山西昊興塬煤礦瓦斯賦存規(guī)律研究

崔磊

山西昊興塬煤礦瓦斯賦存規(guī)律研究

崔磊

（山西煤炭運銷集團蒲縣昊興塬煤業(yè)有限公司，山西 臨汾 041206）

研究區(qū)位于山西著名的霍西煤田中西部區(qū)域，區(qū)域含煤地層出露穩(wěn)定，潛在資源量巨大。研究表明：井田含煤地層主要為上石炭統(tǒng)太原組（C3）和下石炭統(tǒng)山西組（P1），可采煤層主要為9、10和11號煤層；煤田地質(zhì)構(gòu)造復雜程度屬于簡單型，褶皺、斷層和陷落柱等對煤層影響較小；研究區(qū)的礦井瓦斯主要受煤層埋深與上覆基巖厚度的影響，而受其他因素影響不明顯。

瓦斯賦存規(guī)律；構(gòu)造特征；煤田地質(zhì)

山西省是我國著名的產(chǎn)煤大省，也是主要的煤炭資源儲備基地，對我國經(jīng)濟發(fā)展起到了舉足輕重的促進作用。山西含煤地層穩(wěn)定，出露范圍廣泛，找礦潛力巨大，如中石炭統(tǒng)本溪組（C2）、上石炭統(tǒng)太原組（C3）和下石炭統(tǒng)山西組（P1）等（馬鵬程等，2016）。研究區(qū)位于霍西煤田中西部區(qū)域，區(qū)域成礦地質(zhì)條件良好，找礦潛力巨大。但是，隨著資源的開發(fā)與利用，煤層分叉變薄和瓦斯問題逐漸成為影響礦山開發(fā)與利用進程的主要因素，為保障資源開發(fā)利用效率，需加強礦山瓦斯賦存規(guī)律研究，為制定下一步開采方案提供依據(jù)。鑒于此，本文以該井田為研究對象，進一步研究煤田的地質(zhì)構(gòu)造特征和瓦斯賦存規(guī)律。

1 煤田地質(zhì)特征

1.1 地層

礦區(qū)位于山西著名的霍西煤田中西部區(qū)域，區(qū)域地層出露較為齊全，由老到新依次為：①中奧陶統(tǒng)峰峰組（O2），為一套碳酸鹽巖建造，是區(qū)域主要的含煤地層基底，夾纖維狀石膏層；②中石炭統(tǒng)本溪組（C2），為一套含鋁質(zhì)的泥巖、粉砂巖、砂質(zhì)泥巖和石灰?guī)r組合，是“山西式鐵礦”的主要賦礦層位，與中奧陶統(tǒng)峰峰組（O2）呈平行不整合接觸關(guān)系；③上石炭統(tǒng)太原組（C3），是霍西煤田內(nèi)主要的含煤地層之一，為一套海陸交匯相沉積組合，巖性為黑色泥巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖、鈣質(zhì)泥巖、石灰?guī)r及煤層等，其中9、10和11號煤層為區(qū)域性可采煤層；④下石炭統(tǒng)山西組（P1），也是霍西煤田內(nèi)主要的含煤地層之一，巖性以砂巖、泥巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖、細砂巖和煤層為主；⑤下石炭統(tǒng)下石盒子組（P1），根據(jù)巖性變化規(guī)律可分為兩段；其中，下石炭統(tǒng)下石盒子組下段（P11）上部巖性以中砂巖為主，夾有粉砂巖、泥巖以及薄層狀煤線，中下部以粗砂巖、泥巖、粉砂巖為主，夾有1～3層煤線；下石炭統(tǒng)下石盒子組上段（P12），主要由粉砂巖、斑塊泥巖、中砂巖等組成；⑥上石炭統(tǒng)上石盒子組上段（P21），為一套黃綠色夾紫紅色泥巖、粉砂巖及黃綠色中細粒砂巖互層組合；⑦第四系（Q），主要分布在研究區(qū)山脊以及溝谷區(qū)域，厚度變化較大，一般介于0～18 m之間，以亞粘土、亞砂土、粉土、耕植土及鈣質(zhì)結(jié)核等為主。

