漳村煤礦3號煤層瓦斯賦存規(guī)律及控制因素分析

朱加鋒，茍云用

(1.潞安礦業(yè)集團公司 通風(fēng)處，山西 長治 046204；2.潞安環(huán)能股份公司 漳村煤礦，山西 長治 046032)

礦井瓦斯既是綠色能源又是煤與瓦斯突出的主要動力。如何準(zhǔn)確預(yù)測礦井中的瓦斯賦存和分布，不僅對于礦井安全采掘，而且對于煤層氣綠色開采具有重要意義，因此備受煤礦工程技術(shù)人員和學(xué)者的重視。自20世紀(jì)70年代起，瓦斯地質(zhì)逐漸被人們認(rèn)識并不斷拓展，成為揭示煤層瓦斯賦存、運移和分布的應(yīng)用科學(xué)[1]，一系列方法和技術(shù)被應(yīng)用于瓦斯地質(zhì)規(guī)律預(yù)測中，曹運興等[2-5]提出了瓦斯地質(zhì)單元復(fù)雜程度預(yù)測方法，并據(jù)此建立了不同的瓦斯地質(zhì)模型預(yù)測瓦斯分布和涌出量規(guī)律，進而認(rèn)識到構(gòu)造煤和地質(zhì)構(gòu)造是影響和控制瓦斯突出的主要因素；張子敏等[6-7]提出了三級瓦斯地質(zhì)編圖與瓦斯治理方法，指出礦井瓦斯地質(zhì)賦存和分布一方面受制于區(qū)域構(gòu)造及演化，另一方面與礦井地質(zhì)構(gòu)造條件有關(guān)。

漳村煤礦隨著礦井采深的不斷增加，瓦斯含量及壓力逐漸增大，成為煤礦安全生產(chǎn)的主要威脅，揭示新采區(qū)(+480 m水平)礦井瓦斯分布規(guī)律和地質(zhì)控制因素顯得尤為重要。眾多學(xué)者對此做了大量工作：王堯等[8]研究了漳村煤礦3號煤層淺部的瓦斯地質(zhì)規(guī)律，認(rèn)為井田上覆基巖對煤層瓦斯的影響作用明顯；張利軍[9]研究了漳村礦西區(qū)瓦斯地質(zhì)規(guī)律，得出瓦斯賦存主要受基巖和煤層埋深因素影響；包小龍等[10]研究了2601工作面的瓦斯含量及涌出量分布。然而，隨著采深的增加，礦井地質(zhì)條件逐漸復(fù)雜化，深部瓦斯地質(zhì)規(guī)律明顯不同于淺部，需要進一步研究瓦斯賦存的特殊性?；诖耍疚囊哉拇迕旱V+480 m水平深部為研究對象，通過瓦斯地質(zhì)規(guī)律分析，建立瓦斯地質(zhì)耦合模型，揭示瓦斯地質(zhì)影響及控制因素，為漳村煤礦瓦斯抽采和防治提供指導(dǎo)。

1 地質(zhì)背景

漳村煤礦位于潞安礦區(qū)中部東緣，北以文王山斷層為界，南鄰常村煤礦，西接余吾煤業(yè)，整體為一西窄東寬的矩形；井田地層整體平緩，傾角一般為3°～8°，主要為奧陶系中統(tǒng)峰峰組(O2f)、石炭系中統(tǒng)本溪組(C2b)、石炭系上統(tǒng)太原組(C3t)、二疊系下統(tǒng)山西組(P1S)和下石盒子組(P1X)、二疊系上統(tǒng)上石盒子組(P2Sh)和第四系(Q)。目前主采二疊系下統(tǒng)山西組(P1S)的3號煤層，厚度4.1～7.2 m，平均厚度6.11 m，結(jié)構(gòu)比較簡單，局部地區(qū)略微復(fù)雜，一般含夾矸1～2層；礦井絕對瓦斯涌出量為36.12 m3/min，相對瓦斯涌出量4.73 m3/t，屬高瓦斯礦井。

井田內(nèi)構(gòu)造以褶皺為主，主要構(gòu)造為陷落柱(>40個)和正斷層(>110條)，其中規(guī)模相對較大的是井田北部的斷層，主要由文王山南正斷層和派生斷層構(gòu)成，整體走向為NEE向，文王山南斷層落差在230～400 m；北部受文王山南斷層的拖曳影響，地層走向由NS轉(zhuǎn)為NEE向，傾向NNW，局部傾角可達15°，文王山南正斷層及其伴生斷層控制了井田構(gòu)造發(fā)育特征。

