王 猛 朱炎銘 王懷勐 李 伍

（1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇省徐州市，221116；2.煤層氣資源與成藏過(guò)程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇省徐州市，221008）

唐山礦瓦斯賦存的地質(zhì)控制因素研究＊

王 猛1，2朱炎銘1，2王懷勐1李 伍1

（1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇省徐州市，221116；2.煤層氣資源與成藏過(guò)程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇省徐州市，221008）

結(jié)合唐山礦的地質(zhì)特征及瓦斯資料，研究了控制瓦斯賦存的主要地質(zhì)因素，包括地質(zhì)構(gòu)造、煤層埋深、地下水活動(dòng)及煤層頂板巖性等。結(jié)果表明：正斷層有利于瓦斯逸散，逆斷層有利于瓦斯的保存，尤其是推覆構(gòu)造對(duì)瓦斯的賦存有重要的影響；隨埋深增大，煤層瓦斯壓力增大，煤可吸附更多瓦斯；煤層瓦斯含量與頂板砂泥巖比呈反比；地下水的封堵作用利于瓦斯的保存，使得開(kāi)平向斜北西翼的唐山礦瓦斯含量較同深度的南東翼瓦斯含量高。

唐山礦 瓦斯賦存 構(gòu)造 埋深 地下水 頂板巖性

開(kāi)灤礦區(qū)唐山礦歷年均被鑒定為高瓦斯礦井，瓦斯突出危險(xiǎn)性較高。研究煤礦的瓦斯地質(zhì)特征，認(rèn)識(shí)瓦斯賦存的地質(zhì)控制因素，對(duì)于預(yù)防或避免瓦斯事故有重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文在對(duì)開(kāi)灤礦區(qū)唐山礦的瓦斯地質(zhì)特征進(jìn)行總結(jié)分析的基礎(chǔ)上，研究控制瓦斯賦存的地質(zhì)因素，探討不同地質(zhì)條件下瓦斯賦存的差異性，便于指導(dǎo)煤礦的安全開(kāi)采。

1 地質(zhì)概況

唐山礦位于河北省唐山市，開(kāi)平煤田的西南部，地層走向?yàn)楸蔽鳌蠔|向，井田內(nèi)主要構(gòu)造絕大部分平行于地層走向，構(gòu)造極為復(fù)雜，北部和南部分別被邊界斷層限定；褶皺構(gòu)造發(fā)育，除東部發(fā)育主向、背斜外，向西部還發(fā)育有嶺子傾伏背斜等一系列褶曲構(gòu)造，見(jiàn)圖1。受構(gòu)造控制，煤層變形嚴(yán)重，構(gòu)造煤較發(fā)育。

圖1 唐山礦構(gòu)造綱要圖

井田隸屬于開(kāi)平煤田，地層屬華北型沉積，含煤地層總厚約510m，煤層總厚達(dá)25.40m，含煤系數(shù)4.98%。主要含煤地層為石炭系趙各莊組（）和二疊系大苗莊組（）。全井田共有8個(gè)可采煤層，其中5＃、8＃和9＃煤層全區(qū)范圍可采，6＃、11＃、、和14＃煤層局部可采。各煤層含硫量、含磷量均較低，煤級(jí)屬于焦煤～1/3焦煤。

2 瓦斯賦存特征

2.1 煤層的埋藏－生氣史

受后期構(gòu)造活動(dòng)的影響，泥炭沉積后經(jīng)歷了不同的地質(zhì)埋藏演化史，與之伴隨的是瓦斯的生成、運(yùn)移和保存。唐山礦煤層到中三疊世末埋深達(dá)到最大（約3300m），受熱溫度達(dá)115℃；到該期末煤級(jí)達(dá)到氣煤，并產(chǎn)生大量甲烷（一次生氣），其中大部分甲烷逸散到圍巖中，部分呈吸附態(tài)保存在煤層中；到燕山早－中期，受區(qū)域北西—南東向擠壓應(yīng)力作用，唐山礦發(fā)育了典型的推覆構(gòu)造，位于原地系統(tǒng)的含煤巖系被上盤(pán)地層覆蓋。到該期末，唐山礦煤層埋深約達(dá)2400m，此時(shí)受區(qū)域巖漿活動(dòng)的影響，煤層受熱溫度達(dá)150℃以上，煤級(jí)達(dá)到1/3焦煤，并生成大量的甲烷（二次生氣）。此后，隨著地殼的進(jìn)一步抬升，瓦斯逐步逸散，但由于推覆構(gòu)造的封蓋作用，瓦斯逸散緩慢，見(jiàn)圖2。

圖2 唐山礦主煤層的埋藏－生氣史

2.2 煤層含氣特征

唐山礦淺部煤層風(fēng)化嚴(yán)重，－400m以上的煤層含氣量均較低，隨著煤層埋深的增加，瓦斯含量及瓦斯壓力均具增高的趨勢(shì)。各煤層瓦斯含量均在5.2m3/t以下；5＃、12＃煤層到井田深部－1000m處瓦斯含量增大到6m3/t，8＃、9＃煤層瓦斯含量達(dá)到8m3/t。

