★ 煤炭科技·地质与勘探 ★
王 峰 陈娅鑫
(陕西煤田地质勘查研究院有限公司，陕西省西安市，710021)
摘 要 为了准确掌握小庄煤矿4#煤层的瓦斯赋存规律，依据小庄煤矿现有的地质钻探和实际生产资料，运用线性回归分析的方法研究了矿区4#煤层瓦斯含量与煤层埋深、厚度、煤的变质程度、煤的破碎程度、地质构造、围岩条件等之间的关系，结果表明：煤层厚度和褶曲地质构造类型是影响瓦斯赋存的决定性因素，其他地质条件对瓦斯赋存的控制作用相对较弱，有的甚至很不明显。
关键词 小庄煤矿 4#煤层 地质构造 瓦斯赋存 瓦斯含量
煤层气俗称瓦斯，是以甲烷为主要成分，主要吸附在煤基体颗粒表面，在煤孔中部分解离或溶解于煤层水中的气体。瓦斯不仅引起煤岩体突出、爆炸等灾害，也是引起全球气候变暖的强温室效应气体。近年来，随着我国煤矿开采深度和开采强度的逐步增大，瓦斯含量的快速增多，煤与瓦斯突出问题也在加大，瓦斯问题已成为阻碍矿井安全、高效生产的突出问题。
煤层瓦斯的赋存状态不仅影响煤层瓦斯含量的大小，还直接影响到煤层中瓦斯流动及由此引发的灾害危险性高低。因此，对煤层瓦斯赋存的探究，已成为煤矿瓦斯探究的主要组成部分。
煤层瓦斯是地质作用的产物，其形成、保存、迁移和富集与地质条件紧密相关，并受地质条件的影响。这些地质条件也有自己的瓦斯地质规律，控制着瓦斯的赋存和分布分区等。只有找出煤矿地质条件和瓦斯赋存之间的联系，科学地指导煤矿瓦斯灾害防治工作，才能实现瓦斯灾害的超前预测。
依据小庄煤矿现有的钻孔和实际生产数据，该区煤层埋深较大，瓦斯气体含量高，且近几年的瓦斯等级鉴定报告均显示为高瓦斯矿井，发生瓦斯地质灾害的可能性很高。因此，研究矿井的瓦斯赋存地质规律，对小庄煤矿的高效生产具有极其重大安全保障意义。
小庄煤矿位于黄陇侏罗纪煤田南翼的彬长矿区，行政区划属于陕西省咸阳市彬县义门镇管辖，东部与文家坡煤矿和官牌煤矿相接，西部与亭南煤矿、孟村煤矿相邻，北侧为胡家河煤矿，南部为大佛寺煤矿和下沟煤矿，东南距西安市170 km，西北距甘肃平凉133 km。
小庄煤矿矿区东西长约6.5 km，南北宽约7.0 km，总面积45.8247 km2。侏罗系中统延安组为本区含煤地层，共含煤6层(1#、3#、4#上、4-1#、4#、4#下)，总厚度19.58 m。4#煤层为主采煤层，赋存于延安组第一段，厚度为0.93～35.22 m，平均值为18.01 m，可采指数为100%，煤层结构较简单，一般含0～1层夹矸，发育较稳定。顶板多为泥岩和砂质泥岩，底板多为砂质泥岩和铝制泥岩，局部相变为粉砂岩。4#煤层煤类主要是不粘煤(BN31)。
彬长矿区总体构造形态为中生界构成的NW向缓倾的大型单斜构造。在此单斜上产生一些宽缓而不连续的褶皱，如图1所示。矿区从北向南发育有七里铺—西坡背斜、路家—小灵台背斜和彬县背斜，这3个背斜以及由此形成的2个宽缓向斜区，对矿区煤层分布，尤其是厚煤层的分布方向起着一定的控制作用。
小庄煤矿位于彬长矿区东部，路家—小灵台背斜及七里铺—西坡背斜之间、董家庄短轴背斜轴的东端，总体构造形态为走向近EW、倾向近N的大型单斜构造，在单斜构造上叠加了一系列NEE向的宽缓褶皱构造，同时伴生有小型断裂构造。地层产状的变化与褶曲构造有关，煤层倾角最大不超过8°。断裂以正断层为主，落差一般小于5 m。地层产状、构造类型及构造形态均表明该区侏罗系以上各地层均未遭受强烈的构造挤压变形，构造相对简单。
图1 矿区构造纲要图
(1)煤层瓦斯含量测定。为了找出小庄煤矿的瓦斯赋存规律，充分收集了地勘期间瓦斯钻孔数据和生产期间井下实测的瓦斯数据，4#煤层瓦斯含量为0.02～4.52 m3/t，自然瓦斯成分以N2为主，占12.18%～94.90%，平均为55.91%，详见表1。井下瓦斯数据测定采用直接法测定，煤样的总含气量由取样过程中的气体损失量、解吸气体的量和残存气体的量三部分组成。
(2)瓦斯成分分带特征。小庄煤矿的1-1、4-3和5-3钻孔4#煤层自然瓦斯成分中CH4成分均大于80%，形成了一条近东西向分布、长度约3 km的CH4带，主要在二盘区中部和三盘区西部，向四周逐渐过度为N2-CH4带、CO2-N2带零星分布在煤矿的南部边缘地带和北部一角。
(3)瓦斯含量分布特征。整个煤矿4#煤层瓦斯含量西部高于东部，瓦斯含量高值区位于二盘区和三盘区，最高点位于二盘区的5-3孔(4.52 ml/g)，向西与4-3孔(4.46 ml/g)、1-1孔(4.21 ml/g)和1-2(4.10 ml/g)孔在本区的中西部形成了一个高瓦斯区域，并向四周逐渐递减，其中向北和向东方向递减速率较慢，向南方向递减降速率较快。
