摘    要：基于山西神州煤业井田各煤层钻孔瓦斯含量测试资料，详细分析主采煤层的瓦斯赋存特征，阐释了断层、褶皱、煤层埋深、顶底板岩性、陷落柱等因素对瓦斯含量的影响规律。结果表明：(1)从平面上看，神州煤业4、8、10号煤层瓦斯含量在井田东、北、南部较高；从层位看，10号煤层瓦斯含量最高，8号煤层次之，4号煤层最低，瓦斯含量具有随埋深增加而加大的趋势。(2)4号煤层瓦斯成分以氮气为主，在井田东南部分布有氮气—甲烷带；8号煤层在井田西部煤层露头附近分布有氮气-二氧化碳带，接着为狭长的氮气带，在井田北部、东部、南部的绝大部分为氮气-甲烷带；10号煤层瓦斯成分以氮气(N2)为主，在井田西部煤层露头附近分布有氮气-二氧化碳带，井田中部的一小部分为氮气带，在井田北部、东南部分布有氮气-甲烷带，井田东部和南部分布有甲烷带。(3)煤层构造形态特征对瓦斯保存有重要影响。4号煤层瓦斯含量随埋深增大没有规律性，8、10号煤层瓦斯含量与煤层埋深呈显著的正相关关系。太原组L1灰岩中富集由8、10号煤层中运移而来的瓦斯气体，在煤矿开采过程中需加以注意。本文研究成果有望为矿区煤炭安全生产以及煤层气开发提供参考。

关键词:神州煤业;煤岩;瓦斯含量;瓦斯成分;赋存规律;

Study on gas occurrence law of coal seam in Shenzhou coal mine field, Shanxi province

ZHOU Wei-bo

Shanxi Mining Federation

Abstract：Based on the gas content test data of every coal seam in Shanxi Shenzhou coal mine field, the gas occurrence characteristics of main coal seam are analyzed in detail, the influence law of fault, fold, coal seam buried depth, roof and floor lithology, collapse column and other factors on gas content is explained.The results show that:(1) the gas content of No. 4, No. 8 and No. 10 coal seams of Shenzhou coal industry is higher in the east, north and south of Well-field system province. From the horizon, the gas content of No. 10 coal seam is the highest, No. 8 coal seam is the lower, No. 4 coal seam is the lowest. The gas content increases with the buried depth.(2) the gas composition of No. 4 coal seam is mainly composed of nitrogen, and there is a nitrogen-methane zone in southeastern Well-field system, while no. 8 coal seam has a nitrogen-carbon dioxide zone near the coal seam outcrop in western Well-field system, followed by a narrow nitrogen zone, the vast majority of northern, eastern and southern Well-field system is the nitrogen-methane belt. The gas composition of No. 10 coal seam is mainly nitrogen(N2). There is a nitrogen-carbon dioxide zone near the outcrop of the coal seam in western Well-field system, and a small part of the central part of the mine field is nitrogen zone.There are nitrogen-methane zones in the north and south-east of Well-field system, and methane zones in the east and south of the minefields.(3) The coal seam structure shape characteristic has the important influence to the gas preservation.The gas content of No. 4 coal seam has no regularity with the increase of burial depth, and the gas content of No. 8 and No. 10 coal seam has a significant positive correlation with the burial depth of coal seam.The L1 limestone of Taiyuan Formation is rich in the gas migrated from No. 8 and No. 10 coal seams, which should be paid attention to in the process of coal mining. The research results in this paper are expected to provide reference for coal mine safety production and CBM development.

