韋仕國

(貴州省煤田地質(zhì)局, 貴陽 55006)

金沙縣官田壩向斜瓦斯賦存規(guī)律差異性分析

韋仕國

(貴州省煤田地質(zhì)局, 貴陽 55006)

為查明貴州金沙縣官田壩向斜瓦斯賦存規(guī)律，保證后續(xù)煤礦開采工作的有序進行，基于研究區(qū)地質(zhì)勘探鉆孔資料、試井資料及井田地質(zhì)條件的詳細分析，結(jié)合實測瓦斯數(shù)據(jù)，借助于瓦斯地質(zhì)理論，從垂向和平面兩方面對不同煤層進行瓦斯賦存規(guī)律分析探討，結(jié)果表明：在取樣深度范圍內(nèi)，可采煤層CH4濃度分布變化較大，N2濃度分布變化較小。各層位煤層在埋深處于500～600m普遍存在明顯的“轉(zhuǎn)折點”，推測可能與地層層序格架控制的煤儲層物性有關(guān)；隨著煤層層位的加深，瓦斯含量與埋深的關(guān)系逐漸趨于弱化，一定程度上表明埋深因素對于瓦斯含量的控制作用隨著煤層層位的加深而逐漸較弱；4、7、9號煤層瓦斯含量受埋深影響作用明顯， 13、15號煤層瓦斯賦存規(guī)律一定程度上受地下水活動作用控制。

官田壩向斜；垂向分布；平面分布；轉(zhuǎn)折點；瓦斯賦存

0 引言

瓦斯作為地質(zhì)作用的產(chǎn)物，現(xiàn)今煤層瓦斯的賦存狀態(tài)是含煤地層經(jīng)受復(fù)雜地質(zhì)歷史演化作用的結(jié)果，受瓦斯生成、運移、保存條件綜合地質(zhì)作用的控制[1]。目前，隨著煤礦開采工作的深入，深度大、難度大已經(jīng)成為制約和影響煤礦安全生產(chǎn)工作的主要特點。國內(nèi)外實踐表明，煤礦瓦斯賦存規(guī)律具有分布不均衡、分區(qū)成帶性的特征，且不同的研究區(qū)影響瓦斯賦存的地質(zhì)條件等影響因素不盡相同[2-5]。因此，結(jié)合地質(zhì)因素對瓦斯賦存的影響，查明瓦斯賦存主控因素是近年來國內(nèi)外學者的研究重點[6-7]。但針對于同一研究區(qū)不同煤層瓦斯賦存規(guī)律的相關(guān)研究較少，黔西南地區(qū)煤層垂向發(fā)育明顯，煤層群發(fā)育特征勢必造成瓦斯賦存規(guī)律的復(fù)雜性和不可控性，本文基于對研究區(qū)地質(zhì)勘探鉆孔資料、試井資料及井田地質(zhì)條件的詳細分析，結(jié)合實測瓦斯數(shù)據(jù)，借助于瓦斯地質(zhì)理論，從垂向和平面兩方面對不同煤層進行瓦斯賦存規(guī)律分析探討，以期為該區(qū)煤礦安全生產(chǎn)工作提供借鑒。

1 研究區(qū)地質(zhì)概況

研究區(qū)位于黔北煤田內(nèi)，大地構(gòu)造屬揚子準地臺(一級構(gòu)造單元)黔北臺隆(二級構(gòu)造單元)遵義斷拱(三級構(gòu)造單元)畢節(jié)北東向變形區(qū)(四級構(gòu)造單元)。區(qū)域內(nèi)構(gòu)造形跡為一系列SW向及NE向的斷裂和NE向褶皺。SW向構(gòu)造分布全區(qū)，為區(qū)內(nèi)的主體構(gòu)造。區(qū)域主體構(gòu)造為官田壩向斜，目標區(qū)位于官田壩向斜兩翼，在其南東部發(fā)育有次一級銅鼓山背斜、馬場向斜。研究區(qū)內(nèi)出露地層由老到新為二疊系中統(tǒng)茅口組(P2m)、二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M(P3l)、長興組(P3c)等[8-9]。其中，上二疊系龍?zhí)督M為區(qū)內(nèi)主要含煤地層，厚度87.66～165.10m，平均115.90m。含煤層6～15層，可采煤層主要為4、7、9、13、15#煤層，可采煤層總厚度2.70～11.72m，平均5.35m。

