云駕嶺煤礦2號煤層瓦斯賦存主控地質因素分析

張明杰 李 凱 付 帥

(河南理工大學安全科學與工程學院，河南 454003)

云駕嶺煤礦2號煤層瓦斯賦存主控地質因素分析

張明杰 李 凱 付 帥

(河南理工大學安全科學與工程學院，河南 454003)

基于云駕嶺煤礦瓦斯涌出量異常變化的現象，收集地質勘探和生產期間揭露的地質構造及瓦斯信息，運用瓦斯地質理論和煤層瓦斯賦存與流動理論，從煤層瓦斯生成、運移、儲存的角度，研究巖漿巖侵入、煤層埋深和斷層等地質因素對2號煤層煤質、生烴能力、煤層滲透性、瓦斯含量等參數以及煤層瓦斯賦存的影響，研究結果表明巖漿巖侵入是煤層瓦斯賦存的主要控制因素，斷層和煤層埋深是煤層瓦斯賦存的一般影響因素。

瓦斯涌出量 瓦斯賦存 巖漿巖侵入 煤層滲透性 瓦斯運移

瓦斯生于煤層、存儲于煤層及其圍巖之中，它的生成條件、保存條件、賦存和分布規律都受極其復雜的地質演化作用控制，因此煤層瓦斯分布是不均衡的，高瓦斯礦井存在低瓦斯區，而低瓦斯礦井同樣也存在高瓦斯區。云駕嶺煤礦自建井投產以來未發生過瓦斯突出事故，2005年至2010年瓦斯等級鑒定結果均為低瓦斯礦井，但在2號煤層開采時某些工作面瓦斯涌出量較大，上隅角時常出現瓦斯超限，一定程度上影響了礦井安全生產。因此，本文根據瓦斯地質理論，結合礦井地質勘探和生產揭露的地質和瓦斯參數資料，從巖漿巖侵入、煤層埋深和斷層對2號煤層瓦斯賦存的影響進行分析，揭示煤層瓦斯賦存的主要控制因素，為礦井安全生產提供理論依據。

1 礦井概況

云駕嶺煤礦位于河北省武安市北部，以高村為中心，南距武安市約5km。云駕嶺井田含煤地層包括二疊系下統山西組、石炭系上統太原組和中統本溪組，其中山西組和太原組為主要含煤地層。目前礦井主采煤層為位于山西組下部的2號煤層，煤層傾角10°～30°，平均厚度3.54m，含夾矸1-2層，平均夾矸厚0.26m，屬較穩定煤層。

云駕嶺井田構造大體上為一走向近南北、傾向東的單斜構造，地層傾角多為15°～20°，局部達30°左右。井田內已揭露的大小斷層共119條，大中型斷層數量不多，中小型斷層較為發育，斷層走向以北北東向和北東向最為發育，斷層傾角多為65°～70°的高角度正斷層，將井田切割成若干小型的地壘、地塹和斷塊。井田內的褶皺構造僅在1、4、10、13線發育，或為寬緩短軸小型褶曲或為褶曲傾伏尖滅，對煤礦影響不大。井田內巖漿巖侵入方向為由東向西，產生于中生代燕山期，產狀以巖床為主，個別地方存在巖蓋和巖墻。井田總體地質構造復雜程度屬中等類型，礦井構造綱要圖見圖1。

圖1 云駕嶺礦井構造綱要圖

2 煤層瓦斯賦存控制因素分析

2.1 巖漿巖侵入對瓦斯賦存的控制

巖漿活動對瓦斯賦存影響比較復雜。巖漿侵入含煤巖系或煤層，在巖漿熱變質和接觸變質的影響下，煤的變質程度升高，瓦斯的生成量和吸附能力增大。在缺少隔氣蓋層或封閉條件不好時，巖漿的高溫作用可以強化煤層瓦斯排放，使煤層瓦斯含量減小。巖漿巖體有時會使煤層局部被覆蓋或封閉，形成隔氣蓋層。但在某些情況下，由于巖脈蝕變帶裂隙增加，造成風化作用加強，可逐漸形成裂隙通道，有利于瓦斯的排放。由此可見，巖漿活動對瓦斯賦存既有生成和保存作用，在某些條件下又會增加瓦斯逸散的可能性。因此，在研究巖漿活動對煤層瓦斯的影響時，要結合地質背景作具體分析。