Keyword：Shenzhou coal industry; Coal rock; Gas content; Gas composition; Occurrence law;

1 地质概况

山西神州煤业公司井田位于河东煤田中段离柳矿区的北部，井田内主要含煤地层为山西组和太原组，地层总厚138.24 m, 煤层总厚9.83 m, 含煤系数为7.11%。区内可采煤层包括山西组4号煤层和太原组8、10号煤层。其中4号煤厚0.28～2.03 m, 平均1.49 m; 8号煤厚0.92～2.10 m, 平均1.33 m; 10号煤厚1.40～6.86 m, 平均3.26 m。

本井田为一宽缓的不对称向斜构造，即中阳-离石向斜[1]。向斜轴在井田的南部走向为北北东，中部走向为近南北，向北逐渐转向北北西；该向斜轴部较宽缓，两翼倾角相差很大，东翼较缓，倾角为2°～3°,西翼较陡，倾角为15°～25°。中阳-离石向斜轴部两侧发育4条次一级褶曲。井田内共发育77条断层，均为正断层，其中落差大于3m的断层有13条。井田范围内无岩浆岩侵入现象。

2 煤层瓦斯赋存特征

2.1 各煤层瓦斯含量

各煤层钻孔瓦斯含量测试结果见表1。(1)4号煤层瓦斯含量为0.07～4.50 m3/t, 井田西部煤层露头附近瓦斯含量很低，井田东南部瓦斯含量高，最高达4.50 m3/t。(2)8号煤层瓦斯含量0.27～7.51 m3/t, 平均2.97 m3/t, 井田西部煤层露头附近瓦斯含量低，东南部和北部瓦斯含量高，分别达7.51 m3/t和7.38 m3/t。(3)10号煤层瓦斯含量0.17～10.37 m3/t, 平均4.51 m3/t。井田西部煤层露头附近瓦斯含量低，井田东南、东北、西南部瓦斯含量高，最高达10.37 m3/t和7.77 m3/t, 个别钻孔(B15)瓦斯含量超过10 m3/t。

总体来看，平面上，神州煤业4、8、10号煤层瓦斯含量在井田东、北、南部较高；层位上，10号煤层瓦斯含量最高，8号煤层次之，4号煤层最低，瓦斯含量具有随埋深增加而加大的趋势。

2.2 各煤层瓦斯成分

各煤层瓦斯成分见表1。其中4号煤层瓦斯成分以氮气为主，占31.44%～99.17%,平均54%;其次为甲烷(CH4),占37.41%;二氧化碳(CO2)占8.42%,烃系列(C2-C8)微量。总体上，该煤层以氮气带为主，在井田东南部分布有氮气—甲烷带。

8号煤层瓦斯成分以氮气(N2)为主，占57.18%;其次为甲烷(CH4),平均占37.87%;二氧化碳(CO2)占11.23%,烃系列(C2-C8)微量。该煤层在井田西部煤层露头附近分布有氮气-二氧化碳带，接着为狭长的氮气带，在井田北部、东部、南部的绝大部分为氮气-甲烷带。

10号煤层瓦斯成分以氮气(N2)为主，平均占45.22%,其次为甲烷(CH4),平均占39.99%,二氧化碳(CO2)占14.64%,烃系列(C2-C8)微量。在井田西部煤层露头附近分布有氮气-二氧化碳带，井田中部的一小部分为氮气带，在井田北部、东南部分布有氮气-甲烷带，井田东部和南部分布有甲烷带。

表1 钻孔瓦斯含量测定结果

3 煤层瓦斯含量影响因素分析

3.1 断层、褶皱构造

煤层构造形态特征对瓦斯保存有重要影响。(1)断层的影响：本井田内发现多处落差在0.5～5 m之间的断层，如4号煤层五采区4501工作面轨道顺槽掘进时期，遇落差为5.5 m的正断层，在远离该断层时，回风流瓦斯浓度仅为0.03%;接近断层后，瓦斯浓度上升至0.08%～0.12%之间，呈现增大的趋势。(2)褶皱构造的影响：向斜构造的两翼与轴部中和面以上为压应力场，这些区域属于应力集中的高压区；轴部中和面以下处于拉伸张应力场，这些区域煤层埋深往往较大，只有少量开放性裂隙产生，同时伴随部分应力释放，形成相对低压区。因此，向斜的两翼和轴部中和面以上是利于瓦斯封存和聚集的部位，特别是向斜的轴部是瓦斯含量高异常区，例如井田内8、10号煤层瓦斯含量高的B13、B10、B15号钻孔、4号煤层4307运输顺槽内W-2瓦斯测试点均位于向斜轴附近；井田西部向斜西翼翘起端钻孔瓦斯含量均低。

