深部煤层瓦斯赋存规律及其涌出特征

（徐州矿务集团公司夹河煤矿，江苏 徐州 221167）

摘 要： 根据通风、瓦斯报表资料，了解前期已暴露煤壁的瓦斯涌出情况，并测定新鲜煤壁的瓦斯涌出量大小，找出瓦斯涌出规律。依照煤层瓦斯分布规律、瓦斯涌出情况、煤层透气性及煤样工业性分析结果，分析预测深部煤层采掘过程中的瓦斯涌出特征。

关键词： 深部煤层；瓦斯；赋存规律；涌出特征

瓦斯是煤矿的主要自然灾害之一，长期以来一直严重威胁着煤矿的安全生产和矿井的经济效益。近几年来，少数低瓦斯矿井由于瓦斯规律不明，对突发的局部瓦斯异常涌出常疏于防范，相继发生了一系列的重大瓦斯事故（根据近几年统计资料初步表明，该类事故约占事故总数的25%左右），给国家和人民的生命财产造成了巨大损失。因此，矿井瓦斯赋存、瓦斯涌出及其防治技术的研究多年来一直是我国煤矿，特别是高、突瓦斯矿井的重点研究课题，瓦斯研究工作受到了人们的高度重视。

1 夹河煤矿深部煤层瓦斯赋存规律及涌出特征研究的目的和意义

夹河煤矿是徐州矿务集团公司主力矿井之一。从近几年生产中瓦斯涌出情况及实际瓦斯涌出资料来看，夹河煤矿矿井瓦斯来源较为丰富，因此，随着矿井开采深度的进一步延伸，瓦斯涌出量的增加，瓦斯涌出异常现象的发生将成为可能。故探明并了解深部煤层瓦斯赋存规律及其涌出特征，对于更好地采取具有针对性的瓦斯防治技术措施，避免采掘工作面瓦斯积聚和超限、甚至煤与瓦斯突出事故的发生，做到预防瓦斯超前，实现矿井安全采煤具有十分重要的现实意义。

2 夹河煤矿2^#、7^#和9^#煤层物理性质和煤层特征分析

2.1 2^#、7^#和9^#煤层描述

（1） 下石盒组2^#煤层

2^#煤层全区发育，沉积特征明显，属结构复杂、沉积较稳定的可采中厚煤层。煤层厚度0.20～4.41 m，平均1.81 m，煤的容重为1.34 t/m³，其变化规律与井田构造格架有关。

（2） 山西组7^#煤层

7^#煤层全区发育，沉积特征明显，属全区可采的较稳定中厚煤层。煤层厚度0.37～5.35 m，平均2.28 m，煤的容重为1.34 t/m³，其变化规律与井田构造格架有关。

（3） 山西组9^#煤层

9^#煤层在夹2号断层以东及F1号断层上盘，总体上9^#煤层沉积厚度大，稳定性好；而夹2号断层以西煤层沉积厚度小，稳定性差，属大部区域可采的较稳定中厚煤层。煤层厚度0.20～4.05 m，平均1.49 m，煤的容重为1.35 t/m³，其变化规律与井田构造格架有关。

2.2 夹河煤矿2^#、7^#和9^#煤层物理性质

夹河煤矿2^#、7^#和9^#煤层物理性质如表1所示。

表1 夹河煤矿2^#、7^#和9^#煤层物理性质

煤层号	颜色	光泽	坚固性系数	真密度	视密度	断口	裂隙
2#	黑色	半亮～半暗淡型	2.065	1.314 3	1.247 8	条带状、鳞片状至块状	发育
7#	黑色	半亮型，玻璃光泽	3.435	1.336 8	1.253 4	条带状、具平坦状至贝壳状	发育
9#	黑色	半亮～光亮型玻璃光泽	2.812	1.313 2	1.220 6	条带状、块状结构	发育

3 夹河煤矿2^#、7^#和9^#煤层瓦斯地质分析

3.1 钻孔煤层瓦斯含量及成分分析

近几年，集团公司地质勘探工程处对夹河煤矿2^#、7^#和9^#煤层进行了23次瓦斯含量解吸测定，钻孔煤层瓦斯分析使用瓦斯吸附解吸实验仪及气样色谱质谱仪进行煤层瓦斯含量测定与成分分析。测定结果如表2所列。由表2可知，7^#、9^#煤层甲烷含量较2^#煤层高，各煤层瓦斯成分均以甲烷为主，重烃微量。据煤层瓦斯成分分析，本煤田瓦斯分带应为沼气带。