2.1.1 巖漿侵入體的分布及侵入層位

云駕嶺井田區域內上至石千峰組，下到煤系基底奧陶紀灰巖，各時代地層均有巖漿巖侵入，對煤系地層、煤層都造成有一定破壞。區內穿過2號煤層層位鉆孔共61個，勘探到巖漿巖侵入煤層頂底板的鉆孔各有1個，巖漿巖在2號煤層的侵入面積很小且并未吞蝕煤層。巖漿巖對上部1號煤層的侵入分布于第11～12地質剖面線以南地段，在井田范圍內所占面積較小，1號煤層位僅6606和6505兩孔見巖漿巖，呈零星小孤島狀分布。侵入上覆巖層上、下石盒子組的巖漿巖也僅限于礦井南部和東部邊緣地帶。巖漿巖對太原組底部8、9號煤層的影響和破壞極為嚴重，煤層常被吞蝕形成無煤帶，或部分擠壓吞蝕，或使煤層呈捕擄體形成不可采地帶，且面積較大基本覆蓋全區。侵入井田煤系地層巖漿巖的分布特征為:橫向上由上到下逐漸北移，面積也相應加大;縱向上由上到下，巖漿活動逐漸加強。由此可知，2號煤層主要受侵入下部煤層的巖漿巖對它產生的區域熱變質作用影響。

2.1.2 巖漿巖侵入對煤質的影響

我國很大一部分煤層是因中、新生代巖漿活動，在深成變質作用的基礎上疊加了區域巖漿熱變質作用。根據邯鄲礦區2號煤層的沉積埋藏史和受熱演化史 (圖2、圖3所示)，可以分析出2號煤層煤化作用主要經歷了深成變質和巖漿熱變質兩個階段。

圖2 邯鄲礦區2號煤層沉積埋藏史

圖3 邯鄲礦區2號煤層熱演化史

由沉積埋藏史可以看出，從2號煤層形成到晚三疊世末，煤層處于沉降埋藏階段，由熱演化史所示，在這一階段由于地層連續沉積埋深逐步增加，煤層所受的壓力和溫度逐漸增高，煤的變質程度也同步緩慢增高，這一時期的煤化作用主要受深成變質影響，煤的鏡質組反射率多在0.82%左右，屬于低煤階煙煤。晚三疊世末至第四紀本區地層整體抬升，深成變質作用減弱乃至終止，期間在侏羅白堊紀發生的燕山期巖漿熱事件，使本區巖漿活動十分劇烈，巖漿侵入含煤巖系形成熱異常區，使區內的煤層受到高溫烘烤，此時煤體溫度達到最大。通過疊加區域熱變質作用，區內大面積的低變質煤逐漸升高到高變質煤，煤的鏡質組反射率最高達到7.71%，煤化作用達到頂峰，形成了高煤階煙煤、無煙煤以及天然焦。通過對云駕嶺礦2號煤層所取的煤樣進行實驗室測定，煤的揮發分為3.42% ～9.14%，吸附值 a 值范圍為 39.474 ～ 44.965m3/t，吸附值b值范圍為1.122～1.45MPa-1，按照我國現行的煤炭分類標準結合煤樣的化驗資料分析確定屬于典型無煙煤。

2.1.3 巖漿巖侵入對瓦斯運移和儲存的控制

煤變質程度提高的同時必然導致瓦斯生成量加大，根據不同煤階煤的視煤氣發生率 (據李建武等，1998)，無煙煤的噸煤產氣量為 306m3～461m3，而目前云駕嶺礦實測的最大瓦斯含量僅為6.7m3/t，因此，煤化作用生成的瓦斯大部分得到了釋放，而大量瓦斯氣體是怎樣從煤層運移的，還要進行分析。

瓦斯在煤層中的運移分為兩種方式，一種是以擴散的方式為主，在煤基質中運移，基質中包含大量微小孔隙，是氣體儲存的主要空間;另一種是以滲流的方式為主，在煤的割理裂隙系統中運移，割理是煤中次要裂隙系統，卻是煤層中流體滲流的主要通道。煤層孔隙和裂隙的形態、規模、數量及連通性等決定了瓦斯氣體的生成、運移和儲存。燕山期，云駕嶺礦2號煤層在地層整體抬升的背景下受到巖漿熱作用，此時煤層承受上覆巖系的靜壓力減少溫度增高，煤的變質程度大幅增加接近高變質煤，經研究認為高溫低壓巖漿熱變質作用形成的中高變質煤中孔隙-裂隙系統最為發育。分析其原因是由于2號煤層在經歷深成變質后煤級較低，煤層在快速增溫的高溫作用下再次產氣，“疊加生烴”不僅氣量大且成烴速度快，疊加成烴的同時形成大量的“熱解氣孔”，其孔徑遠大于深成變質作用下的氣孔孔徑，使煤層含氣量明顯增加，并且受巖漿熱變質影響煤的吸附性也得到提高，這些因素都增強了煤層對瓦斯的儲存能力。但在巖漿熱事件過程中，由于煤層受到高溫烘烤，瓦斯氣體分子動能升高，很容易脫離范德華力的束縛，從煤的微孔隙中解吸出來，使煤層的吸附能力降低，這些解析出的氣體加上疊加生烴快速產生的大量氣體，使煤層短時間內產生較大的瓦斯壓力，對煤層原有的裂隙產生撐開拓寬的作用。并且由于煤層生氣量大于吸附能力，煤層基質中產生了從里向外突破的壓力，促進了裂隙的形成，使煤基質中孔隙數量和規模增多。此外，巖漿熱作用使煤層加熱膨脹產生擠壓應力，在煤的薄弱處形成裂隙，當煤層冷卻時，煤層收縮在局部形成張裂縫，都促進了煤層節理裂隙的發育。因此，巖漿熱作用使煤層的孔隙裂隙的數量、規模和連通性大大改善，提高了煤層儲存能力和滲透性。

