影響離柳礦區瓦斯賦存的地質因素研究*

郭丁丁，胡　斌

（1.河南理工大學資源環境學院，河南焦作454003；2.山西藍焰煤層氣集團有限責任公司，山西晉城048000）

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影響離柳礦區瓦斯賦存的地質因素研究*

郭丁丁1，2，胡斌1

（1.河南理工大學資源環境學院，河南焦作454003；2.山西藍焰煤層氣集團有限責任公司，山西晉城048000）

摘要：應用地質、瓦斯地質等相關理論，采用數學統計、相關性分析法對離柳礦區煤層埋深、蓋層厚度、圍巖性質、地質構造及地下水動力條件等地質因素對煤層瓦斯控制作用進行了研究。結果表明：煤層埋深越大，煤層“壓實”效果越顯著，同時加大了煤層瓦斯縱向運移難度，利于煤層瓦斯的保存，進而表現為煤層瓦斯含量亦越高；蓋層和圍巖對煤層瓦斯具有“封存”作用，二者對煤層瓦斯的控制作用顯著，呈正相關性；地質構造影響著煤層瓦斯賦存的不均衡性；地下水水動力條件弱，徑流條件差，基本呈滯留狀態，利于煤層瓦斯的保存和富集。研究結果對提高研究區瓦斯地質研究程度和瓦斯防治水平具有重要意義。

關鍵詞：離柳礦區；地質因素；瓦斯地質；瓦斯賦存

離柳礦區總體上為一走向南北、向西傾斜的單斜構造，總面積8 413 km2[1]。礦區主力煤層瓦斯含量整體較高，煤層瓦斯賦存受地質因素控制顯著，進而體現出區內煤層瓦斯賦存的極不均衡性。因區內缺乏系統的瓦斯地質規律研究，導致瓦斯事故時有發生，亦給礦區瓦斯治理帶來極大挑戰。為此，應用地質、瓦斯地質等相關理論，并結合礦井生產實踐、現場觀測和室內外實驗等資料，綜合分析和研究了煤層埋深、蓋層厚度、圍巖性質、地質構造以及地下水動力條件等地質因素對礦區瓦斯賦存的控制作用，以掌握區內瓦斯賦存基本規律，為礦區瓦斯防治提供針對性和有效性措施。

1　地質因素對煤層瓦斯賦存的影響

瓦斯是煤化過程中地質作用的產物，其形成、分布、運移、賦存及富集等受控于地質因素[2-5]。下面主要從埋深、蓋層厚度、圍巖性質、地質構造以及地下水動力條件等地質因素與煤層瓦斯賦存的關系著手，探究其對礦區瓦斯賦存的控制作用。

1.1煤層埋深及蓋層厚度對瓦斯賦存的影響

煤層埋深及蓋層厚度對煤層瓦斯具有顯著的控制作用，是瓦斯地質規律分析和研究的重要內容之一[6-8]。根據研究區現有的瓦斯含量測試參數和采樣資料，分別對各測點瓦斯參數及其埋深、蓋層厚度作了統計和彼此間的相關性分析，如表1、表2所示。

表1　礦區主采煤層埋深與含氣量關系

表2　礦區主采煤層蓋層厚度與含氣量關系)

從相關性分析可以看出，區內煤層埋藏深度及蓋層厚度與煤層瓦斯含量間具有較好的正相關線性關系。這主要緣于煤層埋深越深、蓋層厚度越大，地應力亦相應增大，覆巖“壓實”效果越顯著，致使煤層透氣性變差和加劇了煤層瓦斯橫、縱向運移難度，利于煤層瓦斯保存；同時，煤層埋深增加，儲層壓力亦會相應增大，導致煤對瓦斯的吸附勢能增大，利于煤層對瓦斯的大量吸附。

