靈臺礦區(qū)邵寨井田甲烷賦存特征研究

趙 淵

（甘肅煤田地質(zhì)局一四九隊，甘肅 蘭州 730000）

礦礦瓦斯是影響礦礦安全的重要因素之一[1，2]。研究礦層礦層氣賦存規(guī)律是礦礦防治瓦斯災害的基礎，而地質(zhì)構(gòu)造、礦層埋深、圍巖透氣性以及礦質(zhì)對礦層氣賦存起著重要作用。

甘肅邵寨井田位于素有渭北第二黑腰帶之稱的黃隴礦田的中深部，屬甘肅省靈臺縣邵寨鎮(zhèn)管轄，向東連接陜西彬長礦區(qū)，向南連接永隴礦區(qū)，礦炭資源儲量豐富。井田內(nèi)含礦地層為侏羅系中統(tǒng)延安組，含礦三層，主要可采礦層為礦8層，礦層厚度0m～16m，平均厚度5.20m。可采厚度1.02m～16m，平均厚度6.21m。礦層結(jié)構(gòu)簡單，夾矸1層～3層，絕大多數(shù)為1層～2層，巖性為炭質(zhì)泥巖，少有泥巖。礦8層頂板多為泥巖、粉砂巖，底板多為泥巖、砂質(zhì)泥巖[3]。研究礦層的礦層氣賦存規(guī)律，對于礦礦安全生產(chǎn)具有重要意義。本文通過對井田的地質(zhì)構(gòu)造、礦層埋藏深度和圍巖透氣性分析，探索出邵寨井田主采礦層礦層氣賦存規(guī)律，為后期礦井瓦斯抽采和防治提供了地質(zhì)依據(jù)。

1 構(gòu)造概況

邵寨井田位于渭北撓褶帶北緣。地表大面積黃土覆蓋，溝谷出露的白堊系地層產(chǎn)狀平緩，其深部侏羅系隱伏構(gòu)造依據(jù)鉆探工程揭露，井田內(nèi)主要構(gòu)造為一軸向N25°～5°E總體向南西傾覆的不對稱的背斜構(gòu)造，稱“邵寨背斜”。邵寨背斜東南翼發(fā)育有次要構(gòu)造“里河向斜”。

邵寨背斜位于井田中部邵寨鎮(zhèn)以東1公里處的張家山—向牌坡一線，總體軸向北偏東，呈“S”形彎曲，平面上延展約6.5km。背斜兩翼地層傾角一般1°～2°，最大7°，沿背斜軸有起伏，井田中部705鉆孔一帶為背斜軸部最高部位。背斜軸部寬緩，為“箱狀背斜”。總體為“兩頭窄中間寬”。

里河向斜位于井田東部，邵寨背斜東南翼，兩翼不對稱，軸向與邵寨背斜軸向相似，有北偏東轉(zhuǎn)為近南北，向南傾伏，井田內(nèi)延伸約4.5km，軸部寬0.5km～1km，軸部傾角近水平，總體表現(xiàn)為“兩頭寬中間窄”的“葫蘆”形，為井田內(nèi)主要聚礦構(gòu)造及礦系沉積中心。

2 礦層中易燃氣體賦存規(guī)律及影響因素

2.1 地勘期甲烷含量

礦田中易燃氣體的賦存受地質(zhì)構(gòu)造、礦層埋深、礦層和圍巖的透氣性以及礦物性質(zhì)等多個因素控制，對這些影響因素進行系統(tǒng)分析有助于研究易燃氣體賦存規(guī)律[4]。

本次研究主要收集了地勘時期所測的甲烷含量，通過數(shù)據(jù)校正，共獲得井田內(nèi)礦層有9個分布均勻且相對可靠的甲烷含量點，見表1。

表1 邵寨井田8層甲烷含量統(tǒng)計

綜合歷次勘查測試結(jié)果，井田內(nèi)第8層可燃氣體含量整體上呈現(xiàn)“西北高東南低”的趨勢。最大值位于邵寨背斜西北部的B600鉆孔，甲烷含量為3.95m3/t，其余區(qū)域甲烷含量大部分小于0.5m3/t。

2.2 地質(zhì)構(gòu)造

根據(jù)以往地質(zhì)勘查工作，邵寨井田內(nèi)未發(fā)現(xiàn)有斷層，故本次研究僅分析褶皺構(gòu)造對礦田內(nèi)可燃氣體賦存的影響。

