寺河矿煤层瓦斯赋存规律与应用_王志玉
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第 40 卷第 1 期
2012 年 1 月
煤炭科学技术
Coal Science and Technology
Vol. 40 No. 1 Jan． 2012
寺河矿煤层瓦斯赋存规律与应用
王志玉1，2 ，蔡振兴1 ，王义贵1
( 1. 中国矿业大学 ( 北京) 资源与安全工程学院，北京 100083; 2. 山西晋城无烟煤矿业集团有限责任公司 寺河矿，山西 沁水 048205)
收稿日期: 2011 － 11 － 22; 责任编辑: 王晓珍 基金项目: 中央高校基本科研业务费资助项目 ( 2009KJ01) 作者简介: 王志玉 ( 1973—) ，男，山西大同人，工程师，工程硕士。Tel: 13834926902，E － mail: wangzhiyu1013@ 163. com 网络出版时间: 2012 － 01 － 12 15: 36; 网络出版地址: http: / / www. cnki. net / kcms / detail /11. 2402. TD. 20120112. 1536. 017. html 引用格式: 王志玉，蔡振兴，王义贵． 寺河矿煤层瓦斯赋存规律与应用 ［J］． 煤炭科学技术，2012，40 ( 1) : 74 － 77．
75
2012 年第 1 期
煤炭科学技术
第 40 卷
2. 3 水文地质条件对瓦斯赋存的影响 地下水的活动性在很大程度上影响着瓦斯的保
存。寺河矿主要可采煤层 3 号煤层的直接充水含水 层为顶板 K 砂岩裂隙含水层，富水性弱。另据水 文地质分析，在寺头断裂与晋获断裂之间，等势面 显著要低于东、西两侧地区，并以大宁井田—潘庄 井田为中心、以樊庄地区为斜坡地带形成了一个等 势面低地。在这一低地中，含水层显然富水但径流 条件极弱。所以，寺头断裂和晋获断裂南段的高度 阻水以及 “低地” 部位地下水滞流的特性为寺河 煤矿瓦斯赋存提供了良好条件。另外，开采 3 号煤 层时应注意地方小煤矿的采空区范围和积水、瓦斯 积聚情况，预防采空区瓦斯的涌出。
WANG Zhi-yu1，2 ，CAI Zhen-xing1 ，WANG Yi-gui1
( 1． School of Resources and Safety Engineering，China University of Mining and Technology ( Beijing) ，Beijing 100083，China;
3 煤层瓦斯治理措施
3. 1 基于瓦斯地质规律进行预测预警 预测预警技术对预防瓦斯突出具有重要作用，
是实现煤矿企业安全管理决策的重要条件。关于煤 与瓦斯突出预测预警已进行了大量的研究工 作［5 － 7］。寺河矿将矿井瓦斯赋存规律用于煤层突出 危险性预测预警系统中。
对寺河矿瓦斯赋存规律的研究表明，地质构造 是控制瓦斯赋存的主要因素之一，因此必须在生产 中加强地质构造的勘探工作，在区域预测中将地质 构造与瓦斯参数相结合，根据寺河矿井田区域构造 发育分布规律，划分出瓦斯地质单元，结合绝对瓦 斯涌出量及瓦斯含量等各单项指标大小及其分布规 律划分出突出危险区域。寺河矿煤层瓦斯含量高， 瓦斯赋存不均衡，开采的深入及地质构造等因素导 致瓦斯涌出量异常情况增多，单靠传统的瓦斯预测 已经无法满足安全生产的需要，必须同时加强瓦斯 的监测监控。寺河矿现有 KJ90NB 瓦斯监测监控系 统，由安全生产监控和瓦斯抽放监控等 13 个子系 统构成。该系统可实现连续监测瓦斯，及时掌握瓦 斯浓度的变化，还可以作为预测煤与瓦斯突出的动 态指标。但根据调查，瓦斯监控系统探头和监测仪 有时会因故障而失效，因此应坚持将人工监测和瓦 斯监控设备的监测相结合，防范井下瓦斯超限。 3. 2 基于瓦斯地质规律进行瓦斯抽放
74
王志玉等: 寺河矿煤层瓦斯赋存规律与应用