3.2 煤层埋深

据(图1a)可知，4号煤层瓦斯含量随埋深增大没有规律性，这是由于中阳-离石向斜、白家庄向斜及次级褶皱构造共同作用的结果。井田内8、10号煤层瓦斯含量随煤层埋深增加而逐渐加大(图1b、图1c),其中，8号煤层瓦斯含量增长梯度为0.93 m3/t/100 m, 10号煤层瓦斯含量增长梯度为1.03 m3/t/100 m。随埋藏深度的增加，一方面，煤层孔隙流体压力增加，有利于更多气体在煤基质表面吸附；另一方面，地应力增高使煤层及围岩的透气性变差，瓦斯逸散更困难，二方面都有利于封存瓦斯[2]。因此，8、10号煤层瓦斯含量与煤层埋深呈显著的正相关关系。

3.3 顶底板岩性

一般来说，煤层顶底板岩性为致密完整的岩石，如页岩、油母页岩时，煤层中的瓦斯容易保存；顶底板为多孔隙或脆性裂隙发育的岩石，如砾岩、砂岩时，瓦斯就容易逸散。

本井田范围内的4号煤层顶底板为砂质泥岩、泥岩、砂岩，岩性变化不大，并且开采过程中也未发现顶底板瓦斯异常问题，因此顶底板对4号煤层煤层瓦斯含量影响不明显。神州煤业下组煤开掘以来，掘进工作面瓦斯涌出量不断增大，严重影响工作面的正常推进及安全生产，特别是开掘8103运输巷时，绝对瓦斯涌出量已达7.5 m3/min。经分析，瓦斯主要来源于8号煤层上覆太原组L1灰岩。该层灰岩本身不具生烃能力，其中瓦斯由下部8、10号煤层中运移而来[3],富集存储在灰岩的溶洞及裂隙空间。因此，在本煤矿开采过程中要注意煤层附近灰岩层中瓦斯富集的影响。

3.4 其他因素

井田内岩溶陷落柱对于煤层瓦斯赋存规律影响不明显，例如在矿井三采区运输下山掘进时期遇见陷落柱，在揭露该陷落柱前，工作面配风量为181 m3/min, 回风流瓦斯浓度为0.04%,瓦斯绝对涌出量为0.07 m3/min; 在揭露和通过陷落柱时，瓦斯未见异常，持续保持在0.03%～0.05%之间。

此外，井田范围内未发现岩浆活动，实际生产过程中亦未发现或揭露岩浆岩。因此，本区煤层瓦斯赋存不存在岩浆活动的影响。

4 结语

(1)平面上，神州煤业4、8、10号煤层瓦斯含量在井田东、北、南部较高；层位上，10号煤层瓦斯含量最高，8号煤层次之，4号煤层最低，瓦斯含量具有随埋深增加而加大趋势。4号煤层瓦斯分布特征以氮气带为主，在井田东南部分布有氮气—甲烷带；8号煤层在井田北部、东部、南部的绝大部分为氮气-甲烷带；10号煤层在井田北部、东南部分布有氮气-甲烷带，井田东部和南部分布有甲烷带。

(2)煤层构造形态特征对瓦斯保存有重要影响，煤层距离正断层越近，瓦斯含量呈现增大的趋势；研究区向斜的轴部是瓦斯含量高异常区，井田西部向斜西翼翘起端钻孔瓦斯含量均低。井田4号煤层瓦斯含量随埋深增大没有规律性，8、10号煤层瓦斯含量具有随煤层埋深增加而加大的趋势。太原组L1灰岩中富集由8、10号煤层中运移而来的瓦斯气体，在煤矿开采过程中需加以注意。

参考文献

[1] 山西神州煤业有限责任公司地测科.山西神州煤业有限责任公司生产地质报告[R].2019.11.

[2] 王怀勐，朱炎铭，李伍，等.煤层气赋存的两大地质控制因素[J].煤炭学报.2011.36(07):1129-1134.

[3] 赵胜强，黄纪云，张武，等.山西神州煤业灰岩瓦斯成因及富集区预测[J]能源与环保2020. 42(12):47-50+59.