郑州祥隆地质工程有限公司 河南新密 452371
摘要：通过对杜儿坪煤矿井田构造、区域地质、煤层埋深等因素的分析，查明了煤层埋深是瓦斯含量的主控因素，在建立多元回归方程、数学模型的基础上得出瓦斯含量分布规律，采用体积法对2号煤层进行了煤层气资源量预测，为有效治理和利用矿井瓦斯奠定了基础。
关键词：煤层；地质构造；瓦斯含量；赋存规律
1 矿井概况
杜儿坪煤矿地处大虎峪、小虎峪山涧，杜儿坪井田位于西山煤田东部边缘，北与西铭矿相邻，南以杜儿坪断层为界，西部与东曲矿相邻，东部以煤层露头为界，井田长约10km、宽6.48km，面积69.7km2。
1.1 煤层
井田内主要含煤地层为石炭系上统太原组、二叠系下统山西组，其中2号煤层位于山西组中部，煤厚1.02～4.67m，煤层变异系数33%，可采系数100%，发育好、对比容易，属稳定可采煤层。
1.2 煤层瓦斯参数
⑴瓦斯压力。瓦斯压力是瓦斯突出预测和瓦斯涌出量预测的重要参数，是判别煤与瓦斯突出的一个有效指标。
⑵钻孔瓦斯。2号煤层瓦斯含量3.76～17.64m3/t.daf。
⑶吸附常数、透气性系数等。2号煤层孔隙率2.21～6.71%，透气性系数1.62m2/(MPa2·d)，吸附常数a为22.28～25.19m3/t.r、b为1.06～1.10MPa-1。
2 地质构造及其对瓦斯赋存的控制
井田位于西山煤田东北隅复式向斜北东翼，地层走向大致北西—南东，向南西倾斜。井田内除发育落差较小的高角度正断层外，还以褶曲构造为主，褶曲两翼宽缓且发育一定数量的次级褶曲，这些次级褶曲部位陷落柱特别发育，陷落柱周围煤岩层内节理密集型出现。
因地质构造、煤层赋存不同，致使不同区域矿井瓦斯涌出量存在较大差异，主要表现在：①2号煤层开采时其下部3号、8号、9号煤层因采动影响部分瓦斯涌出到2号煤层工作面，使得开采时的2号煤层瓦斯涌出量变大；②2号煤层北区采煤期间绝对瓦斯涌出量40～45m3/min，南区在10m3/min以下，随着向深部延伸瓦斯涌出量渐增。
3 矿井瓦斯地质规律研究
3.1 煤层埋深及上覆基岩厚度对瓦斯赋存的影响
煤层瓦斯含量由游离瓦斯含量和吸附瓦斯含量两部分组成，主要采用直接法和间接法进行测定。煤层瓦斯含量可根据朗格缪尔方程确定：
式中：W—煤层瓦斯含量，m3/t；a，b—吸附常数；P—煤层绝对瓦斯压力，MPa；Ad—煤的灰分，%；Mad—煤的水分，%；fn—煤的孔隙率，%；r—煤的视密度，t/m3。
煤层瓦斯含量沿倾向分布规律常用瓦斯含量与上覆基岩厚度之间关系表示，对多数矿井而言，煤层瓦斯含量随着上覆基岩厚度的增加而增大，两者之间具有良好的线性关系。
据表1，回归分析瓦斯含量（y）与其上覆基岩厚度（x）的关系，建立了如下数学模型：y=0.0066x+2.2813
式中：y—煤层瓦斯含量，m3/t；x—上覆基岩厚度，m；R—相关系数。
该矿地形起伏变化大，造成小范围标高有时差异明显，凸起区瓦斯含量大，凹陷区瓦斯含量小，北盘区瓦斯含量大，南盘区瓦斯含量小，褶曲轴部较翼部瓦斯含量大，陷落柱附近、断层附近瓦斯涌出量较低，深部开采时瓦斯涌出量远大于浅部开采时瓦斯涌出量，矿井绝对瓦斯涌出量随产量增加而增大，相对瓦斯涌出量则随产量增加无明显变化。
测定结果表明矿井相对瓦斯涌出量12.77～40.35m3/t，大于10m3/t，绝对瓦斯涌出量69.15～122.45m3/min，远大于40m3/min，矿井瓦斯等级属高瓦斯矿井。
3.2 顶、底板岩性对瓦斯赋存的影响
围岩透气性对煤层瓦斯含量有着重要影响，2号煤层顶板多为砂质泥岩、泥岩，底板多为中细粒砂岩、砂质泥岩，这些岩性都为煤层瓦斯保存创造了有利条件。
3.3 水文地质条件对瓦斯赋存的影响
煤系地层的水文地质条件对瓦斯的保存、破坏影响很大，造成不同水文地质条件下煤层的瓦斯含量差异大，在平面和剖面上水动力活跃区瓦斯含量小，在水动力不活跃或滞流区瓦斯含量高。
