湖南龍?zhí)督M瓦斯災害與沉積環(huán)境對比分析

劉海波,劉鐵標,施式亮

(1.湖南理工職業(yè)技術學院 智能制造學院,湖南 湘潭 411104;2.湖南地質局 煤炭地質勘查院,湖南 長沙 410014;3.湖南科技大學 資源環(huán)境與安全工程學院, 湖南 湘潭 411201)

上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M是湖南境內分布最廣泛、煤炭資源儲量最豐富,同時也是開發(fā)強度最大、瓦斯災害最嚴重的含煤巖系.由于利用價值大,湖南境內龍?zhí)督M的沉積環(huán)境[1-2]、含煤特征[3-4]、煤巖特征[5]等都得到了廣泛而深入的研究.由于瓦斯災害嚴重,龍?zhí)督M瓦斯地質、瓦斯災害[6-8]、煤系地層含氣特征[9-12]等也受到高度重視.

將湖南境內開采龍?zhí)督M煤層的礦井瓦斯等級鑒定基礎數據按礦區(qū)平均值繪制成平面圖,發(fā)現其瓦斯含量、相對瓦斯涌出量、突出礦井百分比值等參數的分布呈現比較強的區(qū)域特征性.通過對比分析上述參數與沉積總厚度、砂泥比、煤層累計厚度、含煤層數等煤田地質技術參數的關系,并結合前人有關湖南龍?zhí)逗簬r系沉積環(huán)境的研究成果,不難發(fā)現,湖南龍?zhí)督M瓦斯地質災害區(qū)域分布特征性與其沉積環(huán)境的關系密切.

1 沉積環(huán)境特征

龍?zhí)督M是緊隨東吳運動之后形成的、海陸交互相的含煤巖組[13-14].東吳運動是華南地區(qū)中、晚二疊世之交的一次以玄武巖噴發(fā)為特征的地殼運動,受其影響,我國南方經歷了大規(guī)模的海退,湖南除南部外其他地方均上升為陸地.湘西北地區(qū)在遭受了較長時期的風化剝蝕之后,再次下沉成為潮坪環(huán)境,沉積了含有一層薄煤的黏土沉積物.退縮在湖南南部陸棚淺海的海水也在東吳運動之后迅速向北部侵入,經湘中進入湘東及湘東南,最后到達包括長沙在內的湘中北部,在這些地區(qū)沉積形成龍?zhí)督M含煤巖系地層.

1.1 沉積厚度及砂泥比

除了西部的雪峰古陸、中部的江南古陸、東南部的九嶷古陸、武夷古陸之外,湖南境內均有龍?zhí)督M分布,但受后期地質作用的影響,保存的龍?zhí)督M地層除湘西北外,其他地區(qū)呈零星狀分布,如圖1所示.

圖1 沉積總厚度及砂泥比值等值線

圖1是以各個礦區(qū)龍?zhí)督M上段(含煤)的平均厚度值繪制而成.從圖1中可知,湘中東部攸縣至茶陵一帶的沉積厚度大,多在300 m以上.往西,厚度減小,即便龍山隆起附近的湘中地區(qū)也多在100 m左右.湘南東部多在200 m以上,西部多在100 m左右.其他地方的沉積厚度均小于100 m.如龍山隆起至株洲一線以北的湘中北部區(qū)域內,龍?zhí)督M由碎屑巖和灰?guī)r組成,厚約數十米,與下伏茅口組呈假整合接觸.湘西北龍?zhí)督M相當地層稱為吳家坪組,分為下部含煤的辰溪段及上部灰?guī)r段.辰溪段厚約10 m左右,由鋁土巖、泥頁巖組成,普遍夾煤1層，其底部為風化殼,與下伏茅口組呈假整合接觸.上部灰?guī)r段為硅質灰?guī)r,夾泥頁巖,厚約50 m.

砂泥比值等值線的峰值區(qū)域主要在龍山隆起附近,往東經雙峰至攸縣一帶,以及攸縣往南經永興,直到梅田礦區(qū)一帶.除了龍山隆起附近外,砂泥比值峰值范圍與總厚度大于200 m的范圍基本符合,其他地方的砂泥比值較小.

1.2 含煤層數及可采層數

依據湖南煤炭資源潛力評價報告的基礎數據,采用礦區(qū)范圍內的平均值,龍?zhí)督M所含煤總層數以及可采層數的平面分布如圖2所示.