或砂质泥岩，少数为泥岩; 底板多为泥岩或砂质泥 岩，少数为粉、细砂岩。矿井采用斜井分区开拓方 式，一次采全高先进的回采工艺，工作面采用长壁 后退式开采法。寺河矿位于沁水复式向斜盆地的南 端东翼，处于晋获褶断带、土沃—寺头断裂带及阳 城西哄哄—晋城石盘 EW 向断裂带之间。主体构造 为轴向近南北向的压扭构造。一系列开阔的背斜及 压扭性逆断层纵贯井田，伴有稀少的北东向张扭性 断裂。地层总的走向北部为北东向，西南部逐渐转 变为北东向，倾向北面。井田内发育的一系列大型 SN、NNE 向展布的背斜、下黄崖背斜、67 号背斜 等。区域范围内主要断裂构造有寺河正断层、刘村 正断层等主要断层，并伴有陷落柱产生。
danger was enhanced． An improved monitoring and control system and a gas drainage system was established． The full mine gas drainage
rate could reach to 73% ．
2 煤层瓦斯赋存规律
2. 1 地质构造对煤层瓦斯赋存的控制 1) 褶皱对瓦斯赋存的影响。褶皱构造在寺河
矿井田控气特征明显。不同组合形式的褶皱各个部 位的应力分布、裂隙发育等都比较复杂，瓦斯的赋 存状态有很大差异。寺河矿井田内发育了一系列沿 SN 和 NNE 方向展布的背斜、向斜、断层和叠加在 EW 方向构造上的复合构造。其中，向斜复合构造 部位瓦斯含量较高，构造煤比较发育，形成了有利 于煤与瓦斯突出的地质条件。
the geological structural features，the effective thickness of the surrounding rock and the overburden strata，hydrological conditions and
other factors affected to the gas deposits． The results showed that the geological structure and the effective thickness of the overburden stra-
摘 要: 基于瓦斯地质学的理论和方法，探讨了寺河矿瓦斯地质规律，分析了地质构造特征、围岩
及上覆地层有效厚度、水文地质条件等因素对瓦斯赋存的影响，结果表明地质构造和上覆地层有效
厚度是控制寺河矿 3 号煤层瓦斯赋存和造成部分区域瓦斯涌出量异常的主要因素。寺河矿根据上述
研究结果进行瓦斯突出预警与瓦斯抽放，并加强了突出危险性预测，通过建立完善的监测监控系统
和瓦斯抽放系统，目前全矿井瓦斯抽放率已达到 73% 。
关键词: 寺河矿; 瓦斯地质; 瓦斯赋存; 地质构造; 预测预警; 瓦斯抽放
中图分类号: TD712
文献标志ห้องสมุดไป่ตู้: A
文章编号: 0253 － 2336 ( 2012) 01 － 0074 － 04
Seam Gas Deposit Law and Application in Sihe Mine
2． Sihe Mine，Shanxi Jincheng Anthracite Coal Mining Group Corporation Ltd． ，Qinshui 048205，China)
Abstract: Based on the gas geology theory and method，the gas geology law of Sihe Mine was discussed and the analysis was conducted on
影响煤层瓦斯含量的围岩包括煤层直接顶、基 本顶和直接底板在内的一定厚度的层段。3 号煤层 东区顶底板多为灰色粉砂岩，少数为泥岩、细纱 岩; 西区顶板主要是泥岩、粉砂质泥岩，底板以粉 砂岩、泥岩为主。顶板为砂岩且裂隙较发育时对煤 层瓦斯的封存能力降低，煤层瓦斯含量降低。3 号 煤层顶底板岩石的渗透率低，致使煤层中的瓦斯难 以向外逸散，而得以保存富集于煤层中。寺河井田 瓦斯总体随埋藏深度及上覆地层有效厚度增加而增 大，寺河矿煤层由东向西埋藏深度逐渐增大。地层 有效厚度大于 400 m 的区块，煤层瓦斯含量较高， 随着上覆岩层厚度的增加，瓦斯含量也增加。但局 部地段呈现异常现象是由断层等因素造成的。
1 矿井概况
