石节煤矿瓦斯地质特征及预防控制探究

张旭阳

（长安大学地球科学与资源学院，陕西西安　710064）

摘　要：矿井瓦斯是煤矿最重要的生产地质条件之一，准确的评价和预测矿井瓦斯地质规律对于保障煤矿安全高效的生产具有重要意义。在分析下石节煤矿地质构造背景的基础上，通过收集井田勘探与开采地质资料，系统地总结了影响瓦斯涌出量的相关地质因素。分析认为：矿井瓦斯涌出量与断层褶皱等构造、煤层埋深、煤层底板标高和煤厚有较为密切的联系。利用收集的瓦斯地质资料并选用逐步回归分析预测回采工作面瓦斯绝对涌出量，以求综合防治瓦斯灾害，保证矿区的安全生产和矿工的人身安全。

关键词：下石节煤矿；瓦斯涌出量；地质构造；逐步回归分析

Abstract：Mine gas is one of the most important geological conditions of coal mine，the accurate evaluation and prediction of mine gas geology rule is of great significance for the protection of coal mine safety and efficient production.Based on the analysis of geological structure background in XiaShiJie mining area，through the mining geological exploration and mining field information，systematically summarizes the related geological factors of gas emission.Analysis shows：the fault fold，structure，buried depth of coal seam，coal seam floor elevation，and coal thickness are closely related to the content of mine gas.U－sing the gas data and selects stepwise regression analysis to predict absolute gas emission quantity of mine working face，in order to comprehensive prevent and control of gas disasters，ensure the safety of the mine production and miners’safety.

Key words：Xia Shi Jie coal mine；Gas emission；Geological structure；Stepwise regression analysis

1　引　言

我国自进入21世纪以来，随着石油、天然气、风能、太阳能、核能等其他能源工业的较大发展，能源结构发生了较大变化与调整，但不可否认的是煤炭目前仍然是我国的主要能源。近几十年来，我国能源消费构成中煤炭资源占有相当大的比例，而且这种主导地位在未来很长一段时间内并不会发生明显的改变。

我国瓦斯矿井数量偏多，煤矿安全形势依然不容忽视。随着采煤方式与工艺的不断发展，开采强度逐渐提高，矿井瓦斯对于矿井安全生产的影响越来越大，尤其是随着采煤机械化程度的不断提高，低瓦斯矿井可能会随着矿山压力的急剧变化和瓦斯集中涌出变成局部高瓦斯矿井，无形当中就加大了瓦斯防治的困难。因此，不管是从防治瓦斯灾害方面来看还是对瓦斯资源开发利用而言，研究瓦斯地质规律都显得尤为重要［1］。

2　瓦斯的分布特征及研究方法

众所周知，在煤炭开采过程中，矿井瓦斯是最重要的地质生产条件之一，瓦斯是在煤的形成过程中生成并保存在煤层和围岩中的多成分混合气体，主要成分为甲烷（CH4），此外还含有其他烃类，是煤矿安全生产的第一杀手。瓦斯在煤层中的存在状态可分为两种：当瓦斯以自由状态存在于煤层和围岩的孔隙、裂隙中称之为游离状态；当瓦斯由于分子间的引力作用与周围的煤层或者围岩结合在一起时称为吸附状态。而瓦斯的生成、运移和保存主要由地质构造演化控制。预防、控制瓦斯爆炸事故，是煤矿安全工作的重中之重，因此，分析下石节煤矿瓦斯地质的分布特征及其发育规律对矿井高效安全生产具有重要意义，成为提高煤矿经济效益的重要地质课题［2］。

我们主要采用室内研究和野外研究相结合的方法，应用煤层厚度分析、地质构造解析、煤层稳定性分析等理论和方法，结合区域地质、钻孔资料，研究该矿区地经历多次构造运动改造后的瓦斯、煤系或煤层的现今构造和赋存变化，揭示煤矿瓦斯赋存规律及变化特征。

（1）系统收集、整理下石节煤矿勘查、生产等资料，特别是在不同勘探时期所获得的煤系地层厚度及瓦斯涌出资料，掌握下石节煤矿地质及生产概况。

作者简介：张旭阳（1993－），男，长安大学资源学院硕士研究生，矿物学、岩石学、矿床学专业。

（2）对矿区地质构造及分布特征进行分析，然后分别从煤层埋深、煤层厚度、煤层底板标高等几个方面对瓦斯地质规律进行探讨。

（3）通过分析总结下石节煤矿已采工作面的瓦斯涌出资料，找出影响瓦斯涌出量的控制因素，利用逐步回归分析［3］，建立数学模型来预测下石节煤矿未采区的瓦斯涌出量［4］。

3　矿区地质概况

研究区位于陕西省铜川市耀州区北部，距离市区约54km。下石节煤矿是国有大型煤炭企业，属焦坪矿区，开采历史悠久，核定生产能力为160万吨/年，是陕西省重要的煤炭工业基地之一。焦坪矿区属于侏罗纪黄陇煤田的一部分，位于鄂尔多斯台向斜的东南缘。