3.4 瓦斯含量分布及预测
通过以上定性、定量分析找出了煤层埋深、上覆基岩厚度是影响2号煤层瓦斯含量的主要因素，由回归方程得：270m、582m处瓦斯含量趋势值分别是4m3/t.daf、6m3/t.daf，瓦斯含量梯度为0.64m3/t.daf/100m。
4 分源预测法预测瓦斯涌出量
分源预测法技术原理是：根据煤层瓦斯含量和矿井瓦斯涌出的源汇关系，利用瓦斯涌出源的瓦斯涌出规律并结合煤层赋存条件和开采技术条件，通过对回采工作面和掘进工作面瓦斯涌出量的计算，达到预测采区和矿井瓦斯涌出量的目的，计算公式如下：
⑴开采煤层（包括围岩）瓦斯涌出量：
式中：q1—开采煤层（包括围岩）相对瓦斯涌出量，m3/t；k1—围岩瓦斯涌出系数；k2—工作面丢煤瓦斯涌出系数；k3—顺槽掘进预排瓦斯对工作面煤体瓦斯涌出影响系数；m0—煤层厚度，m；m1—煤层采高，m；X0—煤层瓦斯含量，m3/t；X1—煤的残存瓦斯含量，m3/t。
⑵邻近层瓦斯涌出量：
式中：q2—邻近层瓦斯涌出量，m3/t；mi—第i个邻近层厚度，m；m1—开采层的开采厚度，m；ki—取决于层间距离的第i邻近层瓦斯排放率；X0i—第i邻近层原始瓦斯含量，m3/t；X1i—第i邻近层残存瓦斯含量，m3/t。
⑶煤壁瓦斯涌出量：
式中：q3—煤壁瓦斯涌出量，m3/t；n—煤壁暴露面数；m—煤层厚度，m；Q0—煤壁瓦斯涌出初速度，m3/m2·min；L—巷道长度，m；v—掘进平均速度，m/min。
5 煤层气资源量计算
5.1 计算方法
煤层气资源量计算方法主要有类比法、气藏数值模拟法及体积法，体积法(容积法)是我国目前煤层气储量计算普遍采用的一种方法，适应于各个级别煤层气地质储量计算，计算公式如下：
式中：Gi—煤层气地质储量，m3；A—煤层含气面积，km2；h—煤层净厚度，m；—煤的密度，t/m3；Cad—煤的干燥基含气量，m3/t。
5.2 计算参数
5.2.1 计算基本条件
⑴计算边界。瓦斯地质图中标有瓦斯风氧化带的区域可不进行储量计算，煤层含气量、煤层厚度下限值由瓦斯含量等值线、钻孔数据进行确定。
⑵计算单元划分。气田内具有相同或相近煤层气赋存特征的储层划为一个单元，达不到产量下限的煤层净厚度边界、含气量下限边界和瓦斯风氧化带边界不加以计算。
5.2.2 计算参数确定
矿井瓦斯地质图能集中反映大量地质资料和瓦斯资料，从而可确定煤层气资源量计算过程中的计算单元面积、煤层有效厚度、煤质量密度、含气量等大部分参数。
5.3 计算结果及评价
2号煤层气根据体积法预测资源量(C级)525.84Mm3，属小型储量规模，平均资源量丰度0.19×108m3/km2，煤层埋深大部分在600m以浅，煤层气为浅部埋藏。
6 结语
⑴在对矿井瓦斯赋存规律研究的基础上，依据瓦斯赋存构造逐级控制理论，采用分源预测法对2号煤层瓦斯涌出量和瓦斯含量进行了预测。
⑵2号煤层埋藏深、厚度大，开采时瓦斯涌出量大，在构造异常带采煤更应加大瓦斯防治工作。
参考文献：
[1] 张子敏，张玉贵．瓦斯地质规律与瓦斯预测[M]．北京：煤炭工业出版社，2006：4，55．
[2] 宋岩，张新民．构造对煤层气成藏的控制作用[M]．北京：科学出版社，2005：140-151．
[3] 魏兵.宏远煤矿瓦斯涌出预测及防治研究[D].辽宁工程技术大学，2011年
作者简介：
刘松(1974-)，男，河南中牟人，硕士研究生，高级工程师，注册二级建造师，中国煤炭学会、地质学会会员，长期从事矿山地质、水文地质、生产地质补勘及矿井防治水工程等生产实践与研究工作。
论文作者:刘松
论文发表刊物:《防护工程》2017年第6期
论文发表时间:2017/7/14
标签：瓦斯论文; 煤层论文; 含量论文; 矿井论文; 厚度论文; 地质论文; 基岩论文; 《防护工程》2017年第6期论文;