马书敏  吕春枝  马韶萍

（河南博奥地质勘查有限公司，河南 郑州 ，450003）

 

摘要：运用瓦斯地质理论研究方法，通过分析东风煤矿井田内各种因素对瓦斯赋存的控制作用及影响，确定了煤层上覆基岩厚度作为影响67^#煤层瓦斯赋存的主控因素，初步预测划分67^#煤层上覆基岩891m以深划分为突出危险区，为矿井安全生产提供了地质技术保障。

关键词：地质因素；基岩厚度；瓦斯突出；危险区预测；

东风煤矿位于黑龙江七台河市新兴区，是黑龙江龙煤矿业集团股份有限公司下属矿井。矿井有矿区铁路专用线与勃七线、牡佳线铁路接轨，公路可通往勃利、依兰、鸡西、哈尔滨等市县，交通极为便利。井田属低丘陵山区，其地势基本上从东北向西南逐渐变高，标高一般在+175～+285m左右，相对高差110m。矿井设计能力为0.21Mt/a，核定生产能力0.36Mt/a。主要开采白垩系下统鸡西群城子河组62^＃、67^＃等煤层。斜井多水平开拓，一水平（±0m标高）现已报费；二水平（由±0m至-200m标高）为生产水平，有一、二、三采三个采区；开拓工程均在三水平（由-200m标高以下），有一、二两个采区。矿井现开采深度700m左右，为高瓦斯矿井。

本文以67^＃煤层探讨上覆基岩厚度作为影响瓦斯赋存的主控因素，进而作出瓦斯突出危险区预测。

矿井主要地层由中生界白垩系下统鸡西群城子河组、穆棱组和新生界第四系组成，自下而上分述如下：

白垩系下统鸡西群城子河组：白垩系下统鸡西群城子河组上部为本矿井的主要含煤地层，地层厚度990m，共含煤28层，煤层总厚为14.32m。含煤系数1.45％，其中包括62^＃、67^＃等可采及局部可采煤层共11层。

白垩系下统鸡西群穆棱组：平行不整合于城子河组之上，为煤系地层。岩性以中细砂岩为主，夹有粉砂岩及粗砂岩，厚度为220m，在含煤五层，均为不可采煤层。

第四系：不整合覆盖在穆棱组之上，主要为砂质粘土，厚度2－3m；在沟谷地带有冲积层，分布范围较小，厚度5－10m。

东风煤矿位于勃利煤田山字型构造西翼内侧。井田内地层为一单斜构造，总体上向北西倾斜。井田内构造以高角度张性正断层为主，断层落差大于30米的有28条，矿区内共控制断层54条，未见有褶皱构造发育。其中一组近（NW315°±）的张扭性正断层，如F9、F11、F13及F1号断层，这些断层同后期形成的近南北向的张扭性正断层F14等构成本区的主干断裂。在各主干断裂两侧产生次一级的断裂，次一级断裂与主干断裂组成“入”字型构造，派生构造沿主干断裂层面滑动，不切割大断裂。除了广泛发育的大中型正断层以外，在生产过程中揭露了大量的小断层，断层的性质也均为正断层。

矿井主要开采67^＃煤层，煤层厚度在0.54-1.33m之间，平均1.00m。煤层结构简单，其控制及研究程度均较高，可采性指数为94%，厚度变异系数（γ）为11%，属全区发育较稳定煤层。煤层属暗淡型煤，少量透镜状、线理状镜煤，原煤灰分平均为24.23%，硫含量平均0.24%，水分1.175%，挥发分33.91%，为1/3焦煤。其直接顶板为粗砂岩，底板为中砂岩。

2.4.1含水层

井田内的主要含水层有3层：(1)62层顶板中-粗砂岩，厚20m左右，在9号勘探线发育较好，向西逐渐变薄；(2)66层顶板中-粗砂岩，厚40m左右，也是在9号勘探线发育较好，向西逐渐变薄，据62-152孔抽水资料，K值为0.315m/h，q为0.213L/s·m；(3)73层底板粗砂岩，厚20m左右，较稳定，向西部有分叉现象。据62-152孔抽水资料K值为1.43 m/h，q为0.664 L/s·m。

2.4.2隔水层

井田内主要发育有4层隔水层：(1) 61底板凝灰岩隔水层，厚度在3-5cm之间，全区稳定；(2) 65底板凝灰岩隔水层，厚度2-3cm，全区稳定；(3) 67底板凝灰岩隔水层，厚度5-7cm，全区稳定；(4) 74底板凝灰岩隔水层，厚度2-3cm，全区稳定。

东风矿地面起伏较小，在第四纪松散沉积厚度较小、黄土层厚度只有9m左右，且垂向差异不大。煤层上覆基岩厚度为煤层埋藏深度减去第四系地层沉积厚度，主要为砂岩、粉砂岩、泥岩、凝灰岩等组成。

东风煤矿矿井瓦斯涌出为普通涌出式，据历年对瓦斯的测定（总回风道测定的数据），2005年前矿井瓦斯绝对涌出量均在10m³/min以下，为瓦斯矿井。但随着开采深度加深，根据近五年的瓦斯鉴定数据（表1），本矿井已成为高瓦斯矿井。

由于井田多发育张性正断层，且在主干断层两侧次级断层发育，同时在生产过程中揭露了大量的小断层，断层的性质也均为正断层，现矿区内共控制断层54条。

通过对东风煤矿进行断层玫瑰花图（图1）分析，可以看出东风矿矿井NW以及NE向的断层较为发育，这些断层基本上为高角度张性正断层，多为张扭性正断层，这种断层破坏了煤储层的连续性，使得矿井在-200m标高以上，瓦斯将能够沿着断层大量的逸散，矿井属于瓦斯矿井。2007年以来，随着开采深度的增加，断层对瓦斯逸散作用越来越小，矿井已变为高瓦斯矿井。

