煤矿瓦斯是影响煤矿安全的重要因素之一[1-2]。在其他条件相同的情况下，随着煤变质程度增高，煤生气量和吸附能力随之增强，煤层瓦斯含量趋于增大，导致高阶煤矿井多属于高瓦斯和煤与瓦斯突出矿井[3-4]。然而，近年随着煤矿产能和开采深度增大，陕西省黄陇煤田、甘肃窑街煤田、辽宁铁法矿区等多个低煤阶煤矿区高瓦斯矿井逐年增多，部分低煤阶煤矿区还发生了瓦斯事故[5-8]。陕西黄陇侏罗纪煤田彬长矿区是我国典型的低阶煤高瓦斯矿区，2009—2010年，大佛寺煤矿104工作面和亭南煤矿107工作面绝对瓦斯涌出量近100 m3/min[9]，大佛寺煤矿自2010年以来矿井绝对瓦斯涌出量一直在128.35 m3/min以上，严重影响了煤矿安全高效生产。
在生产实践中，低阶煤通常认为
煤质类型主要包括褐煤、长焰煤、不黏煤、弱黏煤。低阶煤属于未变质煤或者低变质煤，生烃能力较差，煤层瓦斯含量较低。另外由于低阶煤游离气含量比例较高，导致煤田勘探时期采用常规钻探取心方法测定瓦斯含量偏低，易造成煤矿地质类型划分过程中瓦斯类型误判，不利于煤矿瓦斯防治和通风系统合理布设[10]。2015年，陕西省高瓦斯矿井15处，仅黄陇侏罗纪煤田(低阶煤)就13处，其中2014年大佛寺煤矿矿井绝对瓦斯涌出量达到190.40 m3/min，低阶煤高瓦斯矿井的增多成为我国煤矿瓦斯类型新特点。其一，低阶煤具有煤变质程度低，瓦斯含量低、煤层厚度大，瓦斯丰度低、游离气含量高的特点，致使瓦斯富集特征有别于中高阶煤。其二，低阶煤具有成煤时代晚(主要集中在早中侏罗世，晚白垩世到新近纪)，经历的地质构造运动期次少，煤体结构以原生结构为主、煤层裂隙发育，煤层渗透性好、瓦斯流动性强的特点，导致低阶煤瓦斯涌出特征有别于中高阶煤[11-13]。为此，笔者以彬长矿区为例，应用瓦斯地质理论，分析低煤阶煤矿区瓦斯地质特征及其对瓦斯涌出影响，为低阶煤高瓦斯矿区瓦斯抽采和防治提供地质依据。
1 瓦斯地质概况
1.1 瓦斯地质条件
黄陇煤田位于鄂尔多斯盆地西南缘，是国家重点发展的14个大型煤炭基地之一黄陇基地重要组成部分。彬长矿区位于黄陇煤田中部，东西长32 km，南北宽30 km，总面积913 km2。大地构造上，黄陇煤田位置位于鄂尔多斯盆地南部渭北挠褶带北缘的庙彬凹陷，总体上为一NW向缓倾单斜构造，地层倾角一般小于10°，发育少量NEE向次级宽缓短轴背斜与向斜，断层不发育，未见岩浆活动(图1)。
彬长矿区含煤地层为侏罗系中统延安组，主采煤层为4号煤层，全区分布，厚度0.15～43.87 m，平均厚度10.64 m。沉积环境属河流湖沼相沉积，聚煤作用主要受古地形影响，具有向斜区沉积厚，背斜区沉积薄的特点[14]。4号煤层镜质体反射率一般在0.59%～0.70%，矿区北部高家堡井田最高达到0.81%，煤类以长焰煤为主，该煤层干燥无灰基瓦斯含量在0.01～6.29 m3/t(大佛寺D32孔)[15]。在矿区范围内，瓦斯富集带主要集中在大佛寺煤矿中东部、小庄煤矿西部以及胡家河煤矿北部(图1)。甲烷体积分数为0.30%～95.26%，瓦斯分带主要以CO2-N2带和N2-CH4带为主;CH4带主要集中在瓦斯含量大于4 m3/t区域，甲烷体积分数随瓦斯含量增大而增高(图1)。
图1 彬长矿区构造纲要及4号煤层瓦斯含量等值线图(据文献[14]，有删改)
Fig.1 Structural outline and contour map of No.4 coal seam gas content in in Binchang mining area
1.2 瓦斯参数测定
本次研究收集了彬长矿区现生产的蒋家河、下沟、水帘洞、亭南、大佛寺、胡家河、小庄7个高瓦斯矿井瓦斯参数(表1)。彬长矿区煤孔隙度在5.29%～13.85%，孔隙度较高;瓦斯压力0.006～0.640 MPa，亭南煤矿、大佛寺煤矿以及水帘洞煤矿瓦斯压力相对较高，整体压力较低，小于瓦斯突出压力临界值0.74 MPa;瓦斯放散初速度Δp介于0.78～21.00，个别点<10，加之煤层埋藏浅且以原生结构煤为主，无突出危险性(表1)。
