煤礦瓦斯地質(zhì)特征及瓦斯類型評價

張 勃，周海濤，邢莞東

(河北省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第八地質(zhì)大隊，河北 秦皇島 066000)

柳江煤田開發(fā)歷史悠久，礦權(quán)分布廣泛，開采工作由來已久，區(qū)內(nèi)地層、構(gòu)造、煤層、瓦斯、水文地質(zhì)及其他開采技術(shù)條件等復(fù)雜多樣，系統(tǒng)總結(jié)區(qū)內(nèi)瓦斯地質(zhì)特征，可為今后開展地質(zhì)工作，為煤礦安全生產(chǎn)，制定生產(chǎn)計劃、發(fā)展規(guī)劃等提供更充分可靠的地質(zhì)資料。

1 勘查區(qū)概況

柳江盆地地處河北省秦皇島市石門寨地區(qū)，其地質(zhì)研究程度較高，煤炭開采歷史悠久。其位于華北板塊東北緣，燕山褶皺帶東段之三級構(gòu)造單元—山海關(guān)臺隆區(qū)，構(gòu)造演化基本與華北地臺一致[1-4]。

1.1 地層

柳江盆地的地層出露較為齊全、地層界限清晰可見、生物化石豐富多樣，且多具有代表性。發(fā)育的地層從上至下主要有：新生界第四系；中生界侏羅系；古生界二疊系、石炭系、奧陶系和寒武系；新元古界青白口系和新太古界山海關(guān)變質(zhì)花崗巖(圖1，表1)。

圖1 柳江盆地大地構(gòu)造位置Fig.1 Earth structure position diagram of Liujiang Basin

1.2 構(gòu)造

柳江盆地處于燕山臺褶帶東段，山海關(guān)臺拱中部，主要構(gòu)造線方向為近南北向。自古生代以來，本區(qū)經(jīng)歷了華力西—印支運動和燕山運動的改造，形成了一系列褶皺構(gòu)造與斷裂構(gòu)造(圖1、圖2)。

表1 柳江盆地地層Tab.1 Stratigraphy of Liujiang Basin

1.2.1 褶皺構(gòu)造

西部柳觀峪—秋子峪背斜：該背斜分布在柳觀峪以東，秋子峪以南，呈北北東向延伸，出露長度達1.8 km，寬度0.3 km。

中部—東部地區(qū)，早期認(rèn)為是不完整的開闊的不對稱大向斜，但通過地表勘查及深部鉆探工程，發(fā)現(xiàn)以往認(rèn)識的柳江向斜并非完整的向斜構(gòu)造，向斜東翼完整存在，而西翼受到構(gòu)造破壞。

1.2.2 斷層構(gòu)造

(1)南北向逆沖斷層帶。發(fā)育在山羊寨到吳莊一線以西到響山巖體，斷層帶寬為200～300 m，南北長十余千米。

(2)北東向柳觀峪東斷層。為右旋剪切兼逆沖斷層，以剪切分量為主，斷層面走向為NE45°左右，向北西傾斜，傾角較大，地層直立倒轉(zhuǎn)，它切割了柳觀峪—秋子峪背斜。

圖2 柳江盆地構(gòu)造綱要Fig.2 Structural outline diagram of Liujiang Basin

(3)北西向花場峪—王莊斷層。為左旋走滑斷層，走向北西。

(4)南刁部落—南林子—上平山逆斷層。該斷層從南刁部落向西延伸到南林子、石龍山和上平山，在圖幅內(nèi)出露長達十余千米。

(5)北林子—潮水峪逆斷層。該斷層從潮水峪向南延伸到淺水營北村、北林子西側(cè)，長達8 km。在潮水峪，斷層面傾向東，傾角近直立(85°)。

1.3 巖漿巖

柳江盆地的形成主要受燕山期構(gòu)造活動的影響。區(qū)域內(nèi)燕山期巖漿活動頻繁，多期次侵入和噴發(fā)形成了區(qū)內(nèi)復(fù)雜的巖石類型。巖體展布方向受區(qū)域構(gòu)造的控制。燕山期侵入體多集中分布在柳江盆地外緣地區(qū)。代表性巖體有后石湖山、響山花崗巖體等。巖漿活動由早至晚，從基性—中性—酸性—堿性的演化趨勢。響山、后石湖山兩巖體巖石均為堿性特征，所含礦物具有很大的一致性，很可能具有相同的物源區(qū)[5-8]。

