馮 斌,張小東,李文前,郭新體

(1.河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第十一地質(zhì)隊,河南 商丘 476000；2.河南理工大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院,河南 焦作 454000)

焦作礦區(qū)位于河南省西北部，是我國優(yōu)質(zhì)無煙煤的產(chǎn)出基地之一。同時，焦作礦區(qū)也是我國煤與瓦斯突出最為嚴(yán)重的礦區(qū)之一[1]。經(jīng)過百余年的開采，焦作礦區(qū)許多老礦井井田內(nèi)的煤炭資源已枯竭或近于枯竭。馮營煤礦作為一個資源近于枯竭的礦井，于2001年2月實行政策性破產(chǎn)重新組建，目前主要以開采原礦井剩余煤炭資源為主。該礦自1962年2月投產(chǎn)至今，已發(fā)生3次煤與瓦斯突出，單次突出煤量最小24t，最大260t。自建井至今，該礦每年要投入大量的人力和物力用于防治瓦斯災(zāi)害事故的發(fā)生。

本文在分析馮營井田煤層產(chǎn)出的地質(zhì)構(gòu)造背景的基礎(chǔ)上，探討了地質(zhì)構(gòu)造、埋深、煤厚以及頂?shù)装鍘r性對瓦斯賦存的影響規(guī)律。采用定性與定量相結(jié)合的分析方法，對研究區(qū)瓦斯含量的主控因素進行了分析，以期為馮營礦的瓦斯災(zāi)害防治提供指導(dǎo)和借鑒。

1 井田地質(zhì)構(gòu)造特征

焦作煤田位于太行山隆起帶的東南緣。地層走向NE～SW，傾向SE，傾角10°～25°，一般為12°。區(qū)內(nèi)以斷裂構(gòu)造為主，褶皺構(gòu)造不發(fā)育，總體為一傾向南東的單斜構(gòu)造，僅在礦區(qū)南部見有小型寬緩向斜。斷裂構(gòu)造主要以高角度正斷層為主，按走向主要有NE、近EW、NW向三組，尤以NE向最發(fā)育。斷裂構(gòu)造的切割，使得整個煤田被劃分為多個大小不等的塊段，不僅控制著煤層的分布與賦存特征，而且形成了礦區(qū)或井田的自然邊界。

馮營井田位于焦作煤田東部，其南部的九里山斷層、東部的馮營斷層形成井田的自然邊界。受兩大斷層的影響，井田內(nèi)大中型斷裂構(gòu)造較發(fā)育，且依次派生、伴生的小斷層也特別發(fā)育，均為高角度的正斷層。井田總體為一向南偏東傾斜的單斜構(gòu)造，大中型褶皺構(gòu)造不發(fā)育，局部小褶曲的發(fā)育及揉搓作用，使得煤層頂板滑動面發(fā)育，煤體強度減弱，煤層的原有的層理構(gòu)造與孔裂隙系統(tǒng)遭到破壞，增大了瓦斯在煤體中運移的難度，進而影響了井下瓦斯抽采。

2 煤層及瓦斯分布特征

2.1 煤層

區(qū)內(nèi)含煤地層為二疊系下統(tǒng)山西組和石炭系上統(tǒng)太原組，煤系地層總厚187.2m，共含煤10～11層，煤層總厚14.15m，含煤系數(shù)3.04%。其中，含可采與局部可采煤層3層。山西組的二1煤為區(qū)內(nèi)主要可采煤層，也是本次研究的主要目的層;太原組的一2、一5煤局部可采。二1煤厚度變化較大，以中厚～厚煤層為主，均厚4.20m。在井田西部，受成煤過程中的沉積基底沉積基底凹凸不平,以及沉積期后的水流沖刷和構(gòu)造擠壓等作用，可見薄煤帶或無煤帶。二1煤煤層結(jié)構(gòu)大部分地段較簡單，僅在15～17勘探線，因受成煤過程中的聚煤坳陷基底不均衡沉降影響，煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，常出現(xiàn)分岔現(xiàn)象。

2.2 煤巖、煤質(zhì)

