軒崗礦區(qū)煤層瓦斯分布特征及影響地質(zhì)因素

李克勇

（西山煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司 杜兒坪礦，太原 030024）

煤層瓦斯是賦存于煤層中的以甲烷為主要成分的可燃?xì)怏w。我國(guó)煤田多數(shù)瓦斯含量較高，在管理環(huán)節(jié)不嚴(yán)格的情況下，生產(chǎn)礦井經(jīng)常發(fā)生瓦斯爆炸，給礦工生命、財(cái)產(chǎn)造成巨大損失。隨著煤礦開采程度的加大，煤與瓦斯突出的危險(xiǎn)性也隨之增加，及時(shí)總結(jié)瓦斯分布特征及影響瓦斯賦存規(guī)律的各種地質(zhì)構(gòu)造因素，對(duì)礦區(qū)瓦斯治理和有效防治煤與瓦斯突出具有重要意義。筆者以軒崗礦區(qū)為例，在剖析已有瓦斯地質(zhì)資料的基礎(chǔ)上，研究和分析了該區(qū)瓦斯分布規(guī)律及影響瓦斯賦存的地質(zhì)因素。

1 礦區(qū)地質(zhì)背景

軒崗礦區(qū)位于寧武-靜樂塊拗北段，整體呈一狹長(zhǎng)的NNE向伸展的向斜。在向斜構(gòu)造上發(fā)育規(guī)模不等的斷層，且大型斷層多伴有走向變化，見圖1。整體表現(xiàn)為：西側(cè)斷層較稀疏；東側(cè)斷層較多，特別是東北部廣泛分布密集的NE及NNE向斷層，傾向以SE為主；西北角分布有EW向展布的斷層，以王萬(wàn)莊和陽(yáng)方口大型斷層為代表；中部及南部分布傾向NW為主的NE及NNE向斷層，間有SN向零星分布的斷層。礦區(qū)在NE向、NNE向構(gòu)造應(yīng)力的作用下，北部地層傾向變復(fù)雜，東北及西北局部煤層傾角增大，煤層由緩傾斜變至傾斜甚至急傾斜。

圖1 軒崗礦區(qū)構(gòu)造綱要圖

區(qū)內(nèi)主要含煤地層為太原組和山西組。山西組含煤1-4層，多為煤線或薄層，穩(wěn)定性差，零星分布，全區(qū)不可采；太原組含煤8層，其中2號(hào)、5號(hào)煤層賦存穩(wěn)定，為全區(qū)可采煤層，煤層累計(jì)平均厚度7～20 m。煤的變質(zhì)程度有由北向南、由淺至深逐漸升高的趨勢(shì)，西北部為氣煤，東北部為1/3焦煤，南部為1/3焦煤至肥煤。

2 礦區(qū)瓦斯分布特征

據(jù)各礦井煤層瓦斯含量統(tǒng)計(jì)資料知，軒崗礦區(qū)10對(duì)礦井中，有2對(duì)高瓦斯礦井，分別是劉家梁礦、焦家寨礦，其余為低瓦斯礦井。礦區(qū)北部及西北部（老窯溝礦、莊旺礦、南溝礦、盤道礦、龍宮礦）煤層相對(duì)瓦斯涌出量小于10 m3/t，屬低瓦斯區(qū)；礦區(qū)中部相對(duì)瓦斯涌出量大，如劉家梁等礦，屬高瓦斯區(qū)。垂向上，2號(hào)煤層瓦斯含量均低于5號(hào)煤層；橫向上，瓦斯含量自礦區(qū)北部到南部逐漸增大，礦區(qū)邊界向腹部逐漸增高。