1.2圍巖性質對瓦斯賦存的影響

圍巖指煤層頂、底板，其巖性及其組合對煤層瓦斯賦存有重要影響。一般地，圍巖為致密完整、不透氣或透氣性極差的泥巖、砂質泥巖等巖性時，煤層瓦斯易于保存，煤層瓦斯常顯示高值；反之，瓦斯易于逸散[9-11]。鑒于區內雙柳和賀西兩礦井瓦斯數據較全，故僅探討以上區域的圍巖性質對煤層瓦斯賦存的影響。因區內各礦井相鄰且地質條件、煤儲層物性及特征等類似，研究結果有較好的代表性。

雙柳礦3+4號煤層頂底板巖性和賀西礦3號煤層頂底板巖性及其瓦斯含量統計情況分別如表3、表4所示。

表3　雙柳礦3+4號煤層圍巖性質與瓦斯含量統計表

表4　賀西礦3號煤層圍巖性質與瓦斯含量統計表

為探究頂底板關鍵蓋層對煤層瓦斯的影響及其關系，分別對雙柳礦和賀西礦主采煤層圍巖厚度xD1、xD2與瓦斯含量y作了相關性分析。由相關性分析可以看出：雙柳礦瓦斯含量與圍巖頂底板泥巖厚度具有較好的正線性相關，即頂、底板泥巖層厚度越大，對煤層瓦斯保存越有利，瓦斯含量亦越高，見圖1；賀西礦主采煤層頂板泥巖蓋層厚度與煤層瓦斯含量的關系與雙柳礦基本類似，二者間亦呈現出較好的正相關性，見圖2。

圖1　雙柳礦3+4號煤層圍巖厚度與瓦斯含量關系圖

圖2　賀西礦3號煤層頂板泥巖厚度與瓦斯含量關系圖

1.3地質構造對瓦斯賦存的影響

構造作為控制煤層瓦斯賦存的最關鍵地質因素，歷來備受關注[12-16]。離柳礦區地處河東煤田中部，整體為一向西傾斜的單斜構造，構造之上又發育有次一級的波幅不大寬緩褶曲和斷裂構造，對研究區煤層瓦斯起到區域控制作用。

雙柳井田內以斷裂和陷落柱構造為主。斷裂構造多為高角度正斷層，其落差普遍較小。據采礦揭露發現，斷層面緊閉且基本不見破碎帶，通常不含水、不導水，該條件下煤層瓦斯不易于逸散，進而體現出斷裂構造帶及其附近瓦斯低值現象少見；陷落柱直徑較小，柱體巖塊縫隙間有方解石及硫鐵礦晶體充填，基本呈“干涸”狀態且不導水。由此可見，上述構造均未對煤層瓦斯逸散提供有效通道。

沙曲井田構造以波幅不大的次級小褶曲為主，斷裂和陷落柱構造不甚發育。區內斷裂構造多為張性“開放型”構造，對煤層瓦斯的“封存”效果差。其他構造對煤層瓦斯賦存的影響也較小，故井田內煤層瓦斯含量較低。

賀西井田煤層瓦斯受地質構造影響較為顯著，瓦斯賦存極不均衡，具體表現為：正斷層為張性“開放型”構造，其范圍內煤層瓦斯含量多顯示低值；而逆斷層為壓性“封閉型”構造，對煤層瓦斯起到良好的“封存”效果，其范圍內煤層瓦斯含量普遍較高或顯示異常。

由上述可知，地質構造導致煤層瓦斯賦存的不均衡性。壓性、壓扭性“封閉型”構造，利于煤層瓦斯的“封存”和局部富集，煤層瓦斯含量多顯示高值；而張性、伸展性“開放型”構造，易于瓦斯的逸散，煤層瓦斯含量普遍較低。

