付家焉煤礦瓦斯地質(zhì)規(guī)律分析

周正兵

【摘 要】 我國煤礦瓦斯災(zāi)害頻發(fā)，其關(guān)鍵原因之一是瓦斯預(yù)測技術(shù)不完善、瓦斯分布規(guī)律不清楚。本文通過收集付家焉煤礦瓦斯地質(zhì)資料，基于瓦斯地質(zhì)理論，分析了地質(zhì)構(gòu)造的演化過程、地質(zhì)構(gòu)造在本煤田的規(guī)律、煤的變質(zhì)程度和煤層埋藏深度等因素對瓦斯賦存的影響。研究結(jié)果表明，影響本區(qū)域瓦斯生成量的主要因素是演化過程;地質(zhì)構(gòu)造對本區(qū)域局部瓦斯的賦存為次要因素，也造成井田的局部瓦斯富集;煤變質(zhì)程度高，吸附能力強(qiáng)，有利瓦斯賦存;煤層埋深是影響本井田瓦斯賦存的主控因素。

【關(guān)鍵詞】 瓦斯地質(zhì);瓦斯賦存;構(gòu)造演化;河?xùn)|煤田

【中圖分類號】 TD712 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】 A

【文章編號】 2096-4102（2020）04-0016-03 開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

瓦斯在含煤地層中受地質(zhì)條件控制，并經(jīng)長期的地質(zhì)作用所形成的產(chǎn)物。充分研究瓦斯的地質(zhì)賦存規(guī)律、深入研究瓦斯的生成機(jī)理、地層瓦斯保存富集機(jī)制和瓦斯運(yùn)動及移動規(guī)律對煤礦開采意義重大。目前，我國針對瓦斯地質(zhì)規(guī)律的研究手段尚不夠多，主要是通過分析瓦斯的地質(zhì)賦存條件推測其賦存狀況，定性研究的較多。付家焉煤礦由原裕祥和裕安兩個小煤礦整合而來，為高瓦斯礦井，瓦斯已成為制約礦井安全生產(chǎn)的主要因素。本文根據(jù)該礦瓦斯地質(zhì)資料，利用瓦斯地質(zhì)理論結(jié)合實測驗證等手段研究付家焉井田瓦斯地質(zhì)規(guī)律，探討瓦斯賦存狀態(tài)和基本分布規(guī)律，對付家焉煤礦的開采安全和生產(chǎn)具有重要的實際意義。

1礦井地質(zhì)概述

付家焉井田位于河?xùn)|煤田中段東部，區(qū)域構(gòu)造位置處于呂梁復(fù)背斜之次級構(gòu)造離石中陽向斜東翼。井田含煤地層為石炭系上統(tǒng)太原組和二疊系下統(tǒng)山西組。山西組平均厚度71.53m，含1、2、3、4、4下、5號煤層，其中4號煤層為可采煤層。煤層平均總厚1.80m，含煤系數(shù)2.6%;可采煤層平均厚0.64m，可采含煤系數(shù)0.9%。太原組平均厚度80.84m，含6、7、8、9、10、11、12號煤層，其中9、10號煤層為穩(wěn)定可采煤層，煤層平均總厚7.53m，含煤系數(shù)9.3%;可采煤層平均厚6.02m，可采含煤系數(shù)7.4%。

受離石-中陽向斜的影響，付家焉井田區(qū)域地層表現(xiàn)為單斜構(gòu)造，走向北北東、傾向北西西，存在次級起伏但發(fā)育一般，主要由兩條背斜（S1和S3）、一條S2向斜;地層傾角為3°～8°左右，其中東部地層較陡，傾角在10°～14°范圍。井田共發(fā)現(xiàn)15條中小型正斷層，除F1斷層規(guī)模稍大外，其余均為落差2.1m以下小斷層（圖1）。主要構(gòu)造特征如下：

