煤礦煤層瓦斯賦存規律及影響分析

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摘要：根據阿戛煤礦地質資料,對煤礦瓦斯成分、瓦斯含量、瓦斯分帶及瓦斯空間變化規律進行分析，初步探討影響瓦斯賦存因素，為礦井建設及生產過程中編制防突專項設計提供了地質依據，對防治煤礦瓦斯事故的發生有著重要意義。

關鍵詞：阿戛煤礦；主采煤層；瓦斯成分；瓦斯含量；瓦斯分帶；瓦斯賦存；變化規律；地質構造

1.引言

阿戛煤礦位于水城縣中部，礦區位于格目底向斜北翼東段。構造形態為向西南急傾斜的單斜構造，地層走向北西，一般為105°~115°，傾向南東，傾角由東向西有規律地變陡（60°~80°）。礦區可采煤層多，煤層瓦斯含量高，阿戛煤礦屬突出礦井。隨著開采深度的逐漸增加，瓦斯涌出量日漸增大。瓦斯已經成為制約阿戛煤礦安全高效生產的首要問題。根據瓦斯地質相關理論，結合煤礦地質勘探的瓦斯地質資料，研究阿戛煤礦瓦斯資料，找到影響瓦斯賦存的主要控制因素，進而掌握煤礦的瓦斯分布規律，對煤礦在未來開采區域生產過程中的瓦斯防治工作提供依據。

2.區域地質背景

阿戛煤礦區域構造屬羌塘—揚子—華南板塊（Ⅰ）揚子陸塊（Ⅱ）上揚子陸塊（Ⅲ）威寧隆起區（Ⅳ）威寧穹盆構造變形區［1］。礦區處在威寧穹盆構造變形區格目底向斜和水城斷裂之間（見圖1）。水城斷裂作為威寧穹盆構造變形區和六盤水裂陷槽的邊界斷裂，不僅對六盤水裂陷槽的構造演化進行了約束，同時對其西南部包括礦區在內的穹盆構造變形區產生了重要的影響。格目底向斜位于水城斷裂西南側約10km~15km，北西向延伸約70km。向斜兩翼不對稱，南西翼地層向北東方向傾斜，約15°~45°，北東翼地層傾向南西，一般在66°~86°，部分地段甚至倒轉。格目底向斜卷入的地層為二疊系、三疊系以及侏羅系。由于褶皺卷入的地層最新為侏羅系，結合區域資料分析，該向斜為燕山期構造作用的產物。礦區位于格目底向斜北翼東段。構造形態為向西南急傾斜的單斜構造，地層走向北西，傾向南東，傾角由東向西有規律地變陡（60°~80°）。礦區內斷層發育斷層3條。其中走向正斷層1條（F1）、逆斷層2條（F2、F3）。

3.煤礦瓦斯采樣情況

本次研究根據《地勘時期瓦斯含量的測定方法》（GB/T23249-2009）采樣化驗瓦斯樣共99件。

3.1瓦斯成分分析

自然瓦斯成分以CH4為主，濃度為13.80%~90.29%，平均為58.73%，N2濃度為0.38%~57.06%，平均為26.21%，CO2濃度為0%~26.67%，平均為3.71%，重烴濃度為0.25%~28.40%，平均為11.02%（各煤層詳見表1）。

3.2瓦斯含量測試分析

礦區內可采煤層的可燃氣體含量為1.40ml/g~24.44ml/g.daf，全區平均含量為7.85ml/g.daf，其中C1號煤層平均含量為6.76ml/g.daf；C5號煤層平均含量為6.14ml/g.daf；C8號煤層平均含量為4.00ml/g.daf；C9號煤層平均含量為7.17ml/g.daf；C12號煤層平均含量為8.44ml/g.daf；C13號煤層平均含量為9.32ml/g.daf；C14號煤層平均含量為6.96ml/g.daf；C15a號煤層平均含量為12.35ml/g.daf；C15b號煤層平均含量為7.73ml/g.daf；C16號煤層平均含量為10.28ml/g.daf；C18a號煤層平均含量為10.66ml/g.daf；C18b號煤層平均含量為12.40ml/g.daf；C20號煤層平均含量為6.51ml/g.daf；C26號煤層平均含量為4.32ml/g.daf；C43號煤層平均含量為6.18ml/g.daf；C52號煤層平均含量為4.26ml/g.daf；C60號煤層平均含量為6.14ml/g.daf；C64a號煤層平均含量為4.34mL/g.daf；C64b號煤層平均含量為6.05ml/g.daf；C67號煤層平均含量為6.37ml/g.daf；C68號煤層平均含量為4.94ml/g.daf；C69號煤層平均含量為6.22ml/g.daf。本次采瓦斯樣以“集氣式采樣器”采取，瓦斯含量不包括煤樣裝罐前的損失量，故含量數據總體偏小。

3.3瓦斯分帶及瓦斯空間變化規律

瓦斯分帶是根據各瓦斯樣品中的不同氣體與氣體總體積的比值劃分，根據本次地質勘探情況，我們將比例按照0%~20%、20%~80%、80%~100%進行劃分。根據勘探工作中記錄的鉆孔數據，對各可采煤層進行統計，煤礦內瓦斯大致可分為三個帶，分別為N2帶、N2～CH4帶、CH4帶，其中以CH4帶為主。瓦斯梯度：煤層埋藏深度每增加73m時，其瓦斯含量增加1ml/g.daf。瓦斯增長率：煤層埋藏深度每增加100m時，瓦斯含量增加1.38ml/g.daf。瓦斯分布規律為：同一煤層含氣量總體隨埋深的增加而增加。