1.4地下水動力條件對瓦斯賦存的影響

地下水對煤層瓦斯賦存具有重要影響的觀點已被學者們所公認，其主要以徑流逸散、水力封堵、水力封閉等形式對煤層瓦斯進行控制[17-22]。

離柳礦區在水文地質單元上基本屬于柳林泉域巖溶水系統，區內含水層主要有三套，自下而上分別為寒武～奧陶系灰巖巖溶裂隙含水層組、石炭～三疊系砂巖孔隙裂隙含水層組及第四系松散堆積物含水層組。因區內南、北及東部寒武、奧陶系灰巖層的大面積出露，具有良好的地下水補給條件，巖層富水性相對強，據鉆孔抽水試驗；其他含水層組被地表厚厚黃土層所覆蓋，地下水補給條件較差，巖層富水性亦相對較弱。區內地下水主要由北、南及東部向中部流動匯聚，然后以農用水、采礦排水及泉的形式排出。

從整體上看，本礦區地下水水動力條件相對較弱，基本屬于弱徑流帶和滯留區，對煤層瓦斯起到“封閉”作用，使得區內煤層瓦斯含量整體較高。特別是研究區中部及西部弱徑流帶、地下水基本處于滯留狀態，該帶煤層瓦斯含量明顯高于北、南、東部相對強徑流區。

2　結論

1）研究區主采煤層埋深及蓋層厚度與煤層瓦斯含量具有較好的正相關性，其埋深越深、厚度越大，地應力亦相應增加、覆巖“壓實”效果越顯著，致使煤層透氣性變差，加大了煤層瓦斯橫、縱向運移難度，利于煤層瓦斯保存；同時，隨著煤層埋深增加，儲層壓力相應增高，煤對瓦斯的吸附勢能增大，利于煤層瓦斯的大量吸附。

2）研究區主采煤層頂底板為致密完整、透氣性極差的泥巖組成，對煤層瓦斯起到良好的“封堵”作用，其厚度越大煤層瓦斯含量越高，反之亦然。

3）研究區地質構造條件相對簡單，構造多以壓性“封閉型”為主，在該區域煤層瓦斯含量多顯示高值或異常，而在張性“開放型”構造帶，煤層瓦斯含量普遍顯示低值。構造影響著區內煤層瓦斯賦存的不均衡性。

4）研究區地下水動力條件總體較弱，其基本為弱徑流帶和滯留區，對煤層瓦斯起到一定的“封閉”作用，瓦斯含量整體較高。但相對強徑流帶煤層瓦斯含量明顯比弱徑流帶煤層瓦斯含量低。

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（編輯：李森森）

Geological Factors of Gas Occurrence in Liliu Mine

GUO Dingding1,2, HU Bin1
（1. Institute of Resources and Environment, Henan Polytechnic University, Jiaozuo 454003, China; 2. Shanxi Lanyan Coalbed Methane Group, Jincheng 048000, China)

Abstract:With geology, gas geology, and other related theories, mathematical statistics and correlation analysis were used to study the control effects of some geological factors on coalbed methane （CBM）, including the buried depth of coal seam, the thickness of cover coat, surrounding rock features, tectonics, and groundwater conditions. The results show that the greater the buried depth is, the more remarkable effect of compaction of the coal seams and the more difficulty of vertical movement of CBM among the coal seams, which facilitates the gas preservation and then increases gas content. The cover coat and surrounding rock could seal the CBM and their control effects on the CBM are positively correlated. The tectonics affects the imbalance of the CBMoccurrence. Underground water is basically in a retention state due to weak hydrodynamic condition and poor runoff condition, which is beneficial for the conservation and enrichment of CBM. The study is of importance to improve gas geology study and gas control in the region.

Keywords:Liliu mine; geological factors; gas geology; gas occurrence

作者簡介：郭丁丁（1986-），女，山西晉城人，在讀工程碩士，助理工程師，從事地面煤層氣勘探與開發工作。

基金項目：山西省科技重大專項（20111101001）

收稿日期：2015- 11- 15

DOI:10.3969/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2016.01.008

文章編號：1672- 5050（2016）01- 0025- 04

中圖分類號：TD712.2

文獻標識碼：A