馬黎明，張小連，熊亮

（1.河南省煤田地質(zhì)局三隊(duì)，鄭州450052；2.河南省煤田地質(zhì)局，鄭州450052）

安鶴煤田倫掌井田二1煤層瓦斯賦存特征研究

馬黎明1，張小連1，熊亮2

（1.河南省煤田地質(zhì)局三隊(duì)，鄭州450052；2.河南省煤田地質(zhì)局，鄭州450052）

河南省安鶴煤田倫掌井田二1煤層瓦斯含量高，對(duì)其進(jìn)行研究對(duì)下一步煤層氣的開發(fā)和礦井生產(chǎn)具有重要意義。根據(jù)勘探階段資料，對(duì)二1煤層瓦斯成分及含量的控制因素和變化規(guī)律進(jìn)行了系統(tǒng)研究，結(jié)果表明，二1煤埋藏深，煤層厚，瓦斯含量高，為22 m3/t左右，瓦斯成分甲烷（CH4）在95%以上，具有較強(qiáng)的甲烷吸附和儲(chǔ)集能力，壓力在0.98～2.16 MPa。二1煤層瓦斯賦存特征主要受煤層埋深、煤厚、地質(zhì)構(gòu)造、圍巖、頂板巖性以及排放條件等因素的控制。結(jié)合鄰近生產(chǎn)礦井二1煤層瓦斯的資料，預(yù)測(cè)出本區(qū)二1煤層瓦斯突出危險(xiǎn)性。通過對(duì)二1煤層瓦斯賦存特征的研究，為瓦斯地質(zhì)災(zāi)害的防范治理、煤層氣的有效利用提供依據(jù)，降低煤礦瓦斯事故的發(fā)生，做到安全文明生產(chǎn)。

二1煤層瓦斯；賦存特征；地質(zhì)構(gòu)造；煤層埋深；倫掌井田

0前言

瓦斯是煤在地質(zhì)歷史演化過程中形成的氣體地質(zhì)體［1］。瓦斯賦存規(guī)律受多種因素影響，煤層瓦斯的生成量主要與煤的變質(zhì)程度有關(guān)，經(jīng)歷極其復(fù)雜的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)演化而形成的地質(zhì)條件則對(duì)瓦斯的賦存和運(yùn)移起主要控制作用［2］。煤與瓦斯突出常發(fā)生在地質(zhì)構(gòu)造破壞地帶，煤與瓦斯突出的危險(xiǎn)性與地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜程度有密切關(guān)系，這一結(jié)論已為大量實(shí)踐所證實(shí)［3］。國(guó)內(nèi)外研究表明，煤與瓦斯突出幾乎總是發(fā)生在沿著平移斷層、逆斷層或正斷層強(qiáng)烈變形的區(qū)域，這些區(qū)域的煤層已經(jīng)被破壞成了破裂煤、碎粒煤或糜棱煤。而有些突出則與順層斷層或褶曲有關(guān)，這些構(gòu)造在較大范圍內(nèi)存在構(gòu)造煤的發(fā)育［4-8］。因此，研究瓦斯賦存規(guī)律有助于煤礦企業(yè)針對(duì)瓦斯災(zāi)害問題采取有效的防范和治理措施，從而降低煤礦事故的發(fā)生，做到安全高效生產(chǎn)。而煤礦瓦斯災(zāi)害頻發(fā)的根本原因是不能完全掌握礦井瓦斯賦存和分布規(guī)律［9］。

河南安陽—鶴壁（安鶴）煤田是我國(guó)著名的煤產(chǎn)地，位于華北地層區(qū)的太行山小區(qū)東部，屬于太行構(gòu)造亞區(qū)之太行斷隆。區(qū)域地層走向近南北，傾向北東，傾角8°～35°，總體為具有一定起伏的單斜構(gòu)造。北部巖漿巖較多，均為燕山晚期的深成侵入巖。倫掌井田位于安鶴煤田北段深部，為山區(qū)向平原過渡的丘陵地帶。其南北長(zhǎng)8.16 km，東西寬6.85 km，面積34.78 km2。

