劉向陽，田 凱

(1.陜西省一九四煤田地質(zhì)有限公司，陜西 銅川 727000；2.陜西省煤田物探測(cè)繪有限公司，陜西 西安 710000)

0 引言

能源是國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的源動(dòng)力，煤炭是中國(guó)的主要能源，礦井瓦斯是影響煤炭工業(yè)發(fā)展的重要因素，也是危害煤礦安全生產(chǎn)的重要因素之一，不安全的煤炭開采會(huì)導(dǎo)致煤礦安全事故，其元兇就是礦井瓦斯，它是存在于煤礦巷道中的甲烷氣體，嚴(yán)重威脅著井下人員的生命安全和礦井設(shè)施安全，尤其是煤與瓦斯突出、瓦斯煤塵爆炸等重大惡性瓦斯事故已成為影響煤礦安全生產(chǎn)的頭號(hào)殺手，不僅會(huì)對(duì)井下生產(chǎn)設(shè)施破壞，還會(huì)迫使企業(yè)正常生產(chǎn)中斷，從而引起人們對(duì)煤炭行業(yè)的心理恐懼。隨著煤炭資源開采強(qiáng)度和深度的不斷增加，礦井瓦斯對(duì)煤礦安全生產(chǎn)的威脅將日趨嚴(yán)重，為了遏制煤礦瓦斯事故、促進(jìn)煤礦安全生產(chǎn)，因此有必要對(duì)煤礦瓦斯的賦存規(guī)律和突出危險(xiǎn)性有一個(gè)全面的了解和分析，同時(shí)也對(duì)煤礦安全生產(chǎn)具有指導(dǎo)意義。

1 礦井概況

陜西雙龍煤業(yè)開發(fā)有限責(zé)任公司(雙龍煤礦)隸屬于黃陵礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，位于陜西省黃陵縣雙龍鎮(zhèn)，交通較便利。東西寬約2～6 km，南北長(zhǎng)約1.75～11.03 km，形狀不規(guī)則，面積為34 km2。

1.1 地質(zhì)條件

含煤地層為侏羅系中統(tǒng)延安組中下部，共含煤2層，自上而下編號(hào)為：0號(hào)煤、2號(hào)煤，2號(hào)煤層是區(qū)內(nèi)唯一可采煤層，全區(qū)分布。厚度0.61～4.50 m，平均2.32 m。屬于中厚煤層，煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不含或含1～3層夾矸，夾矸厚度一般0.20～0.35 m，多為泥巖和粉砂巖。

2號(hào)煤層原煤水分變化在0.81%～4.65%之間，平均值為2.60%。原煤灰分變化在3.34%～39.57%之間，平均值為15.66%，原煤揮發(fā)分變化在31.18%～40.08%之間，平均值為35.44%，原煤Qnet，d變化在21.90～23.99 MJ/kg之間，平均為23.85 MJ/kg，浮煤粘結(jié)指數(shù)變化在13%～71%之間，原煤硫分為0.21%～1.8%，平均為0.47%，原煤磷分為0.134%～0.311%，平均0.12%，2號(hào)煤層為低灰、中高揮發(fā)分、特低硫、中-低磷、中發(fā)熱量煤，弱-中等粘結(jié)性的富油煤。

雙龍煤礦位于黃陵礦區(qū)的西南部，總體構(gòu)造形態(tài)為一開闊而平緩的不對(duì)稱且連續(xù)的向斜-背斜-向斜構(gòu)造。向斜軸向在礦區(qū)中部近南北向，在礦區(qū)北部和南部為NNE向，西峪背斜從煤礦北部穿過，走向?yàn)閺哪衔飨虮睎|，長(zhǎng)度3.5 km，向西延入二號(hào)礦井中，地層傾角為1°～5°。煤礦范圍內(nèi)未見大型的斷層構(gòu)造，在煤礦開采過程中實(shí)際揭露所知，在煤礦中部、南部、二盤區(qū)及工業(yè)廣場(chǎng)附近有8條斷距小于10 m的正斷層，煤礦南部揭露出一條近東西走向的正斷層，落差11 m。

雙龍煤礦屬黃土高原地貌特征，地勢(shì)西高東低，東北部以黃土塬地形為主，溝谷縱橫，塬面支離破碎，溝底標(biāo)高920～1 000 m，塬面標(biāo)高一般1 200 m，最高1 463.80 m。西南部山巒起伏，溝壑縱橫，地形復(fù)雜。沮水河為礦井地表最大河流，礦區(qū)北部有間歇性小支流北溝、王村溝、西溝，皆向東北方向匯入洛河第一大支流沮河中。

