五宮煤礦區(qū)兩大環(huán)境地質(zhì)因素及其控制條件

王 玲

（山東省煤田地質(zhì)局第五勘探隊，山東泰安271000）

五宮煤礦區(qū)兩大環(huán)境地質(zhì)因素及其控制條件

王 玲*

（山東省煤田地質(zhì)局第五勘探隊，山東泰安271000）

為認(rèn)識五宮煤礦兩大環(huán)境地質(zhì)因素，分析了瓦斯和煤層自燃的發(fā)育特征，探討了控制兩大環(huán)境地質(zhì)因素的地質(zhì)條件。研究表明，研究區(qū)煤層厚度大、層數(shù)多、瓦斯含量較高。煤層為特低硫—中硫煤，揮發(fā)分屬中高—特高，自燃發(fā)火煤層和容易自燃發(fā)火煤層占85%以上。構(gòu)造運(yùn)動控制了煤層的2次生氣過程，產(chǎn)生了大量瓦斯，伴生的逆斷層阻隔了瓦斯的逸散，使得煤層瓦斯含量較高。地層傾角較大，出露較好，且伴生的大量裂隙系統(tǒng)提供了氧氣通道，促進(jìn)了煤自燃的發(fā)生。煤中順層向下流動的水阻隔了瓦斯的順層向上運(yùn)移，對瓦斯起到有效的封存。水對煤體自燃的初始階段起到促進(jìn)作用，隨水分蒸發(fā)減少，煤低溫氧化熱量無法逸散，同時煤層暴露較好，夏季炎熱，光照充足，煤體熱量易聚集，加之氧氣供給相對豐富，自燃較易發(fā)生。

五宮煤礦；環(huán)境地質(zhì)因素；瓦斯；煤層自燃；水文地質(zhì)條件

近年來，隨著化石能源的不斷開采利用，與之伴隨的環(huán)境問題日益突出，國家十二五規(guī)劃中也把環(huán)境保護(hù)問題當(dāng)做一項重要議題。新疆地區(qū)煤炭資源豐富，預(yù)測儲量2.19×1012t，占全國預(yù)測儲量的40%以上，煤炭的開采利用對于新疆地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展起著重要的支撐作用。然而，煤炭開采過程中伴隨的環(huán)境問題也較為突出，其中最重要的兩大環(huán)境地質(zhì)因素為瓦斯和煤層自燃形成的火燒區(qū)[1]。新疆地區(qū)煤層以侏羅紀(jì)煤層為主，煤層層數(shù)多，厚度也一般較大，且在一些構(gòu)造復(fù)雜區(qū)瓦斯含量較大，最大可達(dá)20m3/t以上。無論是井下開采還是露天開采，瓦斯涌出風(fēng)險較大，為瓦斯安全事故的發(fā)生提供了可能的條件。處于地表的煤層露頭由于易氧化，燃點(diǎn)低，容易發(fā)生煤層自燃。這兩大環(huán)境地質(zhì)因素不僅嚴(yán)重制約煤礦的安全開采，同時也造成了相當(dāng)規(guī)模的資源浪費(fèi)。因此，深入分析煤礦開采過程中的環(huán)境地質(zhì)因素，研究影響其存在的控制條件顯得尤為重要和緊迫。

五宮煤礦煤層層數(shù)多、厚度大、瓦斯含量高；且地表煤層自燃較嚴(yán)重，火燒區(qū)面積大。深入研究兩大因素的發(fā)育特征及其控制因素對下一步指導(dǎo)煤礦的滅火工作及安全生產(chǎn)具體重要的現(xiàn)實意義。

1 地質(zhì)概況

五宮煤礦位于新疆昌吉州阜康市南部約15km處，行政區(qū)劃屬阜康市管轄。構(gòu)造區(qū)劃屬北天山博格達(dá)山前斷褶帶，位于博格達(dá)復(fù)背斜弧形推覆體北側(cè)?？傮w構(gòu)造特征以東西向的線性構(gòu)造為主，主要由單斜構(gòu)造和逆斷層組成。高角度的逆斷層將井田切割成多個小的構(gòu)造單元，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)，地層傾角一般大于45°，地表出露較好。侏羅系下統(tǒng)八道灣組為主要含煤地層，厚674.80～1001.55m，平均厚度819.08m，共計含煤46層（組），含煤系數(shù)19.87%，平均總厚163.82m，其中，可采煤層23層（組），煤級主要為氣煤、肥煤，局部為焦煤。