二1煤的宏觀煤巖成分以亮煤為主，暗煤次之，夾絲炭和鏡煤透鏡體或線理狀鏡煤。宏觀煤巖類型以光亮-半亮型煤為主，有少量的半暗型和暗淡型煤。顯微組成中，有機組分含量較高，一般大于86%，其中絕大多數(shù)為鏡質(zhì)組，一般占總組成的80%以上，占有機組分的90%以上，其中主要是無結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)體。惰性組含量較少，一般小于有機顯微組分的10%，主要為絲質(zhì)體。無機組分中以黏土礦物為主，含少量碳酸鹽和硫化物。鏡煤最大反射率3.46%，為無煙煤二～三號。二1煤巖煤質(zhì)一覽情況見表1。

二1煤屬于低水、低灰、特低硫、低磷、抗碎強度高、可選性好、熱穩(wěn)定性能好、高灰熔性、中高發(fā)熱量的無煙煤。

2.3 瓦斯分布特征

本次研究收集到的含氣量資料共計33組，其中：通過煤田勘探鉆孔取芯測得的含氣量數(shù)據(jù)21組，井下鉆孔煤芯取樣測得的瓦斯含量9組。另外，根據(jù)瓦斯壓力換算得到的瓦斯含量有3組(瓦斯含量與壓力的關(guān)系見圖1)。在埋深180～575m的范圍內(nèi)，含氣量分布在3.83～25.96m3/t之間。

就整個井田而言， 自西北向東南，瓦斯含量有增大的趨勢。同一斷塊內(nèi)，距離斷裂帶越近，含氣量越?。辉跀鄬蛹鉁缍烁浇?，含氣量往往較大．深部斷塊的含氣量高于淺部。在斷層的薄煤帶、煤層分岔帶的瓦斯含量往往較低，瓦斯的氣體組成中，甲烷濃度較低。根據(jù)瓦斯含量和井下瓦斯壓力的測試結(jié)果，發(fā)現(xiàn)在斷層延展方向上，瓦斯含量和瓦斯壓力呈帶狀分布：沿煤層走向，靠近礦井東部的NW向傾向斷層，瓦斯減小，瓦斯壓力由0.9MPa降低到0.5MPa以下，瓦斯含量由16～20m3/t·r降低到15m3/t·r以下。

圖1 瓦斯壓力與瓦斯含量的關(guān)系

3 瓦斯賦存的影響因素

影響瓦斯賦存的因素很多，不同的井田其主控因素不同。所有含氣量數(shù)據(jù)中，CH4氣體濃度小于80%的或瓦斯含量小于5.0～7.0m3/t·r(研究區(qū)為無煙煤)，屬于瓦斯風(fēng)化帶以上，本研究中不予考慮(共9個)。另外，在探討相關(guān)因素對瓦斯含量的影響時，也要對瓦斯含量測試點的構(gòu)造條件、煤厚是否異常、頂?shù)装鍘r性的封閉性優(yōu)劣程度等進行可適性分析。

3.1 斷裂構(gòu)造對瓦斯富集的影響

區(qū)域構(gòu)造背景對瓦斯區(qū)域性分布特征具有重要的控制作用，而井田構(gòu)造斷裂構(gòu)造的分布及其力學(xué)性質(zhì)是控制瓦斯賦存及運移的重要地質(zhì)因素[2]。一般而言，壓性斷裂構(gòu)造的封閉性及其形成過程中的擠壓揉搓作用，使得煤體結(jié)構(gòu)遭到破壞，原始的裂隙系統(tǒng)發(fā)生破壞，造成了瓦斯逸散的難度，從而有利于瓦斯的聚集；而張性斷裂構(gòu)造的開放性，有利于增大煤巖體的透氣性，使得瓦斯沿著斷裂面運移，不利于瓦斯富集。另外，同一構(gòu)造的不同部位對煤層氣的富集和運移的作用關(guān)系也是有差異的[3]。

馮營井田總體屬于一單斜構(gòu)造，大中型褶皺構(gòu)造不發(fā)育，僅可見次級小型褶皺，形成一系列小型寬緩的背斜和向斜。井田中大型斷裂構(gòu)造發(fā)育，均為高角度正斷層。區(qū)內(nèi)主要斷層的不同部位的鉆孔含氣量分布見表2。由表2可知，斷裂帶尖滅斷的瓦斯含量往往較高，斷層上盤含氣量一般小于下盤。其中，距離斷層的上盤越近，含氣量越低，并且氣體組成中的甲烷濃度下降，距離斷裂的下盤越近，含氣量越高。原因在于斷層尖滅段，往往是應(yīng)力比較集中部位，煤體結(jié)構(gòu)較為破碎，透氣性差，因此，其含氣性較高。原因在于，區(qū)內(nèi)的斷裂均為張性或張扭性斷層，一般而言，正斷層上盤煤層中裂隙發(fā)育程度明顯高于下盤[4]。因此，透氣性較大，有利于瓦斯的逸散，并且因張性斷層的開放性，與含水層接近，形成水力聯(lián)系，從而降低甲烷含量。

