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【摘 要】瓦斯地质规律研究是瓦斯预测、治理的基础。瓦斯富集的必要前提是生成、储集、封盖、保存等方面条件及其动态发展过程的有利配置，是构造因素控制之下诸多地质因素综合作用的结果。本文以金华山煤矿为例，分析了该煤矿构造、煤层煤质特征及瓦斯含量等资料，并逐一研究了该区煤级、构造、顶底板岩性特征、基岩厚度、煤厚等因素对瓦斯赋存的影响，进而对该煤矿瓦斯赋存的主要控制因素与瓦斯含量进行了定量研究，从而对煤矿范围内的瓦斯含量进行了预测，揭示了该区瓦斯赋存规律。
【关键词】金华山煤矿；瓦斯；赋存规律
0.井田概况
金华山煤矿位于渭北石炭二叠纪煤田铜川矿区东部，是铜川矿区东部的一个中型生产矿井。井田长约5.1km，宽约4.1km，面积21.8km2。矿井西距铜川市约20km，矿区有咸铜铁路运煤专线、305省道、铜（川）东（坡）公路通过，距305省道约4km，距铜川至东坡铁路运煤专线的红土镇车站约0.5km，交通较为方便。
1.地质条件
1.1地质构造
金华山煤矿在区域构造中位于鄂尔多斯地块南端、渭河地堑北缘。基本构造形态为一走向NE-NEE，倾向NW-NNW的单斜构造，平均角度5～9°，在单斜构造的基础上发育了次级不同方向的褶皱、断裂、层间滑动构造。
井田内的构造主要有两类：一类为断裂构造，以NE向平行斜列展出，倾角45～79°，落差小者1-2m，大者可达十余米。第二类为层间滑动构造，也称“滑矸”，此类称带状展布，方向以NW向为主。此两类构造对煤矿生产影响极大，断裂构造常造成工作面无法正常布置和回采，层滑构造常造成煤层变薄和无煤带。它不仅直接破坏了煤层厚度的稳定性，致使不可采薄煤带频繁出现，而且使煤层及其围岩完整性遭到破坏。
本井田断裂构造和层间滑动构造发育，对煤矿生产影响较大，为中等构造类型。
1.2煤层
井田内含煤地层为石炭系上统太原组和二叠系下统山西组，其5-2煤为主要可采煤层，厚度0～8.05m，平均3.42m，含夹矸0～3层，多为两层，夹矸以泥岩和炭质泥岩为主。煤层厚度与煤层结构自西向东，由浅至深厚度增大，结构趋向较复杂的现象。属于全区可采的较稳定煤层。其煤质为中灰、高硫、低磷、高热值煤。
2.瓦斯地质规律研究
2.1 煤级对瓦斯生成的影响
本区煤级主要为瘦煤，在36钻孔以北为贫煤带，处于第二演化，第二阶段介于镜质组最大反射率为1.3～2.8%之间，包括焦煤、瘦煤、贫煤和无烟煤初期阶段，随煤级增高，最大含气量从18m3/t缓慢增至20m3/t左右。国内其他矿区或井田的同煤级现存煤层瓦斯含量平均约8m3/t，螺观山、洪山殿、丰城等矿区达到20 m3/t左右，而本井田仅在勘探阶段测试过少数地面钻孔瓦斯含量，5-2煤实测煤层干燥无灰基瓦斯平均含量为2.01 m3/t，远远小于国内平均水平。开采过程中总回风巷道实测绝对瓦斯涌出量平均为6.57m3/min，相对瓦斯涌出量最大值仅为6.02 m3/t，属于低瓦斯矿井，究其原因，可能与后期的构造或沉积演化等因素有关，另井田南部煤层处于风氧化带上且常出露，造成瓦斯大量逸散。
2.2 断层、褶皱构造对瓦斯赋存的影响
地质构造是影响煤层瓦斯赋存重要因素。目前总的认为，封闭型地质构造有利于封存瓦斯，开放型地质构造有利于瓦斯排放。
