煤礦外圍（深部）影響煤層瓦斯賦存的地質(zhì)因素

吳桁

摘 要：煤層瓦斯的運移和賦存在開采過程中占有很重要的地位，其影響因素也是多種多樣。為查明影響淮南潘集煤礦外圍（深部）瓦斯賦存的地質(zhì)因素，利用潘集煤礦外圍勘查區(qū)勘探鉆孔及煤樣測試資料，結(jié)合潘集煤礦采掘?qū)嵰娰Y料，對影響瓦斯賦存的地質(zhì)構(gòu)造、煤層頂?shù)装鍘r性、煤變質(zhì)程度、煤層埋深、煤系地層的含水性等地質(zhì)因素逐一分析，同時根據(jù)周邊礦井生產(chǎn)實測資料，預(yù)測深部瓦斯賦存及分布規(guī)律。研究結(jié)果表明：地質(zhì)構(gòu)造（主要為斷層和褶曲）、煤層頂?shù)装?、煤層埋深以及煤的變質(zhì)程度是影響潘集煤礦外圍（深部）瓦斯賦存的主要地質(zhì)因素，且共同決定了本區(qū)煤層高瓦斯含量、高瓦斯壓力及高地應(yīng)力的特征。研究成果為進一步的采掘部署和瓦斯防治工作提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：深部；瓦斯賦存；地質(zhì)因素；分析

中圖分類號： TD712 文獻標志碼：A [WT]文章編號：1672-1098（2017）03-0060-06

Abstract：The migration and occurrence of coal seam gas plays an important role in the process of mining. The influence factors are also varied. In order to identify the geological factors which affect the peripheral （deep） gas occurrence in Panji Coal Mine in Huainan.， in this paper， the geological factors， such as the geological structure， the lithology of the top， bottom of the coal seam， the degree of coal metamorphism， the depth of coal seam and the water content of the coal measures were analyzed one by one by using the Panji Coal Mine exploration area exploration drilling and coal sample test data and Panji Coal Mines mining real information. ； meanwhile， the laws of occurrence and distribution of deep gas were predicted according to the actual production data of surrounding mine. The results show that the geological structure （mainly faults and folds）， the seam roof and floor， the seam depth and the degree of metamorphism of coal are the main geological factors that affect the occurrence of gas in the periphery （deep） of Panji Coal Mine，and also determine the characteristics of high gas content， high gas pressure and high ground stress in the coal seam of this area. The research results provide theoretical basis for further excavation and gas control.

Key words：depth； gas occurrence； geological factors； analysis

1 概況

1.1 地理位置

潘集煤礦外圍（深部）主要位于淮南市潘集區(qū)和鳳臺縣境內(nèi)，東北部位于蚌埠市懷遠縣境內(nèi)，該區(qū)域煤炭資源豐富，是淮南礦區(qū)最重要的接替資源，經(jīng)查明區(qū)塊內(nèi)煤炭資源量47.92億噸，規(guī)模達特大型，范圍具體為：北部及西部以朱集東、潘二、潘一、潘三、丁集煤礦的深部礦井邊界為界，東部及南部以13-1煤層-1 500m水平地面投影線及謝橋向斜軸為界（見圖1）。圖1 淮南礦區(qū)構(gòu)造綱要圖（據(jù)安徽省煤田地質(zhì)局勘查研究院，2016）

1.2 地質(zhì)概況

潘集煤礦外圍（深部）為新生界松散層所覆蓋的全隱蔽井田，含煤地層主要為石炭系上統(tǒng)太原組和二疊系山西組與上、下石盒子組。其中石炭系上統(tǒng)太原組含煤極不穩(wěn)定，無開采價值；二疊系山西組與上、下石盒子組為井田主要含煤地層，厚度880～970m，含可定名煤層達34層。

1） 山西組（P1s）：第一含煤段，地層厚度平均68m，含可采煤層兩層，即1、3煤層，平均總厚7.0m，均為較穩(wěn)定煤層。

2） 下石盒子組（P1xs）：第二含煤段，地層厚度平均132m，含可采煤層8層，即4-1、4-2、 5-1、5-2、6-1、7-1、7-2、8煤層，平均總厚13.1m，均為較穩(wěn)定煤層。

3） 上石盒子組（P2ss）：第三～七含煤段，地層厚度平均740m，含可采煤層21層，即10～26煤層，平均總厚17.3m。其中主采11-2、13-1煤層，平均總厚7.28m，均為穩(wěn)定煤層。

1.3 瓦斯分布特征

本區(qū)煤系地層均被新近系、第四系覆蓋，瓦斯封閉條件較好，逸散較困難，造成了本區(qū)域內(nèi)煤層瓦斯壓力大、含量大、突出危險性強。

根據(jù)鄰近潘一礦、潘三礦礦井各主采煤層采掘情況分析，煤層瓦斯含量分布主要受煤層埋藏深度（即距基巖面深度）、地質(zhì)構(gòu)造以及煤層頂板蓋層所控制?？偟膩碇v，埋深淺、構(gòu)造復(fù)雜、裂隙發(fā)育及煤層頂板致密區(qū)域的煤層瓦斯含量較小，反之，較大。

