沙曲井田4號(hào)煤層瓦斯賦存規(guī)律及其主控地質(zhì)因素

李鵬飛

(山西能源產(chǎn)業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，山西 太原 030012)

瓦斯作為礦井五大自然災(zāi)害之一，具有波及范圍廣、破壞力大、影響最為嚴(yán)重等特點(diǎn)，其防治一直是礦井安全生產(chǎn)的重中之重[1]。瓦斯為一種氣態(tài)地質(zhì)體，是成煤過程中地質(zhì)作用的產(chǎn)物，其生成、運(yùn)移、保存、賦存及富集均受地質(zhì)因素控制[2]，不同、相同的煤礦區(qū)或井田因地質(zhì)條件差異，致使瓦斯賦存規(guī)律各異[3]。因此，從地質(zhì)角度分析瓦斯的生成、運(yùn)移及賦存規(guī)律，被認(rèn)為是提高礦井瓦斯防治行之有效的研究方法及手段[4-6]。

沙曲井田位于呂梁山脈的中段西部，河?xùn)|煤田的中部，行政區(qū)劃屬山西省呂梁市柳林縣管轄，是山西焦煤集團(tuán)下屬的一座高瓦斯大型生產(chǎn)礦井。井田總體為南東-北西向弧形，長約22 km，寬4.5～8 km，面積138.353 5 km2，批采煤層為2、3、4、5、6、8、9、10號(hào)煤層，礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為500萬t/a。當(dāng)前主力開采的4號(hào)煤層賦存于山西組下部，為全井田較穩(wěn)定可采煤層。煤層含氣量高、礦井瓦斯涌出量大(礦井相對(duì)瓦斯涌出量6.12～21.54 m3/t，平均12.10 m3/t；礦井絕對(duì)瓦斯涌出量14.96～74.72 m3/min，平均44.88 m3/min)，瓦斯已成為制約礦井安全、高效開采的最大瓶頸。為解決礦井瓦斯難題，開采初期已開展了極為有限的瓦斯地質(zhì)研究工作，對(duì)首采區(qū)或前期礦井生產(chǎn)瓦斯防治具有一定指導(dǎo)意義[7]。但隨著礦井生產(chǎn)不斷向深部延伸、開采強(qiáng)度逐漸加大，前期研究已不能有效指導(dǎo)礦井瓦斯防治工作，瓦斯事故呈頻發(fā)、多發(fā)態(tài)勢(shì)，給礦井安全高效生產(chǎn)帶來極大威脅和挑戰(zhàn)。為此，本文基于沙曲井田前期研究成果，并充分利用現(xiàn)有礦井地質(zhì)、瓦斯測(cè)試參數(shù)、生產(chǎn)技術(shù)資料等系統(tǒng)開展井田4號(hào)煤層瓦斯賦存規(guī)律及其主控地質(zhì)因素研究，以期提高井田瓦斯地質(zhì)工作研究程度及礦井瓦斯防治的有效性和針對(duì)性。

1 煤層瓦斯及其分布特征

1.1 瓦斯組分

瓦斯組分系指組成瓦斯的各種氣體，是確定瓦斯純度和劃分煤層瓦斯風(fēng)化帶的重要參數(shù)[8]，對(duì)礦井瓦斯防治措施選擇和防治難易程度亦有重要影響[9]。依據(jù)二氧化碳、氮?dú)夂图淄樵谕咚菇M分中所占比例，將煤層瓦斯劃分為二氧化碳-氮?dú)鈳?CH4<10%)、氮?dú)?甲烷(沼氣)帶(CH4：10%～80%，CO2≤20%)、甲烷(沼氣)帶(CH4>80%，CO2<20%)[1]。

通過瓦斯組分測(cè)定結(jié)果顯示(表1)，沙曲井田4號(hào)煤層在埋深336.92～775.05 m范圍內(nèi)，瓦斯成分主要由CH4組成(79.53%～99.3%，平均93.01%)，次為N2(0.26%～18.71%，平均3.97%)、CO2(0.42%～6.11%，平均2.99%)及微量的重?zé)N(0%～0.37%，平均0.03%)。由此可知，沙曲井田4號(hào)煤層瓦斯組分中甲烷氣體占絕大部分，甲烷純度高。按照我國煤層瓦斯風(fēng)化帶劃分方法，4號(hào)煤層絕大部分處于甲烷(沼氣)帶內(nèi)[8]。