3 影響礦區(qū)瓦斯分布的地質(zhì)因素

由上可知，礦區(qū)內(nèi)不同井田，甚至同一井田的不同地區(qū)或不同煤層，瓦斯含量都有較大變化，可歸因于造成瓦斯不均衡分布的地質(zhì)因素。

3.1 地質(zhì)構(gòu)造對(duì)煤層瓦斯賦存的影響

寧武煤田石炭-二疊紀(jì)含煤地層形成后經(jīng)歷了印支運(yùn)動(dòng)、燕山運(yùn)動(dòng)和喜馬拉雅運(yùn)動(dòng)的構(gòu)造變動(dòng)，每次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的規(guī)模、構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)等不盡相同。構(gòu)造差異性演化決定了煤層埋藏史、生氣史，控制和影響了煤中瓦斯的賦存特征[1-2]。印支運(yùn)動(dòng)時(shí)期，隨著呂梁斷塊的區(qū)域升降作用，煤田的古構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)以SN向擠壓為主，多形成近EW向構(gòu)造，使該區(qū)南北有差異升降，并受到區(qū)域擠壓構(gòu)造的影響，使其抬升并遭受剝蝕。燕山期主應(yīng)力改為近NW-SE向，構(gòu)造線方向主要為NNE向，并對(duì)早期EW向構(gòu)造有所改造，形成以侏羅紀(jì)地層為核心的向斜構(gòu)造和一系列NE向雁列式排列的逆沖斷裂帶；喜山期的右旋力偶使區(qū)域構(gòu)造性質(zhì)發(fā)生反轉(zhuǎn)，即由前一段的擠壓隆起帶轉(zhuǎn)化為伸展裂陷帶，形成軒崗礦區(qū)內(nèi)目前的構(gòu)造面貌。總體而言，礦區(qū)主體構(gòu)造為向斜，該構(gòu)造部位煤層埋深較深，上覆地層厚度相對(duì)較大，靜水壓力相對(duì)較高，可維持較高的地層壓力系統(tǒng)，有利于瓦斯的吸附而富集[3]。但構(gòu)造應(yīng)力的差異演化導(dǎo)致了礦區(qū)內(nèi)不同區(qū)域瓦斯賦存的多樣性。

礦區(qū)北部煤儲(chǔ)層遭受了以拉伸為主的構(gòu)造作用，發(fā)育開啟性較好的張性斷裂，其中一部分大、中型斷裂切穿頂?shù)装寮皣鷰r，破壞煤層及圍巖完整性，削弱蓋層封蓋性，加大裂隙發(fā)育程度，不僅使氣體因壓力釋放而大量解吸，而且氣體沿?cái)嗔淹ǖ来罅恳萆?。如中?guó)石油于2004-2006年在礦區(qū)北部（后口斷層上盤）完鉆的兩口煤層氣井所測(cè)煤層含氣量明顯偏低（1.56～3.98 m3/t）[4]。此外，該區(qū)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致煤層傾角較大（可達(dá)20°），瓦斯垂向運(yùn)移率升高，縮短了瓦斯的逸散途徑，增加了瓦斯的逸散量。

礦區(qū)中部發(fā)育高角度壓扭性斷層，斷層面緊閉，處于高壓區(qū)，形成壓力封閉，阻止氣體的運(yùn)移，屬于構(gòu)造疊加富氣區(qū)，瓦斯含量較高。值的注意的是，這種構(gòu)造背景下煤層常發(fā)生流變，形成剪切區(qū)。在剪切區(qū)，構(gòu)造活動(dòng)引起煤層強(qiáng)烈的韌性變形，煤趨于糜棱化[5]。這種環(huán)境下，煤中發(fā)育大量連通性很差的微裂隙，且裂口寬度趨于閉合，導(dǎo)致煤層滲透率急劇下降，氣體含量遠(yuǎn)高于未變形煤[6]。如焦家寨、劉家梁礦井5號(hào)煤層受構(gòu)造應(yīng)力作用多發(fā)生塑性流變，形成糜棱煤，提高了煤層瓦斯吸附量，這也可能是5號(hào)煤層含氣量高于2號(hào)煤層的原因之一。

