新疆五宮煤礦瓦斯賦存的構(gòu)造控制

王先超

(山東省煤田地質(zhì)局物探測(cè)量隊(duì)，山東 泰安　271000)

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新疆五宮煤礦瓦斯賦存的構(gòu)造控制

王先超

(山東省煤田地質(zhì)局物探測(cè)量隊(duì)，山東 泰安271000)

為認(rèn)識(shí)構(gòu)造對(duì)五宮煤礦瓦斯賦存的控制，分析了瓦斯地質(zhì)演化特征，探討了構(gòu)造樣式及組合對(duì)瓦斯賦存的控制。研究表明，煤系沉積后發(fā)生兩次生氣作用，生成了較多瓦斯。斷層以逆斷層為主，封閉性較好；煤層受斷層影響而發(fā)生結(jié)構(gòu)變形，可吸附更多瓦斯。斷層使礦井處于相對(duì)封閉的水文地質(zhì)單元中，阻礙了瓦斯的逸散。褶皺受斷層切割多呈單斜構(gòu)造，瓦斯順層向上逸散受斷層封堵。研究區(qū)構(gòu)造封蓋層組合類(lèi)型為褶皺-逆斷層類(lèi)型，蓋層透氣性較差，有利于瓦斯的保存。

瓦斯賦存；含氣性；斷層；褶皺；構(gòu)造封蓋層類(lèi)型；五宮煤礦

引文格式：王先超.新疆五宮煤礦瓦斯賦存的構(gòu)造控制[J].山東國(guó)土資源，2015,31(6)：16-19.WANG Xianchao.Tectonic Control on Gas Occurrence of Wugong Coal Mine in Xinjiang Uygur Autonomous Region[J].Shandong Land and Resources, 2015,31(6):16-19.

在煤礦開(kāi)采中，瓦斯通常被定義為有害氣體，嚴(yán)重威脅安全生產(chǎn)。近幾年，隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，煤炭需求量逐漸增大，煤礦開(kāi)采規(guī)模不斷提高，與之伴隨的瓦斯事故亦不斷增加[1]。其原因一方面是礦井本身瓦斯含量高，瓦斯壓力大，為瓦斯事故的發(fā)生提供了可能的條件；另一方面是礦井的地質(zhì)條件復(fù)雜，導(dǎo)致瓦斯賦存的差異性較大，使得人們對(duì)瓦斯賦存規(guī)律的認(rèn)識(shí)不清。因此，深入研究礦井瓦斯的分布特征，分析不同地質(zhì)因素對(duì)瓦斯賦存的控制作用顯得尤為重要。五宮煤礦煤層較多，且厚度較大，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，瓦斯含量較高，因此，分析礦井的瓦斯地質(zhì)特征，認(rèn)識(shí)地質(zhì)構(gòu)造對(duì)瓦斯賦存的控制作用對(duì)于防治瓦斯，保障煤礦的安全開(kāi)采有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1　地質(zhì)概況

五宮煤礦位于新疆昌吉州阜康市東南約15km處，行政區(qū)劃屬昌吉州阜康市管轄。構(gòu)造上位于中新生代烏魯木齊山前拗陷的東段，博格達(dá)復(fù)背斜弧形推覆體北側(cè)，構(gòu)造區(qū)劃屬于北天山博格達(dá)山前斷褶帶[2]。受區(qū)域構(gòu)造影響，總體構(gòu)造特征以EW向的線性構(gòu)造為主，主要由單斜構(gòu)造和逆斷層組成，局部發(fā)育較多小型褶皺構(gòu)造(圖1)。

圖1　研究區(qū)構(gòu)造綱要圖

研究區(qū)地層屬北天山地層分區(qū)吉木薩爾地層小區(qū)，地表出露較好，受構(gòu)造影響，地層傾角較大，一般大于45°，局部直立。含煤地層為中生代早侏羅世八道灣組和三工河組，其中，以八道灣組為主，厚538.8～951.4m，含煤25～40層(組)，煤層層數(shù)多，厚度較大，最大可達(dá)29.8m。煤類(lèi)主要為1/3焦煤、氣煤、肥煤，局部為貧煤、瘦煤。煤質(zhì)具特低硫、特低磷、特低灰、高熱量等特點(diǎn)。

