青东煤矿矿井瓦斯地质特征

Gas Geological Characteristics of Qing Dong Coal Mine

摘要: 为预防青东煤矿的局部瓦斯积聚造成瓦斯事故，本文根据二百多处本矿区在井下实际测得瓦斯压力数据，通过朗格谬尔方程换算，根据各测点对应的瓦斯含量，得出井田内部分区段存在局部富集现象。同时在全区勘探阶段通过解吸法对瓦斯含量进行了测定，结果表明：区内7、8、10主采煤层瓦斯含量较低，均在8 m³/t以下。根据近几个月来本矿井7、8、和10主采煤层的井下瓦斯涌出量情况，7煤和8煤具有较大的瓦斯涌出量，10煤层瓦斯涌出量较少，绝对瓦斯涌出量均小于40 m³/min，可知本矿井为低瓦斯矿井。

Abstract: To avoid gas accident caused by local gas accumulation in Qing Dong coal mine, this paper showed that there was some local enrichment in certain section of the minefield by means of Langmuir Equation conversion, which was based on gas content corresponding to each measuring point, according to more than 200 data of the actual gas pressure measured under the shaft in the minefield. The content of gas was measured during whole area exploration stage through desorption, and the result showed that the gas content of the 7, 8 and 10 coal seam was lower than that of 8 m³/t. In the light of the coal mine gas emission in the 7, 8, and 10 coal seam in recent months, the amount of gas emission of the 7 coal and 8 coal was large, and the gas emission of the 10 coal seam was small. The absolute gas emission was less than 40 m³/min, so it is known that this mine is a low gas mine.

1. 引言

煤炭是我国现阶段使用的主要能源，在一次性能源中约占70%，并且在接下来相当长的一个时期内不会发生大的变化。制约煤炭工业发展的最大障碍之一是瓦斯灾害 [1] 。我国较为系统地开展瓦斯地质研究是在20世纪70年代中后期，进入80年代得到较大发展。著名安全专家杨力生教授提出治理瓦斯必须走瓦斯地质的道路，并首创了瓦斯地质学科，为瓦斯涌出预测提供了新思路 [2] [3] 。张玉贵等人从微观角度揭示了构造对煤体的动力学特征及煤岩学特征的影响 [4] 。张子敏(1998, 2005)从板块构造运动学说入手，分析地质构造演化历史，研究构造演化对瓦斯的生储盖条件的影响，有效的预测了矿区、矿井、采区、釆面的瓦斯情况 [5] 。随着煤矿开采地质条件的越趋复杂性以及开采深度向纵向深度发展的趋势，矿井瓦斯问题日益严峻，尤其是煤与瓦斯突出现象造成人员伤亡、井巷破坏现象将更加严峻 [6] 。煤矿瓦斯灾害在矿井自然灾害中占有很大比例，因此对矿井瓦斯地质的研究迫在眉睫。

青东煤矿是近年来新建的矿井，从目前已有的资料来看，矿井地质构造条件相对比较复杂，矿区内发育有大中型断裂构造，且互相交叉彼此切割；纵横穿插有小断层，次级褶曲相对较发育，煤层起伏变化较大并伴有煤层变薄尖灭。本文在前人对青东煤矿瓦斯地质条件研究的基础上，通过将二百多处井下实测的瓦斯压力数据进行换算，发现井田内部分区段瓦斯含量存在局部富集现象，在矿井开采过程中要给予高度重视。

2. 矿井位置及范围

青东煤矿位于安徽省淮北市濉溪县李小庙至大刘家一带，行政区划属濉溪县，井田东距宿州市、北东距淮北市均为45 km [7] 。矿井东以大刘家断层为界，西止F9断层，南以石炭系太原组顶界灰岩露头线为界，北至F19断层和3-2煤层−1200 m水平投影线，东西长约13 Km，南北宽约3.5~6.5 Km [8] ，矿区面积54.1394 km²。矿井构造纲要图见图1。

3. 煤层

区内地层中的二叠系的上石盒子组、下石盒子组和山西组为主要的含煤地层，主要的含煤地层的平均总厚度为880.8 m [9] 。自上而下含1、2、3、4、5、6、7、8、10、11计十个煤（层）组，含煤7~18层，煤层平均总厚度为17.19 m，含煤系数1.95%。其中3-2、7、8-1、8-2、10煤层等五层煤为可采煤层，各可采煤层具体特征见表1，可采煤层平均总厚度为12.41 m，占全部煤层总厚度的72.19%，7、8-2煤层为主要可采煤层 [10] ，平均厚6.53 m，占可采煤层厚度的53%。其它不可采煤层不稳定，煤层起伏变化

