè)定。由于地勘鉆孔測(cè)定的瓦斯含量主要是可燃基的瓦斯含量，因此必須對(duì)地質(zhì)報(bào)告中提拱的鉆孔瓦斯含量數(shù)據(jù)換算成原始煤層瓦斯含量，換算方法見式(1)所示，換算結(jié)果見表1。

式中:Wo——原煤瓦斯含量，m3/t;W——可燃基瓦斯含量，m3/t.r;Aad——煤中空氣干燥基灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%;Mad——煤中空氣干燥基水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%。

表1 地勘鉆孔瓦斯含量統(tǒng)計(jì)表

2.2 井下實(shí)測(cè)瓦斯含量

煤礦生產(chǎn)過程測(cè)定煤層瓦斯含量的方法按大類來說分兩類，一是直接測(cè)定瓦斯含量，另一個(gè)是間接測(cè)定瓦斯含量。

(1)直接法測(cè)定煤層瓦斯含量

直接測(cè)定瓦斯含量時(shí)在井下取煤樣后直接用瓦斯解析儀進(jìn)行解吸得到解吸量，然后再拿到地面進(jìn)行粉碎抽真空解吸得到殘存量，再通過計(jì)算得到損失量，相加得到總的煤層瓦斯含量。

根據(jù)煤炭科學(xué)研究總院撫順分院編制的《潞寧煤業(yè)有限責(zé)任公司深部煤層瓦斯基礎(chǔ)參數(shù)測(cè)定研究報(bào)告》［10］，該院在潞寧煤業(yè)有限責(zé)任公司回風(fēng)下山和22112運(yùn)料巷等地點(diǎn)采集煤樣，采用直接法測(cè)定了2#煤層瓦斯含量，其2#煤層井下實(shí)測(cè)瓦斯含量見表2。

表2 煤層瓦斯含量測(cè)定結(jié)果表

(2)間接法測(cè)定煤層瓦斯含量

采用間接法確定煤層的瓦斯含量是利用煤層瓦斯壓力、空隙率、灰分、水分、視密度等相關(guān)參數(shù)計(jì)算得來。其中吸附瓦斯量的多少，決定于煤對(duì)瓦斯的吸附能力和瓦斯壓力、溫度等條件，可根據(jù)朗格繆爾方程確定，游離瓦斯由煤的孔隙率及煤層瓦斯壓力決定。

煤層瓦斯含量的計(jì)算公式為:

式中:X——煤層瓦斯含量，m3/t;a——吸附常數(shù)，試驗(yàn)溫度下的極限吸附量，m3/t;b——吸附常數(shù)，MPa－1;P——煤層絕對(duì)瓦斯壓力，MPa; Aad——煤的灰分，%;Mad——煤的水分，%; K——煤的孔隙體積，m3/m3;r——煤的視密度，t/m3。

依據(jù)2008年10月煤炭科學(xué)研究總院撫順分院編制的《潞寧煤業(yè)有限責(zé)任公司深部煤層瓦斯基礎(chǔ)參數(shù)測(cè)定研究報(bào)告》，將數(shù)據(jù)以及相應(yīng)的絕對(duì)瓦斯壓力代入上述計(jì)算公式中，計(jì)算結(jié)果如下表3所示。

表3 煤層原始瓦斯含量計(jì)算結(jié)果表

國(guó)內(nèi)理論研究及實(shí)踐均證明，礦井瓦斯含量測(cè)定中，地勘測(cè)試的結(jié)果一般偏小，但它控制范圍較大，可反映整個(gè)礦井的瓦斯賦存趨勢(shì)。而井下實(shí)測(cè)瓦斯含量相對(duì)比較準(zhǔn)確，但只能反映局部瓦斯賦存情況。因此，以地勘測(cè)定結(jié)果為基礎(chǔ)、井下實(shí)測(cè)結(jié)果為依據(jù)，對(duì)井下實(shí)測(cè)同一地質(zhì)單元內(nèi)不同埋深下的瓦斯含量與地勘鉆孔相同、相近埋深的瓦斯含量進(jìn)行對(duì)比修正，得到瓦斯含量修正系數(shù)為K=1.47，潞寧煤業(yè)2#煤層井下實(shí)測(cè)瓦斯含量約為地勘瓦斯含量的1.35倍。修正后的瓦斯含量見表4。

表4 根據(jù)井下實(shí)測(cè)瓦斯含量修正后的地勘瓦斯含量

3 瓦斯賦存規(guī)律分析

考慮到地勘鉆孔瓦斯含量和壓力換算瓦斯含量存在一些偶然性誤差，尤其在煤層地質(zhì)構(gòu)造及賦存條件無較大變化情況下，對(duì)少數(shù)測(cè)定數(shù)據(jù)明顯不符合瓦斯帶賦存趨勢(shì)的測(cè)點(diǎn)進(jìn)行剔除;對(duì)于煤層瓦斯含量明顯小于殘存量和大于吸附常數(shù)的測(cè)點(diǎn)應(yīng)剔除;位于斷層、褶曲軸部、陷落柱等地質(zhì)構(gòu)造附近，明顯受地質(zhì)構(gòu)造影響的瓦斯含量測(cè)點(diǎn)應(yīng)剔除。