礦井瓦斯含量高，瓦斯壓力大，歷年均被鑒定為高瓦斯礦井。

2　瓦斯賦存特征

2.1瓦斯地質(zhì)演化特征

研究區(qū)含煤地層沉積環(huán)境為河流-湖泊相沉積，聚煤環(huán)境較好，沉積較穩(wěn)定，煤層總厚度大[3]，聚煤作用為瓦斯的生成提供了較好的地質(zhì)基礎(chǔ)。泥炭形成后，受地殼運(yùn)動(dòng)的影響，煤層經(jīng)歷了不同期次的地質(zhì)埋藏歷史，與之伴隨的是瓦斯的地質(zhì)演化，即在盆地構(gòu)造演化史、沉積埋藏史、有機(jī)質(zhì)生氣史、地下流體活動(dòng)史等要素的演化控制下，瓦斯的生成、運(yùn)移、聚集、保存等的高效配置過(guò)程[4]，而構(gòu)造演化史是其中起主導(dǎo)作用的控制因素[5]。

研究區(qū)位于準(zhǔn)噶爾盆地南緣、博格達(dá)山以北，其構(gòu)造特征及其演化嚴(yán)格地受控于區(qū)域構(gòu)造的演化。研究表明，研究區(qū)自侏羅紀(jì)煤系形成至今，主要經(jīng)歷了燕山期和喜馬拉雅期兩期構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的作用，煤層經(jīng)歷了沉降-抬升-沉降-抬升的演化過(guò)程[6]。在此期間，煤中有機(jī)質(zhì)發(fā)生兩次生氣作用(圖2)。

圖2　研究區(qū)主煤層埋藏-生氣史

至白堊紀(jì)末期(燕山期末)，侏羅紀(jì)煤層達(dá)最大埋深4000m左右，煤層整體上處于低演化階段，鏡質(zhì)組反射率Ro<0.5%～0.55%[7]，煤級(jí)達(dá)到褐煤-長(zhǎng)焰煤階段。煤中生成大量甲烷，為第一次生氣作用，絕大多數(shù)逸散到圍巖中，并進(jìn)一步散失，一部分則主要呈吸附態(tài)被保存在煤層中。

始新世開(kāi)始(喜馬拉雅期)，博格達(dá)山前構(gòu)造帶受SN向擠壓應(yīng)力場(chǎng)的影響發(fā)生強(qiáng)烈的逆沖作用，形成一系列由斷層控制的逆沖斷層和褶曲構(gòu)造，造成了地層的強(qiáng)烈變形[6]。構(gòu)造運(yùn)動(dòng)一方面使得煤層受動(dòng)力變質(zhì)作用強(qiáng)烈，受熱溫度升高，煤變質(zhì)程度升高，達(dá)氣-肥煤階段(鏡質(zhì)組反射率Ro達(dá)1.08%)；另一方面，逆斷層向上沖斷，使得下盤(pán)煤層埋深增加，煤層發(fā)生二次生氣作用，補(bǔ)充了煤中的甲烷。同時(shí)，逆斷層的發(fā)育阻礙了煤中甲烷的逸散，使煤中保存較多甲烷。之后地殼進(jìn)一步抬升，煤中甲烷又逐步逸散，并逐漸達(dá)到現(xiàn)今的賦存狀態(tài)。

2.2煤層含氣特征

研究區(qū)煤層層數(shù)多，厚度較大，局部地表出露較好，但由于地層傾角大，使得煤層埋藏較深。五宮煤礦歷年均被鑒定為高瓦斯礦井，通過(guò)對(duì)礦井瓦斯數(shù)據(jù)及鉆孔測(cè)試數(shù)據(jù)的分析可知，煤層瓦斯成分主要以CH4和CO2為主，淺部由于煤層埋藏淺，且局部出露較好，造成瓦斯逸散嚴(yán)重，瓦斯含量較低。往深部隨著煤層埋深的增大，瓦斯含量明顯增大，最大可達(dá)20.1m3/t(圖3)。且隨著煤層厚度的增大，瓦斯含量呈增大趨勢(shì)(圖4)。

圖3　煤層瓦斯含量與埋深關(guān)系圖

圖4　煤層瓦斯含量與厚度關(guān)系圖

3　地質(zhì)構(gòu)造對(duì)瓦斯賦存的控制

不同類(lèi)型的地質(zhì)構(gòu)造對(duì)瓦斯賦存的控制作用不同，且在構(gòu)造的不同部位，瓦斯分布存在很大的差異性。同時(shí)，由于構(gòu)造活動(dòng)的多期性使得不同類(lèi)型的地質(zhì)構(gòu)造相互作用，進(jìn)而影響瓦斯的賦存規(guī)律[8-9]。研究區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，斷層、褶皺均較發(fā)育。構(gòu)造位置和構(gòu)造組合類(lèi)型的不同，使得瓦斯分布特征不同，瓦斯賦存的差異性較大。