1.2 煤礦生產(chǎn)

雙龍煤礦于1992年7月開工建設(shè)，2000年12月底建成投產(chǎn)，2012—2014年雙龍煤礦進(jìn)行技改，技改后礦區(qū)分為南、北兩區(qū)，南北區(qū)系統(tǒng)相對(duì)獨(dú)立，2015年4月南區(qū)開采完畢，南區(qū)封閉，北區(qū)生產(chǎn)系統(tǒng)即該礦區(qū)的生產(chǎn)系統(tǒng)，生產(chǎn)能力90萬t/a。雙龍煤礦采用斜井單水平開拓方式進(jìn)行開采，礦井采煤工作面采用走向長(zhǎng)壁綜采垮落式回采工藝。

1.3 瓦斯情況

雙龍煤礦范圍內(nèi)16個(gè)鉆孔瓦斯資料，其中處于南區(qū)的有4個(gè)(L12、L13、L14、L15)；處于北區(qū)的共12個(gè)。區(qū)內(nèi)瓦斯成分為CH4占0%～86.25%，平均54.548%；CO2占0%；N2占13.12%～99%，平均43.42%。根據(jù)瓦斯風(fēng)化帶分帶標(biāo)準(zhǔn)，礦井整體處于N2-CH4帶中，除L42、L43為 N2帶。

2 瓦斯賦存影響因素分析

2.1 煤層埋深對(duì)瓦斯賦存的影響

雙龍煤礦位于黃陵礦區(qū)中部，主采2號(hào)煤層埋藏深度變化規(guī)律是東部埋藏較淺，西部埋藏較深，最深處是R112鉆孔，深度為460 m，瓦斯鉆孔含量為0.07 m3/t，煤礦平均埋藏深度為286.66 m，但瓦斯的含量隨煤層埋深增大的規(guī)律性不明顯，原因可能有以下幾點(diǎn)，從礦井整體來看煤層埋藏深度相對(duì)較淺，煤礦北部和西北部煤層厚度變薄，再者與地表溝壑發(fā)育而煤層近水平發(fā)育特殊富集點(diǎn)已經(jīng)逸散有關(guān)。

2.2 煤層厚度對(duì)瓦斯賦存的影響

煤層作為瓦斯的生氣源巖，其瓦斯生成量與煤層厚度密切相關(guān)；瓦斯生于煤層，儲(chǔ)于煤層，一定厚度的煤層是瓦斯生成與賦存的物質(zhì)基礎(chǔ)。一般來說，煤層越厚，瓦斯生成與賦存的物質(zhì)基礎(chǔ)條件越好，煤層瓦斯含量越高，開采時(shí)瓦斯涌出量就越大。

雙龍煤礦2號(hào)煤層位于延安組第1段的中上部，K2標(biāo)志層以下，全區(qū)分布，煤層厚度0.61(X95)～4.50 m(L44)，平均2.32 m?？刹煞秶鷥?nèi)煤層厚度雖橫跨薄(0.80～1.30 m)，中厚(1.30～3.50 m)，厚(3.50～8.00 m)3個(gè)分級(jí)但其變化規(guī)律明顯，即雙龍向斜軸部向兩翼逐漸由厚變薄。中厚煤層主要分布于煤礦中部，瓦斯涌出量相對(duì)較大，煤礦北部的煤層較薄，瓦斯含量相對(duì)較低，F(xiàn)X28號(hào)孔為0.41 mL/g可燃，F(xiàn)X30號(hào)孔為0.27 mL/g可燃，R107、R112、N54瓦斯含量為零，由此可知雙龍煤礦煤厚變化對(duì)瓦斯異常分布有明顯的影響。

2.3 煤層頂?shù)装鍖?duì)瓦斯賦存的影響

一般頂板巖性為砂質(zhì)泥巖，泥巖的巖類較有利于煤層瓦斯的保存，頂板巖層的巖性越疏松，巖石顆粒及孔隙越大，則越有利于煤層瓦斯的運(yùn)移及逸散。雙龍煤礦瓦斯富集區(qū)主要分布于礦區(qū)中部，鉆孔瓦斯測(cè)試煤層瓦斯含量在0.07～5.73 m3/t之間，平均為2.02 m3/t。中部的L10、L11、L13大多數(shù)鉆孔瓦斯含量測(cè)試值大于4.00 m3/t，最大達(dá)5.73 m3/t(L12)。該區(qū)域巖性以泥巖為主，最小值位于煤礦西北部為0.07 m3/t(R107)，2號(hào)煤層的頂板巖性分析得出該區(qū)域頂板巖性以粉砂巖為主。

