楊昌永，湯友誼，王潤(rùn)懷，魏若飛，李 瑾

(1.山西藍(lán)焰煤層氣集團(tuán)有限責(zé)任公司，山西晉城048000;2.河南理工大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，河南 焦作454000;3.晉中職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西晉中030600)

瓦斯是地質(zhì)作用的產(chǎn)物，它的產(chǎn)生、賦存和富集等均受控于地質(zhì)條件［1］。大量研究及實(shí)踐證明，地質(zhì)條件的差異進(jìn)而控制著煤層瓦斯賦存的不均衡性、含氣量分布、礦井瓦斯涌出方式和涌出量的不同。即便是同一井田的不同煤層，同一煤層的不同塊段，同一塊段的不同構(gòu)造部位或單位，瓦斯賦存狀態(tài)亦不盡相同。面對(duì)當(dāng)前新景礦3#煤層瓦斯地質(zhì)規(guī)律不明，瓦斯涌出狀態(tài)多樣化、突(噴)出頻發(fā)等難題，王建國(guó)、邱愛紅［2-3］側(cè)重從地質(zhì)構(gòu)造對(duì)其瓦斯賦存規(guī)律及突(噴)出控制方面進(jìn)行過研究。本文旨在從地質(zhì)角度研究煤層瓦斯的賦存規(guī)律和突出規(guī)律，以期提高礦井瓦斯防治的有效性和針對(duì)性。

1 井田概況

新景礦位于沁水盆地的東北部，區(qū)域性單斜構(gòu)造的西北部，傾向南西，傾角 5°～11°［4］。井田構(gòu)造以波狀起伏的寬緩次級(jí)褶皺為主。成煤后期因受印支—燕山運(yùn)動(dòng)壓性、壓扭性構(gòu)造應(yīng)力作用，并伴以抬升為山地，在復(fù)式向斜的構(gòu)造背景下，形成一系列波幅不大、短軸為主的次級(jí)褶皺。大中型斷層不發(fā)育，多見褶皺作用伴生的小斷層，陷落柱不甚發(fā)育，詳見圖1。

研究區(qū)3#煤層瓦斯含量普遍較高，為5.80～27.10 m3/t，均為 12.69 m3/t，其中 8 m3/t以上的測(cè)點(diǎn)占70%以上，煤層瓦斯局部賦存極不均衡;礦井瓦斯涌出量普遍較大，相對(duì)瓦斯涌出量為7.3～77.45 m3/t，多在10 m3/t以上。采掘過程中時(shí)伴有煤與瓦斯突(噴)出瓦斯動(dòng)力異常現(xiàn)象，為典型的高瓦斯突出礦井。

2 影響3#煤層瓦斯賦存規(guī)律的主控因素

煤層瓦斯賦存狀態(tài)、規(guī)律的研究是礦井瓦斯涌出規(guī)律和瓦斯災(zāi)害防治的技術(shù)基礎(chǔ)［5］。本文通過井下大量巷道煤體結(jié)構(gòu)觀測(cè)、現(xiàn)場(chǎng)取樣和實(shí)驗(yàn)室測(cè)試，結(jié)合三維地震及坑透資料解釋、往年歷次瓦斯突(噴)出情況統(tǒng)計(jì)的基礎(chǔ)上，應(yīng)用地質(zhì)和瓦斯地質(zhì)理論，對(duì)影響新景礦3#煤層瓦斯賦存規(guī)律的因素進(jìn)行研究。研究表明:煤的變質(zhì)作用程度、含煤巖系沉積環(huán)境及其巖性組合特征、井田構(gòu)造、煤系的蓋層條件、水文地質(zhì)特征是影響研究區(qū)3#煤層瓦斯賦存的主控因素。