2 區(qū)域構(gòu)造演化及瓦斯賦存

瓦斯作為煤層的產(chǎn)物，煤體是它的唯一載體，煤層變形、變質(zhì)等受地質(zhì)演化的控制。大量的研究發(fā)現(xiàn)，區(qū)域構(gòu)造不僅直接影響礦井構(gòu)造，而且直接影響瓦斯賦存[11-13]。潞安礦區(qū)位于華北斷塊區(qū)呂梁-太行斷塊沁水塊坳東部次級構(gòu)造單元沾尚-武鄉(xiāng)-陽城NNE向凹褶帶中段，沁水盆地的東翼中部，晉獲斷裂帶西側(cè)，主體部分疊加長治新裂陷[6]。根據(jù)潞安礦區(qū)構(gòu)造發(fā)育特征，主要分為NEE-NE向、NNE-SN向和NW向三組構(gòu)造，演化分為5期，主要包括：①印支期，構(gòu)造應(yīng)力場主壓應(yīng)力方向為S-N向，形成近E-W向的隆起和斷裂；②燕山運動早期，EW向主壓應(yīng)力作用，形成大型開闊褶皺；③燕山運動中期，在構(gòu)造應(yīng)力場作用下，主要是NNE向構(gòu)造形成，發(fā)育晉獲逆沖推覆構(gòu)造；④燕山晚期-喜山期，NNE-SSW向擠壓，形成NEE和NW向X型共軛剪破裂，構(gòu)成地塹地壘組合；⑤古近紀(jì)及第四紀(jì)，應(yīng)力場主要為NEE-SWW，NNW方向構(gòu)造受到擠壓作用。其中，燕山期潞安礦區(qū)廣泛發(fā)育的巖漿運動及構(gòu)造作用，不僅控制潞安礦區(qū)的構(gòu)造特征并直接導(dǎo)致煤層氣的生成，與楊起等[14]對華北礦區(qū)煤的變質(zhì)作用的研究結(jié)果一致，燕山晚期及第四紀(jì)的構(gòu)造應(yīng)力轉(zhuǎn)換是造成目前礦井瓦斯賦存的主要控制因素。

3 3號煤層瓦斯地質(zhì)規(guī)律分析

3.1 瓦斯地質(zhì)數(shù)據(jù)來源

漳村煤礦瓦斯地質(zhì)數(shù)據(jù)主要來源于井下實測和地勘鉆孔。通過收集和整理礦井瓦斯資料，共獲得瓦斯含量數(shù)據(jù)90個，其中最大含量位于漳-91鉆孔，瓦斯含量為13.40 m3/t，最小值為漳-90鉆孔，含量僅為0.13 m3/t，臨近區(qū)域內(nèi)較大的瓦斯含量差異性說明漳村煤礦瓦斯賦存分布不均衡。

3.2 頂、底板巖性對瓦斯賦存的影響

在漳村煤礦地勘鉆孔的基礎(chǔ)上統(tǒng)計了3號煤層直接頂、底板巖性，其中偽頂和直接底厚度分別為0.33～8.5 m和0.2～21.5 m，巖性為炭質(zhì)泥巖、泥巖、砂質(zhì)泥巖和砂巖，瓦斯賦存與直接頂、底板巖性和厚度存在著直接關(guān)系。從偽頂和直接底在礦井分布觀察發(fā)現(xiàn)，偽頂中間薄兩邊厚，局部成團塊分布；直接底厚度由NE向SW遞減，并且在文王山斷層附近直接出現(xiàn)高值。由頂板和底板20 m范圍內(nèi)的泥巖厚度可以得出：井田范圍內(nèi)部瓦斯含量和涌出量都與頂板的泥巖厚度存在一定關(guān)系。

3.3 煤層埋深對瓦斯賦存的影響

影響煤層瓦斯含量的因素很多，其中煤層埋深是最有普遍性的因素之一[15-16]。漳村煤礦隨著煤層深度的增加，圍巖的透氣性降低，地應(yīng)力增高，瓦斯向地表運移距離相應(yīng)增加，這些因素均有利于瓦斯賦存。

根據(jù)獲得的鉆孔地質(zhì)資料，利用surfer軟件繪制了漳村煤礦3號煤層埋深等值線圖(見圖1)。結(jié)果顯示，3號煤層埋深自SE到NW增加，整體上呈現(xiàn)寬緩的波狀起伏，在局部區(qū)域內(nèi)埋深并不均一，其中在北部文王山斷層附近埋深增加，而在礦井SW方向埋深變淺。

統(tǒng)計分析瓦斯含量(W)與對應(yīng)煤層埋深(Hi)數(shù)據(jù)，然后進行線性回歸(見圖2)，建立如下數(shù)學(xué)模型：

W=0.024 3Hi-5.012 4

(1)

式中：Hi為煤層埋藏深度，m；W為瓦斯含量，m3/t。其中，每100 m的瓦斯含量梯度為2.43 m3/t，二者的相關(guān)性為0.412 9。

圖2 漳村煤礦3號煤層瓦斯含量與埋深回歸線

3.4 煤層上覆基巖有效厚度對瓦斯含量的影響

利用獲得的鉆孔資料，繪制了上覆基巖有效厚度等值線圖(見圖3)。由圖3可知，上覆基巖厚度與煤層埋深趨勢具有一致性，自S向N增大，其中在NW和中部基巖較厚。

圖3 漳村煤礦3號煤層上覆基巖有效厚度等值線

由瓦斯含量與基巖厚度的關(guān)系，將瓦斯含量(W)與其對應(yīng)基巖厚度(Hj)進行線性回歸(見圖4)，建立如下數(shù)學(xué)模型：

W=0.036 7Hj-9.819 1

(2)