(4)垂向分布特征。从垂向上来看，本区CH4带分布于煤层埋藏较深的部位(基底凹陷部位)，向四周隆起部位逐渐变为N2-CH4带。CH4带含量凹陷部位相对较多，向四周隆起部位逐渐减少，与瓦斯分带成正相关关系。例如，该区小灵台背斜两翼煤层零点边界附近瓦斯含量微弱，向两翼方向随煤厚、埋深的增加，瓦斯含量也随之增大，向北至南玉子向斜轴部附近时(因其埋藏较深，且瓦斯封闭性条件较优越)，到达本区瓦斯含量的高值区，瓦斯含量均达到了4.00 ml/g以上，向翼部又逐渐减小。
表1 地勘及生产时期瓦斯含量及成分统计表
测定时期煤层瓦斯含量/ml·g-1CH4最小～最大平均自然瓦斯成分/%CH4最小～最大平均CO2最小～最大平均N2最小～最大平均地勘期间4#0.02～4.521.971.53～84.2145.480.11～31.425.4412.18～94.9055.91生产期间4#3.83～4.023.90---
煤层的瓦斯含量是煤层瓦斯赋存主要参数之一，是矿井进行瓦斯涌出量预测和煤与瓦斯突出预测的重要依据。煤层瓦斯含量的大小不仅与成煤和变质过程中瓦斯生成量的多少有关，更是与后期瓦斯保存和放散的条件有关，具体而言，有煤层深度、厚度、煤变质程度、煤体破碎程度、地质构造、煤层顶底板围岩等，正是由于这些地质因素的影响，使得小庄煤矿4#煤层不同区域瓦斯含量亦不尽相同。
煤层埋深和厚度是影响煤层瓦斯含量大小的两个重要因素，一般来说，随着煤层埋深和厚度的增大，瓦斯含量也随之增大。整个井田范围内，4#煤层的埋深、厚度与瓦斯含量的相互关系如图2和图3所示。
回归分析表明，随着煤层埋深和厚度的增加，小庄煤矿4#煤层瓦斯含量增加。相关系数R2分别为0.3692、0.7179，表明煤层厚度对瓦斯含量具有强烈的控制作用，埋深仅对局部瓦斯含量的变化有一定影响。
图2 煤层埋深与瓦斯含量关系
图3 煤层厚度与瓦斯含量关系
3.2.1 挥发分
煤变质程度不仅决定了瓦斯的生成量，而且在很大程度上决定了煤对瓦斯的吸附能力，也就是说变质程度越高的煤，瓦斯生成量就越大，吸附瓦斯的能力就越强。小庄煤矿煤的变质程度较低，基本为不粘煤。4#煤层挥发分与瓦斯含量关系如图4所示，由图4可知，两者之间没有明显的相关性。
图4 挥发分与瓦斯含量关系
3.2.2 灰分
灰分是指煤完全燃烧后剩余的无机矿物，主要成分为氧化物。大量试验数据证明，在吸附状态下煤层中有机组分的孔隙中存在瓦斯气体，而无机矿物基本上不能吸附瓦斯气体。随着煤中无机矿物质(灰分)的增多，致使煤岩变差，储气的能力减小，吸附瓦斯的能力也随之减小。4#煤层灰分与瓦斯含量关系如图5所示，由图5可知，4#煤层瓦斯含量随灰分的增加而减小，两者之间存在一定的负相关关系。
图5 灰分与瓦斯含量关系
3.2.3 水分
水分的增加会占据煤中空隙和吸附面，造成煤的吸附能力降低，而且还可以以溶解的方式带走一部分瓦斯。4#煤层水分与瓦斯含量关系如图6所示，由图6可知，两者之间没有明显的相关性。
煤(岩)芯采取率是从钻孔中取得的岩心长度与实际钻探进尺之间的百分比，反映了煤(岩)体的破碎程度。小庄煤矿4#煤层煤芯采取率均较高，平均值在90%以上，两者之间的相互关系如图7所示。
图6 水分与瓦斯含量关系
图7 煤岩芯采取率与瓦斯含量关系
经回归分析表明，小庄煤矿4#煤层瓦斯含量随着煤芯采取率的增大而增大，相关系数R2只有0.4864，结果表明：煤体破碎程度对煤层瓦斯含量的影响作用较小。
地质构造对瓦斯赋存影响较大，一方面造成瓦斯分布不均衡，另一方面形成了瓦斯储存或瓦斯排放的有利条件。本矿地质构造相对简单，总体走向为NEE向，以褶皱为主(从南向北发育有路家—小灵台背斜、南玉子向斜、董家庄短轴背斜)，断层发育较少，而且规模小，上下切层范围局限，因此，煤层与上覆或下伏岩层的连通性差，不构成瓦斯逸散的主要通道。
通过分析本矿褶曲构造与瓦斯含量之间的关系，发现褶曲构造类型和褶曲构造的不同部位对瓦斯的封存与逸散起着显著的控制作用。向斜轴部因其处于应力挤压状态以及埋藏深等原因，它的气体密封条件优越。由于拉张应力作用，背斜轴部会产生大量张性裂隙，易导致瓦斯气体逸散，不利于保存。通过井田构造与瓦斯含量关系统计分析，得出向斜轴部瓦斯含量高于背向斜翼部，背向斜翼部煤层气含量高于挠折带，挠折带瓦斯含量高于背斜轴部，如图8所示。
