煤層瓦斯主要賦存影響因素篩查
——以河南汝州煤田朝川礦區(qū)二1煤層為例

樂(lè)志軍, 徐永良, 楊予生, 陳良立

(河南省資源環(huán)境調(diào)查四院,河南 鄭州 450000 )

0 引言

瓦斯是各種地質(zhì)因素綜合作用下的產(chǎn)物,其賦存狀況受到地質(zhì)條件的影響與制約較顯著[1-2],影響因素包括煤的變質(zhì)程度、圍巖性質(zhì)、埋藏深度、水文地質(zhì)條件、構(gòu)造發(fā)育[3-5]等。其中地質(zhì)構(gòu)造和埋藏深度是最為重要的影響因素,主要體現(xiàn)在圍巖體結(jié)構(gòu)、封閉條件及滲透性、地應(yīng)力[6]等方面,從而對(duì)煤層瓦斯的逸散或聚集產(chǎn)生重大影響[7-8]。但是,具體到實(shí)際情況中哪些影響因素起主導(dǎo)作用,還需要結(jié)合礦區(qū)的實(shí)際情況具體分析。本文以朝川礦區(qū)為例,通過(guò)定量的方式研究在不同地質(zhì)因素影響下瓦斯含量及涌出量變化規(guī)律及關(guān)系,確定朝川礦區(qū)瓦斯賦存的主要影響因素。

1 朝川礦區(qū)概況

朝川礦區(qū)位于河南汝州煤田東部,行政隸屬于汝州市小屯鎮(zhèn)管轄。在煤礦進(jìn)行大規(guī)模整合之前,該區(qū)內(nèi)有大大小小的煤礦近百余家,其中以朝川礦一井、二井、三井為主要生產(chǎn)礦井。經(jīng)過(guò)近些年煤炭資源整合以及政策性關(guān)閉,目前,朝川礦區(qū)生產(chǎn)礦山僅剩下朝川礦一井,其他礦井均已關(guān)閉。

2 含煤系地層及煤類劃分

區(qū)內(nèi)含煤地層為石炭系和二疊系,煤系地層平均厚585.11 m,自上而下劃分為9個(gè)含煤段,含煤34層,煤層總厚度12.78 m,含煤系數(shù)為2.18%。可采煤層六層,分別為五3、五2、四3、四2、二1和一8煤?？刹擅簩涌偤?0.23 m,可采系數(shù)1.75%。其中二1煤層為主要可采煤層,煤厚0～22.17 m,平均厚4.77 m,全區(qū)可采;四3、五2煤層為大部可采煤層;五3、四2和一8煤層局部可采。

按煤類劃分,五3、五2、四3、四2煤等為肥煤,二1、一8煤為焦煤。煤的變質(zhì)特點(diǎn):在水平方向上,同一煤層浮煤揮發(fā)分產(chǎn)率由東向西、由淺到深有規(guī)律地減少,如12線二1煤的Vdaf(揮發(fā)分)值平均為24.46%,到24線的Vdaf值平均為21.70%,平均每1 000 m遞減0.65%;在傾向剖面上,隨著水平的加深Vdaf值有規(guī)律地遞減,每100 m的梯度值為0.64%。見(jiàn)表1。

表1 二1煤層在傾向剖面上Vdaf值變化

3 礦區(qū)構(gòu)造

朝川礦區(qū)位于秦嶺緯向構(gòu)造帶東段的北亞帶(秦嶺—嵩山亞帶)和南亞帶(秦嶺—大別山亞帶)之間[9],地層整體上傾向NE。由于受南北區(qū)域構(gòu)造擠壓作用強(qiáng)烈,礦區(qū)地層具有淺部和深部?jī)A角較大、中部?jī)A角平緩,東部?jī)A角較大、中西部?jī)A角平緩,以及局部?jī)A角超過(guò)70°[10]或者直立甚至倒轉(zhuǎn)的特點(diǎn)。

朝川礦區(qū)內(nèi)起重要影響作用的是一系列NW向、近EW向的斷層。礦區(qū)構(gòu)造發(fā)育具有西南部、北部斷層相對(duì)較密集發(fā)育,中東部斷層不發(fā)育的特點(diǎn),這也造成了朝川礦區(qū)構(gòu)造分布的顯著差異,大體可分為兩個(gè)區(qū)域,即淺部—中部構(gòu)造簡(jiǎn)單區(qū)、深部構(gòu)造復(fù)雜區(qū)(圖1)。

