貴州紅磚煤礦瓦斯賦存規(guī)律分析

榮 偉

(貴州省煤田地質(zhì)局142隊，貴州 貴陽 550000)

0 引言

煤層氣俗稱瓦斯，是以甲烷(CH4)為主要成分，以吸附在煤基體顆粒表面為主，部分解離在煤孔隙中或部分溶解于煤層水中的烴類氣體[1-4]。瓦斯引起的煤與瓦斯突出、爆炸等災害是煤礦比較嚴重災害。近年來，隨著我國對煤炭資源需求增加，煤炭開采中瓦斯問題比較突出。因此，研究煤層瓦斯的賦存規(guī)律可以比較直觀地反映煤層中瓦斯流動以及由此引發(fā)的災害危險性高低。

一般而言，煤層瓦斯是煤炭地質(zhì)演化產(chǎn)物，其生成、保存、遷移和聚集受地質(zhì)條件影響[1-4]。在不同因素影響下，煤層瓦斯的賦存和分布特征的也不盡相同[5]。對煤層瓦斯賦存規(guī)律的研究，可以找出瓦斯賦存與煤礦地質(zhì)條件間聯(lián)系，為煤與瓦斯突出的瓦斯災害提供防制依據(jù)。紅磚煤礦近幾年瓦斯等級鑒定均為高瓦斯煤層，因此，研究煤層瓦斯賦存規(guī)律對于紅磚煤礦進行瓦斯災害的防控及煤礦安全生產(chǎn)具有重要意義[6]。

1 井田概況

紅磚煤礦位于貴州省黔西縣東南約17 km，屬黔西縣谷里鎮(zhèn)管轄。井田內(nèi)含煤地層為晚二疊系龍?zhí)督M，系海陸交互相含煤地層。厚度173～237 m，一般196 m?？刹擅簩?層(1、4、6、9、15號煤層)，總厚度6～14 m，平均11 m。井田內(nèi)煤屬中灰、中高硫、特低揮發(fā)分、高煤級煤Ⅰ的無煙煤(WY1)。

井田位于揚子準地臺黔北隆起畢節(jié)北東向構(gòu)造變形區(qū)。構(gòu)造單元位于黔北煤田西南部，格老寨背斜南東翼及谷里向斜南端。井田地層大體為北東—南西走向，井田內(nèi)大部分區(qū)域傾角較緩，西北區(qū)域及外圍傾角較陡。井田位于格老寨背斜南東翼及谷里向斜南端間，總體為一向斜構(gòu)造，該向斜發(fā)育次一級背斜(麻窩寨背斜)構(gòu)造；主體向斜為谷里向斜，軸向北東向，兩翼不對稱；次一級軸向北西向，兩翼不對稱。井田及周邊共發(fā)現(xiàn)斷層4條，其中F4和F8分別從井田西北部和中部切斷煤系地層。井田總體構(gòu)造復雜程度屬中等類型，如圖1所示。

圖1 紅磚煤礦構(gòu)造簡圖

2 瓦斯特征

2.1 瓦斯成分分布特征

氮(N2)含量5.72%～64.13%，平均30.75%；二氧化碳(CO2)含量為0.04%～7.42%，平均2.39%；可采煤層甲烷(CH4)含量28.35%～91.50%，平均64.65%；(CH4+重烴)含量為28.64%～92.23%，平均65.56%。根據(jù)煤炭資源地質(zhì)勘探規(guī)范煤層沼氣帶為CH4>80%，CO2<20%。紅磚井田沼氣帶主要集中在井田向斜軸部，見表1。

2.2 瓦斯含量分布特征

可采煤層氮含量為1.67～18.02 mL/g·daf，平均7.12 mL/g·daf；二氧化碳(CO2)含量為0.01～1.29 mL/g·daf，平均0.50 mL/g·daf；甲烷含量為2.83～23.21 mL/g·daf，平均10.09 mL/g·daf；(CH4+重烴)·daf含量2.88～23.38 mL/g·daf，平均10.22 mL/g·daf；(CH4+重烴)·ad含量為2.38～16.97 mL/g·ad，平均7.72 mL/g·ad。各可采煤層甲烷平均含量均大于8 mL/g·ad，屬于富甲烷煤層。紅磚井田富甲烷區(qū)域主要集中在井田向斜軸部以及斷層F8兩側(cè)。詳見表1。