表1 彬长矿区高瓦斯矿井4号煤层瓦斯参数
Table 1 No.4 coal gas parameters of high gas mine in Binchang mining area
煤矿名称下沟文家坡亭南蒋家河大佛寺胡家河小庄水帘洞孔隙度/%8.48～8.86—12.5～13.258.59～8.8810.967.80～8.865.29～8.3913.85瓦斯压力/MPa0.18～0.200.640.58～0.640.29～0.490.16～0.600.35～0.400.21～0.320.06～0.65瓦斯放散初速Δp0.78—0.79—9.0～21.05.2～13.65.2～13.6—瓦斯含量/(m3·t-1)3.54～4.555.916.77～6.846.76～8.322.92～7.374.34～4.393.78～4.021.89～5.76残存瓦斯/(m3·t-1)1.52～2.222.22—1.98～2.062.31～2.781.71～1.921.16～1.451.52～2.22瓦斯吸附常数/(m3·t-1)a21.56—22.073～22.8721.05～21.8921.5621.062～23.06019.84～20.7721.56b0.78—0.80～0.820.79～0.800.780.755～0.950.54～0.770.78透气性系数/(m2·(MPa2·d)-1)0.77～0.980.130.04～2.592.47～2.660.25～5.343.32～3.780.34～0.480.77～0.98
井下实测瓦斯含量在1.89～8.32 m3/t，高于地勘时期瓦斯钻孔煤芯解吸数据;残存瓦斯含量1.16～2.22 m3/t，瓦斯残存比25%～50%，残存比较高，其主要影响因素是灰分产率、水分含量和挥发分产率[16]。瓦斯吸附常数a为19.84～23.06 m3/t，b在0.54～0.95，区域上变化不大。根据Langmuir方程，兰氏体积VL(a)在20 m3/t左右，兰氏体积较高，而兰氏压力PL(1/b)在1.05～1.85 MPa，兰氏压力偏低，表现出瓦斯吸附能力较高且不易解吸的特点。煤层透气性系数分布在0.04～5.34 m2/(MPa2·d)，透气性较好，属瓦斯可抽放煤层。依据2014版《煤矿地质工作规定》，彬长矿区瓦斯地质类型属中等和复杂类型。
2 瓦斯富集规律及其影响因素
煤矿瓦斯富集规律在大的区域地质演化基础上受成煤环境、变质程度、煤质特征(挥发分、水分、灰分、孔隙度)、地质构造(断层、褶皱)、水文地质、顶底板岩性、煤层埋深及上覆基岩厚度、岩溶陷落柱、煤层厚度、岩浆岩等多种地质因素共同影响[17-21]。目前，在煤矿生产类瓦斯地质报告编制过程中，主要考虑煤质特征、地质构造、煤层厚度、煤层埋深及上覆基岩厚度、顶底板岩性特征、岩浆岩等6个主要因素，彬长矿区未发现岩浆岩，暂不分析。
2.1 煤质特征
彬长矿区煤层属低变质烟煤，粉色为黑色，褐黑、棕褐色，弱沥青-沥青光泽，具贝壳状、阶梯状断口，条带状、线理状结构，质硬而脆。宏观煤岩类型以暗淡型煤为主，半暗煤次之。4号煤层镜质体反射率一般在0.59%～0.70%，煤岩有机总量平均92.1%，其中镜质组含量平均23.7%，半镜质组含量平均6.4%，惰质组含量平均60.2%，壳质组含量平均1.8%。彬长矿区煤体内生裂隙和外生裂隙较为发育，裂隙被方解石及黄铁矿薄膜充填。煤孔隙度在5.29%～13.85%，一般在8.0%以上，显示出较高的孔隙度。较高的孔隙度一方面为游离瓦斯赋存提供了存储空间，另一方面孔隙之间的联通提高了煤层透气性，煤层采动过程中应力释放有利于煤层瓦斯快速涌出。彬长矿区瓦斯饱和吸附量在20 m3/t左右，加上较高的游离气量，为瓦斯富集提供了存储地质基础。
