河南省崤熊構造區(qū)主采煤層瓦斯地質(zhì)規(guī)律

劉見寶，宋志敏，陳守民，廉有軒，楊曉娜，曲艷偉（.河南工程學院，河南鄭州 459；.河南省國土資源科學研究院，河南鄭州 450053）

河南省崤熊構造區(qū)主采煤層瓦斯地質(zhì)規(guī)律

劉見寶1，宋志敏1，陳守民2，廉有軒1，楊曉娜1，曲艷偉1
（1.河南工程學院，河南鄭州 451191；2.河南省國土資源科學研究院，河南鄭州 450053）

采用評價、校正后的174個可用鉆孔煤層瓦斯含量點繪制了崤熊構造區(qū)主要煤田主采煤層瓦斯含量等值線圖，通過分析比較各煤田瓦斯地質(zhì)特征，總結(jié)了區(qū)域構造對煤層瓦斯分布的控制規(guī)律。崤熊構造區(qū)主要煤田主采煤層瓦斯含量總體較低，平均值基本在6 m3/t以下。煤變質(zhì)程度低，以長焰煤、氣肥煤為主，導致煤層瓦斯含量總體偏低。崤熊構造區(qū)受秦嶺造山帶的影響，在先期逆沖推覆構造的基礎上，疊加了后期的伸展構造，不利于煤層瓦斯的保存。

崤熊構造區(qū)；主采煤層；瓦斯地質(zhì)

0 引言

在相當長一段時間內(nèi)，煤炭仍是我國經(jīng)濟發(fā)展的支柱能源。煤層瓦斯是一柄具有兩面作用的雙刃劍。其一，它是煤礦安全生產(chǎn)的主要威脅；其二，瓦斯又是一種潔凈的能源，在目前我國能源緊缺的狀況下，對社會主義建設和國民經(jīng)濟的發(fā)展具有不可估量的作用。河南省煤炭資源豐富，是全國第二煤炭生產(chǎn)大省，品質(zhì)優(yōu)良，煤類齊全，以中、高階煤為主，煤層氣資源十分可觀。在全省的192個縣市中已知52個有煤炭資源賦存。含煤面積約1.9萬km2，占全省總面積的11.4%。省內(nèi)主要煤業(yè)集團，如焦作、平頂山、鶴壁、鄭州、安陽等都受到瓦斯災害的威脅，礦井瓦斯是制約煤炭工業(yè)可持續(xù)發(fā)展、威脅礦工人身安全的重要因素。本文采用評價、校正后的174個可用鉆孔煤層瓦斯含量點繪制了崤熊構造區(qū)主要煤田主采煤層瓦斯含量等值線圖，分析了影響煤層瓦斯含量的主要地質(zhì)因素。研究成果的應用將對煤礦安全、高效的生產(chǎn)起到積極的指導作用。

1 研究區(qū)構造特征

崤熊構造區(qū)位于華北板塊南緣，北界為岸上-襄郟斷裂，南界為欒川-固始斷裂，主要受秦嶺造山帶的影響，構造線走向NW，褶皺逆沖斷裂發(fā)育，地層傾角一般在35°以上，局部直立、倒轉(zhuǎn)。印支期的陸內(nèi)造山作用使秦嶺地殼發(fā)生疊置、堆垛、縮短、增厚并導致深部地殼重熔，形成向南的逆沖推覆構造。造山演化階段后期，地殼由前期的收縮逐漸轉(zhuǎn)為伸展，早期形成的較高層次逆沖巖席的重荷使逆沖巖席依次向北推擠，形成了山麓推覆構造帶，表現(xiàn)為一系列NW向規(guī)模較大的逆斷層[1-2]。以三門峽-平輿斷層為界，將該區(qū)分為南區(qū)與北區(qū)（圖1），南區(qū)為太華群變質(zhì)巖系及中、上元古界火山巖系和沉積巖分布區(qū)，區(qū)內(nèi)巖漿活動強烈，主要是燕山期酸性巖漿的侵入，形成規(guī)模巨大的巖基，主要有伏牛山巖基和小秦嶺巖體。北區(qū)為古生界碳酸鹽巖系和含煤碎屑巖系，巖漿活動微弱，中、新生代有小規(guī)?；浴⒅行?、酸性巖體侵入和噴發(fā)。

圖1 崤熊構造區(qū)構造特征及煤田分布Figure 1 Structural features and coalfield distribution in Xiaoxiong structural belt

在崤熊構造區(qū)，以褶皺—逆沖斷裂為特征的構造形式，不但顯示了該區(qū)的變形特征，而且對煤田的展布和賦存起到了控制作用。如圖1所示，在岸上-襄郟平移斷層以南，三門峽-平輿斷層以北的狹長地帶，賦存著陜澠—義馬、宜洛、臨汝、韓梁—平頂山四個煤田，這些煤田的展布均為NW向和EW向，與構造區(qū)褶皺、斷層走向一致。

