焦作礦區馮營礦二1煤瓦斯賦存的主控因素研究

馮 斌,張小東,李文前,郭新體

(1.河南省地質礦產勘查開發局第十一地質隊,河南 商丘 476000；2.河南理工大學能源科學與工程學院,河南 焦作 454000)

焦作礦區位于河南省西北部，是我國優質無煙煤的產出基地之一。同時，焦作礦區也是我國煤與瓦斯突出最為嚴重的礦區之一[1]。經過百余年的開采，焦作礦區許多老礦井井田內的煤炭資源已枯竭或近于枯竭。馮營煤礦作為一個資源近于枯竭的礦井，于2001年2月實行政策性破產重新組建，目前主要以開采原礦井剩余煤炭資源為主。該礦自1962年2月投產至今，已發生3次煤與瓦斯突出，單次突出煤量最小24t，最大260t。自建井至今，該礦每年要投入大量的人力和物力用于防治瓦斯災害事故的發生。

本文在分析馮營井田煤層產出的地質構造背景的基礎上，探討了地質構造、埋深、煤厚以及頂底板巖性對瓦斯賦存的影響規律。采用定性與定量相結合的分析方法，對研究區瓦斯含量的主控因素進行了分析，以期為馮營礦的瓦斯災害防治提供指導和借鑒。

1 井田地質構造特征

焦作煤田位于太行山隆起帶的東南緣。地層走向NE～SW，傾向SE，傾角10°～25°，一般為12°。區內以斷裂構造為主，褶皺構造不發育，總體為一傾向南東的單斜構造，僅在礦區南部見有小型寬緩向斜。斷裂構造主要以高角度正斷層為主，按走向主要有NE、近EW、NW向三組，尤以NE向最發育。斷裂構造的切割，使得整個煤田被劃分為多個大小不等的塊段，不僅控制著煤層的分布與賦存特征，而且形成了礦區或井田的自然邊界。

馮營井田位于焦作煤田東部，其南部的九里山斷層、東部的馮營斷層形成井田的自然邊界。受兩大斷層的影響，井田內大中型斷裂構造較發育，且依次派生、伴生的小斷層也特別發育，均為高角度的正斷層。井田總體為一向南偏東傾斜的單斜構造，大中型褶皺構造不發育，局部小褶曲的發育及揉搓作用，使得煤層頂板滑動面發育，煤體強度減弱，煤層的原有的層理構造與孔裂隙系統遭到破壞，增大了瓦斯在煤體中運移的難度，進而影響了井下瓦斯抽采。

2 煤層及瓦斯分布特征

2.1 煤層

區內含煤地層為二疊系下統山西組和石炭系上統太原組，煤系地層總厚187.2m，共含煤10～11層，煤層總厚14.15m，含煤系數3.04%。其中，含可采與局部可采煤層3層。山西組的二1煤為區內主要可采煤層，也是本次研究的主要目的層;太原組的一2、一5煤局部可采。二1煤厚度變化較大，以中厚～厚煤層為主，均厚4.20m。在井田西部，受成煤過程中的沉積基底沉積基底凹凸不平,以及沉積期后的水流沖刷和構造擠壓等作用，可見薄煤帶或無煤帶。二1煤煤層結構大部分地段較簡單，僅在15～17勘探線，因受成煤過程中的聚煤坳陷基底不均衡沉降影響，煤層結構復雜，常出現分岔現象。

2.2 煤巖、煤質

二1煤的宏觀煤巖成分以亮煤為主，暗煤次之，夾絲炭和鏡煤透鏡體或線理狀鏡煤。宏觀煤巖類型以光亮-半亮型煤為主，有少量的半暗型和暗淡型煤。顯微組成中，有機組分含量較高，一般大于86%，其中絕大多數為鏡質組，一般占總組成的80%以上，占有機組分的90%以上，其中主要是無結構鏡質體。惰性組含量較少，一般小于有機顯微組分的10%，主要為絲質體。無機組分中以黏土礦物為主，含少量碳酸鹽和硫化物。鏡煤最大反射率3.46%，為無煙煤二～三號。二1煤巖煤質一覽情況見表1。

二1煤屬于低水、低灰、特低硫、低磷、抗碎強度高、可選性好、熱穩定性能好、高灰熔性、中高發熱量的無煙煤。

2.3 瓦斯分布特征

本次研究收集到的含氣量資料共計33組，其中：通過煤田勘探鉆孔取芯測得的含氣量數據21組，井下鉆孔煤芯取樣測得的瓦斯含量9組。另外，根據瓦斯壓力換算得到的瓦斯含量有3組(瓦斯含量與壓力的關系見圖1)。在埋深180～575m的范圍內，含氣量分布在3.83～25.96m3/t之間。

