唐山礦瓦斯賦存的地質控制因素研究＊

王 猛 朱炎銘 王懷勐 李 伍

（1.中國礦業大學資源與地球科學學院，江蘇省徐州市，221116；2.煤層氣資源與成藏過程教育部重點實驗室，江蘇省徐州市，221008）

唐山礦瓦斯賦存的地質控制因素研究＊

王 猛1，2朱炎銘1，2王懷勐1李 伍1

（1.中國礦業大學資源與地球科學學院，江蘇省徐州市，221116；2.煤層氣資源與成藏過程教育部重點實驗室，江蘇省徐州市，221008）

結合唐山礦的地質特征及瓦斯資料，研究了控制瓦斯賦存的主要地質因素，包括地質構造、煤層埋深、地下水活動及煤層頂板巖性等。結果表明：正斷層有利于瓦斯逸散，逆斷層有利于瓦斯的保存，尤其是推覆構造對瓦斯的賦存有重要的影響；隨埋深增大，煤層瓦斯壓力增大，煤可吸附更多瓦斯；煤層瓦斯含量與頂板砂泥巖比呈反比；地下水的封堵作用利于瓦斯的保存，使得開平向斜北西翼的唐山礦瓦斯含量較同深度的南東翼瓦斯含量高。

唐山礦 瓦斯賦存 構造 埋深 地下水 頂板巖性

開灤礦區唐山礦歷年均被鑒定為高瓦斯礦井，瓦斯突出危險性較高。研究煤礦的瓦斯地質特征，認識瓦斯賦存的地質控制因素，對于預防或避免瓦斯事故有重要的現實意義。本文在對開灤礦區唐山礦的瓦斯地質特征進行總結分析的基礎上，研究控制瓦斯賦存的地質因素，探討不同地質條件下瓦斯賦存的差異性，便于指導煤礦的安全開采。

1 地質概況

唐山礦位于河北省唐山市，開平煤田的西南部，地層走向為北西—南東向，井田內主要構造絕大部分平行于地層走向，構造極為復雜，北部和南部分別被邊界斷層限定；褶皺構造發育，除東部發育主向、背斜外，向西部還發育有嶺子傾伏背斜等一系列褶曲構造，見圖1。受構造控制，煤層變形嚴重，構造煤較發育。

圖1 唐山礦構造綱要圖

井田隸屬于開平煤田，地層屬華北型沉積，含煤地層總厚約510m，煤層總厚達25.40m，含煤系數4.98%。主要含煤地層為石炭系趙各莊組（）和二疊系大苗莊組（）。全井田共有8個可采煤層，其中5＃、8＃和9＃煤層全區范圍可采，6＃、11＃、、和14＃煤層局部可采。各煤層含硫量、含磷量均較低，煤級屬于焦煤～1/3焦煤。

2 瓦斯賦存特征

2.1 煤層的埋藏－生氣史

受后期構造活動的影響，泥炭沉積后經歷了不同的地質埋藏演化史，與之伴隨的是瓦斯的生成、運移和保存。唐山礦煤層到中三疊世末埋深達到最大（約3300m），受熱溫度達115℃；到該期末煤級達到氣煤，并產生大量甲烷（一次生氣），其中大部分甲烷逸散到圍巖中，部分呈吸附態保存在煤層中；到燕山早－中期，受區域北西—南東向擠壓應力作用，唐山礦發育了典型的推覆構造，位于原地系統的含煤巖系被上盤地層覆蓋。到該期末，唐山礦煤層埋深約達2400m，此時受區域巖漿活動的影響，煤層受熱溫度達150℃以上，煤級達到1/3焦煤，并生成大量的甲烷（二次生氣）。此后，隨著地殼的進一步抬升，瓦斯逐步逸散，但由于推覆構造的封蓋作用，瓦斯逸散緩慢，見圖2。

圖2 唐山礦主煤層的埋藏－生氣史

2.2 煤層含氣特征

唐山礦淺部煤層風化嚴重，－400m以上的煤層含氣量均較低，隨著煤層埋深的增加，瓦斯含量及瓦斯壓力均具增高的趨勢。各煤層瓦斯含量均在5.2m3/t以下；5＃、12＃煤層到井田深部－1000m處瓦斯含量增大到6m3/t，8＃、9＃煤層瓦斯含量達到8m3/t。

根據對主采煤層的等溫吸附特征研究表明，主采煤層蘭氏體積介于15～18cm3/g之間，含氣飽和度在40%～80%之間，煤層含氣處于不飽和狀態，8＃、9＃煤層吸附能力最好，5＃煤層次之，煤層最差。

3 瓦斯賦存的地質因素

前人研究表明，控制瓦斯賦存的地質因素有構造特征、巖漿活動、水文地質特征、含氣量、煤層埋深及厚度等。對唐山礦瓦斯地質特征的研究表明，瓦斯賦存主要受構造、水文地質特征、煤層埋深和頂板巖性等因素的綜合控制。