巖層經(jīng)過褶皺作用后，不同部位封閉氣體的能力差別較大，甲烷含量的高異常區(qū)域一般在軸部[4]。井田西北部主要受邵寨背斜作用，在礦層頂板巖性致密、透氣性差的條件下，未受斷裂破壞和嚴重剝蝕的褶皺地區(qū)，構(gòu)造處于圈閉狀態(tài)，甲烷更易于沿礦層向上運移，從褶皺影響來分析，背斜頂部較向斜槽部瓦斯更易于聚積，含量較大；井田東南部主要受里河向斜作用，巖層或礦層處于軸向壓應力和縱向直應力兩者差的作用力，使得礦巖層引張拉伸，向斜軸部礦層受拉變薄，盡管由于下伏巖層的圈閉張性裂面不如背斜發(fā)育，但在礦層由向斜軸部向翼部流動運移中，將通過這些裂面使礦層中的可燃氣體逸散，此時礦儲層在引拉張狀態(tài)其滲透率增高，故向斜軸部的礦層甲烷含量將降低，而在礦層下方巖層變成了含高瓦斯的巖層，再下面掘的巖巷將成為高瓦斯巖巷[5]。

2.3 礦層埋深

諸多研究表明，礦層埋深對井下可燃氣體的賦存起著至關(guān)重要的作用。所謂礦層埋深，是指礦層頂板至地表的鉛垂距離。一般情況，出露于地表的礦層，埋藏較淺，作用于礦體的應力較小，礦層中的吸附氣會隨著時間的增加大部分解吸出變?yōu)橛坞x態(tài)，進而向上流動，另外，松軟的地表也是空氣流動的通道，甲烷與空氣相互交換，從而使礦層氣含量降低。越往深部，礦層應力越大，大量的甲烷向吸附方向轉(zhuǎn)化，甲烷在向上運移過程中需要克服更大的阻力，因此在二者共同作用下抑制了瓦斯的逸散，進而導致深部甲烷含量較高。甲烷含量與埋深的關(guān)系如圖1所示。

圖1 甲烷含量與埋深的關(guān)系

根據(jù)上圖，8層甲烷含量隨埋深的增加而增加，與統(tǒng)計的甲烷含量反映的規(guī)律是一致的，充分說明礦層埋深對甲烷含量具有較大的影響。

2.4 其他因素

（1）頂板圍巖。頂板圍巖作為甲烷向大氣中逸散的通道，對礦層甲烷的賦存能力有著重要影響。一般來講，甲烷在巖層中的滲透率與巖石的透氣性系數(shù)有很大關(guān)系，透氣性系數(shù)越高，甲烷在巖層中越容易滲流，反之則難。邵寨井田第8層頂板多為泥巖、粉砂巖，平均厚度在3m。泥巖密度較大，裂隙發(fā)育得不完全，透氣性差，不利于甲烷的逸散，對礦層甲烷氣體有一定的封閉作用，這也與背斜軸部附近實測甲烷含量較高結(jié)果一致。

（2）礦物性質(zhì)。多方研究表明，同等條件下，礦物變質(zhì)程度越高，礦層的生氣量和吸附能力越強，礦層甲烷含量越大，進而導致高階礦井多屬于瓦斯突出礦井[7]。然而，近年來出現(xiàn)陜西省黃隴礦田、甘肅窯街礦田、遼寧鐵法礦區(qū)等多個低礦階礦區(qū)高瓦斯礦井，至于部分低礦階礦區(qū)還發(fā)生了瓦斯事故[8]。低階礦游離氣含量比例相對較高，以致地勘時期采用常規(guī)鉆探取芯方法測定甲烷氣體含量偏低，最后造成礦產(chǎn)地質(zhì)類型劃分過程中瓦斯類型誤判，不利于礦田通風系統(tǒng)合理布設[9]。邵寨井田位于黃隴礦田的中深部，井田內(nèi)礦物質(zhì)為不黏礦，屬于低階礦?？辈闀r期取得的甲烷測試數(shù)據(jù)總體較低，均未達到工業(yè)標準。類比鄰近礦區(qū)，應引起足夠重視，在礦山建設中考慮瓦斯突出問題。

3 結(jié)語

（1）影響邵寨井田8層可燃氣體賦存的主要因素是地質(zhì)構(gòu)造和礦層埋深。8層可燃性氣體賦存整體受邵寨背斜和里河向斜的影響，甲烷含量呈現(xiàn)“西北高東南低”的趨勢。礦層頂?shù)装鍘r性致密，有利于甲烷賦存；構(gòu)造是影響礦區(qū)甲烷富集和分布的主控因素，礦層厚度和埋深越大甲烷含量相對越高[6]。

（2）邵寨井田構(gòu)造簡單，礦物的變質(zhì)程度低，礦層厚度較大。礦層甲烷含量在地勘時期測試數(shù)據(jù)較低，總體上甲烷壓力低，礦層透氣性好，甲烷吸附能力較高且不易解吸，甲烷殘存比較高，屬于可抽放層。礦層中可燃氣體類型以中等和復雜類型為主，建礦過程應參考鄰近生產(chǎn)礦井，加強易燃爆氣體的防治工作。