河南順和西礦區(qū)Ⅱ2煤層煤巖煤質(zhì)特征及瓦斯含量分帶性

馮 斌,李文前,郭新體,楊戰(zhàn)士,顏少權(quán)

(河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第四地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查院，河南 商丘 476000)

河南順和西礦區(qū)Ⅱ2煤層煤巖煤質(zhì)特征及瓦斯含量分帶性

馮 斌,李文前,郭新體,楊戰(zhàn)士,顏少權(quán)

(河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第四地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查院，河南 商丘476000)

豫東地區(qū)晚古生代具有豐富的煤炭資源。順和西煤礦區(qū)主要發(fā)育下二疊統(tǒng)山西組Ⅱ2可采煤層和Ⅲ2局部可采煤層。Ⅱ2可采煤層埋深585～1985m，區(qū)域厚度分布穩(wěn)定，平均厚度2.33m,為低灰、特低硫、特低磷、特高熱值無煙煤和貧煤。煤層中瓦斯含量隨煤層埋深加大而增高，埋深1300m以上為氮?dú)?甲烷帶，1300m以下為甲烷帶。受構(gòu)造-巖漿活動(dòng)-煤層埋深的影響，中北部煤焦混合區(qū)，巖漿活動(dòng)頻繁，瓦斯易于逸散，瓦斯含量普遍較低；而東南部巖漿活動(dòng)相對(duì)較弱，受構(gòu)造或多條正斷層的控制，煤層埋藏深，瓦斯含量普遍較高。

煤巖和煤質(zhì)；瓦斯；河南順和西煤礦區(qū)

1 區(qū)域地質(zhì)背景

豫東地區(qū)是華北晚古生代聚煤盆地的一部分，含煤地層為石炭系和二疊系[1]。在區(qū)域大地構(gòu)造位置上，位于中朝淮地臺(tái)魯西臺(tái)隆西緣的次級(jí)構(gòu)造單元永城斷陷褶皺帶內(nèi)，其西部與華北坳陷之次級(jí)構(gòu)造單元通許凸起毗鄰。區(qū)域上以八里莊斷層(又稱太平集斷層為焦作-商丘深大斷裂的東延部分)為界，劃分為南北兩個(gè)構(gòu)造單元。八里莊斷層以南,以永城復(fù)式背斜為主體，并發(fā)育了一系列北北東向的正斷層，構(gòu)成了本區(qū)構(gòu)造格架的主體部分，控制了各個(gè)礦區(qū)煤層的賦存及展布情況。八里莊斷層以北，以近東西向的芒山背斜為主體，南翼被八里莊斷層所切割，背斜軸北西西向延伸，向東延入安徽省境內(nèi)，向西傾伏于濟(jì)陽(yáng)斷層，僅于傾伏端保留了一定范圍的煤系地層(圖1)。

豫東地區(qū)沉積了近2000m的上古生界石炭-二疊系煤系地層。除永城市北部的芒山鎮(zhèn)及東南部侯嶺鎮(zhèn)境內(nèi)局部出露寒武-奧陶系灰?guī)r及燕山期花崗巖、花崗閃長(zhǎng)巖、花崗斑巖外，其余均為新生界覆蓋，厚度大于710m，整體呈向西增厚趨勢(shì)。受構(gòu)造和巖漿巖侵入影響，基底起伏形態(tài)有一定變化，上覆地層在部分地段呈現(xiàn)背斜形態(tài)。

圖1 礦區(qū)位置圖

構(gòu)造-巖漿活動(dòng)對(duì)煤層有重要控制作用[2]。礦區(qū)構(gòu)造上,主要為一系列NNE向隔檔式褶皺組成，向西逐漸變成寬緩短軸背斜和向斜，疊加發(fā)育了一系列近NNE和NE向高角度正斷層及后期的NW向斷層，形成多個(gè)斷塊相間排列，原始褶皺形態(tài)遭受破壞而不完整。主要斷裂有焦作-商丘(東延為太平集)深大斷裂和永城-阜陽(yáng)-固始斷裂。

區(qū)域中生代燕山期中基性和中酸性巖漿活動(dòng)頻繁，主要分布于永城、芒山-孔莊背斜軸部、胡橋至?xí)ひ粠?，呈巖脈和巖席順層侵入多個(gè)礦區(qū)和井田的煤系地層中，對(duì)煤層形態(tài)產(chǎn)生破壞，且影響煤變質(zhì)作用，常使煤層變薄、分叉或吞蝕、變質(zhì)為天然焦。沿?cái)嗔亚秩氲膸r漿巖則呈巖脈、巖枝和巖墻狀，多發(fā)育在永城隱伏背斜軸部和兩翼的煤系地層中。