2 影響瓦斯賦存的地質(zhì)因素

2.1 地質(zhì)構(gòu)造

1）斷層。本區(qū)位于淮南煤田復(fù)向斜的東段，陳橋～潘集背斜轉(zhuǎn)折端的深部，北起明龍山斷層，南連謝橋～古溝向斜。背斜軸向NWW，兩翼地層傾角平緩且變化不大，一般為5°～15°，僅在轉(zhuǎn)折端附近，兩翼地層走向有明顯變化，南翼地層走向近EW～NWW向，北翼地層受F66斷層和明龍山斷層影響，走向近SN，如圖1～圖2所示。圖2 潘集煤礦外圍（深部）13-1煤層底板等高線圖（據(jù)安徽省煤田地質(zhì)局勘查研究院，2016）

區(qū)內(nèi)構(gòu)造以斷裂構(gòu)造為主，根據(jù)二維地震及鉆探揭露成果，結(jié)合區(qū)域構(gòu)造規(guī)律，全區(qū)共發(fā)育斷層29條，正斷層24條，逆斷層5條。斷層走向主要呈NW、EW向，其中明龍山斷層、F66斷層是影響區(qū)內(nèi)構(gòu)造劃分的大型斷裂構(gòu)造。

F66逆斷層下盤煤層產(chǎn)狀平坦，且受逆斷層封閉遮擋作用，煤層瓦斯逸散困難，利于保存；F66斷層上盤位于潘集背斜北翼轉(zhuǎn)折端，煤層傾角17°～24°，瓦斯含量相對于下盤要低。

2）褶曲。封閉的背斜有利于瓦斯的儲存，是良好的儲氣構(gòu)造或稱圈閉構(gòu)造，如果背斜頂部裂隙較密集發(fā)育，成為煤層瓦斯氣體逸散運移的通道，常出現(xiàn)背斜軸部的含氣性往往較差，而向兩翼和傾伏端方向含氣性變好，例如潘二礦西四采區(qū)上部處于潘集背斜軸部，18428下順槽底板巷在-560m標高處8煤層瓦斯含量為3.7m3/t，而相鄰的潘一礦位于潘集背斜南翼，其11518上風(fēng)巷高抽巷在-560m標高處8煤層瓦斯含量為5.3m3/t；大型的向斜盆地構(gòu)造，向斜內(nèi)地層一般較平緩，其瓦斯排放條件往往是比較困難的，例如潘三礦董崗郢向斜軸部13-1煤層在-715m標高瓦斯含量為9.5～10.5m3/t，而在向斜兩翼同標高的13-1煤層瓦斯含量約6m3/t。因此，向斜軸部、背斜鞍部、鼻狀構(gòu)造的傾斜端及“S”型背斜轉(zhuǎn)折端一般為瓦斯富集區(qū)。

本區(qū)位于陳橋～潘集背斜的轉(zhuǎn)折端與傾伏區(qū)（見圖2），瓦斯保存條件較好，瓦斯含量較高。

3） 巖漿巖。結(jié)合礦區(qū)地質(zhì)背景，巖漿巖發(fā)育區(qū)斷裂構(gòu)造發(fā)育，瓦斯含量一般較小，變化幅度不明顯，可能是大部分瓦斯已逸散，例如潘一礦西南及南部3煤層大面積為巖漿巖發(fā)育區(qū)，發(fā)育區(qū)內(nèi)4個煤層測試點標高自-850～-970m， 3煤層瓦斯含量為4.16～5.46m3/t； 發(fā)育區(qū)外2個煤層測試點標高分別為-551.9m、-788m，3煤層瓦斯含量為7.15、12.9m3/t。

區(qū)內(nèi)有7個鉆孔揭露有巖漿巖，侵入層位為1、3煤層，主要分布在陳橋～潘集背斜兩翼的西北邊緣。故巖漿巖對于本區(qū)瓦斯的賦存影響較小。

2.2 煤層頂?shù)装鍘r性

圍巖條件直接影響煤層瓦斯賦存量的大小，決定了煤層頂?shù)装鍘r性及其透氣性的強弱，頂板巖層越疏松、顆粒及孔隙度越大，越利于瓦斯運移逸散，例如潘二礦11123工作面里段煤層頂板為厚層中細砂巖直覆，工作面外段煤層直接頂板為泥巖，在11124底抽巷分別對里段、外段取樣測驗，在-470m標高，煤層頂板為砂巖的測試點3煤層瓦斯含量為6.1m3/t，頂板為泥巖的測試點3煤層瓦斯含量高達10m3/t。

淮南煤田煤系是海陸交替相含煤系，由淺海相、過渡相和陸相組成，聚煤古地理環(huán)境屬濱海平原型，巖性和巖相在橫向上比較穩(wěn)定，沉積物粒度通常較細，煤層層位也比較穩(wěn)定。因此，原始沉積環(huán)境決定了其圍巖透氣性低的特點。通過對本區(qū)勘查鉆孔揭露的主采煤層頂板50m、底板30m范圍巖性的統(tǒng)計（見表1），可以看出本區(qū)煤層頂?shù)装逡阅鄮r為主，透氣性差，利于瓦斯保存。

