影響離柳礦區(qū)瓦斯賦存的地質(zhì)因素研究*

郭丁丁，胡　斌

（1.河南理工大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，河南焦作454003；2.山西藍(lán)焰煤層氣集團(tuán)有限責(zé)任公司，山西晉城048000）

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影響離柳礦區(qū)瓦斯賦存的地質(zhì)因素研究*

郭丁丁1，2，胡斌1

（1.河南理工大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，河南焦作454003；2.山西藍(lán)焰煤層氣集團(tuán)有限責(zé)任公司，山西晉城048000）

摘要：應(yīng)用地質(zhì)、瓦斯地質(zhì)等相關(guān)理論，采用數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)、相關(guān)性分析法對(duì)離柳礦區(qū)煤層埋深、蓋層厚度、圍巖性質(zhì)、地質(zhì)構(gòu)造及地下水動(dòng)力條件等地質(zhì)因素對(duì)煤層瓦斯控制作用進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：煤層埋深越大，煤層“壓實(shí)”效果越顯著，同時(shí)加大了煤層瓦斯縱向運(yùn)移難度，利于煤層瓦斯的保存，進(jìn)而表現(xiàn)為煤層瓦斯含量亦越高；蓋層和圍巖對(duì)煤層瓦斯具有“封存”作用，二者對(duì)煤層瓦斯的控制作用顯著，呈正相關(guān)性；地質(zhì)構(gòu)造影響著煤層瓦斯賦存的不均衡性；地下水水動(dòng)力條件弱，徑流條件差，基本呈滯留狀態(tài)，利于煤層瓦斯的保存和富集。研究結(jié)果對(duì)提高研究區(qū)瓦斯地質(zhì)研究程度和瓦斯防治水平具有重要意義。

關(guān)鍵詞：離柳礦區(qū)；地質(zhì)因素；瓦斯地質(zhì)；瓦斯賦存

離柳礦區(qū)總體上為一走向南北、向西傾斜的單斜構(gòu)造，總面積8 413 km2[1]。礦區(qū)主力煤層瓦斯含量整體較高，煤層瓦斯賦存受地質(zhì)因素控制顯著，進(jìn)而體現(xiàn)出區(qū)內(nèi)煤層瓦斯賦存的極不均衡性。因區(qū)內(nèi)缺乏系統(tǒng)的瓦斯地質(zhì)規(guī)律研究，導(dǎo)致瓦斯事故時(shí)有發(fā)生，亦給礦區(qū)瓦斯治理帶來(lái)極大挑戰(zhàn)。為此，應(yīng)用地質(zhì)、瓦斯地質(zhì)等相關(guān)理論，并結(jié)合礦井生產(chǎn)實(shí)踐、現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)和室內(nèi)外實(shí)驗(yàn)等資料，綜合分析和研究了煤層埋深、蓋層厚度、圍巖性質(zhì)、地質(zhì)構(gòu)造以及地下水動(dòng)力條件等地質(zhì)因素對(duì)礦區(qū)瓦斯賦存的控制作用，以掌握區(qū)內(nèi)瓦斯賦存基本規(guī)律，為礦區(qū)瓦斯防治提供針對(duì)性和有效性措施。

1　地質(zhì)因素對(duì)煤層瓦斯賦存的影響

瓦斯是煤化過(guò)程中地質(zhì)作用的產(chǎn)物，其形成、分布、運(yùn)移、賦存及富集等受控于地質(zhì)因素[2-5]。下面主要從埋深、蓋層厚度、圍巖性質(zhì)、地質(zhì)構(gòu)造以及地下水動(dòng)力條件等地質(zhì)因素與煤層瓦斯賦存的關(guān)系著手，探究其對(duì)礦區(qū)瓦斯賦存的控制作用。

1.1煤層埋深及蓋層厚度對(duì)瓦斯賦存的影響

煤層埋深及蓋層厚度對(duì)煤層瓦斯具有顯著的控制作用，是瓦斯地質(zhì)規(guī)律分析和研究的重要內(nèi)容之一[6-8]。根據(jù)研究區(qū)現(xiàn)有的瓦斯含量測(cè)試參數(shù)和采樣資料，分別對(duì)各測(cè)點(diǎn)瓦斯參數(shù)及其埋深、蓋層厚度作了統(tǒng)計(jì)和彼此間的相關(guān)性分析，如表1、表2所示。

表1　礦區(qū)主采煤層埋深與含氣量關(guān)系

表2　礦區(qū)主采煤層蓋層厚度與含氣量關(guān)系)

從相關(guān)性分析可以看出，區(qū)內(nèi)煤層埋藏深度及蓋層厚度與煤層瓦斯含量間具有較好的正相關(guān)線性關(guān)系。這主要緣于煤層埋深越深、蓋層厚度越大，地應(yīng)力亦相應(yīng)增大，覆巖“壓實(shí)”效果越顯著，致使煤層透氣性變差和加劇了煤層瓦斯橫、縱向運(yùn)移難度，利于煤層瓦斯保存；同時(shí)，煤層埋深增加，儲(chǔ)層壓力亦會(huì)相應(yīng)增大，導(dǎo)致煤對(duì)瓦斯的吸附勢(shì)能增大，利于煤層對(duì)瓦斯的大量吸附。

