张朋伟，刘占宁，马泽宇

（1.安阳工学院，河南 安阳 455000；2.河南省自然资源监测院，郑州 450000）

我国是煤炭资源大国，资源的开采加速经济的增长，但是对环境也产生了一定的影响。其中，瓦斯突出和爆炸等事故是所有事故中最严重的灾害之一，对煤矿工人的生命也构成威胁[1]。因此，对于煤层瓦斯地质规律的研究势在必行。瓦斯是煤层、围岩、采空区和生产环境在成煤过程中产生的各种气体的总和[2-3]。瓦斯的产生与煤形成过程中的物质密切相关，因此，瓦斯是地质作用的产物，它的赋存和分布受着各种地质作用和因素的影响。不同时期的地质构造促进了煤层中构造煤的形成，控制了其在井田中的分布和发育程度，进而影响了煤体强度、煤层孔隙结构、煤层吸附解吸特性，地质构造区瓦斯涌出特征及局部储气特征[4]。瓦斯赋存量、涌出量和煤与瓦斯突出受地质构造演化的影响，具有一定的瓦斯地质规律。因此，从地质规律角度探析，来进行瓦斯赋存与分布的规律分析，对于预防矿井灾害具有很大的指导意义。

1 大斗沟地质概况

大斗沟煤矿位于大同市西南部，大同煤田东翼，设计年产能45万吨，2006年批准年产能180万吨。该矿所属大同侏罗纪煤田总体呈NE向不对称向斜构造，主向斜轴南部为NE方向，北部为SN方向，二者呈斜连接关系[5]。在此基础上，发育方向单一的宽缓褶皱（两翼倾角一般小于10°），沿倾角和走向伴有少量断层和一定数量的陷落柱。

大斗沟煤矿地质构造对瓦斯赋存的控制：

①相比之下，向斜地质构造的瓦斯赋存情况比背斜地质构造复杂一些，瓦斯含量较高、瓦斯压力较大。尤其是两个方向的向斜地质构造结合位置最有利于瓦斯的储存。

②煤田NE（SN）向断裂构造是在基底NE（SN）向断裂的基础上，于燕山运动时期形成的，并在喜马拉雅运动时期复活。两个时期的构造运动应力场状态有利于NE（SN）向断裂地质构造的形成。因此，NE向成为内田断裂的主要发育方向。由于NE向和NNE向构造是左旋挤压扭转运动形成的，但在构造应力场中SN向不如NE向有利，其发育程度次于NE向断裂地质构造，因此两者都有利于瓦斯的保存。

2 瓦斯赋存主控因素分析

煤层瓦斯赋存与地质构造有一定的关系，其形成、运移、赋存等规律受各自不同地质作用的控制。预测煤与瓦斯突出危险区和瓦斯涌出量的主要方面在于瓦斯地质规律研究，它也是瓦斯含量预测、瓦斯综合治理的基础。

2.1 褶曲、断层对瓦斯赋存的影响

不同褶皱位置瓦斯含量不同，开采过程中瓦斯涌出量也不一样。大斗沟煤矿位于煤田东南边缘的北侧中部。东南缘为口泉-峨茅口断裂。大同向斜贯穿整个煤田区域。煤田地层产状变化受大同煤田总体格局的制约，为宽缓背斜褶皱构造。矿区为宽缓向斜交替褶皱，轴向为NE。地层倾角5°～10°，井田大断层不发育，小断层落差1 m～2 m较发育。所以对生产影响不大。

2.2 顶、底板岩性及厚度对瓦斯含量的影响

煤矿开采过程中，孔隙和裂缝发育的砂岩、砾岩和石灰岩的渗透系数比较大，一般比裂缝密集但不发育的页岩、泥岩等渗透系数高上千倍。大斗沟煤矿14号煤层顶底板皆为细砂岩，局部夹薄层泥岩伪顶，其中顶板厚度在1 m～13.3 m，平均厚度4.17 m，透气性相对比较好，便于瓦斯逸散。

2.3 煤层上覆基岩厚度对瓦斯含量的影响

大头沟煤矿中侏罗统云冈组上覆煤层厚度大于177.38 m，主要由中粒砂岩组成，其次为砾岩、细砂岩和粉砂岩，由黄土和壤土组成，与基岩不整合接触。一般来说，煤层上部地层的岩性有利于瓦斯逸出。

