新安煤田瓦斯地質(zhì)規(guī)律研究*

賈明魁徐德宇李書文，

（1.義馬煤業(yè)集團(tuán)股份有限公司，河南省義馬市，472300；2.中國礦業(yè)大學(xué)（北京）資源與安全工程學(xué)院，北京市海淀區(qū)，100083）

★ 煤炭科技·地質(zhì)與勘探★

新安煤田瓦斯地質(zhì)規(guī)律研究*

賈明魁1徐德宇2李書文1，2

（1.義馬煤業(yè)集團(tuán)股份有限公司，河南省義馬市，472300；2.中國礦業(yè)大學(xué)（北京）資源與安全工程學(xué)院，北京市海淀區(qū)，100083）

以新安煤田構(gòu)造應(yīng)力場及構(gòu)造演化歷史分析為基礎(chǔ)，結(jié)合大量瓦斯地質(zhì)資料和瓦斯實(shí)測參數(shù)，研究了新安煤田瓦斯地質(zhì)規(guī)律及主控因素。研究表明：煤的變質(zhì)程度、地質(zhì)構(gòu)造、煤厚變化及埋深是控制新安煤田瓦斯分布規(guī)律的主要因素，新安煤田自成煤時(shí)期以來經(jīng)歷了多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，煤體變質(zhì)程度的增高造成該地區(qū)煤層瓦斯含量整體增高；地質(zhì)構(gòu)造引起的構(gòu)造應(yīng)力、煤厚及埋深等方面的變化，導(dǎo)致新安煤田煤層瓦斯分布不均勻；煤厚的劇烈變化是造成新安煤田局部地區(qū)瓦斯含量急劇增高的主要原因。

瓦斯地質(zhì) 構(gòu)造演化 構(gòu)造變形 瓦斯分布

煤層瓦斯賦存狀態(tài)是影響礦井瓦斯涌出量大小的主控因素，也是煤與瓦斯突出發(fā)生的主要?jiǎng)恿σ蛩刂?，同時(shí)，煤與瓦斯突出受地質(zhì)構(gòu)造控制作用主要發(fā)生在地質(zhì)構(gòu)造破壞帶。隨著開采深度的增加，新安煤田煤層瓦斯含量逐漸升高，瓦斯突出危險(xiǎn)性逐漸增大。通過運(yùn)用瓦斯地質(zhì)理論，結(jié)合大量瓦斯地質(zhì)資料和瓦斯實(shí)測參數(shù)，對(duì)新安煤田構(gòu)造演化歷史及瓦斯地質(zhì)規(guī)律進(jìn)行研究，可以有效預(yù)測煤層瓦斯賦存特征，為制定礦井瓦斯防治措施提供科學(xué)依據(jù)。

1　新安煤田概況

新安煤田位于河南省西部新安縣及孟津縣境內(nèi)，包括義煤集團(tuán)新義礦、義安礦和孟津礦3對(duì)生產(chǎn)礦井，煤田總面積129.6 km2，均為煤與瓦斯突出礦井。自2005年以來，新安煤田共發(fā)生煤與瓦斯突出7次，其中義安礦6次，孟津礦1次，新義礦尚未發(fā)生煤與瓦斯突出。新安煤田可采煤層為山西組二1、二2煤層，主采煤層為二1煤層。煤層厚度總體在0～9.6 m之間，平均為4.15～4.85 m。構(gòu)造煤全層發(fā)育，煤層透氣性系數(shù)0.0066～0.0985 m2/（MPa2·d），煤層厚度變異系數(shù)68%，可采指數(shù)95%，屬于不易自燃煤層。二1煤層埋深-250～-950 m，煤層瓦斯含量3.52～16.37 m3/t，礦井相對(duì)瓦斯涌出量最高達(dá)到14.15 m3/t，礦井絕對(duì)瓦斯涌出量最高達(dá)到39.81 m3/min，且二1煤層有煤塵爆炸危險(xiǎn)性，瓦斯災(zāi)害嚴(yán)重。