從安鶴煤田倫掌井田二1煤層瓦斯成分及含量、瓦斯含量的變化規(guī)律、瓦斯賦存壓力及其變化規(guī)律等方面入手，研究二1煤層瓦斯賦存特征，并結(jié)合淺部鄰近生產(chǎn)礦井二1煤層瓦斯資料，預(yù)測(cè)出本區(qū)二1煤層瓦斯突出危險(xiǎn)性，從而為煤礦企業(yè)針對(duì)瓦斯災(zāi)害的防范治理和煤層氣利用提供有利的條件，做到安全文明生產(chǎn)。

1二1煤的賦存特征

1.1煤層厚度及變化

二1煤層賦存于山西組下部，位于北岔溝砂巖和大占砂巖之間。賦存標(biāo)高-460～-1550 m，埋深665～1760 m。井田內(nèi)49孔穿過層位，其中有2孔斷失，47孔見煤，所有見煤點(diǎn)全部可采。煤厚4～7 m，平均煤厚5.75 m，在47個(gè)見煤點(diǎn)中，18個(gè)孔有夾矸，夾矸1～2層。

1.2微觀煤巖特征

二1煤最大反射率（Rmax）為1.47%～1.89%，煤變質(zhì)程度為高煤級(jí)煙煤。二1煤層有機(jī)物組分占91%，其中以鏡質(zhì)組為主，占78%，惰質(zhì)組次之，占12.5%，殼質(zhì)組少許。無機(jī)質(zhì)礦物占9%，其中主要以粘土礦物為主，占7.8%，方解石次之，黃鐵礦少量。

1.3煤層頂板工程地質(zhì)特征

二1煤直接頂板多為砂質(zhì)泥巖和泥巖，局部偶見粉砂巖及細(xì)中粒砂巖，直接頂厚0.56～9.78 m，平均3.53 m。直接頂之上為淺灰色細(xì)、中粒石英砂巖老頂，厚度2.00～17.70 m，平均厚8.75 m。通過對(duì)施工鉆孔二1煤層頂板以上30 m范圍內(nèi)巖心RQD統(tǒng)計(jì)，一般為35%～87%，平均59%，局部裂隙發(fā)育。

2二1煤層瓦斯賦存特征

2.1井田煤層瓦斯

倫掌井田主要發(fā)育地層：奧陶系中統(tǒng)馬家溝組、峰峰組，石炭系：本溪組、太原組；二疊系上、下統(tǒng)：山西組、下石盒子組、上石盒子組、石千峰組，地層平均厚度995.45 m；三疊系下統(tǒng)劉家溝組、和尚溝組，地層平均厚度大于554.60 m；新生界新近系、第四系，地層平均厚度192.08 m。二1煤層平均厚度5.75 m，賦存山西組下部，總體為西部淺東部深。含煤地層總體走向近南北，傾向東，地層傾角6°～17°，一般10°左右。井田構(gòu)造復(fù)雜程度為中等構(gòu)造［10］。

2.1.1瓦斯成分和含量

二1煤層瓦斯成分由CH4、CO2、N2和微量的重?zé)N組成，甲烷（CH4）成分兩極值為89.00%～99.16%，一般為95%，故屬沼氣帶范圍；瓦斯含量?jī)蓸O值為7.91～31.91 m3/t，一般為22 m3/t左右，瓦斯含量高。二1煤層鉆孔瓦斯煤樣測(cè)試結(jié)果見表1，瓦斯含量變化規(guī)律見瓦斯含量等值線圖1。

2.1.2煤對(duì)瓦斯的吸附能力

3個(gè)孔煤樣做了煤對(duì)瓦斯等溫吸附試驗(yàn)，在30℃恒溫下，二1煤瓦斯吸附量隨試驗(yàn)壓力的增大而增大，小于2.0 MPa時(shí)，增幅明顯，大于2.0 MPa時(shí)，增幅較小，大于5.0 MPa時(shí)，增幅趨緩，逐漸為零。蘭氏體積a值在25.56～35.59 m3/t，蘭氏壓力b值在0.45～1.35 MPa，二1煤具有較強(qiáng)的煤層甲烷吸附和儲(chǔ)集能力。