圖1 朝川礦區(qū)構(gòu)造發(fā)育分布圖

淺部—中部區(qū)域: 構(gòu)造不發(fā)育,構(gòu)造復(fù)雜程度較為簡(jiǎn)單。僅在礦區(qū)的西南部有1條大型逆斷層,正是這條逆斷層,形成了朝川礦區(qū)的西南邊界;其他區(qū)域共發(fā)育斷層5條,斷層密度為0.55條/km2,且均為落差小于20 m的小型正斷層。

深部區(qū)域區(qū):大、中、小型斷層以及正、逆斷層均有發(fā)育,構(gòu)造復(fù)雜程度為復(fù)雜。共發(fā)育斷層50余條,斷層密度為7.25條/km2,其中大、中型斷層20條,占比40%,落差大于100 m的就有7條,小型斷層30條,占比60%;區(qū)內(nèi)共有正斷層39條,占比78%,逆斷層11條,占比22%。另外,目前在深部區(qū)域開(kāi)采面積僅0.55 km2,但在生產(chǎn)過(guò)程中已經(jīng)揭露了落差小于2 m的正斷層40余條,這些都反映出了深部區(qū)域構(gòu)造復(fù)雜。深部區(qū)域構(gòu)造發(fā)育具有正、逆斷層斷層成套出現(xiàn)、落差變化大、延展長(zhǎng)度不遠(yuǎn)的特點(diǎn),并且多為走向斷層和斜交斷層,這些特點(diǎn)在12勘探線上反映較為明顯,見(jiàn)圖2。

圖2 朝川礦區(qū)12勘探線剖面示意圖

4 瓦斯賦存特征及影響因素分析

4.1 瓦斯賦存特征

汝州煤田二1煤變質(zhì)階段為焦煤—貧瘦煤,從煤成烴生氣演化史看,處于第二生氣高峰階段,理論上瓦斯含量應(yīng)該較高,然而臨汝煤田 -600 m水平以淺瓦斯最大含量?jī)H為7.55 m3/t,一般為3.50 m3/t[11]。朝川礦區(qū)二1煤層瓦斯賦存特征在汝州煤田具有代表性,總體含量較低,鉆孔取樣測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2,生產(chǎn)礦井歷年瓦斯涌出量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

表2 鉆孔二1煤層瓦斯含量統(tǒng)計(jì)

表3 生產(chǎn)礦井2007—2021年瓦斯監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

從表2可以看出,二1煤層鉆孔瓦斯含量為0.11～3.59 m3/t;從表3可以看出,2007—2021年,生產(chǎn)礦井監(jiān)測(cè)點(diǎn)瓦斯相對(duì)涌出量1.43～3.88 m3/t,瓦斯絕對(duì)涌出量1.40～4.38 m3/t。即朝川礦區(qū)二1煤層瓦斯含量較低,為低瓦斯礦區(qū)。

4.2 瓦斯賦存影響因素分析

影響煤層瓦斯賦存的地質(zhì)因素眾多,據(jù)學(xué)者研究,主要包括埋藏深度、圍巖性質(zhì)、水文地質(zhì)、煤的變質(zhì)程度、地質(zhì)構(gòu)造等[3-5]。不同的地質(zhì)因素對(duì)瓦斯賦存影響的表現(xiàn)形式和規(guī)律也不一樣,例如對(duì)于煤層埋藏深度,一般來(lái)說(shuō),埋藏越深,瓦斯含量越高[12];對(duì)于圍巖性質(zhì),若煤層頂?shù)装鍘r性致密且裂隙不發(fā)育,則一般瓦斯含量較高[13];對(duì)于地質(zhì)構(gòu)造,一般情況下拉張性斷裂瓦斯易逸散,壓扭性斷裂瓦斯易富集[14]。

4.2.1 圍巖性質(zhì)、變質(zhì)程度和水文地質(zhì)