表2 主要煤层瓦斯含量与成分测定结果

煤层编号	甲烷含量 毫克/克·可燃物	瓦斯成分
		CH4（%）	CO2（%）	N2（%）	C2～C8（%）
2#	0.575～4.661 2.73	27.33～82.71 60.76	6.70～17.97 12.06	0.06～56.44 22.58	0.00～8.08 4.60
7#	0.487～8.374 4.49	35.02～91.91 66.07	4.99～13.54 8.74	0.09～52.66 23.64	0.00～4.08 1.55
9#	0.690～10.119 4.528	42.29～94.62 78.28	2.47～13.20 7.04	1.89～37.22 14.39	0.00～1.28 0.29

3.2 夹河煤矿瓦斯地质分析

综合分析瓦斯测试结果来看，夹河煤矿深部煤层瓦斯赋存特征为：

（1） 7^#、9^#煤层瓦斯含量较高，绝对瓦斯量与相对瓦斯量按1∶1.3计算，7^#煤层有2个样，9^＃煤层有1个样，所换算的相对瓦斯涌出量大于10 m³/t·d。

（2） 各主要煤层瓦斯含量成分复杂，除甲烷外，可燃气体还包括C₂H₆～NC₄H₁₀。CO₂含量一般占总气体量的7.04%～12.06%。

（3） 封闭式的F1和F2逆断层对瓦斯的逸散没有影响，而作为张开式的F4正断层附近瓦斯含量明显减少。

（4） 煤层顶底板岩性对瓦斯气体的保存有一定影响。

（5） 夹河煤矿整体上属于低瓦斯矿井，但在夹河煤矿的西部区域，由于存在小型褶曲构造，顶板砂岩含泥质成分，透气性差，为瓦斯积聚创造了条件。曾在西部区域采掘过程中，不同程度地发生过瓦斯涌出和小型喷出现象，最高相对瓦斯涌出量高达9.76 m_³/t·d，该区域属于异常瓦斯涌出区。

（6） 地质构造与瓦斯涌出关系密切。小断层密集地段，易于瓦斯的扩散和溢出，瓦斯涌出往往偏低；对于2^#煤层来说，由于1^#煤层与2^#煤层相距较近，瓦斯联系较为密切，当开采2^#煤层时，必须注意1^#煤层对2^#煤层的影响，避免发生瓦斯涌出现象；对于工作面处于小型褶曲的轴部时，易于出现瓦斯积聚。

3.3 夹河煤矿瓦斯涌出特征分析

根据采掘工作面瓦斯涌出量的观察，夹河煤矿瓦斯涌出量有以下几个特点：

（1） 深部水平的相对瓦斯涌出量高于浅部水平的相对瓦斯涌出量，如表3所列。可见，随着开采水平不断向深部延伸，地温和地压不断增加，CH₄和CO₂的相对瓦斯涌出量呈现增加趋势，如表3所列。

表3 夹河煤矿不断延伸的CH₄和CO₂的相对瓦斯涌出量

年度	绝对瓦斯涌出量（m3/min）		相对瓦斯涌出量（m3/t·d）
	CH4	CO2	CH4	CO2
2001	10.59	10.45	4.58	4.51
2002	12.93	8.96	4.94	3.42
2003	10.18	13.3	4.41	3.79
2004	13.04	12.87	5.22	5.61
2005	11.02	8.04	5.22	3.81
2006	14.03	11.78	6.64	5.58

（2） 下石盒子组煤层瓦斯相对涌出量高于山西组煤层瓦斯相对涌出量。

（3） 瓦斯涌出量与煤层厚度及顶、底板岩性有关。煤层较厚时，瓦斯含量高，而煤层较薄时，瓦斯含量低。同时，煤层的顶、底板岩性亦与煤层的瓦斯含量有密切关系。当顶板为泥岩且完整时，透气性差，不利于瓦斯的逸散，瓦斯含量往往较高；当顶板为砂岩且裂隙发育时，透气性较好，有利于瓦斯的逸散，瓦斯含量往往较低。

从以上分析可见，随着矿井的延伸，地温和地压的不断增大，夹河煤矿的瓦斯涌出量也有增大的趋势，瓦斯异常涌出区也将增多。因此，对于瓦斯的管理不可掉以轻心，特别是对于开拓新水平或靠近褶曲及断裂带附近时，必须注意瓦斯涌出量的变化。