就整個井田而言， 自西北向東南，瓦斯含量有增大的趨勢。同一斷塊內，距離斷裂帶越近，含氣量越小；在斷層尖滅端附近，含氣量往往較大．深部斷塊的含氣量高于淺部。在斷層的薄煤帶、煤層分岔帶的瓦斯含量往往較低，瓦斯的氣體組成中，甲烷濃度較低。根據瓦斯含量和井下瓦斯壓力的測試結果，發現在斷層延展方向上，瓦斯含量和瓦斯壓力呈帶狀分布：沿煤層走向，靠近礦井東部的NW向傾向斷層，瓦斯減小，瓦斯壓力由0.9MPa降低到0.5MPa以下，瓦斯含量由16～20m3/t·r降低到15m3/t·r以下。

圖1 瓦斯壓力與瓦斯含量的關系

3 瓦斯賦存的影響因素

影響瓦斯賦存的因素很多，不同的井田其主控因素不同。所有含氣量數據中，CH4氣體濃度小于80%的或瓦斯含量小于5.0～7.0m3/t·r(研究區為無煙煤)，屬于瓦斯風化帶以上，本研究中不予考慮(共9個)。另外，在探討相關因素對瓦斯含量的影響時，也要對瓦斯含量測試點的構造條件、煤厚是否異常、頂底板巖性的封閉性優劣程度等進行可適性分析。

3.1 斷裂構造對瓦斯富集的影響

區域構造背景對瓦斯區域性分布特征具有重要的控制作用，而井田構造斷裂構造的分布及其力學性質是控制瓦斯賦存及運移的重要地質因素[2]。一般而言，壓性斷裂構造的封閉性及其形成過程中的擠壓揉搓作用，使得煤體結構遭到破壞，原始的裂隙系統發生破壞，造成了瓦斯逸散的難度，從而有利于瓦斯的聚集；而張性斷裂構造的開放性，有利于增大煤巖體的透氣性，使得瓦斯沿著斷裂面運移，不利于瓦斯富集。另外，同一構造的不同部位對煤層氣的富集和運移的作用關系也是有差異的[3]。

馮營井田總體屬于一單斜構造，大中型褶皺構造不發育，僅可見次級小型褶皺，形成一系列小型寬緩的背斜和向斜。井田中大型斷裂構造發育，均為高角度正斷層。區內主要斷層的不同部位的鉆孔含氣量分布見表2。由表2可知，斷裂帶尖滅斷的瓦斯含量往往較高，斷層上盤含氣量一般小于下盤。其中，距離斷層的上盤越近，含氣量越低，并且氣體組成中的甲烷濃度下降，距離斷裂的下盤越近，含氣量越高。原因在于斷層尖滅段，往往是應力比較集中部位，煤體結構較為破碎，透氣性差，因此，其含氣性較高。原因在于，區內的斷裂均為張性或張扭性斷層，一般而言，正斷層上盤煤層中裂隙發育程度明顯高于下盤[4]。因此，透氣性較大，有利于瓦斯的逸散，并且因張性斷層的開放性，與含水層接近，形成水力聯系，從而降低甲烷含量。

表2 與斷裂構造相關的鉆孔含氣量數據

3.2 水文地質條件對瓦斯賦存的影響

水文地質條件特別是地下水的流態對瓦斯賦存、運移和富集具有重要的影響。地下水動力學條件的控氣特征，可概括為水力運移逸散、水力封閉與水力封堵作用。其中，水力封閉和水力封堵作用有利于煤層氣保存，水力運移逸散作用則會導致瓦斯的散失[5-6]。

馮營井田位于焦作礦區水文地質單元北部，為一南部由九里山斷層、東部由馮營斷層所控制的半封閉次級水文地質單元。井田西北部山區奧陶系灰巖裸露，受大氣降水的補給面積大，補給條件好，加之區內斷裂構造發育，不僅構成了巖溶裂隙地下水徑流的主要通道，而且溝通了含水層之間的水力聯系。井田內地下水徑流方向由西北流向東南，在井田東南邊界，受到水體流動過程中，瓦斯也隨著運移。受到井田東南部張扭性的九里山斷層及其派生的安陽城斷層的阻隔，在東南方向形成地下水滯留區，形成瓦斯富集帶，從而形成了井田總體上西北部瓦斯含量較低、東南部瓦斯含量較高的區域分布特征。由此可以看出，水文地質條件是控制井田煤層瓦斯區域分布的主控因素。

3.3 煤厚對含氣性的影響

從瓦斯生成的角度而言，一般認為煤層厚度與瓦斯含量具有正相關關系。但實際上，根據瓦斯含量的定義，單位體積煤層的生氣量與煤厚之間不存在因果聯系[7]。但因煤層本身屬于高度致密的低滲透巖層，其上下分層對中部分層的瓦斯氣體逸散具有強烈的封蓋作用。因此，煤層厚度越大，中部分分層瓦斯氣體向頂底板擴散的路徑就越長，擴散阻力越大，有利于瓦斯的保存，從而表現為煤厚與瓦斯含量具有正相關關系。

研究區的煤厚變化較大，常常有分岔現象，局部出現薄煤帶。刨除掉薄煤帶的瓦斯含量，發現煤厚與瓦斯含量具有一定的正相關性(圖2)。煤層厚度與含氣量之間的相關方程式為：

W=1.3817×H+10.785(R=0.66)

