沙曲井田4號煤層瓦斯賦存規律及其主控地質因素

李鵬飛

(山西能源產業集團有限責任公司，山西 太原 030012)

瓦斯作為礦井五大自然災害之一，具有波及范圍廣、破壞力大、影響最為嚴重等特點，其防治一直是礦井安全生產的重中之重[1]。瓦斯為一種氣態地質體，是成煤過程中地質作用的產物，其生成、運移、保存、賦存及富集均受地質因素控制[2]，不同、相同的煤礦區或井田因地質條件差異，致使瓦斯賦存規律各異[3]。因此，從地質角度分析瓦斯的生成、運移及賦存規律，被認為是提高礦井瓦斯防治行之有效的研究方法及手段[4-6]。

沙曲井田位于呂梁山脈的中段西部，河東煤田的中部，行政區劃屬山西省呂梁市柳林縣管轄，是山西焦煤集團下屬的一座高瓦斯大型生產礦井。井田總體為南東-北西向弧形，長約22 km，寬4.5～8 km，面積138.353 5 km2，批采煤層為2、3、4、5、6、8、9、10號煤層，礦井設計生產能力為500萬t/a。當前主力開采的4號煤層賦存于山西組下部，為全井田較穩定可采煤層。煤層含氣量高、礦井瓦斯涌出量大(礦井相對瓦斯涌出量6.12～21.54 m3/t，平均12.10 m3/t；礦井絕對瓦斯涌出量14.96～74.72 m3/min，平均44.88 m3/min)，瓦斯已成為制約礦井安全、高效開采的最大瓶頸。為解決礦井瓦斯難題，開采初期已開展了極為有限的瓦斯地質研究工作，對首采區或前期礦井生產瓦斯防治具有一定指導意義[7]。但隨著礦井生產不斷向深部延伸、開采強度逐漸加大，前期研究已不能有效指導礦井瓦斯防治工作，瓦斯事故呈頻發、多發態勢，給礦井安全高效生產帶來極大威脅和挑戰。為此，本文基于沙曲井田前期研究成果，并充分利用現有礦井地質、瓦斯測試參數、生產技術資料等系統開展井田4號煤層瓦斯賦存規律及其主控地質因素研究，以期提高井田瓦斯地質工作研究程度及礦井瓦斯防治的有效性和針對性。

1 煤層瓦斯及其分布特征

1.1 瓦斯組分

瓦斯組分系指組成瓦斯的各種氣體，是確定瓦斯純度和劃分煤層瓦斯風化帶的重要參數[8]，對礦井瓦斯防治措施選擇和防治難易程度亦有重要影響[9]。依據二氧化碳、氮氣和甲烷在瓦斯組分中所占比例，將煤層瓦斯劃分為二氧化碳-氮氣帶(CH4<10%)、氮氣-甲烷(沼氣)帶(CH4：10%～80%，CO2≤20%)、甲烷(沼氣)帶(CH4>80%，CO2<20%)[1]。

通過瓦斯組分測定結果顯示(表1)，沙曲井田4號煤層在埋深336.92～775.05 m范圍內，瓦斯成分主要由CH4組成(79.53%～99.3%，平均93.01%)，次為N2(0.26%～18.71%，平均3.97%)、CO2(0.42%～6.11%，平均2.99%)及微量的重烴(0%～0.37%，平均0.03%)。由此可知，沙曲井田4號煤層瓦斯組分中甲烷氣體占絕大部分，甲烷純度高。按照我國煤層瓦斯風化帶劃分方法，4號煤層絕大部分處于甲烷(沼氣)帶內[8]。

1.2 瓦斯含量及其分布特征

1.2.1 瓦斯含量

瓦斯含量系指標準狀態下單位質量(或體積)的煤在原位狀態下所含的瓦斯體積，亦稱之“原煤瓦斯含量”，單位為mL/g或m3/t。瓦斯含量是礦井瓦斯防治最為關鍵參數之一，其決定著瓦斯資源量大小、礦井瓦斯涌出量高低及礦井瓦斯等級等[10]。在煤炭工業的發展進程中，形成了諸如直接測定法、間接測定法和解吸法等多種煤層瓦斯含量測定方法或技術手段[11]。沙曲井田在煤炭開采過程中，采用鉆孔取煤芯含氣量解吸法對該礦4號煤層瓦斯含量進行了測定，其值一般為7.32～17.82 m3/t，平均11.46 m3/t，8 m3/t以上測值數量占總測值數的90%(表1)，顯示沙曲井田4號煤層瓦斯含量整體較高，勢必加大礦井瓦斯防治難度和相關費用投入。