3.2 埋深對(duì)煤層瓦斯賦存的影響

煤層埋藏深度對(duì)氣含量的影響主要表現(xiàn)在兩方面：一是隨埋深增大，上覆地層壓力增大，煤吸附氣體能力增強(qiáng)；二是煤的滲透性降低，封閉條件變好[7]。根據(jù)礦區(qū)煤層埋深和瓦斯參數(shù)測(cè)試數(shù)據(jù)，礦區(qū)各礦井煤層埋深與瓦斯含量關(guān)系分為瓦斯風(fēng)化帶和甲烷帶兩種類型。各礦井煤層埋深與瓦斯含量關(guān)系，如表1所示。

表1 軒崗礦區(qū)各礦井煤層埋深與瓦斯含量關(guān)系

1）瓦斯風(fēng)化帶煤層（主分布在礦區(qū)北部，以老窯溝、莊旺、南溝一帶最為顯著）：瓦斯隨埋深增加有增大的趨勢(shì)，但是這種變化趨勢(shì)不明顯。比如盤道礦2號(hào)煤瓦斯含量隨煤層埋藏深度增加而變大，但瓦斯涌出量整體較小，相關(guān)系數(shù)R=0.636 2。

2）甲烷帶煤層（主分布在礦區(qū)中部，以劉家梁、焦家寨礦一帶最為顯著）：瓦斯隨著埋深增加而增大的趨勢(shì)明顯，相關(guān)系數(shù)R均達(dá)到0.90以上。

3.3 頂?shù)装鍘r性對(duì)煤層瓦斯賦存的影響

頂?shù)装鍘r性影響瓦斯含量的原因是其間接地影響氣體的逸散速度。雖然瓦斯主要呈吸附狀態(tài)賦存于煤層中，但瓦斯的擴(kuò)散、運(yùn)移作用在地史時(shí)期卻無(wú)時(shí)不在發(fā)生，只是擴(kuò)散速度差異而異[7]。煤層頂?shù)装鍨闈B透性巖層（中-粗粒砂巖）時(shí)，氣體將難以在煤層與頂、底板交界面聚集和形成較低的濃度差，這勢(shì)必加快瓦斯逸散速度，導(dǎo)致瓦斯含量降低；煤層頂?shù)装鍨橹旅軡B透性相對(duì)較差的巖層（泥巖、炭質(zhì)泥巖或油頁(yè)巖）時(shí)，具有較強(qiáng)的抗張、抗壓能力，不易產(chǎn)生連通性裂隙，可以較有效地阻止瓦斯向上運(yùn)移。總體上看，礦區(qū)2號(hào)煤層頂板為泥巖-中砂巖，5號(hào)煤層頂板為泥巖-粉砂巖，兩者底板均為泥巖或炭質(zhì)泥巖。由此可見，5號(hào)煤層頂?shù)装鍘r性相對(duì)2號(hào)煤層致密，封閉條件好，瓦斯不易散失，所以在其它條件相近的情況下，氣含量將大于后者。

3.4 水文地質(zhì)條件對(duì)煤層瓦斯賦存的影響

含煤地層中的水文地質(zhì)條件對(duì)瓦斯的保存、破壞影響很大，不同水文地質(zhì)條件下煤的瓦斯含量差別很大[8-10]。軒崗礦區(qū)屬馬圈泉域，為寧武-靜樂向斜蓄水構(gòu)造中受各類邊界條件控制的次一級(jí)巖溶水文地質(zhì)單元。礦區(qū)地下水均匯流于陽(yáng)武河一帶，由馬圈泉排泄，形成良好的統(tǒng)一含水系統(tǒng)。區(qū)內(nèi)各含水層均以大氣降水為主，谷底上部，水交替循環(huán)快，多以泉流形式排泄，谷底下部循環(huán)緩慢，徑流條件由強(qiáng)變?nèi)?，特別是寧武-靜樂向斜軸部，形成一個(gè)水動(dòng)力條件相對(duì)滯流-對(duì)流區(qū)域。