1.2圍巖性質(zhì)對(duì)瓦斯賦存的影響

圍巖指煤層頂、底板，其巖性及其組合對(duì)煤層瓦斯賦存有重要影響。一般地，圍巖為致密完整、不透氣或透氣性極差的泥巖、砂質(zhì)泥巖等巖性時(shí)，煤層瓦斯易于保存，煤層瓦斯常顯示高值；反之，瓦斯易于逸散[9-11]。鑒于區(qū)內(nèi)雙柳和賀西兩礦井瓦斯數(shù)據(jù)較全，故僅探討以上區(qū)域的圍巖性質(zhì)對(duì)煤層瓦斯賦存的影響。因區(qū)內(nèi)各礦井相鄰且地質(zhì)條件、煤儲(chǔ)層物性及特征等類似，研究結(jié)果有較好的代表性。

雙柳礦3+4號(hào)煤層頂?shù)装鍘r性和賀西礦3號(hào)煤層頂?shù)装鍘r性及其瓦斯含量統(tǒng)計(jì)情況分別如表3、表4所示。

表3　雙柳礦3+4號(hào)煤層圍巖性質(zhì)與瓦斯含量統(tǒng)計(jì)表

表4　賀西礦3號(hào)煤層圍巖性質(zhì)與瓦斯含量統(tǒng)計(jì)表

為探究頂?shù)装尻P(guān)鍵蓋層對(duì)煤層瓦斯的影響及其關(guān)系，分別對(duì)雙柳礦和賀西礦主采煤層圍巖厚度xD1、xD2與瓦斯含量y作了相關(guān)性分析。由相關(guān)性分析可以看出：雙柳礦瓦斯含量與圍巖頂?shù)装迥鄮r厚度具有較好的正線性相關(guān)，即頂、底板泥巖層厚度越大，對(duì)煤層瓦斯保存越有利，瓦斯含量亦越高，見(jiàn)圖1；賀西礦主采煤層頂板泥巖蓋層厚度與煤層瓦斯含量的關(guān)系與雙柳礦基本類似，二者間亦呈現(xiàn)出較好的正相關(guān)性，見(jiàn)圖2。

圖1　雙柳礦3+4號(hào)煤層圍巖厚度與瓦斯含量關(guān)系圖

圖2　賀西礦3號(hào)煤層頂板泥巖厚度與瓦斯含量關(guān)系圖

1.3地質(zhì)構(gòu)造對(duì)瓦斯賦存的影響

構(gòu)造作為控制煤層瓦斯賦存的最關(guān)鍵地質(zhì)因素，歷來(lái)備受關(guān)注[12-16]。離柳礦區(qū)地處河?xùn)|煤田中部，整體為一向西傾斜的單斜構(gòu)造，構(gòu)造之上又發(fā)育有次一級(jí)的波幅不大寬緩褶曲和斷裂構(gòu)造，對(duì)研究區(qū)煤層瓦斯起到區(qū)域控制作用。

雙柳井田內(nèi)以斷裂和陷落柱構(gòu)造為主。斷裂構(gòu)造多為高角度正斷層，其落差普遍較小。據(jù)采礦揭露發(fā)現(xiàn)，斷層面緊閉且基本不見(jiàn)破碎帶，通常不含水、不導(dǎo)水，該條件下煤層瓦斯不易于逸散，進(jìn)而體現(xiàn)出斷裂構(gòu)造帶及其附近瓦斯低值現(xiàn)象少見(jiàn)；陷落柱直徑較小，柱體巖塊縫隙間有方解石及硫鐵礦晶體充填，基本呈“干涸”狀態(tài)且不導(dǎo)水。由此可見(jiàn)，上述構(gòu)造均未對(duì)煤層瓦斯逸散提供有效通道。

沙曲井田構(gòu)造以波幅不大的次級(jí)小褶曲為主，斷裂和陷落柱構(gòu)造不甚發(fā)育。區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造多為張性“開(kāi)放型”構(gòu)造，對(duì)煤層瓦斯的“封存”效果差。其他構(gòu)造對(duì)煤層瓦斯賦存的影響也較小，故井田內(nèi)煤層瓦斯含量較低。

賀西井田煤層瓦斯受地質(zhì)構(gòu)造影響較為顯著，瓦斯賦存極不均衡，具體表現(xiàn)為：正斷層為張性“開(kāi)放型”構(gòu)造，其范圍內(nèi)煤層瓦斯含量多顯示低值；而逆斷層為壓性“封閉型”構(gòu)造，對(duì)煤層瓦斯起到良好的“封存”效果，其范圍內(nèi)煤層瓦斯含量普遍較高或顯示異常。

由上述可知，地質(zhì)構(gòu)造導(dǎo)致煤層瓦斯賦存的不均衡性。壓性、壓扭性“封閉型”構(gòu)造，利于煤層瓦斯的“封存”和局部富集，煤層瓦斯含量多顯示高值；而張性、伸展性“開(kāi)放型”構(gòu)造，易于瓦斯的逸散，煤層瓦斯含量普遍較低。