1.2 瓦斯含量及其分布特征

1.2.1 瓦斯含量

瓦斯含量系指標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下單位質(zhì)量(或體積)的煤在原位狀態(tài)下所含的瓦斯體積，亦稱之“原煤瓦斯含量”，單位為mL/g或m3/t。瓦斯含量是礦井瓦斯防治最為關(guān)鍵參數(shù)之一，其決定著瓦斯資源量大小、礦井瓦斯涌出量高低及礦井瓦斯等級(jí)等[10]。在煤炭工業(yè)的發(fā)展進(jìn)程中，形成了諸如直接測(cè)定法、間接測(cè)定法和解吸法等多種煤層瓦斯含量測(cè)定方法或技術(shù)手段[11]。沙曲井田在煤炭開采過程中，采用鉆孔取煤芯含氣量解吸法對(duì)該礦4號(hào)煤層瓦斯含量進(jìn)行了測(cè)定，其值一般為7.32～17.82 m3/t，平均11.46 m3/t，8 m3/t以上測(cè)值數(shù)量占總測(cè)值數(shù)的90%(表1)，顯示沙曲井田4號(hào)煤層瓦斯含量整體較高，勢(shì)必加大礦井瓦斯防治難度和相關(guān)費(fèi)用投入。

表1 沙曲井田4號(hào)煤層瓦斯含量測(cè)定結(jié)果

1.2.2 瓦斯分布特征

通過對(duì)瓦斯含量測(cè)值上圖和統(tǒng)計(jì)分析可知，瓦斯分布在煤層走向和傾向方向有所不同。由于沙曲井田整體為一向西傾斜，近南北走向的單斜構(gòu)造，在煤層傾向方向，4號(hào)煤層瓦斯含量總體呈現(xiàn)出由東向西逐漸增大趨勢(shì)，與煤層埋藏深度之間具有較好的相關(guān)性，即埋深越深煤層瓦斯含量越高，反之亦然。在煤層走向方向，瓦斯分布相對(duì)復(fù)雜多變。在相同的煤層底板標(biāo)高條件下，由于井田南翼4號(hào)煤層的覆巖厚度普遍大于北翼，造成南翼煤層瓦斯含量整體較北翼高。同時(shí)，瓦斯分布受構(gòu)造控制顯著，在相同標(biāo)高下向斜構(gòu)造區(qū)煤層瓦斯含量較背斜構(gòu)造區(qū)大，斷層、陷落柱及其影響帶瓦斯含量普遍較低。

2 影響瓦斯賦存的主控地質(zhì)因素

2.1 煤變質(zhì)程度

煤層是生烴母巖和儲(chǔ)集巖，煤層瓦斯的生成與煤巖組分、煤化作用及程度(煤變質(zhì)程度或煤級(jí))密切相關(guān)[12-13]。煤的顯微有機(jī)組分對(duì)煤層生烴具有關(guān)鍵控制作用，被認(rèn)為是煤層的生烴母質(zhì)。煤的有機(jī)顯微組分類型及含量控制著煤層的生烴條件，其生烴作用貫穿于整個(gè)煤化作用階段，但由于不同的顯微組分氫碳、氧碳原子比例不同，熱解生烴的能力和成烴規(guī)律也有差異[14]。據(jù)煤的生烴試驗(yàn)表明，在相同煤化作用條件下，煤的顯微有機(jī)組分殼質(zhì)組產(chǎn)氣率最高(約為惰質(zhì)組的11倍)，鏡質(zhì)組次之(約為惰質(zhì)組的4倍)，惰質(zhì)組最低[15]。沙曲井田4號(hào)煤屬于腐植型煤，煤中有機(jī)顯微組分鏡質(zhì)組占絕大部分(85.27%～95.5%，平均88.62%)，惰質(zhì)組次之(20.16%～35.41%，平均21.73%)，殼質(zhì)組基本無法辨識(shí)。成煤階段及后期，受燕山期巖漿熱變質(zhì)和三疊系深成熱變質(zhì)雙重作用，提高了煤的變質(zhì)程度(Ro,max=1.26%～1.52%，平均1.40%，變質(zhì)程度為焦煤階段)和生氣率[16-17]，煤層瓦斯含量增加。