3.4 夹河煤矿瓦斯赋存影响因素分析

（1） 煤层的围岩条件

煤层是瓦斯的良好储集层，围岩的性质直接影响到煤层瓦斯含量的大小。从煤层顶、底板岩性看，2^#、7^#和9^#煤层直接顶均由泥岩、砂质泥岩组成，局部为中、细砂岩。当煤层顶板为泥岩时，甲烷含量一般较高；当煤层顶板为砂岩时，甲烷含量一般较低。

（2） 褶曲结构对瓦斯含量的影响

褶曲对煤层瓦斯的分布和聚集有一定影响。从各煤层甲烷含量分布可以看出，较高的甲烷含量点多分布在背斜轴心处，特别是地垒构造带形成高瓦斯区，同时也受煤层顶板岩性变化的影响。

（3） 断层结构对瓦斯含量的影响

井田断层较发育，大小断层多达几十条，且以逆断层为主，断层落差在8～270 m之间，主要分布于井田中部。由各煤层甲烷含量分布可以看出，断层附近钻孔甲烷含量一般较低，分析其原因与井田经历3个时期时，不同方向挤压力产生的裂隙和煤层与对盘接触的岩性有关。当煤层与对盘砂岩接触时，瓦斯含量降低；当煤层与对盘泥岩接触时，瓦斯含量趋于增大。

3.5 各煤层瓦斯涌出来源分析

开采区域内主要可采煤层分为2^#、7^#和9^#煤层，按照由上而下的开采顺序，首先开采的煤层，瓦斯涌出量不仅包括本煤层瓦斯涌出量，而且包括相邻煤层的卸压瓦斯涌出量，因此首先开采的煤层瓦斯涌出量较大，当首采的煤层开采后，其余煤层瓦斯涌出量均低于本煤层的瓦斯含量，所以，做好首采煤层的瓦斯治理工作非常关键。

3.6 各煤层瓦斯突出预测

从钻孔采取各煤层煤芯制作煤样进行煤的瓦斯吸附解吸实验，从测定结果分析可看出，7^#、9^#煤层甲烷含量较2^#煤层高，各煤层瓦斯成分均以甲烷为主，重烃微量。据煤层瓦斯成分，井田瓦斯分带应为沼气带。同时按照由上而下的开采顺序，首先开采2^#煤层，使7^#、9^#煤层得到解放和瓦斯释放，从而消除局部7^#、9^#煤层区域的高瓦斯涌出和可能发生的瓦斯动力现象。

4 结语

从以上有关夹河煤矿3个煤层（2^#、7^#、9^#）物理性质和煤层特征分析、钻孔煤层瓦斯含量及成分的实验分析和井田瓦斯地质分析，可以得出以下几点结论：

（1） 夹河煤矿2^#、7^#、9^#煤层赋存稳定，受到地质破坏较少，孔裂隙均较发育，有利于煤层瓦斯的释放。

（2） 夹河煤矿2^#、7^#、9^#煤层瓦斯成分以甲烷为主，重烃微量，井田煤层瓦斯属于沼气带。

（3） 从井田瓦斯地质状况分析，当煤层顶板为泥岩时，甲烷含量一般较高；当煤层顶板为砂岩时，甲烷含量一般较低。较高的瓦斯含量点多分布在背斜的轴部。而较低的甲烷含量点多分布在背斜两翼部位。当煤层与断层相遇时，若与断层对盘砂岩接触，则瓦斯含量降低；若与断层对盘泥岩接触，瓦斯含量趋于增大。

（4）按照由上而下的开采顺序，首先开采的2^#煤层，瓦斯涌出量不仅包括本煤层瓦斯涌出量，而且包括相邻煤层的卸压瓦斯涌出量，因此瓦斯涌出量较大，而7^#和9^#煤层瓦斯涌出量均低于本煤层的瓦斯含量，所以做好2#煤层的瓦斯治理工作非常关键。

（5）根据钻孔取样的初步瓦斯参数分析，可以确定2^#、7^#、9#煤层均没有突出危险。

第一作者简介：张雷(1980-),男，山东微山县人，2001年毕业于北京工业职业技术学院采矿工程专业，2006年毕业于中国矿业大学工商管理专业，注册安全工程师，采矿助理工程师，现任夹河煤矿生产技术部主管工程师。