2　新安煤田構(gòu)造演化歷史

2.1新安煤田地質(zhì)背景

新安煤田位于秦嶺造山帶北緣邊界斷裂帶，豫西澠池—義馬—魯山—平頂山—舞陽區(qū)段內(nèi)。區(qū)域內(nèi)發(fā)育的主要褶曲構(gòu)造為新安向斜，該向斜位于區(qū)域中南部，軸向?yàn)榻鼥|西向，為一寬緩向斜，如圖1所示，北翼傾角平緩，一般為7°～11°，南翼被龍?zhí)稖蠑鄬忧懈睢Ｐ掳裁禾锟傮w位于新安向斜北翼，為一寬緩的單斜構(gòu)造。區(qū)域內(nèi)斷裂構(gòu)造主要為一組NW-SE向的張性斷裂，落差為50～400 m，如龍?zhí)稖蠑鄬?、許村—香坊溝斷層、省磺礦斷層等，近SN向的斷裂較少，如F29正斷層等。

圖1　新安煤田區(qū)域地質(zhì)圖

2.2新安煤田構(gòu)造應(yīng)力場及演化歷史

根據(jù)新安煤田地質(zhì)背景及區(qū)域構(gòu)造演化歷史，該煤田主要經(jīng)歷了印支期和燕山期兩期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)。印支期構(gòu)造應(yīng)力場以近SN向的擠壓為主，且受秦嶺造山帶隆起推擠的作用，新安煤田發(fā)生了逆沖推覆斷裂褶曲作用，形成了近EW向的褶曲構(gòu)造及NWW-NW向的張性斷裂構(gòu)造，而后在SN向擠壓應(yīng)力持續(xù)作用下，應(yīng)力軸部近EW向的伸展作用增強(qiáng)，形成了F29斷層等一系列EW走向的張扭性斷裂構(gòu)造。燕山期構(gòu)造應(yīng)力場主壓應(yīng)力方向轉(zhuǎn)變，以近NW-SE向擠壓為主，區(qū)域北西向右行斷裂被改造轉(zhuǎn)變?yōu)樽笮凶呋瑪嗔眩煌瑫r(shí)，形成一系列近NWW走向的小型伴生斷裂構(gòu)造。兩期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)形成的構(gòu)造形跡依次疊加，構(gòu)成本研究區(qū)如今的構(gòu)造格架。

3　新安煤田瓦斯地質(zhì)規(guī)律及主控因素

3.1煤的變質(zhì)程度對(duì)瓦斯賦存的影響

煤的變質(zhì)程度是影響煤層瓦斯含量的重要因素，煤層瓦斯是煤變質(zhì)作用的產(chǎn)物，煤的變質(zhì)程度越高，煤體生成瓦斯的總量越大，從褐煤到煙煤再到無煙煤，瓦斯發(fā)生率從36～68 m3/t逐漸增大到306～461 m3/t，變質(zhì)程度高的煤層通常瓦斯含量也較大。

煤的揮發(fā)分是評(píng)價(jià)煤變質(zhì)程度的重要指標(biāo)，煤的揮發(fā)分隨煤變質(zhì)程度的增高而降低，從褐煤到無煙煤，煤的揮發(fā)分從50%逐漸降低到5%左右。新安煤田主采煤層為二疊系山西組下部的二1煤層，成煤時(shí)期較早，且自成煤時(shí)期以來，經(jīng)歷了多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，構(gòu)造動(dòng)力變質(zhì)作用致使煤的變質(zhì)程度增高，煤層揮發(fā)分平均值為13.67%，為中高等變質(zhì)程度的貧煤，生烴能力強(qiáng)，煤層瓦斯含量平均值達(dá)到10.31 m3/t，煤變質(zhì)程度的增高是新安煤田煤層瓦斯含量整體較高的主要原因。同時(shí)新安煤田各生產(chǎn)礦井煤層瓦斯含量也因煤變質(zhì)程度的差異表現(xiàn)出規(guī)律性變化，新義礦、義安礦、孟津礦三對(duì)生產(chǎn)礦井煤的揮發(fā)分依次降低，如表1所示，煤的變質(zhì)程度逐漸增加，煤層瓦斯含量也依次增高?？梢娒旱淖冑|(zhì)程度是控制新安煤田煤層瓦斯含量的重要因素。