《山西潞安集團(tuán)潞寧煤業(yè)有限責(zé)任公司煤礦勘探地質(zhì)報(bào)告》提到“除L11、LB12號(hào)孔2煤層瓦斯含量明顯大以外，其余鉆孔煤層瓦斯含量多為0.50～2 ml/g.daf。瓦斯分帶及瓦斯梯度不明顯。另外，由試驗(yàn)結(jié)果顯示，甲烷含量有些反常，隨煤層埋深減小而瓦斯含量增大。推測(cè)有現(xiàn)場(chǎng)瓦斯解吸操作不當(dāng)引起。”

L11、LB12鉆孔中2號(hào)煤層測(cè)定瓦斯含量不應(yīng)完全舍棄，以相近埋深平均值作為參考。L11鉆孔2號(hào)煤層埋深為484m，相近埋深的鉆孔只有LB2，LB2鉆孔2號(hào)煤層埋深為476 m，瓦斯含量為2.21m3/t，考慮存在一定高差，L11鉆孔2號(hào)煤層瓦斯含量取3.0 m3/t;LB12鉆孔2號(hào)煤層埋深為562 m，相近埋深的鉆孔只有LB8，LB8鉆孔2號(hào)煤層埋深為550.8 m，瓦斯含量為2.57 m3/t，但是比其埋深淺的回風(fēng)下山瓦斯含量為4.06 m3/t，綜合考慮高差影響因素，LB12鉆孔2號(hào)煤層瓦斯含量取4.10 m3/t。

對(duì)2號(hào)煤層瓦斯含量進(jìn)行可靠性評(píng)估和篩選后得到有效的瓦斯含量值，將這些瓦斯含量值和相應(yīng)的取樣或測(cè)定地點(diǎn)的埋深列入同一張表中，見表5。

表5 用于數(shù)據(jù)擬合地勘測(cè)點(diǎn)瓦斯含量

根據(jù)上述數(shù)據(jù)，以埋深為橫坐標(biāo)，煤層瓦斯含量為縱坐標(biāo)，繪制于直角坐標(biāo)系中，得到它們之間關(guān)系的散點(diǎn)圖，見圖1。從圖中可以看出，瓦斯含量變化的總體趨勢(shì)是隨著埋深的增加而升高的。將瓦斯含量和埋深進(jìn)行回歸分析，得到潞寧煤業(yè)2號(hào)煤層瓦斯含量和埋深的回歸方程，見式(3)，回歸的相關(guān)系數(shù)的平方R2為0.6474，說明相關(guān)關(guān)系較好。

圖1 瓦斯含量與埋深關(guān)系圖

W=0.0145H－4.1104 (3)

式中:W——煤層瓦斯含量，m3/t;H——煤層埋深，m。

根據(jù)地勘報(bào)告數(shù)據(jù)，2號(hào)煤層瓦斯含量較高，煤層瓦斯成分以甲烷為主，甲烷成分變化在6.33%～92.13%，平均43.60%;二氧化碳成分變化在1.08%～25.64%，平均10.17%;氮?dú)獬煞肿兓?.74%～78.50%，平均43.89%;屬氮?dú)猓淄閹?。根?jù)《礦井瓦斯涌出量預(yù)測(cè)方法》(AQ1018–2006)標(biāo)準(zhǔn)中瓦斯風(fēng)化帶的下部邊界確定條件綜合分析得出，礦井2#煤層埋深大于298 m處于甲烷帶內(nèi)，埋深小于298m處于瓦斯風(fēng)化帶內(nèi)。

參照煤層底板等高線圖及井上下對(duì)照?qǐng)D，計(jì)算出井田內(nèi)不同地點(diǎn)的煤層瓦斯含量，并根據(jù)煤層瓦斯含量分布情況繪制出2#煤層瓦斯含量等值線圖，見圖2。

根據(jù)潞寧煤礦2#煤層瓦斯含量等值線圖可知，二二采區(qū)最大埋深為560 m，最大瓦斯含量為4.01 m3/t;二三采區(qū)最大埋深為550 m，最大瓦斯含量為3.86 m3/t;二四采區(qū)最大埋深為570 m，最大瓦斯含量為4.15 m3/t;二五采區(qū)最大埋深為470m，最大瓦斯含量為2.70m3/t。從圖2可以看出，2#煤層瓦斯含量由四周向井田中部的向斜軸部逐漸增大，整個(gè)井田瓦斯含量總體呈現(xiàn)四周低中部高，最大瓦斯含量地點(diǎn)出現(xiàn)在二三采區(qū)和二四采區(qū)之間區(qū)域。