表2 與斷裂構(gòu)造相關(guān)的鉆孔含氣量數(shù)據(jù)

3.2 水文地質(zhì)條件對瓦斯賦存的影響

水文地質(zhì)條件特別是地下水的流態(tài)對瓦斯賦存、運移和富集具有重要的影響。地下水動力學(xué)條件的控氣特征，可概括為水力運移逸散、水力封閉與水力封堵作用。其中，水力封閉和水力封堵作用有利于煤層氣保存，水力運移逸散作用則會導(dǎo)致瓦斯的散失[5-6]。

馮營井田位于焦作礦區(qū)水文地質(zhì)單元北部，為一南部由九里山斷層、東部由馮營斷層所控制的半封閉次級水文地質(zhì)單元。井田西北部山區(qū)奧陶系灰?guī)r裸露，受大氣降水的補給面積大，補給條件好，加之區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造發(fā)育，不僅構(gòu)成了巖溶裂隙地下水徑流的主要通道，而且溝通了含水層之間的水力聯(lián)系。井田內(nèi)地下水徑流方向由西北流向東南，在井田東南邊界，受到水體流動過程中，瓦斯也隨著運移。受到井田東南部張扭性的九里山斷層及其派生的安陽城斷層的阻隔，在東南方向形成地下水滯留區(qū)，形成瓦斯富集帶，從而形成了井田總體上西北部瓦斯含量較低、東南部瓦斯含量較高的區(qū)域分布特征。由此可以看出，水文地質(zhì)條件是控制井田煤層瓦斯區(qū)域分布的主控因素。

3.3 煤厚對含氣性的影響

從瓦斯生成的角度而言，一般認為煤層厚度與瓦斯含量具有正相關(guān)關(guān)系。但實際上，根據(jù)瓦斯含量的定義，單位體積煤層的生氣量與煤厚之間不存在因果聯(lián)系[7]。但因煤層本身屬于高度致密的低滲透巖層，其上下分層對中部分層的瓦斯氣體逸散具有強烈的封蓋作用。因此，煤層厚度越大，中部分分層瓦斯氣體向頂?shù)装鍞U散的路徑就越長，擴散阻力越大，有利于瓦斯的保存，從而表現(xiàn)為煤厚與瓦斯含量具有正相關(guān)關(guān)系。

研究區(qū)的煤厚變化較大，常常有分岔現(xiàn)象，局部出現(xiàn)薄煤帶。刨除掉薄煤帶的瓦斯含量，發(fā)現(xiàn)煤厚與瓦斯含量具有一定的正相關(guān)性(圖2)。煤層厚度與含氣量之間的相關(guān)方程式為：

W=1.3817×H+10.785(R=0.66)

(1)

式中，w為含氣量，rn3/t；H為煤層厚度，m。

回歸方程的顯著性檢驗表明，對于給定的顯著性水平a(a= 0.05)，查得t0.025(10)=2.2281。根據(jù)數(shù)據(jù)點計算得∣t∣=2.755984>t0.025(10)。由此可以看出，煤厚與瓦斯含量的相關(guān)方程式(1)，在顯著性水平a=0.05時是顯著的，進而可以認為，煤厚是影響馮營井田瓦斯含量的主要因素之一。

圖2 煤厚與瓦斯含量的關(guān)系

3.4 埋深與含氣量的關(guān)系

一般而言，在大型含煤盆地范圍內(nèi)，煤層埋深與瓦斯含量之間具有正相關(guān)關(guān)系，即瓦斯含量隨著煤層埋藏深度的增加而增高。然而,對于構(gòu)造比較復(fù)雜的井田，煤層埋深與瓦斯含量的正相關(guān)型并不明顯，甚至出現(xiàn)異常相關(guān)，即隨著煤層埋深的增加，含氣量反而呈現(xiàn)下降的趨勢[7]。

