新景礦3號煤層瓦斯賦存的主控因素研究

楊昌永，湯友誼，王潤懷，魏若飛，李 瑾

(1.山西藍焰煤層氣集團有限責任公司，山西晉城048000;2.河南理工大學資源環境學院，河南 焦作454000;3.晉中職業技術學院，山西晉中030600)

瓦斯是地質作用的產物，它的產生、賦存和富集等均受控于地質條件［1］。大量研究及實踐證明，地質條件的差異進而控制著煤層瓦斯賦存的不均衡性、含氣量分布、礦井瓦斯涌出方式和涌出量的不同。即便是同一井田的不同煤層，同一煤層的不同塊段，同一塊段的不同構造部位或單位，瓦斯賦存狀態亦不盡相同。面對當前新景礦3#煤層瓦斯地質規律不明，瓦斯涌出狀態多樣化、突(噴)出頻發等難題，王建國、邱愛紅［2-3］側重從地質構造對其瓦斯賦存規律及突(噴)出控制方面進行過研究。本文旨在從地質角度研究煤層瓦斯的賦存規律和突出規律，以期提高礦井瓦斯防治的有效性和針對性。

1 井田概況

新景礦位于沁水盆地的東北部，區域性單斜構造的西北部，傾向南西，傾角 5°～11°［4］。井田構造以波狀起伏的寬緩次級褶皺為主。成煤后期因受印支—燕山運動壓性、壓扭性構造應力作用，并伴以抬升為山地，在復式向斜的構造背景下，形成一系列波幅不大、短軸為主的次級褶皺。大中型斷層不發育，多見褶皺作用伴生的小斷層，陷落柱不甚發育，詳見圖1。

研究區3#煤層瓦斯含量普遍較高，為5.80～27.10 m3/t，均為 12.69 m3/t，其中 8 m3/t以上的測點占70%以上，煤層瓦斯局部賦存極不均衡;礦井瓦斯涌出量普遍較大，相對瓦斯涌出量為7.3～77.45 m3/t，多在10 m3/t以上。采掘過程中時伴有煤與瓦斯突(噴)出瓦斯動力異?，F象，為典型的高瓦斯突出礦井。

2 影響3#煤層瓦斯賦存規律的主控因素

煤層瓦斯賦存狀態、規律的研究是礦井瓦斯涌出規律和瓦斯災害防治的技術基礎［5］。本文通過井下大量巷道煤體結構觀測、現場取樣和實驗室測試，結合三維地震及坑透資料解釋、往年歷次瓦斯突(噴)出情況統計的基礎上，應用地質和瓦斯地質理論，對影響新景礦3#煤層瓦斯賦存規律的因素進行研究。研究表明:煤的變質作用程度、含煤巖系沉積環境及其巖性組合特征、井田構造、煤系的蓋層條件、水文地質特征是影響研究區3#煤層瓦斯賦存的主控因素。

2.1 含煤巖系沉積環境和巖性特征

2.1.1 含煤巖系沉積環境

3#煤層為晚古生代早二疊世山西組煤系，山西組沉積體系主要為河控三角洲沉積，該沉積體系形成過程中，低洼的沼澤沉積環境被海水周期性“進攻”，在水體基本為淡水或半咸水條件下，致使植物的大量繁殖，為煤中瓦斯的形成提供了物質基礎。該種沉積體系下形成的3#煤巖的顯微組組分主要為鏡質組，其生烴能力較強［6］。

山西組沉積較為穩定且連續，構造環境亦相對穩定，為研究區聚煤作用提供了一個相對穩定的構造背景［7］。含煤巖系的沉積及演化經歷了早期建造—中期廢棄—晚期建設幾個階段，每個階段又由多個小的沉積旋回組成［8］。從而形成了以灰黑色砂質泥巖、泥巖、灰白色細～粗粒砂巖和煤層組成的含煤巖系［9］，整合于太原組之上。3#煤層賦存于山西組中部，煤層結構簡單，側向延續穩定，能為瓦斯賦存提供有利場所。

