煤礦地質(zhì)構(gòu)造與瓦斯賦存規(guī)律的關(guān)系研究

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

關(guān)鍵詞：煤礦地質(zhì)構(gòu)造；瓦斯賦存規(guī)律；安全生產(chǎn)

瓦斯作為煤礦開采過程中主要的危險因素之一，其賦存規(guī)律受到多種地質(zhì)因素的影響。其中，地質(zhì)構(gòu)造是控制瓦斯賦存的重要因素之一。深入研究煤礦地質(zhì)構(gòu)造與瓦斯賦存規(guī)律之間的關(guān)系，對提高煤礦安全生產(chǎn)水平、優(yōu)化瓦斯抽采方案以及合理開發(fā)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(zhì)特點概述

瓦斯在煤層中以吸附態(tài)或受壓自由態(tài)存在，兩者之間會隨著外界環(huán)境的變化，如溫度、壓力等，維持著動態(tài)平衡，其狀態(tài)也隨之發(fā)生變化。一些處于游離狀態(tài)的氣體會隨著壓力的增大或溫度的下降轉(zhuǎn)化為吸附態(tài)氣體；相反，一些吸附性氣體也會在壓降或升溫時轉(zhuǎn)變?yōu)橛坞x態(tài)氣體。自由態(tài)瓦斯變?yōu)槲酵咚贡环Q為吸附，反之稱為解吸，在物理上講，瓦斯解吸為吸熱反應(yīng)。在煤礦生產(chǎn)過程中，人們往往通過測量瓦斯含量和壓力等數(shù)據(jù)，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(xiàn)場測量煤層中的瓦斯壓力，然后利用等溫吸附常數(shù)與工業(yè)分析指數(shù)相結(jié)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(jù)《煤層瓦斯含量井下直接測定方法》（GB/T 23250—2009）規(guī)定執(zhí)行。這種方法要求在同一地點至少應(yīng)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(xù)觀測60～120 min或解吸量小于2 cm3/min為止［2］。

2.2瓦斯風(fēng)化帶的測定

煤層中的瓦斯由深層經(jīng)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(chǎn)生的瓦斯沿煤層和地質(zhì)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(guī)律地、有系統(tǒng)地運動，形成常見的煤層瓦斯風(fēng)化帶（Wassfirmingband）。影響瓦斯風(fēng)化帶的地質(zhì)條件多種多樣，除了埋藏深度以外，還與煤層的傾角、風(fēng)化作用、地質(zhì)環(huán)境結(jié)構(gòu)和地下水運動等因素有關(guān)。上述各要素對瓦斯風(fēng)化帶的發(fā)育都有一定影響，從而使煤礦區(qū)各部位的風(fēng)化帶下限也發(fā)生變化。在實際生產(chǎn)中，明確、準(zhǔn)確地把握風(fēng)化帶的位置，對預(yù)測煤層的賦存狀態(tài)等具有積極有效的作用。

2.3煤層瓦斯產(chǎn)生的壓力分析

煤層壓力指的是煤體孔隙內(nèi)的可移動瓦斯壓力，是其在流體運動作用下，煤層內(nèi)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(nèi)瓦斯壓力的分析，可實現(xiàn)對煤層瓦斯突出風(fēng)險的準(zhǔn)確評估，為煤礦安全生產(chǎn)提供理論依據(jù)。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(yù)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(nèi)注入水泥砂漿。48 h后，將壓力計裝入，操作人員對壓力數(shù)據(jù)進行觀測和記錄，直至其平穩(wěn)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(dāng)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(zhǔn)確性。一般來說，應(yīng)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(nèi)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(qū)塊產(chǎn)量之比等于相對瓦斯涌出量。

2.5煤層瓦斯涌出量的預(yù)測

瓦斯涌出量的預(yù)測，目前主要有2種方法：礦山統(tǒng)計法和分源計算法，可以對一個地區(qū)瓦斯涌出量的提前估計。

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

（2） 礦山統(tǒng)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(zhǔn)確地估計出瓦斯涌出量。

3煤礦地質(zhì)構(gòu)造對瓦斯賦存的關(guān)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(zhì)的含量、成熟度等因素對瓦斯的分布及賦存狀態(tài)也有很大的影響。隨著有機質(zhì)含量的增加，瓦斯產(chǎn)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(fā)中，必須對其進行精細(xì)識別與分析，以掌握其理化特性，進而指導(dǎo)下一步開采。

3.2構(gòu)造條件分析的影響

構(gòu)造環(huán)境對煤層瓦斯的賦存狀況及開采也有很大的影響。在復(fù)雜的地質(zhì)結(jié)構(gòu)區(qū)，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(guī)律。一方面，構(gòu)造活動會引起煤層破裂，加大煤層氣體的逸出風(fēng)險。同時，構(gòu)造活動也會產(chǎn)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(fā)中，必須對其進行精細(xì)的地質(zhì)分析與評價，才能更好地認(rèn)識瓦斯的賦存狀況及規(guī)律，進而有利于煤礦及瓦斯的開采。

3.3斷層及小構(gòu)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(jié)構(gòu)、煤體完整性、煤體微觀形貌及滲透性等都會產(chǎn)生不同的影響，進而對瓦斯的逸出與賦存產(chǎn)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(jié)構(gòu)裂縫，其密度、規(guī)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(yīng)力集中區(qū)，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(fā)育，瓦斯涌出量不斷增加，次生層疊也日益增多。在褶皺結(jié)構(gòu)中，軸部和背斜結(jié)構(gòu)中鄰近流體的有利位置更容易產(chǎn)生氣體噴射，成為氣體泄漏區(qū)，或當(dāng)背斜軸及鄰近張性斷層發(fā)育較好時發(fā)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(fēng)險也更大。

3.4煤層埋藏深度對煤層瓦斯賦存狀態(tài)的影響

煤層埋藏深度對瓦斯?jié)舛绕鹬鴽Q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(nèi)，淺部區(qū)域瓦斯?jié)舛入S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(guān)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(chǎn)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(zhì)條件的關(guān)系

地下水運移，一方面推動裂縫、孔隙內(nèi)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(tài)有著重要影響。水與氣所占據(jù)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(jié)構(gòu)，直接影響著煤層的滲透性，對瓦斯會有一定影響。裂縫的產(chǎn)生與許多因素相關(guān)，如地殼運動和巖性變化等。在煤礦生產(chǎn)中，裂縫的產(chǎn)生與構(gòu)造是影響煤礦安全生產(chǎn)的關(guān)鍵因素。裂縫系統(tǒng)發(fā)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(chǎn)生一定的影響。

4結(jié)語

煤礦地質(zhì)構(gòu)造與瓦斯賦存規(guī)律之間存在著密切的關(guān)系。深入研究這種關(guān)系，對于保障煤礦安全生產(chǎn)、提高瓦斯資源的開發(fā)利用效率具有至關(guān)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(zhǔn)確地掌握瓦斯賦存規(guī)律，實現(xiàn)煤礦行業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展。

參考文獻：

［1］曹佳，李娟，任超.某礦下煤層瓦斯賦存規(guī)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(guī)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(fù)雜地質(zhì)條件下瓦斯運移規(guī)律。