摘要
本文根据收集到的有关资料，对翟镇煤矿瓦斯地质特征进行了进一步研究。随着煤炭开采深度的增加，瓦斯灾害日益严重，通过实践得出了进行瓦斯地质特征的研究是防止和治理瓦斯灾害的基础。而煤炭作为经济发展的基础能源，作为我国能源工业的支柱，其地位是长期的稳定的。因此以生产勘探、开采揭露资料为基础，进一步深入分析、研究煤矿地质构造、煤层赋存及其他开采技术条件特征，准确、完整、全面地反应翟镇煤矿瓦斯地质情况；按《煤、泥炭地质勘察规范》估算煤矿的资源储量，以保证煤炭资源的合理开发和利用。并且通过取样及测试分析，大致了解矿化体品位、规模及赋存地质特征，为下一步工作安排提供依据。
关键词：翟镇煤矿、瓦斯地质规律、瓦斯赋存、瓦斯预测
第1章绪论
1.1选题背景及研究意义
在全球，无论哪一个国家。能源是经济发展的重要资源。能源能否正常供应的问题也是约束经济发展的一个特别重要的问题。在最近的几年里，每个国家都对煤炭的需求程度是日益增多的。煤炭是保障国民经济快速发展的最重要的基础能源，作为我国能源工业的支柱，其地位是长期的稳定的。因此以生产勘探、开采揭露资料为基础，进一步深入分析、研究煤矿地质构造、煤层赋存及其他开采技术条件特征，准确、完整、全面地反应翟镇煤矿瓦斯地质情况；按《煤、泥炭地质勘察规范》估算煤矿的资源储量，以保证煤炭资源的合理开发和利用。并且通过取样及测试分析，大致了解矿化体品位、规模及赋存地质特征，为下一步工作安排提供依据。
1.2国内外研究现状
国内研究现状：中华人民共和国的瓦斯是从20世纪的90年代开始发展的，虽然是才利用不久的新能源，但中华人民共和国是一个煤层气资源特别丰富的国家，现在是排名世界的第三名。在中华人民共和国的华北和西北地区，煤层气资源量大概有36万亿m3，虽然中华人民共和国在开发技术上小有成就，但仍然需要该专业有关的人才们努力。煤层气的赋存还和水文地质条件有关，主要是煤层气的运移及富集起作用。目前，中华人民共和国对抽采利用得到了很多经验。
国外研究现状：国外的地质条件比较中华人民共和国而言特别简单，煤层的渗透性比较好，煤阶主要是以低-中挥发分煤。国外在煤层气的各种分析方面，得到了正确的认识。
很多学者认为影响煤层气赋存的主要条件是矿区构造运动。也认为加强地质构造的演化与煤层气赋存规律的研究迫在眉睫。还有学者认为构造煤是煤层气的富集体。煤层气赋存的不均匀性与构造复杂性等有关。
1.3研究内容
1.通过对矿井和矿井瓦斯的大概情况，从翟镇的地层、构造以及矿井瓦斯的赋存规律等地质方面对山东省泰安市翟镇的矿井瓦斯进行阐明和叙述。
2.重点从翟镇的煤矿瓦斯地质特征方面进行研究。
1.4矿井位置和交通
1.4.1煤矿位置与范围
翟镇煤矿位于新泰市翟镇境内，行政区划隶属山东省新泰市，其井田位于新汶向斜中段轴部。现井田范围为
2013年3月颁发的采矿许可证（证号C10000020130511401298 29）划定的范围，共有18个拐点圈定（图1.1）。井田南北走向长约3.6km，东西走向长约5.8km，面积13.5827km2，开采标高-180～-810m。有效期自2003年3月28日至2029年3月28日。
图1.1翟镇煤矿井田位置及四邻关系示意图
1.4.2交通
翟镇煤矿是在山东省新泰市的翟镇，在新泰市的西北方，新泰到泰安公路在井田中部穿过，泰新高速和京沪高速分别从井田西部和东部通过，交通便利（图1.2）。
图1.2交通位置示意图
1.5自然地理概括
1.5.1地形地貌
翟镇井田位于柴汶河北岸，北部是九王山、榆山、井山，地形向南逐渐平缓，地面标高由+200m降为+170m。井田东南边缘地形又稍高，构成了南、北、东三面高、中间低的丘陵地形。