矿井含水层发育不好，补给条件较差，矿井涌水量不大，具有以静储量为主的充水特征；开采煤层顶底板中都有良好的隔水层，十分不利于瓦斯的逸散。但上层煤层开采引起底板破裂，下层煤赋存的瓦斯通过破裂带逸散到上层煤，总体对瓦斯逸散影响不大。

第四系地层主要为黄土层，一般分布于地表，胶结性不好，孔隙度大，连通性好，容易释放瓦斯。因此矿井瓦斯含量、涌出量及瓦斯压力主要随煤层上覆基岩厚度增加而变大。

根据矿井资料统计，对67^#煤层120多个钻孔的上覆基岩厚度和根据井上下对照图采取的500多个点的上覆基岩厚度，对矿井-200m标高以下范围绘制了上覆基岩厚度等值线图2。

为了定量说明瓦斯含量与基岩厚度的关系，依据表2中瓦斯含量与其对应基岩厚度进行线性回归，关系趋势线见图3。

 

一般说来，随着埋藏深度的增加，上覆基岩的厚度也会增大，煤层中的瓦斯压力也随着埋深增加而增大，由于瓦斯压力的增加，煤与岩石中的游离瓦斯量所占的比例也会增大，而煤中的吸附瓦斯逐渐趋于饱和^[1]。依此类推，在一定的范围内，煤层瓦斯含量随着上覆基岩厚度的增大而增加；当上覆基岩厚度继续增大时，瓦斯含量增加的幅度会有减缓。通过煤层的瓦斯含量与上覆基岩厚度的线性关系图可以看出：煤层上覆基岩厚度550-900m的范围内的瓦斯含量都随着上覆基岩厚度的增加而增大。

通过定性、定量分析可知，影响东风矿井67^#煤层瓦斯含量的因素是多方面的。综合考虑后可以看出底板标高，埋藏深度，上覆基岩厚度对67^#煤层瓦斯含量大小影响较大，相关系数都大于0.7，说明底板标高，煤层埋藏深度，上覆基岩厚度都是是影响东风矿井67^#煤层瓦斯含量分布的重要因素（见表3）。

 

虽然67^#煤层底板标高，埋藏深度以及上覆基岩厚度对瓦斯含量大小影响都较大，但考虑到七台河矿区瓦斯形成条件及保存情况，通过煤层上覆基岩厚度与瓦斯含量之间的关系来预测瓦斯含量分布更具有普遍意义。

由以上分析，将煤层上覆基岩厚度作为影响67^#煤层瓦斯含量的主控因素。瓦斯含量与上覆基岩厚度得出回归方程：

y=0.0116x-4.3335

得出67^#煤层瓦斯含量梯度为1.16m³/t/100m，从而可知上覆基岩厚度546m处、718m处、891m处所对应的瓦斯含量趋势值分别是4m³/t、6m³/t、8m³/t。

煤与瓦斯突出是煤矿井下采掘过程中煤和瓦斯突然涌出并产生巨大动力效应的煤岩动力灾害，可能导致瓦斯爆炸，是煤矿事故发生频率高、人员伤亡大的地质灾害^[2]。有效地进行区域突出危险性预测（以下简称区域预测）可减少防突措施实施的盲目性，增加防突工作的针对性，避免对非突出区域投入大量人力、财力和物力，有利于保障矿井安全生产。

根据煤层瓦斯参数结合瓦斯地质分析的突出危险性区域预测方法应当按照下列要求进行：

1)        煤层瓦斯风化带为无突出危险区域；

2)        根据已开采区域确切掌握的地质构造条件、煤层赋存特征、突出分布的规律和对预测区域煤层地质构造的探测、预测结果，采用瓦斯地质分析的方法划分出突出危险区域；

在上述1)、2)项划分出的无突出危险区和突出危险区以外的区域，应当根据煤层瓦斯压力P进行预测。如果没有或者缺少煤层瓦斯压力资料，也可根据煤层瓦斯含量W进行预测^[3]。

通过上述分析，参照《防治煤与瓦斯突出规定》，由于瓦斯压力过小，实测数据又少，综合考虑矿井瓦斯地质规律，用瓦斯含量对东风67^#煤层进行突出区域危险性预测，将瓦斯含量大于8m³/t的区域定为突出危险区。67^#煤层当瓦斯含量为8m³/t时，对应的上覆基岩厚度为891m。从保证煤矿安全生产角度考虑，应当采取瓦斯含量划分的突出危险界线，即将67^#煤层上覆基岩891m以深划分为突出危险区。

根据矿井地质构造特征，结合矿井瓦斯含量变化情况，分析东风煤矿井田内各种因素对瓦斯赋存的控制作用及影响，确定了煤层上覆基岩厚度作为影响67^#煤层瓦斯赋存的主控因素。经过定性分析及定量计算，确定矿井瓦斯含量变化梯度为1.16m³/t/100m，预测67^#煤层上覆基岩891m以深划分为突出危险区。

 

[1]  张子敏. 瓦斯地质学[M]. 徐州: 中国矿业大学出版社, 2009.

[2]  俞启香主编. 矿井瓦斯防治[M].徐州:中国矿业大学出版社,1998,69-87.

[3]  国家安全生产监督管理总局，国家煤矿安全监察局.防治煤与瓦斯突出规定，2012.

 

第一作者：马书敏，（1969-）男，河南郑州人，高级工程师，河南博奥地质勘查有限公司董事长，国家安监总局安全协会理事会副会长，河南理工大学安全技术研究所副所长，河南省环保联合会副会长，河南省矿业协会常务理事会副秘书长。