2 煤層瓦斯分布特征

2.1 煤層瓦斯資料及其評價

勘探期間瓦斯含量測試方法有三種：真空罐、集氣式和解吸法。為保證資料的可靠性，并使各種方法的測試結(jié)果之間具有可比性，有必要對收集到的地質(zhì)勘查期間鉆孔瓦斯含量進行評價和校正。另外，瓦斯含量的測試結(jié)果還受采樣深度的影響。因此，根據(jù)測試方法和采樣深度，采取相應的校正系數(shù)對搜集的瓦斯含量數(shù)據(jù)進行了校正。據(jù)統(tǒng)計，真空罐和集氣式方法測得的瓦斯含量較解吸法大約偏低30%和20%；當埋藏深度大于500 m后，由于樣品暴露時間較長，測得的瓦斯含量大約偏低20%。據(jù)此制定校正原則為：真空罐和集氣式測試的瓦斯含量分別乘以1.3和1.2，解吸法乘以1，當深度大于500 m時，各種測試方法獲得的瓦斯含量均再乘以1.2（表1）[3]。

各種測試方法測得的均為可燃基瓦斯含量，而原煤的瓦斯含量要考慮水分和灰分的影響，所以有必要進行水分和灰分的校正，把可燃基瓦斯含量換算為原煤瓦斯含量。校正公式如下：

表1 校正原則一覽表Table 1 Data sheet of checking principles

式中：W為原煤瓦斯含量，mL/g；Wdaf為可燃基瓦斯含量，mL/g；A為煤中灰分，無鉆孔灰分資料時，取井田煤層平均灰分，%；M為煤中水分，無鉆孔水分資料時，取井田煤層平均水分，%。

2.2 主采煤層瓦斯分布

根據(jù)收集到的174個合格地勘期間鉆孔瓦斯含量，利用Mapgis繪制了崤熊構造區(qū)主要煤田主采煤層瓦斯含量等值線圖，結(jié)合等值線圖對各煤田煤層的含氣特征進行分析。

2.2.1 陜澠—義馬煤田

陜澠—義馬煤田主采煤層為侏羅系義馬組煤層，合格鉆孔煤層瓦斯資料46個，主要分布于義馬煤田。其埋深變化為29.29～941.21 m，瓦斯含量變化為0.02～3.12 m3/t，平均為0.67 m3/t，其中有43個鉆孔瓦斯成分在80%以下。煤變質(zhì)程度是煤田主采煤層瓦斯含量的主控因素，鉆孔所在義馬煤田煤類均為長焰煤，變質(zhì)程度較低，對甲烷的吸附能力較低，相應煤層瓦斯含量也低。

煤田位于崤熊構造區(qū)西北端，屬板內(nèi)逆沖褶皺帶。印支期，在南北向擠壓應力作用下形成了向東傾伏的不對稱澠池向斜。燕山晚期NE向擠壓應力形成義馬凹陷，在煤田東南部義馬煤田沉積了侏羅紀煤層。喜山期，在澠池向斜基礎上繼續(xù)沉降，大面積接受新生界沉積。煤層瓦斯含量分布主要受義馬斷層及澠池向斜的控制。義馬斷層為逆斷層，淺部傾角70°左右，深部漸緩一般30°左右，斷距東段較小，向西漸大，可達1000 m以上，有利于煤層瓦斯的逸散。澠池向斜為一軸向近東西，向東傾伏的不對稱向斜。該向斜形成于印支期，燕山期被破壞、改造，致使其北翼傾角在15°～50°，南翼地層直立或倒轉(zhuǎn)，導致其煤層瓦斯保存條件遭到破壞，含氣量異常低。

2.2.2 臨汝煤田

取得合格鉆孔煤層瓦斯資料45個，主要集中在煤田東南部的張村、牛村井田及北部的庇山一號、庇山二號井田。鉆孔取樣深在112.2～920.04 m，瓦斯含量極大值17.75 m3/t，平均為2.44 m3/t。其中有36個鉆孔瓦斯成分小于80%，43個鉆孔瓦斯含量在8 m3/t以下。其中北部的庇山一號、庇山二號井田瓦斯含量均在6 m3/t以下，且多在4 m3/t以下；南部的張村、牛村井田瓦斯含量相對較高（圖2）。

圖2 臨汝煤田南部二1煤層瓦斯含量等值線圖Figure 2 Isogram of coal II1gas content in southern Linru coalfield

