轩岗矿区焦家寨煤矿5号煤层瓦斯地质规律研究

宋志刚 郭景林

（飞禽走兽老虎机：煤炭工业厅资源地质局,山西 太原 030045）

摘  要：基于瓦斯赋存构造逐级控制理论，研究了轩岗矿区区域构造演化及控制特征，总结了焦家寨矿构造分布特征及对瓦斯赋存的控制作用。分析了地质构造、上覆基岩厚度、煤层厚度等对瓦斯赋存的影响，确定影响瓦斯赋存的主控因素，并进行了瓦斯含量预测；结合井田构造特点，进行煤与瓦斯区域突出危险性预测。研究结果表明：井田内正断层发育使得瓦斯大量逸散，上覆基岩厚度是瓦斯赋存的主控因素。矿区断裂构造发育，落掉山旋扭构造使本矿井断层呈扫帚状展布，5号煤层构造煤发育，控制了井田煤与瓦斯突出的危险。研究方法对类似地质条件的煤矿瓦斯预测及防治具有借鉴意义。

关键词：构造；瓦斯赋存；主控因素；煤与瓦斯突出

0引言

查明瓦斯赋存的地质主控因素，是制定瓦斯治理措施、保障煤矿安全生产的基础。瓦斯是复杂的气体地质体，生于煤层、储存于煤层，受地质因素的影响，煤层瓦斯分布是不均衡的，高瓦斯矿井中存在低瓦斯区域，同样，低瓦斯矿井中也有瓦斯较高的区域^[1-3]。井田范围内发育开放性正断层，利于瓦斯运移、释放。井田范围内存在局部高瓦斯区，尤其在构造复合部位，构造煤发育区，易发生煤与瓦斯突出，是安全生产的重点。因此，研究构造、瓦斯赋存因素对矿井的安全生产和安全管理起着至关重要的作用^[4]。

1 轩岗矿区构造演化及控制特征

轩岗矿区位于飞禽走兽老虎机：宁武向斜东北部仰起端，总体构造形态呈走向北东，倾向北西的单斜，以轩岗为中心，南部各井田均受以落掉山断裂为主形成的帚状构造的控制。各断裂区域走向NE30°～60°，为北西侧滑落的走向平移断裂。落掉山大断裂从落掉山主峰起开始分叉成几条弧形的断裂构造。向六亩地等井田撒开，构成了落掉山帚状构造。水平砥柱在南参食背斜处，其北侧落掉山为其收敛部分。在落掉山大断裂东侧，产生与此大断裂斜交的中小型断裂。这些断裂大部分为东南侧下降的正断层，与大断裂形成帚状构造。因此，上述几个井田内的断层，一组为北西侧滑落的弧形断层；一组为南东侧下降的正断层。同时，各井田内的大部分断层面多呈弧形。地面倾角大，向深部变缓，以至消失。这可能是由于地表附近所受的旋扭力比较大，向深部水平扭运动逐渐变弱，并且伴生垂直旋扭运动的结果。轩岗矿区后期受新华夏构造体系控制，动力来源于SE70°向水平压力，属燕山运动初幕的产物，一个巨型的多字型构造体系。由于多字型地块相对运动中产生了云中山旋扭性的帚状构造，为断陷槽地所形成，显示出东北部浅、南西深，即由北北东，向南南西方向下陷移动，而轩岗矿区位于云中山旋钮性帚状构造的北中部^[5-6]。

轩岗矿区北部各井田系受黄甲堡大断裂、段家堡大断裂及其分叉的官地断层的控制。黄甲堡井田受黄甲堡大断层与其平行的后口断层的相对扭动，井田内出现两组规模较小的扭断层，断距在0.5米至8.5米。其中一组为NW50°，另一组为NE40°，互相交切成X形，组成一对共扼裂面。几条断层为北东走向，北西侧下降，构成阶梯式断层构造，制约着井田构造的发展，整体上矿区正断层发育，为张性断层，利于瓦斯逸散，区内主要断层如下：黄甲堡断层、段家堡断层、牛食尧断层、后口断层，本矿区地层总体呈一单斜构造，走向NE，倾向NW，倾角8～20°，局部达32°，浅部倾角较陡，深部倾角变缓。

图1  轩岗矿区构造纲要图^[5]

