新疆某礦區(qū)瓦斯和煤自燃特征及其控制條件

王懷勐

（山東省煤田地質(zhì)局第三勘探隊(duì)，山東 泰安271000）

新疆某礦區(qū)瓦斯和煤自燃特征及其控制條件

王懷勐

（山東省煤田地質(zhì)局第三勘探隊(duì)，山東 泰安271000）

為認(rèn)識新疆某煤礦兩大環(huán)境地質(zhì)特征，根據(jù)該礦地質(zhì)概況，分析瓦斯和煤自燃特征，并探討控制這兩大環(huán)境地質(zhì)因素的地質(zhì)條件。結(jié)果表明，研究區(qū)煤層厚度大，層數(shù)多，瓦斯含量高；構(gòu)造運(yùn)動(dòng)使煤層發(fā)生兩次生氣過程，產(chǎn)生大量瓦斯，伴生的逆斷層阻隔了瓦斯的逸散，使得瓦斯含量較高；地層傾角大，出露好，裂隙系統(tǒng)提供了氧氣通道，促進(jìn)了煤的自燃；煤中順層向下流動(dòng)的水阻隔了瓦斯的順層向上運(yùn)移，有效封存瓦斯；水在煤自燃的初始階段起到促進(jìn)作用，同時(shí)煤層出露較好，煤體熱量易聚集，加之氧氣供給相對豐富，自燃較易發(fā)生。

煤層自燃；瓦斯；新疆煤礦；煤層發(fā)育；構(gòu)造運(yùn)動(dòng)；水文地質(zhì)條件

進(jìn)入21世紀(jì)，環(huán)境問題已成為全人類亟需面對和解決的問題。隨著化石能源的不斷開采利用，與之伴隨的環(huán)境問題也日益突出。新疆地區(qū)煤炭資源較為豐富，預(yù)測儲量2.2萬億t，占全國煤炭預(yù)測儲量的40%以上。煤炭的開發(fā)及利用對新疆自治區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和建設(shè)起著重要的作用，但煤炭開采帶來的環(huán)境地質(zhì)問題卻也日益嚴(yán)重。瓦斯和煤層自燃形成的火燒區(qū)是其中重要的兩大環(huán)境地質(zhì)因素［1］。新疆地區(qū)以侏羅紀(jì)煤層為主，煤層層數(shù)相對較多，厚度一般較大。在一些構(gòu)造復(fù)雜地區(qū)，煤中瓦斯質(zhì)量體積也較大，最大值超過20 m3/t。無論煤礦是井下開采還是露天開采，發(fā)生瓦斯涌出等事故可能性均較大。處于地表的煤層露頭較易發(fā)生氧化作用，進(jìn)而產(chǎn)生煤層自燃。這兩大地質(zhì)因素一方面嚴(yán)重影響著煤礦的正常開采，另一方面對煤炭資源造成了較大的浪費(fèi)。因此，深入研究煤礦的環(huán)境地質(zhì)因素及其控制特征具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

新疆某礦區(qū)煤層層數(shù)較多，厚度較大，同時(shí)煤中瓦斯含量高；受地表煤層的自燃影響，火燒區(qū)面積較大。筆者深入研究該礦區(qū)瓦斯和煤自燃的發(fā)育特征及其控制條件，為煤礦的滅火工作及安全生產(chǎn)提供了指導(dǎo)。

1　地質(zhì)概況

該井田位于新疆自治區(qū)昌吉州，區(qū)域構(gòu)造上位于博格達(dá)復(fù)背斜弧形推覆體北側(cè)。井田構(gòu)造以東西向線性構(gòu)造為主，主要由逆斷層和單斜構(gòu)造組成。井田被高角度的逆斷層切割成多個(gè)小的構(gòu)造單元，局部伴生發(fā)育較多的小型褶皺構(gòu)造（圖1）。

圖1　研究區(qū)構(gòu)造綱要Fig.1 Tectonic outline map of study area

研究區(qū)地層屬北天山地層分區(qū)吉木薩爾地層小區(qū)，地層傾角較大，一般大于45°，地層出露較好。含煤地層主要為侏羅系下統(tǒng)八道灣組，厚674.8～1 001.6 m，平均厚819.08 m，共含煤46層（組），含煤系數(shù)19.87%?？刹擅簩庸?3層（組），煤級以氣煤、肥煤為主，局部為焦煤。