2 研究區(qū)兩大環(huán)境地質(zhì)因素

2.1 瓦斯

研究區(qū)目前開采標(biāo)高+763m水平，位于瓦斯風(fēng)氧化帶以下。根據(jù)歷年瓦斯等級鑒定結(jié)果，礦井均被鑒定為高瓦斯礦井。根據(jù)以往測得瓦斯含量數(shù)據(jù)，各煤層瓦斯含量一般均較大，23層（組）煤中有20層（組）瓦斯含量大于10m3/t，一般介于5.41～19.58m3/t，最大可達(dá)21.38m3/t。瓦斯壓力介于0.75～1.25MPa，工作面絕對量瓦斯涌出量一般大于12.00m3/min，八道灣組二段煤層最大可達(dá)41.63m3/min。本井田有21層（組）煤達(dá)到煤層氣估算指標(biāo)，其推斷的煤層氣總資源量為32.952×108m3，具有較大的資源儲量和經(jīng)濟(jì)利用價值。而目前井下抽放的瓦斯均未得到有效利用，全部被排入大氣，是研究區(qū)最大的環(huán)境地質(zhì)因素。

2.2 煤層自燃

研究區(qū)地層傾角較大，局部近于直立。煤層地表出露較好，且僅在研究區(qū)北部有第四系覆蓋，煤層自燃現(xiàn)象普遍存在。研究區(qū)煤層自燃后形成的火燒區(qū)共計9個，主要分布在研究區(qū)中部，面積約2.37km2，占研究區(qū)面積達(dá)27.75%。其中，仍有3個活火燒區(qū)仍在燃燒。根據(jù)鉆孔揭露及電法、磁法解譯結(jié)果，煤層自燃深度平均在92.13m，最深達(dá)230.84m（圖1）。

煤層自燃一方面造成資源的極大浪費(fèi)，且煤中硫分轉(zhuǎn)化為二氧化硫，形成有害氣體直接排入大氣；另一方面，自燃后形成了較大的地層空洞，同時上覆地層巖石受熱烘烤，力學(xué)性質(zhì)下降，嚴(yán)重危害礦井的安全生產(chǎn)。

3 控制作用研究

筆者前期對研究區(qū)做了大量的地質(zhì)工作，包括現(xiàn)場踏勘、鉆探、電法磁法測量、化驗測試等，通過綜合研究認(rèn)為，控制研究區(qū)瓦斯和煤層自燃的因素主要為煤層、地質(zhì)構(gòu)造、水文地質(zhì)條件及地形地貌。

3.1 煤層發(fā)育特征的控制

煤層在地質(zhì)歷史時期中受熱演化作用形成瓦斯，是瓦斯地質(zhì)問題的根源；同時，煤的物理化學(xué)性質(zhì)又為自燃創(chuàng)造了物質(zhì)條件[2]。大量研究表明，煤層厚度越大，煤層越破碎，瓦斯含量和瓦斯壓力一般也越大；煤中揮發(fā)份越高，含硫越多，則煤越易自燃。煤中硫分往往是煤層自燃的強(qiáng)烈催化劑[3]。

研究區(qū)侏羅系八道灣組二段和三段煤層層（組）數(shù)最多，厚度最大，一般介于1.63～13.21m，最大可達(dá)30.86m。與之相應(yīng)的瓦斯含量一般介于5.41～19.58m3/t，最大可達(dá)23.36m3/t。而煤層厚度相對較小的八道灣組一段和四段煤層瓦斯含量一般在10m3/t以下（表1）。

表1 研究區(qū)煤層厚度與瓦斯含量表

研究區(qū)發(fā)生自燃的煤層硫分含量介于0.28～1.75%，為特低硫—中硫煤。揮發(fā)分均大于30.43%，屬中高—特高揮發(fā)分煤。煤層自燃傾向性實驗表明，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)造的控制

