山阳煤矿1501面瓦斯赋存规律及控制因素分析

工作，进而从源头上防止瓦斯事故的发生，实现矿井安全和高产高效。

山阳煤矿属于新建矿井，1501回采面为首采工作面，为了在矿井投产后对瓦斯防治采取有效措施，需要对其瓦斯赋存规律进行分析研究，保证矿井投产后的安全生产。

1矿井及工作面概况

1.1矿井概况山阳煤矿位于陕西省渭北石炭—二叠纪煤田澄合矿区中深部。东西走向长约12.5 km，南北倾向宽约5.8 km，井田面积约72.9 km2.设计生产能力3.0 Mt/a，为瓦斯矿井。构造形态简单，是一走向近东西、向北倾斜锯波状起伏的单斜构造。产状平缓，倾角一般3°～8°，地质条件较好。矿井采用立井开拓方式，主采5#煤层，全部垮落法管理顶板。

1.2工作面概况

1501面为山阳煤矿的首采工作面，走向长2 400 m，倾向长180 m.1501工作面主采5#煤层属较稳定煤层，煤层底板标高+275～+344 m，煤层厚度2.5～5.7 m，平均4.0 m，可采储量2.1 Mt.图11501面煤层底板等高线图

Fig.1Coalfloor contour map of 1501 working face图21501面瓦斯含量等值线图

Fig.2Gas content contour map of 1501 working face从1501面煤层底板等高线图（图1）可以看出，煤层底板总体呈现西低东高的地理形态，在巷道掘进过程中分别在皮带巷和轨道巷揭露2条小断层F1，F2，断层参数见表1.同时，在掘进过程中发现煤层由西到东呈现逐渐变薄的趋势。

根据1501面实际煤层赋存情况以坐标37 415 800为分隔点把1501工作面划分为2个区域进行研究。37 415 000～37 415 800控制的区域为Ⅰ区，37 415 800到开切眼区域为Ⅱ区。区域划分有利于根据工作面瓦斯含量变化、涌出量变化而针对性地制定不同的瓦斯治理措施。

从图1中可以看出Ⅰ区标高较Ⅱ区低，标高最高最低处相差近56 m，即埋深相差56 m.

由于井下直接测定煤层瓦斯压力难以实现，没有对1501工作面进行瓦斯压力测定，为了确定1501工作面的瓦斯压力分布规律，结合表1实测的瓦斯含量值，根据AQ1026-2006《煤矿瓦斯抽采基本指标》[4]，应用朗格缪尔方程计算各测点瓦斯压力，计算公式

W=abp1+bp·100-Ad-Mad100·11+0.31Mad+10kγ.（1）

式中W为煤层瓦斯含量，m3/t；p为煤层绝对瓦斯压力，MPa；a，b为瓦斯吸附常数，a=17.366 0 m3/t，b=1.507 2 MPa-1；Mad为煤中水分含量，%，Mad=0.66；Aad为煤中灰分含量，%，Aad=34.58；k为煤的孔隙率，k=0.098；γ为煤的容重，t/m3，γ=1.485.计算结果见表2.依据计算结果同时结合相关资料绘制出1501工作面瓦斯压力等值线图（图3）。图中瓦斯压力单位为MPa.图31501面瓦斯压力等值线图

Fig.3Gas pressure contour map of 1501 working face从图3中可以看出，1501面瓦斯压力值在008～0.40 MPa，Ⅰ区瓦斯压力较大，特别是Ⅰ区靠近皮带巷一侧煤层瓦斯压力达到0.4 MPa，而Ⅱ区煤层瓦斯压力最大值为0.12 MPa.由此可见2个区域瓦斯压力具有明显差异。这与图2瓦斯含量等值线图整体上具有一致性，说明瓦斯含量高的位置瓦斯压力也高。

3瓦斯赋存规律的控制因素分析

3.1地质构造对瓦斯赋存的影响

地质构造控制煤的形成与富集，也控制着瓦斯的赋存[5]。地质构造既可改变煤层瓦斯赋存形态及煤体结构，又可改变围岩透气性能[6]。1501面地质构造简单，掘进期间没有发现大的断层，仅在Ⅱ区皮带巷和轨道巷揭露2条小型正断层F1，F2，落差分别为0.8和2.5 m，对回采影响较小，对瓦斯赋存也影响有限。总体上1501面地质构造对于瓦斯赋存影响不大。

3.2煤层埋深对瓦斯赋存的影响

煤层埋深是控制瓦斯的重要因素，它是地表与煤层顶板之间的垂直距离。在一定的深度范围内，煤层中瓦斯含量随埋藏深度的增加而增大。在地形起伏较大地区，瓦斯含量与覆盖层的厚度密切相关[7]。依据测定数据利用回归分析法确定出瓦斯含量与埋深的关系，得到煤层瓦斯含量随埋藏深度的变化趋势如图4所示。

