公司董事長馬書敏及公司員工呂春枝、馬韶萍撰寫的《煤層上覆基巖厚度對煤與瓦斯突出危險性影響探討》論文在河南省地質(zhì)學會2013年度學術(shù)交流會中被評為優(yōu)秀科技論文一等獎！
馬書敏 呂春枝 馬韶萍
（河南博奧地質(zhì)勘查有限公司，河南 鄭州 ，450003）
摘要：運用瓦斯地質(zhì)理論研究方法，通過分析東風煤礦井田內(nèi)各種因素對瓦斯賦存的控制作用及影響，確定了煤層上覆基巖厚度作為影響67#煤層瓦斯賦存的主控因素，初步預測劃分67#煤層上覆基巖891m以深劃分為突出危險區(qū)，為礦井安全生產(chǎn)提供了地質(zhì)技術(shù)保障。
關(guān)鍵詞：地質(zhì)因素；基巖厚度；瓦斯突出；危險區(qū)預測；
1.概況
東風煤礦位于黑龍江七臺河市新興區(qū)，是黑龍江龍煤礦業(yè)集團股份有限公司下屬礦井。礦井有礦區(qū)鐵路專用線與勃七線、牡佳線鐵路接軌，公路可通往勃利、依蘭、雞西、哈爾濱等市縣，交通極為便利。井田屬低丘陵山區(qū)，其地勢基本上從東北向西南逐漸變高，標高一般在+175～+285m左右，相對高差110m。礦井設(shè)計能力為0.21Mt/a，核定生產(chǎn)能力0.36Mt/a。主要開采白堊系下統(tǒng)雞西群城子河組62＃、67＃等煤層。斜井多水平開拓，一水平（±0m標高）現(xiàn)已報費；二水平（由±0m至-200m標高）為生產(chǎn)水平，有一、二、三采三個采區(qū)；開拓工程均在三水平（由-200m標高以下），有一、二兩個采區(qū)。礦井現(xiàn)開采深度700m左右，為高瓦斯礦井。
本文以67＃煤層探討上覆基巖厚度作為影響瓦斯賦存的主控因素，進而作出瓦斯突出危險區(qū)預測。
2.礦井主要地質(zhì)特征
2.1地層
礦井主要地層由中生界白堊系下統(tǒng)雞西群城子河組、穆棱組和新生界第四系組成，自下而上分述如下：
白堊系下統(tǒng)雞西群城子河組：白堊系下統(tǒng)雞西群城子河組上部為本礦井的主要含煤地層，地層厚度990m，共含煤28層，煤層總厚為14.32m。含煤系數(shù)1.45％，其中包括62＃、67＃等可采及局部可采煤層共11層。
白堊系下統(tǒng)雞西群穆棱組：平行不整合于城子河組之上，為煤系地層。巖性以中細砂巖為主，夾有粉砂巖及粗砂巖，厚度為220m，在含煤五層，均為不可采煤層。
第四系：不整合覆蓋在穆棱組之上，主要為砂質(zhì)粘土，厚度2－3m；在溝谷地帶有沖積層，分布范圍較小，厚度5－10m。
2.2構(gòu)造
東風煤礦位于勃利煤田山字型構(gòu)造西翼內(nèi)側(cè)。井田內(nèi)地層為一單斜構(gòu)造，總體上向北西傾斜。井田內(nèi)構(gòu)造以高角度張性正斷層為主，斷層落差大于30米的有28條，礦區(qū)內(nèi)共控制斷層54條，未見有褶皺構(gòu)造發(fā)育。其中一組近（NW315°±）的張扭性正斷層，如F9、F11、F13及F1號斷層，這些斷層同后期形成的近南北向的張扭性正斷層F14等構(gòu)成本區(qū)的主干斷裂。在各主干斷裂兩側(cè)產(chǎn)生次一級的斷裂，次一級斷裂與主干斷裂組成“入”字型構(gòu)造，派生構(gòu)造沿主干斷裂層面滑動，不切割大斷裂。除了廣泛發(fā)育的大中型正斷層以外，在生產(chǎn)過程中揭露了大量的小斷層，斷層的性質(zhì)也均為正斷層。
2.3開采煤層特征
