趙官煤礦瓦斯地質(zhì)逐級控制及主控因素分析

趙彤宇 ，楊勝強 ，王曉寧 ，楊 盼

（1.中國礦業(yè)大學(xué) 安全工程學(xué)院，江蘇 徐州221116；2.中國礦業(yè)大學(xué) 煤炭資源與安全開采國家重點實驗室，江蘇 徐州221116；3.中國礦業(yè)大學(xué) 煤礦瓦斯與火災(zāi)防治教育部重點實驗室，江蘇 徐州221116）

趙官煤礦位于魯西煤田區(qū)域，以瓦斯地質(zhì)構(gòu)造逐級控制理論為基礎(chǔ)[1-2]，利用逐級分析方法對影響趙官煤礦瓦斯賦存狀況的地質(zhì)構(gòu)造因素按從大到小的順序進行逐級分析，明確了趙官煤礦的瓦斯地質(zhì)分布規(guī)律，并找到了影響其瓦斯賦存的主控地質(zhì)因素[3]。在上述瓦斯地質(zhì)分布規(guī)律研究的基礎(chǔ)上，進行瓦斯災(zāi)害預(yù)測，為趙官煤礦有針對性的采取有效措施進行瓦斯災(zāi)害綜合防治提供依據(jù)。井田不同區(qū)域的瓦斯壓力、瓦斯含量大小，煤與瓦斯突出事故危險性，直接受到礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造類型、構(gòu)造應(yīng)力場分布的影響。因此，探索各個級別地質(zhì)構(gòu)造對煤層瓦斯賦存的影響規(guī)律，是對煤層開采過程中瓦斯涌出規(guī)律及其瓦斯涌出量進行準確預(yù)測的基礎(chǔ)與前提[4-5]。

1 趙官7#煤層瓦斯地質(zhì)逐級控制下的賦存規(guī)律

1.1 瓦斯構(gòu)造逐級控制理論

根據(jù)以往對瓦斯運移及賦存規(guī)律的研究[6-8]可以得出：由于瓦斯具有很強的擴散性，在成煤過程中有80%以上的瓦斯逸散到大氣中，賦存在煤巖體內(nèi)的瓦斯量僅為瓦斯生成量的20%以下，其在不同區(qū)域的賦存量大小又與其瓦斯地質(zhì)構(gòu)造的控氣（瓦斯）特性有關(guān)。瓦斯地質(zhì)逐級控制理論分析示意圖如圖1。從圖1 可以看出，各級地質(zhì)構(gòu)造之間存在著逐級控制的關(guān)系，也就是上一級的地質(zhì)構(gòu)造對下一級地質(zhì)構(gòu)造結(jié)構(gòu)與特征起到控制作用。直接影響煤層不同區(qū)域的瓦斯生成、賦存及分布的地質(zhì)構(gòu)造為級別最低的各級地質(zhì)構(gòu)造。

圖1 瓦斯地質(zhì)逐級控制理論分析示意圖Fig.1 Gas geology step by step control theory analysis diagram

1.2 區(qū)域煤田板塊構(gòu)造演化及控氣（瓦斯）特性

趙官煤礦位于魯西地域的黃河北煤田[9]，魯西煤田的地質(zhì)構(gòu)造直接影響到趙官煤礦的區(qū)域板塊構(gòu)造特性。魯西煤田的大致范圍為山東省的濟南和德州境內(nèi)，其所在板塊（魯西板塊）指的是沂沭斷裂以西、齊廣斷裂以南的區(qū)域，該板塊的主要聚煤期為石炭二疊系。該時期本區(qū)的構(gòu)造帶包括：斷裂構(gòu)造、褶曲構(gòu)造，其中，斷裂構(gòu)造直接決定煤層賦存，而褶曲構(gòu)造僅起到控煤作用。魯西板塊地質(zhì)構(gòu)造演化大致過程為：印支運動形成簸萁狀構(gòu)造格局；中侏羅世末期形成弧形構(gòu)造體系；魯西中生代以來形成鏟式斷層基底剪切滑面。因此可以看出：魯西板塊地質(zhì)構(gòu)造是一個長期復(fù)雜的形成過程，且具有多層次、多斷面組合、多滑面、多延伸方向的特點。由于壓性、壓扭性斷層及順煤層延伸的滑脫面對煤層產(chǎn)生擠壓應(yīng)力，煤體結(jié)構(gòu)遭受嚴重破壞，呈糜棱狀、粉末狀結(jié)構(gòu)，大量煤層氣被吸附，形成煤層氣富集區(qū)。而趙官煤礦所處坳陷區(qū)與隆起區(qū)之間的黃河北煤田，是受中新生代巖漿侵入影響較嚴重的煤田之一，煤的變質(zhì)程度較高，為焦煤、瘦煤、貧煤和無煙煤等，屬煤層氣富集區(qū)。魯西伸展構(gòu)造，控制了魯西新生代沉積盆地的形成和演化，也控制了石炭二疊紀煤系的賦存和分布。魯西伸展構(gòu)造及次生的重力構(gòu)造，對煤礦區(qū)的水文地質(zhì)條件、煤層氣的富集與分布、煤層的賦存形態(tài)均產(chǎn)生了重要影響。

