臥龍湖煤礦瓦斯賦存規(guī)律與危險(xiǎn)性預(yù)測

戴中浩，胡寶林，馮士安

（1.安徽省煤田地質(zhì)局，安徽合肥230088；2.安徽理工大學(xué)，安徽淮南232001）

0 引言

瓦斯是煤層中各種地質(zhì)因素綜合作用的產(chǎn)物，其賦存和分布受地質(zhì)條件的影響和制約[1～2]。臥龍湖煤礦中各可采煤層均存在著不同程度的瓦斯情況，因此對(duì)各可采煤層的瓦斯賦存規(guī)律和危險(xiǎn)性預(yù)測進(jìn)行研究是非常有必要的[3]。

1 研究區(qū)概況

臥龍湖煤礦位于安徽省濉溪縣鐵佛鎮(zhèn)岳集鄉(xiāng)境內(nèi)，西以F2 斷層為界，東以F7 斷層為界；北以省界為界，與河南省永城縣葛店煤礦毗鄰，南以F13 斷層和采礦權(quán)邊界為界。南北長約8～9km，東西寬約3.5～4km，面積24.72km2。其地理坐標(biāo)為：東經(jīng)116°26'45″～116°30'00″；北緯33°45'15″～33°52'30″。

臥龍湖煤礦含煤地層為二疊系山西組、下石盒子組及上石盒子組，含煤地層總厚約700m，含10個(gè)煤層（組），煤層平均總厚約7.35m，其中編號(hào)1、2、3、4、5及11煤層為不可采煤層，6、7、8、10為可采煤層?？刹擅簩悠骄偤窦s5.62m，占全部煤層平均總厚的76.5%。

2 測量方法

（1）直接法測量 煤層瓦斯含量實(shí)測采用《煤層瓦斯含量井下直接測定方法（GB/T23250-2009）》直接法測定。直接法測瓦斯含量是根據(jù)煤樣暴露裝罐后一段時(shí)間內(nèi)的實(shí)測瓦斯解吸量，然后按照解吸規(guī)律，利用這段時(shí)間內(nèi)的實(shí)測解吸量推算煤體從暴露那一刻至裝罐解吸測定前這段時(shí)間的損失量，再在實(shí)驗(yàn)室測定解吸測定后煤樣中的殘存瓦斯量，三者之和即為煤層的瓦斯含量[4]。

（2）間接法測量 間接法測定煤層瓦斯含量建立在煤的瓦斯吸附理論基礎(chǔ)上。由于原始煤層中的瓦斯是以游離態(tài)和吸附態(tài)兩種狀態(tài)存在，首先在現(xiàn)場實(shí)測或根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式推知待測位置的煤層原始瓦斯壓力，然后取樣在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行煤的工業(yè)分析、吸附常數(shù)a、b值、煤的孔隙率等參數(shù)的測定，最后根據(jù)瓦斯含量與以上各參數(shù)之間的關(guān)系公式計(jì)算煤層的原始瓦斯含量(公式如下)[5]。

式中：

a、b—吸附常數(shù)；

p—煤層瓦斯壓力，MPa；

t0—實(shí)驗(yàn)室測定煤的吸附常數(shù)時(shí)的試驗(yàn)溫度，℃；

t—煤層溫度，℃；

n—系數(shù)，n=0.02/(0.993+0.07p)；

A—煤中灰分，%；

W—煤中水分，%；

Xx—煤的吸附瓦斯量，m3/t(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下)。

3 礦井瓦斯賦存規(guī)律

瓦斯含量是煤與瓦斯突出礦井的重要參數(shù)，其物理意義是單位質(zhì)量或體積的煤中所含有的瓦斯體積，以m3/t(ml/g)或m3/m3為單位。它不僅是計(jì)算礦井瓦斯儲(chǔ)量和預(yù)測瓦斯涌出量的基礎(chǔ)，也是目前被廣泛采用的預(yù)測突出的重要參數(shù)。

本文主要采用井下瓦斯數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，但為更全面反應(yīng)煤礦瓦斯數(shù)據(jù)特征，本文還搜集整理了臥龍湖礦勘探鉆孔瓦斯數(shù)據(jù)以供參照，其中共選取勘探過程中合格鉆孔瓦斯煤樣99 個(gè)，其中6 煤層26 個(gè)，7煤層29個(gè)，8煤層32個(gè)，10煤層12個(gè)。各可采煤層樣品采集深度為272.50～699.37m。煤層瓦斯成分主要為CH4，次為N2與CO2及少量C2H6、C3H8。CH4成分在0%～98.92%，含量在0～14.11m3/t.daf 之間。N2成分在0.03%～95.51%之間?？碧姐@孔各煤層瓦斯含量情況見表1。