本矿工业广场地面标高+178m左右，主、副井及新风井口标高+180.7m，老风井井口标高+173.0m，高于历史最高洪水位（+169m），所以本区不受洪水威胁。
1.5.2地表水系
井田内无大的河流和积水区（图1.3），西部的迈莱河发源于莲花山东北部，从矿井西南侧由北向南汇入柴汶河，河宽50～150m，流经翟镇井田仅0.9km，是季节性河流，对翟镇煤矿基本无影响。在马家峪、小王家寨北一带向南形成河面，一般宽30～50m，流经本区长约4km，上游多由砂砾石组成，下游多淤积成流沙，每到山洪暴发，水漫河床，流量较大。雨后流量迅速减少，常年上游由奥灰及古近系砾岩泄水，形成较小溪流，春冬干枯无水，系季节性小溪流。河水补给第四系砂砾岩含水层，一般对矿井充水影响较小。羊村塌陷区翟镇河西侧有人工清挖水塘，长146 m，宽46 m，深度3.5m，冬春季节水深0.3～0.5m，对矿井充水无影响。
图1.3地表水系示意图
柴汶河由东向西流向大汶口，本井田位于柴汶河北岸。柴汶河及其支流古河床宽度1000～2000m，面积约8km2；柴汶河现代河床宽度270～480m，河沙厚度7～8m，最厚达11m。2007年8月在余粮桥处观测柴汶河最大流速3.62m/s，最大流量1712.16m³/s。柴汶河历史最高洪水位为1957年7月19日在良庄煤矿以北河段测得+165m～+169m。
1.5.3气象
山东省泰安市翟镇矿井位置区域属与暖温带季风区大陆性气候。根据气象局观测资料（1955～2018年），山东省泰安市翟镇矿井位置区域气候特点如下：
（1）降水量
历年平均降水量六百多毫米，雨季是从6月到9月。冬、春两季干旱少雨。
（2）气温
历年平均气温2.6℃,最高气温42.5℃（955年8月日），最低气温-2.6℃（957年月27日）。冰冻期月至次年3月，冻土深度0.4～0.8m。
（3）风向风速
全年主要风向为东南风及西南风，北风相对较少。
（4）湿度和蒸发量
历年平均相对湿度65％。年蒸发量1514.1~1789.0mm，最高月蒸发量293.9mm，最大蒸发量多在4～7月，约占全年蒸发量的45％。
第2章研究区地质概括
2.1地层
翟镇煤矿在新汶煤田的北边，石炭—二叠系的山西组和太原组为主要的含煤地层，煤系和煤层的沉积稳定，是华北型含煤岩系。井田地层见图2.1。
图2.1翟镇井田地层综合柱状图
奥陶系总厚度约800m左右，为煤系基底。上部除下段含有厚层状灰岩及泥岩互层外，其它均为厚层致密块状灰岩，质纯、性脆，隐晶质结构，顶部裂隙及溶洞发育。内含头足类Actinoceras（珠角石）及三叶虫等化石。
本溪组厚度5.11～21.73m，平均13.35m（图2.2）。本组底部发育一层杂色、铁含量较高的铁铝质粘土岩，富含菱铁矿鲕粒，与下伏奥陶系呈假整合接触。
图2.2本溪组地层厚度等值线图
太原组是本井田重要含煤地层之一，厚度160.31～224.55 m，平均203.65m（图2.3），整体呈北厚南薄的特点。太原组是海陆交互相沉积，旋回结构和粒度韵律明显，容易进行对比，最下部一层石灰岩（草灰）底板与本溪组为界，为整合接触。
（3）山西组（P1s）
山西组为本井田主要含煤地层之一，厚度0～184.00m，平均98.61m（图2.4）。本组以陆相沉积为主。在山西组底部，由4煤层和5煤层之间的一层厚度约5m的石英质砂岩与太原组为界，与下伏地层呈整合接触。
本组粉砂岩中产完好的植物化石：Annu laria sp.（轮木）等。
图2.4山西组地层厚度等值线图
下石盒子组厚度0～156.07m，平均72.52m，井田西北部F1断层以北被剥蚀（图2.5）。岩性由浅灰、灰绿色以及杂色粘土岩、粉砂岩组成，井田西北部残存砂岩多变为红棕色，不含煤，系干燥气候环境下形成的大陆冲积相沉积。本组产化石有：Taeniopteris sp.（带羊齿）等。
