趙 春

（山西藍(lán)焰煤層氣集團(tuán)有限責(zé)任公司，山西 晉城 048000）

1 概述

維新井田8號(hào)煤層為全區(qū)可采的主采煤層，煤層含氣量高，具有突出危險(xiǎn)性。隨著近年來(lái)礦井開(kāi)采強(qiáng)度和開(kāi)采深度不斷向深處延伸，礦井瓦斯已成為制約該礦安全高效開(kāi)采的主要災(zāi)害源。目前，井田內(nèi)已開(kāi)展了少量的瓦斯地質(zhì)工作，但尚未摸清主采煤層的瓦斯賦存規(guī)律及其主控地質(zhì)因素。因此，筆者基于礦井開(kāi)采資料、瓦斯基礎(chǔ)參數(shù)測(cè)試資料等，對(duì)井田內(nèi)影響8號(hào)煤層瓦斯賦存的主控地質(zhì)因素進(jìn)行了分析和研究。研究成果可對(duì)煤層的安全高效開(kāi)采提供技術(shù)支撐。

2 井田基本概況

維新井田位于四川省筠連礦區(qū)中斷沐愛(ài)勘探區(qū)的東北部，其東部、西部及南部分別以F3、F175、F2斷層為其自然井田邊界，礦區(qū)總面積40 km2。井田構(gòu)造因受前期構(gòu)造期次所形成的南北展布的F3斷層、近東西向展布的F1、F2及玉和背斜共同控制，其構(gòu)造形態(tài)基本為一北東向展布、波幅不大、寬緩的背、向斜構(gòu)造，并伴有一定數(shù)量的次級(jí)褶曲和斷層發(fā)育，未見(jiàn)陷落柱構(gòu)造和巖漿侵入活動(dòng)?？傮w而言，構(gòu)造復(fù)雜類型為中等。二疊系上統(tǒng)宣威組上段為井田內(nèi)主要含煤地層，平均總厚度43.25 m，平均煤層厚度7.17 m，含煤系數(shù)為16.6%。8號(hào)煤層位于宣威組上段底部，為本井田主要可采煤層，厚度1.03～8.88 m，平均3.81 m。 煤分層數(shù)1～7層，一般為2層，煤層結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。據(jù)井田瓦斯鑒定資料和瓦斯基礎(chǔ)參數(shù)測(cè)試資料顯示：8號(hào)煤層含氣量高（2.46～38.51 m3/t，平均為18.90 m3/t）且賦存極不均衡，回采該煤層過(guò)程中礦井瓦斯涌出量大，并具有突出危險(xiǎn)性，瓦斯難題極大制約著礦井的安全高效開(kāi)采。

3 影響瓦斯賦存的主要地質(zhì)因素

3.1 地質(zhì)構(gòu)造

（1） 斷層

斷層是最為重要和常見(jiàn)的地質(zhì)構(gòu)造之一，因其受外力作用產(chǎn)生錯(cuò)斷而使煤層的完整性遭受破壞，進(jìn)而影響煤層瓦斯的賦存的環(huán)境。研究和實(shí)踐證實(shí)，不同斷層類型和受力狀態(tài)的差異，可對(duì)煤層瓦斯起到富集和逸散雙重控制作用。據(jù)三維地震勘探資料和礦井揭露資料顯示，井田內(nèi)可見(jiàn)77條斷層，其中正斷層47條，逆斷層30條，斷層延伸距離和斷距均較小，多以小斷層為主，且部分為層間斷層。據(jù)構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)分析，區(qū)內(nèi)斷層多受擠壓應(yīng)力作用，使斷層面緊閉。同時(shí)，因斷層兩盤(pán)的相對(duì)位移，在斷層面附近形成了許多滲透性差的粉末狀煤巖，斷層面的封閉性極好。因此，區(qū)內(nèi)斷層的受擠壓力狀態(tài)和斷層面的良好封閉性能，均對(duì)煤層瓦斯起到良好的儲(chǔ)集作用。因而在這些構(gòu)造部位及其影響帶煤層含氣量往往較高。據(jù)采礦實(shí)踐，當(dāng)回采到上述斷層影響帶時(shí)礦井瓦斯涌出量會(huì)突然增大現(xiàn)象，并偶爾伴有瓦斯動(dòng)力現(xiàn)象發(fā)生。