Figure 1. Structure outline map of mining area

图1. 研究区构造纲要图

Table 1. Status of main recoverable coal seam

表1. 主要可采煤层赋存状况

较大，常尖灭或相变为炭质泥岩。

4. 矿井瓦斯压力

表2、表3为井下实测的瓦斯压力数据，从表中可见7煤实测瓦斯压力为0.08~1.70 MPa；平均值为0.54；8煤瓦斯压力为0.01~1.51 MPa，均值为0.50 MPa；10煤层实测瓦斯压力为0.12~0.26 MPa，均值为0.13 MPa。

5. 矿井瓦斯含量

5.1. 地勘阶段瓦斯含量测试结果

全区勘探阶段共采取瓦斯样品109个，样点105个，其中合格样品89个，合格样点85个。可采煤层中合格瓦斯样品101个，合格样点97个；其它煤层合格样品5个；合格样点3个。

测试方法为解吸法，资料的取舍原则为剔除不合格样品后每个样点取其最大值。在地勘阶段，由于

Table 2. Summary of the measured data of gas pressure and the results of gas content calculation in the 7 coal seam

表2. 7煤层井下实测瓦斯压力数据及瓦斯含量计算结果汇总表

Table 3. Summary of the measured data of gas pressure and the results of gas content calculation in the 8 and 10 coal seam

表3. 8和10煤层井下实测瓦斯压力数据及瓦斯含量计算结果汇总表

采取样品质量、操作失误和测定方法缺陷等原因，地勘煤层瓦斯含量测值并不全部真实可靠，在利用他们时，必须进行包括去伪存真、测值校正等内容在内的可靠性分析，可靠性分析原则如下：

1) 集气法瓦斯含量测值需要乘1.2的系数进行校正。

2) 煤样灰分含量超过40%时，地勘解吸法瓦斯含量测值应剔除。

3) 采取的煤芯长度小于0.4 m或煤样重量少于250 g时，地勘解吸法瓦斯含量测值只具参考价值。

4) 煤样罐密封不严、脱气时漏气、无残余瓦斯成分等情况时，无论采用集气法还是解吸法，测值不合格，必须予以剔除。

5) 对于处于瓦斯带的煤层，所取煤样甲烷体积分数低于80%时，瓦斯含量测值不可靠，应予以剔除。

6) 1个钻孔有2个或2个以上合格瓦斯含量测值时，取较大值 [11] 。

按照上述可靠性评价原则，由于该矿地勘阶段瓦斯CH₄含量绝大部分都小于80%，故本次以70%的CH₄含量为依据，筛选出青东矿13对可靠的瓦斯含量(表4)。由青东矿地勘期间测得的瓦斯含量可靠值来看，区内7、8、10主采煤层瓦斯含量较低，都在8 m³/t以下。

5.2. 基于瓦斯压力推算瓦斯含量

对采集的青东煤矿7、8煤样进行瓦斯吸附常数的测定，通过试验测得7煤吸附常数：a = 27.70 ml/g，b = 0.86 MPa⁻¹；8煤吸附常数：a = 28.3 ml/g，b = 0.88 MPa⁻¹；10煤勘探阶段测试吸附常数为：a = 19.48 ml/g，b = 0.36 MPa⁻¹。10煤层吸附常数b = 0.36 MPa⁻¹明显小于淮北矿区其他矿井吸附常数b值。在低瓦斯含量情况下，计算出较大的瓦斯压力，影响瓦斯压力预测结果。因此青东煤矿10煤层吸附常数参考淮北矿区部分矿井10煤层吸附常数进行取值。淮北矿区部分矿井10煤层吸附常数见表5，青东煤矿10煤层吸附常数取各矿平均值为：a = 20.825 ml/g，b = 0.918 MPa⁻¹。

计算煤层中赋存的瓦斯含量直接受煤的工业成分的影响。因此，只有在对煤的工业成分进行分析以后，才可以对煤层瓦斯含量进行预测。青东煤矿7、8煤层煤样的工业组分测定结果如表6所示。

Table 4. Reliable test results of coal mine gas in the 7, 8 and 10 coal seam

表4. 全区7、8、10煤层地勘瓦斯可靠测试成果表

Table 5. Adsorption constant of the 10 coal seam in adjacent mine of Qing Dong coal mine

表5. 青东煤矿邻近矿井10煤层吸附常数

Table 6. Coal sample industry analysis results of the 7, 8 and 10 coal seam in Qing Dong coal mine

表6. 青东煤矿7、8和10煤层煤样工业分析结果

利用吸附常数a、b值、工业分析结果和煤层瓦斯实测压力值就可计算煤层瓦斯含量。煤层瓦斯含量包括游离瓦斯含量和吸附瓦斯含量 [12] 。

可通过气体状态方程计算煤的游离瓦斯含量：

$X_y=\frac{VP{T}_0}{T{P}_0\zeta }$

式中，V——单位重量煤的孔隙容积，m³/t；

P——绝对瓦斯压力，MPa；

T₀、P₀——标准状况下绝对温度(273 K)与压力(0.101325 MPa)；

T——瓦斯绝对温度(K)；

Ξ——瓦斯压缩系数；

X_y——煤的游离瓦斯含量，m³ (标准状态下)/t (煤)。

煤的吸附瓦斯含量，按朗格谬尔方程计算并考虑煤中水份、可燃物百分比、温度影响系数，由此，煤的吸附瓦斯量为 [13] ：

$X_x=\frac{abp}{\left(1+bp\right)}{\text{e}}^{n\left(t_0-t\right)}\frac{1}{\left(1+0.31W\right)}\times \frac{\left(100-A-W\right)}{100}$