表1　新安煤田煤的變質(zhì)程度與瓦斯含量

3.2地質(zhì)構(gòu)造對(duì)煤層瓦斯賦存的影響

地質(zhì)構(gòu)造是影響煤層瓦斯分布的主要因素，構(gòu)造型式、規(guī)模、力學(xué)性質(zhì)及組合特征等都會(huì)影響煤層瓦斯的賦存規(guī)律。通常背斜中和面之上及向斜中和面之下的煤巖層中構(gòu)造裂隙以張性為主，有利于煤層瓦斯的逸散；背斜中和面之下及向斜中和面之上的煤巖層中構(gòu)造裂隙以壓扭性為主，透氣性低，有利于煤層瓦斯的聚集；此外，在斷層的尖滅端、褶曲的軸部區(qū)域及不同構(gòu)造體系的復(fù)合部位，構(gòu)造應(yīng)力高度集中，煤體結(jié)構(gòu)破壞嚴(yán)重，煤的動(dòng)力變質(zhì)作用增強(qiáng)，導(dǎo)致煤層瓦斯含量增高。

新安煤田小斷層較為發(fā)育，3對(duì)生產(chǎn)礦井中已探明走向長度大于100 m的小型斷層共94條，小斷層走向以NW向?yàn)橹鳎琒N向次之，正斷層比例高達(dá)89%，如表2所示。

表2　新安煤田小斷層產(chǎn)狀統(tǒng)計(jì)　條

新安煤田小斷層產(chǎn)狀反映了近NW向和SN向的構(gòu)造擠壓作用，與該煤田構(gòu)造演化歷史相吻合，但各生產(chǎn)礦井構(gòu)造組合差異性明顯，中部義安礦及東部孟津礦近SN向的小斷層條數(shù)分別為16條及11條，遠(yuǎn)大于新義礦，表明印支期新安煤田中部及東部地區(qū)受近SN向的擠壓應(yīng)力作用強(qiáng)度較大，致使煤體結(jié)構(gòu)破壞嚴(yán)重，Ⅲ、Ⅳ類構(gòu)造煤普遍發(fā)育，煤的堅(jiān)固性系數(shù)實(shí)測平均值僅為0.23及0.29，瓦斯放散初速度高達(dá)22.3 cm3/（g·r）及19.3 cm3/（g·r），如表3所示，同時(shí)受構(gòu)造動(dòng)力變質(zhì)作用影響，煤的變質(zhì)程度及生烴能力提高。在煤層瓦斯保存條件方面，雖然近SN向斷層多為正斷層，有利于瓦斯逸散，但總數(shù)只占33%，表明新安煤田印支期構(gòu)造擠壓作用較燕山期弱，且燕山期近NW向的擠壓應(yīng)力使張性構(gòu)造轉(zhuǎn)變?yōu)閴盒?，裂隙系統(tǒng)閉合，有利于煤層瓦斯的保存，導(dǎo)致中部及東部地區(qū)瓦斯含量整體增高，各項(xiàng)瓦斯實(shí)測參數(shù)值都明顯增加，研究表明新安煤田中部及東部地區(qū)處于兩期構(gòu)造體系的復(fù)合部位，構(gòu)造應(yīng)力集中，煤體結(jié)構(gòu)破壞嚴(yán)重，且構(gòu)造裂隙系統(tǒng)處于封閉狀態(tài)，導(dǎo)致煤層瓦斯含量整體上升，地質(zhì)構(gòu)造是控制新安煤田煤層瓦斯賦存的重要因素。

表3　新安煤田各生產(chǎn)礦井瓦斯實(shí)測參數(shù)對(duì)比

3.3煤厚變化對(duì)瓦斯賦存的影響

煤層是瓦斯生成的物質(zhì)基礎(chǔ)，同時(shí)煤儲(chǔ)層本身是一種高度致密的低滲透性巖層，煤層上部分層和下部分層對(duì)中部分層有強(qiáng)烈的封蓋作用，煤層厚度越大，中部分層中的瓦斯向頂?shù)装宓臄U(kuò)散路徑就越長，擴(kuò)散阻力就越大，有利于煤層瓦斯的保存，煤層瓦斯含量隨煤層厚度的增加而增大；此外，煤層是巖系中的軟弱分層，通常煤厚劇烈變化的區(qū)域，構(gòu)造應(yīng)力集中，煤的破壞程度增高、滲透性降低、且煤體對(duì)瓦斯的吸附能力增強(qiáng)，不利于煤層瓦斯的運(yùn)移，進(jìn)而影響煤層瓦斯的分布規(guī)律。