2.4 地質(zhì)構(gòu)造瓦斯賦存的影響

該礦揭露有一條近EW向正斷層，落差11 m，位于斷層帶附近的L13鉆孔，瓦斯含量0.82 m3/t，遠(yuǎn)離斷層帶鉆孔瓦斯含量在2.87～4.70 m3/t，平均3.80 m3/t，說明煤層中瓦斯通過斷層已大多逸散；斷層落差大于10 m時(shí)可能成煤層瓦斯逸散的通道，落差小可能成為瓦斯聚集的屏障是其主要特點(diǎn)。

煤礦北部鉆孔有一走向NEE的寬緩小型隆起，軸長(zhǎng)約3.5 km，兩翼地層傾角1°～3°。該區(qū)為煤層瓦斯含量在0～0.07 m3/t之間，瓦斯含量小，煤礦內(nèi)褶曲對(duì)瓦斯賦存變化影響不大。

2.5 水動(dòng)力條件對(duì)瓦斯賦存的影響

雙龍煤礦內(nèi)主要含水層為侏羅系中統(tǒng)直羅組、延安組富水性較弱，是以裂隙為主的孔隙-裂隙型弱富水含水層。由于侏羅系中統(tǒng)直羅組(J2z)與延安組(J2y)地層中發(fā)育了多層泥巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖等致密巖性的隔水層，隔水層在阻斷地下水徑流的同時(shí)，一定程度上也阻斷了煤系地層含水層之間的水力聯(lián)系，垂向上各含水層基本處于孤立狀態(tài)。礦區(qū)地下水主要在露頭地帶接受大氣降水補(bǔ)給，順層向深部運(yùn)移，地下水從礦區(qū)淺部的無壓潛水逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槌袎汉瑫r(shí)水力增強(qiáng)，活動(dòng)性變?nèi)酰V化度增高，最后過渡為滯流區(qū)，阻礙了煤層氣的順層逸散。在一定深度范圍內(nèi)，因地下水承壓使煤儲(chǔ)層壓力增高，也造成煤層氣側(cè)向封堵。從而使煤層瓦斯氣藏在深部發(fā)生富集。

2.6 油型氣對(duì)瓦斯賦存的影響

直羅組的含油層位距離主采2號(hào)煤層間距較大，但其對(duì)煤礦床的開采也有影響；富縣、瓦窯堡組地層含油層在煤礦床動(dòng)采后，煤層底板涌出油氣和煤層瓦斯氣體混合，使采區(qū)內(nèi)的煤層瓦斯含量升高，油型氣和煤層瓦斯的混合氣體將會(huì)對(duì)煤礦安全生產(chǎn)產(chǎn)生威脅。煤層瓦斯氣藏實(shí)質(zhì)是煤層瓦斯與油型氣藏共同作用的結(jié)果，油型氣的混入客觀上增加了煤層瓦斯的含量。故油型氣亦是煤礦煤層瓦斯重要且顯著的來源之一，雙龍煤礦區(qū)內(nèi)雖然沒有噴氣鉆孔，也未發(fā)現(xiàn)過油型氣的噴出和涌出現(xiàn)象。

綜上所述，雙龍煤礦范圍內(nèi)由于2號(hào)煤層埋藏較淺，煤層厚度變化不大，埋深、上覆基巖厚度、煤層厚度等對(duì)瓦斯賦存的影響作用較小，而煤層頂板巖性特征、地質(zhì)構(gòu)造、水動(dòng)力條件、油型氣等對(duì)瓦斯賦存的影響作用更為明顯，即雙龍煤礦瓦斯分布不是某單一因素主導(dǎo)，而是受多種因素綜合影響的結(jié)果，其影響因素分析統(tǒng)計(jì)見表1。

表1 雙龍煤礦瓦斯含量分布影響因素分析統(tǒng)計(jì)Table 1 Analysis and statistics of influencing factors of gas content distribution in Shuanglong coal mine