朝川礦區(qū)二1煤層頂、底板均以砂質(zhì)泥巖和泥巖為主,局部地段為粉砂巖和細(xì)粒砂巖,該類巖性巖層的透氣性較差,瓦斯逸散條件較差,這種條件下有利于瓦斯的儲(chǔ)存和富集[15];二1煤層為焦煤,其變質(zhì)程度較高,處于第二生氣高峰階段,理論上瓦斯含量應(yīng)該較高[16-18];與二1煤層相關(guān)的含水層為底板灰?guī)r巖溶裂隙承壓含水層和頂板砂巖裂隙承壓含水層[19],其頂板砂巖裂隙承壓含水層富水弱,對(duì)瓦斯富集有利,而灰?guī)r含水層,滲透性較強(qiáng),對(duì)瓦斯富集不利,但二1煤層到太原組及寒武系灰?guī)r頂界面存在多層砂質(zhì)泥巖、泥巖、鋁質(zhì)泥巖隔水層,使得含水層對(duì)煤層瓦斯賦存影響較小[20]。因此,朝川礦二1煤層圍巖致密、透氣性差,變質(zhì)程度高、產(chǎn)氣能力強(qiáng),地下水的運(yùn)移對(duì)瓦斯影響小,理論上來(lái)說(shuō),瓦斯含量應(yīng)該較高,但實(shí)際上朝川礦區(qū)二1煤層瓦斯含量整體較低,僅局部地段瓦斯含量略高,最高涌出量也僅為4.38 m3/t,可見(jiàn)圍巖條件、變質(zhì)程度和水文地質(zhì)不是控制朝川礦區(qū)二1煤層瓦斯賦存的主要地質(zhì)因素。

4.2.2 埋藏深度因素

煤層埋藏深度的增加,地應(yīng)力也會(huì)逐漸增大,導(dǎo)致上覆巖層尤其是隔氣層透氣性進(jìn)一步降低[21-22],即埋藏深度的增加有利于瓦斯的賦存和富集[23]。

朝川礦區(qū)二1煤層埋藏深度為35～1142 m,目前開(kāi)采深度約670 m,井巷工程布置深度已達(dá)810 m,開(kāi)采區(qū)域已經(jīng)進(jìn)入了深部。從表2可以看出,二1煤層鉆孔瓦斯含量為0.11～3.59 m3/t,取樣深度為456.71～971.67 m,瓦斯含量最低的采樣點(diǎn)深度為687.17 m,最高的采樣點(diǎn)深度為668.58 m。從表3可以看出,2007—2021年,生產(chǎn)礦井監(jiān)測(cè)點(diǎn)瓦斯相對(duì)涌出量1.43～3.88 m3/t,監(jiān)測(cè)深度為128.95～660.48 m,相對(duì)涌出量最低的監(jiān)測(cè)點(diǎn)深度為660.48 m,最高的監(jiān)測(cè)點(diǎn)深度為531.42 m;瓦斯絕對(duì)涌出量1.40～4.38 m3/min,絕對(duì)涌出量最低的監(jiān)測(cè)點(diǎn)深度為128.95 m,最高的監(jiān)測(cè)點(diǎn)深度為531.42 m。

朝川礦區(qū)二1煤層鉆孔瓦斯含量、相對(duì)涌出量及絕對(duì)涌出量與埋藏深度的關(guān)系,見(jiàn)圖3、圖4和圖5。

圖3 二1煤層鉆孔瓦斯含量與埋藏深度關(guān)系圖

圖4 二1煤層瓦斯相對(duì)涌出量與埋藏深度關(guān)系圖

圖5 二1煤層瓦斯絕對(duì)涌出量與埋藏深度關(guān)系圖

詳細(xì)對(duì)比表2、表3及圖3、圖4、圖5,可以看出朝川礦區(qū)二1煤層瓦斯賦存與埋藏深度的關(guān)系有如下特點(diǎn):

(1)二1煤層在埋深560 m以淺區(qū)域時(shí),具有隨著埋藏深度的增加,鉆孔瓦斯含量、相對(duì)涌出量和絕對(duì)涌出量都出現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì),并且呈線性正相關(guān),這個(gè)特點(diǎn)符合理論上通常的瓦斯賦存規(guī)律。

(2)二1煤層埋深560～597.88 m時(shí),鉆孔瓦斯含量從3.59 m3/t降為0.84 m3/t;埋深597.88～651.67 m時(shí),瓦斯含量又從0.84m3/t增加為2.33 m3/t;埋深651.67～795.29 m時(shí),瓦斯含量又從2.33 m3/t降為0.12 m3/t,中間還出現(xiàn)了一個(gè)異常高點(diǎn) (790.60 m時(shí)瓦斯含量為3.20m3/t)和一個(gè)異常低點(diǎn) (687.17 m時(shí)瓦斯含量為0.11 m3/t);埋深大于795.29 m時(shí),瓦斯含量又從0.12 m3/t逐漸增加。總之,二1煤層在埋深超過(guò)560 m后,鉆孔瓦斯含量變化基本不具有普遍的規(guī)律,不呈線性相關(guān),呈散點(diǎn)狀分布,但整體上來(lái)說(shuō),還是隨著深度的增加而瓦斯含量變小,個(gè)別區(qū)域瓦斯含量增加。