3.1　区域构造演化

区内侏罗系及其上下地层，均呈倾向北西的单斜构造，其上发育了一系列相互交织的北东向和北西－北西西向的褶皱，这些褶皱有较明显的长期性和继承性的特点，其对井田煤系、煤层的沉积起了重要的控制作用［3］。

（1）从构造特征方面来看，在成煤前北东向和北西向褶皱构造已经存在，且长期发育，在成煤期间，同期构造的性质很明显。在成煤后期由于晚期燕山运动使北东向褶皱相对强化，同沉积褶皱继承性地发展。

（2）北东向与北西向两组褶皱构造相互复合、交织，形成一系列马鞍状、箱状、短轴状褶皱，从剖面上看均属于较开阔型褶皱，平面上来看又都具有斜列式排列的特点。北东向褶皱和北西向褶皱分别向西南方和北西方向倾伏，褶皱愈向深部，愈不明显。

（3）从沉积特征方面来看，北东向与北西向的背斜构造相对陡窄，地层沉积厚度较薄，甚至尖灭，也可能出现沉积物超覆现象，冲积相的粗屑物质不甚发育；而向斜区较为宽缓，冲积相的粗屑沉积物比较发育，含煤地层沉积厚度大，煤层瓦斯含量也就相对较大。一般来说，如果在成煤作用过程中，构造活动性强，发育程度复杂，那么背斜区更有利于泥炭层的聚集；反之，向斜区则更利于厚煤层的发育。

虽然区内无较大断层，但小断层和裂隙构造十分发育，煤层与上、下地层物性差异大，易产生流变现象，在构造应力和重力的共同作用下，产生了较发育的北东向和发育程度较低的北西向断层和裂隙，当断层裂隙在采掘过程中被揭露后，瓦斯会沿着裂隙逸出，涌出量增大；同时，瓦斯涌出量还会随着开采深度的增加而增大，表现为浅部地层瓦斯涌出量较小，深部瓦斯涌出量较大［5］。

3.2　煤系地层

煤系地层的沉积主要受基底构造的控制，下石节煤矿的含煤地层为中侏罗统延安组，与下伏富县组呈整合接触，岩性主要为深灰－灰黑色粉砂岩、砂岩、泥岩，含植物化石及黄铁矿结核，水平层理，块状、条带状或线理状结构。总体上西部厚东部薄，向斜部位厚，背斜部位薄，厚度为43.75～172.06m，一般厚60～110m。含煤地层含煤4组，煤层总厚度10～20m，含煤系数为0.19。对下石节煤矿各含煤地层的可采性和稳定性进行评价如下表，可知4－2煤层为矿区主要可采较稳定煤层（表1）。

表1　下石节煤矿可采及局部可采煤层稳定性评价表

4　埋藏条件与煤厚对瓦斯的控制

本次工作主要系统收集了212、215、216、217工作面上的瓦斯涌出量观测值，着重以212和215工作面为代表，对瓦斯绝对涌出量做出比较统计，分析研究影响瓦斯绝对涌出量的地质因素。

4.1　煤层埋深对瓦斯赋存的影响

煤层埋深往往是多种地质因素联系、叠加的结果，但长期地层沉积作用和后期构造变动对煤层埋深的控制作用明显，一般埋深越深，上覆地层压力越大，而且瓦斯向地表运移的距离也会变长，瓦斯就越不容易排放。根据井田勘探资料，下石节煤矿主采4－2煤层埋深114.52～685.2m。井田埋深呈现东浅西深的特点，西部埋深一般在500m以上，而东部往往不足500m。

（A）瓦斯绝对涌出量与煤层埋深的相关关系分析

根据212工作面瓦斯资料，绘制212工作面瓦斯绝对涌出量（Q绝）与4－2号煤层埋深（S）的相关关系分析图（图1），来说明煤层埋深对瓦斯绝对涌出量的控制作用，可以看出瓦斯绝对涌出量和煤层埋深之间为正相关关系，212工作面的线性回归方程为Q绝＝－169.42＋0.35S，相关系数R为0.87，表明瓦斯的绝对涌出量与煤层埋深具有明显的线性相关性。

(www.zuozong.com)

图1　212工作面埋深与瓦斯绝对涌出量相关关系分析图

图2　212工作面煤厚与瓦斯绝对涌出量相关关系分析图

4.2　煤层厚度对瓦斯赋存的影响

煤层是瓦斯的物质来源，而煤层厚度是对地层压力和地层沉积特征的综合反映。另外，瓦斯的绝对涌出量与采煤方法也有一定的关系。因此，有必要对4－2煤层的煤层厚度与瓦斯绝对涌出量的相关关系进行分析。