（2） 褶皺

研究區(qū)褶皺構(gòu)造主要是受水平擠壓應(yīng)力作用而形成的縱彎褶皺類型。研究和實(shí)踐證實(shí)，褶皺對(duì)煤層瓦斯的賦存亦具有重要控制作用，不同褶皺類型和褶皺的不同構(gòu)造部位因受力狀態(tài)的差異，其煤層瓦斯賦存狀態(tài)各異［2］。據(jù)研究區(qū)采礦實(shí)踐和瓦斯基礎(chǔ)參數(shù)測(cè)試結(jié)果分析得出，在次級(jí)褶皺軸向的轉(zhuǎn)折端和樞紐起伏而形成的相對(duì)構(gòu)造擠壓帶，以及不同期次、不同方向褶皺間的阻斷、復(fù)合、歸并、干擾等而形成的構(gòu)造應(yīng)力集中部位或塊段，因煤體受力破壞較甚、構(gòu)造煤較為發(fā)育，煤對(duì)瓦斯的吸附能力增強(qiáng)和吸附量增大 （或儲(chǔ)集能力和儲(chǔ)集量），煤層含氣量往往比較高。在井田內(nèi)伍家灣背斜軸部及其轉(zhuǎn)折端附近，煤層瓦斯含量顯示高值。而在褶皺的兩翼及仰起端，因主要受拉張應(yīng)力作用且埋深較淺，這些構(gòu)造部位煤層含氣量往往比較低（如8號(hào)煤在232-11、273-1等煤勘孔附近）。

3.2 煤層埋藏深度

大量理論研究與實(shí)踐證實(shí)，煤層埋藏深度對(duì)瓦斯的富集成藏具有重要的控制作用。煤層埋藏深度對(duì)煤層瓦斯控制主要體現(xiàn)在以下三個(gè)方面：首先，隨著埋藏深度遞增，煤層的上覆巖層（或蓋層）有效厚度增加，有效應(yīng)力增大。根據(jù)煤的等溫吸附實(shí)驗(yàn)可知，煤層對(duì)應(yīng)力具有極強(qiáng)的敏感性，應(yīng)力增加，煤對(duì)甲烷氣體分子的吸附量越大，反之亦然。因此，埋藏深度越大，應(yīng)力對(duì)煤層吸附甲烷氣體分子的正效應(yīng)越強(qiáng)，煤層中瓦斯含量越高；其次，埋藏深度越深，上覆巖層自重增加，覆巖對(duì)煤層的壓實(shí)作用更甚，使得煤中儲(chǔ)集甲烷氣體分子的孔裂隙系統(tǒng)（或空間）被壓縮而導(dǎo)致煤層的透氣性能大大減弱，不利于煤層氣的橫縱向運(yùn)移逸散；再者，煤層埋藏深度增加，地層溫度會(huì)逐漸增加，使得煤中的揮發(fā)份減少，煤的熱變質(zhì)作用 （或程度）增加，煤中微裂隙系統(tǒng)增加，進(jìn)而增強(qiáng)了煤層對(duì)甲烷氣體分子的吸附能力，利于其大量吸附。

為了定量分析煤層埋藏深度和煤層含氣性的關(guān)系，對(duì)勘探鉆孔所取的煤芯含氣量數(shù)據(jù)和對(duì)應(yīng)取樣深度數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)和相關(guān)性分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：在風(fēng)化帶以下（50～100 m），維新井田8號(hào)煤層埋藏深度和煤層含氣量二者具有良好的正相關(guān)性 （見(jiàn)圖1），遵循理論公式：y=0.0225x+0.8404，R2=0.7334（式中：y為含氣量，m3/t；x為埋藏深度，m）。 煤層埋藏深度越大區(qū)域，煤層含氣量越高，反之亦然。采礦實(shí)踐證實(shí)：隨著采礦深度的加深，煤層含氣量和礦井瓦斯涌出量均呈現(xiàn)出增高趨勢(shì)。