(3)二1煤層埋深進(jìn)入到560 m以深區(qū)域時(shí),瓦斯相對(duì)涌出量和絕對(duì)涌出量不但沒(méi)有出現(xiàn)隨著埋藏深度增加而增大的現(xiàn)象,反而是具有隨著埋藏深度增加瓦斯涌出量逐漸變小的趨勢(shì),并且呈現(xiàn)明顯的線性負(fù)相關(guān),即埋深越大,涌出量越小。

4.2.3 地質(zhì)構(gòu)造因素

眾多的數(shù)值模擬結(jié)果顯示,正斷層為拉張性斷裂,斷裂帶為應(yīng)力釋放區(qū),巖性一般破碎,巖體的滲透性明顯增大,并且具有斷距越大,滲透性越強(qiáng)的特點(diǎn),煤體破碎性越強(qiáng),越有利于瓦斯的逸散,不利于瓦斯富集[24-25]。而逆斷層一般為擠壓性斷裂,往往導(dǎo)致其具有一定的壓扭性和封閉性,對(duì)煤體內(nèi)部瓦斯起到封閉作用,造成構(gòu)造影響區(qū)域內(nèi)煤體透氣性較差,瓦斯運(yùn)移相對(duì)困難,進(jìn)而造成瓦斯積聚[26]。

朝川礦區(qū)淺部—中部?jī)H發(fā)育有少量的數(shù)條斷層,為構(gòu)造簡(jiǎn)單區(qū)域;而深部構(gòu)造較發(fā)育,正逆斷層均有出現(xiàn),并且部分?jǐn)鄬酉嗷デ懈?為構(gòu)造復(fù)雜區(qū)域。從表2可以看出,二1煤層鉆孔瓦斯含量為0.11～3.59 m3/t,其中淺部構(gòu)造簡(jiǎn)單區(qū)域的瓦斯含量為2.57～3.59 m3/t,而深部構(gòu)造復(fù)雜區(qū)域瓦斯含量為0.11～3.20 m3/t。深部瓦斯含量取樣點(diǎn)共有11個(gè),其中7個(gè)點(diǎn)的瓦斯含量小于1.0 m3/t,該7個(gè)點(diǎn)附近200 m范圍內(nèi)斷層數(shù)量為3～8條,正、逆斷層均有發(fā)育,以正斷層為主,并且大中型斷層相互切割;另有3個(gè)點(diǎn)的瓦斯含量為1.37～2.33 m3/t,該3個(gè)點(diǎn)附近200 m范圍內(nèi)斷層數(shù)量為2～5條,正、逆斷層均有發(fā)育,以正斷層為主;另有1個(gè)點(diǎn)瓦斯含量為3.20 m3/t,其附近200 m范圍內(nèi)的斷層數(shù)量為1條,為大型逆斷層。

從表3可以看出,二1煤層瓦斯相對(duì)涌出量為1.43～3.85 m3/t,瓦斯絕對(duì)涌出量為1.40～4.38 m3/min,其中淺部構(gòu)造簡(jiǎn)單區(qū)域的瓦斯相對(duì)涌出量為1.59～3.85 m3/t,絕對(duì)涌出量為1.40～4.38 m3/min,而深部構(gòu)造復(fù)雜區(qū)域瓦斯相對(duì)涌出量為1.43～2.28 m3/t,絕對(duì)涌出量為2.64～3.54 m3/min。深部構(gòu)造復(fù)雜區(qū)域瓦斯相對(duì)涌出量監(jiān)測(cè)點(diǎn)共4個(gè),其監(jiān)測(cè)點(diǎn)附近200 m范圍內(nèi)斷層數(shù)量為4～9條,全部為中、小型正斷層,而淺部構(gòu)造簡(jiǎn)單區(qū)域監(jiān)測(cè)點(diǎn)附近幾乎沒(méi)有構(gòu)造,僅個(gè)別監(jiān)測(cè)點(diǎn)附近有1條正斷層。