2 礦區(qū)基本特征

順和西礦區(qū)位于永夏煤田西北部，永城隱伏背斜西翼的西延地帶(圖1)，構(gòu)造形態(tài)總體為一走向北西的背斜構(gòu)造，背斜軸在東部丁大樓-孫關(guān)莊一線南側(cè)，即以孫關(guān)莊背斜為中心，地層向兩翼擴(kuò)展，受后期構(gòu)造及斷層的改造，兩翼分布有多個(gè)走向基本與主構(gòu)造線一致的短軸背向斜相間排列，僅礦區(qū)東南部的背向斜軸向呈北北東向，DF15斷層?xùn)|側(cè)為一北北東走向的向斜。地層走向總體為NW-SE向，局部呈NE向，地層較平緩，傾角在3°～14°之間。礦區(qū)發(fā)育16條正斷層，落差大于200m的斷層4條，小于200m的斷層3條，0～100m的斷層9條，其中落差小于或等于50m的斷層3條。構(gòu)造對(duì)煤系地層的走向及展布形態(tài)有一定影響，煤系地層整體為寬緩的背斜形態(tài)，兩翼傾角較緩，且變化不大，僅局部有起伏；斷層較稀疏，對(duì)煤層破壞不大；部分地段的煤層受巖漿巖侵入影響而焦化使煤層厚度及結(jié)構(gòu)有一定的變化。

巖漿巖主要侵入于二疊系山西組及下石盒子組兩個(gè)主要煤組中，多沿煤層或煤層頂?shù)装澹约敖簩由舷萝浫鯇游豁槍忧秩?。受斷層影響，侵入于各個(gè)層位的巖漿巖連續(xù)性差，侵入于Ⅱ2煤層的巖漿巖主要分布在DF7斷層以北的區(qū)域且連續(xù)分布。巖漿巖主要為輝綠巖和閃長(zhǎng)巖類，呈巖席狀或似層狀，厚度較穩(wěn)定，有時(shí)在一個(gè)層位分叉為多層與煤層相間分布。

礦區(qū)內(nèi)地層為奧陶系、石炭系、二疊系及新生界，奧陶系揭露最大厚度57.95m，石炭系及二疊系地層揭露厚度1303.87～1946.54m，平均厚度為1729.21m，上覆新生界地層厚度382.41～524.90m，平均厚度438.14m(表1)。

表1 順和西煤田地層發(fā)育簡(jiǎn)表

3 Ⅱ2煤層煤巖煤質(zhì)特征

3.1 煤層特征

Ⅱ煤組位于山西組中部，煤層埋深585～1985m，厚度83.02～125.94m，平均厚度106.58m，巖性以灰-灰黑色泥巖、砂質(zhì)泥巖、細(xì)砂巖及煤層為主。含煤3～6層，其中，Ⅱ2煤層普遍發(fā)育，層位穩(wěn)定，全區(qū)大部可采，為本區(qū)主要可采煤層，厚度0.30～6.76m，平均厚度2.33m，平均可采厚度2.75m，煤層可采性指數(shù)(K)為0.81，厚度變異系數(shù)(γ)為55.4%，顯示為不穩(wěn)定～較穩(wěn)定煤層。Ⅱ煤組各煤層累計(jì)總厚度4.50m，含煤系數(shù)4.22%，可采含煤系數(shù)2.58%。煤層直接底板巖性多為穩(wěn)定的厚層條帶狀細(xì)砂巖，部分地段相變?yōu)楸幽鄮r或砂質(zhì)泥巖，個(gè)別地段被侵入于煤層底板的閃長(zhǎng)玢巖代替。直接頂板多為泥巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖，部分地段為侵入于煤層頂板的巖漿巖。

3.2 煤巖特征

Ⅱ2煤主要為貧煤和無煙煤，局部地段受巖漿巖烘烤變質(zhì)為天然焦。煤層呈灰黑色-黑色，塊狀為主，下部多呈粒狀及粉狀?yuàn)A葉片狀，金剛光澤，煤巖組分以亮煤為主，暗煤和鏡煤次之，屬半亮型煤。常具棱角狀或參差狀斷口，裂隙不太發(fā)育，充填有黃鐵礦薄膜。平均視密度為1.48～1.83t/m3。