3.1 地質構造

3.1.1 褶皺

褶皺的類型與復雜程度對瓦斯的賦存具有重要的影響，在煤層氣的勘探中有重要的構造意義。閉合（半閉合）的背斜核部由于擠壓應力場的存在，瓦斯運移阻力大，導致瓦斯含量較兩翼大；向斜核部則相反，供應瓦斯區域相對減小，且瓦斯的運移通道相對較大，導致瓦斯含量小；反之，開放性背斜的核部瓦斯較易逸散，瓦斯含量較兩翼小；而向斜核部地應力較大，瓦斯壓力大，而兩翼瓦斯直接向上逸散，瓦斯含量較核部低。

唐山礦位于開平向斜的北西翼的西南端，而開平向斜為半封閉的不對稱向斜，北西翼地層傾角較南東翼大，且多發育壓扭性逆斷層；與此同時，南東翼多發育正斷層。對比可知，北西翼瓦斯封蓋條件較好，瓦斯含量較南東翼大。同時受該不對稱向斜的影響，兩翼的水力條件也存在較大差異，這將進一步影響瓦斯的賦存，具體將在下文中敘述。

在井田內部，背斜、向斜均有發育，使得瓦斯賦存存在差異性。岳22鉆孔處發育有一背斜構造，瓦斯容易逸散，含量基本在3m3/t以下；而在山003鉆孔處發育有一向斜構造，瓦斯含量最大可達8.0m3/t，見圖3。

3.1.2 斷層

在瓦斯地質研究中，斷層一直是研究的重點內容，其對瓦斯的賦存有重要影響。一般壓性斷層有利于瓦斯的保存，而張性斷層有利于瓦斯的散失。同時，斷層發育越密集，煤裂隙越發育，促進瓦斯由吸附態向游離態轉化，瓦斯含量降低，但瓦斯涌出量增大。

井田內呈NE向平行排列的5條主要斷層均為壓性斷層，瓦斯保存條件較好。且唐山礦發育逆沖推覆構造，使煤中瓦斯受到上盤地層的封堵，逸散緩慢，是造成礦井瓦斯含量較高的重要原因。同時，斷層的發育使煤層變形成為構造煤，孔隙增加，瓦斯吸附能力增強。

3.2 煤層埋深

研究表明，煤層埋深與瓦斯涌出量、含量和壓力有明顯的正相關關系，傳統的預測礦井瓦斯涌出量的梯度預測法就是根據這一規律提出的。隨埋深增加，變質程度增強，單位質量的煤瓦斯生成量增大；另一方面，瓦斯壓力隨之增加，促使瓦斯由游離態向吸附態轉化。

唐山礦5＃煤層底板標高與相對瓦斯涌出量等值線圖見圖4，可以看出，隨著煤層底板等高線從－500m降至－800m時，北翼區相對瓦斯涌出量從5m3/t增大到9m3/t；在鐵Ⅱ區內，當底板等高線從－500m下降到－600m時，相對瓦斯涌出量的值從1m3/t增大到3m3/t。

3.3 地下水動力特征

地下水活動對瓦斯的影響是多方面的，既能促進瓦斯的逸散，又能對瓦斯起封存作用。開平向斜地下水從北西翼露頭接受補給，從較低的南東翼流出，瓦斯的運移方向則是沿兩翼向上。地下水流動方向與北西翼瓦斯運移方向相反，阻礙了煤中瓦斯靜壓力作用下的順層運移，使得唐山礦所在的向斜北西翼瓦斯較南東翼富集，見圖5。事實亦證明如此，唐山礦為高瓦斯礦井，而南東翼的錢家營礦歷年均被鑒定為低瓦斯礦井。

圖5 開平向斜地下水活動示意圖

3.4 煤層頂板巖性特征

煤層頂板巖層的透氣性直接影響瓦斯的保存條件，在透氣性差的區域，瓦斯能夠被很好地保存，并導致局部瓦斯分布出現異常。唐山礦9＃煤層頂板巖性與瓦斯涌出量見表1。

對表1中的數據分析可知，9＃煤層頂板為砂巖的區域，逸散作用較強，相對瓦斯涌出量明顯降低，而在頂板泥巖區，封堵作用較強，相對瓦斯涌出量較大。

表1 唐山礦9＃煤層頂板巖性與瓦斯涌出量

頂板砂巖比是指頂板一定厚度內砂巖總厚度與統計總厚度的比，它直接反映了煤層圍巖的透氣性。其值介于0～1之間，其值越大，表明頂板越有利于煤層瓦斯的逸散。9＃煤層相對瓦斯涌出量與頂板40m砂巖比等值線圖見圖6。

如圖6所示，9＃煤層在北翼區和鐵Ⅱ區頂板砂巖比等值線從0.2向外增大到0.6，相對瓦斯涌出量從8m3/t降為4m3/t。反映了頂板巖性透氣好的區域瓦斯容易逸散，而透氣性差的區域瓦斯具有較好的保存條件。