如前所述，本井田在单斜构造的基础上发育了次级不同方向的褶皱、断裂、层间滑动构造，构造中等，受这些构造影响，推测往往在向斜构造的轴部瓦斯含量一般较两翼高，而背斜的轴部瓦斯含量一般低于两翼；在正断层附近，由于断层面的开放性，瓦斯气体运移散失，造成含量降低。
井田内开采揭露的落差大于10m的断层有5条，以及一系列小断层，均为正断层，其中最大落差的断层走向115°，倾角75°，落差30m，而且这些断层使煤层及其围岩完整性遭到破坏，形成瓦斯散逸的良好通道，均不利于瓦斯的保存，对煤层瓦斯的赋存及分布均有不同程度的影响，如井田中间一条NE走向的大断层及伴生发育一系列小正断层，由于南部煤层埋藏较浅，以此为界天然的把该井田划分为南部和北部2个瓦斯地质单元，如南区的扩1、扩6、扩11孔瓦斯含量均较小于北区的基岩厚度相当的钻孔瓦斯含量，而北区扩16孔瓦斯含量最低，为0.39 m3/t，这可能与其在正断层附近有关，造成瓦斯大量逸散。
2.3 顶底板岩性对瓦斯赋存的影响
煤层顶、底板岩层的透气性控制煤层瓦斯的运移和赋存条件，煤层与围岩的透气性好，有利于瓦斯的运移和排放，因此瓦斯含量就小，反之，煤层与围岩的透气性差，则有利于瓦斯的保存。一般来说，当煤层顶板岩性为致密完整的岩石，如泥岩、页岩、油母页岩时，煤层中的瓦斯容易被保存下来；而当顶板多为孔隙或者脆性裂隙发育的巖石，如砾岩、砂岩的时候，瓦斯就容易逸散。此外，一定范围内的岩性组合以及形变特点对于瓦斯赋存也有影响。
据井田内钻孔及生产资料揭示，5-2煤层顶板岩性变化较大，但绝大多数地区煤层顶板为泥岩或砂质泥岩，局部为炭质泥岩；底板一般为泥岩，或泥岩之上尚有一薄层粘土岩（根土岩）。
本次统计了井田140多个钻孔的5-2煤顶板20m内的泥岩厚度，绘制了5-2煤顶板泥岩厚度等值线图。5-2煤顶板20m以内基本覆盖的是泥岩，厚度0-8m，占井田面积的80%以上，这些地区有利于瓦斯的赋存。
2.4 煤层上覆基岩厚度对瓦斯赋存的影响
大量国内外研究证明，煤层的埋藏深度（上覆基岩）是影响煤层瓦斯的最主要的地质因素。在瓦斯风化带以下，无论是煤田、矿区，还是矿井，煤层瓦斯含量和瓦斯压力都无例外的随煤层的埋藏深度增加而增加。煤层埋深的增加，不仅因地应力增高而使煤层及围岩的透气性变差，而且瓦斯向地表运移的距离也增长，二者都有利于封存瓦斯。 本次统计了金华山井田钻孔资料，包括坐标、孔口标高、松散层厚度、煤层底板标高，煤厚，采用关系式：上覆基岩厚度=孔口标高-煤层底板标高-煤厚-松散层厚度，求得5-2煤上覆基岩厚度，并参考地形图，绘制上覆基岩厚度等值线图。金华山井田5-2煤层上覆基岩厚度从南到北逐渐加厚，相对来说，基岩厚的地方瓦斯含量可能较高，如扩22孔，基岩厚度为382.75m，瓦斯含量达到5.52 m3/t（表1）。
2.5 煤层厚度对瓦斯赋存的影响
瓦斯的逸散以扩散方式为主，空间两点之间的浓度差是其扩散的主要动力。根据费克定律和质量平衡原理建立的煤层甲烷扩散数学模型可知，在其他初始条件相似的情况下，煤储层厚度越大，达到中值浓度或者扩散终止所需要的时间就越长（韦重韬，1998）。煤储层本身就是一种高度致密的低渗透性岩层，上部分层和下部分层对中部分层有强烈的封盖作用，煤储层厚度越大，中部分层中瓦斯向顶底板扩散的路径就越长，扩散阻力就越大，对瓦斯的保存就越有利，这也许就是一些地区煤厚与含气量之间具有正相关趋势的根本原因。