Ⅱ2煤有機(jī)組分以基質(zhì)鏡質(zhì)組為主，碎屑惰質(zhì)組次之，半鏡質(zhì)組和殼質(zhì)組最少。無機(jī)組分以黏土礦物為主，其次為少量硫化物類、氧化物類和碳酸鹽類。最大鏡煤反射率為1.77%～2.78%，平均2.32%，變質(zhì)階段為Ⅷ、Ⅸ(表2)。天然焦呈鋼灰色，塊狀構(gòu)造，致密堅(jiān)硬，暗淡無光澤，鏡質(zhì)組最大反射率為1.85%～4.82%，平均3.78%。

3.3 煤質(zhì)特征

Ⅱ2煤層分析測(cè)試結(jié)果表明(表3)，煤層以低灰煤為主，揮發(fā)分產(chǎn)率隨變質(zhì)程度的增高而降低，受巖漿巖接觸變質(zhì)作用使煤中揮發(fā)分逸出的影響。天然焦以中灰為主，揮發(fā)分產(chǎn)率均低于同煤層無煙煤與貧煤。無煙煤為高固定碳煤，貧煤、天然焦均屬中高固定碳。

綜合評(píng)價(jià)認(rèn)為，Ⅱ2煤層無煙煤和貧煤為低灰、特低硫、特低磷、特高熱值煤；貧煤和無煙煤是動(dòng)力用煤、發(fā)電和民用的優(yōu)質(zhì)燃料；抗碎強(qiáng)度較高、熱穩(wěn)定性較好、CO2反應(yīng)性較好的無煙煤,還可用于氣化用煤和合成氨用煤；貧煤亦可用于沸騰床氣化爐用煤。Ⅱ2煤層天然焦為中灰、特低硫、特低磷、中熱；較同煤層煤樣灰分高，發(fā)熱量低于同煤層，但熱穩(wěn)定性高，可用于燒石灰、建材、民用。部分天然焦還可用于氣化原料。

表2 Ⅱ2煤層顯微煤巖組分特征

表3 Ⅱ2煤分析測(cè)試結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

4Ⅱ2煤層瓦斯含量分帶性

瓦斯是極好的潔凈能源，研究瓦斯含量分帶,對(duì)于預(yù)測(cè)煤層氣含量和分布，預(yù)防煤礦開采過程中發(fā)生爆炸事故均具有重要意義。在瓦斯含量與煤層厚度、瓦斯突出機(jī)理與控制因素等方面,已有許多研究成果[3-7]。

本次Ⅱ2煤層瓦斯樣品采集,按照MT/T77-94“煤層氣測(cè)定方法(解吸法)”進(jìn)行，在本區(qū)共采取合格瓦斯樣品19個(gè)，分別進(jìn)行了室內(nèi)測(cè)試分析(表4)。

表4 Ⅱ2煤層瓦斯成分與含量測(cè)試結(jié)果表

統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，本區(qū)Ⅱ2煤層瓦斯成分主要由CH4和N2組成，少量的CO2和C2H6，C3H8含量極少(圖2)。

圖2 礦區(qū)瓦斯成分與百分含量圖

從深度上看，主可采煤層Ⅱ2煤埋深在585～1985m。埋深1300m以上的煤層主要為氮?dú)?甲烷帶，1300m以下煤層瓦斯含量較高，屬甲烷帶。1070m以上氮?dú)夂繌母?低-高的變化，甲烷含量逐漸降低。1070～1300m之間，氮?dú)夂图淄楹烤^高;1300m以下氮?dú)夂棵黠@降低，以甲烷為主;1070m以下，瓦斯含量具有隨煤層埋深加大而增高的趨勢(shì)。其它氣體含量較小，隨深度變化不大(圖3)。1300m以上的氮?dú)?甲烷帶，煤的水分變化相對(duì)穩(wěn)定，灰分、揮發(fā)分和發(fā)熱量指標(biāo)呈鋸齒狀變化，在1300m以下的甲烷帶，除灰分變化較大外，水分、揮發(fā)分和發(fā)熱量指標(biāo)均趨于穩(wěn)定(圖4)。

圖3 礦區(qū)瓦斯含量與深度關(guān)系圖

圖4 礦區(qū)煤質(zhì)特征與深度關(guān)系圖

這可能與深部構(gòu)造和巖漿活動(dòng)有關(guān)，侵入于Ⅱ2煤層的巖漿巖主要分布在DF7斷層以北的區(qū)域且連續(xù)分布，與氮?dú)?甲烷帶和甲烷帶的平面分布基本一致(圖5)。平面上，煤層瓦斯主要分布在東部D07線以東， 以D40線為界,D40線以北煤層瓦斯