寺河矿位于山西省晋城市西偏北方向，区域范 围包 括 原 寺 河 井 田、潘 庄 井 田 ( 包 括 一 号、二 号) 、大宁二号井田，为山西省晋城市所辖。矿井 于 1995 年 8 月 建 设，设 计 生 产 能 力 400 万 t / a， 2010 年核定生产能力 1 080 万 t / a。矿井总储量为 132 729. 4 万 t，服务年限 92 年。矿井分东西 2 个 采区，主采 3 号 煤 层 属 山 西 组 ( P1s) ，倾 角 2 ～ 10°，厚度 4. 45 ～ 8. 75 m，平均 6. 31 m，可采系数 为 100% ，属稳定可采煤层。煤层顶底板多为砂岩
2012 年第 1 期
释放，开采时瓦斯涌出量较小。
图 1 寺河矿马庄背斜轴线煤层埋深与瓦斯含量的关系
2) 断层对瓦斯赋存的影响。寺河矿断层周围 瓦斯赋存状况比较复杂，井田内断层主要为 NNE 向、NNW 向、近 EW 向、NWW 向 正 断 层 以 及 少 数逆断层，NNE 向正断层最发育。井田内早第三 纪时期主要受 NW—SE 向 强 烈 的 张 拉 作 用，NE、 NNE 向断裂表现为大幅度伸展，原来受印支期应 力场影响产生的逆掩、推覆构造也逐渐反转，形成 现今大量正断层分布的局面，不利于瓦斯的富集。 寺河矿井田内 NWW 向的断裂构造主要表现为张拉 和左行张扭活动，有利于煤层瓦斯释放; NNW 向 构造受到挤压作用，并形成了近 S—N 向的小褶 皱，因构造应力集中，围岩透气性差，瓦斯释放能 力降低，形成了利于煤层瓦斯赋存的地质条件。 2. 2 围岩及上覆地层有效厚度影响
寺河矿西区、北区西部马庄背斜附近区域，上 覆基岩厚度和瓦斯含量关系不明显。井田内马庄背 斜延伸长度为 3 100 m，纵贯井田西区中部，马庄 背斜褶皱隆起的上覆地层遭受强烈的剥蚀作用，上 覆基岩厚度变化较大，不能较好地反映瓦斯含量的 变化趋势。总的来看，褶皱两翼下部的地层破坏不 严重，利于瓦斯保存，煤层瓦斯含量高; 而背斜轴 部地层受到强烈的剥蚀作用，存在大量张性裂隙， 有利于瓦斯释放，煤层瓦斯含量低。根据晋煤集团 寺河矿和河南理工大学联合勘测的数据，对寺河矿 马庄背斜轴线东西两侧瓦斯含量进行线性回归分析 得出了煤层埋深和瓦斯含量呈线性关系 ( 图 1) 。 处于郑村背斜和柿沟背斜之间的寺河矿西区和北区 的中下部，地层平缓，断层构造不发育，煤层倾角 小，地质构造相对简单，同时该地区煤层顶板为一 定厚度透气性较差的泥岩，有利于瓦斯富集，煤层 瓦斯含量高。寺河矿东区邻近 NNE 向晋获断裂带 的西侧煤层剥蚀区，煤层埋藏深度浅，有利于瓦斯
ta would be the major factors to control No. 3 seam gas deposit and to cause the abnormal gas emission value from some region． According
to all the study results，the gas outburst early warning and gas drainage were conducted in Sihe Mine． The prediction of the gas outburst
Key words: Sihe Mine; gas geology; gas deposite; geological structure; prediction and early warning; gas drainage
随着矿井开采深度的增加，瓦斯含量逐渐升 高，瓦斯涌出异常现象增多，严重影响矿井安全生 产［1 － 2］。因此，研究矿井瓦斯赋存规律并提出有针 对性的防治措施对矿井安全生产具有重要意义。研 究表明［3 － 4］，瓦 斯 的 生 成 条 件、运 移 规 律 以 及 赋 存、分布规律均受复杂的地质条件控制。在山西晋 城无烟煤矿业集团有限责任公司寺河矿瓦斯地质规 律分析、实测和收集瓦斯资料的基础上，重点研究 了 3 号煤层瓦斯赋存规律，据此提出了瓦斯突出危 险性预 测、监 测 监 控，并 改 进 了 瓦 斯 抽 放 技 术 措施。