3.1斷層對(duì)瓦斯賦存的控制

斷層的性質(zhì)、數(shù)量等發(fā)育特征不同，其對(duì)瓦斯的賦存規(guī)律影響不同。一般而言，張性斷層屬開(kāi)放性斷層，易造成瓦斯的逸散；而壓扭性斷層為封閉性斷層，有利于瓦斯的封存[1，10]。同時(shí)，斷層發(fā)育的密集程度不同，瓦斯賦存特征不同。斷層越密集，構(gòu)造應(yīng)力越大，煤體結(jié)構(gòu)破壞越嚴(yán)重，裂隙越發(fā)育。當(dāng)圍巖透氣性較好或斷層為開(kāi)放性質(zhì)時(shí)，煤層中吸附態(tài)的瓦斯易向游離態(tài)轉(zhuǎn)化，導(dǎo)致瓦斯含量較小[11]。

研究區(qū)斷層較發(fā)育，組合型式多樣，其對(duì)瓦斯賦存的控制作用主要表現(xiàn)在：

(1)研究區(qū)斷層數(shù)量多，且以封閉性的逆斷層為主，且多條逆斷層組合將礦井切割成若干封閉性區(qū)塊，抑制了瓦斯由吸附態(tài)向游離態(tài)的轉(zhuǎn)變，有利于瓦斯在煤中的封存，瓦斯保存條件較好。位于該礦西部的煤圈溝井田，為高瓦斯煤礦，亦發(fā)育逆斷層為主的構(gòu)造，瓦斯含量最大達(dá)到16.74m3/t，驗(yàn)證了逆斷層對(duì)瓦斯的良好的封存作用。

(2)受斷層影響，煤層發(fā)生了結(jié)構(gòu)變形，堅(jiān)固性系數(shù)小，煤的破壞程度加大，煤的破壞類(lèi)型增高，達(dá)到Ⅲ～Ⅴ類(lèi)，煤層裂隙發(fā)育，孔隙度和表面積增大，煤吸附空間增大，吸附能力增強(qiáng)[12]，使得煤中得以保存更多瓦斯。五宮煤礦煤層孔隙度為2.0%～6.1%，孔隙率較小的26#煤層瓦斯含量為2.20～10.30m3/t，而孔隙率較大的45#煤層瓦斯含量最大可達(dá)20.90m3/t。

(3)地下水可通過(guò)徑流排泄帶走溶解在水中的瓦斯，降低煤中的瓦斯含量[1]。礦井南北邊界斷層為隔水邊界，東西部接受少量的側(cè)向補(bǔ)給，總的來(lái)說(shuō)，斷層的作用使礦井處于相對(duì)封閉的構(gòu)造單元中，地下水活動(dòng)較弱，有利于煤中瓦斯的保存。

3.2褶皺對(duì)瓦斯賦存的控制

褶皺對(duì)瓦斯的賦存具有明顯的控制作用。在封閉性較好的背斜核部，應(yīng)力較集中，瓦斯的運(yùn)移阻力較大，且瓦斯沿兩翼順層向上的補(bǔ)給較多，使得同一埋藏深度的瓦斯含量比兩翼大；而在向斜核部，供應(yīng)瓦斯區(qū)域逐漸減小，且瓦斯運(yùn)移通道向兩翼逐漸擴(kuò)大，使得煤層瓦斯含量減小[13]；反之，如果褶皺核部開(kāi)放性較好，則在背斜核部瓦斯容易逸散，瓦斯含量較兩翼?。辉谙蛐焙瞬康貞?yīng)力較大，孔隙發(fā)育，且瓦斯壓力大，煤層可吸附更多瓦斯，而兩翼的瓦斯順層向上運(yùn)移逸散，導(dǎo)致核部瓦斯含量較兩翼高[14]。

研究區(qū)受斷層切割影響，褶皺多表現(xiàn)為單斜構(gòu)造，并伴生較多次級(jí)小型褶皺，兩翼傾角較大，局部近于直立。由于地層傾角較大，使得瓦斯沿兩翼順層向上逸散作用較大，但受斷層影響，褶皺多被切割，瓦斯的順層向上逸散受逆斷層的封堵，使得瓦斯得到很好地保存。

