某礦下4、下5煤層瓦斯賦存規(guī)律研究

曹 佳， 李 娟， 任 超

(徐州長(zhǎng)城基礎(chǔ)工程有限公司，江蘇 徐州 221000)

1 礦井概況

榆樹田煤礦位于新疆庫(kù)車縣境內(nèi)，距離庫(kù)車縣城約60 km。煤礦為基建礦井，劃定礦區(qū)面積約5.66 km2，范圍由9個(gè)拐點(diǎn)坐標(biāo)圈定，開采深度由1 700～1 050 m標(biāo)高。煤礦設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力90萬噸/年，服務(wù)年限為69.8 a，第一水平標(biāo)高+1 300 m。2017年進(jìn)行試生產(chǎn)，主采煤層下5煤，煤層平均厚度9.35 m，煤層傾角約14°。

礦井位于夏闊坦向斜東段，橫跨夏闊坦向斜兩翼，向斜軸部為中侏羅統(tǒng)克努爾組(J2k)地層，向兩側(cè)依次為下侏羅統(tǒng)阿合組(J1a)，塔里奇克組(J1t)地層。向斜軸呈近東西向展布，東部翹起，向西傾伏，北翼緩，地層傾角10°～14°，南翼陡，地層傾角40°～60°。為不對(duì)稱向斜。區(qū)內(nèi)未發(fā)現(xiàn)>30 m的斷層。礦區(qū)構(gòu)造復(fù)雜程度屬中等類。

2 瓦斯地質(zhì)工作概況

據(jù)收集資料，煤礦勘探階段下4、下5煤共采集了13個(gè)瓦斯樣，其中下4煤層瓦斯樣3個(gè)，下5煤層瓦斯樣10個(gè)，下4煤層平均瓦斯含量0.643 m3/t，下5煤層平均瓦斯含量1.34 m3/t。

煤礦于2013～2017年間通過井下實(shí)測(cè)和實(shí)驗(yàn)室測(cè)定的方式對(duì)下4、下5煤層的瓦斯基礎(chǔ)參數(shù)進(jìn)行了測(cè)定。瓦斯含量及壓力測(cè)試點(diǎn)位置主要集中于開拓大巷及設(shè)計(jì)110501工作面，共取得數(shù)據(jù)21組，其中下4煤層瓦斯含量0.73～5.78 m3/t，下5煤層瓦斯含量4.24～7.44 m3/t；下4煤層瓦斯壓力0.15～0.70 MPa，下5煤層瓦斯壓力0.20～0.73 MPa。由于勘探階段鉆孔瓦斯含量數(shù)據(jù)與井下實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相比相差較大，本次研究認(rèn)為地勘階段鉆孔瓦斯資料誤差較大，數(shù)值偏低，故本次研究相關(guān)瓦斯數(shù)據(jù)均采用井下實(shí)測(cè)數(shù)值。

3 煤層瓦斯賦存規(guī)律分析

3.1 瓦斯賦存的控制條件

一般認(rèn)為，煤層瓦斯賦存受到煤的變質(zhì)程度、煤層厚度、構(gòu)造條件、煤層頂(底)板巖性、水文地質(zhì)條件、埋藏深度等因素影響。本文主要針對(duì)煤礦下4、下5煤層瓦斯賦存的以下因素進(jìn)行分析。

(1)構(gòu)造條件：榆樹田煤礦位于夏闊坦向斜東段，橫跨夏闊坦向斜兩翼，為南翼陡、北翼緩的不對(duì)稱向斜，次級(jí)斷裂不發(fā)育。全區(qū)瓦斯含量整體上沿向斜軸由翹起端向傾伏端逐漸增大，又北翼緩而南翼陡，向斜北翼含量略高于南翼。

(2)煤層頂(底)板巖性：礦井各煤層頂板多為粉砂巖，局部為泥巖和砂質(zhì)泥巖，底板基本為粉砂巖和砂質(zhì)泥巖。泥巖與砂巖相比較致密，孔隙半徑較小，對(duì)瓦斯有較強(qiáng)的封存能力。另外，厚層砂巖易于發(fā)生斷裂構(gòu)造，致使圍巖透氣性大，瓦斯易于流失，從而降低煤層瓦斯含量。全區(qū)范圍內(nèi)各煤層頂?shù)装褰^大部分為粉砂巖，故頂?shù)装鍘r性不是影響本區(qū)煤層瓦斯賦存的主要因素。

(3)煤層埋深及上覆基巖厚度：煤層埋深及上覆基巖厚度是煤層瓦斯賦存的重要控制因素。一般而言，煤層中的瓦斯壓力隨著埋藏深度的增加而增大，隨著瓦斯壓力的增加，在煤與巖石中游離瓦斯量所占的比例增大的同時(shí)，煤中的吸附瓦斯逐漸趨于飽和。由此可以推斷，在一定深度范圍內(nèi)，煤層瓦斯壓力及含量隨埋深的增大線性增加。