龍?zhí)督M所含煤層較多的區(qū)域是湘東攸縣至茶陵一帶,往南至湘東南的梅田礦區(qū)一帶.湘東的界化垅礦區(qū)煤層多達21層,其他礦區(qū)多在10層左右;湘南梅田礦區(qū)煤層也有13層,其他礦區(qū)多在7層左右;龍山隆起附近的礦區(qū)煤層多為6層,往南或往北逐漸減為4層、3層;湘西、湘西北地區(qū)僅有8煤1層.龍?zhí)督M總含煤層數的分布具有較強的區(qū)域性,可以圈定為10層以上、10～5層和5層以下的3個區(qū)域(見圖2).

同樣,可采層數的分布與含煤總層數的分布范圍具有較高的相似性,圖2圈定了1,2,3,4層及以上可采層數的區(qū)域范圍.

圖2 含煤層數及可采煤層數分布

1.3 可采煤層及其累厚

可采煤層累計厚度也具有較強的區(qū)域性,如圖3所示.

圖3 可采煤層數及累厚等值線

可采煤層累厚平均值最高的區(qū)域分布在湘東株洲往南至湘南桂陽的湘東南一帶.這個北北東向的條帶狀區(qū)域的可采煤層累厚均值由東、西兩側向中心區(qū)域逐漸增加,至中心地段煤厚又有所下降.龍山隆起附近也是一片厚煤區(qū),其特點是煤層層數少、煤厚穩(wěn)定性較好.湘西北煤層較厚的區(qū)域是辰溪至沅陵一帶,厚約1 m左右;往南、往北逐漸變薄至不可采.

1.4 沉積環(huán)境特征分析

結合前人研究成果并綜合上述分析可知,湘東攸縣、茶陵一帶為典型的高建設性三角洲,其沉積物來自武夷古陸北側,抵達攸縣、茶陵后又先后分為南、北兩支,往北匯入龍山隆起以東區(qū)域,或湘東北的瀏陽至醴陵東部;往南則匯入湘東南區(qū)域.湘東南的三角洲建設比較復雜,沉積物主要來自東邊的武夷古陸,其次是西邊九嶷古陸,南部來自梅田礦區(qū)以南的廣東連陽煤田及其附近的黃沙東西向隆起區(qū)[15].無論前人總結的砂巖體、厚煤帶走向,還是本文各種等值線分布均呈南北向,表明本區(qū)主體流向是南北向的.龍山隆起南側發(fā)育多個小型三角洲,龍山隆起北側在龍?zhí)督M沉積早期填滿低凹地段,后期的地勢差異不大[16].龍山隆起在龍?zhí)督M沉積后期則以破壞作用為主,但因水淺、內陸水體波浪能量小,破壞性不強,成為一個較穩(wěn)定的成煤環(huán)境.

2 瓦斯地質特征

湖南境內龍?zhí)督M瓦斯地質具有明顯的區(qū)域特征,特別是礦井相對瓦斯涌出量、瓦斯含量、突出礦井分布等技術參數都表現出比較明顯的區(qū)域性.

2.1 礦井相對瓦斯涌出量

煤炭資源開發(fā)強度最大的2008年,湖南開發(fā)龍?zhí)督M的礦區(qū)有53個,礦井668對,其中629對礦井完成了當年的礦井瓦斯等級鑒定.經統(tǒng)計,相對瓦斯涌出量的省平均值為16.24 m3/t,礦區(qū)相對瓦斯涌出量最大值是短陂橋礦區(qū)的61.78 m3/t,礦井相對瓦斯涌出量最大值是洪山殿礦區(qū)咸沙壩煤礦的103.54 m3/t.

采用2008年度瓦斯等級鑒定數據,按礦區(qū)所在位置及所屬礦井相對瓦斯涌出量的礦區(qū)平均值繪成平面圖,如圖4所示.從圖4可知,礦井相對瓦斯涌出量平均值大于10 m3/t的礦區(qū)分布在湘中和湘東南.可按10 m3/t為界限將區(qū)域分為2塊,曲線圈定區(qū)域以外的所有礦區(qū)的相對瓦斯涌出量均小于10 m3/t,圈內的均大于10 m3/t.圈內區(qū)域還可以進一步圈定10～20 m3/t,20～30 m3/t,大于30 m3/t的區(qū)域.

圖4 2008年/2010年相對瓦斯涌出量等值線

2010年,湖南開發(fā)龍?zhí)督M的礦區(qū)仍有45個,礦井574對,其中完成當年瓦斯等級鑒定的有429家.同樣可用曲線圈定2010年度礦井瓦斯相對涌出量小于10 m3/t,10～20 m3/t,20～30 m3/t,大于30 m3/t的區(qū)域,如圖4中的點劃線所示.