根據(jù)對(duì)主采煤層的等溫吸附特征研究表明，主采煤層蘭氏體積介于15～18cm3/g之間，含氣飽和度在40%～80%之間，煤層含氣處于不飽和狀態(tài)，8＃、9＃煤層吸附能力最好，5＃煤層次之，煤層最差。

3 瓦斯賦存的地質(zhì)因素

前人研究表明，控制瓦斯賦存的地質(zhì)因素有構(gòu)造特征、巖漿活動(dòng)、水文地質(zhì)特征、含氣量、煤層埋深及厚度等。對(duì)唐山礦瓦斯地質(zhì)特征的研究表明，瓦斯賦存主要受構(gòu)造、水文地質(zhì)特征、煤層埋深和頂板巖性等因素的綜合控制。

3.1 地質(zhì)構(gòu)造

3.1.1 褶皺

褶皺的類(lèi)型與復(fù)雜程度對(duì)瓦斯的賦存具有重要的影響，在煤層氣的勘探中有重要的構(gòu)造意義。閉合（半閉合）的背斜核部由于擠壓應(yīng)力場(chǎng)的存在，瓦斯運(yùn)移阻力大，導(dǎo)致瓦斯含量較兩翼大；向斜核部則相反，供應(yīng)瓦斯區(qū)域相對(duì)減小，且瓦斯的運(yùn)移通道相對(duì)較大，導(dǎo)致瓦斯含量小；反之，開(kāi)放性背斜的核部瓦斯較易逸散，瓦斯含量較兩翼小；而向斜核部地應(yīng)力較大，瓦斯壓力大，而兩翼瓦斯直接向上逸散，瓦斯含量較核部低。

唐山礦位于開(kāi)平向斜的北西翼的西南端，而開(kāi)平向斜為半封閉的不對(duì)稱(chēng)向斜，北西翼地層傾角較南東翼大，且多發(fā)育壓扭性逆斷層；與此同時(shí)，南東翼多發(fā)育正斷層。對(duì)比可知，北西翼瓦斯封蓋條件較好，瓦斯含量較南東翼大。同時(shí)受該不對(duì)稱(chēng)向斜的影響，兩翼的水力條件也存在較大差異，這將進(jìn)一步影響瓦斯的賦存，具體將在下文中敘述。

在井田內(nèi)部，背斜、向斜均有發(fā)育，使得瓦斯賦存存在差異性。岳22鉆孔處發(fā)育有一背斜構(gòu)造，瓦斯容易逸散，含量基本在3m3/t以下；而在山003鉆孔處發(fā)育有一向斜構(gòu)造，瓦斯含量最大可達(dá)8.0m3/t，見(jiàn)圖3。

3.1.2 斷層

在瓦斯地質(zhì)研究中，斷層一直是研究的重點(diǎn)內(nèi)容，其對(duì)瓦斯的賦存有重要影響。一般壓性斷層有利于瓦斯的保存，而張性斷層有利于瓦斯的散失。同時(shí)，斷層發(fā)育越密集，煤裂隙越發(fā)育，促進(jìn)瓦斯由吸附態(tài)向游離態(tài)轉(zhuǎn)化，瓦斯含量降低，但瓦斯涌出量增大。

井田內(nèi)呈NE向平行排列的5條主要斷層均為壓性斷層，瓦斯保存條件較好。且唐山礦發(fā)育逆沖推覆構(gòu)造，使煤中瓦斯受到上盤(pán)地層的封堵，逸散緩慢，是造成礦井瓦斯含量較高的重要原因。同時(shí)，斷層的發(fā)育使煤層變形成為構(gòu)造煤，孔隙增加，瓦斯吸附能力增強(qiáng)。

3.2 煤層埋深

研究表明，煤層埋深與瓦斯涌出量、含量和壓力有明顯的正相關(guān)關(guān)系，傳統(tǒng)的預(yù)測(cè)礦井瓦斯涌出量的梯度預(yù)測(cè)法就是根據(jù)這一規(guī)律提出的。隨埋深增加，變質(zhì)程度增強(qiáng)，單位質(zhì)量的煤瓦斯生成量增大；另一方面，瓦斯壓力隨之增加，促使瓦斯由游離態(tài)向吸附態(tài)轉(zhuǎn)化。

唐山礦5＃煤層底板標(biāo)高與相對(duì)瓦斯涌出量等值線圖見(jiàn)圖4，可以看出，隨著煤層底板等高線從－500m降至－800m時(shí)，北翼區(qū)相對(duì)瓦斯涌出量從5m3/t增大到9m3/t；在鐵Ⅱ區(qū)內(nèi)，當(dāng)?shù)装宓雀呔€從－500m下降到－600m時(shí)，相對(duì)瓦斯涌出量的值從1m3/t增大到3m3/t。