2 研究區(qū)瓦斯賦存規(guī)律

2.1 瓦斯含量測定分析

結(jié)合研究區(qū)現(xiàn)有開采實際，本文主要利用瓦斯解吸法進行了瓦斯煤樣的含量測定工作，依據(jù)煤層瓦斯含量測定結(jié)果可靠性分析原則，選取了 74 組有代表性的可采煤層樣數(shù)據(jù)(另在北東部至西部采用“石榴礦區(qū)-化覺北段-化覺南段”7個鉆孔的瓦斯煤樣化驗數(shù)據(jù))。各可采煤層瓦斯分析成果匯總情況見表1。

表1 各可采煤層瓦斯分析成果測定表Table 1 Mineable coal seams gas analytic results

如表所示，可采煤層無空氣基甲烷濃度為20.51%～98.05%，均值為67.88%。其中9#煤層平均為73.54%，濃度最高；15#煤層最低，平均為60.02%。無空氣基二氧化碳(CO2)濃度為0.11%～26.06%，平均4.84%。無空氣基氮氣(N2)濃度為1.56%～72.87%，平均25.16%。同時4、7、9、13、15#煤層瓦斯平均含量大于10ml/g，屬高瓦斯礦井。

圖1 煤層垂向瓦斯?jié)舛燃昂糠植糉igure 1 Coal seam vertical concentration and content distribution

圖2 各可采煤層甲烷濃度隨埋深變化Figure 2 Mineable coal seams variation of methane concentration along with buried depth

2.2 瓦斯分布特征分析

基于上述實測瓦斯含量分析，結(jié)合礦井瓦斯地質(zhì)情況，綜合考慮煤層地質(zhì)構(gòu)造、瓦斯賦存、構(gòu)造煤發(fā)育等條件，分析得到該研究區(qū)瓦斯(成分)含量與埋深之間的擬合關(guān)系，探討垂向及平面變化規(guī)律。

2.2.1 瓦斯分帶特征分析

圖2表明，在取樣深度范圍內(nèi)，CH4濃度分布變化較大，N2濃度分布變化較小。各垂向煤層在埋深處于500～600m普遍存在明顯的“轉(zhuǎn)折點”，初步推測可能與不同地層層序格架控制的煤儲層物性有關(guān)。根據(jù)《煤炭地質(zhì)勘查報告編寫規(guī)范》(MT/T 1044-2007)中關(guān)于瓦斯分帶標準的規(guī)定，將瓦斯由淺至深劃分為：氮氣帶、氮氣-沼氣帶及沼氣帶?；诟鳒y試點測樣位置，進行各可采煤層瓦斯?jié)舛绕矫嬉?guī)律分析。

圖3、圖4表明各可采煤層主要以氮氣-沼氣帶為主，西北及西南局部地區(qū)以沼氣帶為主。

2.2.2 瓦斯含量特征分析

1)瓦斯含量垂向分布特征。基于測試煤層瓦斯參數(shù)，進行各可采煤層瓦斯含量隨埋深關(guān)系分布關(guān)系， 如圖5、圖6所示。各可采瓦斯含量均隨埋深增大呈單調(diào)性線性變化。同一煤層不同埋藏深度、不同標高，瓦斯含量隨埋藏深度的增加而變化的趨勢明顯，但同一鉆孔不同煤層的瓦斯含量變化規(guī)律性并不明顯。隨著煤層層位的加深，瓦斯含量與埋深的關(guān)系逐漸趨于弱化，一定程度上表明埋深因素對于瓦斯含量的控制作用隨著煤層層位的加深而逐漸較弱(表2)。

圖3 官田壩向斜瓦斯分帶情況圖(左：4#；右：9#)Figure 3 Guantianba syncline gas zonation (left: coal No.4; right: coal No.9)

圖4 官田壩向斜瓦斯分帶情況圖(左：13#；右：15#)Figure 4 Guantianba syncline gas zonation (left: coal No.13; right: coal No.15)

圖5 各可采煤層瓦斯含量隨埋深關(guān)系變化(左：4#；右：9#)Figure 5 Variation of coal seams gas content along with buried depth (left: coal No.4; right: coal No.9)

圖6 各可采煤層瓦斯含量隨埋深關(guān)系變化(左：13#；右：15#)Figure 6 Variation of coal seams gas content along with buried depth (left: coal No.13; right: coal No.15)

表2 不同煤層與埋深擬合關(guān)系表(7煤數(shù)據(jù)較少未進行分析)Table 2 Fitting relations between different coal seams and buried depths (without coal No.7 owing to less data)