本區(qū)內(nèi)基巖大面積裸露，第四系覆蓋層沿現(xiàn)代沖溝小面積分布，因此，榆樹田煤礦的埋深和上覆基巖厚度基本一致，從深度上可以合并研究其對(duì)瓦斯賦存的影響。本區(qū)瓦斯含量一般情況下由東北至西南隨著埋深(上覆基巖厚度)增加而逐漸升高。

(4)巖漿巖分布：區(qū)內(nèi)無巖漿巖分布，煤層未受到巖漿活動(dòng)破壞或影響，故巖漿巖對(duì)本次研究的下4、下5煤層瓦斯賦存均沒有影響。

3.2 瓦斯含量、壓力預(yù)測(cè)

通過前文對(duì)地質(zhì)相關(guān)因素的分析，本次研究認(rèn)為煤層埋深是榆樹田煤層瓦斯賦存最重要的地質(zhì)控制因素。故本次研究利用礦井已知的瓦斯含量、壓力數(shù)據(jù)，剔除離差較大數(shù)據(jù)，建立煤層瓦斯含量及壓力與煤層埋深的相關(guān)性，如圖1所示。

圖1 下4、下5煤層埋深與瓦斯含量、壓力關(guān)系圖

由于本次研究測(cè)點(diǎn)位置相對(duì)集中且數(shù)據(jù)相對(duì)較少，各煤層線性變化規(guī)律可能與實(shí)際有一定的誤差，本次暫以此作為繪圖及預(yù)測(cè)依據(jù)，礦井在之后的生產(chǎn)過程中應(yīng)根據(jù)實(shí)際測(cè)定的多點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行修正、調(diào)整。根據(jù)本次對(duì)煤層埋深和瓦斯含量、壓力進(jìn)行線性擬合分析，得出相關(guān)方程如下。

下4煤層W4=0.0135h-0.3026R2=0.9745

(1)

下5煤層W5=0.0153h+0.0117R2=0.9713

(2)

下4煤層P4=0.0016h-0.0294R2=0.9423

(3)

下5煤層P5=0.0010h+0.2358R2=0.9874

(4)

式中：W為瓦斯含量，m3/t；P為瓦斯壓力，MPa；h為煤層埋深，m。

根據(jù)(1)～(4)式計(jì)算，研究區(qū)內(nèi)下4煤層埋深范圍為160～480 m，預(yù)測(cè)瓦斯壓力0.23～0.63 MPa，預(yù)測(cè)瓦斯含量1.86～6.18 m3/t。下5煤層埋深范圍為180～500 m，預(yù)測(cè)瓦斯壓力的范圍為0.42～0.71 MPa；預(yù)測(cè)瓦斯含量為2.76～7.66 m3/t。

4 煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性分析

榆樹田煤礦為基建礦井，未發(fā)生過煤與瓦斯突出事故，根據(jù)本區(qū)瓦斯預(yù)測(cè)情況來看，煤礦在第一水平+1 300 m標(biāo)高及以上(埋深475 m以淺)區(qū)域煤層瓦斯含量及壓力均為達(dá)到預(yù)測(cè)突出危險(xiǎn)性的臨界值。但本次預(yù)測(cè)采用的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)均位于本構(gòu)造單元的淺部，且相鄰生產(chǎn)礦井榆樹嶺煤礦實(shí)測(cè)瓦斯壓力為0.52 MPa，測(cè)試點(diǎn)位置亦處于本構(gòu)造單元的淺部，推測(cè)本區(qū)深部瓦斯含量及壓力較高。故研究區(qū)在深部(+1 300 m以深)可能存在煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性。

5 結(jié)語(yǔ)

通過對(duì)榆樹田煤礦的瓦斯賦存規(guī)律的分析研究，得知礦井瓦斯含量整體上沿向斜軸由翹起端向傾伏端逐漸增大，瓦斯含量隨著煤層埋深逐漸增大的規(guī)律基本明顯。同時(shí)采用線性回歸擬合法對(duì)瓦斯含量與瓦斯壓力進(jìn)行研究，得出下4、下5煤層埋深與瓦斯含量、壓力的相關(guān)方程并對(duì)瓦斯含量及壓力進(jìn)行了預(yù)測(cè)。依據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果，煤礦在第一水平+1 300 m標(biāo)高及以上(埋深475 m以淺)區(qū)域沒有瓦斯突出危險(xiǎn)性。但是隨著開采深度的加大，瓦斯含量及壓力均會(huì)增加，故在深部(+1 300 m以深)可能存在煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性。