2 矿井构造分布特征

焦家寨井田位于轩岗矿区西南部，经地面勘查及井下揭露，本井田地质构造复杂程度为中等～复杂，以轩石铁路为界，南部为复杂构造，北部为中等构造。受区域构造的控制，井田内地层走向NE、倾向NW，呈单斜。地层倾角10～15°，平均12°左右，为缓倾斜地层。井田内断裂构造较发育，尤其是层间小断层十分发育，直接影响矿井生产。本井田褶曲不发育，在西北部有一宽缓褶曲，在511采区1140和1160m煤层底板等高线构成马鞍形构造。井田内未发现陷落柱，无岩浆岩体侵入。

焦家寨井田共发现落差3m以上的大中型断层有68条，该矿采掘工程共揭露落差小于3m的小型断层260余条，均为正断层。大中型断层均为高角度正断层，小型断层多为层间断层。除个别断层的走向近SN向以外，大部分断层走向NE，倾角48～75°，近平行排列，往往组合成地堑或地垒。部分成组出现，形成断裂带。大型断层旁侧常常发育小型断层，呈“入”字形排列，对煤层切割破坏较为严重。

图2  焦家寨井田构造纲要图

层间断层只发育在某层段之间，在5号煤层中较为发育，由于层间滑动，使5号煤层发生塑性流动，煤层减薄或增厚。煤层直接底板砂岩或砂质泥岩也受滑动挤压影响，厚度变化较大，造成底板高低起伏。5号煤层顶底板脆性岩层因滑动断裂，形成层间断层，顶断底不断或底断顶不断。顶底板脆性岩层插入煤层中，形成一些空间展布不规则的岩体，成为本区5号煤层中层间断层的一种特殊形式-穿刺构造，一般以底板穿刺为主。

3 煤层瓦斯赋存影响因素分析

3.1 地质构造

矿井整体属于帚状扭性构造区，勘探及实际揭露的地质情况表明，区域内全部为正断层，在断层层面处，断层交叉部位，是瓦斯逸散的优良通道，瓦斯含量普遍偏低，生产实践中很好的验证了这一结论。临近刘家梁煤矿发现历次奥陶系岩溶突水点、地质构造薄弱，断层、裂隙发育处，瓦斯逸散明显，伴有大量的瓦斯涌出。

3.2 上覆基岩厚度 

随着煤层理藏深度的增加，地应力增高，围岩的透气性降低，瓦斯向地表运移的距离相应也增大，这种变化有利于封存瓦斯、不利于放散瓦斯。在瓦斯带内，瓦斯含量、涌出量及瓦斯压力主要随煤层理藏深度增加而变大。

根据焦家寨煤矿的钻孔资料、瓦斯含量和地质资料，对主采的5号煤层上覆基岩厚度与瓦斯含量进行了线性回归分析，如图3所示。

由图可知，5号煤层瓦斯含量随上覆基岩厚度增加而增加，线性规律明显，其中瓦斯含量与上覆基岩的定量关系式为：

W=0.0086H+2.243                       （1）

式中，W为瓦斯含量，m³/t；H为上覆基岩厚度，m；相关性系数R=0.91，为较高的相关性，瓦斯含量梯度为0.86m³/hm，目前开采深度范围内，瓦斯含量范围应该在3~6.5m³/t，实测结果很好的验证了这一结论。

图3  上覆基岩厚度与瓦斯含量关系图

由图可知，5号煤层瓦斯含量受上覆基岩厚度控制，对瓦斯含量8、10m³/t等值线的控制程度可达到80%，受其他因素影响的摆动幅度一般不大于20%。结合生产测点、地勘瓦斯含量数据，上覆基岩厚度对瓦斯含量5m³/t等值线的控制程度达到85%以上。

利用实测瓦斯含量、煤的工业分析，反演了瓦斯压力，5号煤层瓦斯压力在0.7~0.95，大部分区域大于0.74MPa，具有煤与瓦斯突出危险性^[7]；实测瓦斯压力介于0.6~0.91MPa，与推算的瓦斯压力基本吻合，由于井下实测数据丰富，可以认为预测结果符合实际。