2)瓦斯含量平面分布特征。由于測試數(shù)據(jù)的有限性無法對相關(guān)區(qū)域進行準確的含氣量預(yù)測分布，基于現(xiàn)有資料將其全區(qū)瓦斯賦存分為貧瓦斯、含瓦斯及高瓦斯，對其進行全區(qū)的展布預(yù)測(圖7、圖8)。

圖7 官田壩向斜瓦斯含量平面分布圖(左：4#；右：9#)Figure 7 Guantianba syncline gas content horizontal distribution (left: coal No.4; right: coal No.9)

圖8 官田壩向斜瓦斯含量平面分布圖(左：13#；右：15#)Figure 8 Guantianba syncline gas content horizontal distribution (left: coal No.13; right: coal No.15)

由圖7、圖8可知，4、9#煤層瓦斯賦存規(guī)律相對簡單，主要受埋深因素控制。兩煤層全區(qū)主要以高瓦斯分布為主，在北西部一帶受埋深降低的影響瓦斯含量相對較低。13、15#煤層瓦斯賦存規(guī)律相對復(fù)雜，13#煤層瓦斯含量最高19.46ml/g(1003號孔)，均值為9.15ml/g，瓦斯含量相對較高。東部至西部一帶受褶皺構(gòu)造等地質(zhì)條件影響含量相對較低。15#煤層瓦斯含量最高為15.55ml/g(2601號孔)，均值為8.64ml/g。全區(qū)含瓦斯主要分布南東部以北一帶，東部、北部勘查區(qū)兩側(cè)瓦斯含量全區(qū)最低。

3 瓦斯賦存規(guī)律差異性分析

基于上述分析結(jié)果，從煤層埋深、地質(zhì)構(gòu)造、圍巖條件、地下水活動及煤層變質(zhì)程度五個方面探討不同層位煤層瓦斯賦存規(guī)律變化特征。

3.1 煤層埋深

煤層埋藏深度作為決定煤層瓦斯含量的重要因素，已經(jīng)被廣大學者廣泛接受并得到驗證。對同一煤田或煤層，在瓦斯風化帶以下，煤層瓦斯含量隨著煤層埋藏深度的增加而增大，它反映了煤層瓦斯由深部向地表運移的總規(guī)律。盡管全區(qū)瓦斯含量隨煤層埋深均表現(xiàn)為單調(diào)遞增趨勢，但規(guī)律性不明顯(圖9)，圖5、圖6也表明隨著煤層層位增加瓦斯含量與埋深關(guān)系逐漸減弱。

圖9 研究區(qū)煤層埋深隨瓦斯含量變化趨勢Figure 9 Variation trend of coal seam gas content along with buried depth in study area

3.2 煤層變質(zhì)程度

隨著煤層變質(zhì)程度的增加，微孔和小孔發(fā)育，為吸附甲烷提供了更大的比表面積和儲氣能力。但由于全區(qū)煤層鏡質(zhì)組反射率大都在2.76～3.35，煤層變質(zhì)程度相差較小，故該研究區(qū)中演化程度決定了瓦斯賦存量，但對全區(qū)分布影響相對較小。

3.3 地質(zhì)構(gòu)造

區(qū)域主體構(gòu)造為官田壩向斜，目標區(qū)位于官田壩向斜兩翼，在其南東部發(fā)育有次一級銅鼓山背斜、馬場向斜，其向斜翼部瓦斯含量較軸部瓦斯含量高，但由于資料有限，僅靠地勘時期資料和該工作測出的瓦斯含量分析，此種影響較小。

斷層主要發(fā)育于南東部后山鄉(xiāng)一帶，小斷層集中發(fā)育于褶曲兩翼及作為大斷層伴生斷層發(fā)育。其中南東部主要以逆斷層為主，延伸長度長，而北東部以正斷層為主，延伸長度長。由于斷層集中應(yīng)力的影響，距斷層一定距離的煤層的透氣性因受擠壓而降低，出現(xiàn)瓦斯增高區(qū)。但值得提出的是，僅從地震資料、地勘鉆孔、瓦斯參數(shù)上分析，該區(qū)斷層對瓦斯賦存影響相對較小，但瓦斯含量與埋深影響的差異性初步推測與斷層引起的埋深起伏變化有關(guān)。