图8 井田构造与瓦斯含量关系注：构造类型中，背斜轴部赋值为1；挠折带赋值为2； 背向斜翼部赋值为3；向斜轴部赋值为4
煤层围岩条件很大程度上影响着煤层瓦斯赋存量的大小，决定了煤层顶底板岩性及其透气性强弱的大小。小庄煤矿4#煤层围岩以泥质岩为主，厚度大、透气性差，起到隔气层的作用。
图9 瓦斯含量与4#煤层顶-延安组顶面泥岩厚度关系
图10 瓦斯含量与4#煤层底-延安组底面泥岩厚度关系
通过对4#煤层顶-延安组顶面和4#煤层底-延安组底面范围内泥质岩厚度的统计，发现其与4#煤层瓦斯含量均具有不同程度的正相关关系，如图9、图10所示，相关系数R2分别为0.4700、0.2247，结果表明：煤层顶板对瓦斯含量的控制作用大于煤层底板。
通过对已有地质数据的分析，可以获得以下结论：
(1)小庄煤矿4#煤层埋藏深度和厚度均较大，煤层结构较为简单，一般含0～1层夹矸，煤类主要为不粘煤，煤层顶底板围岩主要为泥质岩，透气性差，地质构造较为简单，以褶皱为主，断层少量，有利于瓦斯的保存。
(2)4#煤层的厚度和褶曲地质构造类型是影响小庄煤矿煤层瓦斯赋存的两个主要控制因素，二者之间均呈明显的线性正相关关系，其他地质条件对瓦斯赋存的控制作用相对较弱，有的甚至很不明显。
(3)小庄煤矿4#煤层瓦斯含量较高，属高瓦斯矿井，煤层开采过程中应重点加强瓦斯的监测、抽采、预警工作，并制定切实合理的防治措施，保障煤矿的安全生产。
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Wang Feng, Chen Yaxin
(Shaanxi Coal Geology Investigation Research Institute Co., Ltd., Xi'an, Shaanxi 710021, China)
Abstract In order to accurately grasp the gas occurrence law of No. 4 coal seam in Xiaozhuang Coal Mine, based on the existing geological drilling and actual production data of Xiaozhuang Coal Mine, the linear regression analysis method was used to investigate the relationship between gas content of No. 4 coal seam and other parameters, such as buried depth, thickness, degree of coal metamorphism, degree of coal fragmentation, geological structure, surrounding rock conditions, the results showed that the thickness of coal seam and fold geological structure types were the main controlling factors affecting gas occurrence, the control effects of other geological conditions on gas occurrence were relatively weak, and some were even less obvious.
Key words Xiaozhuang Coal Mine, No. 4 coal seam, geological structure, gas occurrence, gas content
中图分类号 TD712.2
文献标识码 A
引用格式：王峰，陈娅鑫. 小庄煤矿4#煤层瓦斯赋存规律研究[J]. 中国煤炭，2019，45(2)：40-44.
Wang Feng, Chen Yaxin. Study on gas occurrence law of No. 4 coal seam in Xiaozhuang Coal Mine[J]. China Coal, 2019, 45(2):40-44.
作者简介：王峰(1986-)，男，陕西富县人，工程师，硕士，毕业于河北工程大学，主要从事矿产资源勘查与开发研究。