1.3 礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造演化及控氣（瓦斯）特性

趙官煤礦區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造為黃河北區(qū)域的地質(zhì)構(gòu)造，黃河北煤田地質(zhì)構(gòu)造示意圖如圖2。黃河北礦區(qū)位于魯西分區(qū)北部，整體區(qū)域形態(tài)與聊考大斷層走向一致。其西部斷層（趙官煤礦所在位置）以北東至北北向的為主，西部斷裂也較少，構(gòu)造較為簡單，僅存在少量的高角度正斷層，這種地質(zhì)構(gòu)造特征有利于瓦斯賦存；其東部斷層以南北至北西向的為主，區(qū)域內(nèi)的褶曲形態(tài)多為短軸的小背斜，區(qū)內(nèi)次一級褶曲較為普遍，臨近斷層處瓦斯大多逸散，不利于瓦斯賦存。黃河北礦區(qū)在走向方向上多由一些短軸傾伏小向斜和小背斜組成波狀起伏，這些小褶曲軸的大致方向為北西，這些小地質(zhì)構(gòu)造帶使得局部巖層走向發(fā)生變化；在傾向方向上常表現(xiàn)為一些小的撓曲，由于這些撓曲的存在使得煤層在一些地段表現(xiàn)為近似水平的狀態(tài)，在此地段瓦斯分布相對均勻。

1.4 礦井瓦斯地質(zhì)構(gòu)造控氣（瓦斯）特性

圖2 黃河北煤田地質(zhì)構(gòu)造示意圖Fig.2 Diagram of geological structure of Huanghebei Coalfield

趙官煤礦開采范圍處于魯西地區(qū)黃河北區(qū)域西部的坳陷區(qū)，東西兩翼的長清斷層和F8斷層封閉性強，斷裂構(gòu)造不發(fā)育；頂?shù)装鍘r性以泥巖為主；7#煤層的上部及下部均較大規(guī)模分布著呈巖床侵入的巖漿巖。在趙官煤礦的東部，巖漿巖侵入煤層中，導(dǎo)致煤層的變質(zhì)程度高，所生成的大量瓦斯賦存于7#煤層中。同時，又由于7#煤層上部又有1 層巖漿巖呈巖床侵入，形成致密的覆蓋層，造成該區(qū)域瓦斯含量高。而在趙官煤礦的西翼，巖漿巖是以巖壁形式作用于7#煤層，造成煤層的變質(zhì)程度低于東翼，形成弱粘煤，瓦斯吸附能力較弱，同時由于此區(qū)域埋深淺，缺少隔氣蓋層，在變質(zhì)過程中煤層所生成的大量瓦斯也都逸散掉了，造成該區(qū)域的瓦斯含量較低。由于巖漿巖、煤層埋藏深度以及頂板與底板的巖石性質(zhì)之間的相互作用，形成了趙官煤礦7#煤層高、低瓦斯區(qū)域并存的特點。

2 趙官煤礦瓦斯地質(zhì)主控因素分析

煤層瓦斯量大小是礦井瓦斯綜合治理及瓦斯利用的基礎(chǔ)性參數(shù)，僅就地質(zhì)構(gòu)造而言，影響煤層瓦斯量大小的因素就有很多，要想搞清楚煤層瓦斯含量與各個影響因素之間的關(guān)系，就需要對地質(zhì)構(gòu)造中的各主控因素進行逐一分析[10-11]。