臨汝煤田大部位于崤熊構造區(qū)的北部，東北跨及嵩箕構造區(qū)，屬延展于華北板塊南部的巨型褶皺-逆沖帶的中段。煤田基本構造形態(tài)受控于秦嶺造山帶，先期形成的推覆構造及推覆期后的應力松弛造成了煤層不連續(xù)，呈孤立斷塊散布于煤田南北兩側(cè)[4-7]。煤田基本構造特征為在褶皺基礎上，斷裂較為發(fā)育。印支期，軸向東西的褶皺毗連，煤層形態(tài)波狀起伏；燕山期，斜貫全區(qū)的NW向斷裂被NE向斷裂斬為數(shù)段，眾多斷塊內(nèi)含煤巖系形態(tài)各異；喜山期，東部沉降產(chǎn)生拉張作用，形成近東西向斷裂與滑動構造，斷塊被掀斜。多期構造作用形成現(xiàn)今煤巖層支離破碎的構造格局，據(jù)粗略統(tǒng)計區(qū)內(nèi)有斷層近百條，并且滑動構造較發(fā)育，為煤層瓦斯的逸散提供了通道（圖2）。

2.2.3 韓梁—平頂山煤田

韓梁—平頂山煤田包括韓梁和平頂山兩個礦區(qū)，取得合格鉆孔資料83個。其中分布于韓梁礦區(qū)4個鉆孔資料，其取樣深度均小于300 m，其瓦斯含量甚微。分布于平頂山礦區(qū)的79個鉆孔，取樣深度在88.5～1206 m，但大部分取樣深度較大，500 m以淺的鉆孔僅有14個，瓦斯含量極大值為16.79 m3/t，平均值為6.10 m3/t。

煤田位于華北板塊南緣崤熊構造區(qū)NW向大型褶皺逆沖帶中段前緣的陜（縣）平（頂山）斷陷區(qū)。早古生代接受了近千米左右以碳酸鹽巖為主的海相建造，經(jīng)過晚寒武世至石炭世之間的剝蝕階段，又接受了近千米的海陸交互相和含煤碎屑鹽巖建造，晚二疊世后成為大陸。燕山運動引起的斷塊運動及褶皺運動使本區(qū)基底斷塊隆起，上覆地層發(fā)生NW-SE向的褶皺和斷裂，伴之外圍形成坳陷，在西部韓梁礦區(qū)還有大規(guī)模的巖漿活動。經(jīng)過燕山運動已奠定了現(xiàn)今地質(zhì)構造格局，以開闊背、向斜構造，同時伴之以NW向和NE向的高角度斷裂。北東向的郟縣斷層將煤田分為韓梁和平頂山兩個礦區(qū)。韓梁礦區(qū)構造復雜，斷層相對密集，煤層完整性遭到破壞，整個礦區(qū)瓦斯含量較低。平頂山礦區(qū)為四周由坳陷烘托的隆起，北西有寶豐、郟縣凹陷帶，南部有葉縣、漯河坳陷帶，東北有襄縣、臨潁凹陷帶，這些坳陷帶都有厚達一兩千米的新生代沉積，它們與平頂山斷塊隆起均以高角度正斷層相隔。這些斷層規(guī)模大、延伸遠，并與地表溝通，是典型的開放性斷層。平頂山礦區(qū)主體為寬緩復式向斜—李口向斜，軸向NW，向NW傾伏，兩翼基本對稱，地層傾角5°～20°，軸部傾角較緩，兩翼次級褶曲發(fā)育。較大斷層除北、西、南部的邊界斷層之外，僅有李口向斜南翼的鍋底山斷層，但向斜兩翼中小斷層較為發(fā)育[8-10]。

韓梁礦區(qū)超無煙煤分布較為廣泛，其揮發(fā)份為9.87%，而水分含量較高，為2.63%，煤的吸附性能降低，且煤層埋藏淺，地質(zhì)構造復雜，導致煤層瓦斯含量甚微。

圖3 平頂山礦區(qū)二1煤層瓦斯含量等值線圖Figure 3 Isogram of coal II1gas content in Pingdingshan mining area