S1背斜：位于井田西北部，軸向N65°～70°E，斜穿井田。該背斜西北翼傾角約3°左右、東南翼傾角為5°-6°左右，較為平緩，延展長度2460m。

S2向斜：位于井田中部，軸向N60°-40°E，斜穿井田中部。該背斜西北翼傾角在5°-6°、東南翼較陡傾角為6°-14°，延展長度2970m。

S3背斜：位于井田西南部，其軸向呈N70°-75°E，向斜兩翼基本對稱，地層傾角為5°-10°左右，井田內(nèi)延伸長度1800m左右。

F1正斷層：位于井田東南部，斷層走向N5°W轉(zhuǎn)N10°E，北段略呈弧形延展，斷層傾向W，傾角70°，落差8-26m，延伸長度約900m。

2瓦斯賦存影響因素分析

2.1構(gòu)造演化過程影響

井田區(qū)域煤系地層屬于河?xùn)|煤田，煤系地層主要由石炭二疊系構(gòu)成，歷史上受印支、燕山和喜馬拉雅三大構(gòu)造運(yùn)動改造作用。至二疊系時期，華北板塊地層遭受西伯利亞地層和揚(yáng)子地層兩個板塊的擠壓，致使祁連-秦嶺海槽逐漸閉合，造成華北板塊地層發(fā)生了不同程度的抬升和傾斜，因此該煤系地層環(huán)境表現(xiàn)為持續(xù)沉積埋藏的二疊系、三疊系陸相沉積。至三疊系晚期地層積累的最大埋深達(dá)到了3100m左右，造成煤體深度變質(zhì)，最大鏡質(zhì)組反射率R0達(dá)到1.30%，為第一次生烴階段。

印支期末-燕山期初的早中侏羅世，地層呈升降振蕩，致使地層遭受剝蝕，生烴停滯，但由于蓋層較厚，可達(dá)2800～3000m，煤層中瓦斯有利于賦存。燕山中期，即晚侏羅世至早白堊世，菲律賓板塊繼續(xù)向北俯沖。華北陸塊中的構(gòu)造應(yīng)力場狀態(tài)向西偏移產(chǎn)生NW-SE向的左旋力偶，形成近SN向褶皺和逆沖斷裂，伴有劇烈的巖漿活動，致使本區(qū)域煤層發(fā)生熱變質(zhì)作用，R0達(dá)到2.0%，煤發(fā)生二次生烴。張志慶等認(rèn)為煤層大量生氣主要發(fā)生在生烴的第二階段。燕山期晚期-喜馬拉雅期，地層連續(xù)抬升，煤層上部蓋層不斷受到剝蝕，瓦斯得到大量釋放，一直持續(xù)到新世紀(jì)因其上產(chǎn)生的新沉積地層的覆蓋才稍有下降。由于后期地層的風(fēng)化、剝蝕導(dǎo)致目前地層的埋深只在1000m以下，瓦斯大量逸散也是在此階段。二次生烴與一次生烴的疊加，是河?xùn)|煤田煤層中瓦斯含量較高的一個保證。

2.2地質(zhì)構(gòu)造對瓦斯賦存的影響

河?xùn)|煤田受呂梁復(fù)背斜的控制作用，受其影響，礦區(qū)自東向西發(fā)育了離石-中陽向斜、王家會背斜、三交-柳林單斜等寬緩褶曲構(gòu)造，成為礦區(qū)的控制性構(gòu)造，其間伴生有炭窯峪斷層、朱家店斷層、湍水頭斷層等較大斷裂構(gòu)造（圖2）。

王家會背斜由于隆起部位長期遭受剝蝕，上部煤系地層已無存留，同時受湍水頭斷層、朱家店斷層等影響，導(dǎo)致煤田連續(xù)性遭到破壞，分離出離石煤產(chǎn)地，本井田便處于離石煤產(chǎn)地中。從區(qū)域上看，王家會背斜軸部已被剝蝕，兩翼的煤層越靠近軸部埋藏越淺，越不利瓦斯的保存，往深部的向斜軸部，越有利于瓦斯的保存。

對現(xiàn)有觀測資料總結(jié)發(fā)現(xiàn)，由靠近煤層露頭的區(qū)域至深部，瓦斯含量可從1.67m3/t增至29.07m3/t。本井田中發(fā)育的S1S3背斜及S2向斜，由于頂板為塑性的泥巖為主，因此褶曲軸部具備瓦斯富集的條件，又因F1斷層為一壓性斷層，給瓦斯的保存創(chuàng)造了有利的條件。

2.3煤體變質(zhì)程度的影響分析

煤的變質(zhì)程度對地層瓦斯生成量有著緊密的關(guān)聯(lián)，同時煤的變質(zhì)程度也影響著煤對瓦斯的吸附能力。可見，煤的變質(zhì)程度越大，生氣強(qiáng)度就越大，河?xùn)|煤田貧瘦煤總生氣量可達(dá)276m3/t，具有良好的生氣烴源巖基礎(chǔ)。煤對瓦斯的吸附能力與煤的變質(zhì)程度的關(guān)系主要表現(xiàn)在各變質(zhì)程度階段中，從低階煤的褐煤到石墨，吸附能力呈波浪線狀，褐煤具有很強(qiáng)的吸附能力，至長焰煤減弱，無煙煤逐漸增大，至石墨時，吸附瓦斯的能力消失，不同煤質(zhì)對瓦斯的吸附能力見圖3。井田內(nèi)主要可采煤層變質(zhì)程度為焦煤至貧瘦煤，其變質(zhì)程度較高，對瓦斯的吸附能力強(qiáng)，有利于瓦斯的保存。