式中，a、b——吸附常数；

P——煤层瓦斯压力，MPa；

t₀——实验室测定煤的吸附常数时的实验温度，℃；

t——煤层温度，℃；

n——系数，按下式计算：

A、W——煤中得灰分和水分，%；

X_x——煤的吸附瓦斯含量，m³ (标准状态下)/t (煤)。

煤的瓦斯含量，等于游离瓦斯与吸附瓦斯含量之和： $X=X_x+X_y$ 。

将实验室及现场实测参数带入以上公式计算各压力点对应的瓦斯含量，青东煤矿7、8、10煤瓦斯含

Table 7. Absolute emission scale of each coal seam

表7. 各煤层瓦斯绝对涌出量表

量计算结果汇总于表2、表3。

从表2、表3中可以看出，7煤层井下瓦斯含量在1.80~16.82 m³/t之间变化，均值为8.28 m³/t。8煤层井下实测瓦斯含量在0.26~17.01 m³/t之间变化，均值为8.19 m³/t。10煤层井下实测瓦斯含量测点较少，只有两个点，瓦斯含量在1.19~4.19 m³/t，均值为3.13 m³/t。

6. 矿井瓦斯涌出量

在矿井生产过程中，可以通过绝对瓦斯涌出量和相对瓦斯涌出量两种方法表示涌进矿井巷道的瓦斯量。绝对瓦斯涌出量是指矿井在单位时间内涌出的瓦斯量，单位是m³/d；相对瓦斯涌出量是指矿井在正常生产情况下，平均日产一吨煤的瓦斯涌出量，单位是m³/t [14] 。瓦斯涌出量还可分为全矿井的瓦斯涌出量；一个水平，或一个采区的瓦斯涌出量；工作面的瓦斯涌出量等。瓦斯涌出量的大小决定于自然因素和开采技术因素的综合作用，煤层中发育的构造、顶底板岩性、厚度等因素控制着煤层的瓦斯赋存，从而导致开采过程中的瓦斯涌出量 [15] 。

表7给出的是近几个月来本矿井7、8、和10主采煤层的井下瓦斯涌出量情况。从煤层分析：由表中可以看出，7煤层绝对涌出量3.12 m³/min，8煤层绝对涌出量 1.35 m ³ /min，10煤层绝对涌出量 0.7 m ³ /min，由此可见7煤和8煤的瓦斯涌出量较大，10煤层瓦斯涌出量较少。

7. 结论

1) 瓦斯的赋存情况受煤层顶底板的隔气、透气性能的影响。一般来说，当煤层顶板岩性为致密完整的岩石时，煤层中的瓦斯容易被保存起来；若顶板为多孔隙或脆性裂隙发育的岩层时，瓦斯就容易逸散 [16] 。本区主采的7、8煤煤层顶、底板均以泥岩为主，次为粉砂岩或砂质泥岩，仅个别点见有细砂岩或中砂岩，煤层内赋存的瓦斯相对较高；10煤层顶板以砂岩为主，次为粉砂岩泥岩，煤层内赋存的瓦斯相对较低。

2) 由青东矿地勘期间测得的瓦斯含量可靠值来看，区内7、8、10主采煤层瓦斯含量较低，都在8 m³/t以下。从实测数据可见7煤实测瓦斯压力平均值为0.54 MPa；8煤瓦斯压力均值为0.50 MPa；10煤层实测瓦斯压力均值为0.13 MPa。通过朗格谬尔方程换算，7煤层井下瓦斯含量均值为8.28 m³/t；8煤层井下实测瓦斯含量均值为8.19 m³/t；10煤层井下实测瓦斯含量测点较少，只有两个点，均值为3.13 m³/t。从数据中可以看出，通过朗格谬尔方程换算，煤层的瓦斯压力越大，相应换算得出的瓦斯含量也就越大。

3) 根据近几个月来本煤矿矿井7、8、和10主采煤层的井下瓦斯涌出量情况，7煤层绝对涌出量3.12 m³/min，8煤层绝对涌出量1.35 m³/min，10煤层绝对涌出量0.7 m³/min，由此可见7煤和8煤的瓦斯涌出量较大，10煤层瓦斯涌出量较少。根据矿井绝对瓦斯涌出量大于40 m³/min为高瓦斯矿井的规定，青东煤矿为低瓦斯矿井。