本井田5-2煤层厚度为0.00～8.05m，平均3.42m，自西向东，由浅至深厚度增大，在某些地区瓦斯含量变化规律与此一致。
2.6 水文对瓦斯赋存的影响
水文地质是影响瓦斯赋存的一个重要因素。瓦斯以吸附状态赋存于煤的孔隙中，地层压力通过煤中水分对瓦斯起封闭作用。因此，水文地质条件对瓦斯保存、运移影响很大。
本区水文地质条件简单，矿井涌水主要来自煤层上部的砂岩裂隙水，以顶板漏水、淋水为主，次为底板渗水。在断层或裂隙处有导水现象，进而也可以导气，瓦斯从开放的断裂通道中逸散。
3.瓦斯含量分布及预测研究
综上所述，影响瓦斯富集的地质因素较多，其间错综复杂，共同制约着煤层瓦斯含量，就某一个具体井田而言，其重要性不能等量齐观。
本井田仅在勘探阶段测试过少数地面钻孔瓦斯含量，5-2煤实测煤层干燥无灰基瓦斯含量介于0.39～5.52 m3/t之间，平均为2.01 m3/t，井田内5-2煤层上覆基岩厚度为8.69～578m，平均为316.6m，煤层埋深较浅，平均400m，井田南部煤层处于风氧化带且常见露头。
以南、北两区为瓦斯地质单元，考虑到扩16孔在断层附近，剔除该异常点，针对以上数据，可以看出煤厚、基岩厚度、顶板泥岩厚度与瓦斯含量的离散性较大（图3-1、3-2、3-3、3-4、3-5、3-6），南、北两区顶板泥岩厚度甚至与瓦斯含量出现了负相关（图3-5、3-6），以及南区基岩厚度与瓦斯含量的关系也呈负相关性，这可能与南区煤层埋藏浅，处于风氧化带有关。三者相较，瓦斯含量与煤层厚度的相关性，两区均较好，其中南区增加的梯度为0.2192m3/t·m；北区增加的梯度为0.639 m3/t·m（表2）。
本文采用含气量与煤层厚度梯度法，对井田内南、北两区瓦斯含量分别进行预测，并考虑煤层露头、构造等因素，预测成果显示，南区预测瓦斯含量为0～1.46 m3/t，平均0.72 m3/t；北区预测瓦斯含量为0～5.26m3/t，平均2.35 m3/t。
4.结论
基于金华山井田构造、煤层煤质特征及瓦斯含量、瓦斯涌出量等资料，分析煤级、顶底板岩性特征、基岩厚度、构造、煤厚等因素对于瓦斯赋存规律和瓦斯涌出规律的影响，对井田范围内的瓦斯含量进行了预测，主要取得了以下认识：
（1）本区自成煤作用以来受到多次的构造叠加，特别是地层的隆起和伸展构造作用，均不利于本区瓦斯的保存，造成了目前瓦斯含量较低的原因；
（2）受区域构造影响，井田内部发育的一系列正断层也不利于瓦斯的保存，造成瓦斯含量较低；
（3）根据瓦斯含量分布特征，结合构造和煤层露头及风氧化带划分南北2大地质单元；
（4）本次采用含气量与煤层厚度梯度法，对井田内南、北两区瓦斯含量分别进行预测，其中南区预测瓦斯含量为0～1.46m3/t，平均0.72m3/t；北区预测瓦斯含量为0～5.26m3/t，平均2.35m3/t。
參考文献：
[1]铜川矿务局.金华山储量检测报告.2007.12.
[2]陕西省194煤田地质勘探队.金华山扩大区补充勘探地质报告[R].1974.12.
[3]全国煤矿瓦斯地质图编制技术工作组.煤矿矿区矿井采掘工作面瓦斯地质图编制方法.2009.4.
[4]韦重韬. 煤层甲烷地质演化史数值模拟. 徐州： 中国矿业大学出版社，1999.