地質(zhì)構(gòu)造對瓦斯和煤層自燃的控制表現(xiàn)在2個方面：一是控制了沉積有機(jī)質(zhì)的形成環(huán)境和有機(jī)質(zhì)的類型，沉積有機(jī)質(zhì)形成后，受地殼沉降埋藏影響，有機(jī)質(zhì)發(fā)生變質(zhì)作用形成不同煤級的煤層，同時伴隨大量甲烷的形成。形成的甲烷除大部分逸散外，部分儲存在煤層和圍巖孔裂隙中[4]。二是構(gòu)造運(yùn)動形成的各種構(gòu)造形態(tài)控制了煤層及瓦斯的現(xiàn)今賦存特征。在不同構(gòu)造部位，煤層及瓦斯的賦存特征不同。構(gòu)造運(yùn)動的抬升使得煤層出露地表，發(fā)生氧化剝蝕，進(jìn)而造成煤層自燃的發(fā)生。褶皺核部一般裂隙較發(fā)育，瓦斯容易逸散，瓦斯含量一般小于兩翼。而逆斷層對煤中瓦斯運(yùn)移有很好的封堵作用，使得煤中瓦斯得到很好的保存；與之相反，正斷層為張性斷裂，裂隙連通性較好，有利于瓦斯的逸散[5]。統(tǒng)計分析表明，我國大部分?jǐn)鄬影l(fā)育的煤礦區(qū)，逆斷層發(fā)育區(qū)常伴隨高瓦斯礦井或高瓦斯區(qū)的存在，而正斷層發(fā)育區(qū)常伴隨低瓦斯礦井或低瓦斯區(qū)的分布。

研究區(qū)八道灣組為河流—湖泊相沉積產(chǎn)物，聚煤環(huán)境較好，沉積穩(wěn)定，煤層總厚度較大，聚煤作用為瓦斯的生成提供了較好的物質(zhì)基礎(chǔ)。沉積有機(jī)質(zhì)形成后，受燕山期和喜馬拉雅期兩期構(gòu)造應(yīng)力場的作用，煤層經(jīng)歷了沉降—抬升—沉降—抬升的演化過程，有機(jī)質(zhì)經(jīng)歷了2次生氣作用（圖2），鏡質(zhì)組反射率Ro達(dá)1.08%。與此同時，大量發(fā)育的逆斷層阻隔了煤中瓦斯的逸散，使得煤層瓦斯含量較高。

圖2 研究區(qū)主煤層埋藏—生氣史

研究區(qū)構(gòu)造區(qū)劃屬北天山博格達(dá)山前斷褶帶，喜山期強(qiáng)烈的構(gòu)造擠壓使得研究區(qū)形成了大量的高角度逆斷層和緊閉褶皺。煤層產(chǎn)狀一般大于45°，在研究區(qū)中部及南部地層近于直立，含煤地層幾乎均出露地表，為煤層氧化自燃提供了有利條件。同時，構(gòu)造運(yùn)動使得含煤地層形成了大量的裂隙系統(tǒng)，而裂隙是溝通煤層與氧氣的直接通道，促進(jìn)了煤層自燃的發(fā)生。如圖3所示，向斜核部煤層自燃最嚴(yán)重，火燒深度最大，達(dá)近100m。核部位置一方面煤層厚度大，下伏2層煤層厚度均在5.0m以上，而兩翼一般是1.0m以下的相對薄的煤層；另一方面張性裂隙發(fā)育，氧氣供應(yīng)充足，這些都為煤層自燃提供了有利的地質(zhì)條件。

3.3 水文地質(zhì)條件的控制

瓦斯主要以吸附態(tài)賦存在煤的孔隙中，部分游離在煤層及圍巖裂隙中。地下水系統(tǒng)既可以為瓦斯的封存和富集提供天然屏障，又可溶解瓦斯，使瓦斯隨水的徑流發(fā)生逸散。研究表明，水文地質(zhì)條件對瓦斯的控制可概括為3個特征：①水力運(yùn)移逸散作用；②水力封堵作用；③水力封閉作用。其中，第一種作用導(dǎo)致瓦斯的運(yùn)移、散失，后2種作用有利于瓦斯的保存、富集[6]。

煤層自燃與水有重要的聯(lián)系，大量研究表明，水對煤自燃既有促進(jìn)也有抑制作用[7]。促進(jìn)作用表現(xiàn)在煤自燃開始階段，水對煤的氧化有著重要的催化作用。煤體孔隙較發(fā)育，具有較大的比表面積，水分在潤濕煤的過程中，水分與煤體內(nèi)表面相互作用并釋放出一定量的潤濕熱，增加煤體溫度，從而促進(jìn)煤自燃初期的氧化。抑制作用表現(xiàn)在：煤體中存在2種形態(tài)的水分，一種是孔裂隙水分，另一種是化學(xué)水分（氧化基團(tuán)氫鍵）。研究表明，在足夠高的水分含量條件下，孔裂隙水的蒸汽壓力將有效阻止空氣中的氧分子與煤體接觸，進(jìn)而阻止煤的氧化自燃[8]。