朝川礦區(qū)二1煤層鉆孔瓦斯含量、相對(duì)涌出量及絕對(duì)涌出量與構(gòu)造發(fā)育的關(guān)系,見(jiàn)圖6、圖7和圖8。

圖6 二1煤層鉆孔瓦斯含量與斷層數(shù)量的散點(diǎn)關(guān)系圖

圖7 二1煤層瓦斯相對(duì)涌出量與斷層數(shù)量的散點(diǎn)關(guān)系圖

圖8 二1煤層瓦斯絕對(duì)涌出量與斷層數(shù)量的散點(diǎn)關(guān)系圖

詳細(xì)對(duì)比表2、表3及圖6、圖7、圖8,可以看出朝川礦區(qū)二1煤層瓦斯賦存與構(gòu)造發(fā)育的關(guān)系有如下特點(diǎn):

(1)深部構(gòu)造復(fù)雜區(qū)域(560 m以深)瓦斯含量以及涌出量均明顯低于淺部構(gòu)造簡(jiǎn)單區(qū)域(560 m以淺)。

(2)構(gòu)造越發(fā)育,斷層數(shù)量越多,瓦斯含量和涌出量越低,尤其是對(duì)于斷層數(shù)量超過(guò)4條的區(qū)域,瓦斯含量一般小于1.0 m3/t。

(3)斷層規(guī)模越大、斷距越大,瓦斯含量以及涌出量越低,如果斷層相互切割,那么瓦斯含量或涌出量就更低,有的甚至是接近于0。例如11-01孔附近200 m范圍內(nèi)有2條大型正斷層,2條中型正斷層,斷層之間相互切割嚴(yán)重,其瓦斯含量?jī)H為0.11 m3/t;08-3孔附近200 m范圍內(nèi)有2條大型正斷層,3條中型正斷層,斷層之間相互切割嚴(yán)重,其瓦斯含量?jī)H為0.12 m3/t;是由于大型正斷層或者斷層相互切割區(qū)域,斷裂破碎帶較寬,煤層頂板巖層較破碎,有利于瓦斯逸散,使得深部的瓦斯含量、涌出量變得非常小。

(4)正斷層附近瓦斯含量以及涌出量明顯低于逆斷層附近區(qū)域,例如011-1孔附近有1條大型逆斷層,其瓦斯含量為3.20 m3/t,而周邊正斷層區(qū)域的瓦斯含量均小于1.0 m3/t。是由于區(qū)內(nèi)正斷層主要為拉張性斷裂,逆斷層主要為擠壓性斷裂。開(kāi)放性斷層打開(kāi)瓦斯釋放通道,極有利于瓦斯的逸散,導(dǎo)致瓦斯含量相對(duì)較低,反之,封閉性斷層則為瓦斯的高度聚集提供了場(chǎng)所,有利于瓦斯儲(chǔ)存和富集[4]。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)朝川礦區(qū)二1煤層埋藏深度、構(gòu)造發(fā)育情況,鉆孔瓦斯含量及瓦斯相對(duì)涌出量、絕對(duì)涌出量數(shù)據(jù)分析,得出二1煤層瓦斯賦存有如下規(guī)律:

(1)礦區(qū)埋深560 m以淺構(gòu)造不發(fā)育,為構(gòu)造簡(jiǎn)單區(qū)域;560 m以深構(gòu)造較發(fā)育,正逆斷層均有發(fā)育,且有相互切割,為構(gòu)造復(fù)雜區(qū)域。

(2)二1煤層在埋深560 m以淺區(qū)域時(shí),瓦斯含量及涌出量都具有隨著深度增加而逐漸增大的趨勢(shì),并且呈線性正相關(guān);埋深560 m以深區(qū)域,瓦斯含量與深度不呈線性相關(guān),呈散點(diǎn)狀分布,但整體上來(lái)說(shuō),還是隨著深度的增加而瓦斯含量變小,而涌出量則與深度呈線性負(fù)相關(guān),即隨著埋藏深度增加瓦斯涌出量逐漸變小。

(3)構(gòu)造復(fù)雜區(qū)域瓦斯含量以及涌出量均明顯低于構(gòu)造簡(jiǎn)單區(qū)域。

(4)構(gòu)造越復(fù)雜、規(guī)模越大且相互切割時(shí),瓦斯含量及涌出量均越低。

(5)正斷層附近區(qū)域瓦斯含量以及涌出明顯低于逆斷層附近區(qū)域。

綜上所述,可以確定朝川礦區(qū)二1煤層瓦斯賦存的主要影響因素為地質(zhì)構(gòu)造,對(duì)瓦斯的賦存起到了決定性的作用,次要因素為埋藏深度,而圍巖性質(zhì)、煤的變質(zhì)程度和地下水文因素對(duì)瓦斯的賦存影響較小。