图2.5下石盒子组地层厚度等值线图
官庄组厚度217.95~665.30m，平均387.66m，井田内由南至北逐渐增厚（图2.6）。岩性主要为砖红色粉砂岩、细砂岩、泥岩及砾岩层，成分以石英为主，赭红色粘土胶结，较疏松，砾石成分以片麻岩、石灰岩、闪长岩为主，分选性较差，大者几十厘米，小者1厘米。砾石本身厚度及层数变化较大，最多达数十层，最厚一层可达40m，向北有增厚趋势，在F11～F12间砾石层厚度达几百米，砾石大者1.0m，小者0.1m，是一较好的含水层。与下伏地层呈不整合接触。
图2.6古近系地层厚度等值线图
2.2构造
山东省泰安市翟镇井田在新汶向斜中段轴部，四周是断层，内部断层与褶曲同时存在。井田的内地层走向是以近东西向为主，呈南浅北深的趋势。由于受区域断层的控制，形成较宽缓的褶皱构造（图2.8），羊村次背斜轴向东西、大港向斜轴向北东东、葛沟桥倾伏向斜（良庄井田内）轴向南东东向。区内的断层发育明显分区，通过各种科学的技术，对影响采区划分的落差≥20m的断层和波幅≥20m的褶曲已经基本查明。现将井田内主要地质构造分述如下：
图2.8翟镇井田构造示意图
2.2.1地层产状和褶曲
翟镇井田地层产状较平缓，次一级褶曲较发育，使地层产状不论其走向、倾向和倾角都有较大的变化。井田的内地层走向多变，以近东西向为主，主要褶曲构造分述如下：
羊村次背斜为矿井先期开采地段，通过实际开采揭露，大的褶曲形态基本如上所述。但因断层发育，严重影响生产，如F2断层将一采原设计4个正规面缩为2个半面，将二采区缩至原来的1/4。采区内小断层发育，以北东断层带最发育，沿背斜轴向倾角变化不大，但在靠近F10断层150m范围内，分支断层密集，煤层倾角变陡，最大30～40°,几乎无法回采，说明F10、F2断层在背斜发展期已经形成。
大港向斜西起大港村，东至王家寨村，轴向北东70°,与F22断层大体平行，井田内轴长2.7km。由于断层的破坏，构造形态不完整，西部较窄1km左右，东部则宽达2～3km。西部为一向西倾斜的倾没向斜，倾角10～12°;中部倾角5～10°为一平缓走廊，靠近F22倾角变大，近20°;东部为一较完整的短轴向斜，翼部倾角12～16°,但也有大于20°者。井巷工程揭露为大港向斜的中段，四采石门揭露地层较平缓，两端煤层标高相差仅5m，但仍具有向斜特征，分析原因，主要是因中部发育落差35～60m的F1断层，造成轴部受力情况改变，中部拱起所致。
李家庄鞍部构造位于大港向斜和葛沟桥倾伏向斜之间，面积约2km2，煤层埋藏较浅。有313号钻孔证实，2煤层埋深-250～-400m，6煤层埋深-450～-550m。
2.2.2断层
井田的断层主要分布在井田南部和西北部，中西部及东北断层稀少。截至2018年底，经勘探以及井巷工程揭露，落差（H）≥20m的断层37条，以高角度的正断层为主（表2-1）。较大断层分布在井田的西部边界、南部边界和井田中部区域，如F10断层，F16断层，F5、F6、F8断层。
第3章矿井瓦斯赋存规律
3.1地质构造对瓦斯赋存的影响
3.1.1断层对瓦斯赋存的影响
勘探及矿井生产巷道实际揭露资料表明，翟镇井田断层有以下特征：断裂构造大部分为正断层，断层倾角相对较大，一般在60～80°之间。落差较大的断层的旁侧常伴有一定数量的小断层，在平面上使较大断层与旁侧伴生小断层组合构成断层束，从而形成一个受断层影响相对较大的局部块段（F6）；在剖面上伴生小断层与主干断层组合成羽状构造（那些小断层即是所谓的羽毛状断层），小断层与主干断层相交而形成的锐角指向与主干断层的小断层所在盘的位移错动方向一致。断层呈开放性断裂，破坏了煤层的连续完整性，使煤层瓦斯运移条件发生变化，有利于瓦斯排放。