2.1 含煤巖系沉積環(huán)境和巖性特征

2.1.1 含煤巖系沉積環(huán)境

3#煤層為晚古生代早二疊世山西組煤系，山西組沉積體系主要為河控三角洲沉積，該沉積體系形成過程中，低洼的沼澤沉積環(huán)境被海水周期性“進(jìn)攻”，在水體基本為淡水或半咸水條件下，致使植物的大量繁殖，為煤中瓦斯的形成提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。該種沉積體系下形成的3#煤巖的顯微組組分主要為鏡質(zhì)組，其生烴能力較強(qiáng)［6］。

山西組沉積較為穩(wěn)定且連續(xù)，構(gòu)造環(huán)境亦相對(duì)穩(wěn)定，為研究區(qū)聚煤作用提供了一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的構(gòu)造背景［7］。含煤巖系的沉積及演化經(jīng)歷了早期建造—中期廢棄—晚期建設(shè)幾個(gè)階段，每個(gè)階段又由多個(gè)小的沉積旋回組成［8］。從而形成了以灰黑色砂質(zhì)泥巖、泥巖、灰白色細(xì)～粗粒砂巖和煤層組成的含煤巖系［9］，整合于太原組之上。3#煤層賦存于山西組中部，煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，側(cè)向延續(xù)穩(wěn)定，能為瓦斯賦存提供有利場(chǎng)所。

2.1.2 含煤巖系巖性特征

3#煤層形成于三角洲平原體系徹底廢棄期的泥炭沼澤環(huán)境，其底板巖性為泥巖、炭質(zhì)泥巖或砂質(zhì)泥巖，厚度為4.59 m［10］。直接頂板為湖泊環(huán)境下所形成的泥巖、碳質(zhì)泥巖或粉砂巖，厚度達(dá)10 m。局部直接頂板為分流河道所形成的砂巖，砂巖中孔隙多被后生礦物所填充，透氣性極差。山西組至早三疊世，形成了連續(xù)沉積厚度達(dá)500 m左右的河湖相碎屑巖，其存在不僅致使3#煤層發(fā)區(qū)域深成變質(zhì)作用，提高了煤儲(chǔ)層的生烴能力，同時(shí)上覆地層巨大的負(fù)載應(yīng)力亦促進(jìn)了煤儲(chǔ)層內(nèi)生節(jié)理系統(tǒng)的發(fā)育，利于煤層中瓦斯的封存和富集。

2.2 煤的變質(zhì)作用程度

煤變質(zhì)作用是影響瓦斯的形成、賦存、富集乃至其可采性的重要制約因素，所以有關(guān)這兩者之間的相互關(guān)系一直受到人們的廣泛關(guān)注［11］。

研究區(qū)3#煤層為高階煤階段變質(zhì)程度較低的無煙煤(Ro.max=1.79% ～1.85%)，宏觀煤巖類型主要以光亮型—半光亮型為主(＞80%)。據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)試:煤的微孔裂隙系統(tǒng)較發(fā)育，但多不連通。其中煤的內(nèi)生裂隙線密度為5～10條/5 cm，內(nèi)生孔隙度為 0.42% ～0.73%;煤的孔隙大孔(＞1 000 ?)占 17.3%，中孔(100 ～ 1 000 ?)占10.2%，微孔(＜100 ?)占 72.5%［12］;比表面積為3.65% ～7.65%，煤對(duì)瓦斯的最大吸附極限為33.80 ～44.83 m3/t。

由上述測(cè)試參數(shù)可以看出，研究煤層受變質(zhì)作用影響，煤的微孔裂隙系統(tǒng)較發(fā)達(dá)，煤的比表面積較大，透氣性差，從而增強(qiáng)了煤對(duì)瓦斯的吸附能力和為瓦斯賦存提供了大量空間［13］。

2.3 井田構(gòu)造

(1)構(gòu)造變動(dòng)不大，寬緩波狀起伏的次級(jí)褶皺發(fā)育和開放型斷裂構(gòu)造不發(fā)育的構(gòu)造背景，為煤層瓦斯提供了良好封存條件，是3#煤層瓦斯普遍較高的根本之因。

(2)褶皺構(gòu)造中和面之上、下的向斜軸、背斜軸部附近，以及向、背斜的過渡地帶(或部位)，因受壓應(yīng)力影響和構(gòu)造應(yīng)力集中易于瓦斯集聚賦存。