礦區(qū)主采煤層的瓦斯含量也在圖4中采用虛線圈定了小于10 m3/t,10～15 m3/t,大于15 m3/t共3個區(qū)域.

從圖4可知,2008年和2010年礦井相對瓦斯涌出量大于10 m3/t的礦區(qū)均分布在湘中龍山隆起附近和湘東南永興至耒陽一帶,且區(qū)域內相對瓦斯涌出量越高的礦區(qū)越靠近中心地帶.其他地區(qū)的礦井相對瓦斯涌出量值均低于10 m3/t.

比較而言,龍山隆起附近區(qū)域的瓦斯涌出量更大,全省瓦斯最大涌出量的前5個礦區(qū)有4個位于這個區(qū)域,這4個礦區(qū)的平均相對瓦斯涌出量達到49.17 m3/t;湘東南的永興至耒陽一帶的礦區(qū)平均相對瓦斯涌出量也多是大于20 m3/t.

2.2 突出礦井分布規(guī)律

2008年,湖南開發(fā)龍?zhí)督M煤系的53個礦區(qū)中有23個礦區(qū)含有突出礦井,占比43.4%;629對礦井中有突出礦井188家,占比29.89%.2010年的45個礦區(qū)中有21個礦區(qū)含有突出礦井,占比46.67%;429家煤礦中有突出礦井146家,占比34.03%.這些突出礦井全部集中在湘中龍山隆起附近區(qū)域和湘東南永興至耒陽一帶,其他地區(qū)均無突出礦井.

突出礦井分布如圖5所示.可以用一條曲線將湖南境內的突出礦井分布區(qū)域與無突出礦井區(qū)域分割開來.區(qū)域內所有礦區(qū)均含有突出礦井,只有石里山礦區(qū)異常.區(qū)域外的所有礦區(qū)均沒有突出礦井.區(qū)域內還可以進一步圈定突出礦井數占礦區(qū)內總礦井數百分比大于50%的區(qū)域;區(qū)域外,除了馬鞍山礦區(qū)外,其他礦區(qū)的突出礦井數均小于總礦井數的50%.

圖5 突出礦井分布

綜上,突出礦井分布的區(qū)域性明顯,中部突出性大,往周邊地區(qū),突出性逐漸減小,表現在礦區(qū)內突出礦井數占比降低.

3 瓦斯地質與沉積環(huán)境的關系

湖南龍?zhí)督M的相對瓦斯涌出量、瓦斯含量以及突出礦井分布等都具有明顯的區(qū)域特征.經分析,瓦斯參數的區(qū)域性與沉積環(huán)境的關系密切,與沉積厚度的關系更為密切.

3.1 瓦斯災害程度與沉積環(huán)境關系

湘西、湘北及湘中北部的沉積經歷基本相同,都是東吳運動后久經風化剝蝕,在龍?zhí)锻砥诤＿M時才逐步接受殘積平原、沼澤、潮坪直至淺海相沉積.長期風化所形成的古巖溶帶有利于瓦斯逸散,加上含煤巖系薄,如湘西、湘北煤巖厚約10 m,湘中北部30 m左右,這可能是該區(qū)瓦斯災害程度低的原因.

湘南新寧、東安一帶在龍?zhí)督M沉積期是海進通道,大部分時間處于水下環(huán)境,偶爾露出水面接受了少量海陸交互相沉積.因此,本區(qū)龍?zhí)督M不發(fā)育,偶然形成的煤層也難達到可采厚度,比如雙江-崀山礦區(qū)等.

其他區(qū)域由3個三角洲相沉積區(qū)組成.即湘東的攸(縣)茶(陵)三角洲、湘東南的郴(州)耒(陽)三角洲、龍山隆起附近的漣(源)邵(陽)三角洲.這些三角洲沉積區(qū)是龍?zhí)督M沉積期,三角洲隨著水位升降而反復遷移,甚至是多個三角洲共同沉積而形成的沉積區(qū).

湘東攸(縣)茶(陵)三角洲沉積區(qū)應是典型的高建設性三角洲相沉積區(qū),沉積厚度大、砂泥比高、含煤層數多且不穩(wěn)定.區(qū)內相對瓦斯涌出量低、瓦斯含量低.但往湘中盆地中心,瓦斯災害程度逐漸增高.