2.2 煤層埋藏深度

煤層埋藏深度系指煤層現(xiàn)今的埋藏深度(與上覆地層厚度一致)，是影響煤層瓦斯賦存的主要地質(zhì)因素之一[18-19]。不同煤層埋深下地層溫壓條件不同，地層溫壓及其耦合關(guān)系影響煤層的物性特征(孔滲性、吸附性及煤變質(zhì)程度等)和瓦斯賦存[20-21]。沙曲井田4號(hào)主力開采煤層埋深300～800 m， 通過對(duì)該礦瓦斯含量和對(duì)應(yīng)樣品埋深間數(shù)理相關(guān)性分析(圖1)，發(fā)現(xiàn)二者間具有較好的正相關(guān)線性關(guān)系(復(fù)相關(guān)系數(shù)R2=0.626 5)，數(shù)值表達(dá)式如下：

y=0.021 6x+0.479 8R2=0.626 5

(1)

式中：y為瓦斯含量，m3/t；x為煤層埋藏深度，m；R2為復(fù)相關(guān)系數(shù)。

圖1 4號(hào)煤層瓦斯含量與埋藏深度關(guān)系

以上現(xiàn)象與眾多瓦斯地質(zhì)研究成果具有較好的一致性，二者的較好性關(guān)系表明在一定埋深范圍內(nèi)，隨著埋深的增加，地應(yīng)力增加、覆巖自重對(duì)煤層的壓實(shí)效應(yīng)更顯著，煤層的透氣性變差，從而使得瓦斯的橫向運(yùn)移和垂向向地表逸散的路徑增長、難度增加，更加有利于瓦斯的聚集和賦存，煤層瓦斯含量往往較高[22]。

2.3 圍巖巖性及特征

煤層圍巖主要系指煤層的頂板(包括偽頂、直接頂、老頂)和底板(包括直接底和老底)在內(nèi)的一定厚度范圍的層段，其巖性及特征對(duì)圍巖的隔氣和透氣性能具有至關(guān)控制作用[23]。煤層圍巖隔氣性和透氣性能直接影響到瓦斯的賦存條件，一般而言，一定厚度致密完整的泥質(zhì)類巖石(泥巖、炭質(zhì)泥巖、泥質(zhì)砂巖、砂質(zhì)泥巖等)其隔氣性能好、透氣性差，對(duì)煤層瓦斯起到良好的封閉保存效應(yīng)；致密性、完整性差且孔裂隙系統(tǒng)發(fā)育的砂巖、灰?guī)r等的隔氣性能差、透氣性好，不利于煤層瓦斯的保存[24-26]。通過對(duì)沙曲井田煤田勘查孔及采礦揭露統(tǒng)計(jì)分析可知，沙曲井田4號(hào)煤層圍巖巖性主要為泥質(zhì)巖類(炭質(zhì)泥巖、泥巖、砂質(zhì)泥巖)，次為粉、細(xì)粒砂巖，圍巖的完整性好、致密堅(jiān)硬。頂板泥質(zhì)巖類總厚度6.37～16.51 m，平均10.51 m；底板泥質(zhì)巖類總厚度5.62～10.25 m，平均7.89 m(表2)。可見，沙曲井田4號(hào)煤層圍巖的泥質(zhì)巖類較發(fā)育且厚度較大，易于煤層瓦斯封閉保存，造成該井田煤層瓦斯含量較大。

表2 沙曲井田4號(hào)煤層頂?shù)装搴穸冉y(tǒng)計(jì)

2.4 地質(zhì)構(gòu)造

理論和實(shí)踐證實(shí)，地質(zhì)構(gòu)造對(duì)瓦斯不均衡賦存(瓦斯富集和瓦斯移散)、煤與瓦斯突出等具有關(guān)鍵控制作用，是瓦斯地質(zhì)理論重要研究?jī)?nèi)容之一[27-28]。目前，學(xué)者們?cè)跇?gòu)造控氣機(jī)理及規(guī)律、構(gòu)造誘導(dǎo)、控制煤與瓦斯突出機(jī)理及防治等方面已開展了較為系統(tǒng)和深入研究，極大豐富了瓦斯地質(zhì)理論內(nèi)容，對(duì)礦井瓦斯防治起到了積極指導(dǎo)作用。構(gòu)造類型、受力狀態(tài)不同，其對(duì)瓦斯的封閉性能和瓦斯賦存狀態(tài)各異[27]。壓性或壓扭性構(gòu)造對(duì)瓦斯封閉性能好，瓦斯易于局部富集，被稱之為“封閉性”構(gòu)造。拉、張性構(gòu)造對(duì)瓦斯的封閉性能差，易造成瓦斯縱向、橫向運(yùn)移移散，瓦斯含量往往較低，這類構(gòu)造被稱之為“開放性”構(gòu)造[29-30]。