2.1.2 含煤巖系巖性特征

3#煤層形成于三角洲平原體系徹底廢棄期的泥炭沼澤環境，其底板巖性為泥巖、炭質泥巖或砂質泥巖，厚度為4.59 m［10］。直接頂板為湖泊環境下所形成的泥巖、碳質泥巖或粉砂巖，厚度達10 m。局部直接頂板為分流河道所形成的砂巖，砂巖中孔隙多被后生礦物所填充，透氣性極差。山西組至早三疊世，形成了連續沉積厚度達500 m左右的河湖相碎屑巖，其存在不僅致使3#煤層發區域深成變質作用，提高了煤儲層的生烴能力，同時上覆地層巨大的負載應力亦促進了煤儲層內生節理系統的發育，利于煤層中瓦斯的封存和富集。

2.2 煤的變質作用程度

煤變質作用是影響瓦斯的形成、賦存、富集乃至其可采性的重要制約因素，所以有關這兩者之間的相互關系一直受到人們的廣泛關注［11］。

研究區3#煤層為高階煤階段變質程度較低的無煙煤(Ro.max=1.79% ～1.85%)，宏觀煤巖類型主要以光亮型—半光亮型為主(＞80%)。據實驗測試:煤的微孔裂隙系統較發育，但多不連通。其中煤的內生裂隙線密度為5～10條/5 cm，內生孔隙度為 0.42% ～0.73%;煤的孔隙大孔(＞1 000 ?)占 17.3%，中孔(100 ～ 1 000 ?)占10.2%，微孔(＜100 ?)占 72.5%［12］;比表面積為3.65% ～7.65%，煤對瓦斯的最大吸附極限為33.80 ～44.83 m3/t。

由上述測試參數可以看出，研究煤層受變質作用影響，煤的微孔裂隙系統較發達，煤的比表面積較大，透氣性差，從而增強了煤對瓦斯的吸附能力和為瓦斯賦存提供了大量空間［13］。

2.3 井田構造

(1)構造變動不大，寬緩波狀起伏的次級褶皺發育和開放型斷裂構造不發育的構造背景，為煤層瓦斯提供了良好封存條件，是3#煤層瓦斯普遍較高的根本之因。

(2)褶皺構造中和面之上、下的向斜軸、背斜軸部附近，以及向、背斜的過渡地帶(或部位)，因受壓應力影響和構造應力集中易于瓦斯集聚賦存。

(3)不同期次、不同方向構造體系的褶皺阻斷、歸并、切割、干擾部位，構造應力往往較為集中;同時，次級褶皺的相互干擾導致軸向的彎曲和起伏，形成的局部構造相對擠壓帶，均易形成高瓦斯、瓦斯動力異常區(帶)。

(4)井田斷裂構造主要以節理和層間小斷層為主，煤層內的斷層多為頂斷底不斷或底斷頂不斷，其在一定程度上阻斷煤層氣的順層運移，同時亦不利于縱向逸散，為煤層瓦斯的局部富集創造了條件。

(5)因煤層與頂、底板巖石能干性差異，在構造形變時，煤層變形量相對較大，所以在煤層和頂底板接觸部位常發生順層滑動和揉搓現象，該部位構造軟煤發育(多為碎粒煤和糜棱煤)，致使煤的比表面積增大，吸附能力增強，煤的透氣性變差，局部瓦斯含量增大，且加劇了煤層瓦斯賦存狀況的橫向差異性。

(6)區內陷落柱多為開放或半開放型構造，往往導致煤層與導氣層或地表的連通，從而利于瓦斯的逸散，因此陷落柱發育區和其影響范圍內，煤層含氣量普遍變小(0～3 m3/t)。

2.4 煤層的蓋層條件

研究區煤系的蓋層為二疊系下、上統下石盒子組、上石盒子組、千峰組。下石盒子組厚110～150 m，均厚135 m。巖性主要以河相砂巖、湖泊相泥巖、河漫灘相砂質泥巖為主的陸相碎屑巖系，夾1～3條煤線;上石盒子組厚147.6～150 m，均厚200 m，巖性主要為陸相砂質泥巖、泥巖、砂巖和砂礫巖。石千峰組厚122.6～160.2 m，均厚150 m，巖性以紫色泥巖、砂質泥巖、砂巖和6～7層淡水灰巖組成，詳見圖2。本套含煤蓋層累計厚度約500 m，泥巖約占65%，裂隙一般不發育。其展布總體呈現出西部厚東部薄(400 m左右)?？芍细采w層為3#煤層提供了良好的封閉條件。