湘東南的郴(州)耒(陽)三角洲沉積區(qū)的龍?zhí)督M應是由南北向遷移的三角洲沉積體系組成.沉積物主要來自東邊的武夷山古陸,其沉積環(huán)境多變且不穩(wěn)定,煤巖層相變嚴重、厚度極不穩(wěn)定.區(qū)內瓦斯災害嚴重,且內部差異大,單個礦區(qū)內可能突出礦井和高瓦斯、低瓦斯礦井并存.

湘中的漣(源)邵(陽)三角洲沉積區(qū)由多個小型三角洲沉積形成,建設性弱,沉積環(huán)境穩(wěn)定,沉積厚度小但穩(wěn)定.區(qū)內瓦斯災害最為嚴重,瓦斯相對涌出量和瓦斯含量均是省內最高,突出礦井多.

3.2 相對瓦斯涌出量與沉積速率關系

瓦斯涌出量與沉積厚度對比圖如圖6所示,攸茶三角洲沉積區(qū)沉積厚度大于300 m的區(qū)域內都是低瓦斯礦井.但往盆地中心方向,隨著三角洲作用減弱,沉積物供給速率降低、沉積厚度減少,礦區(qū)的平均礦井相對瓦斯涌出量是遞增的.

圖6 瓦斯涌出量與沉積厚度對照

郴耒三角洲沉積區(qū)相對瓦斯涌出量也是隨沉積厚度往西遞減而增加的.東部礦區(qū)的平均值較低,如石里山2008年和2010年的礦區(qū)平均瓦斯涌出量均低于10 m3/t,永耒礦區(qū)2008年為10.8 m3/t,2010年為8.82 m3/t.往西至白沙、和坪圩礦區(qū)都在20 m3/t左右,再往西至鹽湖、袁家、桐木嶺礦區(qū)在30 m3/t以上.本區(qū)南部也是如此規(guī)律,東南的魯塘、梅田礦區(qū)的相對瓦斯涌出量比其西北的高橋、袁家礦區(qū)要低.

如前述,龍山隆起附近的漣邵三角洲沉積區(qū)的建設性弱,沉積厚度小,區(qū)內瓦斯災害是湖南最為嚴重的.即便如此,沉積厚度大的礦區(qū)的礦井瓦斯相對涌出量平均值還是低些,如表1所示(表中序號對應圖6中的礦區(qū)編號).經統(tǒng)計分析,表1中沉積厚度與瓦斯相對涌出量之間的相關系數r=-0.53,屬于中度負相關.如果考慮位置,三比田礦區(qū)比其東西兩側的箍腳底、楓江溪礦區(qū)要低,兩市塘礦區(qū)比其東西兩側的牛馬司、保和堂礦區(qū)要高,可知礦井相對瓦斯涌出量與沉積厚度的關系是高度相關的,詳見圖6和表1.

表1 龍山隆起附近礦區(qū)瓦斯涌出量

3.3 突出礦井分布與沉積厚度關系

湖南龍?zhí)督M突出礦井全部分布在3個三角洲沉積區(qū),突出礦井分布與沉積厚度關系如圖7所示.

圖7 突出礦井分布與沉積厚度關系

攸茶區(qū)沉積厚度大于300 m的區(qū)域內,無突出礦井.往西隨沉積厚度減少,礦區(qū)中突出礦井百分比由霞流沖的57%增加到桃水礦區(qū)的100%.

郴耒區(qū)的突出礦井百分比也是隨沉積厚度往西減小而遞增的.北部由永耒礦區(qū)的17%,往西到白沙的28%,再到鹽湖礦區(qū)的67%;中部由許家洞的24%,街洞的33%,和平圩的46%往西到華塘的83%,直到桐木嶺礦區(qū)100%突出;南部由梅田的63%往西到袁家的88%,高橋礦區(qū)的100%突出.

漣邵區(qū)突出嚴重,區(qū)內基本上都是突出礦井.但靠近龍山隆起且沉積厚度大的保和堂礦區(qū)無突出礦井,兩市塘的突出礦井也只占全部礦井的50%.三比田沉積厚度大且突出嚴重,應是該礦區(qū)遠離龍山隆起伸入盆地過遠的原因.

4 結論

1)湖南龍?zhí)督M主要瓦斯技術參數與其煤田地質技術參數具有相似的區(qū)域分布特征性,表明礦井瓦斯災害受含煤巖系沉積環(huán)境的影響較大.

2)湖南龍?zhí)督M三角洲沉積相具有較高的瓦斯危害致因性,但不同類型的三角洲,對瓦斯災害的影響程度是不同的.