研究區(qū)地下水主要受大氣降水和高山融雪補(bǔ)給，水沿地表露頭順層向下流動，而煤中瓦斯運(yùn)移方向為順層向上運(yùn)移，地下水的補(bǔ)給有效封存了煤中的瓦斯。同時，由于研究區(qū)逆斷層較發(fā)育，斷層一般不導(dǎo)水，瓦斯無法隨地下水活動運(yùn)移逸散，煤中瓦斯得到很好的保存。

研究區(qū)氣候?qū)俦睖貛Т箨懶愿珊怠敫珊禋夂颉Ｏ募狙谉幔竞?，晝夜溫差大?月份最高氣溫可達(dá)35.3℃，多年平均降水量251.59mm，蒸發(fā)量大，約為降水量的5倍，為1659.4mm。如前文所述，水對煤體自燃的初始階段起到促進(jìn)作用，隨著水分的蒸發(fā)減少，煤體低溫氧化釋放的熱量無法逸散，而水的蒸發(fā)使得煤中孔裂隙有更多的空間富集氧氣，為煤自燃提供了較好的地質(zhì)條件。

圖3 研究區(qū)背斜構(gòu)造區(qū)煤層自燃特征圖

3.4 地形地貌的控制

地形地貌及氣候特征也是影響煤體自燃的重要方面[9]，在山間低洼處，大氣降水和地表水系容易聚集，對低洼露頭區(qū)的自燃起到很好的抑制作用。同時，在周圍有較高的山丘或陡崖的遮擋條件下，日照對煤的影響相對較弱。而在山丘地區(qū)，處于山頂或山腰處的煤層，一方面水分缺乏，另一方面，露頭周邊沒有大的高山或陡壁遮擋，陽光直接照射在煤體上，促進(jìn)了煤體溫度的升高，進(jìn)而加速了煤的自燃。

研究區(qū)最高海拔+1255.30m，最低海拔+817m，山體陡峭，地表水系不發(fā)達(dá)，且第四系覆蓋較差，這些區(qū)域煤層暴露較好，夏季炎熱，光照充足，煤體熱量容易聚集，加之氧氣供給相對豐富，自燃較易發(fā)生。

4 結(jié)論

通過對研究區(qū)兩大環(huán)境地質(zhì)因素的研究，得出控制瓦斯和煤自燃的主要地質(zhì)條件包括煤層、地質(zhì)構(gòu)造、水文地質(zhì)條件及地形地貌。具體表現(xiàn)在：

（1）研究區(qū)煤層厚度大、層數(shù)多，瓦斯含量以含煤層最厚的八道灣組二段和三段最高。發(fā)生自燃的煤層為特低硫—中硫煤，揮發(fā)分屬中高—特高揮發(fā)分煤，自燃發(fā)火煤層和容易自燃發(fā)火煤層占85%以上。

（2）構(gòu)造運(yùn)動控制了煤層的2次生氣過程，大量發(fā)育的逆斷層阻隔了煤中瓦斯的逸散，使得煤層瓦斯含量較高。地層受構(gòu)造控制，地表出露較好，且伴生的大量裂隙系統(tǒng)提供了氧氣通道，促進(jìn)了煤層自燃的發(fā)生。

（3）煤層中順層向下流動的水阻隔了瓦斯的順層向上運(yùn)移，對瓦斯起到有效的封存。水對煤體自燃的初始階段起到促進(jìn)作用，隨水分蒸發(fā)減少，煤低溫氧化熱量無法逸散，加之孔裂隙富集更多氧氣，為自燃提供了較好的地質(zhì)條件。

（4）研究區(qū)山體陡峭，煤層暴露較好，夏季炎熱，光照充足，煤體熱量容易聚集，加之氧氣供給相對豐富，自燃較易發(fā)生。

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1004-5716（2015）09-0152-04

2015-07-28

王玲（1982-），女（漢族），新疆奎屯人，工程師，現(xiàn)從事水工環(huán)技術(shù)工作。