表1 沙曲井田4號煤層瓦斯含量測定結果

1.2.2 瓦斯分布特征

通過對瓦斯含量測值上圖和統計分析可知，瓦斯分布在煤層走向和傾向方向有所不同。由于沙曲井田整體為一向西傾斜，近南北走向的單斜構造，在煤層傾向方向，4號煤層瓦斯含量總體呈現出由東向西逐漸增大趨勢，與煤層埋藏深度之間具有較好的相關性，即埋深越深煤層瓦斯含量越高，反之亦然。在煤層走向方向，瓦斯分布相對復雜多變。在相同的煤層底板標高條件下，由于井田南翼4號煤層的覆巖厚度普遍大于北翼，造成南翼煤層瓦斯含量整體較北翼高。同時，瓦斯分布受構造控制顯著，在相同標高下向斜構造區煤層瓦斯含量較背斜構造區大，斷層、陷落柱及其影響帶瓦斯含量普遍較低。

2 影響瓦斯賦存的主控地質因素

2.1 煤變質程度

煤層是生烴母巖和儲集巖，煤層瓦斯的生成與煤巖組分、煤化作用及程度(煤變質程度或煤級)密切相關[12-13]。煤的顯微有機組分對煤層生烴具有關鍵控制作用，被認為是煤層的生烴母質。煤的有機顯微組分類型及含量控制著煤層的生烴條件，其生烴作用貫穿于整個煤化作用階段，但由于不同的顯微組分氫碳、氧碳原子比例不同，熱解生烴的能力和成烴規律也有差異[14]。據煤的生烴試驗表明，在相同煤化作用條件下，煤的顯微有機組分殼質組產氣率最高(約為惰質組的11倍)，鏡質組次之(約為惰質組的4倍)，惰質組最低[15]。沙曲井田4號煤屬于腐植型煤，煤中有機顯微組分鏡質組占絕大部分(85.27%～95.5%，平均88.62%)，惰質組次之(20.16%～35.41%，平均21.73%)，殼質組基本無法辨識。成煤階段及后期，受燕山期巖漿熱變質和三疊系深成熱變質雙重作用，提高了煤的變質程度(Ro,max=1.26%～1.52%，平均1.40%，變質程度為焦煤階段)和生氣率[16-17]，煤層瓦斯含量增加。

2.2 煤層埋藏深度

煤層埋藏深度系指煤層現今的埋藏深度(與上覆地層厚度一致)，是影響煤層瓦斯賦存的主要地質因素之一[18-19]。不同煤層埋深下地層溫壓條件不同，地層溫壓及其耦合關系影響煤層的物性特征(孔滲性、吸附性及煤變質程度等)和瓦斯賦存[20-21]。沙曲井田4號主力開采煤層埋深300～800 m， 通過對該礦瓦斯含量和對應樣品埋深間數理相關性分析(圖1)，發現二者間具有較好的正相關線性關系(復相關系數R2=0.626 5)，數值表達式如下：

y=0.021 6x+0.479 8R2=0.626 5

(1)

式中：y為瓦斯含量，m3/t；x為煤層埋藏深度，m；R2為復相關系數。

圖1 4號煤層瓦斯含量與埋藏深度關系

以上現象與眾多瓦斯地質研究成果具有較好的一致性，二者的較好性關系表明在一定埋深范圍內，隨著埋深的增加，地應力增加、覆巖自重對煤層的壓實效應更顯著，煤層的透氣性變差，從而使得瓦斯的橫向運移和垂向向地表逸散的路徑增長、難度增加，更加有利于瓦斯的聚集和賦存，煤層瓦斯含量往往較高[22]。

2.3 圍巖巖性及特征

煤層圍巖主要系指煤層的頂板(包括偽頂、直接頂、老頂)和底板(包括直接底和老底)在內的一定厚度范圍的層段，其巖性及特征對圍巖的隔氣和透氣性能具有至關控制作用[23]。煤層圍巖隔氣性和透氣性能直接影響到瓦斯的賦存條件，一般而言，一定厚度致密完整的泥質類巖石(泥巖、炭質泥巖、泥質砂巖、砂質泥巖等)其隔氣性能好、透氣性差，對煤層瓦斯起到良好的封閉保存效應；致密性、完整性差且孔裂隙系統發育的砂巖、灰巖等的隔氣性能差、透氣性好，不利于煤層瓦斯的保存[24-26]。通過對沙曲井田煤田勘查孔及采礦揭露統計分析可知，沙曲井田4號煤層圍巖巖性主要為泥質巖類(炭質泥巖、泥巖、砂質泥巖)，次為粉、細粒砂巖，圍巖的完整性好、致密堅硬。頂板泥質巖類總厚度6.37～16.51 m，平均10.51 m；底板泥質巖類總厚度5.62～10.25 m，平均7.89 m(表2)。可見，沙曲井田4號煤層圍巖的泥質巖類較發育且厚度較大，易于煤層瓦斯封閉保存，造成該井田煤層瓦斯含量較大。