新安煤田受多期構(gòu)造變形作用影響，中、小型褶曲構(gòu)造發(fā)育，煤厚變化劇烈，變異系數(shù)大，平均為68%，最高達(dá)到91%，褶曲變形作用引起的煤厚變化是影響該地區(qū)煤層瓦斯賦存的重要因素。但在新安煤田瓦斯含量隨煤厚變化的統(tǒng)計(jì)分析中發(fā)現(xiàn)，煤層瓦斯含量隨煤厚增加而升高，但并不是簡單的線性增加。在多個(gè)構(gòu)造變形部位，煤厚只有5.5 m，瓦斯含量卻達(dá)到最高值16.37 m3/t，高于煤厚達(dá)到9.6 m時(shí)的煤層瓦斯含量15.56 m3/t，瓦斯含量值總體上出現(xiàn)兩個(gè)峰值，如圖2所示，本文稱之為 “雙峰現(xiàn)象”。

圖2　新安煤田瓦斯含量與煤層厚度的關(guān)系

新安煤田煤層厚度等值線圖見圖3，對(duì)煤厚只有5.5 m而瓦斯含量卻達(dá)到峰值的構(gòu)造變形部位進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，新安煤田內(nèi)，多處煤厚只有5.5 m而瓦斯含量卻達(dá)到峰值的構(gòu)造變形部位都分布在近EW向展布的煤層壓薄帶內(nèi)（如AA′等），且位于近EW向展布的煤層壓薄帶與近SN向展布的煤層增厚帶（如BB′等）的交匯部位。結(jié)合新安煤田構(gòu)造演化歷史分析發(fā)現(xiàn)，近EW向的煤層壓薄帶（如AA′等）為印支期近SN向的構(gòu)造擠壓作用形成，壓薄帶內(nèi)煤體結(jié)構(gòu)破壞嚴(yán)重，以Ⅳ類為主，構(gòu)造煤厚度最高達(dá)到5.5 m，且全層發(fā)育，煤的堅(jiān)固性系數(shù)實(shí)測平均值僅為0.16，而煤體吸附常數(shù)a值高達(dá)42.51 cm3/g·r，如表4所示，煤體對(duì)瓦斯的吸附能力急劇上升，為煤層瓦斯的保存提供了有利條件。隨后燕山期近NW向的擠壓應(yīng)力作用使新安煤田出現(xiàn)多個(gè)近SN向展布的煤層增厚帶（如BB′等），兩期構(gòu)造變形的疊加使先期形成的EW向薄煤帶在其展布方向又發(fā)生煤厚變化。由于該地區(qū)印支期已經(jīng)形成了大面積發(fā)育的構(gòu)造煤，煤層雖然局部只增厚到5 m左右，構(gòu)造煤的增厚程度卻遠(yuǎn)大于近SN向展布的煤層增厚帶，普遍全層發(fā)育粉土狀糜棱煤，且因?yàn)闃?gòu)造煤對(duì)瓦斯的高吸附性，使煤層瓦斯得以保存。煤層瓦斯含量最高達(dá)到16.37 m3/t，瓦斯壓力升高到3.1 MPa，在煤厚相同的條件下，煤層瓦斯含量、壓力遠(yuǎn)大于近SN向展布的煤層增厚帶。

圖3　新安煤田煤層厚度等值線圖

表4　新安煤田瓦斯基礎(chǔ)參數(shù)與煤層產(chǎn)狀的關(guān)系

在兩種煤層產(chǎn)狀變化的構(gòu)造變形區(qū)域內(nèi)，對(duì)瓦斯含量隨煤厚變化的關(guān)系進(jìn)行了回歸分析，結(jié)果見圖4，圖中y表示瓦斯含量，x表示煤層厚度，R2表示相關(guān)系數(shù)。在EW向展布的薄煤帶內(nèi)，隨著煤厚的增加，瓦斯含量值急劇增加，出現(xiàn)指數(shù)型增長；而在SN向展布的厚煤帶內(nèi)，隨著煤層厚度的增加，煤層瓦斯含量增加緩慢，呈線性增加；研究表明:新安煤田兩期構(gòu)造變形的疊加作用，導(dǎo)致煤層瓦斯含量受構(gòu)造變形控制表現(xiàn)出規(guī)律性變化，最顯著的特征就是在EW向展布的煤層壓薄帶內(nèi)，隨著煤層厚度的增加，瓦斯含量呈指數(shù)形式迅速升高，最終造成了 “雙峰現(xiàn)象”。