[5]张子敏，张玉贵，卫修君等.编制煤矿三级瓦斯地质图.北京：煤炭工业出版社，2007.12.
[6]张子敏.瓦斯地质学.徐州：中国矿业大学出版社，2009.5.
[7]王强，李振林，王计堂.矿井地质.北京：煤炭工业出版社，2008.1.
【关键词】金华山煤矿；瓦斯；赋存规律
0.井田概况
金华山煤矿位于渭北石炭二叠纪煤田铜川矿区东部，是铜川矿区东部的一个中型生产矿井。井田长约5.1km，宽约4.1km，面积21.8km2。矿井西距铜川市约20km，矿区有咸铜铁路运煤专线、305省道、铜（川）东（坡）公路通过，距305省道约4km，距铜川至东坡铁路运煤专线的红土镇车站约0.5km，交通较为方便。
1.地质条件
1.1地质构造
金华山煤矿在区域构造中位于鄂尔多斯地块南端、渭河地堑北缘。基本构造形态为一走向NE-NEE，倾向NW-NNW的单斜构造，平均角度5～9°，在单斜构造的基础上发育了次级不同方向的褶皱、断裂、层间滑动构造。
井田内的构造主要有两类：一类为断裂构造，以NE向平行斜列展出，倾角45～79°，落差小者1-2m，大者可达十余米。第二类为层间滑动构造，也称“滑矸”，此类称带状展布，方向以NW向为主。此两类构造对煤矿生产影响极大，断裂构造常造成工作面无法正常布置和回采，层滑构造常造成煤层变薄和无煤带。它不仅直接破坏了煤层厚度的稳定性，致使不可采薄煤带频繁出现，而且使煤层及其围岩完整性遭到破坏。
本井田断裂构造和层间滑动构造发育，对煤矿生产影响较大，为中等构造类型。
1.2煤层
井田内含煤地层为石炭系上统太原组和二叠系下统山西组，其5-2煤为主要可采煤层，厚度0～8.05m，平均3.42m，含夹矸0～3层，多为两层，夹矸以泥岩和炭质泥岩为主。煤层厚度与煤层结构自西向东，由浅至深厚度增大，结构趋向较复杂的现象。属于全区可采的较稳定煤层。其煤质为中灰、高硫、低磷、高热值煤。
2.瓦斯地质规律研究
2.1 煤级对瓦斯生成的影响
本区煤级主要为瘦煤，在36钻孔以北为贫煤带，处于第二演化，第二阶段介于镜质组最大反射率为1.3～2.8%之间，包括焦煤、瘦煤、贫煤和无烟煤初期阶段，随煤级增高，最大含气量从18m3/t缓慢增至20m3/t左右。国内其他矿区或井田的同煤级现存煤层瓦斯含量平均约8m3/t，螺观山、洪山殿、丰城等矿区达到20 m3/t左右，而本井田仅在勘探阶段测试过少数地面钻孔瓦斯含量，5-2煤实测煤层干燥无灰基瓦斯平均含量为2.01 m3/t，远远小于国内平均水平。开采过程中总回风巷道实测绝对瓦斯涌出量平均为6.57m3/min，相对瓦斯涌出量最大值仅为6.02 m3/t，属于低瓦斯矿井，究其原因，可能与后期的构造或沉积演化等因素有关，另井田南部煤层处于风氧化带上且常出露，造成瓦斯大量逸散。
2.2 断层、褶皱构造对瓦斯赋存的影响
地质构造是影响煤层瓦斯赋存重要因素。目前总的认为，封闭型地质构造有利于封存瓦斯，开放型地质构造有利于瓦斯排放。
如前所述，本井田在单斜构造的基础上发育了次级不同方向的褶皱、断裂、层间滑动构造，构造中等，受这些构造影响，推测往往在向斜构造的轴部瓦斯含量一般较两翼高，而背斜的轴部瓦斯含量一般低于两翼；在正断层附近，由于断层面的开放性，瓦斯气体运移散失，造成含量降低。