2012 年 1 月
煤炭科学技术
Coal Science and Technology
Vol. 40 No. 1 Jan． 2012
寺河矿煤层瓦斯赋存规律与应用
王志玉1，2 ，蔡振兴1 ，王义贵1
( 1. 中国矿业大学 ( 北京) 资源与安全工程学院，北京 100083; 2. 山西晋城无烟煤矿业集团有限责任公司 寺河矿，山西 沁水 048205)
收稿日期: 2011 － 11 － 22; 责任编辑: 王晓珍 基金项目: 中央高校基本科研业务费资助项目 ( 2009KJ01) 作者简介: 王志玉 ( 1973—) ，男，山西大同人，工程师，工程硕士。Tel: 13834926902，E － mail: wangzhiyu1013@ 163. com 网络出版时间: 2012 － 01 － 12 15: 36; 网络出版地址: http: / / www. cnki. net / kcms / detail /11. 2402. TD. 20120112. 1536. 017. html 引用格式: 王志玉，蔡振兴，王义贵． 寺河矿煤层瓦斯赋存规律与应用 ［J］． 煤炭科学技术，2012，40 ( 1) : 74 － 77．
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煤炭科学技术
第 40 卷
2. 3 水文地质条件对瓦斯赋存的影响 地下水的活动性在很大程度上影响着瓦斯的保
存。寺河矿主要可采煤层 3 号煤层的直接充水含水 层为顶板 K 砂岩裂隙含水层，富水性弱。另据水 文地质分析，在寺头断裂与晋获断裂之间，等势面 显著要低于东、西两侧地区，并以大宁井田—潘庄 井田为中心、以樊庄地区为斜坡地带形成了一个等 势面低地。在这一低地中，含水层显然富水但径流 条件极弱。所以，寺头断裂和晋获断裂南段的高度 阻水以及 “低地” 部位地下水滞流的特性为寺河 煤矿瓦斯赋存提供了良好条件。另外，开采 3 号煤 层时应注意地方小煤矿的采空区范围和积水、瓦斯 积聚情况，预防采空区瓦斯的涌出。
WANG Zhi-yu1，2 ，CAI Zhen-xing1 ，WANG Yi-gui1
( 1． School of Resources and Safety Engineering，China University of Mining and Technology ( Beijing) ，Beijing 100083，China;
3 煤层瓦斯治理措施
3. 1 基于瓦斯地质规律进行预测预警 预测预警技术对预防瓦斯突出具有重要作用，
是实现煤矿企业安全管理决策的重要条件。关于煤 与瓦斯突出预测预警已进行了大量的研究工 作［5 － 7］。寺河矿将矿井瓦斯赋存规律用于煤层突出 危险性预测预警系统中。
对寺河矿瓦斯赋存规律的研究表明，地质构造 是控制瓦斯赋存的主要因素之一，因此必须在生产 中加强地质构造的勘探工作，在区域预测中将地质 构造与瓦斯参数相结合，根据寺河矿井田区域构造 发育分布规律，划分出瓦斯地质单元，结合绝对瓦 斯涌出量及瓦斯含量等各单项指标大小及其分布规 律划分出突出危险区域。寺河矿煤层瓦斯含量高， 瓦斯赋存不均衡，开采的深入及地质构造等因素导 致瓦斯涌出量异常情况增多，单靠传统的瓦斯预测 已经无法满足安全生产的需要，必须同时加强瓦斯 的监测监控。寺河矿现有 KJ90NB 瓦斯监测监控系 统，由安全生产监控和瓦斯抽放监控等 13 个子系 统构成。该系统可实现连续监测瓦斯，及时掌握瓦 斯浓度的变化，还可以作为预测煤与瓦斯突出的动 态指标。但根据调查，瓦斯监控系统探头和监测仪 有时会因故障而失效，因此应坚持将人工监测和瓦 斯监控设备的监测相结合，防范井下瓦斯超限。 3. 2 基于瓦斯地质规律进行瓦斯抽放
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王志玉等: 寺河矿煤层瓦斯赋存规律与应用