圖4 巖漿巖侵入對2號煤層瓦斯賦存影響示意圖

據觀測，巖漿巖多出現在區域大斷裂附近，斷層帶為其侵入通道，遇到較松軟地層或煤層時順層侵入。因此，巖漿活動是與構造的成生與發展的一定階段相聯系的。就邯鄲礦區而言，北北東向斷裂帶與隱伏基地上存在的近東西向構造復合地區控制了巖漿巖的分布。云駕嶺井田內第1和13地質剖面線在F4斷層兩側巖漿巖侵入不完全一致，第三、第五巖體靠近F4斷層厚度加大，說明該斷層為巖漿通道。云駕嶺擴大區第三、第四巖體靠近土山斷層厚度加大，表明該斷層也為巖漿通道并受土山斷層的控制。由于巖漿順斷層帶而上 (圖4)，經過2號煤層時，煤層受巖漿熱作用產生大量瓦斯，斷層帶附近煤層的瓦斯壓力急劇增大，在壓力梯度作用下瓦斯氣體背向斷層方向運移。當巖漿冷卻后溫度、壓力降低，在斷層帶附近形成低壓區，造成煤層中的瓦斯大量回流。由于侵入2號煤層下部的巖漿冷卻較慢，并且受其影響煤層滲透性和瓦斯壓力大幅增加，使離斷層距離較遠的瓦斯在壓力梯度作用下也向低壓區附近流動。同時巖漿侵入對斷層帶附近的巖體易產生擠壓作用形成縱向張裂隙，在巖漿冷卻凝固過程中，侵入體邊部散熱較快，巖石脆性較大，體積收縮時也容易產生成巖裂隙，這些裂隙使斷層帶張性加大，改善了瓦斯運移到地表的通道，最終使2號煤層的瓦斯得到大量釋放。煤層瓦斯在大量逸散的同時，由于2號煤層儲存瓦斯能力較強，在排放條件不好的區域很容易形成瓦斯富集區，造成采掘時瓦斯涌出量異常。

2.2 煤層埋深對瓦斯賦存的控制

煤層埋深的增加使瓦斯向地表運移的距離增長，有利于封存瓦斯。由于瓦斯風化帶內的瓦斯含量分布無規律性，因此根據云駕嶺煤礦瓦斯參數資料，選取瓦斯帶內 (相對瓦斯涌出量大于2m3/t)的瓦斯含量數據，分別對2號煤層中部二采區和北部四采區的煤層埋深和瓦斯含量進行線性回歸，得出煤層埋深和瓦斯含量之間的關系，如圖5、圖6所示。

圖5 2號煤層中部二采區埋深與瓦斯含量關系

圖6 2號煤層北部四采區埋深與瓦斯含量關系

由圖5和圖6可知，二采區和四采區線性相關系數分別為0.85和0.84，說明這兩個采區的瓦斯含量與埋深都有較好的線性相關性，瓦斯含量有著隨埋深增加而增大的趨勢。對比圖5、圖6可以看出，四采區的埋深與瓦斯含量梯度變化比二采區大，并且在相同埋深情況下，四采區的瓦斯含量是二采區的兩倍多。而南部采區大部分處于瓦斯風化帶內，實測的瓦斯含量平均只有1.2m3/t。由此可以看出，2號煤層瓦斯賦存具有南部區域小，北部區域大，淺部區域小，深部區域大的特點，煤層埋深的增加對瓦斯具有一定保存作用。