表1 紅磚煤礦可采煤層瓦斯基礎(chǔ)資料統(tǒng)計

總體來說，從紅磚煤礦資料的瓦斯成分分布圖以及含量分布圖可以看出，該礦的瓦斯賦存規(guī)律為，在井田內(nèi)麻渦寨向斜、谷里向斜、斷層F8兩旁富集。

3 瓦斯賦存影響因素分析

3.1 煤層煤質(zhì)

煤層是瓦斯生成和聚集的基礎(chǔ)，煤質(zhì)變化會影響瓦斯含量。運用線性回歸分析方法[7]得出煤層中水分、揮發(fā)分、灰分、硫分與瓦斯含量關(guān)系如圖2～5所示。

圖2 水分與瓦斯含量關(guān)系

依圖所示，煤層瓦斯含量與煤層水分、揮發(fā)分、硫分間存在較弱相關(guān)性，與灰分呈現(xiàn)正相關(guān)。受煤巖顯微組組成影響，瓦斯含量與水分一般不存在相關(guān)性。煤化程度與有機質(zhì)增加有利于瓦斯含量增加，就會呈現(xiàn)揮發(fā)分(Vdaf)和灰分(Aad)降低，瓦斯含量有增大趨勢，但是，進入無煙煤階段后(Vdaf>10%，Aad<30%)會出現(xiàn)相反值[8]；本井田為中灰煤、無煙煤，揮發(fā)分(Vdaf)和灰分(Aad)與瓦斯含量呈正相關(guān)。總體來說，煤層煤質(zhì)影響瓦斯含量初始值，揭示井田內(nèi)煤層瓦斯生成和聚集區(qū)域，但不是影響瓦斯賦存的主要因素。

圖3 灰分與瓦斯含量關(guān)系

圖4 揮發(fā)分與瓦斯含量關(guān)系

圖5 全硫與瓦斯含量關(guān)系

3.2 煤層埋深及厚度

煤層埋深和厚度影響煤層瓦斯含量，一般來說，瓦斯含量隨著煤層埋深和厚度的增加而增大。井田內(nèi)煤層的埋深、厚度與瓦斯含量的相互關(guān)系如圖6和圖7所示，由圖可知煤層埋深與瓦斯含量呈負相關(guān)性，煤層厚度與瓦斯含量無相關(guān)性。

圖6 煤層埋深與瓦斯含量關(guān)系

圖7 煤層厚度與瓦斯含量關(guān)系

由于井田埋深屬于淺層埋深(低于1 000 m)，煤層瓦斯受井田斷層發(fā)育以及向斜構(gòu)造影響，出現(xiàn)了向上擴散現(xiàn)象，煤層埋深增加而瓦斯含量減小也符合本井田地質(zhì)規(guī)律[8]。

煤層厚度和穩(wěn)定性影響瓦斯生成量和含量。井田內(nèi)煤層厚度與煤層瓦斯含量關(guān)系，表明煤層厚度不是影響瓦斯賦存的主要因素，其厚度的變化僅局部影響煤層瓦斯含量的變化。

3.3 地質(zhì)構(gòu)造

地質(zhì)構(gòu)造對瓦斯的影響，一是造成瓦斯分布不均勻，二是形成瓦斯儲存或瓦斯遷移的條件[9]。以4號煤層為例，如圖8所示。

圖8 4號煤層瓦斯含量等值線圖

斷層：井田斷層主要發(fā)育于井田的中部及西北部，多為高角度開放性斷層，其存在促進瓦斯向外運移。其中位于井田南部走向東北—西南正斷層F8貫穿井田，為瓦斯提供遷移通道的同時，在一定程度上阻止瓦斯深部瓦斯涌向地表，斷層上盤也就成為瓦斯聚集區(qū)域。