2　環(huán)境地質(zhì)因素

2.1瓦斯

目前，研究區(qū)開采水平位于煤層瓦斯風(fēng)氧化帶以下，歷年瓦斯等級鑒定均為高瓦斯礦井。根據(jù)以往測得的瓦斯含量數(shù)據(jù)，各煤層瓦斯含量一般均較大，23層（組）煤中有20層（組）瓦斯質(zhì)量體積＞10 m3/t，一般介于5.50～19.60 m3/t，最大值可達(dá)22.00 m3/t。瓦斯壓力介于0.75～1.30 MPa。工作面的絕對瓦斯涌出量一般大于12.00 m3/min，八道灣組二段煤層最大值可達(dá)41.00 m3/min。該井田有21層（組）煤達(dá)到了煤層氣估算指標(biāo)，推斷的總資源量為32.90×108m3，資源儲量和經(jīng)濟(jì)利用價(jià)值較大。目前，煤礦井下抽放的瓦斯全部被排入大氣，未得到有效利用，是井田最大的環(huán)境地質(zhì)因素。

2.2煤層自燃

受構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響，井田地層傾角較大，局部構(gòu)造部位近于直立。研究區(qū)僅北部有第四系覆蓋，煤層出露較好，煤自燃現(xiàn)象普遍存在。自燃后形成九個(gè)火燒區(qū)，主要分布在井田中部，面積約2.40 km2，占井田面積的27.75%，目前，仍有三個(gè)活火燒區(qū)在燃燒。根據(jù)鉆孔揭露及電磁法解譯成果，自燃深度平均在92.13 m，最深達(dá)230.00 m。

一方面，自燃造成了煤炭資源的極大浪費(fèi)，同時(shí)煤中硫分燃燒后轉(zhuǎn)化為有害氣體二氧化硫直接排入大氣；另一方面，自燃使得地下形成較大空洞，同時(shí)上覆巖石受熱烘烤，造成其力學(xué)性質(zhì)下降，對礦井的安全生產(chǎn)造成極大危害。

3　瓦斯和煤自燃的控制條件

綜合研究認(rèn)為，影響井田瓦斯和煤自燃的因素主要為煤層特征、地質(zhì)構(gòu)造、水文地質(zhì)特征及地形地貌條件。

3.1煤層發(fā)育特征

地質(zhì)歷史時(shí)期煤層受熱演化作用生成瓦斯，這是井田瓦斯地質(zhì)問題的根源。煤的物理化學(xué)性質(zhì)直接影響自燃的發(fā)生［2］。研究表明，瓦斯含量和壓力與煤層厚度呈很好的正相關(guān)關(guān)系；而煤的揮發(fā)分和含硫量越多，則煤越容易發(fā)生自燃，硫分一般是自燃的強(qiáng)烈催化劑［3］。

井田煤層厚度與瓦斯含量關(guān)系如表1所示。由表1可見，井田侏羅系八道灣組二段和三段的煤層（組）數(shù)最多，單層厚度也最大，一般介于1.63～13.21 m，其瓦斯質(zhì)量體積v介于5.41～19.58 m3/t，最大值可達(dá)23.36 m3/t。煤層厚度相對較薄的八道灣組一段和四段煤層的瓦斯含量普遍在10 m3/t以下。

表1　井田煤層厚度與瓦斯含量關(guān)系Table 1　Coal thickness and gas content of study area

井田發(fā)生自燃的煤層屬特低硫～中硫煤，其硫分含量介于0.28%～1.75%，揮發(fā)分均大于30.43%，屬中高～特高等級。自燃發(fā)火煤層和容易自燃發(fā)火煤層占85%以上。