井田内开采揭露的落差大于10m的断层有5条，以及一系列小断层，均为正断层，其中最大落差的断层走向115°，倾角75°，落差30m，而且这些断层使煤层及其围岩完整性遭到破坏，形成瓦斯散逸的良好通道，均不利于瓦斯的保存，对煤层瓦斯的赋存及分布均有不同程度的影响，如井田中间一条NE走向的大断层及伴生发育一系列小正断层，由于南部煤层埋藏较浅，以此为界天然的把该井田划分为南部和北部2个瓦斯地质单元，如南区的扩1、扩6、扩11孔瓦斯含量均较小于北区的基岩厚度相当的钻孔瓦斯含量，而北区扩16孔瓦斯含量最低，为0.39 m3/t，这可能与其在正断层附近有关，造成瓦斯大量逸散。
2.3 顶底板岩性对瓦斯赋存的影响
煤层顶、底板岩层的透气性控制煤层瓦斯的运移和赋存条件，煤层与围岩的透气性好，有利于瓦斯的运移和排放，因此瓦斯含量就小，反之，煤层与围岩的透气性差，则有利于瓦斯的保存。一般来说，当煤层顶板岩性为致密完整的岩石，如泥岩、页岩、油母页岩时，煤层中的瓦斯容易被保存下来；而当顶板多为孔隙或者脆性裂隙发育的巖石，如砾岩、砂岩的时候，瓦斯就容易逸散。此外，一定范围内的岩性组合以及形变特点对于瓦斯赋存也有影响。
据井田内钻孔及生产资料揭示，5-2煤层顶板岩性变化较大，但绝大多数地区煤层顶板为泥岩或砂质泥岩，局部为炭质泥岩；底板一般为泥岩，或泥岩之上尚有一薄层粘土岩（根土岩）。
本次统计了井田140多个钻孔的5-2煤顶板20m内的泥岩厚度，绘制了5-2煤顶板泥岩厚度等值线图。5-2煤顶板20m以内基本覆盖的是泥岩，厚度0-8m，占井田面积的80%以上，这些地区有利于瓦斯的赋存。
2.4 煤层上覆基岩厚度对瓦斯赋存的影响
大量国内外研究证明，煤层的埋藏深度（上覆基岩）是影响煤层瓦斯的最主要的地质因素。在瓦斯风化带以下，无论是煤田、矿区，还是矿井，煤层瓦斯含量和瓦斯压力都无例外的随煤层的埋藏深度增加而增加。煤层埋深的增加，不仅因地应力增高而使煤层及围岩的透气性变差，而且瓦斯向地表运移的距离也增长，二者都有利于封存瓦斯。 本次统计了金华山井田钻孔资料，包括坐标、孔口标高、松散层厚度、煤层底板标高，煤厚，采用关系式：上覆基岩厚度=孔口标高-煤层底板标高-煤厚-松散层厚度，求得5-2煤上覆基岩厚度，并参考地形图，绘制上覆基岩厚度等值线图。金华山井田5-2煤层上覆基岩厚度从南到北逐渐加厚，相对来说，基岩厚的地方瓦斯含量可能较高，如扩22孔，基岩厚度为382.75m，瓦斯含量达到5.52 m3/t（表1）。
2.5 煤层厚度对瓦斯赋存的影响
瓦斯的逸散以扩散方式为主，空间两点之间的浓度差是其扩散的主要动力。根据费克定律和质量平衡原理建立的煤层甲烷扩散数学模型可知，在其他初始条件相似的情况下，煤储层厚度越大，达到中值浓度或者扩散终止所需要的时间就越长（韦重韬，1998）。煤储层本身就是一种高度致密的低渗透性岩层，上部分层和下部分层对中部分层有强烈的封盖作用，煤储层厚度越大，中部分层中瓦斯向顶底板扩散的路径就越长，扩散阻力就越大，对瓦斯的保存就越有利，这也许就是一些地区煤厚与含气量之间具有正相关趋势的根本原因。
本井田5-2煤层厚度为0.00～8.05m，平均3.42m，自西向东，由浅至深厚度增大，在某些地区瓦斯含量变化规律与此一致。
2.6 水文对瓦斯赋存的影响