褶皺：井田位于格老寨背斜南東翼及谷里向斜南端之間，總體為一向斜構(gòu)造，該向斜發(fā)育次一級背斜(麻窩寨背斜)構(gòu)造。依據(jù)報告上瓦斯成分分布圖以及含量分布圖上可以看出瓦斯含量由背斜軸部，向、背斜翼部結(jié)果，向斜軸部逐漸增大趨勢。向斜軸部因其處于應力擠壓狀態(tài)以及斷層F8切割形成的通道，造成谷里向斜軸部區(qū)域瓦斯聚集。

3.4 圍巖巖性

圍巖主要指煤層頂?shù)装?，其巖性影響瓦斯存儲。一般來說，圍巖的封蓋能力隨碎屑含量減少、顆粒變細和泥質(zhì)含量增高而增強[10]。井田內(nèi)含煤沉積地層為海陸交互相碎屑巖夾碳酸鹽巖地層，煤層直接頂?shù)装宥酁樘假|(zhì)泥巖、粉砂質(zhì)泥巖等封閉性較好的巖層；間接頂板多為灰?guī)r、細砂巖、粉砂巖等對下伏巖層有較好壓實作用的巖層。這樣圍巖巖性組合對煤層瓦斯有較好封閉作用，為瓦斯聚集提供條件。

3.5 水文地質(zhì)條件

水文地質(zhì)條件對煤層瓦斯影響主要在于水力運移、逸散作用及水力封堵作用[11]。

井田內(nèi)含煤地層為龍?zhí)督M(弱富水性)，下伏地層統(tǒng)峨嵋山玄武巖組(弱富水性)，茅口組(強富水性)，上覆地層長興組、夜郎組(中等富水性)[12]。故下伏地層玄武巖組可以作為相對隔水層，格擋地下水進入煤系地層，有利于瓦斯聚集；上覆地層雖為中等富水性，厚度較大，滲透到弱富水性煤系地層影響有限，但對煤層有較好的水力封堵作用，有利于瓦斯聚集。

同時井田內(nèi)地表有斷層3條切割煤系地層至茅口組，斷層的導水性使得煤系地層與強富水性含水地層有較好聯(lián)系，地下水運移過程中會帶走煤層瓦斯使之逸散。同時由于谷里向斜的擠壓作用，瓦斯從高壓區(qū)向低壓區(qū)滲流由深部向淺部至煤層露頭逸散，遇到地表以及深部含水層同時補充，使得逸散的瓦斯被封堵，有利于瓦斯聚集。

4 結(jié)論

(1)對比紅磚煤礦煤層水分、灰分、硫分、揮發(fā)分與煤層瓦斯含量關(guān)系，煤層煤質(zhì)影響瓦斯含量初始值，但不是影響瓦斯賦存的主要因素。

(2)煤層瓦斯受井田斷層發(fā)育以及向斜構(gòu)造影響，煤層埋深增加而瓦斯含量減小。煤層厚度的變化僅局部影響煤層瓦斯含量的變化，但不是影響瓦斯賦存的主要因素。

(3)井田內(nèi)主要構(gòu)造類型為斷層、褶曲，煤層瓦斯在谷里向斜軸部區(qū)域聚集。

(4)井田內(nèi)煤層圍巖巖性整體穩(wěn)定，對煤層瓦斯有較好封閉作用，為瓦斯聚集提供條件。

(5)井田內(nèi)地下水活動受地層富水性以及斷層影響，促進瓦斯在斷層以及谷里向斜區(qū)域聚集。

(6)井田內(nèi)煤層瓦斯賦存在相對獨立向斜以及開放性斷層，谷里向斜軸部區(qū)域瓦斯含量高，是斷層通道運移，地層壓力，地下水活動綜合作用的結(jié)果，瓦斯賦存表現(xiàn)出埋深-水文-構(gòu)造條件耦合特點。