3.2地質(zhì)構(gòu)造

地質(zhì)構(gòu)造對煤層瓦斯和自燃的控制主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面：一方面，地質(zhì)構(gòu)造控制了有機(jī)質(zhì)的沉積環(huán)境和類型。受構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的控制，地層中有機(jī)質(zhì)發(fā)生變質(zhì)作用，形成煤級不同的煤層，同時(shí)生成大量的甲烷。煤中甲烷大部分后期逸散，部分儲存在煤層及其圍巖的孔裂隙中［4］。另一方面，構(gòu)造運(yùn)動(dòng)形成的褶皺、斷層等控制了煤及瓦斯的現(xiàn)今賦存狀態(tài)。構(gòu)造抬升造成煤層出露地表，進(jìn)而發(fā)生氧化和剝蝕，并逐漸導(dǎo)致煤層自燃。一般來說，在褶皺的核部裂隙發(fā)育，瓦斯易逸散，含量一般小于兩翼。逆斷層發(fā)育區(qū)，煤中瓦斯被封堵，不易發(fā)生運(yùn)移，使得煤中保存較多瓦斯；而正斷層與之相反，張性裂隙發(fā)育，連通性較好，瓦斯較易逸散［5］。

井田八道灣組沉積環(huán)境為河流-湖泊相沉積，具有較好的聚煤環(huán)境。地層沉積較穩(wěn)定，煤層的總厚度相對較大，進(jìn)而導(dǎo)致更多的瓦斯生成。井田地層中有機(jī)質(zhì)沉積后，受后期的燕山期和喜馬拉雅期構(gòu)造演化作用，煤層經(jīng)歷了沉降—抬升—再沉降—再抬升的運(yùn)動(dòng)演化過程，煤中有機(jī)質(zhì)發(fā)生兩次生氣作用（圖2），鏡質(zhì)組反射率Ro達(dá)1.08%。在構(gòu)造運(yùn)動(dòng)中伴生的大量逆斷層阻隔了瓦斯的逸散，導(dǎo)致煤層瓦斯含量較高。

圖2　井田主煤層埋藏-生氣史Fig.2 Main coal seams burial-generation history

在喜山期，構(gòu)造擠壓使得井田內(nèi)發(fā)育形成大量緊閉褶皺和高角度逆斷層。煤層產(chǎn)狀較大，一般大于45°，在井田的中部及南部，地層近于直立，為煤層發(fā)生氧化作用提供了有利條件，進(jìn)而發(fā)生煤層自燃。同時(shí)，含煤地層發(fā)育大量的孔裂隙，溝通了煤層與氧氣，促進(jìn)了自燃的發(fā)生。如圖3所示，在向斜的核部自燃最嚴(yán)重，火燒深度也最大。這些位置煤層厚度大，自燃區(qū)的下部煤層厚度均在5.0 m以上，而兩翼煤層厚度一般在1.0 m以下；同時(shí)，核部張性裂隙發(fā)育，煤中氧氣供應(yīng)較為充足，這些均為自燃提供了有利的地質(zhì)條件。

圖3　研究區(qū)背斜構(gòu)造區(qū)煤層自燃特征Fig.3 Characteristics map of spontaneous combustion in anticline structure

3.3水文地質(zhì)條件

瓦斯大部分以吸附態(tài)賦存在煤孔隙中，少數(shù)游離于煤及圍巖裂隙中。地下水作用既可以封存瓦斯，促進(jìn)瓦斯的富集，又可溶解部分瓦斯，造成瓦斯的逸散。研究表明，地下水動(dòng)力條件對瓦斯賦存的控制作用可概括水力封堵、水力封閉、水力運(yùn)移逸散三個(gè)方面。其中，前兩者有利于瓦斯的富集，第三種作用促進(jìn)瓦斯的散失［6］。

大量研究表明，煤的自燃與水有重要的關(guān)聯(lián)，水既可以促進(jìn)又可抑制煤的自燃［7］。促進(jìn)作用表現(xiàn)在：煤自燃的初期，水可以促進(jìn)煤的氧化。同時(shí)，水分子與煤的內(nèi)表面相互作用可釋放潤濕熱，進(jìn)而增加煤的溫度，促進(jìn)煤氧化。抑制作用表現(xiàn)在：足夠高的水分含量條件下，煤中的孔裂隙水蒸汽壓力可阻止氧分子與煤體接觸，進(jìn)而抑制煤的氧化［8］。