水文地质是影响瓦斯赋存的一个重要因素。瓦斯以吸附状态赋存于煤的孔隙中，地层压力通过煤中水分对瓦斯起封闭作用。因此，水文地质条件对瓦斯保存、运移影响很大。
本区水文地质条件简单，矿井涌水主要来自煤层上部的砂岩裂隙水，以顶板漏水、淋水为主，次为底板渗水。在断层或裂隙处有导水现象，进而也可以导气，瓦斯从开放的断裂通道中逸散。
3.瓦斯含量分布及预测研究
综上所述，影响瓦斯富集的地质因素较多，其间错综复杂，共同制约着煤层瓦斯含量，就某一个具体井田而言，其重要性不能等量齐观。
本井田仅在勘探阶段测试过少数地面钻孔瓦斯含量，5-2煤实测煤层干燥无灰基瓦斯含量介于0.39～5.52 m3/t之间，平均为2.01 m3/t，井田内5-2煤层上覆基岩厚度为8.69～578m，平均为316.6m，煤层埋深较浅，平均400m，井田南部煤层处于风氧化带且常见露头。
以南、北两区为瓦斯地质单元，考虑到扩16孔在断层附近，剔除该异常点，针对以上数据，可以看出煤厚、基岩厚度、顶板泥岩厚度与瓦斯含量的离散性较大（图3-1、3-2、3-3、3-4、3-5、3-6），南、北两区顶板泥岩厚度甚至与瓦斯含量出现了负相关（图3-5、3-6），以及南区基岩厚度与瓦斯含量的关系也呈负相关性，这可能与南区煤层埋藏浅，处于风氧化带有关。三者相较，瓦斯含量与煤层厚度的相关性，两区均较好，其中南区增加的梯度为0.2192m3/t·m；北区增加的梯度为0.639 m3/t·m（表2）。
本文采用含气量与煤层厚度梯度法，对井田内南、北两区瓦斯含量分别进行预测，并考虑煤层露头、构造等因素，预测成果显示，南区预测瓦斯含量为0～1.46 m3/t，平均0.72 m3/t；北区预测瓦斯含量为0～5.26m3/t，平均2.35 m3/t。
4.结论
基于金华山井田构造、煤层煤质特征及瓦斯含量、瓦斯涌出量等资料，分析煤级、顶底板岩性特征、基岩厚度、构造、煤厚等因素对于瓦斯赋存规律和瓦斯涌出规律的影响，对井田范围内的瓦斯含量进行了预测，主要取得了以下认识：
（1）本区自成煤作用以来受到多次的构造叠加，特别是地层的隆起和伸展构造作用，均不利于本区瓦斯的保存，造成了目前瓦斯含量较低的原因；
（2）受区域构造影响，井田内部发育的一系列正断层也不利于瓦斯的保存，造成瓦斯含量较低；
（3）根据瓦斯含量分布特征，结合构造和煤层露头及风氧化带划分南北2大地质单元；
（4）本次采用含气量与煤层厚度梯度法，对井田内南、北两区瓦斯含量分别进行预测，其中南区预测瓦斯含量为0～1.46m3/t，平均0.72m3/t；北区预测瓦斯含量为0～5.26m3/t，平均2.35m3/t。
參考文献：
[1]铜川矿务局.金华山储量检测报告.2007.12.
[2]陕西省194煤田地质勘探队.金华山扩大区补充勘探地质报告[R].1974.12.
[3]全国煤矿瓦斯地质图编制技术工作组.煤矿矿区矿井采掘工作面瓦斯地质图编制方法.2009.4.
[4]韦重韬. 煤层甲烷地质演化史数值模拟. 徐州： 中国矿业大学出版社，1999.
[5]张子敏，张玉贵，卫修君等.编制煤矿三级瓦斯地质图.北京：煤炭工业出版社，2007.12.
[6]张子敏.瓦斯地质学.徐州：中国矿业大学出版社，2009.5.
[7]王强，李振林，王计堂.矿井地质.北京：煤炭工业出版社，2008.1.