表2 沙曲井田4號煤層頂底板厚度統計

2.4 地質構造

理論和實踐證實，地質構造對瓦斯不均衡賦存(瓦斯富集和瓦斯移散)、煤與瓦斯突出等具有關鍵控制作用，是瓦斯地質理論重要研究內容之一[27-28]。目前，學者們在構造控氣機理及規律、構造誘導、控制煤與瓦斯突出機理及防治等方面已開展了較為系統和深入研究，極大豐富了瓦斯地質理論內容，對礦井瓦斯防治起到了積極指導作用。構造類型、受力狀態不同，其對瓦斯的封閉性能和瓦斯賦存狀態各異[27]。壓性或壓扭性構造對瓦斯封閉性能好，瓦斯易于局部富集，被稱之為“封閉性”構造。拉、張性構造對瓦斯的封閉性能差，易造成瓦斯縱向、橫向運移移散，瓦斯含量往往較低，這類構造被稱之為“開放性”構造[29-30]。

沙曲井田地質構造以寬緩的次級小型褶曲構造為主，斷層稀少且斷距小，井田北部發育有一地塹式較大斷裂帶，未見陷落柱發育。通過瓦斯地質規律研究發現，在斷距較大的斷層影響帶(如北部地塹式較大斷裂帶)以及多組斷層的交會部位，均呈現低瓦斯賦存(瓦斯含量低)，顯示了以上部位對瓦斯的封閉保存能力差。而在一些斷距較小的層間小斷層影響帶，因其未對頂底板造成破壞，對瓦斯的保存能力較強，瓦斯含量往往較高；對褶皺控氣規律而言，向斜軸部瓦斯易于富集，造成瓦斯含量普遍較高且高于兩翼，而背斜的控氣規律則反之(即背斜兩翼的瓦斯含量則高于軸部)。

2.5 水文地質條件

含煤地層中的水文地質條件對煤層瓦斯的賦存具有重要控制作用，造成不同水文地質條件下煤層瓦斯含量及其分布差別很大，瓦斯地質工作中尤為重視其研究[31-32]。在平剖面上，水動力活躍(或地下水強徑流)的地區，煤層瓦斯含量往往較低，煤與瓦斯突出事故少或無；相反，在水動力不活躍(或地下水滯緩、滯留)區域，煤層瓦斯含量往往比較高，煤與瓦斯突出事故發生幾率增加[33-34]。

沙曲井田位于離柳礦區西部，三交-柳林單斜含煤區中南部，總體為一緩傾斜的單斜構造，在水文地質單元上屬柳林泉域巖溶水系統。地下水從東部的露頭區補給，徑流進入該井田，井田內寒武、奧陶、石炭、二疊、三疊系含水層構成承壓水盆地和承壓水斜地，地下水徑流弱且基本為滯留狀態。同時，4號煤層圍巖上下具有多層泥質巖隔水層存在，地下水對煤層瓦斯起到封堵和隔離作用，有利于煤層瓦斯保存和富集成藏[35]，致使煤層瓦斯含量總體較高。

3 結 語

1) 沙曲井田4號煤層基本地處甲烷帶，瓦斯純度及含量均較高，瓦斯含量在煤層走向和傾向上分布不同。走向上，井田南翼瓦斯含量整體高于北翼；傾向上，瓦斯含量由東向西逐漸增高。

2) 沙曲井田4號煤層瓦斯賦存規律主要受控于地質構造、水文地質條件、煤層埋藏深度、煤變質程度、圍巖巖性及特征等地質因素，不同地質因素控制瓦斯賦存的作用及機理不同。

3) 煤中豐富的有機顯微組分和煤的高變質有利于煤層生烴，提高了生氣率和瓦斯儲集能力，是控制井田煤層瓦斯含量整體較高的關鍵地質因素；覆巖自重的壓縮效應影響煤層滲透性，埋深越大，瓦斯垂向和橫向運移難度增加，有利于瓦斯保存；一定厚度致密完整的泥質巖，為瓦斯向地表逸散提供了良好封蓋和保存條件；不同地質構造類型、所受應力狀態差異，控制著瓦斯賦存的局部不均衡性；地下水弱徑流、滯留、承壓狀態及良好的隔水層對瓦斯起到封堵和隔離作用。