3.4 圍巖條件

煤層及其圍巖的透氣性越大，瓦斯越易流失，煤層瓦斯含量就越小，煤層圍巖的隔氣和透氣性都可以直接影響到煤層瓦斯的保存條件。頂?shù)装迥鄮r厚度作為評判圍巖透氣性的一項重要指標，本文旨在通過統(tǒng)計各煤層頂?shù)装迥鄮r厚度與瓦斯含量關(guān)系分析其影響機理(圖10)。可知頂?shù)装迥鄮r厚度變化對瓦斯含量的影響并不明顯(因為數(shù)據(jù)有限，無法對其各可采煤層進行單獨分析)。

圖10 頂?shù)装迥鄮r厚度與瓦斯含量關(guān)系圖Figure 10 Relationship between roof and floor mudstone thickness and gas content

3.5 地下水活動

研究區(qū)地下水的主要補給來源為大氣降水，局部地段為河流水，礦床的直接充水水源為龍?zhí)督M裂隙水，而河流和沖溝水、玉龍山灰?guī)r和長興灰?guī)r巖溶裂隙水及采空區(qū)積水則為礦床的間接充水水源。同時，茅口組(P2m)強巖溶含水層巖性為碳酸鹽巖，地下巖溶極為發(fā)育，含巖溶水，富水性極強。據(jù)現(xiàn)有資料可知，所有鉆孔茅口組水位均高于龍?zhí)督M底界，因此茅口組地下水具承壓性，是今后開采15#煤層最重要的隱患。初步分析深部煤層瓦斯賦存規(guī)律以地下水活動為主要影響因素。

4 結(jié)論

①在取樣深度范圍內(nèi)，CH4濃度分布變化較大，N2濃度分布變化較小。各垂向煤層在埋深處于500～600m普遍存在明顯的“轉(zhuǎn)折點”，推測可能與不同地層層序格架控制的煤儲層物性有關(guān)。

②基于測試煤層瓦斯參數(shù)，同一煤層不同埋藏深度、不同標高，瓦斯含量隨埋藏深度的增加而變化的趨勢明顯，但同一鉆孔不同煤層的瓦斯含量變化規(guī)律性并不明顯。隨著煤層層位的加深，瓦斯含量與埋深的關(guān)系逐漸趨于弱化，一定程度上表明埋深因素對于瓦斯含量的控制作用隨著煤層層位的加深而逐漸較弱。

③不同煤層層位瓦斯賦存規(guī)律主控因素不盡相同，4#、7#、9#煤層瓦斯含量受埋深影響作用明顯，但13#、15#煤層瓦斯賦存規(guī)律一定程度上受地下水活動作用較強。

④隨著開采深度的增加和深部地質(zhì)構(gòu)造的復(fù)雜性，埋深對瓦斯賦存的影響作用可能會發(fā)生變化。在實際開采工作中，應(yīng)重點注重基礎(chǔ)地質(zhì)資料的獲取工作，本文由于相關(guān)資料的不足，難以進行深層次研究工作一定程度上影響了礦井深部瓦斯賦存和預(yù)測的研究。

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Gas Hosting Pattern Variance Analysis in Guantianba Syncline, Jinsha County

Wei Shiguo

(Guizhou Bureau of Coal Geological Exploration, Guiyang, Guizhou 550006)

To find out gas hosting pattern in the Guantianba syncline, Jinsha County, Guizhou Province, guarantee further coalmine exploitation in order, based on study area geological exploration drilling data, pilot well tested data and minefield geological condition detailed analysis, combined with measured gas data, by means of gas geology theory have carried out gas hosting pattern analysis and discussion on different coal seams from vertical and horizontal two sides. The results have shown that within sampling depth extent, the mineable coal seam CH4 concentration distribution has larger variation, while the variation of N2 smaller. Coal seams in each horizon have obvious “turning point” within buried depth 500～600m generally, inferred possibility related to the strata sequence framework controlled coal reservoir physical properties. Along with coal seam horizon deepening, relationship between gas content and buried depth gradually tends to weakening. It has shown that in a certain degree, the control from buried depth on gas content will gradually weaken along with coal seam horizon deepening. The gas content of coal seam Nos.4, 7 and 9 have obviously impacted by buried depth; while gas hosting pattern of coal seam Nos.13 and 15 controlled by groundwater activities in a certain degree.

Guantianba syncline; vertical distribution; horizontal distribution; turning point; gas hosting

10.3969/j.issn.1674-1803.2017.07.05

1674-1803(2017)07-0018-06

韋仕國(1981-)，男，貴州平塘人，2004年畢業(yè)于貴州工業(yè)大學勘查技術(shù)與工程專業(yè)，工程師，從事煤炭地質(zhì)勘查工作。

2017-04-12

責任編輯：宋博輦

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