4 結(jié)論

(1)根據(jù)潞寧煤礦2號(hào)煤層地勘時(shí)期的瓦斯參數(shù)和多年來礦方或科研院所井下實(shí)際測(cè)定瓦斯參數(shù)，繪制了井田內(nèi)煤層瓦斯含量的等值線圖。結(jié)合煤層賦存狀況分析了2號(hào)煤層瓦斯賦存規(guī)律。

(2)從瓦斯分布來看2號(hào)煤層瓦斯含量由四周向井田中部的向斜軸部逐漸增大，整個(gè)井田瓦斯含量總體呈現(xiàn)四周低中部高，最大瓦斯含量地點(diǎn)出現(xiàn)在二三采區(qū)和二四采區(qū)之間區(qū)域。

(3)從瓦斯含量與煤層埋深的關(guān)系來看瓦斯含量隨埋深的增加而增加，經(jīng)回歸分析得到瓦斯含量與埋深之間具有W=0.0145H－4.1104的線性統(tǒng)計(jì)規(guī)律。根據(jù)模型預(yù)測(cè)煤層埋深每增加100 m，相對(duì)應(yīng)噸煤瓦斯含量增加1.45 m3/t，預(yù)測(cè)2號(hào)煤的最大瓦斯含量為4.15 m3/t，瓦斯風(fēng)化帶的埋深為298 m。

［1］ 張子敏.瓦斯地質(zhì)學(xué)［M］.徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2009.

［2］ 黃建平，許彥鵬，馮利民，等.礦井瓦斯賦存規(guī)律研究［J］.煤炭工程，2009(9):83－85.

［3］ 彭金剛，黃華州，王敏，等.紅陽三礦深部瓦斯賦存規(guī)律及突出危險(xiǎn)性評(píng)估［J］.煤炭技術(shù)，2015，34(11):131－133.

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［5］ 李奇.丁集煤業(yè)深部煤層瓦斯賦存規(guī)律模擬與驗(yàn)證［J］.煤礦安全，2015，46(12):166－169.

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［7］ 吳海軍.沁水煤田里必煤礦瓦斯賦存規(guī)律研究［J］.煤礦安全，2016，47(3):5－8.

［8］ 中煤科工集團(tuán)重慶研究院.山西潞安集團(tuán)潞寧煤業(yè)有限責(zé)任公司礦井(1.80Mt/a)瓦斯涌出量預(yù)測(cè)報(bào)告［R］.2014，7.

［9］ 山西省地質(zhì)勘查局二一一地質(zhì)隊(duì).山西潞安集團(tuán)潞寧煤業(yè)有限責(zé)任公司生產(chǎn)礦井地質(zhì)報(bào)告［R］.2013，10.

［10］ 煤炭科學(xué)研究總院撫順分院.潞寧煤業(yè)有限責(zé)任公司深部煤層瓦斯基礎(chǔ)參數(shù)測(cè)定研究報(bào)告［R］.2008，10.

Study on Gas Occurrence Regularity on 2#Coal Seam in Luning Coal Mine

ZHANG Yi1，CAO Hu－bin1，DUAN Jia－min2，GUO Le－h(huán)ong1

(1.Luning Coal Industry Co.，Ltd.，Shanxi Lu’an Mining Corp.，Ningwu，036706，China; 2.North China Institute of Science and Technology，Yanjiao，101601，China)

Gas occurrence regularity reflects the distribution and characteristics of the gas content in the coal seam.Grasping the regularity has a very positive significance for the scientific prediction and prevention of mine gas.According to the gas parameters of geological survey and the ones measured by the mine or scientific research institute for many years of the coal seam in Luning coal mine，the contour map of gas content in the coal seam is drawn in the paper.From the gas distribution，the gas content of 2#coal seam increases gradually from all around to the synclinal axis of the coal mine central part.The gas content of the whole field appears low all around and high in the center，and the maximum gas content appears between the two－three mining area and two－four mining area.From the relationship between gas content and coal seam burial depth，the gas content increases with the increase of burial depth.The maximum gas content of 2#coal seam is predicted to be 4.15m3/t，and the depth of gas weathering zone is 298m.The results provide reliable basis for gas prevention and control in deep mining of Luning coal mine，and also have reference effect for gas control of adjacent mine.

gas content;burial depth;gas occurrence regularity;gas prevention and control

TD712+.52

A

1672－7169(2016)06－0001－07

2016－09－13

張義(1976－)，男，山西寧武人，大學(xué)畢業(yè)，山西潞安集團(tuán)潞寧煤業(yè)有限責(zé)任公司通風(fēng)科長(zhǎng)，長(zhǎng)期從事礦井“一通三防”技術(shù)及管理工作。E－mail:zhangyitfk@163.com