或砂质泥岩，少数为泥岩; 底板多为泥岩或砂质泥 岩，少数为粉、细砂岩。矿井采用斜井分区开拓方 式，一次采全高先进的回采工艺，工作面采用长壁 后退式开采法。寺河矿位于沁水复式向斜盆地的南 端东翼，处于晋获褶断带、土沃—寺头断裂带及阳 城西哄哄—晋城石盘 EW 向断裂带之间。主体构造 为轴向近南北向的压扭构造。一系列开阔的背斜及 压扭性逆断层纵贯井田，伴有稀少的北东向张扭性 断裂。地层总的走向北部为北东向，西南部逐渐转 变为北东向，倾向北面。井田内发育的一系列大型 SN、NNE 向展布的背斜、下黄崖背斜、67 号背斜 等。区域范围内主要断裂构造有寺河正断层、刘村 正断层等主要断层，并伴有陷落柱产生。
danger was enhanced． An improved monitoring and control system and a gas drainage system was established． The full mine gas drainage
rate could reach to 73% ．
2 煤层瓦斯赋存规律
2. 1 地质构造对煤层瓦斯赋存的控制 1) 褶皱对瓦斯赋存的影响。褶皱构造在寺河
矿井田控气特征明显。不同组合形式的褶皱各个部 位的应力分布、裂隙发育等都比较复杂，瓦斯的赋 存状态有很大差异。寺河矿井田内发育了一系列沿 SN 和 NNE 方向展布的背斜、向斜、断层和叠加在 EW 方向构造上的复合构造。其中，向斜复合构造 部位瓦斯含量较高，构造煤比较发育，形成了有利 于煤与瓦斯突出的地质条件。
the geological structural features，the effective thickness of the surrounding rock and the overburden strata，hydrological conditions and
other factors affected to the gas deposits． The results showed that the geological structure and the effective thickness of the overburden stra-
摘 要: 基于瓦斯地质学的理论和方法，探讨了寺河矿瓦斯地质规律，分析了地质构造特征、围岩
及上覆地层有效厚度、水文地质条件等因素对瓦斯赋存的影响，结果表明地质构造和上覆地层有效
厚度是控制寺河矿 3 号煤层瓦斯赋存和造成部分区域瓦斯涌出量异常的主要因素。寺河矿根据上述
研究结果进行瓦斯突出预警与瓦斯抽放，并加强了突出危险性预测，通过建立完善的监测监控系统
和瓦斯抽放系统，目前全矿井瓦斯抽放率已达到 73% 。
关键词: 寺河矿; 瓦斯地质; 瓦斯赋存; 地质构造; 预测预警; 瓦斯抽放
中图分类号: TD712
文献标志ห้องสมุดไป่ตู้: A
文章编号: 0253 － 2336 ( 2012) 01 － 0074 － 04
Seam Gas Deposit Law and Application in Sihe Mine
2． Sihe Mine，Shanxi Jincheng Anthracite Coal Mining Group Corporation Ltd． ，Qinshui 048205，China)
Abstract: Based on the gas geology theory and method，the gas geology law of Sihe Mine was discussed and the analysis was conducted on
影响煤层瓦斯含量的围岩包括煤层直接顶、基 本顶和直接底板在内的一定厚度的层段。3 号煤层 东区顶底板多为灰色粉砂岩，少数为泥岩、细纱 岩; 西区顶板主要是泥岩、粉砂质泥岩，底板以粉 砂岩、泥岩为主。顶板为砂岩且裂隙较发育时对煤 层瓦斯的封存能力降低，煤层瓦斯含量降低。3 号 煤层顶底板岩石的渗透率低，致使煤层中的瓦斯难 以向外逸散，而得以保存富集于煤层中。寺河井田 瓦斯总体随埋藏深度及上覆地层有效厚度增加而增 大，寺河矿煤层由东向西埋藏深度逐渐增大。地层 有效厚度大于 400 m 的区块，煤层瓦斯含量较高， 随着上覆岩层厚度的增加，瓦斯含量也增加。但局 部地段呈现异常现象是由断层等因素造成的。
