影響維新井田8號煤層瓦斯賦存的地質因素

趙 春

（山西藍焰煤層氣集團有限責任公司，山西 晉城 048000）

1 概述

維新井田8號煤層為全區可采的主采煤層，煤層含氣量高，具有突出危險性。隨著近年來礦井開采強度和開采深度不斷向深處延伸，礦井瓦斯已成為制約該礦安全高效開采的主要災害源。目前，井田內已開展了少量的瓦斯地質工作，但尚未摸清主采煤層的瓦斯賦存規律及其主控地質因素。因此，筆者基于礦井開采資料、瓦斯基礎參數測試資料等，對井田內影響8號煤層瓦斯賦存的主控地質因素進行了分析和研究。研究成果可對煤層的安全高效開采提供技術支撐。

2 井田基本概況

維新井田位于四川省筠連礦區中斷沐愛勘探區的東北部，其東部、西部及南部分別以F3、F175、F2斷層為其自然井田邊界，礦區總面積40 km2。井田構造因受前期構造期次所形成的南北展布的F3斷層、近東西向展布的F1、F2及玉和背斜共同控制，其構造形態基本為一北東向展布、波幅不大、寬緩的背、向斜構造，并伴有一定數量的次級褶曲和斷層發育，未見陷落柱構造和巖漿侵入活動。總體而言，構造復雜類型為中等。二疊系上統宣威組上段為井田內主要含煤地層，平均總厚度43.25 m，平均煤層厚度7.17 m，含煤系數為16.6%。8號煤層位于宣威組上段底部，為本井田主要可采煤層，厚度1.03～8.88 m，平均3.81 m。 煤分層數1～7層，一般為2層，煤層結構較為復雜。據井田瓦斯鑒定資料和瓦斯基礎參數測試資料顯示：8號煤層含氣量高（2.46～38.51 m3/t，平均為18.90 m3/t）且賦存極不均衡，回采該煤層過程中礦井瓦斯涌出量大，并具有突出危險性，瓦斯難題極大制約著礦井的安全高效開采。

3 影響瓦斯賦存的主要地質因素

3.1 地質構造

（1） 斷層

斷層是最為重要和常見的地質構造之一，因其受外力作用產生錯斷而使煤層的完整性遭受破壞，進而影響煤層瓦斯的賦存的環境。研究和實踐證實，不同斷層類型和受力狀態的差異，可對煤層瓦斯起到富集和逸散雙重控制作用。據三維地震勘探資料和礦井揭露資料顯示，井田內可見77條斷層，其中正斷層47條，逆斷層30條，斷層延伸距離和斷距均較小，多以小斷層為主，且部分為層間斷層。據構造應力場分析，區內斷層多受擠壓應力作用，使斷層面緊閉。同時，因斷層兩盤的相對位移，在斷層面附近形成了許多滲透性差的粉末狀煤巖，斷層面的封閉性極好。因此，區內斷層的受擠壓力狀態和斷層面的良好封閉性能，均對煤層瓦斯起到良好的儲集作用。因而在這些構造部位及其影響帶煤層含氣量往往較高。據采礦實踐，當回采到上述斷層影響帶時礦井瓦斯涌出量會突然增大現象，并偶爾伴有瓦斯動力現象發生。

（2） 褶皺

研究區褶皺構造主要是受水平擠壓應力作用而形成的縱彎褶皺類型。研究和實踐證實，褶皺對煤層瓦斯的賦存亦具有重要控制作用，不同褶皺類型和褶皺的不同構造部位因受力狀態的差異，其煤層瓦斯賦存狀態各異［2］。據研究區采礦實踐和瓦斯基礎參數測試結果分析得出，在次級褶皺軸向的轉折端和樞紐起伏而形成的相對構造擠壓帶，以及不同期次、不同方向褶皺間的阻斷、復合、歸并、干擾等而形成的構造應力集中部位或塊段，因煤體受力破壞較甚、構造煤較為發育，煤對瓦斯的吸附能力增強和吸附量增大 （或儲集能力和儲集量），煤層含氣量往往比較高。在井田內伍家灣背斜軸部及其轉折端附近，煤層瓦斯含量顯示高值。而在褶皺的兩翼及仰起端，因主要受拉張應力作用且埋深較淺，這些構造部位煤層含氣量往往比較低（如8號煤在232-11、273-1等煤勘孔附近）。