2.3 煤的變質(zhì)程度

煤化作用過程中會不斷地產(chǎn)生瓦斯，煤化程度越高，生成的瓦斯量越多。即在其他因素恒定的條件下，煤的變質(zhì)程度越高，煤層瓦斯含量越大。

煤的變質(zhì)程度不僅影響瓦斯的生成量，還在很大程度上決定著煤對瓦斯的吸附能力。在成煤初期，褐煤的結(jié)構(gòu)疏松，孔隙率大，瓦斯分子能滲入煤體內(nèi)部，因而褐煤具有很強的吸附能力，但該階段瓦斯生成量較少，且不易保存，煤中實際所含的瓦斯量是很小的。隨著煤的進一步變質(zhì)，在高溫、高壓作用下，煤體內(nèi)部因干餾作用而生成許多微孔隙，在無煙煤時內(nèi)表面積達到最大，與之相應(yīng)，煤的吸附能力最強。當(dāng)由無煙煤向超無煙煤過渡時，微孔收縮并減少，煤的吸附瓦斯能力急劇減小，到石墨時吸附瓦斯能力消失。

根據(jù)鉆孔煤層煤樣顯微組分測定（見表2），本區(qū)煤層鏡質(zhì)組平均最大反射率介于0.7%～1.00%之間，煤的變質(zhì)程度范圍屬于低變質(zhì)～中變質(zhì)，一般為氣煤和1/3焦煤階段，有利于瓦斯的生成，且煤的吸附能力也較強，所以本區(qū)煤層的瓦斯含量相對較高。

2.4 煤層埋深

在瓦斯風(fēng)化帶以下，煤層瓦斯含量與煤層埋藏深度有很大關(guān)系。一般而言，煤層埋藏深度的增加不僅會因地應(yīng)力增高而使煤層和圍巖的透氣性降低，而且瓦斯向地表運移的距離也增大，這兩者的變化均朝著有利于封存瓦斯，而不利于放散瓦斯方向發(fā)展。

根據(jù)勘探鉆孔煤樣測試資料，結(jié)合本區(qū)周邊的潘一、潘二礦井下煤層瓦斯實測資料，以13-1、8煤層為例，煤層瓦斯含量與埋深關(guān)系如圖3、圖4所示。從圖中可以看出，在一定深度范圍內(nèi)，煤層瓦斯含量隨著埋藏深度的增加而增大，但隨著瓦斯壓力增加，煤與巖石中游離瓦斯量所占的比例增大，同時，煤中的吸附瓦斯逐漸趨于飽和。當(dāng)埋藏深度繼續(xù)增大時，瓦斯含量增加的幅度將會減緩。

2.5 煤系地層含水性

潘集煤礦二疊系地層的富水性低，單位涌水量一般小于0.1L/s·m，滲透系數(shù)小于1. 13m /d，噸煤排水量一般在1m3/t左右，煤層含水量1.5%左右。由此說明煤系地層內(nèi)的地下水較閉塞，流動緩慢，因此，由地下水活動帶走的瓦斯量較少。

本區(qū)基巖含水層因南北兩翼逆沖斷層（阜鳳斷層與明龍山斷層）的阻水作用，切斷了裸露區(qū)的水源補給，構(gòu)成了封閉型水文地質(zhì)單元，地下水基本處于停滯狀態(tài)。因此，本區(qū)煤系地層內(nèi)的各含水層相對較閉塞，流動緩慢，地下水活動對煤層瓦斯影響較小。

3 結(jié)論

本區(qū)控制構(gòu)造格局的主要是F66逆斷層，下盤煤層產(chǎn)狀平坦，且受逆斷層封閉遮擋作用，煤層瓦斯逸散困難，利于保存，上盤位于陳橋～潘集背斜的轉(zhuǎn)折端 與傾伏區(qū)，瓦斯保存條件較好；煤層頂?shù)装逡阅鄮r為主，透氣性差，利于瓦斯保存；煤層埋深在800m以下，瓦斯含量隨著埋藏深度的增加而增大；煤層鏡質(zhì)組平均最大反射率介于0.7%～1.00%之間，煤的變質(zhì)程度范圍屬于低變質(zhì)～中變質(zhì)，一般為氣煤和1/3焦煤階段，有利于瓦斯的生成。

因此潘集煤礦外圍（深部）影響瓦斯賦存的主要地質(zhì)因素為地質(zhì)構(gòu)造（主要為斷層和褶曲）、煤層頂?shù)装?、煤層埋深以及煤的變質(zhì)程度。煤層埋深、煤的變質(zhì)決定瓦斯的生成，煤層頂?shù)装鍨橥咚贡４鎰?chuàng)造了有利條件，地質(zhì)構(gòu)造決定了瓦斯的運移方向。上述因素共同決定了本區(qū)煤層高瓦斯含量、高瓦斯壓力及高地應(yīng)力的特征。

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（責(zé)任編輯：李 麗，范 君）