式中x为煤层埋藏深度，m.从图4可以看出，瓦斯含量与煤层埋深成正相关关系，即随着埋藏深度增加瓦斯含量增大但拟合度（相关性）很差，相关性系数R2=0.146 6.其原因主要是山阳煤矿5#煤层处于瓦斯风化带内。国内外大量实验结果表明，在甲烷带内，瓦斯含量随煤层埋深的增加而增加，绝大多数呈线性增加。而在瓦斯风化带中，二者之间线性关系较差，但总体趋势还是瓦斯含量随煤层埋深增加而增大。

3.3煤层厚度对瓦斯赋存的影响

煤层是含煤岩系中具有较多孔隙的有机岩层，对瓦斯有较强的吸附能力，煤层厚度是影响瓦斯含量的重要因素之一。

煤层厚度越大，对瓦斯的吸附能力越大，储集的瓦斯量也越大[8]。随着煤层厚度增加，成煤时期生成的瓦斯量增多。而且煤层越厚，瓦斯的储存空间越大，瓦斯含量越高。回归分析测点数据得出煤层厚度和瓦斯含量的具体关系如图5所示。

4顶底板岩性对瓦斯赋存的影响

含煤地层的岩性组合及其透气性对煤层瓦斯含量有重大影响[9]，煤层围岩条件决定煤层顶板岩性及透气性，其好坏直接影响瓦斯赋存量的大小。山阳煤矿主采5#煤，该煤层位于二叠纪山西组下段，顶板为二叠系下石盒子组，以灰绿、灰、深灰色粉砂岩、砂质泥岩为主。底板为石英系太原组，岩性主要由石英砂岩、粉岩、碳酸岩和煤层组成。

5#煤层顶板以粉砂岩和砂质泥岩为主，透气性较好，封闭性差，不利于瓦斯的储存。底板大部分由粉砂岩组成，透气性也比较高，也不利于瓦斯的储存，这种顶底板特性决定了1501面煤层瓦斯含量整体偏低的格局。

3.5水文地质条件对瓦斯赋存的影响

水文地质特征是影响瓦斯赋存的另一个重要因素[10]。瓦斯主要以吸附状态赋存于煤孔隙中，地下水通过地层压力对瓦斯吸附聚集起控制作用，这种控制作用既可导致瓦斯（煤层气）散逸，又能起到保存聚集瓦斯的作用[11]。尽管瓦斯溶于水的程度不高，但地下水在漫长的地质年代可以带走数量可观的瓦斯。由于地下水的溶蚀作用，还会带走大量的矿物质，导致煤层天然卸压，地应力降低会引起煤层及围岩透气性增大，从而加强了煤层瓦斯的流失[12]。

1501工作面轨道巷有一个较大的出水点，初期涌水量160 m3/h，目前稳定在130 m3/h左右。皮带巷有2个较大的出水点，涌水量共计45 m3/h左右。分析认为3个出水点均为掘进破坏5#煤底板后，导致K2灰岩水涌入工作面。由于地下水的运移，一方面驱动着裂隙和孔隙中的瓦斯运移，另一方面又带动了溶解于水中的瓦斯一起流动[12]，这种特殊的水文地质条件使得1501面瓦斯含量整体偏低，且轨道巷一侧涌水量为皮带巷涌水量的2.9倍，实测钻孔瓦斯含量轨道巷一侧整体明显低于皮带巷。这也与瓦斯等值线图所揭示的赋存规律高度吻合，说明水文条件对1501面瓦斯赋存规律有很大影响。总之，地下水活动使得山阳煤矿1501面呈现出“水大瓦斯小，水小瓦斯大”的特征。

4结论

1）通过井下直接测定煤层瓦斯含量得出1501面瓦斯含量1.670 5～6.782 2 m3/t，且用间接法测定出1501面的瓦斯压力0.08～0.40 MPa.利用测定数据绘制的瓦斯等值线图和压力等值线图很好地呈现了1501面瓦斯赋存及压力分布特征；

2）1501面的瓦斯赋存表现为“Ⅰ区域高，Ⅱ区域低，皮带巷一侧高，轨道巷一侧低”的赋存规律。在1501回采时应注意Ⅰ区域及皮带巷一侧的瓦斯涌出情况，加强这一区域的瓦斯治理，保证矿井安全生产；

3）综合分析了地质因素对1501面瓦斯含量的控制作用，得出影响1501瓦斯规律的主要控制因素为煤层厚度和水文地质条件。地质构造、埋深以及围岩特性对瓦斯赋存有一定影响，但影响不大。

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