3.2 煤層埋藏深度

大量理論研究與實踐證實，煤層埋藏深度對瓦斯的富集成藏具有重要的控制作用。煤層埋藏深度對煤層瓦斯控制主要體現在以下三個方面：首先，隨著埋藏深度遞增，煤層的上覆巖層（或蓋層）有效厚度增加，有效應力增大。根據煤的等溫吸附實驗可知，煤層對應力具有極強的敏感性，應力增加，煤對甲烷氣體分子的吸附量越大，反之亦然。因此，埋藏深度越大，應力對煤層吸附甲烷氣體分子的正效應越強，煤層中瓦斯含量越高；其次，埋藏深度越深，上覆巖層自重增加，覆巖對煤層的壓實作用更甚，使得煤中儲集甲烷氣體分子的孔裂隙系統（或空間）被壓縮而導致煤層的透氣性能大大減弱，不利于煤層氣的橫縱向運移逸散；再者，煤層埋藏深度增加，地層溫度會逐漸增加，使得煤中的揮發份減少，煤的熱變質作用 （或程度）增加，煤中微裂隙系統增加，進而增強了煤層對甲烷氣體分子的吸附能力，利于其大量吸附。

為了定量分析煤層埋藏深度和煤層含氣性的關系，對勘探鉆孔所取的煤芯含氣量數據和對應取樣深度數據進行了統計和相關性分析。結果發現：在風化帶以下（50～100 m），維新井田8號煤層埋藏深度和煤層含氣量二者具有良好的正相關性 （見圖1），遵循理論公式：y=0.0225x+0.8404，R2=0.7334（式中：y為含氣量，m3/t；x為埋藏深度，m）。 煤層埋藏深度越大區域，煤層含氣量越高，反之亦然。采礦實踐證實：隨著采礦深度的加深，煤層含氣量和礦井瓦斯涌出量均呈現出增高趨勢。

圖1 維新井田8號煤層含氣量與埋深關系

3.3 圍巖巖性及其組合特征

圍巖系指煤層上下一定范圍內的頂底板，因其與煤層直接接觸，圍巖的巖性及其組合特征對煤層瓦斯的保存極為重要。研究和實踐表明，圍巖為致密、完整、透氣性差的泥/頁巖、炭質泥巖、砂質泥巖等泥質含量高的巖性及其相互旋回沉積時，其對煤層瓦斯能起到重要的封蓋作用，利于煤層瓦斯的富集成藏，反之亦然。通過對井田內煤勘鉆孔的圍巖剖面觀測和圍巖的透氣性能測定可得，如表1所示：8號煤層的圍巖主要由炭質泥巖、泥巖、粉砂巖和細砂巖等巖性組成，這些巖石的透氣性能非常之差，不利于煤層瓦斯的縱向運移逸散，因而對煤層瓦斯起良好的封蓋作用，使得該煤層瓦斯得以大量保存和富集。

表1 維新井田8號煤層圍巖透氣性測定結果

3.4 地下水活動

8號煤層上覆主要有銅街子組和嘉陵江組兩套含水層組，下伏主要有茅口組、棲霞組兩含水層組。上覆、下伏四套含水層組均屬于弱富水性含水層，地下水以自身重力驅動方式緩慢徑流和滯緩流動，對煤層瓦斯的運移逸散起到一定的封堵作用。因8號煤層圍巖主要由低滲、致密完整的高泥質含量類巖性組成，可對上覆、下伏地下水進入該煤層起到良好的阻隔作用。地下水的徑流對煤層瓦斯的驅動逸散作用甚微或基本無影響，加之井田內地貌的深溝切割現象嚴重，不利于地表水匯集下滲與含水層中地下水形成強烈的水力交換或水力循環。因此，在上述井田范圍內，煤層瓦斯受地下水徑流影響甚微，煤層瓦斯含量整體較高。但在一些較大斷層發育地帶，因斷層導通了上覆或下伏含水層，使得含水層中地下水的徑流對煤層瓦斯驅動逸散作用顯著，亦增加了煤層的含水性。最終導致煤層瓦斯的不斷散失和減弱煤層對甲烷的吸附能力，煤層瓦斯含量較低。

4 結語

1）斷層和褶皺為井田內兩大主要構造類型，構造控制著煤層瓦斯賦存的局部聚集及不均衡分布。斷層多具有擠壓性質，使得斷層面緊閉，加之斷層面多被低透氣性的煤巖粉所充填，不利于煤層瓦斯的向外逸散而積聚；不同期次、不同方向褶皺間的阻斷、復合、歸并、干擾等而形成的構造應力集中部位或塊段，煤層含氣量往往比較高。而受拉張應力作用，且埋藏較淺的塊段，煤層含氣量往往比較低。

2）井田內8號煤層的埋藏深度與煤層含氣量具有良好的正相關性，即煤層埋深不斷增加，煤層含氣量隨著增加，反之亦然。

3）井田內8號煤層的圍巖主要由低滲、致密、完整泥質含量高的巖性組成，對煤層瓦斯的保存起到良好的封蓋作用，是控制該煤層瓦斯富集成藏的最為重要地質因素。

4）井田內4層含水層的富水性普遍較弱，含水層中地下水徑流滯緩，加之圍巖的良好隔水性能和上覆、下伏多層隔水層和相對隔水層的存在，上覆、下伏含水層中地下水對8號煤層瓦斯的驅動逸散作用甚微或基本無影響。但在較大斷層附近，煤層瓦斯在地下水長期驅動逸散作用下，煤層含氣量低。