2 瓦斯成分及含量

柳江煤礦地區(qū)，全井田共采集瓦斯煤樣15個，全部用解吸罐采取。野外解析無氣體溢出，據(jù)室內(nèi)分析結(jié)果顯示，本區(qū)煤層中CH4含量為0.17～1.26 m3/t，平均0.64 m3/t，占16.02%～73.61%。甲烷含量較低，2煤層瓦斯含量0.64～1.20 m3/t，3煤層瓦斯含量0.22～1.02 m3/t。5煤層較3煤層瓦斯含量略高，為0.37～1.26 m3/t(去除ZK4203)。一般情況下瓦斯含量受地質(zhì)構(gòu)造影響較明顯，隨著埋深的增加，瓦斯含量均有增大趨勢。在斷層、褶皺及巖漿巖附近，瓦斯含量明顯增大。

表2 可采煤層瓦斯含量、瓦斯成分Tab.2 Gas content and gas composition of minable coal seams

3 瓦斯分布變化規(guī)律

3.1 褶皺、斷層對瓦斯賦存的影響

3.1.1 褶皺構(gòu)造

從以往資料中對于瓦斯分布及瓦斯突出分布規(guī)律得出，瓦斯分布與褶皺的分布聯(lián)系緊密。如果圍巖封閉條件嚴(yán)密，背斜則會有利于瓦斯保存，為儲氣構(gòu)造，若圍巖透氣性好，則背斜中的瓦斯就會易于逃離。而由于燕山多期運動，使柳江煤田形成多個褶皺，柳江煤礦地區(qū)向斜深部，各煤層的瓦斯含量和涌出量出現(xiàn)增加趨勢。

3.1.2 斷層構(gòu)造

礦區(qū)斷層的發(fā)育程度及類型對瓦斯的涌出和賦存有一定影響，從以往規(guī)律來看，張性斷層一般有利于瓦斯的排放，壓性斷層則不利于瓦斯排放。斷層密集程度也是重要影響因素，小斷層越密集，煤體結(jié)構(gòu)破壞越大，瓦斯涌出量就會越大。柳江煤礦淺部斷層發(fā)育較多，有利于瓦斯的逸散，使得整個礦井瓦斯含量降低。此外，從構(gòu)造應(yīng)力分布角度來分析，斷層尖滅端應(yīng)力局部集中，瓦斯則相對集中。

3.2 頂?shù)装鍘r性對瓦斯賦存的影響

煤層上下圍巖的隔氣和透氣性密切關(guān)乎瓦斯的保存。瓦斯如若出現(xiàn)集中分布并導(dǎo)致局部涌出異常，應(yīng)該與其圍巖透氣性低有關(guān)。當(dāng)圍巖中出現(xiàn)較多砂巖地層時，砂巖占比越大，層厚度越大，越有利于煤層中瓦斯的逸散。柳江煤礦煤層主要賦存在上石炭系和下二疊系，其中3煤以粉砂巖為主，局部為細(xì)砂巖，局部發(fā)育炭質(zhì)粉砂巖偽頂；底板主要為炭質(zhì)粉砂巖、細(xì)砂巖及石英砂巖。但受火成巖破壞后，多孔可見山閃長玢巖形成煤層的頂?shù)装?。粉砂巖對煤層的瓦斯封堵較好，不利于瓦斯的逸散。5煤原始沉積的煤層直接頂板以粉砂巖為主，局部為細(xì)砂巖，發(fā)育炭質(zhì)粉砂巖偽頂；底板主要為黏土巖、粉砂巖和炭質(zhì)粉砂巖。受火成巖破壞后，多孔可見山閃長玢巖形成煤層的頂?shù)装?。粉砂巖對煤層的瓦斯封堵較好，不利于瓦斯的逸散[9-10]。