2.2 地质构造
彬长矿区属于鄂尔多斯中生代盆地一个组成部分，侏罗纪煤系沉积后主要经历了燕山运动期的挤压逆冲和抬升剥蚀，以及喜马拉雅运动早期的逆冲挤压和晚期伸展断陷作用[22]。彬长矿区在煤田勘探中未发现断裂构造，大部分煤矿在采掘过程中均发现数十条走向NW或NE的中小型断层，主要为正断层。断层规模小，落差一般小于10 m，上下切层范围局限，煤层与上覆或下伏岩层的联通性差，不构成瓦斯逸散的主要通道。
彬长矿区由南向北发育3个瓦斯富集区，褶皱构造类型及其不同部位对彬长矿区瓦斯的富集起着显著的控制作用(图1)。大佛寺瓦斯富集区位于师家店向斜和祁家背斜连接带，向东延伸至彬县背斜北翼下沟煤矿。小庄—亭南瓦斯富集区位于南玉子向斜区。胡家河瓦斯富集区主要位于七里铺西坡背斜南翼和北翼。从构造形态分析，胡家河瓦斯富集区位于背斜翼部，大佛寺和小庄瓦斯富集区均位于向斜轴部区。通常向斜两翼中和面以上表现为压应力，具有明显的应力集中，煤层瓦斯压力较高，有利于瓦斯聚集。另外，向斜轴部地势低有利于延安组地层水的汇集，不仅有利于晚期生物成因气的形成而且对瓦斯聚集形成了侧向封堵，由此在研究区宽缓向斜两翼和轴部中和面以上形成了瓦斯富集区。
2.3 顶底板岩性
彬长矿区可采煤层顶板以泥岩和粉砂质泥岩为主，粉砂岩和细粒砂岩次之，有少量炭质泥岩，在河流冲刷带中粗粒砂岩形成直接顶板区。煤层底板多为铝质泥岩，次为泥岩或炭质泥岩，为较软底板岩石，遇水膨胀，开采过程巷道底部易发生底臌。整体上彬长矿区煤层顶底板属细粒致密岩石，对瓦斯封存性能良好。
彬长矿区延安组含煤层段分为3段，主采4号煤层位于下含煤段，由于受中上含煤段砂泥岩互层的封盖，河流冲刷带形成的煤层顶板粗粒砂岩区对煤层瓦斯逸散影响不大，这一点在胡家河煤矿井下401103工作面实测瓦斯资料得到证实[23]。
2.4 煤层厚度
彬长矿区主采4号煤层厚度在0.15～43.87 m，煤层厚度增大瓦斯含量有增大趋势(图2)。平面上除北部的胡家河瓦斯富集区外，小庄—亭南瓦斯富集区和大佛寺瓦斯富集区均位于聚煤古坳陷区，煤层厚度普遍在15 m以上。究其原因，一方面是由于煤层厚度越大为瓦斯生成提供的物质基础越多，另一方面巨厚煤层顶部和底部自身形成了阻止瓦斯扩散的封隔层。
图2 4号煤层瓦斯含量与煤层厚度关系
Fig.2 Relationship between gas content and thickness of coal seam of No.4 coal seam
大佛寺煤矿4号煤层各钻孔厚煤层分层采样解吸数据显示，15组数据有9组煤层顶部瓦斯含量大于底部瓦斯含量，说明厚煤层瓦斯垂向向上运移明显，同时也指示瓦斯含量还受到其他因素的影响，如煤储层非均质性、裂隙等(图3)。
图3 4号煤层钻孔瓦斯含量与采样深度关系
Fig.3 Relationship between gas content and sampling depth of the same drill of No.4 coal seam
2.5 煤层埋深与上覆基岩厚度
煤层埋深对瓦斯富集有两方面影响:一方面增大煤层压力，有利于瓦斯吸附;另一方面埋深越大，特别是有效埋深(煤层上覆基岩厚度)越大，煤层及围岩透气性变差，瓦斯逸散的路径和阻力增大，越有利于瓦斯富集[18]。
彬长矿区地处黄土高原梁峁沟壑区，基岩上覆新近系和第4系松散层。随煤层埋深和上覆基岩有效厚度增大，煤层瓦斯含量均有增大趋势，但离散性非常显著，说明埋深和上覆基岩厚度的控制背景上还叠加了其他影响因素(图4)。这些叠加因素的影响，体现为地质构造、顶底板岩性、煤层厚度等前面已有讨论。
3 地质因素对瓦斯涌出特征的影响