表2 北二采區(qū)6煤層井下實(shí)測瓦斯含量結(jié)果(部分)Table 2. Results of gas content measured underground in coal seam 6 of North No.2 Mining Area (in part)

3.1 6煤層井下瓦斯含量

（1）實(shí)測瓦斯含量 北二采區(qū)6 煤層瓦斯含量實(shí)測結(jié)果如表2(因數(shù)據(jù)較多，各主要煤層實(shí)測瓦斯僅列舉部分)。從實(shí)測結(jié)果看，6煤層瓦斯含量分布變化較大，變化范圍在3.9～13.1m3/t 之間。深部(550～650m)瓦斯含量較大，含量值穩(wěn)定在10～13m3/t 之間(見圖1)。

圖1 臥龍湖礦6煤層實(shí)測瓦斯含量分布Figure 1. Measured gas content distribution in the coal seam 6 of the Wolonghu mine

（2）間接法瓦斯含量 根據(jù)北一采區(qū)底抽巷、6101風(fēng)巷及北翼回風(fēng)巷N9點(diǎn)煤樣的工業(yè)分析結(jié)果及瓦斯吸附參數(shù)試驗(yàn)測定結(jié)果(見表3)，結(jié)合井下各瓦斯壓力測試結(jié)果，求得6煤層的瓦斯含量(見表4)。

依據(jù)6 煤層的瓦斯壓力賦存規(guī)律計(jì)算出對(duì)應(yīng)標(biāo)高處的瓦斯壓力。然后按照公式計(jì)算出瓦斯含量，將計(jì)算得到的結(jié)果與直接法實(shí)測結(jié)果進(jìn)行對(duì)比如圖2。

從圖中可以看出，直接法與間接法得到的6 煤層瓦斯含量具有相似的規(guī)律性，均隨埋深的增加而增加[6]。綜合地面鉆孔瓦斯實(shí)測數(shù)據(jù)、井下實(shí)測數(shù)據(jù)及根據(jù)瓦斯壓力間接法結(jié)果：預(yù)測北一采區(qū)，瓦斯含量在8～14m3/t 之間；北二采區(qū)瓦斯含量在12～15m3/t之間。

3.2 7煤層井下瓦斯含量

（1）實(shí)測瓦斯含量 北二采區(qū)7 煤層瓦斯含量實(shí)測結(jié)果如表5。從實(shí)測的結(jié)果可以看出，北二采區(qū)7煤的瓦斯含量普遍偏大，瓦斯含量值較分散，變化范圍在5.04～18.57m3/t之間，且隨著深度的增加，瓦斯含量有上升的趨勢，深部的瓦斯含量近18m3/t(見圖3)。

（2）間接法瓦斯含量 根據(jù)北二采區(qū)II23底抽巷1#鉆場煤樣的工業(yè)分析結(jié)果及瓦斯吸附參數(shù)試驗(yàn)測定結(jié)果(見表3)，結(jié)合井下各瓦斯壓力測試結(jié)果，求得7煤層的瓦斯含量(見表6)。

表4 臥龍湖煤礦6煤層間接法計(jì)算瓦斯含量一覽表Table 4. Gas content of the Wolonghu coal seam 6 by indirect method

圖2 直接法與間接法測定的6煤層實(shí)測瓦斯含量對(duì)比圖Figure 2. Comparison of measured gas content in coal seam 6 by direct and indirect methods

7 煤層瓦斯含量計(jì)算結(jié)果與直接法實(shí)測結(jié)果對(duì)比如圖4。從圖中可以看出，直接法與間接法測定的煤層瓦斯含量結(jié)果具有相同的趨勢，都隨著埋深的增加而增大。綜合地面鉆孔瓦斯實(shí)測數(shù)據(jù)、井下實(shí)測數(shù)據(jù)及根據(jù)瓦斯壓力間接法結(jié)果：預(yù)測北一采區(qū)，瓦斯含量在8～16m3/t之間，北二采區(qū)瓦斯含量在14～18m3/t之間。

圖3 臥龍湖礦7煤層實(shí)測瓦斯含量分布Figure 3. Measured gas content distribution in coal seam 7 of the Wolonghu mine