礦井主要開采67＃煤層，煤層厚度在0.54-1.33m之間，平均1.00m。煤層結(jié)構(gòu)簡單，其控制及研究程度均較高，可采性指數(shù)為94%，厚度變異系數(shù)（γ）為11%，屬全區(qū)發(fā)育較穩(wěn)定煤層。煤層屬暗淡型煤，少量透鏡狀、線理狀鏡煤，原煤灰分平均為24.23%，硫含量平均0.24%，水分1.175%，揮發(fā)分33.91%，為1/3焦煤。其直接頂板為粗砂巖，底板為中砂巖。
2.4地下水特征
2.4.1含水層
井田內(nèi)的主要含水層有3層：(1)62層頂板中-粗砂巖，厚20m左右，在9號勘探線發(fā)育較好，向西逐漸變�。�(2)66層頂板中-粗砂巖，厚40m左右，也是在9號勘探線發(fā)育較好，向西逐漸變薄，據(jù)62-152孔抽水資料，K值為0.315m/h，q為0.213L/s·m；(3)73層底板粗砂巖，厚20m左右，較穩(wěn)定，向西部有分叉現(xiàn)象。據(jù)62-152孔抽水資料K值為1.43 m/h，q為0.664 L/s·m。
井田內(nèi)主要發(fā)育有4層隔水層：(1) 61底板凝灰?guī)r隔水層，厚度在3-5cm之間，全區(qū)穩(wěn)定；(2) 65底板凝灰?guī)r隔水層，厚度2-3cm，全區(qū)穩(wěn)定；(3) 67底板凝灰?guī)r隔水層，厚度5-7cm，全區(qū)穩(wěn)定；(4) 74底板凝灰?guī)r隔水層，厚度2-3cm，全區(qū)穩(wěn)定。
2.5煤層上覆巖層特征
東風礦地面起伏較小，在第四紀松散沉積厚度較小、黃土層厚度只有9m左右，且垂向差異不大。煤層上覆基巖厚度為煤層埋藏深度減去第四系地層沉積厚度，主要為砂巖、粉砂巖、泥巖、凝灰?guī)r等組成。
2.6礦井瓦斯涌出特征
東風煤礦礦井瓦斯涌出為普通涌出式，據(jù)歷年對瓦斯的測定（總回風道測定的數(shù)據(jù)），2005年前礦井瓦斯絕對涌出量均在10m3/min以下，為瓦斯礦井。但隨著開采深度加深，根據(jù)近五年的瓦斯鑒定數(shù)據(jù)（表1），本礦井已成為高瓦斯礦井。
表1 東風礦井2007～2011年瓦斯涌出及等級鑒定表
|
年 份 |
絕對瓦斯涌出量/m3/min |
相對瓦斯涌出量/m3/t |
鑒定級別 |
|
2007 |
23.17 |
27.73 |
高 |
|
2008 |
27.28 |
37.42 |
高 |
|
2009 |
28.386 |
34.80 |
高 |
|
2010 |
37.38 |
26.40 |
高 |
|
2011 |
37.20 |
27.08 |
高 |
3.瓦斯與主要地質(zhì)因素的關(guān)系定性分析
3.1斷層構(gòu)造
由于井田多發(fā)育張性正斷層，且在主干斷層兩側(cè)次級斷層發(fā)育，同時在生產(chǎn)過程中揭露了大量的小斷層，斷層的性質(zhì)也均為正斷層，現(xiàn)礦區(qū)內(nèi)共控制斷層54條。
圖1 東風煤礦斷層走向玫瑰花圖
通過對東風煤礦進行斷層玫瑰花圖（圖1）分析，可以看出東風礦礦井NW以及NE向的斷層較為發(fā)育，這些斷層基本上為高角度張性正斷層，多為張扭性正斷層，這種斷層破壞了煤儲層的連續(xù)性，使得礦井在-200m標高以上，瓦斯將能夠沿著斷層大量的逸散，礦井屬于瓦斯礦井。2007年以來，隨著開采深度的增加，斷層對瓦斯逸散作用越來越小，礦井已變?yōu)楦咄咚沟V井。
3.2地下水
