靈石礦區(qū)煤層瓦斯賦存影響因素分析

陳鳳杰，趙慶珍，張 銳

（山西能源學(xué)院 地質(zhì)與測(cè)繪工程系，山西 晉中 030600）

1 概 況

靈石礦區(qū)屬于霍西煤田，位于晉中市南部，礦區(qū)大部分在靈石縣境內(nèi)，北端在介休市境內(nèi)，西接交口縣，東以霍山斷層為界，北以南同蒲鐵路介休－義棠段南側(cè)為界，南與霍州市、汾西縣相鄰。汾河貫穿礦區(qū)，汾河地塹將靈石礦區(qū)分為東、西兩部分。區(qū)內(nèi)出露沉積巖地層主要為寒武系、奧陶系中統(tǒng)峰峰組；石炭系上統(tǒng)本溪組、太原組；二疊系下統(tǒng)山西組、中統(tǒng)下石盒子組、中統(tǒng)- 上統(tǒng)上石盒子組；新近系上新統(tǒng)和第四系中上更新統(tǒng)[2]。主要含煤地層為太原組（C2t） 和山西組（P1s），現(xiàn)主要開采9、10 號(hào)煤層，煤類主要為焦煤、肥煤。

靈石縣位于山西臺(tái)背斜的中部，處于呂梁塊隆、沁水塊坳、晉中新裂陷與臨汾- 運(yùn)城新裂陷4個(gè)Ⅳ級(jí)構(gòu)造單元接壤部位，區(qū)內(nèi)主要發(fā)育有祁呂弧形褶帶東翼、晉中多字形構(gòu)造、南北向斷裂帶、東西向構(gòu)造形跡四大構(gòu)造體系（圖1）。祁呂弧形褶帶東翼表現(xiàn)形式為NNE-NE 向扭性斷裂及褶皺構(gòu)造，褶皺規(guī)模大，延伸長(zhǎng)，控制著本縣的山川水系、地形地貌及礦產(chǎn)資源的分布。晉中多字形構(gòu)造分布于牛角鞍—喬家山一帶及石膏山—仁義—南關(guān)等地，為該構(gòu)造體系西南端。由一系列走向NE-NEE 向斷裂構(gòu)造組成。南北向斷裂帶分布于西許以東，霍山西麓，東西寬約6 km，南北長(zhǎng)約24 km，以走向NW 霍山斷裂為主，由石膏山林場(chǎng)逆斷層及其派生的數(shù)條小型逆斷層組成。東西向構(gòu)造形跡以NE 向背向斜形式產(chǎn)于石膏山一帶太岳山群地層中。

圖1 靈石縣構(gòu)造綱要圖Fig.1 Structural outline of Lingshi County

2 煤層瓦斯含量

此次統(tǒng)計(jì)了靈石礦區(qū)瓦斯含量數(shù)據(jù)60 個(gè)，詳見表1。靈石礦區(qū)煤層埋深整體較淺，大多小于300 m。主采煤層大部分位于瓦斯風(fēng)化帶內(nèi)，煤層瓦斯含量及甲烷濃度均較低，為貧氣區(qū)。瓦斯成分中CH4占5.95%～87.2%，平均29.34%；CO2占0.07%～56.96%，平均16.79%；N2占11.79%～83.16%，平均53.06%。9、10 號(hào)煤層瓦斯含量0.23～5.46 m3/t，平均2.28 m3/t；其中9 號(hào)煤層瓦斯含量0.56～4.22 m3/t，平均2.20 m3/t；10 號(hào)煤層瓦斯含量0.23～5.46 m3/t，平均2.36 m3/t。

表1 靈石礦區(qū)9 號(hào)、10 號(hào)煤層瓦斯含量Table 1 Gas content of No.9 and No.10 coal seams in Lingshi mining area

3 煤層瓦斯賦存影響因素分析

煤層瓦斯含量的影響因素主要有煤化程度及煤的顯微組分、圍巖透氣性、地質(zhì)構(gòu)造、煤層埋藏深度等。

3.1 煤化程度及煤的顯微組分

煤層中瓦斯形成首先取決于煤化作用程度和煤的顯微組分。一般來(lái)說(shuō)煤化程度增高，產(chǎn)生的氣體增多。研究區(qū)最大鏡質(zhì)組反射率在1.53%～1.69%，處于焦煤變質(zhì)階段，該階段熱降解作用結(jié)束，熱裂解作用下甲烷開始逐漸生成，由于處于中等變質(zhì)階段，此時(shí)煤層生烴量較為有限。

煤的顯微組分中，殼質(zhì)組產(chǎn)氣能力強(qiáng)，鏡質(zhì)組產(chǎn)氣能力中等，惰質(zhì)組產(chǎn)氣能力最低。同時(shí)煤的顯微組分不同，也影響煤的甲烷吸附能力，在平均含有4～5 m3/t 甲烷的煤層中，殼質(zhì)組吸附的瓦斯量相當(dāng)于鏡質(zhì)組的1.5 倍，而惰質(zhì)組吸附量相當(dāng)于鏡質(zhì)組的0.6 倍左右。