圖6 9＃煤層相對瓦斯涌出量與頂板40m砂巖比等值線圖

4 結論

通過對唐山礦瓦斯地質特征的研究可知，礦井瓦斯賦存特征主要受構造、煤層埋深、地下水動力特征和煤層頂板巖性等因素的控制，具體表現在：

（1）礦井瓦斯分布受構造影響明顯。礦井逆斷層較發育，尤其是逆沖推覆構造對瓦斯的封堵性較強，是造成礦井瓦斯含量較高的重要原因。同時，斷層導致構造煤的發育，增大了煤層吸附瓦斯能力。

（2）在向斜的核部瓦斯壓力較大，瓦斯含量較高；背斜核部裂隙發育，瓦斯逸散較大；隨著煤層埋深的增加，瓦斯涌出量、含量及壓力亦隨之增大。

（3）唐山礦位于開平向斜的北西翼，地下水運移方向與瓦斯運移方向相反，瓦斯受地下水封堵，保存條件較好，造成礦井瓦斯含量普遍較高。

（4）煤層頂板巖性特征對瓦斯的賦存有重要影響，頂板砂泥巖比越大，瓦斯越容易逸散；反之，頂板砂泥巖比越小，瓦斯封存條件越好。

［1］ 宋巖，秦勝飛，趙孟軍.中國煤層氣成藏的兩大關鍵地質因素［J］.天然氣地球科學，2007（4）

［2］ 寧寧，張建博.煤層氣地質選區評價方法研究［J］.天然氣工業，1999（3）

［3］ 張華，盧永戰，李向革等.陽泉礦區保安煤礦15＃煤層瓦斯地質規律研究［J］.中國煤炭，2011（2）

［4］ 雷東記，李成武，孟慧等.演馬莊礦井瓦斯地質規律研究［J］.中國煤炭，2010（8）

［5］ 王來斌，疏義國，沈金山等.潘三礦13－1煤層瓦斯賦存規律及影響因素分析［J］.中國煤炭，2011（5）

［6］ 王以峰，王彬章，趙雪兵.巖漿巖侵入對下部煤層瓦斯賦存的影響［J］.煤炭科技，2007（3）

［7］ 孫義娟，張新生.河北省開平煤田煤層氣成藏條件淺析［J］.中國煤層氣，2009（1）

［8］ 李貴中，王紅巖，吳立新等.煤層氣向斜控氣論［J］.天然氣工業，2005（1）

［9］ 康繼武.褶皺構造控制煤層瓦斯的基本類型［J］.煤田地質與勘探.1994（4）

［10］ 朱志敏，宋文杰，崔洪慶.阜新煤田王營—劉家區煤層氣向斜控氣研究［J］.天然氣地球科學，2004（6）

［11］ 羅銳，李宏偉，陳江峰.新安煤田煤層氣地質特征研究［J］.煤炭技術，2008（2）

［12］ 張子敏.瓦斯地質基礎［M］.徐州：中國礦業大學出版社，2008

［13］ 彭金寧，傅雪海.鐵法礦區煤層氣保存條件研究［J］.天然氣工業，2006（12）

［14］ 胡志勇.夾河煤礦瓦斯賦存規律分析與預測［J］.煤炭科技，2005（2）

［15］ 張俊偉.新義礦二1煤瓦斯賦存因素分析［J］.煤礦開采，2009（3）

Study on geological controlling factors of gas occurrence in Tangshan Coal Mine

Wang Meng1，2，Zhu Yanming1，2，Wang Huaimeng1，Li Wu1
（1.School of Resources and Earth Science，China University of Mining and Technology，
Xuzhou，Jiangsu 221116，China；2.Key Laboratory of Coalbed Methane Resources and Reservoir Formation Process of the Ministry of Education，Xuzhou，Jiangsu 221008，China）

With the geological features and gas data，the paper has studied the major geological factors affecting gas occurrence which mainly include geological structure，buried depth of coal seam，groundwater activity，roof lithology of coal seam.The results show that normal fault is good to gas dissipation while reverse fault makes for gas preservation，and the nappe structure has great influence on gas occurrence；with the buried depth increasing，gas pressure in coal seam rises and coal will adsorb more gas；the gas content in coal seam is in inverse proportion to the sand－to－mud ratio in roof rock；groundwater plugging makes for gas preservation，as makes gas content in Tangshan mine in the north－west wing of Kaiping syncline is higher than south－east wing though they are in the same depth.

Tangshan mine，gas occurrence，structure，buried depth，groundwater，roof lithology

TD712

A

國家基礎研究發展計劃（973）項目（2009CB219605）；江蘇高校優勢學科建設工程資助項目

王猛（1982－），男，山東省鄒城市人，講師，博士研究生，從事煤與油氣地質方面的研究。

（責任編輯 張毅玲）