3.3 巖漿巖分布對瓦斯賦存的影響

巖漿巖對礦區(qū)瓦斯含量的增加具有重要的控制作用。礦區(qū)巖漿巖發(fā)育會使煤得變質(zhì)程度增加，加速瓦斯的形成；巖漿的烘烤作用、擠壓作用會破壞了煤的原始裂隙系統(tǒng)，形成了“構(gòu)造煤”帶，巖漿侵入時作用得不均勻，會使煤層結(jié)構(gòu)構(gòu)造發(fā)生明顯得帶狀變化，導(dǎo)致煤層滲透率也隨之改變，從而達到控制了瓦斯的儲存和運移的效果。例如在一個塊段內(nèi)，在巖漿巖體的兩側(cè)依次出現(xiàn)天然焦—高變質(zhì)碎裂煤—構(gòu)造煤—正常煤的分帶現(xiàn)象，越靠近巖漿巖體，煤的變質(zhì)程度越高。而低變質(zhì)煤層，巖漿侵入會增加煤層的孔隙度，造成游離的瓦斯量增加，則煤層瓦斯涌出量會明顯增大。

柳江煤礦地區(qū)巖漿巖侵入較發(fā)育，侵入巖體形態(tài)多呈巖墻、巖床狀，并有分枝和巖瘤零星分散鑲?cè)雵鷰r中，穿透能力強，切穿各可采煤層，使煤層局部被侵蝕破壞，靠近火成巖邊緣煤層變質(zhì)，形成天然焦，煤層變質(zhì)呈天然焦?fàn)頪11-13]。礦井已采區(qū)的瓦斯涌出量資料顯示，凡是有巖漿巖侵入的區(qū)域，瓦斯涌出量也都相對增大。如老柳江礦3煤層，在巖漿巖附近，局部瓦斯涌出量達到2.2 m3/min，大于沒有火成巖影響的正常值1.5 m3/min。

3.4 煤層埋深及上覆基巖厚度對瓦斯賦存的影響

煤層埋藏深度與瓦斯涌出量也是密切相關(guān)得。因為煤化作用的程度與煤層埋藏深度有直接聯(lián)系，有成巖過程中瓦斯的生成和逸散也與煤層埋藏深度也相關(guān)。煤層隨著埋藏深度的增加，透氣性會逐漸降低，逸散減弱。而瓦斯壓力則會隨著埋深增大而增加。柳江煤礦煤層開采標(biāo)高+124 m～-1 020 m，煤層瓦斯涌出量及瓦斯含量隨埋深的增加將有增大趨勢。

4 礦井瓦斯類型評價

柳江煤礦區(qū)瓦斯礦井，各煤層瓦斯含量均較低，瓦斯含量受地質(zhì)構(gòu)造影響較明顯，在斷層、褶皺及巖漿巖附近瓦斯含量明顯增大，隨著埋深的增加，瓦斯含量均有增大趨勢，但均在4 m3/t以下?？傮w來說，各煤層瓦斯含量均在4.0 m3/t以下，根據(jù)《煤礦地質(zhì)工作規(guī)定》中瓦斯類型劃分標(biāo)準(zhǔn)，瓦斯類型為簡單。

5 結(jié)論

柳江煤礦礦區(qū)總體來說，各煤層瓦斯含量均在4.0 m3/t以下瓦斯類型為簡單，煤層中CH4含量為0.17～1.26 m3/t，平均0.64 m3/t，占16.02%～73.61%。甲烷含量較低，2煤層瓦斯含量0.64～1.20 m3/t，3煤層瓦斯含量0.22～1.02 m3/t。5煤層較3煤層瓦斯含量略高，為0.37～1.26m3/t。瓦斯含量受地質(zhì)構(gòu)造影響較明顯，隨著埋深的增加，瓦斯含量均有增大趨勢。在斷層、褶皺及巖漿巖附近，瓦斯含量明顯增大。各煤層瓦斯含量最大1.26 m3/t，小于4 m3/t。

瓦斯是影響煤礦開采的重要因素。柳江煤礦地區(qū)瓦斯類型較簡單，含量低，對于安全生產(chǎn)比較有利，但安全問題不可忽視，開采過程中應(yīng)注意結(jié)合地質(zhì)特征及分布規(guī)律的研究，合理施工，保證煤礦生產(chǎn)和礦工生命安全，合理利用瓦斯。