2.1 煤層埋深

根據(jù)關(guān)于煤層瓦斯含量與煤層埋藏深度之間關(guān)系方面的研究[12]可知：隨著煤炭埋藏深度的增加，煤層瓦斯含量也逐漸增加，且呈正比關(guān)系，瓦斯壓力也逐漸增加，煤層中的吸附瓦斯逐漸趨于飽和狀態(tài)，其游離瓦斯含量所占比例逐漸增大。通過對現(xiàn)場實測的不同深度瓦斯含量進行線性擬合，400 m以下瓦斯含量與埋深的對應(yīng)關(guān)系如圖3。同時剔除一些明顯錯誤數(shù)據(jù)，可以得出煤層深度400 m 以下的瓦斯含量與埋深之間呈正比，比例系數(shù)為0.693 1，說明煤層瓦斯含量的顯著影響因素為煤層埋深，同時為主控因素。

圖3 400 m 以下瓦斯含量與埋深的對應(yīng)關(guān)系Fig.3 Correspondence between gas content and buried depth under 400 m

2.2 巖漿巖侵入

在成煤過程中，巖漿活動的強弱對于煤層中瓦斯量大小，影響顯著且關(guān)系復(fù)雜。在缺少隔離層或巖層存在縫隙時，巖漿侵入的蝕變帶形成有裂隙通道時，由于巖漿溫度較高，煤層中賦存的吸附瓦斯會大量解吸；相反，巖漿侵入的蝕變帶沒有形成裂隙通道時，則巖漿高溫的加速變質(zhì)生烴作用，使得生成的大量瓦斯被封閉和儲存，瓦斯含量較高。由此可見，巖漿活動可使煤的變質(zhì)程度提高、生成瓦斯量增大，但當煤層及圍巖的透氣性系數(shù)較大、孔裂隙較為發(fā)育時巖漿的作用會使瓦斯的逸散和排放作用增強。

趙官煤礦有3 層地層存在巖漿侵入現(xiàn)象，主要位于山西、太原組煤系地層中。在上層，山西組2 煤層層位為主要侵入層位，侵入巖漿廣泛分布在井田中深部區(qū)域。在中層，太原組頂部5 煤層位為主要侵入層位，為上層侵入巖漿的一部分且向西南逐漸變?。辉谙聦樱?1 煤層位為主要侵入層位，有的上沖到四灰上下，其分布范圍幾乎波及整個井田，巖漿巖的分布形態(tài)為巖床分布，并且從淺部向深部逐漸變厚。礦井東部受巖漿活動影響，瓦斯含量較大，主要是東部7 煤與11 煤溝通裂隙較發(fā)育，巖漿侵入11煤后生成的瓦斯沿裂隙進入7 煤，再加上上層巖漿的覆蓋作用，而且又遠離開放性斷層，使東部瓦斯含量明顯高于西部，甚至在局部地區(qū)形成瓦斯聚集區(qū)，相對瓦斯含量超過8 m3/t。而在礦井西部，雖然也有巖漿巖侵入，但是由于上層巖漿巖厚度較小，透氣性強并且埋深較淺，再加上巖漿高溫作用可以強化煤層瓦斯排放，使得煤層瓦斯含量較小。

2.3 斷 層

結(jié)合收集的現(xiàn)場實測瓦斯含量數(shù)據(jù)，分析出來的2 個瓦斯異常區(qū)域分別位于礦井東測煤層底板標高-350～-400 m 區(qū)域和礦井西側(cè)煤層底板標高-250～-300 m 區(qū)域。礦井東側(cè)煤層底板標高-350～-400 m 區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，次生斷層都是落差在0.7～3 m 的正斷層，數(shù)量多，因此該區(qū)域內(nèi)的小斷層對煤層原始瓦斯含量的賦存起主要的作用。由于這些斷層的存在使得煤層賦存瓦斯呈現(xiàn)出區(qū)域性分布的特點。其中，走向斷層的存在阻隔了瓦斯沿煤層傾斜方向的逸散，傾向與斜交斷層的存在把煤層（瓦斯等流體）分割成了相互獨立的瓦斯流體單元。這就是了趙官煤礦7#煤層存在高、低瓦斯區(qū)域并存特點的主要原因。