3.3 煤层厚度

研究表明，煤层厚度增大，瓦斯含量一般也增大，二者成正相关关系。煤厚增大瓦斯含量增大的主要原因在于，煤层相对围岩透气性差，对于厚煤层来说，靠近煤层顶底板的分层相对中间分层起到了阻止瓦斯逸散的作用，因此，煤层中部瓦斯含量较高，厚煤层可以形成瓦斯分层。对薄煤层来说，煤层瓦斯直接向围岩逸散，全层瓦斯含量降低，以致煤层不具备发生煤与瓦斯突出的基木瓦斯条件^[8-9]。

煤层厚度5.10～22.15m，平均12.34m，为稳定厚～特厚煤层，全区可采，层位稳定，厚度变化较大，减薄区多分布在大中型断层下盘，与断层走向基本平行。利用焦家寨煤矿钻孔资料、瓦斯含量和地质资料，对主采的5号煤层煤厚与瓦斯含进行了回归分析，得到

W=0.4974H-1.9111                       （2）

式中，W为瓦斯含量，m³/t；H为煤层厚度，m；相关性系数R=0.84，为较高的相关性。

图5  煤层厚度与瓦斯含量关系图

在生产中，在232、259、227钻孔对应开采区域瓦斯涌出量普遍低于正常值，在下一步生产中遇到厚煤层区域应加强瓦斯预测。

3.4 顶、底板岩性

煤层与顶板砂岩局部直接接触，成煤初期煤层被冲刷、初期瓦斯逸散；在漫长的地质成煤变质作用、地质构造搓动、煤层瓦斯不断扩散，根据临近刘家梁煤矿煤层瓦斯含量测定结果分析，煤层瓦斯含量与其顶板砂岩分布有关，顶板为砂岩时的煤层瓦斯含量低于顶板泥岩煤层瓦斯含量0.5m³/t。

煤层含夹石0～7层，多数为2～3层，单层夹石厚度一般为0.1～0.6m。在煤层底部含有较多的黄铁矿结核，形状一般为椭圆状、不规则球状等，最大直径10～15cm。煤层直接顶板一般为砂质页岩，平均厚度6.87m，底板为中粒砂岩，平均厚度1.47m。在轩岗矿区，5号煤层受构造应力作用产生塑性流变，使煤层和夹石发生了破碎、揉皱、滑动等变形，导致煤层时薄时厚，夹石时断时续，给回采带来一定的影响。

煤层顶底板为孔隙率大的砂岩或节理裂隙发育时，瓦斯有扩散的条件，煤层瓦斯含量可能降低。如：79年四横贯进风轨道石门掘进遇煤线瓦斯涌出量增大，从底板上水中冒气泡。

4 瓦斯赋存分布规律

由上述分析可知，本井田瓦斯赋存的主控因素为上覆基岩厚度，并建立了上覆基岩厚度与瓦斯含量的相关关系，依次预测，井田由南向北，瓦斯含量逐级增大，北部瓦斯含量最大达到13m³/t。

矿区断裂构造发育，落掉山旋扭构造使本井田断层呈扫帚状展布。经多期次构造运动影响，在西北部形成马鞍形构造。同时由于层间滑动，使5号煤层发生塑性流动，煤层变薄或增厚，该煤层构造煤发育。此外，该煤层瓦斯含量高，瓦斯压力大（最大实测值为0.91 MPa），预测5号煤层具有煤与瓦斯突出危险性，在有利于瓦斯封闭的构造复合区是煤与瓦斯突出发生的部位。

5 结论

（1）焦家寨井田构造中等，井田范围内全部为正断层，断层对区域内瓦斯逸散有利。

（2）上覆基岩厚度是瓦斯赋存的主控因素，并建立了上覆基岩厚度与瓦斯含量的相关关系。经预测，井田由南向北，瓦斯含量逐级增大，北部瓦斯含量最大达到13m³/t。

（3）矿区断裂构造发育，落掉山旋扭构造使本井田断层呈扫帚状展布。5号煤层构造煤发育，预测5号煤层具有煤与瓦斯突出危险性，在有利于瓦斯封闭的构造复合区是煤与瓦斯突出发生的部位。

参考文献

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[9] 蔡成功,王佑安.煤与瓦斯突出一般规律定性定量分析研究[J].中国安全科学学报,2004,14(6):109-112.

作者简介：宋志刚，男，生于1982年，2009年毕业于河南理工大学，安全技术及工程专业，获硕士学位，电话：0351-2389335，Emali:zgsong507@126.com。