3.3 地下水動(dòng)力特征

地下水活動(dòng)對(duì)瓦斯的影響是多方面的，既能促進(jìn)瓦斯的逸散，又能對(duì)瓦斯起封存作用。開(kāi)平向斜地下水從北西翼露頭接受補(bǔ)給，從較低的南東翼流出，瓦斯的運(yùn)移方向則是沿兩翼向上。地下水流動(dòng)方向與北西翼瓦斯運(yùn)移方向相反，阻礙了煤中瓦斯靜壓力作用下的順層運(yùn)移，使得唐山礦所在的向斜北西翼瓦斯較南東翼富集，見(jiàn)圖5。事實(shí)亦證明如此，唐山礦為高瓦斯礦井，而南東翼的錢(qián)家營(yíng)礦歷年均被鑒定為低瓦斯礦井。

圖5 開(kāi)平向斜地下水活動(dòng)示意圖

3.4 煤層頂板巖性特征

煤層頂板巖層的透氣性直接影響瓦斯的保存條件，在透氣性差的區(qū)域，瓦斯能夠被很好地保存，并導(dǎo)致局部瓦斯分布出現(xiàn)異常。唐山礦9＃煤層頂板巖性與瓦斯涌出量見(jiàn)表1。

對(duì)表1中的數(shù)據(jù)分析可知，9＃煤層頂板為砂巖的區(qū)域，逸散作用較強(qiáng)，相對(duì)瓦斯涌出量明顯降低，而在頂板泥巖區(qū)，封堵作用較強(qiáng)，相對(duì)瓦斯涌出量較大。

表1 唐山礦9＃煤層頂板巖性與瓦斯涌出量

頂板砂巖比是指頂板一定厚度內(nèi)砂巖總厚度與統(tǒng)計(jì)總厚度的比，它直接反映了煤層圍巖的透氣性。其值介于0～1之間，其值越大，表明頂板越有利于煤層瓦斯的逸散。9＃煤層相對(duì)瓦斯涌出量與頂板40m砂巖比等值線圖見(jiàn)圖6。

如圖6所示，9＃煤層在北翼區(qū)和鐵Ⅱ區(qū)頂板砂巖比等值線從0.2向外增大到0.6，相對(duì)瓦斯涌出量從8m3/t降為4m3/t。反映了頂板巖性透氣好的區(qū)域瓦斯容易逸散，而透氣性差的區(qū)域瓦斯具有較好的保存條件。

圖6 9＃煤層相對(duì)瓦斯涌出量與頂板40m砂巖比等值線圖

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)唐山礦瓦斯地質(zhì)特征的研究可知，礦井瓦斯賦存特征主要受構(gòu)造、煤層埋深、地下水動(dòng)力特征和煤層頂板巖性等因素的控制，具體表現(xiàn)在：

（1）礦井瓦斯分布受構(gòu)造影響明顯。礦井逆斷層較發(fā)育，尤其是逆沖推覆構(gòu)造對(duì)瓦斯的封堵性較強(qiáng)，是造成礦井瓦斯含量較高的重要原因。同時(shí)，斷層導(dǎo)致構(gòu)造煤的發(fā)育，增大了煤層吸附瓦斯能力。

（2）在向斜的核部瓦斯壓力較大，瓦斯含量較高；背斜核部裂隙發(fā)育，瓦斯逸散較大；隨著煤層埋深的增加，瓦斯涌出量、含量及壓力亦隨之增大。

（3）唐山礦位于開(kāi)平向斜的北西翼，地下水運(yùn)移方向與瓦斯運(yùn)移方向相反，瓦斯受地下水封堵，保存條件較好，造成礦井瓦斯含量普遍較高。

（4）煤層頂板巖性特征對(duì)瓦斯的賦存有重要影響，頂板砂泥巖比越大，瓦斯越容易逸散；反之，頂板砂泥巖比越小，瓦斯封存條件越好。

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Study on geological controlling factors of gas occurrence in Tangshan Coal Mine

Wang Meng1，2，Zhu Yanming1，2，Wang Huaimeng1，Li Wu1
（1.School of Resources and Earth Science，China University of Mining and Technology，
Xuzhou，Jiangsu 221116，China；2.Key Laboratory of Coalbed Methane Resources and Reservoir Formation Process of the Ministry of Education，Xuzhou，Jiangsu 221008，China）

With the geological features and gas data，the paper has studied the major geological factors affecting gas occurrence which mainly include geological structure，buried depth of coal seam，groundwater activity，roof lithology of coal seam.The results show that normal fault is good to gas dissipation while reverse fault makes for gas preservation，and the nappe structure has great influence on gas occurrence；with the buried depth increasing，gas pressure in coal seam rises and coal will adsorb more gas；the gas content in coal seam is in inverse proportion to the sand－to－mud ratio in roof rock；groundwater plugging makes for gas preservation，as makes gas content in Tangshan mine in the north－west wing of Kaiping syncline is higher than south－east wing though they are in the same depth.

Tangshan mine，gas occurrence，structure，buried depth，groundwater，roof lithology

TD712

A

國(guó)家基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（973）項(xiàng)目（2009CB219605）；江蘇高校優(yōu)勢(shì)學(xué)科建設(shè)工程資助項(xiàng)目

王猛（1982－），男，山東省鄒城市人，講師，博士研究生，從事煤與油氣地質(zhì)方面的研究。

（責(zé)任編輯 張毅玲）