2.1.3煤層瓦斯壓力

在4個(gè)鉆孔中做了二1煤層瓦斯壓力測(cè)試，測(cè)試方法以鉆桿或油管作為流體流動(dòng)通道，將電子壓力計(jì)、封隔器、井下測(cè)試閥以及配套測(cè)試管柱組合系統(tǒng)下至目的層深度，通過測(cè)試閥的控制，實(shí)現(xiàn)開井或關(guān)井激動(dòng)儲(chǔ)層，并由高精度電子壓力計(jì)錄取煤儲(chǔ)層隨時(shí)間變化的壓力數(shù)據(jù)。

瓦斯壓力隨煤層埋深的增加而增大，二1煤層埋深710 m增加到1 068.85 m，其瓦斯壓力從0.98 MPa增大到2.16 MPa。F1斷層由以北，二1煤層埋深每增加100 m，瓦斯壓力增大0.11 MPa；F1斷層由以南，二1煤層埋深每增加100m，瓦斯壓力增大0.70 MPa。二1煤層瓦斯壓力測(cè)試成果見表2。

2.2影響煤層瓦斯賦存的主要地質(zhì)因素

煤層瓦斯賦存主要受埋藏深度、煤厚、地質(zhì)構(gòu)造、圍巖以及排放條件等因素控制，含煤地層的巖性組合及其透氣性對(duì)煤層瓦斯含量有重大影響，煤層圍巖隔氣和透氣性能直接影響到瓦斯的賦存［11］。

（1）煤層埋藏深度：二1煤層瓦斯煤樣采樣深度783.74～1353.92 m，一般在1100m左右。從圖1可以直觀看出，井田淺部瓦斯含量等值線以15 m3/t、20 m3/t排列為主，井田中部瓦斯含量等值線以25 m3/t為主，井田深部瓦斯含量等值線以30 m3/t為主，煤層埋藏深瓦斯含量高。煤層埋深增加瓦斯含量進(jìn)一步增高，埋深1100 m以淺15個(gè)見煤點(diǎn)統(tǒng)計(jì)，瓦斯含量在7.91～31.91 m3/t，一般為21 m3/t；埋深1100m以深11個(gè)見煤點(diǎn)統(tǒng)計(jì)，煤層瓦斯含量在11.30～31.82 m3/t，一般值23 m3/t。埋深1100 m以淺，每增加100 m瓦斯含量增加0.41 m3/t，二1煤層埋深與瓦斯含量關(guān)系見圖2；埋深1100 m以深，煤層瓦斯含量隨埋深的增加也增大，但增幅變小，每增加100 m瓦斯含量增加0.24 m3/t，二1煤層埋深與瓦斯含量關(guān)系見圖3。

（2）煤厚及圍巖：煤層埋藏越深，地應(yīng)力越大，在地應(yīng)力的作用下，煤層和圍巖中的瓦斯逸散通道壓縮變形，透氣性變差，而且也增大了瓦斯向地表運(yùn)移的距離，這兩者都有利于瓦斯封存［12］。二1煤層厚度平均5.75 m，為厚煤層，為瓦斯生成奠定了豐富的物質(zhì)基礎(chǔ)，排除明顯受構(gòu)造因素影響的見煤點(diǎn)統(tǒng)計(jì)，小于5 m的厚煤層，瓦斯含量一般為20 m3/t，5～6 m的厚煤層，瓦斯含量一般為22 m3/t，6～7 m的厚煤層，瓦斯含量一般為25 m3/t，瓦斯含量隨煤厚的增加而增大；大于7 m的厚煤層，瓦斯含量一般為21 m3/t，又有下降的趨勢(shì)，詳見圖4。