2.4 埋藏深度、底板等高对瓦斯含量的影响

随着煤层埋藏深度的增大，围岩渗透性降低，瓦斯含量、压力等随着增大。对大头沟矿14-3号煤层81616工作面、81613工作面、81606工作面、51614掘进面、21614掘进面进行了瓦斯含量测量，获得了5个瓦斯含量控制点，并对大头沟矿附近的忻州窑矿14-3号煤层瓦斯基本参数进行了测试。为有效反映全矿瓦斯情况，参考忻州窑14-3号煤层带巷、回风巷、轨道巷瓦斯含量控制点，

实测瓦斯含量（图1）。

图1 大斗沟矿及临近煤矿瓦斯含量实测值图

对地质勘探过程中瓦斯含量实测值进行回归分析，得到大斗沟矿14-3号煤层的瓦斯含量分布规律，即14-3号煤层瓦斯含量随着地板标高的增大而减小（如图2），两者之间具有以下线性关系（相关系数R=0.923）：

图2 14-3号煤层瓦斯含量与底板标高线性关系图

式中， Y-煤层瓦斯含量，m3/t；X-煤层底板标高，m。

由式(1)可以得出，14-3号煤层的瓦斯含量增长梯度为2.2 m3/t/100 m，即底板标高加深100 m，瓦斯含量总体增加2.2 m3/t左右，14-3号煤层的采掘范围在标高1 005 m～1 050 m之间，瓦斯含量总体在1.78 m3/t～3.65 m3/t之间；从相关系数看，底板标高是影响瓦斯分布的重要因素。

3 瓦斯风氧化带确定及深部预测

3.1 瓦斯风氧化带确定

一般来说，煤层瓦斯的垂直分带是连续的，如图3所示，即二氧化碳-氮气带位于煤层最浅部分，根据深度往下依次是氮气带、氮气-甲烷带、甲烷带。

图3 煤层瓦斯垂向分带图

瓦斯风化带下限的确定主要依据瓦斯的具体成分。确定瓦斯风化带下限的指标主要有：①煤层中所含瓦斯的CH4组分含量为80%；②煤层瓦斯压力为0.1 MPa～0.15 MPa；③煤的瓦斯含量为2 m3/t～3 m3/t（烟煤）和5 m3/t～7 m3/t（无烟煤）；④瓦斯相对涌出量小于2 m3/t。

大斗沟矿14-3号煤层的埋藏深度与瓦斯含量有一定关系，具体研究得出，瓦斯的地勘与实测均在0 ～3.28 m3/t；其甲烷成分区间是0～27.51%；相反氮气成分为：73.18%～98.56%，由2009～2020年矿井瓦斯等级鉴定得出大斗沟矿为低瓦斯矿井，相对瓦斯涌出量为1.07 m3/t～6.57 m3/t；间接计算瓦斯压力0.14 MPa～0.42 MPa。综上所述，该矿井埋藏深度280 m以上全部位于氮气-甲烷带。

通过以上定量分析，我们发现瓦斯含量与煤层底板标高的相关系数为0.923，说明瓦斯含量与煤层底板标高的关系更为密切，因此利用煤层底板标高与瓦斯含量的关系可以用来预测瓦斯含量。由回归方程：Y= -0.022X+24.885，可得出瓦斯深部预测回归曲线趋势图（如图4）。

图4 瓦斯深部预测图

由预测曲线图4可知：煤层底板标高从1 035 m到1 050 m时，其瓦斯含量从2.12 m3/t减少到1.79 m3/t，瓦斯赋存是逐渐减少的趋势，对于深煤层开采相对有利。

4 结束语

研究大斗沟矿14-3号煤层的瓦斯赋存规律，并对瓦斯含量影响因素逐一分析，可知顶底板岩性及厚度、上覆基岩厚度有利于瓦斯逸出，底板标高是影响储气的主要控制因素。通过对大头沟煤矿地质构造规律和特殊性的分析，可以看出大头沟煤矿14-3号煤层上覆基岩和埋藏深度与瓦斯含量存在相关性。矿井埋藏深度在280 m以上，属氮气-甲烷带。利用煤层底板标高与瓦斯赋存状态的回归关系，预测了深部煤层瓦斯含量，得出预测曲线方程Y= -0.022X+24.885，预测结果表明瓦斯含量随着底板标高的增加而减少，有利于采掘。本文从理论上拓展了煤层瓦斯赋存的地质规律的研究，为今后顺利开展大斗沟煤矿瓦斯治理工作提供了参考。