2.3 斷層對瓦斯賦存的控制

地質構造中的斷層不僅破壞了煤層的連續完整性，而且也使煤層瓦斯排放條件發生了變化。有的斷層有利于煤層瓦斯排放，有的斷層不利于瓦斯的排放、而成為阻擋瓦斯排放的屏障;前者為開放性斷層，后者為封閉性斷層。云駕嶺礦井內北東和北北東向斷層多在燕山運動階段形成，由于燕山期區內為北西-南東向擠壓力作用，形成的多為壓性逆斷層，而到燕山晚期至喜山期，受北西-南東向拉張作用，北東和北北東向壓性逆斷層發生構造反轉形成張性正斷層，新近紀以來，受張應力的進一步作用使北東和北北東向斷層活動加強，并且由于部分斷層為巖漿侵入通道，受其影響斷層帶張性加大，加上井田內大中型斷層全部為高角度正斷層，部分通達上覆基巖不整合面，因此，礦井內走向為北東和北北東向的大中型斷層多為開放型斷層，對2號煤層瓦斯賦存在一定范圍內起控制作用。總觀井田內斷層的特征及分布，南部和北部差異較大。南部斷層落差變化大，中小斷層往往密集成帶分布，斷層走向為北東和北北東向，而北部斷層與南部相比，斷層數量較少，走向也近南北。井田內主要斷層特征及分布情況見圖1所示。

由上節煤層埋深與瓦斯含量的關系表明，礦井內瓦斯含量分布具有南部區域小北部區域大的特點，造成這種瓦斯賦存南小北大的原因，經分析有兩個方面:一是由于井田內北東和北北東向開放型斷層多分布在南部采區，這些開放型斷層結合煤層較好的滲透性，非常有利于瓦斯逸散。此外，南部采區的大中型斷層旁側和尖滅尾端常形成大量與其同性質、同傾向的密集小型斷層，大中型斷層所形成的局部派生應力場與斜交小斷層的復合，構成較為連續的斷層破碎帶，使煤巖層破碎現象十分明顯，更加有利于瓦斯的釋放;二是北部采區的F44、F12、F13、F16等斷層走向近南北與煤層走向基本平行，這些斷層阻隔了瓦斯沿煤層傾斜方向的排放，使瓦斯有利于保存，而南部采區被F33、F49、F48、F47、F42、F31等斷層環形包圍，斷層走向與煤層走向斜交，把煤層切割成互不聯系的塊體，使瓦斯有利于釋放。因此，礦井內斷層的分布對煤層瓦斯的運移和儲存具有一定影響。

3 結論

(1)云駕嶺礦2號煤層瓦斯賦存受巖漿巖侵入、煤層埋深和斷層等多因素疊加作用。巖漿巖侵入使2號煤層煤的變質程度提高并生成大量瓦斯，煤層的宏觀和微觀孔隙裂隙系統發育，瓦斯儲集能力和滲透性相應提高，巖漿的高溫高壓作用迫使煤層瓦斯大量逸散，但在排放條件差的區域易形成瓦斯富集，因此巖漿巖的侵入對瓦斯的生成、運移和儲存均產生了影響，是煤層瓦斯賦存的主要控制因素。斷層的分布影響了瓦斯的儲存和運移，煤層埋深的增大僅有利于瓦斯的保存，所以這兩個因素是煤層瓦斯賦存的一般影響因素。

(2)在以后的勘探過程中，應加強對井田內巖漿巖侵入體和斷層資料的收集，并且隨著開采深度的增加，瓦斯含量會相應增大，在井田深部生產過程中應加強瓦斯管理，以防瓦斯聚集發生瓦斯爆炸事故。

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Analysis on Main Controlling Geological Factors to Gas Occurrence of No.2 Coal seam in Yunjialing Coal Mine

ZHANG Mingjie，LI Kai，FU Shuai
(School of Safety Science and Engineering，Henan Polytechnic University，Henan 454003)

Based on the phenomenon of gas emission abnormal change in Yunjialing coal mine，information of geological structure and gas during the geological exploration and production is collected.By applying gas geology theory and theory of gas occurrence and flow in the coal seams，the paper studies the influence of geological factors of magmatic rock intrusion，burial depth of coal seam and geologic fault on parameters of coal quality，hydrocarbon generation capacity，permeability，gas content and coal seam gas occurrence in No.2 coal seam from the aspects of coalbed methane generation，migration and accumulation.Research results show that magmatic rock intrusion is main controlling factor for gas occurrence，while geologic fault and burial depth of coal seam are general effecting factors for gas occurrence.

Gas emission;gas occurrence;magmatic rock intrusion;coal seam permeability;gas migration

張明杰，男，教授級高級工程師，現在河南理工大學安全科學與工程學院從事瓦斯地質與瓦斯治理科研與教學工作，獲國家級、省部級科技獎8項。

(責任編輯 劉 馨)