表1　二1煤層瓦斯煤樣測(cè)試分析結(jié)果統(tǒng)計(jì)表Table 1 Statistics of coal II1 gas coal sample tested results

二1煤層直接頂板多數(shù)為泥巖和砂質(zhì)泥巖，透氣性不好，對(duì)煤層中瓦斯起封閉聚集作用，因此該區(qū)瓦斯含量普遍高。

（3）地質(zhì)構(gòu)造：在背斜軸部凸起部位，煤層孔隙率大、內(nèi)生裂隙和外生裂隙發(fā)育，煤層瓦斯易富集，瓦斯含量高，相反，在向斜軸部凹部位，煤層瓦斯含量相對(duì)低，例如，29-1孔和29-2孔為于北孟村背斜軸部，煤層埋深965.43～1 092.34 m，瓦斯含量分別為26.37 m3/t和27.10 m3/t，二1煤層瓦斯含量高，而30-1孔和30-2孔位于北孟村向斜軸部，煤層埋深1050.81～1 159.97 m，瓦斯含量分別為13.30 m3/t和20.09 m3/t，二1煤層瓦斯含量相對(duì)低。在斷層帶附近、小斷層發(fā)育地段，裂隙發(fā)育瓦斯易于富集，瓦斯含量高，例如，39-4孔見煤點(diǎn)位于DF02斷層附近，39-1孔位于DF18、DF19、DF20、DF21、DF22小斷層密集分布地段，其瓦斯含量分別為31.82 m3/t和31.91 m3/t，瓦斯含量高。

2.3鄰近生產(chǎn)礦井瓦斯概況

本井田西鄰淺部開采二1煤層的生產(chǎn)礦井從北至南依次有主焦煤礦、紅嶺煤礦、大眾煤礦。主焦煤礦和紅嶺煤礦為高瓦斯礦井，大眾煤礦為煤與瓦斯突出礦井。

2.4煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性

二1煤以粉狀為主，粒狀、鱗片狀次之，塊煤少許，莫氏硬度2～3。粉、粒狀煤污手、質(zhì)軟。其視相對(duì)密度（ARD）1.40，孔隙率2.8%。二1煤的破壞類型大部分為Ⅲ類，小部分為Ⅳ類，二1煤層埋藏深，煤層厚，瓦斯含量高，根據(jù)表2知，二1煤層瓦斯壓力在0.98～2.16 MPa，一般在1.41 MPa左右，均達(dá)到或者超過0.74 MPa，相鄰煤礦有突出礦井，參見《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》第十一條，本區(qū)二1煤層按照突出煤層管理。

圖1　二1煤層瓦斯含量等值線圖Figure 1 Isogram of coal II1gas content

表2　二1煤層瓦斯壓力測(cè)試成果統(tǒng)計(jì)表Table 2 Statistics of coal II1gas pressure measured results

圖2　二1煤埋深1100 m以淺與瓦斯含量關(guān)系圖Figure 2 Relationship between coal II1buried depth above 1100m and gas content

圖3　二1煤埋深1100 m以深與瓦斯含量關(guān)系圖Figure 3 Relationship between coal II1buried depth under 1100m and gas content

3結(jié)論

圖4　煤層厚度與瓦斯含量關(guān)系圖Figure 4 Relationship between coal seam thickness and gas content