圖1 維新井田8號(hào)煤層含氣量與埋深關(guān)系

3.3 圍巖巖性及其組合特征

圍巖系指煤層上下一定范圍內(nèi)的頂?shù)装?，因其與煤層直接接觸，圍巖的巖性及其組合特征對(duì)煤層瓦斯的保存極為重要。研究和實(shí)踐表明，圍巖為致密、完整、透氣性差的泥/頁(yè)巖、炭質(zhì)泥巖、砂質(zhì)泥巖等泥質(zhì)含量高的巖性及其相互旋回沉積時(shí)，其對(duì)煤層瓦斯能起到重要的封蓋作用，利于煤層瓦斯的富集成藏，反之亦然。通過(guò)對(duì)井田內(nèi)煤勘鉆孔的圍巖剖面觀測(cè)和圍巖的透氣性能測(cè)定可得，如表1所示：8號(hào)煤層的圍巖主要由炭質(zhì)泥巖、泥巖、粉砂巖和細(xì)砂巖等巖性組成，這些巖石的透氣性能非常之差，不利于煤層瓦斯的縱向運(yùn)移逸散，因而對(duì)煤層瓦斯起良好的封蓋作用，使得該煤層瓦斯得以大量保存和富集。

表1 維新井田8號(hào)煤層圍巖透氣性測(cè)定結(jié)果

3.4 地下水活動(dòng)

8號(hào)煤層上覆主要有銅街子組和嘉陵江組兩套含水層組，下伏主要有茅口組、棲霞組兩含水層組。上覆、下伏四套含水層組均屬于弱富水性含水層，地下水以自身重力驅(qū)動(dòng)方式緩慢徑流和滯緩流動(dòng)，對(duì)煤層瓦斯的運(yùn)移逸散起到一定的封堵作用。因8號(hào)煤層圍巖主要由低滲、致密完整的高泥質(zhì)含量類巖性組成，可對(duì)上覆、下伏地下水進(jìn)入該煤層起到良好的阻隔作用。地下水的徑流對(duì)煤層瓦斯的驅(qū)動(dòng)逸散作用甚微或基本無(wú)影響，加之井田內(nèi)地貌的深溝切割現(xiàn)象嚴(yán)重，不利于地表水匯集下滲與含水層中地下水形成強(qiáng)烈的水力交換或水力循環(huán)。因此，在上述井田范圍內(nèi)，煤層瓦斯受地下水徑流影響甚微，煤層瓦斯含量整體較高。但在一些較大斷層發(fā)育地帶，因斷層導(dǎo)通了上覆或下伏含水層，使得含水層中地下水的徑流對(duì)煤層瓦斯驅(qū)動(dòng)逸散作用顯著，亦增加了煤層的含水性。最終導(dǎo)致煤層瓦斯的不斷散失和減弱煤層對(duì)甲烷的吸附能力，煤層瓦斯含量較低。

4 結(jié)語(yǔ)

1）斷層和褶皺為井田內(nèi)兩大主要構(gòu)造類型，構(gòu)造控制著煤層瓦斯賦存的局部聚集及不均衡分布。斷層多具有擠壓性質(zhì)，使得斷層面緊閉，加之?dāng)鄬用娑啾坏屯笟庑缘拿簬r粉所充填，不利于煤層瓦斯的向外逸散而積聚；不同期次、不同方向褶皺間的阻斷、復(fù)合、歸并、干擾等而形成的構(gòu)造應(yīng)力集中部位或塊段，煤層含氣量往往比較高。而受拉張應(yīng)力作用，且埋藏較淺的塊段，煤層含氣量往往比較低。

2）井田內(nèi)8號(hào)煤層的埋藏深度與煤層含氣量具有良好的正相關(guān)性，即煤層埋深不斷增加，煤層含氣量隨著增加，反之亦然。

3）井田內(nèi)8號(hào)煤層的圍巖主要由低滲、致密、完整泥質(zhì)含量高的巖性組成，對(duì)煤層瓦斯的保存起到良好的封蓋作用，是控制該煤層瓦斯富集成藏的最為重要地質(zhì)因素。

4）井田內(nèi)4層含水層的富水性普遍較弱，含水層中地下水徑流滯緩，加之圍巖的良好隔水性能和上覆、下伏多層隔水層和相對(duì)隔水層的存在，上覆、下伏含水層中地下水對(duì)8號(hào)煤層瓦斯的驅(qū)動(dòng)逸散作用甚微或基本無(wú)影響。但在較大斷層附近，煤層瓦斯在地下水長(zhǎng)期驅(qū)動(dòng)逸散作用下，煤層含氣量低。