1 矿井概况
寺河矿位于山西省晋城市西偏北方向，区域范 围包 括 原 寺 河 井 田、潘 庄 井 田 ( 包 括 一 号、二 号) 、大宁二号井田，为山西省晋城市所辖。矿井 于 1995 年 8 月 建 设，设 计 生 产 能 力 400 万 t / a， 2010 年核定生产能力 1 080 万 t / a。矿井总储量为 132 729. 4 万 t，服务年限 92 年。矿井分东西 2 个 采区，主采 3 号 煤 层 属 山 西 组 ( P1s) ，倾 角 2 ～ 10°，厚度 4. 45 ～ 8. 75 m，平均 6. 31 m，可采系数 为 100% ，属稳定可采煤层。煤层顶底板多为砂岩
2012 年第 1 期
释放，开采时瓦斯涌出量较小。
图 1 寺河矿马庄背斜轴线煤层埋深与瓦斯含量的关系
2) 断层对瓦斯赋存的影响。寺河矿断层周围 瓦斯赋存状况比较复杂，井田内断层主要为 NNE 向、NNW 向、近 EW 向、NWW 向 正 断 层 以 及 少 数逆断层，NNE 向正断层最发育。井田内早第三 纪时期主要受 NW—SE 向 强 烈 的 张 拉 作 用，NE、 NNE 向断裂表现为大幅度伸展，原来受印支期应 力场影响产生的逆掩、推覆构造也逐渐反转，形成 现今大量正断层分布的局面，不利于瓦斯的富集。 寺河矿井田内 NWW 向的断裂构造主要表现为张拉 和左行张扭活动，有利于煤层瓦斯释放; NNW 向 构造受到挤压作用，并形成了近 S—N 向的小褶 皱，因构造应力集中，围岩透气性差，瓦斯释放能 力降低，形成了利于煤层瓦斯赋存的地质条件。 2. 2 围岩及上覆地层有效厚度影响
寺河矿西区、北区西部马庄背斜附近区域，上 覆基岩厚度和瓦斯含量关系不明显。井田内马庄背 斜延伸长度为 3 100 m，纵贯井田西区中部，马庄 背斜褶皱隆起的上覆地层遭受强烈的剥蚀作用，上 覆基岩厚度变化较大，不能较好地反映瓦斯含量的 变化趋势。总的来看，褶皱两翼下部的地层破坏不 严重，利于瓦斯保存，煤层瓦斯含量高; 而背斜轴 部地层受到强烈的剥蚀作用，存在大量张性裂隙， 有利于瓦斯释放，煤层瓦斯含量低。根据晋煤集团 寺河矿和河南理工大学联合勘测的数据，对寺河矿 马庄背斜轴线东西两侧瓦斯含量进行线性回归分析 得出了煤层埋深和瓦斯含量呈线性关系 ( 图 1) 。 处于郑村背斜和柿沟背斜之间的寺河矿西区和北区 的中下部，地层平缓，断层构造不发育，煤层倾角 小，地质构造相对简单，同时该地区煤层顶板为一 定厚度透气性较差的泥岩，有利于瓦斯富集，煤层 瓦斯含量高。寺河矿东区邻近 NNE 向晋获断裂带 的西侧煤层剥蚀区，煤层埋藏深度浅，有利于瓦斯
ta would be the major factors to control No. 3 seam gas deposit and to cause the abnormal gas emission value from some region． According
to all the study results，the gas outburst early warning and gas drainage were conducted in Sihe Mine． The prediction of the gas outburst
Key words: Sihe Mine; gas geology; gas deposite; geological structure; prediction and early warning; gas drainage
随着矿井开采深度的增加，瓦斯含量逐渐升 高，瓦斯涌出异常现象增多，严重影响矿井安全生 产［1 － 2］。因此，研究矿井瓦斯赋存规律并提出有针 对性的防治措施对矿井安全生产具有重要意义。研 究表明［3 － 4］，瓦 斯 的 生 成 条 件、运 移 规 律 以 及 赋 存、分布规律均受复杂的地质条件控制。在山西晋 城无烟煤矿业集团有限责任公司寺河矿瓦斯地质规 律分析、实测和收集瓦斯资料的基础上，重点研究 了 3 号煤层瓦斯赋存规律，据此提出了瓦斯突出危 险性预 测、监 测 监 控，并 改 进 了 瓦 斯 抽 放 技 术 措施。