(3)不同期次、不同方向構(gòu)造體系的褶皺阻斷、歸并、切割、干擾部位，構(gòu)造應(yīng)力往往較為集中;同時(shí)，次級(jí)褶皺的相互干擾導(dǎo)致軸向的彎曲和起伏，形成的局部構(gòu)造相對(duì)擠壓帶，均易形成高瓦斯、瓦斯動(dòng)力異常區(qū)(帶)。

(4)井田斷裂構(gòu)造主要以節(jié)理和層間小斷層為主，煤層內(nèi)的斷層多為頂斷底不斷或底斷頂不斷，其在一定程度上阻斷煤層氣的順層運(yùn)移，同時(shí)亦不利于縱向逸散，為煤層瓦斯的局部富集創(chuàng)造了條件。

(5)因煤層與頂、底板巖石能干性差異，在構(gòu)造形變時(shí)，煤層變形量相對(duì)較大，所以在煤層和頂?shù)装褰佑|部位常發(fā)生順層滑動(dòng)和揉搓現(xiàn)象，該部位構(gòu)造軟煤發(fā)育(多為碎粒煤和糜棱煤)，致使煤的比表面積增大，吸附能力增強(qiáng)，煤的透氣性變差，局部瓦斯含量增大，且加劇了煤層瓦斯賦存狀況的橫向差異性。

(6)區(qū)內(nèi)陷落柱多為開放或半開放型構(gòu)造，往往導(dǎo)致煤層與導(dǎo)氣層或地表的連通，從而利于瓦斯的逸散，因此陷落柱發(fā)育區(qū)和其影響范圍內(nèi)，煤層含氣量普遍變小(0～3 m3/t)。

2.4 煤層的蓋層條件

研究區(qū)煤系的蓋層為二疊系下、上統(tǒng)下石盒子組、上石盒子組、千峰組。下石盒子組厚110～150 m，均厚135 m。巖性主要以河相砂巖、湖泊相泥巖、河漫灘相砂質(zhì)泥巖為主的陸相碎屑巖系，夾1～3條煤線;上石盒子組厚147.6～150 m，均厚200 m，巖性主要為陸相砂質(zhì)泥巖、泥巖、砂巖和砂礫巖。石千峰組厚122.6～160.2 m，均厚150 m，巖性以紫色泥巖、砂質(zhì)泥巖、砂巖和6～7層淡水灰?guī)r組成，詳見圖2。本套含煤蓋層累計(jì)厚度約500 m，泥巖約占65%，裂隙一般不發(fā)育。其展布總體呈現(xiàn)出西部厚東部薄(400 m左右)?？芍?，上覆蓋層為3#煤層提供了良好的封閉條件。

2.5 水文地質(zhì)特征

研究區(qū)屬于沁水煤田的東北邊緣，娘子關(guān)泉域水文地質(zhì)單元。3#煤層直接覆于奧陶紀(jì)碳酸鹽巖之上，含水層有奧陶紀(jì)馬家溝組灰?guī)r含水層、石炭紀(jì)灰?guī)r、砂巖含水層、二疊紀(jì)砂巖含水層、第四紀(jì)沖積坡積含水層。第四系直接不整合覆于煤系之上［14］。

奧陶紀(jì)馬家溝石灰?guī)r巖溶裂隙含水層是研究區(qū)主要含水層，富水性較好，厚度較大(700～800 m)。該含水層地下水由西往東緩慢徑流，其標(biāo)高在3#煤層下20～290 m，同時(shí)二者間有泥巖和鋁土質(zhì)泥巖等隔水層，故該含水層基本不會(huì)對(duì)3#煤層瓦斯賦存產(chǎn)生影響。