3.3 8煤層井下瓦斯含量

（1）實(shí)測瓦斯含量 北二采區(qū)8煤層瓦斯含量實(shí)測結(jié)果如表7。將實(shí)測8煤層瓦斯含量和對(duì)應(yīng)標(biāo)高作圖，得到圖5。從實(shí)測的結(jié)果可以看出，北二采區(qū)8 煤的瓦斯含量較分散，變化范圍在4.4～19.1m3/t之間，且隨著深度的增加，瓦斯含量增量明顯，在深部達(dá)到19.1m3/t，并有進(jìn)一步增加的趨勢。

（2）間接法瓦斯含量 根據(jù)II23底抽巷1#鉆場煤樣的工業(yè)分析結(jié)果及瓦斯吸附參數(shù)試驗(yàn)測定結(jié)果(見表3)，結(jié)合井下各瓦斯壓力測試結(jié)果，求得8煤層的瓦斯含量(見表8)。

8煤層瓦斯含量計(jì)算結(jié)果與直接法實(shí)測結(jié)果對(duì)比如圖6。從圖中可以看出，間接法計(jì)算的8煤層瓦斯含量與實(shí)測的瓦斯含量具有相似的變化規(guī)律，瓦斯含量隨著埋深的增加而增加，深部實(shí)測瓦斯含量值較分散，變化范圍大。預(yù)測北一采區(qū)瓦斯含量在10～20m3/t之間，北二采區(qū)瓦斯含量在7～16m3/t之間。

表5 北二采區(qū)7煤層井下實(shí)測瓦斯含量結(jié)果（部分）Table 5. Results of gas content measured underground in coal seam 7 of North No.2 Mining Area (in part)

表6 7煤層間接法計(jì)算瓦斯含量一覽表Table 6. List of gas content calculated by indirect method in coal seam 7

圖4 直接法與間接法測定的7煤層瓦斯含量對(duì)比Figure 4. Comparison of gas content in coal seam 7 measured by direct and indirect methods

表7 北二采區(qū)8煤層井下實(shí)測瓦斯含量結(jié)果(部分)Table 7. Results of gas content measured underground in coal seam 8 of North No.2 Mining Area (in part)

3.4 10煤層井下瓦斯含量

表8 8煤層間接法計(jì)算瓦斯含量一覽表(部分)Table 8. List of gas content calculated by indirect method in coal seam 8 (in part)

圖6 直接法與間接法測定的8煤層瓦斯含量對(duì)比Figure 6. Comparison of gas content in coal seam 8 measured by direct and indirect methods

（1）實(shí)測瓦斯含量 10煤層瓦斯含量實(shí)測結(jié)果如表9。從實(shí)測的結(jié)果可以看出，首采區(qū)10煤層的瓦斯含量普遍偏大，瓦斯含量值較分散，瓦斯含量變化范圍在2.75～28.56m3/t之間，平均10.86m3/t，且隨著深度的增加，瓦斯含量有上升的趨勢(見圖7)，巖漿接觸帶瓦斯含量偏小，距接觸帶100m左右具有增高趨勢。

表9 10煤層井下實(shí)測瓦斯含量結(jié)果(部分)Table 9. Results of gas content measured underground in coal seam 10 (in part)

圖7 臥龍湖礦首采區(qū)10煤層實(shí)測瓦斯含量分布Figure 7. Measured gas content distribution of coal seam 10 in the first mining area of the Wolonghu mine

（2）間接法瓦斯含量 根據(jù)南一采區(qū)1011底抽巷及南一采區(qū)輔助軌道上山煤樣的工業(yè)分析結(jié)果及瓦斯吸附參數(shù)試驗(yàn)測定結(jié)果(見表3)，結(jié)合井下各瓦斯壓力測試結(jié)果，求得10煤層的瓦斯含量(見表10)。

表10 10煤層間接法計(jì)算瓦斯含量一覽表(部分)Table 10. List of gas content calculated by indirect method in coal seam 10 (in part)

10 煤層瓦斯含量計(jì)算結(jié)果與直接法實(shí)測結(jié)果對(duì)比如圖8。從圖中可以看出，總體上瓦斯含量隨著埋深的增加而增加，但井下實(shí)測的瓦斯含量普遍較高，深部實(shí)測瓦斯含量值較分散，變化范圍大。

4 煤與瓦斯區(qū)域突出危險(xiǎn)性預(yù)測

圖8 直接法與間接法測定的10煤層瓦斯含量對(duì)比Figure 8. Comparison of gas content in coal seam 10 measured by direct and indirect methods