3.3不同構(gòu)造封蓋層組合對(duì)瓦斯賦存的控制

構(gòu)造對(duì)瓦斯賦存的控制最直接地表現(xiàn)為不同類(lèi)型的構(gòu)造組合及封蓋層的控制作用[4]。煤層氣藏研究中常把構(gòu)造分為向斜構(gòu)造、背斜構(gòu)造、褶皺-逆沖推覆構(gòu)造和伸展構(gòu)造4個(gè)大類(lèi)，根據(jù)構(gòu)造組合樣式的不同及封蓋層的性質(zhì)可進(jìn)一步將其劃分為9種類(lèi)型，不同類(lèi)型煤層的含氣性不同(圖5)[15]。

圖5　構(gòu)造封蓋層巖性組合類(lèi)型與含氣性

研究區(qū)受地層沉積及后期不同期次構(gòu)造應(yīng)力的影響，構(gòu)造封蓋層組合類(lèi)型為褶皺-逆斷層構(gòu)造類(lèi)型(圖6)，煤層瓦斯直接封蓋層以泥巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖為主，蓋層透氣性較差，對(duì)瓦斯的垂直逸散有良好的阻隔作用，瓦斯封蓋條件較好。前面講到，研究區(qū)斷層以封閉性的逆斷層為主，褶皺多為單斜構(gòu)造，構(gòu)造組合對(duì)瓦斯的封存較好，使得現(xiàn)今瓦斯可以得到很好地保存，造成瓦斯含量較高。實(shí)踐證明，位于該礦西部的煤圈溝井田，逆斷層發(fā)育相對(duì)較少，沒(méi)有形成很好的構(gòu)造封蓋類(lèi)型，使得煤層瓦斯普遍比具有褶皺-逆斷層構(gòu)造類(lèi)型的五宮煤礦的煤層瓦斯含量高[16-17]。

圖6　研究區(qū)構(gòu)造封蓋層組合類(lèi)型示意圖

4　結(jié)論

通過(guò)對(duì)研究區(qū)構(gòu)造對(duì)瓦斯賦存特征的研究，得出其控制作用主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

(1)研究區(qū)侏羅紀(jì)聚煤作用較好，煤系沉積后發(fā)生兩次生氣作用，為煤中瓦斯的生成提供了很好的地質(zhì)基礎(chǔ)。

(2)研究區(qū)斷層較發(fā)育，且以封閉性較好的逆斷層為主；斷層造成煤發(fā)生結(jié)構(gòu)變形，吸附瓦斯空間增大，吸附能力增強(qiáng)，進(jìn)而使煤中得以保存更多瓦斯。斷層使礦井處于相對(duì)封閉的水文地質(zhì)單元中，有利于煤中瓦斯的保存。

(3)研究區(qū)褶皺受斷層影響多被切割，呈單斜構(gòu)造，瓦斯的順層向上逸散受逆斷層的封堵作用，使得煤中可以保存更多瓦斯。

(4)研究區(qū)構(gòu)造封蓋層組合類(lèi)型為褶皺-逆斷層構(gòu)造類(lèi)型，蓋層透氣性較差，對(duì)瓦斯的封存作用較好。

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Tectonic Control on Gas Occurrence of Wugong Coal Mine in Xinjiang Uygur Autonomous Region

WANG Xianchao

(Geophysical Prospecting and Surveying Brigade of Shandong Coalfield Geology Bureau, Shandong Tai'an 271000, China)

In order to understand the tectonic control action on gas occurrence of Wugong coal mine, geological evolution characteristics of gas have been analyzed, control actions of tectonic and its types on gas occurrence have been studied as well. It is showed that twice coal generation processes have happened after coal sedimentary and generated much gas. Faults are mainly composed of reverse faults with better sealing property. Coal strata occurred structural deformation influenced by faults and could adsorb more gas. The coal mine is in a relative closed hydrogeological unit which will prevent gas fugitive. Folds were monoclinic structures cut by faults, and gas fly up along faults and is sealed by faults. The combination of structures and covering layers are fold- reverse type. Sealing cover has a bad air permeability, which are useful for keeping gas.

Gas occurrence; gas-bearing property; fault; fold; type of tectonic and sealing cover; Wugong coal mine; Xinjiang Uygur Autonomous Region

2014-11-03；

2015-02-13；編輯：曹麗麗

王先超(1979—)，男，山東濟(jì)寧人，工程師，主要從事煤田地質(zhì)與金屬礦產(chǎn)地質(zhì)技術(shù)管理工作；E-mail：83245916@qq.com

TD712.2

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