礦井含水層發(fā)育不好，補給條件較差，礦井涌水量不大，具有以靜儲量為主的充水特征；開采煤層頂?shù)装逯卸加辛己玫母羲畬樱植焕谕咚沟囊萆�。但上層煤層開采引起底板破裂，下層煤賦存的瓦斯通過破裂帶逸散到上層煤，總體對瓦斯逸散影響不大。
3.3煤層上覆基巖
第四系地層主要為黃土層，一般分布于地表，膠結(jié)性不好，孔隙度大，連通性好，容易釋放瓦斯。因此礦井瓦斯含量、涌出量及瓦斯壓力主要隨煤層上覆基巖厚度增加而變大。
4上覆基巖厚度與瓦斯含量定量分析
4.1基巖厚度與瓦斯含量回歸分析
根據(jù)礦井資料統(tǒng)計，對67#煤層120多個鉆孔的上覆基巖厚度和根據(jù)井上下對照圖采取的500多個點的上覆基巖厚度，對礦井-200m標高以下范圍繪制了上覆基巖厚度等值線圖2。
圖2 東風煤礦67#煤層深部上覆基巖厚度等值線
表2 東風煤礦67#煤層瓦斯含量測定結(jié)果表
|
采樣地點 |
X |
Y |
煤層 |
底板標高(m) |
埋深
(m) |
上覆基巖厚度(m) |
瓦斯含量
(m3/t) |
|
一采區(qū)3水平軌道下山右?guī)?7層 |
-93386.5 |
5075431.1 |
67 |
-650 |
884 |
541 |
1.80 |
|
一采區(qū)67層5片三水平皮帶下山 |
-93295 |
5075582.5 |
67 |
-500 |
729 |
525 |
3.95 |
|
一采區(qū)67層3水平軌道下山左幫 |
-93377.6 |
5075420.2 |
67 |
-651 |
886 |
542 |
5.35 |
|
一采區(qū)67號左五片(內(nèi)2) |
-92899 |
5075048 |
67 |
-464 |
685 |
510 |
4.44 |
|
一采67號左五片（外） |
-93170 |
5075425 |
67 |
-490 |
710 |
512 |
5.16 |
|
一采區(qū)67號右五片 |
-93664 |
5076117 |
67 |
-410.5 |
601 |
530 |
1.49 |
|
一采區(qū)67號左五片（內(nèi)） |
-92912 |
5075057 |
67 |
-467 |
690 |
511 |
3.94 |
圖3 東風礦67#煤層瓦斯含量與基巖厚度的關(guān)系
一般說來，隨著埋藏深度的增加，上覆基巖的厚度也會增大，煤層中的瓦斯壓力也隨著埋深增加而增大，由于瓦斯壓力的增加，煤與巖石中的游離瓦斯量所占的比例也會增大，而煤中的吸附瓦斯逐漸趨于飽和
[1]。依此類推，在一定的范圍內(nèi)，煤層瓦斯含量隨著上覆基巖厚度的增大而增加；當上覆基巖厚度繼續(xù)增大時，瓦斯含量增加的幅度會有減緩。通過煤層的瓦斯含量與上覆基巖厚度的線性關(guān)系圖可以看出：煤層上覆基巖厚度550-900m的范圍內(nèi)的瓦斯含量都隨著上覆基巖厚度的增加而增大。
4.2 瓦斯含量分布及預測
通過定性、定量分析可知，影響東風礦井67#煤層瓦斯含量的因素是多方面的。綜合考慮后可以看出底板標高，埋藏深度，上覆基巖厚度對67#煤層瓦斯含量大小影響較大，相關(guān)系數(shù)都大于0.7，說明底板標高，煤層埋藏深度，上覆基巖厚度都是是影響東風礦井67#煤層瓦斯含量分布的重要因素（見表3）。
表3 煤層瓦斯含量與主要影響因素關(guān)系表
|
主要因素（x） |
67#煤層 |
|
關(guān)系表達式（y） |
相關(guān)性系數(shù)（R2） |
|
底板標高 |
y=-0.0154x-3.9145 |