3 瓦斯突出危險(xiǎn)性分析

3.1 瓦斯突出危險(xiǎn)性參數(shù)測(cè)定

3.1.1 單項(xiàng)指標(biāo)法

礦區(qū)內(nèi)2號(hào)煤層沒有發(fā)生過煤與瓦斯動(dòng)力現(xiàn)象。依據(jù)《煤與瓦斯突出礦井鑒定規(guī)范》(AQ1024—2006)和《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》，對(duì)于沒有發(fā)生瓦斯動(dòng)力現(xiàn)象的煤層預(yù)測(cè)突出危險(xiǎn)性時(shí)，采用煤的破壞類型、瓦斯放散初速度指標(biāo)(ΔP)、煤的堅(jiān)固性系數(shù)(f)和煤層瓦斯壓力(P)判定煤層的突出危險(xiǎn)性。取鑒定煤層各測(cè)點(diǎn)的最高煤層破壞類型、最小堅(jiān)固性系數(shù)、最大瓦斯放散初速度指標(biāo)、最大瓦斯壓力值作為該煤層突出危險(xiǎn)性判定指標(biāo)，全部指標(biāo)值達(dá)到或超過所列臨界值時(shí)，確定煤與瓦斯突出煤層和煤與瓦斯突出礦井。單項(xiàng)臨界指標(biāo)值見表2。

表2 煤層瓦斯突出危險(xiǎn)性單項(xiàng)臨界指標(biāo)值一覽Table 2 Single critical index value of coal seam gas outburst risk

從測(cè)定結(jié)果看，煤層瓦斯放散初速度超過了臨界值，但破壞類型和煤的堅(jiān)固性系數(shù)以及瓦斯壓力沒有超過其臨界值。根據(jù)常規(guī)經(jīng)驗(yàn)，煤礦區(qū)現(xiàn)開采煤層的瓦斯含量較小，煤層實(shí)際瓦斯壓力最大值為0.54 MPa，根據(jù)單項(xiàng)指標(biāo)法，雙龍煤礦2號(hào)煤層不具有瓦斯突出危險(xiǎn)性，測(cè)定結(jié)果見表3。

表3 2號(hào)煤層突出危險(xiǎn)性單項(xiàng)指標(biāo)測(cè)定結(jié)果Table 3 Measurement results of single index of outburst risk in No.2 coal seam

3.1.2 綜合指標(biāo)法

綜合指標(biāo)法預(yù)測(cè)煤層突出危險(xiǎn)性計(jì)算公式如下

D=(0.007 5H/f-3)(P-0.74)

K=ΔP/f

式中，D為煤層突出危險(xiǎn)性綜合指標(biāo)；K為煤的突出危險(xiǎn)性綜合指標(biāo)；H為開采深度，m；P為煤層瓦斯壓力，MPa；ΔP為軟煤分層的瓦斯放散初速度指標(biāo)；f為軟煤分層的堅(jiān)固性系數(shù)。

當(dāng)D、K值同時(shí)大于或等于臨界值時(shí)，才能預(yù)測(cè)為突出危險(xiǎn)區(qū)；如果(0.007 5H/f-3)和(P-0.74)同時(shí)為負(fù)，無論D值大小，預(yù)測(cè)為突出危險(xiǎn)區(qū)；其余情況下，預(yù)測(cè)為突出危險(xiǎn)區(qū)。綜合指標(biāo)D、K預(yù)測(cè)煤層區(qū)域突出危險(xiǎn)性的臨界值，見表4。

表4 綜合指標(biāo)D、K預(yù)測(cè)煤層區(qū)域突出危險(xiǎn)性的臨界值Table 4 Critical value of comprehensive indexes D and K for predicting regional outburst risk of coal seam

經(jīng)計(jì)算，D、K值的結(jié)果分別為負(fù)數(shù)，因此，依據(jù)綜合指標(biāo)法，雙龍煤礦2號(hào)煤層不具有煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性。

3.2 煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性影響因素分析

地質(zhì)構(gòu)造：由于構(gòu)造都是在煤層形成之后才發(fā)生的，從而會(huì)破壞煤層原有的形態(tài)，有利于瓦斯的排放，封閉性的地質(zhì)構(gòu)造有利于瓦斯的聚集，開放性的構(gòu)造有利于瓦斯的排放，雙龍煤礦總體構(gòu)造形態(tài)為一開闊而平緩的不對(duì)稱向斜構(gòu)造。

煤層厚度及其變化：雙龍煤礦2號(hào)煤層厚度為0.61(X95)～4.50 m(L44)，平均2.32 m，可采厚度為0.80～2.75 m，煤層厚度變化不大。

煤的堅(jiān)固性系數(shù)：表示煤抵抗外力能力的一個(gè)綜合性指標(biāo)。它由煤的強(qiáng)度、硬度、脆性決定。煤作為突出的受力體，值越小破碎就越容易，突出危險(xiǎn)性就越大，結(jié)合以往區(qū)內(nèi)的資料顯示，2號(hào)煤的堅(jiān)固性系數(shù)(f值)為1.46～1.57，大于0.5，抵抗外力破壞的能力較強(qiáng)。