沙曲井田地質(zhì)構(gòu)造以寬緩的次級(jí)小型褶曲構(gòu)造為主，斷層稀少且斷距小，井田北部發(fā)育有一地塹式較大斷裂帶，未見陷落柱發(fā)育。通過瓦斯地質(zhì)規(guī)律研究發(fā)現(xiàn)，在斷距較大的斷層影響帶(如北部地塹式較大斷裂帶)以及多組斷層的交會(huì)部位，均呈現(xiàn)低瓦斯賦存(瓦斯含量低)，顯示了以上部位對(duì)瓦斯的封閉保存能力差。而在一些斷距較小的層間小斷層影響帶，因其未對(duì)頂?shù)装逶斐善茐模瑢?duì)瓦斯的保存能力較強(qiáng)，瓦斯含量往往較高；對(duì)褶皺控氣規(guī)律而言，向斜軸部瓦斯易于富集，造成瓦斯含量普遍較高且高于兩翼，而背斜的控氣規(guī)律則反之(即背斜兩翼的瓦斯含量則高于軸部)。

2.5 水文地質(zhì)條件

含煤地層中的水文地質(zhì)條件對(duì)煤層瓦斯的賦存具有重要控制作用，造成不同水文地質(zhì)條件下煤層瓦斯含量及其分布差別很大，瓦斯地質(zhì)工作中尤為重視其研究[31-32]。在平剖面上，水動(dòng)力活躍(或地下水強(qiáng)徑流)的地區(qū)，煤層瓦斯含量往往較低，煤與瓦斯突出事故少或無；相反，在水動(dòng)力不活躍(或地下水滯緩、滯留)區(qū)域，煤層瓦斯含量往往比較高，煤與瓦斯突出事故發(fā)生幾率增加[33-34]。

沙曲井田位于離柳礦區(qū)西部，三交-柳林單斜含煤區(qū)中南部，總體為一緩傾斜的單斜構(gòu)造，在水文地質(zhì)單元上屬柳林泉域巖溶水系統(tǒng)。地下水從東部的露頭區(qū)補(bǔ)給，徑流進(jìn)入該井田，井田內(nèi)寒武、奧陶、石炭、二疊、三疊系含水層構(gòu)成承壓水盆地和承壓水斜地，地下水徑流弱且基本為滯留狀態(tài)。同時(shí)，4號(hào)煤層圍巖上下具有多層泥質(zhì)巖隔水層存在，地下水對(duì)煤層瓦斯起到封堵和隔離作用，有利于煤層瓦斯保存和富集成藏[35]，致使煤層瓦斯含量總體較高。

3 結(jié) 語

1) 沙曲井田4號(hào)煤層基本地處甲烷帶，瓦斯純度及含量均較高，瓦斯含量在煤層走向和傾向上分布不同。走向上，井田南翼瓦斯含量整體高于北翼；傾向上，瓦斯含量由東向西逐漸增高。

2) 沙曲井田4號(hào)煤層瓦斯賦存規(guī)律主要受控于地質(zhì)構(gòu)造、水文地質(zhì)條件、煤層埋藏深度、煤變質(zhì)程度、圍巖巖性及特征等地質(zhì)因素，不同地質(zhì)因素控制瓦斯賦存的作用及機(jī)理不同。

3) 煤中豐富的有機(jī)顯微組分和煤的高變質(zhì)有利于煤層生烴，提高了生氣率和瓦斯儲(chǔ)集能力，是控制井田煤層瓦斯含量整體較高的關(guān)鍵地質(zhì)因素；覆巖自重的壓縮效應(yīng)影響煤層滲透性，埋深越大，瓦斯垂向和橫向運(yùn)移難度增加，有利于瓦斯保存；一定厚度致密完整的泥質(zhì)巖，為瓦斯向地表逸散提供了良好封蓋和保存條件；不同地質(zhì)構(gòu)造類型、所受應(yīng)力狀態(tài)差異，控制著瓦斯賦存的局部不均衡性；地下水弱徑流、滯留、承壓狀態(tài)及良好的隔水層對(duì)瓦斯起到封堵和隔離作用。