圖4　新安煤田瓦斯含量與煤厚的關(guān)系

3.4埋深對(duì)瓦斯賦存的影響

新安煤田位于新安向斜北翼，整體由北向南傾斜，為一寬緩的單斜構(gòu)造，傾角平緩，一般6°～14°，但南北向延伸距離較遠(yuǎn)，達(dá)13.8 km，造成新安煤田二1煤層埋深變化較大，埋深在-250～-950 m之間。而煤層埋藏深度是決定煤層瓦斯含量的重要因素，隨著煤層埋藏深度的增加，地應(yīng)力、煤層圍壓增加，導(dǎo)致煤層和圍巖的滲透性下降，同時(shí)煤體吸附瓦斯能力逐漸增強(qiáng)，瓦斯向地表運(yùn)移距離增大，瓦斯運(yùn)移難度增大，導(dǎo)致煤層瓦斯含量與煤層埋藏深度成正相關(guān)關(guān)系。根據(jù)新安煤田在不同水平測定的瓦斯含量結(jié)果，對(duì)瓦斯含量與煤層埋深之間的關(guān)系進(jìn)行線性回歸分析，結(jié)果見圖5。當(dāng)埋深達(dá)到-500 m以下時(shí)，隨著埋深繼續(xù)增加，二1煤層瓦斯含量梯度達(dá)到4.63%，導(dǎo)致新安煤田出現(xiàn)北部因埋深較淺瓦斯含量整體較低，而隨著埋深的增加，南部地區(qū)瓦斯含量逐漸增高的特征。

圖5　新安煤田瓦斯含量與埋深的關(guān)系

4　結(jié)論

（1）煤的變質(zhì)程度是影響新安煤田瓦斯賦存的重要因素，新安煤田主采煤層成煤時(shí)期較早且經(jīng)歷了多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，構(gòu)造動(dòng)力變質(zhì)作用致使煤的變質(zhì)程度增高，生烴能力增強(qiáng)，是新安煤田煤層瓦斯含量整體增高的主要原因。

（2）地質(zhì)構(gòu)造是控制新安煤田煤層瓦斯賦存的主要因素，地質(zhì)構(gòu)造引起構(gòu)造應(yīng)力、煤厚及埋深等方面的變化，直接影響煤體的破壞與變質(zhì)程度及煤巖層裂隙系統(tǒng)的性質(zhì)，控制煤層瓦斯的生成與運(yùn)移，是導(dǎo)致新安煤田煤層瓦斯分布不均勻的原因。

（3）煤厚變化是導(dǎo)致新安煤田局部地區(qū)瓦斯含量急劇增高的主要原因，新安煤田煤層瓦斯含量隨煤層厚度的增加而增高，且由于兩期構(gòu)造變形的疊加作用，導(dǎo)致近EW向煤層壓薄帶內(nèi)構(gòu)造煤發(fā)育并增厚，煤層瓦斯含量隨煤厚增加呈指數(shù)型升高，造成了 “雙峰現(xiàn)象”。

（4）新安煤田位于新安向斜北翼，整體由北向南傾斜，為一寬緩的單斜構(gòu)造，埋深的劇烈變化是造成該地區(qū)瓦斯含量南高北低的直接原因。

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Research on gas geology characteristics in Xin'an coal field

Jia Mingkui1，Xu Deyu2，Li Shuwen1，2
（1.Yima Coal Industry Group Co.，Ltd.，Yima，Henan 472300，China；2.Faculty of Resources and Safety Engineering，China University of Mining and Technology，Beijing，Haidian，Beijing 100083，China）

Based on the analysis of tectonic stress field and tectonic evolutionary history，and combined with gas geological data and gas measured parameters，the gas geology characteristics and main controlling factors in Xin'an coal field was researched.The results showed that the metamorphic grade，geological structure，seam thickness change and field burial depth were the primary factors for controlling the gas distribution in Xin'an coal field，since the coal forming period，there were multiple tectonic movement in Xin'an coal field，and the high degree of coal metamorphism caused the increase of coal seam gas-bearing capacity；the change of tectonic stress，seam thickness and burial depth caused by geological structure resulted in the nonuniform distribution of coal seam gas；and the rapid change of seam thickness was the main reason of the rapid increase of gas capacity in partial areas.

gas geology，tectonic evolution，tectonic deformation，gas distribution

TD712

A

賈明魁（1967-），男，河南延津人，博士，教授級(jí)高工，研究方向?yàn)榈V山安全。

（責(zé)任編輯 郭東芝）

國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目（41430640），教育部博士點(diǎn)基金項(xiàng)目（20110023110016）