瓦斯壓力：瓦斯壓力為瓦斯突出提供動(dòng)力來源，瓦斯壓力隨著煤礦開采深度的增加而增加。結(jié)合以往瓦斯壓力測(cè)試鉆孔，測(cè)得絕對(duì)瓦斯壓力值為0.1～0.54 MPa，煤層瓦斯壓力不高、瓦斯含量不大、透氣性好，采掘工作面不易形成較高的瓦斯壓力梯度。實(shí)測(cè)瓦斯壓力值均小于0.74 MPa。

開采深度：開采深度越大，地應(yīng)力就越大，瓦斯含量隨之增加，軟煤就越被破壞的嚴(yán)重，釋放出來的初始釋放瓦斯膨脹能就越大，突出危險(xiǎn)性和突出強(qiáng)度也就越大，雙龍煤礦的煤層平均埋深286.66 m，最大埋深是460 m，底板標(biāo)高830～890 m。煤層埋深較淺，未發(fā)生煤與瓦斯突出動(dòng)力現(xiàn)象。

煤巖體的透氣性系數(shù)：煤是一種孔隙一裂隙結(jié)構(gòu)體。不同的煤其孔隙和裂隙尺寸、結(jié)構(gòu)形式以及發(fā)育程度均有很大差別，煤的滲透性與煤的孔隙結(jié)構(gòu)、煤的裂隙、煤的水分、地應(yīng)力等因素有關(guān)。一般來說，突出煤層具有低的透氣性系數(shù)，隨著地應(yīng)力的增大而減少。同樣壓力F，具有突出的構(gòu)造煤，膨脹變形值大，滲透率低，突出危險(xiǎn)性越大。雙龍煤礦測(cè)得煤層透氣性系數(shù)為1.152 9 m2/MPa2·d；測(cè)得煤層透氣性系數(shù)為9.775 0 m2/MPa2·d。

瓦斯放散初速度：瓦斯放散初速度由煤的物理、力學(xué)性質(zhì)決定，在瓦斯含量相同的條件下，煤的放散初速度越大，煤的破壞類型越嚴(yán)重，越容易促成突出的發(fā)生。雙龍煤礦實(shí)測(cè)煤的瓦斯放散初速度(Δp)為10～16，雖然本次實(shí)測(cè)瓦斯放散初速度(Δp)大于10，但雙龍煤礦瓦斯含量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)較小，且煤層的其它指標(biāo)都未超過臨界值，故雙龍煤礦2號(hào)煤層不具有瓦斯突出危險(xiǎn)性。

煤的頂?shù)装寮皣鷰r特征：在2號(hào)煤層的頂?shù)装瀹?dāng)中，低透氣性巖石(泥巖、砂質(zhì)泥巖、煤層、炭質(zhì)泥巖等)厚度約占地層總厚度的53%，中透氣性巖石(主要為砂巖)約占地層總厚度的47%，煤系中無高透氣性巖層，圍巖巖性圈閉，總體上對(duì)瓦斯儲(chǔ)存是有利的。據(jù)鉆孔以及礦井下巷道揭露顯示，2號(hào)煤層頂板多以泥巖、砂質(zhì)泥巖為主，透氣性較低，具有相對(duì)較好的封閉性，有利于瓦斯封存。

4 結(jié)論

(1)雙龍煤礦煤層瓦斯含量總體較低，但瓦斯含量分布很不均衡。原煤瓦斯含量隨小型構(gòu)造的不同而發(fā)生變化；斷距小于10 m的斷層一般對(duì)煤層瓦斯起“富集”影響，斷距大于10 m的斷層對(duì)煤層瓦斯起稀釋作用；原煤瓦斯含量與煤層厚度呈正相關(guān)關(guān)系；聚煤盆地原煤瓦斯含量表現(xiàn)為中部大而邊部相對(duì)較小；煤層頂板巖性為砂質(zhì)泥巖、泥巖封閉性能好的巖類，較有利于煤層瓦斯的保存；油型氣亦是煤層瓦斯重要且顯著的來源之一。

(2)通過對(duì)以上資料及實(shí)測(cè)的瓦斯參數(shù)等資料分析，雙龍煤礦礦井未見任何突出預(yù)兆，也未發(fā)生過煤與瓦斯突出動(dòng)力現(xiàn)象。根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》第176條、《防治煤與瓦斯突出細(xì)則》第5條有關(guān)生產(chǎn)礦井突出礦井、煤層鑒定的規(guī)定，雙龍煤礦2號(hào)煤層不屬于突出危險(xiǎn)煤層。