二1煤層賦存于山西組下部，埋深665～1760m，煤厚一般4～7 m，平均煤厚5.75 m，為結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緩斜厚煤層。瓦斯成分由CH4、CO2、N2和微量的重?zé)N組成，甲烷（CH4）成分兩極值為89.00%～99.16%，一般為95%，故屬沼氣帶范圍；瓦斯含量?jī)蓸O值為7.91～31.91 m3/t，一般為22 m3/t左右，瓦斯含量高。二1煤具有較強(qiáng)的煤層甲烷吸附和儲(chǔ)集能力，瓦斯壓力在0.98～2.16 MPa。二1煤層瓦斯賦存特征主要受煤層埋深、煤厚、地質(zhì)構(gòu)造、圍巖、頂?shù)装鍘r性以及排放條件等因素的控制。煤層埋藏深，瓦斯含量高，埋深增加瓦斯含量進(jìn)一步增高，埋深1100 m以淺，瓦斯含量在7.91～31.91 m3/t，一般為21 m3/t，埋深每增加100 m瓦斯含量增加0.41 m3/t。埋深1100 m以深，煤層瓦斯含量在11.30～31.82 m3/t，一般值23 m3/t，埋深每增加100 m瓦斯含量增加0.24 m3/t，增幅變小。煤厚為瓦斯生成奠定了豐富的物質(zhì)基礎(chǔ)，小于7 m的厚煤層，瓦斯含量一般為20～25 m3/t，瓦斯含量隨煤厚的增加而增大；大于7 m的厚煤層，瓦斯含量一般為21 m3/t，又有下降的趨勢(shì)。二1煤層直接頂板多數(shù)為泥巖和砂質(zhì)泥巖，透氣性不好，對(duì)煤層瓦斯又起封閉的作用。在背斜軸部凸起部位，煤層瓦斯易富集，瓦斯含量高，在向斜軸部凹部位，瓦斯含量相對(duì)較低；在斷層帶附近、小斷層發(fā)育地段，裂隙發(fā)育瓦斯易于富集，瓦斯含量高。西鄰淺部開采二1煤層的生產(chǎn)礦井有高瓦斯礦井，又有煤與瓦斯突出礦井，本區(qū)二1煤層按照突出煤層管理。

未來生產(chǎn)礦井必須堅(jiān)持“逢采必抽”的原則，在開采煤層區(qū)域，先預(yù)抽瓦斯，將瓦斯作為優(yōu)質(zhì)能源和化工原料有效利用，變廢為寶，變害為利，待開采煤層瓦斯含量和壓力減少到安全范圍內(nèi)才能開采。在生產(chǎn)礦井采煤過程中，在背斜軸部瓦斯富集地段、酥軟煤地段和小斷層附近構(gòu)造應(yīng)力集中部位，應(yīng)進(jìn)一步加大瓦斯的防范和治理力度，降低煤礦瓦斯事故的發(fā)生，做到安全生產(chǎn)，保障國(guó)家和職工的生命財(cái)產(chǎn)安全。

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Study on Coal II1 Gas Hosting Characteristics in Lunzhang Minefield

Ma Liming1，Zhang Xiaolian1and Xiong Liang2
（1.The Third Exploration Team，Henan Bureau of Coal Geological Exploration，Zhengzhou，Henan，450052；2.Henan Bureau of Coal Geological Exploration，Zhengzhou，Henan，450052）

Coal II1 gas content is high in the Lunzhang minefield，Anhe coalfield，Henan Province；studies on it have major significance to next CBM exploitation and coalmine production.Based on data from exploration have carried out systematic researches on controlling factors and variation pattern of coal II1 gas composition and content.The result has shown that coal II1is deeply buried and thick. Gas content is high，generally about 22 m3/t，methane（CH4）proportion over 95%；its methane adsorption and accumulation capacities are strong，with pressure 0.98～2.16 MPa.Gas hosting characteristics are mainly controlled by factors including coal buried depth，thickness，geological structure，surrounding rocks，roof lithology and drainage condition.Combined with coal II1gas information from neighboring production coalmines has predicted coal II1 gas burst hazard.The study has provided favorable terms for gas geological hazard prevention and control，CBM economizing，lowering down gas accidents，achieving safe and civilized production.

coal II1 gas；hosting characteristics；geological structure；coal buried depth；Lunzhang minefield

TD712.2

A

10.3969/j.issn.1674-1803.2016.09.09

1674-1803（2016）09-0043-05

馬黎明（1963—），男，河南焦作人，高級(jí)工程師，主要從事煤田地質(zhì)勘查工作。

2016-02-20

責(zé)任編輯：宋博輦