（B）瓦斯绝对涌出量与煤层厚度的相关关系分析

根据212工作面瓦斯资料，绘制212工作面瓦斯绝对涌出量（Q绝）与4－2号煤层厚度（M）的相关关系分析图（图2），得出瓦斯绝对涌出量和煤层厚度之间也为正相关关系，212工作面的回归方程为Q绝＝－0.33＋0.73　M，相关系数R为0.4，说明瓦斯的绝对涌出量与煤层厚度之间显然也是具有相关性的。

4.3　煤层底板标高对瓦斯赋存的影响

（C）瓦斯绝对涌出量与底板标高的相关关系分析

根据212和215工作面瓦斯地质资料，分别绘制了212和215工作面瓦斯绝对涌出量与煤层底板标高的相关关系分析图（图3至4），然后再绘制底板标高和瓦斯绝对涌出量的拟合曲线（二次）。

图3　212工作面瓦斯绝对涌出量与底板标高变化曲线图

图4　215工作面瓦斯绝对涌出量与底板标高变化曲线图

从以上拟合曲线对比可以发现，瓦斯绝对涌出量和煤层底板标高之间为负相关关系即瓦斯的涌出量是随底板标高降低而增大的，而图中各点变化的速率却不尽相同（瓦斯变化的梯度不一致）可能是由于不同工作面之间的次级构造差异不同而导致的。

5　矿井回采工作面瓦斯涌出量预测

根据上一章节的分析，煤层埋深受地层长期沉积作用和后期构造运动作用的影响，煤层厚度是对地层压力的直观反映，底板标高主要受构造作用的控制，所以这里选用4－2煤层的埋深、厚度和底板标高这3个主控因素对瓦斯绝对涌出量进行统计分析。由于矿井近5年开采的工作面主要分布在井田的中部，与未采区的地质条件和瓦斯涌出量影响因素比较相近，所以本次选用近5年的观测资料对下石节煤矿工作面瓦斯绝对涌出量进行预测。

由于瓦斯绝对涌出量与其影响因素之间线性相关程度较高，煤层埋深又和底板标高内在联系密切，所以在选用逐步回归分析建立回归方程的过程中选择把煤层埋深这个变量剔除。最终得到的回归方程为：

其中：Q绝为回采工作面瓦斯绝对涌出量预测值（m3/min）

计算相关系数R为0.842，标准差σ＝1.614，在置信水平α＝0.01的水平F检验显著，说明我们可以利用以上方程对未采区钻孔的回采瓦斯绝对涌出量进行预测。瓦斯抽放是解决高和超高瓦斯带及高瓦斯灾害的根本途径，在本矿具有效果佳，经济效益好的双重优势，建议该矿井应加大瓦斯抽放方面工作的投入和管理，充分发挥抽放的良好优势［6］。

6　结　论

在对下石节煤矿瓦斯地质资料的详细收集整理和分析的基础上，取得了一些成果，现得出如下一些认识：

（1）影响煤层瓦斯含量的主要因素有煤层埋深、厚度和底板标高。煤层埋深与瓦斯含量之间呈现正相关关系，表现为埋深越深，上覆岩层厚度越大，压力就越大，瓦斯在煤层中的赋存量越大。煤层厚度与瓦斯含量之间也是正相关关系，表现为向斜区域煤厚较大的部位瓦斯含量相对较高，而背斜部位较薄甚至尖灭，瓦斯含量相对较低。瓦斯涌出量会随着煤层底板标高的降低而增大，呈现为负相关关系。

（2）利用煤层厚度和煤层底板标高两个地质变量，建立数学模型来预测未采区瓦斯绝对涌出量，有利于提前采取防治措施，防止瓦斯爆炸事故的发生［7］。由于本煤矿开采历史较长，资料保存得不够完整，建议煤矿今后应加强瓦斯地质资料的收集与管理，预防为主、治理为辅，保证矿区的安全生产和矿工的人身安全。

参考文献

［1］郭德勇，张子敏，张子戌.瓦斯地质研究进展［M］.中国矿业大学出版社，2013.

［2］张子敏.煤矿瓦斯灾害与瓦斯地质［N］.科技日报，2010（11）：3－6.

［3］冯海，王生全.煤矿井下安全石节煤矿瓦斯地质规律与建模预测研究［D］.西安科技大学，2012.

［4］张子戌，张许良，袁崇孚.瓦斯地质数学模型软件的开发［J］.煤田地质与勘探，2002，S（1）：05.

［5］李文辉，李光庆，杨高远，等.下石节煤矿矿井瓦斯地质规律及相关因素分析［C］.全国煤矿井下安全避险及瓦斯治理技术研讨会，2011.

［6］封华.下石节高瓦斯易自燃煤层抽采条件下自然预测研究［D］.西安科技大学，2009.

［7］李叶枝.探索瓦斯地质规律和促进煤矿安全生产［J］.焦作工学院学报，2000.