圖5 礦區(qū)瓦斯含量平面分布圖

含量較低，D40線以南煤層瓦斯含量較高(圖5)。瓦斯分布受構(gòu)造和巖漿活動(dòng)影響較大。研究區(qū)東部和東南部，受DF7、DF15高角度斷層的影響。北中部(D40線以北)煤焦混合區(qū)，巖漿活動(dòng)頻繁，瓦斯均易于逸散，瓦斯含量普遍較低；而東南部(D40線以南)地區(qū)受構(gòu)造或多條正斷層的控制，煤層埋藏深，瓦斯賦存條件較好，瓦斯含量較高。

5 結(jié)論

河南順和西煤礦區(qū)主要發(fā)育下二疊統(tǒng)山西組Ⅱ2可采煤層和Ⅲ2局部可采煤層。Ⅱ2可采煤層具有煤層分布廣泛，厚度穩(wěn)定的特點(diǎn)。煤巖類型主要為貧煤和無煙煤，局部地段受巖漿巖烘烤變質(zhì)為天然焦。無煙煤和貧煤為低灰、特低硫、特低磷、特高熱值煤。煤層瓦斯含量及分布受構(gòu)造-巖漿活動(dòng)-煤層埋深的控制。以1300m深度為界，上部為氮?dú)?甲烷帶，下部為甲烷帶;以DF7地層為界，斷層以北主要為氮?dú)?甲烷分布區(qū)，以南主要為甲烷分布區(qū)。

[1]李文前，劉國(guó)志.豫東地區(qū)晚古生界聚煤規(guī)律研究[J].中國(guó)礦業(yè)，2008,17(6)：58-61.

[2]李文前.豫東地區(qū)天然焦煤資源利用方向演進(jìn)[J].中國(guó)礦業(yè)，2008,17(9)：51-66.

[3]張瑞剛,向曉軍，程軍，等.重慶地區(qū)煤田構(gòu)造及控煤構(gòu)造樣式[J].煤田地質(zhì)與勘探，2012,40(1)：7-13.

[4]劉新榮，鮮學(xué)福.煤層瓦斯與煤層厚度及其變化關(guān)系的測(cè)試[J].煤炭科學(xué)與技術(shù)，2004,32(8)：69-74.

[5]魯玉芬,陳萍，唐修義.淮南煤田潘一井田13-1煤層瓦斯含量特征[J].煤田地質(zhì)與勘探，2006,34(2)：29-32.

[6]王生全,李樹剛，王貴榮，等.韓城礦區(qū)煤與瓦斯突出主控因素及突出區(qū)預(yù)測(cè)[J].煤田地質(zhì)與勘探，2006,34(3)：36-39.

[7]李希建,林柏泉.煤與瓦斯突出機(jī)理研究現(xiàn)狀及分析[J].煤田地質(zhì)與勘探，2010,38(1)：7-13.

[8]徐瑞.臨渙煤礦煤層瓦斯涌出主控因素分析及研究[J].礦業(yè)安全與環(huán)保，2011,38(4)：54-60.

ThecharacteroflithotypeandcoalpropertyandthezonationofgascontentinⅡ2coalbed,ShunhexicoalmineinHenan

FENG Bin,LI Wen-qian,GUO Xin-ti,YANG Zhan-shi,YAN Shao-quan

(No.4Institute of Geological And Minerral Resources Syrvey of Henan，Shangqiu476000，China)

There are the rich coal resources in late Paleozoic in eastern Henan region.It mainly developed Ⅱ2minable seam and Ⅲ2local minable seam in the lower Permian Shanxi formation.The Ⅱ2minable seam of anthracite and lean coal,buried in585～1985m and2.33m in average thickness,it has the features of regional stability thickness distribution,lower grey,lowest sulfur,phosphorus,and highest calorific value.Gas content in coal seam increased with the more seam buried depth,the nitrogen-methane belt located above1300m,methane under1300m.By the influence of tectono-magmatic activities-coal buried depth,gas content is generally lower due to magmatic activity frequently and the escape of gas in the central northern coking coal mixed zone,but gas content is higher due to magmatic activity relatively weak,control by normal faults and buried deeply coal seam in southeast area.

lithotype and coal property;gas;Shunhexi coal mine in Henan

P618.11

A

1004-4051(2013)04-0118-05

2012-10-20

馮斌(1975-)，男，碩士，高級(jí)工程師，長(zhǎng)期此事煤田地質(zhì)與勘探研究工作。