煤矿瓦斯涌出特征受开采技术因素和地质因素共同控制。开采因素通常包括开采强度和产量、开采顺序、回采方法、通风压力、风量的变化、生产工艺、矿山压力、工作面推进速度等[24-26]。就地质因素而言，包括开采层及邻近层瓦斯含量、煤层厚度、底板标高、埋藏深度、断层、冲刷带、陷落柱等[27-30]。地质因素控制着瓦斯含量和瓦斯分布，瓦斯分布又是影响瓦斯异常涌出和瓦斯动力现象的基础，因此地质因素对瓦斯涌出具有重要的控制作用。
图4 4号煤层瓦斯含量与埋深、上覆基岩厚度关系
Fig.4 Relationship between gas content and buried depth，overlying bedrock thickness of No.4 coal seam
3.1 开采层瓦斯含量
煤层瓦斯含量是影响瓦斯涌出量的决定因素。煤层瓦斯含量越大，瓦斯压力越高，透气性越好，则涌出的瓦斯量就越高[29]。
在彬长矿区胡家河煤矿，煤层原始瓦斯含量增高，回采工作面相对瓦斯涌出量和绝对瓦斯涌出量均呈增大趋势，并且随着原煤瓦斯含量增大，增加趋势愈明显(图5)。彬长矿区煤层透气性好，煤矿采掘过程释放应力之后，煤层瓦斯通过采动裂隙快速涌入采煤工作面，导致原位瓦斯含量与瓦斯涌出量表现出较好的正相关性。
图5 煤层瓦斯含量与回采工作面瓦斯涌出量关系
Fig.5 Relationship between gas content in coal seam and gas emission in working area
3.2 煤层厚度
彬长矿区煤层厚度对瓦斯涌出量的影响表现为两方面:首先，煤层厚度与瓦斯含量呈正相关关系(图2):由此导致煤层厚度越大，单位面积可涌出的瓦斯总量就越大。
彬长矿区下沟煤矿彬县背斜北翼单斜区绝对瓦斯涌出量与煤层厚度呈正相关关系(图6)，处于同一煤田的焦坪矿区陈家山煤矿和崔家沟煤矿规律类似[31]，且煤层厚度越大对瓦斯涌出量增长趋势影响越明显。究其主要原因，综放工作面采厚较分层机采厚度大2～5倍，增大了工作面垮落带和裂隙带高度，扩大了采动对上、下邻近层的影响范围，加剧了邻近层的卸压瓦斯排放程度[32]。
图6 煤层厚度与绝对瓦斯涌出量关系
Fig.6 Relation diagram of coal seam thickness and absolute gas emission
彬长矿区以厚煤层和巨厚煤层为主，主采4号煤层最大厚度达43.87 m。目前大多数煤矿采用综采放顶煤工艺，采高3 m左右，放顶煤厚度在9 m左右，再加上顶部泄压带瓦斯涌出，这是造成瓦斯涌出量增大的关键。
低阶煤层瓦斯含量一般在10 m3/t以下，但往往以厚煤层为主[33]。近年来，越来越多的低阶煤层开采采用综采放顶煤采煤工艺，低阶煤高瓦斯涌出量矿井的出现与此关系密切。
3.3 煤层底板标高
煤层底板标高变化主要显示了次级构造的变化，间接反映褶皱、断层(在不考虑地表落差的情况下)、煤层埋深等因素对矿井回采工作面瓦斯涌出的影响。对于中高煤阶煤矿区，煤矿开采深度增大，煤层瓦斯含量增大，回采工作面瓦斯涌出量增大[34]。
然而，彬长低煤阶煤矿区瓦斯涌出特征却有别于中高煤阶煤矿区。例如，胡家河煤矿绝对瓦斯涌出量随着煤层底板标高增大而逐渐增大，即总体上随埋深增大而减小(图7)。从整个彬长矿区分析，处于较高高程开采水平区域(如水帘洞煤矿西区、下沟煤矿404采区、大佛寺煤矿等)瓦斯涌出量较大，而处于较低高程开采水平区域的火石咀煤矿扩大区、亭南煤矿(101,103工作面)、下沟煤矿401采区等瓦斯涌出量则较小[8]。
产生上述现象的主要原因，是低阶煤层孔隙度和渗透率较中高阶煤发育，回采过程中顶煤垮落强化了煤层裂隙系统，煤层瓦斯受浮力作用向地势更高的地方扩散，致使工作面瓦斯涌出量随着底板标高增大而增大。因此，低阶煤采掘过程中要注意较高高程开采水平地带的瓦斯防治工作。
3.4 地质构造