區(qū)內(nèi)石炭紀(jì)灰?guī)r、砂巖含水層、二疊紀(jì)砂巖含水層含水性和富水性(鉆孔涌水量12×10-6～8.6×10-5L/(s.m))均較差，地下水徑流緩慢，基本處于停滯狀態(tài)，礦化度較高(＞1 000 mg/L)，該水文地質(zhì)條件利于煤層瓦斯的封存和富集。雖第四系沖積、坡積層地下水補(bǔ)給條件好和層間潛水含有豐富，但3#煤層之上有多層隔水層的隔離，故其基本不會(huì)對(duì)煤層瓦斯賦存造成影響。

3 結(jié)論

影響新景礦3#煤層瓦斯賦存規(guī)律的主控因素為煤的變質(zhì)作用、含煤巖系沉積環(huán)境和巖性特征、井田構(gòu)造、煤層的蓋層條件和水文地質(zhì)條件。其中，煤的變質(zhì)作用、含煤巖系沉積環(huán)境和巖性特征為煤層瓦斯提供了良好的“生”、“儲(chǔ)”條件;而井田構(gòu)造、煤層的蓋層條件和水文地質(zhì)特征則為煤層瓦斯的提供了良好的保存和富集條件，同時(shí)，主控因素間的耦合關(guān)系亦共同控制著煤層瓦斯的賦存規(guī)律。

［1］張子敏.瓦斯地質(zhì)基礎(chǔ)［M］.北京:煤炭工業(yè)出版社，2008.

［2］王建國(guó).新景礦瓦斯地質(zhì)規(guī)律的初步探討［D］.焦作:河南理工大學(xué)，2009.

［3］邱愛紅，王海東.新景礦煤與瓦斯突(噴)出特征及其構(gòu)造控制［J］.河南理工大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2010，29(3):306-311.

［4］湯友誼，魏若飛，劉最亮，等.后生沖蝕對(duì)礦井瓦斯突(噴)出的控制作用［J］.河南理工大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2012，31(2):140-144.

［5］韓江偉，董 達(dá).地質(zhì)構(gòu)造對(duì)鶴煤五礦煤層瓦斯賦存規(guī)律的影響［J］.煤炭技術(shù)，2010，29(1):113-116.

［6］劉全有，金之鈞，高 波，等.四川盆地二疊系不同類型烴源巖生烴熱模擬試驗(yàn)［J］.天然氣地球科學(xué)，2010，21(5):700-704.

［7］邵龍義，肖正輝，何志平，等.晉東南沁水盆地石炭二疊紀(jì)含煤巖系古地理及聚煤作用研究［J］.古地理學(xué)報(bào)，2006，8(1):43-52.

［8］葛寶勛，尹國(guó)勛，李春生.山西陽(yáng)泉礦區(qū)含煤巖系沉積環(huán)境及聚煤規(guī)律探討［J］.沉積學(xué)報(bào)，1985，3(3):33-42.

［9］焦希穎，王 一.陽(yáng)泉礦區(qū)含煤地層沉積環(huán)境及其對(duì)煤層厚度分布控制［J］.巖相古地理，1999，19(3):30-39.

［10］張立平，梁潤(rùn)所，齊貴明.陽(yáng)泉礦區(qū)3#煤層瓦斯賦存特征及防治［J］.煤炭技術(shù)，2003，22(3):64-66.

［11］方愛民，侯泉林，雷家錦，等.煤變質(zhì)作用對(duì)煤層氣賦存和富集的控制—以沁水盆地為例［J］.高校地質(zhì)學(xué)報(bào)，2003，9(3):378-384.

［12］張立平，梁潤(rùn)所，齊貴明.陽(yáng)泉礦區(qū)3#煤層瓦斯賦存特征及防治［J］.煤炭技術(shù)，2003，22(3):64-66.

［13］郭立穩(wěn)，王月紅，張九零.煤的變質(zhì)程度與煤層吸附CO影響的實(shí)驗(yàn)研究［J］.遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，26(2):165-168.

［14］傅雪海，王愛國(guó)，陳鎖忠，等.壽陽(yáng)-陽(yáng)泉煤礦區(qū)控氣水文地質(zhì)條件分析［J］.天然氣工業(yè)，2005，25(1):33-36.