平頂山礦區(qū)煤層瓦斯含量分布基本受構造控制（圖3），礦區(qū)主體構造李口向斜軸部斷裂不甚發(fā)育，煤層埋深及上覆有效地層厚度較大，有利于煤層瓦斯保存[11-15]。兩翼處于軸向正斷層發(fā)育地帶，落差為1～10 m的小斷層較發(fā)育，煤層埋藏相對較淺，煤層瓦斯易于逸散。鍋底山斷層為一同沉積構造，走向NW-SE，雖然具有正斷層性質(zhì)，但由于燕山晚期SW-NE向擠壓構造應力的影響，致使其為封閉式的正斷層，對于向斜軸部煤層瓦斯向淺部的逸散有阻隔作用。由于上述控氣構造，導致山西組二1煤層瓦斯含量在向斜軸部較高，向兩翼方向逐漸降低，翼部的次級褶皺導致瓦斯含量向軸部增大的總趨勢產(chǎn)生局部波動（圖3）。煤層埋藏較深是本區(qū)的特點。在500 m以深煤層瓦斯含量與埋深相關性極差，到了1000 m以深甚至呈現(xiàn)負相關，這與該區(qū)地溫高異常有關，平頂山煤田地溫梯度比豫西其它煤田一般高出0.4～1.2℃/100 m，二1煤層為26℃～47℃，屬于地溫高異常區(qū)。埋藏越深，煤層溫度越高，有利于煤層瓦斯的解吸，降低煤層瓦斯含量。本區(qū)煤主要以氣、肥煤為主，其揮發(fā)份為36.29%，水分較高為2.06%，也是本區(qū)雖然埋藏較深，但是瓦斯含量并不高的一個原因。其肥煤比表面積為117141 cm2/g，微孔表面積占95.51%，而焦作無煙煤的比表面積為121583 cm2/g，微孔表面積占96.56%，二者相比，前者的比表面積和微孔表面積百分比都不算很低，但是其甲烷吸附能力卻僅為焦作無煙煤的1/2左右。其主要原因是在肥煤變質(zhì)階段，對煤層甲烷吸附能力起主導作用的是水分對煤親甲烷性的影響，而非煤的比表面積。由于此變質(zhì)階段煤水分較大，煤親水而疏甲烷，對甲烷的吸附性能較低，導致煤層瓦斯含量較低。

3 瓦斯分布主要影響因素

陜澠—義馬煤田為侏羅紀煤層，由于其變質(zhì)程度較低，煤類為長焰煤，吸附能力小，雖然其埋深較大，煤層瓦斯含量亦甚低。

臨汝煤田由于先期的逆沖推覆及后期的伸展作用使煤層分割為孤立斷塊，且斷塊內(nèi)小構造縱橫發(fā)育，瓦斯逸散嚴重。

韓梁—平頂山煤田煤類為氣肥煤為主，其吸附甲烷的能力僅為WY的1/2左右，但是由于其埋藏深度較大，埋深變化為88.5～1 206 m，平均為750 m左右，對煤層甲烷的保存較為有利。但由于煤田為地溫異常區(qū)，在1000 m以深煤層瓦斯含量隨著埋深增加遞減。

4 結(jié)論

①崤熊構造區(qū)主要煤田主采煤層瓦斯含量總體較低，平均值基本在6 m3/t以下。

②煤變質(zhì)程度低，以長焰煤、氣肥煤為主，是煤層瓦斯含量總體偏低的先天因素。

③崤熊構造區(qū)受秦嶺造山帶的影響，在先期逆沖推覆構造的基礎上，疊加了后期的伸展構造，構造形跡復雜，煤層瓦斯保存條件較差。

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Main Mineable Coal Seam Gas Geological Pattern in Xiaoxiong Structural Belt,Henan Province

Liu Jianbao1,Song Zhimin1,Chen Shoumin2,Lian Youxuan1,Yang Xiaona1and Qu Yanwei1
(1.Henan University of Engineering,Zhengzhou,Henan 451191; 2.Henan Academy of Land and Resources Sciences,Zhengzhou,Henan 450053)

Through assessed,checked data from174 boreholes coal seam gas content points mapped out main coalfields main mineable coal seam gas content isogram in the Xiaoxiong structural belt.Then through analytic comparison of various coalfields gas geological characteristics,summed up regional tectonics control on coal seam gas distribution.Main coalfields main mineable coal seam gas content is rather low as a whole with average value less than 6m3/t.Coal metamorphism degree is low,mainly long flame coal and gas-fat coal,thus the congenital factor of overall low coal seam gas content.Impacted by the Qinling orogenic belt,in Xiaoxiong structural belt, on the basis of earlier thrusting nappe structure,has superimposed posterior extensional structure,and thus went against coal seam gas preservation.

Xiaoxiong structural belt;main mineable coal seam;gas geology

TD712.2

A

10.3969/j.issn.1674-1803.2017.02.08

1674-1803(2017)02-0035-05

國家自然科學基金“瓊東南盆地新生代構造東西分異的動力學機制研究”（編號：41206037），河南工程學院博士基金項目“濟陽坳陷新生代構造與油氣成藏”（編號：D2015010）

劉見寶（1982—），男，開封人，講師，博士，2011年畢業(yè)于中國科學院廣州地球化學研究所，現(xiàn)從事構造地質(zhì)、瓦斯地質(zhì)的研究、教學工作。

2016-10-10

責任編輯：宋博輦