根據(jù)實測數(shù)據(jù)，10號煤層瓦斯吸附常數(shù)a值可達(dá)到40.371ml/g.r（圖3）。

2.4煤層埋深對瓦斯賦存的影響

在傾角近水平的煤層，瓦斯水平方向運(yùn)移能力相比垂直向上能力差，因此瓦斯逸散的主要途徑向垂直向上運(yùn)移，因此，上覆巖層厚度對煤系地層中瓦斯含量的影響是巨大的。隨著上覆巖層厚度的加大，煤系地層的地應(yīng)力增大，從而壓密煤層達(dá)到降低煤層的滲透性，達(dá)到降低瓦斯在煤系地層中的運(yùn)動能力，提高了煤系地層的瓦斯含量。另一方面，隨著上覆巖層厚度的增加，導(dǎo)致煤系地層對瓦斯吸附能力明顯增強(qiáng)，致使瓦斯向外逸出的距離增加，也間接地保護(hù)了瓦斯的存儲。因本井田區(qū)域的煤層傾角比較小，瓦斯以垂直上升逸散為主，瓦斯賦存受煤層埋深控制作用明顯。

通過對井田10號煤層井下瓦斯含量的實測，采用線性回歸方法，獲得了瓦斯含量與埋深的關(guān)系曲線所示。

分析瓦斯含量預(yù)測圖可知，本井田區(qū)域的瓦斯含量隨埋深的關(guān)系呈線性增長，瓦斯含量與煤層埋深的相關(guān)性系數(shù)為0.964，說明其相關(guān)性比較明顯，同時表明埋深為本井田煤層瓦斯賦存的重要影響因素之一。

3結(jié)論

本井田區(qū)域內(nèi)煤系地層主要受印支、燕山和喜馬拉雅三大構(gòu)造運(yùn)動的巨大影響，導(dǎo)致煤層發(fā)生了深層次的變質(zhì)作用，生烴及巖漿活動發(fā)生熱變質(zhì)作用生烴兩個階段，產(chǎn)生大量瓦斯，煤變質(zhì)程度高，瓦斯吸附能力強(qiáng)，是本區(qū)瓦斯含量高的一個重要因素。

受呂梁復(fù)背斜的控制作用，區(qū)內(nèi)發(fā)育系列次級褶曲構(gòu)造。王家會背斜軸部已被剝蝕，靠近軸部煤層瓦斯含量相對較小，但往深部瓦斯含量增大明顯。井田內(nèi)煤層頂板塑性巖層發(fā)育，對瓦斯封蓋效果好，在褶曲軸部瓦斯富集。

本井田地層傾角小，瓦斯逸散途徑以垂直向上運(yùn)移為主，煤層上覆蓋層厚度對瓦斯賦存影響大，瓦斯含量隨煤層埋深的增加而增大的規(guī)律顯著，埋深為本井田瓦斯賦存規(guī)律的主控因素。

【參考文獻(xiàn)】

[1]張子敏，張玉貴.瓦斯地質(zhì)學(xué)[M].北京：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2009.

[2]張明杰，賈天讓.基于瓦斯地質(zhì)的煤與瓦斯突出防治技術(shù)[M].北京：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2019.

[3]李家宏.河?xùn)|煤田中南部煤系頁巖氣與煤層氣成藏特征對比研究[D].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)，2016.

[4]張志慶，韋重韜，劉文平，等.河?xùn)|煤田中南部構(gòu)造控氣研究[J].能源技術(shù)與管理，2007（4）：10-12.

[5]張子敏，劉勇，張玉貴.瓦斯地質(zhì)基礎(chǔ)[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，2008.

[6]劉振興.河?xùn)|煤田石樓南區(qū)煤成氣成藏條件分析[J].石油地質(zhì)與工程，2009，23（1）：19-21.

[7]馮增朝.低滲透煤層瓦斯強(qiáng)化抽采理論及應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社，2008.

[8]潘樹啟，陳向軍，袁軍偉.石門溝煤礦3號煤層瓦斯賦存規(guī)律探究[J].河南理工大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2007，26（3）：246-249.