1.4地下水動(dòng)力條件對(duì)瓦斯賦存的影響

地下水對(duì)煤層瓦斯賦存具有重要影響的觀點(diǎn)已被學(xué)者們所公認(rèn)，其主要以徑流逸散、水力封堵、水力封閉等形式對(duì)煤層瓦斯進(jìn)行控制[17-22]。

離柳礦區(qū)在水文地質(zhì)單元上基本屬于柳林泉域巖溶水系統(tǒng)，區(qū)內(nèi)含水層主要有三套，自下而上分別為寒武～奧陶系灰?guī)r巖溶裂隙含水層組、石炭～三疊系砂巖孔隙裂隙含水層組及第四系松散堆積物含水層組。因區(qū)內(nèi)南、北及東部寒武、奧陶系灰?guī)r層的大面積出露，具有良好的地下水補(bǔ)給條件，巖層富水性相對(duì)強(qiáng)，據(jù)鉆孔抽水試驗(yàn)；其他含水層組被地表厚厚黃土層所覆蓋，地下水補(bǔ)給條件較差，巖層富水性亦相對(duì)較弱。區(qū)內(nèi)地下水主要由北、南及東部向中部流動(dòng)匯聚，然后以農(nóng)用水、采礦排水及泉的形式排出。

從整體上看，本礦區(qū)地下水水動(dòng)力條件相對(duì)較弱，基本屬于弱徑流帶和滯留區(qū)，對(duì)煤層瓦斯起到“封閉”作用，使得區(qū)內(nèi)煤層瓦斯含量整體較高。特別是研究區(qū)中部及西部弱徑流帶、地下水基本處于滯留狀態(tài)，該帶煤層瓦斯含量明顯高于北、南、東部相對(duì)強(qiáng)徑流區(qū)。

2　結(jié)論

1）研究區(qū)主采煤層埋深及蓋層厚度與煤層瓦斯含量具有較好的正相關(guān)性，其埋深越深、厚度越大，地應(yīng)力亦相應(yīng)增加、覆巖“壓實(shí)”效果越顯著，致使煤層透氣性變差，加大了煤層瓦斯橫、縱向運(yùn)移難度，利于煤層瓦斯保存；同時(shí)，隨著煤層埋深增加，儲(chǔ)層壓力相應(yīng)增高，煤對(duì)瓦斯的吸附勢(shì)能增大，利于煤層瓦斯的大量吸附。

2）研究區(qū)主采煤層頂?shù)装鍨橹旅芡暾?、透氣性極差的泥巖組成，對(duì)煤層瓦斯起到良好的“封堵”作用，其厚度越大煤層瓦斯含量越高，反之亦然。

3）研究區(qū)地質(zhì)構(gòu)造條件相對(duì)簡(jiǎn)單，構(gòu)造多以壓性“封閉型”為主，在該區(qū)域煤層瓦斯含量多顯示高值或異常，而在張性“開(kāi)放型”構(gòu)造帶，煤層瓦斯含量普遍顯示低值。構(gòu)造影響著區(qū)內(nèi)煤層瓦斯賦存的不均衡性。

4）研究區(qū)地下水動(dòng)力條件總體較弱，其基本為弱徑流帶和滯留區(qū)，對(duì)煤層瓦斯起到一定的“封閉”作用，瓦斯含量整體較高。但相對(duì)強(qiáng)徑流帶煤層瓦斯含量明顯比弱徑流帶煤層瓦斯含量低。

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（編輯：李森森）

Geological Factors of Gas Occurrence in Liliu Mine

GUO Dingding1,2, HU Bin1
（1. Institute of Resources and Environment, Henan Polytechnic University, Jiaozuo 454003, China; 2. Shanxi Lanyan Coalbed Methane Group, Jincheng 048000, China)

Abstract:With geology, gas geology, and other related theories, mathematical statistics and correlation analysis were used to study the control effects of some geological factors on coalbed methane （CBM）, including the buried depth of coal seam, the thickness of cover coat, surrounding rock features, tectonics, and groundwater conditions. The results show that the greater the buried depth is, the more remarkable effect of compaction of the coal seams and the more difficulty of vertical movement of CBM among the coal seams, which facilitates the gas preservation and then increases gas content. The cover coat and surrounding rock could seal the CBM and their control effects on the CBM are positively correlated. The tectonics affects the imbalance of the CBMoccurrence. Underground water is basically in a retention state due to weak hydrodynamic condition and poor runoff condition, which is beneficial for the conservation and enrichment of CBM. The study is of importance to improve gas geology study and gas control in the region.

Keywords:Liliu mine; geological factors; gas geology; gas occurrence

作者簡(jiǎn)介：郭丁丁（1986-），女，山西晉城人，在讀工程碩士，助理工程師，從事地面煤層氣勘探與開(kāi)發(fā)工作。

基金項(xiàng)目：山西省科技重大專項(xiàng)（20111101001）

收稿日期：2015- 11- 15

DOI:10.3969/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2016.01.008

文章編號(hào)：1672- 5050（2016）01- 0025- 04

中圖分類號(hào)：TD712.2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A