0.7172 |
|
埋藏深度 |
y=0.0116x-4.4468 |
0.7149 |
|
上覆基巖厚度 |
y=0.0116x-4.3335 |
0.7249 |
雖然67#煤層底板標高，埋藏深度以及上覆基巖厚度對瓦斯含量大小影響都較大，但考慮到七臺河礦區(qū)瓦斯形成條件及保存情況，通過煤層上覆基巖厚度與瓦斯含量之間的關(guān)系來預測瓦斯含量分布更具有普遍意義。
由以上分析，將煤層上覆基巖厚度作為影響67#煤層瓦斯含量的主控因素。瓦斯含量與上覆基巖厚度得出回歸方程：
y=0.0116x-4.3335
得出67
#煤層瓦斯含量梯度為1.16m
3/t/100m，從而可知上覆基巖厚度546m處、718m處、891m處所對應的瓦斯含量趨勢值分別是
4m3/t、6m
3/t、8m
3/t。
5.煤與瓦斯區(qū)域突出危險性預測
根據(jù)煤層瓦斯參數(shù)結(jié)合瓦斯地質(zhì)分析的突出危險性區(qū)域預測方法應當按照下列要求進行：
1) 煤層瓦斯風化帶為無突出危險區(qū)域；
2) 根據(jù)已開采區(qū)域確切掌握的地質(zhì)構(gòu)造條件、煤層賦存特征、突出分布的規(guī)律和對預測區(qū)域煤層地質(zhì)構(gòu)造的探測、預測結(jié)果，采用瓦斯地質(zhì)分析的方法劃分出突出危險區(qū)域；
在上述1)、2)項劃分出的無突出危險區(qū)和突出危險區(qū)以外的區(qū)域，應當根據(jù)煤層瓦斯壓力P進行預測。如果沒有或者缺少煤層瓦斯壓力資料，也可根據(jù)煤層瓦斯含量W進行預測[3]。
通過上述分析，參照《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》，由于瓦斯壓力過小，實測數(shù)據(jù)又少，綜合考慮礦井瓦斯地質(zhì)規(guī)律，用瓦斯含量對東風67#煤層進行突出區(qū)域危險性預測，將瓦斯含量大于8m3/t的區(qū)域定為突出危險區(qū)。67#煤層當瓦斯含量為8m3/t時，對應的上覆基巖厚度為891m。從保證煤礦安全生產(chǎn)角度考慮，應當采取瓦斯含量劃分的突出危險界線，即將67#煤層上覆基巖891m以深劃分為突出危險區(qū)。
6.結(jié)論
根據(jù)礦井地質(zhì)構(gòu)造特征，結(jié)合礦井瓦斯含量變化情況，分析東風煤礦井田內(nèi)各種因素對瓦斯賦存的控制作用及影響，確定了煤層上覆基巖厚度作為影響67
#煤層瓦斯賦存的主控因素。經(jīng)過定性分析及定量計算，確定礦井瓦斯含量變化梯度為1.16m
3/t/100m，預測
67#煤層上覆基巖891m以深劃分為突出危險區(qū)。
參考文獻
[1] 張子敏. 瓦斯地質(zhì)學[M]. 徐州: 中國礦業(yè)大學出版社, 2009.
[2] 俞啟香主編. 礦井瓦斯防治[M].徐州:中國礦業(yè)大學出版社,1998,69-87.
[3] 國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局，國家煤礦安全監(jiān)察局.防治煤與瓦斯突出規(guī)定，2012.
第一作者：馬書敏，（1969-）男，河南鄭州人，高級工程師，河南博奧地質(zhì)勘查有限公司董事長，國家安監(jiān)總局安全協(xié)會理事會副會長，河南理工大學安全技術(shù)研究所副所長，河南省環(huán)保聯(lián)合會副會長，河南省礦業(yè)協(xié)會常務理事會副秘書長。