式中：Hj為煤層上覆基巖有效厚度，m；W為煤層瓦斯含量，m3/t。每100 m的瓦斯含量梯度為3.67 m3/t，二者的相關(guān)性為0.684 1。

圖4 漳村煤礦3號煤層含量與上覆基巖有效厚度回歸線

4 礦井瓦斯不均衡分布的地質(zhì)控制

4.1 斷層對瓦斯賦存的控制作用

制約礦井瓦斯分布的因素較多，其中局部小構(gòu)造是重要的控制性因素[17]。資料顯示，漳村煤礦整體上屬于寬緩的背向斜相間構(gòu)造，對瓦斯含量影響較小。從礦井實際揭露的情況看，煤層內(nèi)的小斷層較為發(fā)育，其中小斷層和文王山斷層走向角度可以達到近似垂直。通過在斷層上下測定的瓦斯含量發(fā)現(xiàn)，距離斷層面越近，瓦斯含量越大，在水平延展區(qū)域內(nèi)由斷層性質(zhì)得出不利于瓦斯保存，而結(jié)果發(fā)現(xiàn)在斷層附近瓦斯含量異常大，可能是斷層走向和現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場相互作用，從而對封閉瓦斯有利(圖5(a))。斷層的發(fā)育類型除了區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場分布造成的外，斷層落差造成的巖性封閉也是造成瓦斯聚集的主要因素，其遠(yuǎn)高于同區(qū)域內(nèi)的瓦斯含量值，而文王山南斷層落差造成的巖性封閉(圖5(b))及其區(qū)域內(nèi)發(fā)育的地壘-地塹構(gòu)造類型是造成瓦斯富集的主要原因。

4.2 陷落柱對瓦斯賦存的控制作用

漳村煤礦3號煤層陷落柱的水平切面近似橢圓形或圓形，從地震探測的結(jié)果看，陷落柱的長軸方向幾乎全為近EW向，短軸方向為近NS向。通過對陷落柱發(fā)育的觀測發(fā)現(xiàn)，在向斜線兩側(cè)300 m范圍內(nèi)巖溶陷落柱主要與向斜軸部的張性應(yīng)力部位有關(guān)。陷落柱的分布對煤層及瓦斯影響明顯，其基本特征可分為3類：第一類，陷落柱的發(fā)育造成局部產(chǎn)生無煤帶，如X32陷落柱內(nèi)的鉆探結(jié)果顯示為無煤結(jié)構(gòu)(見圖6(a))；第二類，由于陷落柱構(gòu)造致使煤層變厚，如X24陷落柱使得2701-45鉆孔內(nèi)的3號煤層厚度增大(厚度達到6.02 m)，而在同區(qū)域內(nèi)的漳-81鉆孔顯示其煤層厚度為5.3 m(見圖6(b))；第三類，從采掘揭露陷落柱的整體情況看，陷落柱及其附近的瓦斯含量一般較小，如X23、X27陷落柱附近鉆孔的瓦斯含量都低于該區(qū)域內(nèi)同一埋深，分別為1.63 m3/t和1.02 m3/t(見圖6(c))。因此， 3號煤層內(nèi)陷落柱并不是影響瓦斯賦存的主要因素。

圖5 斷層對礦井瓦斯的控制作用

圖6 陷落柱對煤層瓦斯賦存的控制

4.3 瓦斯賦存的主控因素分析

影響3號煤層瓦斯含量有不同的因素，由W=0.024 3Hi-5.012 4和W=0.036 7Hj- 9.819 1可以看出上覆基巖厚度、埋藏深度對瓦斯賦存影響較大。由于地表被第四季黃土層覆蓋，表土層對瓦斯的運移和賦存影響不大，其次上覆基巖厚度與瓦斯賦存線性回歸關(guān)系相關(guān)系數(shù)最大，綜上可得：瓦斯含量賦存主控因素是上覆基巖厚度。

5 結(jié) 語

1) 分析了漳村煤礦3號煤層瓦斯賦存和分布特征，發(fā)現(xiàn)燕山期奠定了礦井構(gòu)造格架，同時也是煤層氣生氣的主要階段，古近紀(jì)及第四紀(jì)的構(gòu)造運動控制了當(dāng)前礦井瓦斯分布。

2) 分析了漳村煤礦礦井構(gòu)造特征，發(fā)現(xiàn)3號煤層瓦斯分布與煤層埋深和上覆基巖厚度有關(guān)，而上覆基巖厚度是礦井瓦斯賦存的主要控制性因素。

3) 瓦斯在區(qū)域內(nèi)的分布呈現(xiàn)不均衡性，局部小斷層是造成區(qū)域瓦斯不均衡分布的主要因素。