3.1.2褶曲构造对瓦斯赋存的影响
紧密褶皱地区瓦斯含量较高，因为受强烈构造作用，应力集中；发生褶皱的岩层塑性较强，易褶不易断，封闭性较好，因而有利于瓦斯的聚集和保存。井田内主要褶曲构造有羊村次背斜、大港向斜和李家庄鞍部构造，对煤层瓦斯赋存的影响不大。
3.2顶底板岩性对瓦斯赋存的影响
3.2.1顶底板岩性对瓦斯赋存的影响
（1）2煤层顶底板岩性对瓦斯赋存的影响
2煤层位于山西组中下部，下距4层煤10.77～37.60m，平均23.58m。2煤层在本区保存不完整，在原设计五采区块段补打3个孔，均遭受古近系红层剥蚀；四采北部35、7、340号孔2煤层缺失，分析后确定为风氧化；相邻四采区F1断层以北及邻近小港矿边界大面积遭受风氧化。该风氧化带厚度变化较快，常在3～4m间由缺失变为正常1.8m左右。根据本矿实际揭露资料和小港矿资料，剥蚀及风氧化面积约1.47km2。区内其余地段均可采。
顶板多为粉砂岩，一般厚度4.0m，层位不稳定，局部变为中细砂岩。底板为粉砂岩或泥岩，具有粘性和膨胀性的特点，一般厚度4.0m，透气性好，瓦斯容易逸散。
（2）4煤层顶底板岩性对瓦斯赋存的影响
4煤层位于羊村次背斜东南部，4煤上分层厚度0～1.0m，距4煤层0.6～1.5m，岩性为泥质粉砂岩，构成了4煤的顶板。底板为粘土岩，局部为砂页岩互层或细砂岩，厚度5.0m。4煤层顶板为砂岩且裂隙发育，透气性较好，有利于瓦斯的逸散。
（3）11煤层顶底板岩性对瓦斯赋存的影响
11煤层直接顶板为粉砂岩，有时为细砂岩与粉砂岩互层，厚度7.0m，其上为稳定的呈豆青色海绿石砂岩，厚度达16.0m。底板以粉砂岩为主，有利于瓦斯的逸散。
（4）15煤层顶底板岩性对瓦斯赋存的影响
15煤层直接顶板为泥灰岩，厚度0.3～1.66m，抗压强度106.2MPa，顶板坚硬，有利于瓦斯的逸散。总而言之，山东省泰安市翟镇煤矿煤层不利于瓦斯的保存。
3.2.2沉积体系对瓦斯赋存影响
本区生储盖条件早期由于本矿处于陆表海沉积区，主要是以海相沉积环境为主，盖层也发育，其后海水退出本区，沉积环境由海相转换为三角洲沉积相，大套的分流河道砂体成为良好的储集层，同时分流间湾形成的煤层成为良好的生气层，盖层不发育，至中晚二叠系由于河流湖泊沉积体系发育，形成了很多泥岩和致密石英砂岩成为良好的盖层。总的说来，生储组合条件从下向上逐渐变差，储盖条件从下向上变好。
3.3煤层上覆基岩厚度对瓦斯赋存的影响
在瓦斯风化带以下，煤层瓦斯含量、瓦斯压力和瓦斯涌出量都与深度有一定的关系。翟镇井田处在新汶煤田北部，四周是断层，内部断层与褶曲并存。整个井田为复式较宽缓的褶皱构造，上有数百米古近系红层覆盖，并为丘陵地形。煤层上覆基岩厚度对瓦斯赋存控制和影响明显，会随上覆基岩厚度的增大而增大。
3.4水文地质特征对瓦斯赋存的影响
瓦斯影响的水文地质条件主要表现为煤层与顶板含水层之间隔水层的发育程度、含水层的富水性、导水性及其补给和排泄条件。
开采2、4煤层时主要充水水源是山西组的砂岩裂隙水。该含水层由3～4层中砂岩组成，单层厚2～27m，总厚12～70m，钙质及泥质胶结。据59号孔4煤层顶板砂岩抽水结果，该层单位涌水量（q）为0.053L/s·m，富水性弱。山西组砂岩水多以裂隙淋水形式进入矿井，该层在本区内无地表水补给，地下水的循环条件不好，含水程度会因为所处部位的不同而有差别。说明山西组砂岩的宏观裂隙不发育或裂隙之间及裂隙与外界的连通性较差，在一定程度上阻碍了煤层瓦斯的逸散。