橫向上，礦區(qū)西北部多發(fā)育NE、NNE向?qū)當(dāng)鄬?，控制巖溶主徑流方向，導(dǎo)致巖溶裂隙發(fā)育，水動(dòng)力條件強(qiáng)，水溶作用不利于煤層氣賦存，以散失為主，如老窯礦、莊旺礦、梨園河礦井北瓦斯含量多小于5 m3/t；梨園河礦井南部處于寧?kù)o向斜軸部，且與長(zhǎng)梁溝-劉家梁井田一帶同處于承壓水區(qū)，地質(zhì)構(gòu)造整體呈單斜形態(tài)，斷裂規(guī)模較小，巖溶裂隙不發(fā)育，水力坡度小，水位埋深加大，地下水循環(huán)交替緩慢，形成地下水動(dòng)力封堵邊界，以致煤儲(chǔ)層壓力異常高壓，提高煤層甲烷吸附量，瓦斯含量升高，如焦家寨礦、劉家梁礦均為高瓦斯礦井；礦區(qū)東南部巖溶裂隙、變質(zhì)巖風(fēng)化發(fā)育，巖層出露，含水層埋藏淺，滲透性好，形成地下水徑流區(qū)，靜水壓力低，造成瓦斯沿煤層露頭散失、空氣混入，甲烷含量降低，瓦斯涌出量小，為低瓦斯區(qū)。

綜上所述，影響研究區(qū)瓦斯含量的因素是復(fù)雜的，但各種地質(zhì)因素有主次之分，其中，地質(zhì)構(gòu)造、埋藏深度和水文地質(zhì)條件占主導(dǎo)地位，是區(qū)域性的；頂?shù)装鍘r性的封閉性是次要的，影響比較局限。整體而言，橫向上，煤層埋深受構(gòu)造控制明顯，埋深的總體趨勢(shì)由向斜翼部向腹部增加。因此，在構(gòu)造作用微弱的高瓦斯礦井中，煤層瓦斯含量隨埋深增大而增大。礦區(qū)北部，各礦井受區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造影響較大，張性斷裂發(fā)育，屬于構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)低應(yīng)力分布區(qū)，造成裂縫高密度分布帶，形成烴類開放型運(yùn)移系統(tǒng)，加之煤層埋藏相對(duì)較淺（一般小于400 m），水動(dòng)力條件強(qiáng)，處于徑流區(qū)，瓦斯含量明顯偏低；礦區(qū)中部壓扭性高角度斷裂發(fā)育，處于構(gòu)造應(yīng)力高部位，埋深適中，頂?shù)装宸馍w性能加強(qiáng)，煤層厚度大且分布穩(wěn)定，利于瓦斯賦存，含量升高?？v向上，2號(hào)煤層瓦斯含量低于5號(hào)煤層，可能與煤變質(zhì)程度、煤層埋深、頂?shù)装宸馍w能力及構(gòu)造變形程度有關(guān)。

4 結(jié)論

1）軒崗礦區(qū)瓦斯分布具有不均衡性。垂向上，2號(hào)煤層瓦斯含量均低于5號(hào)煤層；橫向上，瓦斯含量自礦區(qū)北部到南部逐漸增大，邊界向腹部逐漸增高。

2）影響礦區(qū)瓦斯含量的地質(zhì)因素主要有地質(zhì)構(gòu)造、煤層埋藏深度、水文地質(zhì)條件及頂?shù)装鍘r性。前三種地質(zhì)因素占主導(dǎo)地位，是區(qū)域性的，后一種因素是次要的，局部性的，其中地質(zhì)構(gòu)造演化及分布特征為影響本區(qū)瓦斯賦存的其它地質(zhì)因素的高效配置提供了框架。

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