2.4 水文地質(zhì)

趙官煤礦南部由寒武系石灰?guī)r和奧陶系石灰?guī)r組成，含水層與面積達1 080 km2左右的大面積裸露山區(qū)相接，在煤田和裸露山區(qū)之間為覆蓋層，該覆蓋層地勢起伏較小，為奧灰隱伏露頭區(qū)。該覆蓋層的厚度范圍為0～300 m，其厚度為從山區(qū)至煤田逐漸增大。由于存在地勢差，當降水補給南部裸露山區(qū)后，水流會順著傾向補給趙官煤田。由于水流運移方向為沿順層往深部流動，成煤過程中生成瓦斯的運移方向為由深部向上運移，與水流方向相反，因此在水流的封堵作用下，瓦斯運移受阻，使高濃度瓦斯無法擴散出來，致使趙官煤礦深部具有高瓦斯含量。因此趙官煤礦水文地質(zhì)對瓦斯主要起水力封堵作用。

2.5 煤層頂?shù)装鍘r性

煤層頂?shù)装宓耐笟庑约案魵庑裕瑢γ簩油咚官x存具有重要影響。泥質(zhì)巖石和頁巖有利于煤層氣的保存，若含砂質(zhì)、粉砂巖等雜質(zhì)時，會大大降低其遮擋能力。趙官煤礦 7 煤頂板為泥巖，厚 2.0～6.0 m，透氣性差、隔氣性強，有利于瓦斯賦存，使大量瓦斯賦存于煤層之中。

3 基于瓦斯賦存規(guī)律的瓦斯治理技術(shù)措施

趙官煤礦瓦斯賦存規(guī)律主要表現(xiàn)為：東部瓦斯含量高、西部瓦斯含量低。由于煤層瓦斯含量不同，在煤層開采過程中瓦斯涌出量也有所不同，針對不同的瓦斯涌出量采取不同的瓦斯治理措施。趙官煤礦東部7 煤的變質(zhì)程度較高，為無煙煤，再加上埋藏較深和巖漿巖的侵入等因素影響，使該區(qū)域瓦斯含量高、瓦斯治理難度大，其瓦斯治理措施包括：采前預(yù)抽瓦斯，利用順層鉆孔進行本煤層瓦斯抽采；利用高位鉆場進行卸壓瓦斯抽采；在高位鉆場后50 m布置低位鉆場，抽取采空區(qū)上隅角瓦斯；利用“Y”形通風方式，對上隅角瓦斯積聚、回風巷瓦斯超限問題進行治理。趙官煤礦西部7 煤的變質(zhì)程度較低，為弱黏性煤，瓦斯吸附能力較弱，同時由于此區(qū)域埋深淺、缺少隔氣層等原因，使得此區(qū)域的瓦斯含量較低，所以其瓦斯治理措施僅為：通過“Y”形通風方式，解決上隅角的瓦斯超限及回風流的瓦斯超限，提高通風系統(tǒng)的風排瓦斯能力。

4 結(jié) 語

基于瓦斯賦存逐級構(gòu)造控制理論，從煤田到礦區(qū)到礦井逐級分析了各級地質(zhì)構(gòu)造對瓦斯賦存的影響。魯西地區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造運動所形成的坳陷區(qū)、礦區(qū)內(nèi)封閉性的長清斷層和F8斷層以及封閉性泥巖頂板共同造就了黃河北煤田局部瓦斯富集區(qū)，同時趙官井田內(nèi)的火成巖侵入，造成了趙官煤礦高低瓦斯區(qū)域并存的瓦斯賦存規(guī)律。從中論證了趙官煤礦出現(xiàn)高低瓦斯區(qū)域并存現(xiàn)象的瓦斯地質(zhì)方面原因，最終得到了趙官煤礦瓦斯賦存規(guī)律的主控因素為：煤層埋深、巖漿巖侵入、斷層和煤層頂?shù)装鍘r性等地質(zhì)條件。同時針對不同瓦斯含量區(qū)域有針對性的提出了區(qū)域性的瓦斯治理措施。