地质构造通过对瓦斯赋存特征的控制，进而影响到开采过程中瓦斯涌出特征。
(1)褶曲构造。
褶曲对瓦斯涌出量的影响主要表现在对围岩裂隙发育和煤层倾角的控制。彬长矿区地质构造简单，褶曲均为宽缓褶曲，对围岩裂隙影响不明显，但煤层倾角却与瓦斯涌出特征有所关联。
彬长矿区瓦斯涌出资料表明，地层倾角大的区域瓦斯涌出量明显要高于倾角小的区域。例如，下沟煤矿整体处于彬县背斜北翼单斜区，四采区煤层倾角一般在3°～8°，瓦斯绝对涌出量为12.77～39.19 m3/min;三采区ZF301回采工作面煤层倾角一般在10°～18°，绝对涌出量最高达到77 m3/min;大佛寺向斜平缓区的泾河下开采区瓦斯涌出量一般为0.70～2.09 m3/min。该矿四采区402工作面沿NW向布设，东缓西陡，回采过程中绝对瓦斯涌出量明显呈东低西高趋势(图8)。
图7 胡家河401102工作面底板标高与绝对瓦斯涌出量关系
Fig.7 Relationship between floor height and absolute gas emission in 401102 working-face of Hujiahe Coal Mine
图8 煤层倾角与回采工作面瓦斯涌出量关系
Fig.8 Relationship between dip angle of coal seam and gas emission in working-face
进一步分析，低煤阶煤矿区往往以巨厚煤层为主，煤层力学强度较低，煤层倾角越大越有利于放顶煤工艺采后冒落，导致垮落带高度增大，泄压范围增大，有利于回采煤分层上覆分层和临近层瓦斯涌向回采工作面。另外，顺层方向的透气性比垂直层面方向的透气性好[29]，煤层倾角越大瓦斯逸散的阻力越小，这也是导致低煤阶煤矿区瓦斯涌出随地层倾角增大而增大的可能原因。
(2)断层构造。
观测结果表明，煤巷掘进在通过断层带时，瓦斯涌出会出现明显的差异[35]。断层对瓦斯涌出影响表现为两方面:一是断层落差越大，瓦斯涌出量变化幅度越大;二是瓦斯涌出峰值距离随小断层落差增加而增大[36]。
彬长矿区大佛寺煤矿中央辅运大巷、胶运大巷、回风大巷揭露F2,F3及F1断层时，均出现因瓦斯涌出量增大而撤人的现象。水帘洞煤矿西北部ZF3807和ZF3805工作面发育多条NW向正断层，这两个工作面瓦斯涌出量明显高于其他区域，且同一工作面回采至断层附近时瓦斯涌出量明显增大，在D1钻孔附近断层处达到123 m3/min。
断层附近一般是应力集中区，煤体形变导致煤微孔隙结构发生变化，进而影响煤对瓦斯吸附与解吸行为。同时，断层附近容易富集大量游离瓦斯，工作面回采至断层附近时大量游离态瓦斯涌出，造成工作面瓦斯涌出量增大。
4 结 论
(1)彬长矿区构造简单，煤变质程度低，煤层厚度大，孔隙度较高。煤层瓦斯含量井下实测值明显高于地勘阶段的测值，总体上瓦斯压力低，煤层透气性好，瓦斯吸附能力较高且不易解吸，瓦斯残存比较高，属于可抽放煤层。煤矿瓦斯类型以中等和复杂类型为主。
(2)彬长矿区发育大佛寺瓦斯富集区、小庄—亭南瓦斯富集区、胡家河瓦斯富集区3个瓦斯富集区。煤层顶底板岩性致密，有利于瓦斯赋存;构造是影响矿区瓦斯富集和分布的主控因素，煤层厚度和埋深越大瓦斯含量相对越高;低阶煤非均质性强，单煤层瓦斯含量在垂向变化较大。
(3)开采层瓦斯含量、煤厚、煤层底板标高、地质构造等是控制彬长低煤阶煤矿区瓦斯涌出的主要地质因素。煤层厚度越大，褶曲翼部倾角越大，工作面瓦斯涌出量越大。断层附近游离态瓦斯较多，采掘至断层附近易造成工作面瓦斯涌出量增大。瓦斯涌出量与煤层底板标高呈正相关关系，这可能是低煤阶煤矿区与高煤阶煤矿区瓦斯涌出特征差异的显著标志。因此，低阶煤采掘过程中要注意较高高程开采水平地区的瓦斯防治工作。
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