(1)

式中，w為含氣量，rn3/t；H為煤層厚度，m。

回歸方程的顯著性檢驗表明，對于給定的顯著性水平a(a= 0.05)，查得t0.025(10)=2.2281。根據數據點計算得∣t∣=2.755984>t0.025(10)。由此可以看出，煤厚與瓦斯含量的相關方程式(1)，在顯著性水平a=0.05時是顯著的，進而可以認為，煤厚是影響馮營井田瓦斯含量的主要因素之一。

圖2 煤厚與瓦斯含量的關系

3.4 埋深與含氣量的關系

一般而言，在大型含煤盆地范圍內，煤層埋深與瓦斯含量之間具有正相關關系，即瓦斯含量隨著煤層埋藏深度的增加而增高。然而,對于構造比較復雜的井田，煤層埋深與瓦斯含量的正相關型并不明顯，甚至出現異常相關，即隨著煤層埋深的增加，含氣量反而呈現下降的趨勢[7]。

就馮營井田而言，煤層埋藏深度與含氣量總體呈現正相關關系，但這種關系并不明顯，很難通過一個簡單的關系式來表達(圖3)。分析其原因，可能是與井田構造較為復雜、煤層厚度變化較大，新生界厚度分布不均等原因，致使研究區的煤層埋藏深度與瓦斯含量之間不存在有確定的梯度關系，也即就該井田而言，埋藏深度不是引起瓦斯含量變化的主要因素。

圖3 煤層埋深與含氣量的關系

3.4 上覆基巖厚度與含氣量的關系

煤層上覆基巖厚度為煤層埋深減去新生界(古近系、新近系)地層的厚度。研究區缺失古近系地層，新生界地層主要為松散的黃土層，其空隙度大，連通性好，容易釋放瓦斯，地質歷史時期不利于瓦斯的保存。因此，從瓦斯保存的有效性角度而言，基巖厚度也常稱之為上覆有效地層厚度。一般說來，上覆地層有效厚度越大，保存條件越好；有效地層厚度越薄，表明構造運動造成抬升、剝蝕強烈，地層壓力降低，氣體越易發生解吸散失[3,8]。

研究區統計結果表明，煤層含氣量隨著上覆基巖厚度的增加而增高，兩者間具有一定的對數關系，相關方程式為：

W=0.0347×h+5.6368(R=0.65)

(2)

式中，w為含氣量，rn3/t；h為上覆基巖厚度，m。

回歸方程式(2)的顯著性檢驗表明，對于給定的顯著性水平a(a=0.05)，查得t0.025(12)=2.1788。根據數據點計算得∣t∣=2.960512>t0.025(12)。由此可以看出，上覆基巖厚度與瓦斯含量的相關方程式(2)，在顯著性水平a=0.05時是顯著的，由此可以推測，煤層的上覆基巖厚度是研究區瓦斯含量的主控因素之一。

圖4 上覆基巖厚度與含氣量的關系

3.5 頂底板巖性對含氣量的影響

圍巖的隔氣性或透氣性對瓦斯氣體的保存具有重要作用，一般來說，圍巖的碎屑含量越低、顆粒越細、泥質含量越高，其對氣體封閉能力越好，越有利于氣體的保存。

研究區的二1煤層頂板巖性及穩定性變化較大，多為黑色炭質泥巖，厚0.4～11.67m，平均2.63m。底板為砂質泥巖、泥巖，厚13.87～24.01m，平均厚20m。這些泥巖或砂質泥巖裂隙不發育，顆粒致密，具有良好的封閉性，既是煤層與頂板砂巖裂隙含水層之間的隔水層，也是防止瓦斯逸散的隔氣層。如營91鉆孔，盡管煤厚僅3.5m，埋深350m，上覆基巖厚度278.9m，但其頂板20m范圍內有12.3m的泥巖分布，其瓦斯含量高達25.26m3/t。而營59鉆孔，盡管煤厚高達7.2m，埋深404.3m，上覆基巖厚度286.3m，但其頂板20m范圍內，泥巖厚度僅0.5m，多為粉砂巖或中細砂巖，其含氣量僅為14.05m3/t。由此可見，煤層頂底板也是影響研究區瓦斯含量變化的主要因素。

4 結論

1)地質構造對馮營井田的瓦斯含量具有較大的影響，表現為斷層尖滅端附近，含氣量大，而斷裂帶內含氣量小；斷層下盤的含氣量明顯大于上盤。同一正斷層的上盤附近，距離斷層面越遠，含氣量越大。

2)水文地質條件對井田的瓦斯含量區域性分布具有重要的控制作用，表現為徑流區瓦斯含量較低，滯留區瓦斯含量較高。

3)煤層埋藏深度對瓦斯含量的影響并不顯著，而煤層的厚度、上覆基巖厚度以及頂底板巖性對瓦斯含量的局部分布有較大的影響，表現為煤層厚度和上覆基巖厚度越大，圍巖的泥質含量越高、顆粒越細，含氣量越大。

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