該井田地下水主要受降水和融雪補(bǔ)給，水沿地表露頭向地下運(yùn)移，而瓦斯順層向上運(yùn)移，二者方向相反，地下水可有效封堵瓦斯。同時(shí)，不導(dǎo)水的逆斷層發(fā)育使得瓦斯無法隨水的運(yùn)移而逸散。

3.4井田地形地貌

地形地貌是影響煤發(fā)生自燃的重要因素［9］。一方面，在山間的低洼地帶，降水和地表水系較容易發(fā)生聚集，可有效降低煤體發(fā)生自燃的溫度，并隔絕空氣，對自燃起到抑制作用。另一方面，如果煤露頭處在有較高的山丘或陡崖的遮擋環(huán)境下，光照作用對煤的影響相對要弱。相反，在山頂或山腰處的煤層，水分缺乏，又沒有大的高山或陡壁遮擋的條件下，陽光直接照在露頭上，使得煤體溫度升高，加速了煤的自燃。

井田內(nèi)海拔最高+1 255 m，最低+817 m，山體較陡峭，地表水不發(fā)達(dá)，煤層出露較好。夏季炎熱，光照充足的條件下，熱量容易聚集，加之充足的氧氣供給，煤體較易發(fā)生自燃。

4　結(jié)　論

（1）新疆某井田瓦斯和煤自燃兩大環(huán)境因素的主控地質(zhì)條件包括煤層特征、構(gòu)造特征、水文地質(zhì)條件及地形地貌特征。

（2）井田煤層厚度較大，層數(shù)較多，含煤層最厚的八道灣組二段和三段的煤層瓦斯含量最高。發(fā)生自燃的煤層含硫?yàn)樘氐土颉辛颍瑩]發(fā)分為中高～特高，自燃發(fā)火煤層和容易自燃發(fā)火煤層占85%以上。

（3）構(gòu)造運(yùn)動(dòng)使得煤層有機(jī)質(zhì)發(fā)生兩次生氣過程，逆斷層封堵了煤中瓦斯的逸散，煤層瓦斯含量較高。受后期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的控制，地層中發(fā)育大量裂隙，且煤層出露較好，這些均促進(jìn)了煤體發(fā)生自燃。

（4）煤中向下流動(dòng)的水封堵了瓦斯的順層向上運(yùn)移，使得煤中瓦斯得到保存。自燃初期，水具有促進(jìn)作用。隨著煤中水的蒸發(fā)減少，煤低溫氧化產(chǎn)生的熱量無法逸散而聚集，同時(shí)裂隙帶來的更多氧氣為自燃提供了有利的地質(zhì)條件。

（5）井田山體陡峭，煤層出露較好，夏季較為炎熱，光照充足，加之煤中氧氣供給豐富，自燃較易發(fā)生。

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（編輯荀海鑫）

Features and control conditions of gas and coal spontaneous combustion of one minefield in Xinjiang

WANG Huaimeng
（No.3 Exploration Brigade of Shandong Geological Coal Field Bureau，Taian 271000，China）

This paper is motivated by a need for a deeper understanding of the two main environmental geological characteristics unique to one minefield in Xinjiang Province.The research builds on the geological conditions of this mine，analyzes features of gas and spontaneous combustion of coal seam，and investigates the geological conditions underlying the two environmental geological factors.The results show that coal seams are of higher thickness and more layers and thus a higher gas content；tectonic movement has resulted in the two occurrences of coal generation processes，producing a large amount of gas，which are prevented by associated reverse faults from escaping，contributing to a higher gas content；higher dip angle，better developed outcrops and oxygen channels occurring in fissures are contributors to spontaneous combustion；water running downward through coal seams keeps gas from upward migration，with a consequent effective gas sequestration；and the combined factors，such as water beneficial to the initial stage of coal spontaneous combustion，a better coal exposure，an easier accumulation of coal heat，and a relatively abundant supply of oxygen contribute to leaving coals prone to spontaneous combustion.

coal spontaneous combustion；gas；Xinjiang coal mine；coal seam development；tectonic movement；hydrogeological condition

10.3969/j.issn.2095-7262.2015.06.004

TD163.1

2095-7262（2015）06-0593-04

A

2015－11－04

王懷勐（1986-），男，山東省泰安人，工程師，碩士，研究方向：煤田地質(zhì)，E-mail：whmcumt@163.com。