2.5 水文地質特征

研究區屬于沁水煤田的東北邊緣，娘子關泉域水文地質單元。3#煤層直接覆于奧陶紀碳酸鹽巖之上，含水層有奧陶紀馬家溝組灰巖含水層、石炭紀灰巖、砂巖含水層、二疊紀砂巖含水層、第四紀沖積坡積含水層。第四系直接不整合覆于煤系之上［14］。

奧陶紀馬家溝石灰巖巖溶裂隙含水層是研究區主要含水層，富水性較好，厚度較大(700～800 m)。該含水層地下水由西往東緩慢徑流，其標高在3#煤層下20～290 m，同時二者間有泥巖和鋁土質泥巖等隔水層，故該含水層基本不會對3#煤層瓦斯賦存產生影響。

區內石炭紀灰巖、砂巖含水層、二疊紀砂巖含水層含水性和富水性(鉆孔涌水量12×10-6～8.6×10-5L/(s.m))均較差，地下水徑流緩慢，基本處于停滯狀態，礦化度較高(＞1 000 mg/L)，該水文地質條件利于煤層瓦斯的封存和富集。雖第四系沖積、坡積層地下水補給條件好和層間潛水含有豐富，但3#煤層之上有多層隔水層的隔離，故其基本不會對煤層瓦斯賦存造成影響。

3 結論

影響新景礦3#煤層瓦斯賦存規律的主控因素為煤的變質作用、含煤巖系沉積環境和巖性特征、井田構造、煤層的蓋層條件和水文地質條件。其中，煤的變質作用、含煤巖系沉積環境和巖性特征為煤層瓦斯提供了良好的“生”、“儲”條件;而井田構造、煤層的蓋層條件和水文地質特征則為煤層瓦斯的提供了良好的保存和富集條件，同時，主控因素間的耦合關系亦共同控制著煤層瓦斯的賦存規律。

［1］張子敏.瓦斯地質基礎［M］.北京:煤炭工業出版社，2008.

［2］王建國.新景礦瓦斯地質規律的初步探討［D］.焦作:河南理工大學，2009.

［3］邱愛紅，王海東.新景礦煤與瓦斯突(噴)出特征及其構造控制［J］.河南理工大學學報:自然科學版，2010，29(3):306-311.

［4］湯友誼，魏若飛，劉最亮，等.后生沖蝕對礦井瓦斯突(噴)出的控制作用［J］.河南理工大學學報:自然科學版，2012，31(2):140-144.

［5］韓江偉，董 達.地質構造對鶴煤五礦煤層瓦斯賦存規律的影響［J］.煤炭技術，2010，29(1):113-116.

［6］劉全有，金之鈞，高 波，等.四川盆地二疊系不同類型烴源巖生烴熱模擬試驗［J］.天然氣地球科學，2010，21(5):700-704.

［7］邵龍義，肖正輝，何志平，等.晉東南沁水盆地石炭二疊紀含煤巖系古地理及聚煤作用研究［J］.古地理學報，2006，8(1):43-52.

［8］葛寶勛，尹國勛，李春生.山西陽泉礦區含煤巖系沉積環境及聚煤規律探討［J］.沉積學報，1985，3(3):33-42.

［9］焦希穎，王 一.陽泉礦區含煤地層沉積環境及其對煤層厚度分布控制［J］.巖相古地理，1999，19(3):30-39.

［10］張立平，梁潤所，齊貴明.陽泉礦區3#煤層瓦斯賦存特征及防治［J］.煤炭技術，2003，22(3):64-66.

［11］方愛民，侯泉林，雷家錦，等.煤變質作用對煤層氣賦存和富集的控制—以沁水盆地為例［J］.高校地質學報，2003，9(3):378-384.

［12］張立平，梁潤所，齊貴明.陽泉礦區3#煤層瓦斯賦存特征及防治［J］.煤炭技術，2003，22(3):64-66.

［13］郭立穩，王月紅，張九零.煤的變質程度與煤層吸附CO影響的實驗研究［J］.遼寧工程技術大學學報，2007，26(2):165-168.

［14］傅雪海，王愛國，陳鎖忠，等.壽陽-陽泉煤礦區控氣水文地質條件分析［J］.天然氣工業，2005，25(1):33-36.