4.瓦斯賦存及其影響因素

4.1煤巖性質對瓦斯賦存的影響

煤既是氣源巖又是儲集巖，從煤巖、煤化角度研究瓦斯，主要是從生成瓦斯氣體的能力和儲存瓦斯氣體的能力這兩個方面進行研究［1］。

4.1.1瓦斯生成能力煤是天然的瓦斯吸附體，在瓦斯排放條件相同的情況下，煤的變質程度越高，煤層的瓦斯含量越大，原因是瓦斯主要是煤化作用的產物，其產出量直接依賴于煤化程度［2］。阿戛煤礦內可采煤層均為焦煤，以亮煤、暗煤為主，夾少量鏡煤條帶，屬半暗—半亮型煤；各可采煤層灰分平均值介于低灰—中高灰分之間，屬于Ⅲ~Ⅳ變質階段，變質程度均屬中煤階煤，煤巖的瓦斯生成能力處于中高水平，因此巖體的原始瓦斯含量較高。

4.1.2煤巖瓦斯儲存能力煤對瓦斯的儲集能力與煤的孔隙密切相關，孔隙體積和比表面積越大，煤儲集氣的能力越強［3］。孔隙的微孔越發育，煤的儲氣能力越強，比表面積越大，煤的吸附能力越高。孔隙率隨煤化程度增高（或揮發分產率的降低）而降低，隨煤的破壞程度增大而增大。煤的孔隙決定煤的比表面積，比表面積是度量煤巖孔隙內表面積發育程度的物理量，即單位重量煤樣所具有的孔隙內表面積。阿戛煤礦可采煤為焦煤，孔隙率為0.62%~5.26%，平均2.86%，初步評價為吸附能力和解吸能力一般的煤。

4.2地質構造

背、向斜構造對瓦斯賦存的影響，主要是構造軸部為應力集中區，受到擠壓后使軸部煤層變得致密而透氣性較差，煤層生成的瓦斯不易逸散，當外部保存條件較好時，易產生較高的瓦斯含量。斷裂運動是伴隨著構造運動同時發生的，斷裂的類型對瓦斯賦存有著重要的影響：開放型斷層有利于瓦斯逸散，封閉型斷層有利與瓦斯保存［4］。即使在同一煤礦范圍內，地質條件也是不盡相同的，所以同一煤層的瓦斯賦存特征是有變化的，這些變化是由多種控制因素綜合影響的，各控制因素的影響也是不同的。向斜軸部受到的擠壓作用強烈，圍巖的透氣性變得比較低，煤體結構變得松散，游離狀態的瓦斯增加，瓦斯壓力高，有利于瓦斯在向斜軸部富集，所以向斜軸部瓦斯含量往往高于兩翼［5］。阿戛煤礦位于格目底向斜北翼東段，構造形態為向西南急傾斜的單斜構造，地層走向北西，傾向南東，傾角由東向西變陡，利于瓦斯富存，不利于瓦斯釋放。煤礦內發育的F1、F2、F3斷層均為封閉性逆斷層，不利于瓦斯的排放，因此瓦斯含量相對較大，阿戛煤礦劃分為突出礦井。

4.3煤層埋藏深度

隨著煤層埋藏深度的增加，地應力相應增高，同時圍巖的透氣性降低，瓦斯向地表運移的距離也會增大，這種變化有利于瓦斯封存、不利于瓦斯放散［6］。因此，在瓦斯風化帶以下，瓦斯含量一般會隨煤層埋藏深度增加而變大。煤礦內瓦斯含量與埋藏深度具有一定的正相關性（見圖2），顯示隨埋藏深度的增加，煤層瓦斯含量有逐漸增高的趨勢。

4.4煤層頂底板

煤層產生的瓦斯儲存離不開煤巖層中的裂隙空間，這些瓦斯的運移則與連通性好的裂隙通道息息相關。當煤層頂底板為透氣性差的頁巖、砂頁巖時，煤層生成的瓦斯不能充分逸散或運移，所以一般瓦斯含量較高，采掘活動時涌出量也較大。［7］煤礦內含煤地層為二疊系上統龍潭組，巖性由灰色細砂巖、粉砂巖、泥質粉砂巖、粉砂質泥巖、泥巖及煤層組成，屬較軟巖—硬質巖類。這說明頂底板巖性致密，透氣性差，遮擋能力強，屬于屏障層圍巖，不利于煤層瓦斯的逸散，對瓦斯起封存作用。

5.結論

（1）通過對礦區采集的瓦斯樣試驗分析，查明了煤礦瓦斯成分以甲烷為主，含有少量的氮氣和二氧化碳；礦區范圍內，從上到下瓦斯可劃分3個帶；且隨著煤層埋深的增加，瓦斯含量逐步增大。（2）從煤巖體特征、地質構造、煤層埋深、頂底板巖性等方面分析表明，區內的瓦斯賦存環境不利于瓦斯的逸散，有利于瓦斯的富存，導致區內煤層瓦斯含量高，為突出礦井。

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作者：金黎黎 單位：貴州省煤田地質局地質勘察研究院