开采11煤层主要充水水源为其顶板砂岩，厚度10～50m，仅在305号孔发现8煤附近砂岩有泥浆微消耗现象。根据生产揭露，11煤层顶板砂岩含水微弱，一般以滴水、少量淋水等形式流入矿井，其水文地质条件亦不利于瓦斯的逸散。开采15煤层主要充水水源为四灰，厚度3.0～9.7m，15煤上距四灰平均为11.30m，富水性弱。根据生产揭露，15煤层顶板含水微弱，一般以滴水、少量淋水等形式流入矿井，其水文地质条件亦不利于瓦斯的逸散。
第4章矿井瓦斯涌出规律
4.1瓦斯涌出特征
2008～2018年对开采的2、4、11煤层各个采区进行了对瓦斯测试与鉴定工作，并对矿井瓦斯等级进行了确定。瓦斯测定结果见表4-1。
2008~2018年，全矿井瓦斯的平均绝对涌出量和平均相对涌出量随矿井开拓面积增大和开采位置的变化而发生变化。2016至2018年已采区瓦斯涌出量高于生产区，准备区高于生产区。按照2016年版《煤矿安全规程》规定，本矿井瓦斯等级鉴定为低瓦斯矿井。
4.2矿井瓦斯涌出资料统计及分析
研究表明，矿井瓦斯涌出量主要受瓦斯原始赋存状态和采、掘技术条件的综合影响，而且后者显得更为明显。
4.2.1矿井瓦斯涌出量统计
为分析翟镇煤矿回采工作面瓦斯涌出规律，本次统计了翟镇煤矿自1999年至2018年底的瓦斯实测资料，其中包括24个回采工作面和掘进工作面的瓦斯实测资料（表4-2）。
4.2.2矿井瓦斯涌出资料分析
回采工作面是矿井瓦斯涌出比较集中的区域。由于地质条件的不均衡和采、掘生产的动态影响，回采工作面瓦斯涌出量具有不均匀性。
一般情况下，工作面瓦斯涌出量随产量的增加而增大，比如工作面初次来压、周期来压及支撑压力等因素，初次来压和周期来压时，工作面瓦斯涌出量均增加。
第5章煤与瓦斯突出性危险预测
5.1煤与瓦斯突出危险性参数测定及统计
本矿没有测定《防治煤与瓦斯突出细则》需要测定的主要瓦斯参数。
5.2煤与瓦斯突出危险性影响因素分析
目前该矿产区域没有瓦斯突出危险事故。但随着开采实践的深入进行，煤矿瓦斯的涌出量可能会稍微有所增加。因此，建议今后进行加强监测，提高警惕。
5.3煤与瓦斯区域突出危险性预测
翟镇煤矿没有发生瓦斯突出相关历史，没有测定吸附系数（a、b）、煤层瓦斯压力（p/MPa）等各项用于瓦斯突出危险性预测的参数，不具备进行危险性预测的条件。根据《防治煤与瓦斯突出》（2009）第四十三条规定，根据煤层瓦斯参数结合瓦斯地质分析的区域预测方法，煤层瓦斯风化带为无突出危险区域；按该矿目前的资料分析，本井田开采的煤层均处于“瓦斯风化带”内，既没有“煤与CH4突出”的可能，也不存在“煤与CO2突出”的危险性。但今后采掘作业中仍需加强瓦斯参数的观测，提高瓦斯管理水平，防止瓦斯在采空区或隅角处聚集。
结论
1.通过本次毕业论文设计，得知本矿井瓦斯等级鉴定是低瓦斯矿井；按照瓦斯类型的划分标准，本矿井的各煤层瓦斯含量小于4m3/t，该矿井瓦斯类型为简单型。
2.井田地质构造的复杂程度是中等型，煤层的稳定程度是中等型，矿井瓦斯的类型是简单型，水文地质的类型是中等型，其他开采地质条件也是中等型。通过综合评定，山东省泰安市翟镇煤矿地质类型为中等型。
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致谢
首先，我要感谢我的毕业论文指导老师，在整个毕业设计期间给予我的帮助。老师非常用心和负责，对我的疑惑会认真解答并帮助我解决了很多困难其次，我要感谢我的同学们，在毕业设计期间遇到的很多问题就是通过同学之间的互帮互助来解决的。在这次毕业设计之中，很多原来遗忘或者是掌握并不牢固的知识，都是通过同学的帮助来重新掌握的。感谢你们对我不厌其烦的帮助！最后，我要感谢我的父母和室友，感谢他们这四年来一直陪伴着我。
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