研究區(qū)9 號(hào)、10 號(hào)煤的顯微組分均以鏡質(zhì)組為主，主要為無(wú)結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)組；9 號(hào)煤中鏡質(zhì)組占57.7%～71.8%，平均66.79%；10 號(hào)煤中鏡質(zhì)組占62.7%～71.2%，平均67.78%；惰質(zhì)組以絲質(zhì)體和半絲質(zhì)體為主，9 號(hào)煤中惰質(zhì)組占23.9%～32.8%，平均28.3%；10 號(hào)煤中惰質(zhì)組占19.3%～31.8%，平均26.16%。較多的鏡質(zhì)組，極少的殼質(zhì)組，從顯微組分角度來(lái)看，研究區(qū)煤層在產(chǎn)氣能力和吸附氣體量方面都沒有明顯優(yōu)勢(shì)。

3.2 圍巖透氣性

煤層頂、底板透氣性對(duì)煤層瓦斯保存和逸散起著重要作用，透氣性好的圍巖如砂巖，有利于瓦斯的逸散；透氣性差的圍巖如泥巖、灰?guī)r，則對(duì)煤層瓦斯起到很好的封閉作用。研究區(qū)9 號(hào)煤層主要為K2 石灰?guī)r，致密、堅(jiān)硬，穩(wěn)定性好，底板為泥巖、砂質(zhì)泥巖，節(jié)理裂隙不發(fā)育，較穩(wěn)定；10 號(hào)煤層頂板主要為泥巖、砂質(zhì)泥巖（即9 號(hào)煤層之底板），節(jié)理裂隙不發(fā)育，不穩(wěn)定；底板為泥巖、砂質(zhì)泥巖，較穩(wěn)定。9、10 號(hào)煤層圍巖主要為透氣性較差的泥巖、灰?guī)r，封閉性能較好，有利于瓦斯保存。

3.3 煤層埋藏深度

在影響煤層瓦斯含量的地質(zhì)因素中，埋藏深度與瓦斯含量關(guān)系也較為密切。當(dāng)煤系地層出露地表或被新的地層掩蓋，煤層內(nèi)的氣體往往沿煤層向外逸散，造成由深至淺煤層瓦斯含量降低。對(duì)煤層瓦斯含量與埋藏深度進(jìn)行分析，9 號(hào)煤層瓦斯含量受埋藏深度影響（圖2），整體埋藏深度大，瓦斯含量較大，但其相關(guān)性不明顯，可能是由于整體處于瓦斯風(fēng)化帶內(nèi)，煤層埋藏深度不是煤層瓦斯賦存的主控因素；10 號(hào)煤層瓦斯含量隨著埋藏加深呈現(xiàn)明顯的逐漸變大的趨勢(shì)（圖3），相關(guān)性較好，埋藏深度是10 號(hào)煤層瓦斯賦存的主控因素。

圖2 9 號(hào)煤層瓦斯含量與埋藏深度關(guān)系Fig.2 Relationship between gas content and burial depth of No.9 coal seam

圖3 10 號(hào)煤層瓦斯含量與埋藏深度關(guān)系Fig.3 Relationship between gas content and burial depth of No.10 coal seam

3.4 地質(zhì)構(gòu)造

研究區(qū)構(gòu)造體系中發(fā)育有較多斷層構(gòu)造，如祁呂弧形褶帶東翼構(gòu)造體系中的靈石斷層、張家莊斷層，晉中多字形構(gòu)造中的鄭家山斷層、牛角鞍斷層等均為正斷層，逆斷層則主要發(fā)育在礦區(qū)東南角，以石膏山林場(chǎng)逆斷層為主要代表。整體而言，礦區(qū)斷裂構(gòu)造以正斷層為主。研究區(qū)經(jīng)歷了快速埋藏、穩(wěn)定埋藏、隆升、剝蝕、沉陷5 個(gè)階段，晚侏羅世至早白堊世的快速隆升使得地層埋藏深度迅速減小，地層溫壓明顯降低，生烴作用減弱；上覆地層遭受風(fēng)化剝蝕，強(qiáng)烈的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)作用下斷層大量形成，地層中節(jié)理裂隙發(fā)育，煤層中瓦斯在驟減的壓力作用下發(fā)生解吸，并沿著斷層、裂隙等通道發(fā)生逸散。

4 結(jié) 論

（1） 靈石礦區(qū)主采煤層大部分位于瓦斯風(fēng)化帶內(nèi)，煤層瓦斯含量0.56～5.46 m3/t，平均2.48 m3/t；甲烷濃度5.95%～87.2%，平均29.41%；瓦斯含量及甲烷濃度均較低，為貧氣區(qū)。

（2） 地質(zhì)構(gòu)造為靈石礦區(qū)煤層瓦斯賦存的主控因素，生烴后的構(gòu)造抬升及張性斷層的發(fā)育，造成煤層瓦斯大量逸散。

（3） 靈石礦區(qū)煤層煤化程度中等，生氣量較為有限；較為致密的頂、底板有利于煤層瓦斯的保存。埋藏深度是靈石礦區(qū)瓦斯賦存的重要影響因素，10 號(hào)煤層瓦斯含量與埋藏深度呈現(xiàn)明顯正相關(guān)。