據(jù)《臥龍湖煤礦6 煤層煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性鑒定報(bào)告》《臥龍湖煤礦南一采區(qū)10煤層剩余塊段煤與瓦斯突出區(qū)域劃分》和《臥龍湖煤礦北二采區(qū)瓦斯基礎(chǔ)參數(shù)測定及瓦斯賦存規(guī)律研究報(bào)告》，臥龍湖礦各煤層瓦斯參數(shù)見表11，Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ類煤損失瓦斯量誤差較低[7]。

臥龍湖礦6煤層的破壞類型為III～I(xiàn)V類；煤層瓦斯壓力為0.6MPa（北一采區(qū)），小于突出臨界值0.74MPa；煤樣的堅(jiān)固性系數(shù)f為0.56，大于突出臨界值0.5；瓦斯放散初速度△P為28mmHg，大于突出臨界值10mmHg；煤層瓦斯含量達(dá)8.64m3/t，大于《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》規(guī)定的8m3/t[8]；6煤發(fā)生過瓦斯動(dòng)力現(xiàn)象和突出預(yù)兆。鑒定認(rèn)為：臥龍湖煤礦6煤層具有突出危險(xiǎn)性，－475m 及以深煤層的瓦斯壓力超過突出臨界值。

臥龍湖礦7煤層的破壞類型為III～I(xiàn)V類；煤層瓦斯壓力為1.85MPa（－645.5m），大于突出臨界值0.74MPa；煤樣的堅(jiān)固性系數(shù)f為0.38，小于突出臨界值0.5；瓦斯放散初速度△P為12.2mmHg，大于突出臨界值10mmHg；瓦斯含量達(dá)18m3/t（-628m），大于《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》規(guī)定的8m3/t。

7 煤層下距8 煤層平均間距僅7.52m。根據(jù)7 煤層瓦斯壓力變化規(guī)律推算，-540m及以深煤層瓦斯壓力超過突出臨界值。

8煤層根據(jù)煤炭科學(xué)研究總院重慶分院《臥龍湖煤礦北一采區(qū)8煤層開拓后區(qū)域預(yù)測報(bào)告》鑒定為突出煤層；臥龍湖煤礦對(duì)北一采區(qū)8煤層進(jìn)行開拓后區(qū)域預(yù)測。同時(shí)經(jīng)安徽恒源煤電股份有限公司2009年34號(hào)文批復(fù)，臥龍湖煤礦北一采區(qū)8煤層標(biāo)高－478.1m及以深為突出危險(xiǎn)區(qū)。

臥龍湖礦10煤層瓦斯風(fēng)化帶下限為-340m，即標(biāo)高-340m以淺的區(qū)域?yàn)闊o突出危險(xiǎn)區(qū)，標(biāo)高-340m及以深和巖漿巖侵入邊界以外60m 范圍的區(qū)域?yàn)橥怀鑫ｋU(xiǎn)區(qū)域。

綜上可知，6 煤層-475m 以深煤層的瓦斯壓力超過突出臨界值；7 煤層-540m 以深煤層瓦斯壓力超過突出臨界值；8煤層標(biāo)高-478.1m以深為突出危險(xiǎn)區(qū)；10煤層-340m以淺區(qū)域?yàn)闊o突出危險(xiǎn)區(qū)，-340m以深和巖漿巖侵入邊界以外60m 范圍的區(qū)域?yàn)橥怀鑫ｋU(xiǎn)區(qū)域。根據(jù)《煤礦瓦斯等級(jí)鑒定暫行辦法》《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》和《煤礦地質(zhì)工作規(guī)定》的劃分原則，臥龍湖礦的礦井瓦斯類型為“極復(fù)雜”。

5 結(jié)論

臥龍湖煤礦的編號(hào)6、7、8、10 煤層的井下瓦斯實(shí)測及間接法計(jì)算含量有較好的對(duì)比性，且均隨著深度增加而增加，四個(gè)煤層的瓦斯含量不同程度地超過了《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》規(guī)定的8m3/t，為突出煤層，因此臥龍湖煤礦鑒定為煤與瓦斯突出礦井。同時(shí)根據(jù)《煤礦瓦斯等級(jí)鑒定暫行辦法》《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》和《煤礦地質(zhì)工作規(guī)定》的劃分原則，臥龍湖礦的礦井瓦斯類型劃為“極復(fù)雜”。