就馮營井田而言，煤層埋藏深度與含氣量總體呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，但這種關(guān)系并不明顯，很難通過一個簡單的關(guān)系式來表達(圖3)。分析其原因，可能是與井田構(gòu)造較為復(fù)雜、煤層厚度變化較大，新生界厚度分布不均等原因，致使研究區(qū)的煤層埋藏深度與瓦斯含量之間不存在有確定的梯度關(guān)系，也即就該井田而言，埋藏深度不是引起瓦斯含量變化的主要因素。

圖3 煤層埋深與含氣量的關(guān)系

3.4 上覆基巖厚度與含氣量的關(guān)系

煤層上覆基巖厚度為煤層埋深減去新生界(古近系、新近系)地層的厚度。研究區(qū)缺失古近系地層，新生界地層主要為松散的黃土層，其空隙度大，連通性好，容易釋放瓦斯，地質(zhì)歷史時期不利于瓦斯的保存。因此，從瓦斯保存的有效性角度而言，基巖厚度也常稱之為上覆有效地層厚度。一般說來，上覆地層有效厚度越大，保存條件越好；有效地層厚度越薄，表明構(gòu)造運動造成抬升、剝蝕強烈，地層壓力降低，氣體越易發(fā)生解吸散失[3,8]。

研究區(qū)統(tǒng)計結(jié)果表明，煤層含氣量隨著上覆基巖厚度的增加而增高，兩者間具有一定的對數(shù)關(guān)系，相關(guān)方程式為：

W=0.0347×h+5.6368(R=0.65)

(2)

式中，w為含氣量，rn3/t；h為上覆基巖厚度，m。

回歸方程式(2)的顯著性檢驗表明，對于給定的顯著性水平a(a=0.05)，查得t0.025(12)=2.1788。根據(jù)數(shù)據(jù)點計算得∣t∣=2.960512>t0.025(12)。由此可以看出，上覆基巖厚度與瓦斯含量的相關(guān)方程式(2)，在顯著性水平a=0.05時是顯著的，由此可以推測，煤層的上覆基巖厚度是研究區(qū)瓦斯含量的主控因素之一。

圖4 上覆基巖厚度與含氣量的關(guān)系

3.5 頂?shù)装鍘r性對含氣量的影響

圍巖的隔氣性或透氣性對瓦斯氣體的保存具有重要作用，一般來說，圍巖的碎屑含量越低、顆粒越細、泥質(zhì)含量越高，其對氣體封閉能力越好，越有利于氣體的保存。

研究區(qū)的二1煤層頂板巖性及穩(wěn)定性變化較大，多為黑色炭質(zhì)泥巖，厚0.4～11.67m，平均2.63m。底板為砂質(zhì)泥巖、泥巖，厚13.87～24.01m，平均厚20m。這些泥巖或砂質(zhì)泥巖裂隙不發(fā)育，顆粒致密，具有良好的封閉性，既是煤層與頂板砂巖裂隙含水層之間的隔水層，也是防止瓦斯逸散的隔氣層。如營91鉆孔，盡管煤厚僅3.5m，埋深350m，上覆基巖厚度278.9m，但其頂板20m范圍內(nèi)有12.3m的泥巖分布，其瓦斯含量高達25.26m3/t。而營59鉆孔，盡管煤厚高達7.2m，埋深404.3m，上覆基巖厚度286.3m，但其頂板20m范圍內(nèi)，泥巖厚度僅0.5m，多為粉砂巖或中細砂巖，其含氣量僅為14.05m3/t。由此可見，煤層頂?shù)装逡彩怯绊懷芯繀^(qū)瓦斯含量變化的主要因素。

4 結(jié)論

1)地質(zhì)構(gòu)造對馮營井田的瓦斯含量具有較大的影響，表現(xiàn)為斷層尖滅端附近，含氣量大，而斷裂帶內(nèi)含氣量??；斷層下盤的含氣量明顯大于上盤。同一正斷層的上盤附近，距離斷層面越遠，含氣量越大。

2)水文地質(zhì)條件對井田的瓦斯含量區(qū)域性分布具有重要的控制作用，表現(xiàn)為徑流區(qū)瓦斯含量較低，滯留區(qū)瓦斯含量較高。

3)煤層埋藏深度對瓦斯含量的影響并不顯著，而煤層的厚度、上覆基巖厚度以及頂?shù)装鍘r性對瓦斯含量的局部分布有較大的影響，表現(xiàn)為煤層厚度和上覆基巖厚度越大，圍巖的泥質(zhì)含量越高、顆粒越細，含氣量越大。

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