1.2 含煤地層特征

礦區(qū)位于山西霍西煤田的中西部區(qū)域，區(qū)域含煤地層在礦區(qū)內(nèi)出露較為穩(wěn)定，主要包括上石炭統(tǒng)太原組（C3）和下石炭統(tǒng)山西組（P1）。

1.2.1 上石炭統(tǒng)太原組（Ct）

上石炭統(tǒng)太原組（C3）是霍西煤田的主要含煤層為之一，在區(qū)域上變化較為穩(wěn)定，主要位于K1砂巖底至K7砂巖底之間，煤層厚度一般介于84.4～111.0m之間，平均厚度可達97.9m（馬鵬程等，2016）。上石炭統(tǒng)太原組（C3）根據(jù)巖性組合可分為三段，各段巖性組合和特征如下：

（1）上石炭統(tǒng)太原組下段（C31），空間上位于K1石英砂巖底至K2石英砂巖底，煤層厚度介于27.5～45.6m之間，煤層平均厚度為33.5m，包括9、9下、10上、10、10下、11上、11下、11號煤層。下段巖性以石英砂巖、粉砂巖、泥巖、砂質(zhì)泥巖、細砂巖、鋁質(zhì)泥巖和煤層等組成（朱建剛等，2014）。其中10號和11號煤層主要位于上石炭統(tǒng)太原組下段下部區(qū)域，而9號煤層主要位于該段上部區(qū)域，且9和10號煤層為霍西煤田內(nèi)穩(wěn)定大部可采煤層，11號煤層為煤田內(nèi)穩(wěn)定可采煤層。

（2）上石炭統(tǒng)太原組中段（C32），空間上位于K2石灰?guī)r底至K5砂巖底，煤層厚度一般介于20.9～32.2m之間，平均厚度為26.3m，主要由7、7下和8號薄煤層組成。該段巖性為石灰?guī)r、粉砂巖、泥巖和中砂巖等。該段煤層均屬于不穩(wěn)定不可采煤層。

（3）上石炭統(tǒng)太原組上段（C33），空間上位于K5砂巖底至K7砂巖底，煤層厚度介于31.5～53.6m之間，平均厚度可達39.5m，主要由5上、5、6和6下號煤層組成，為不穩(wěn)定不可采煤層。該段巖性包括炭質(zhì)泥巖、砂質(zhì)泥巖、鋁質(zhì)泥巖、鈣質(zhì)泥巖、粉砂質(zhì)、中砂巖、細砂巖等。

1.2.2 下石炭統(tǒng)山西組（P1）

下石炭統(tǒng)山西組（P1）是霍西煤田內(nèi)主要的含煤層為之一，區(qū)域上位于K7砂巖底至K8砂巖底之間，煤層厚度為19.9～44.5m，平均厚度為30.8m，包括1上、1、2、2下、3上、3和3下號煤層（魏克敏等，2015）。其中，1上和1號煤層位于該段上部位置，巖性以粉砂巖、中砂巖、細砂巖和泥質(zhì)巖組成，含有豐富的植物化石；2和2下號煤層位于該段中部位置，巖性以粉砂巖、砂質(zhì)泥巖和細砂巖為主；3上、3和3下號煤層位于該段下部區(qū)域，巖性以泥巖、砂質(zhì)泥巖為主。

1.3 巖漿巖

礦區(qū)內(nèi)巖漿巖不發(fā)育，在霍西煤田內(nèi)未見巖漿巖出露。

2 煤田構(gòu)造特征

2.1 區(qū)域構(gòu)造特征

研究區(qū)屬于山西著名的霍西煤田中部西部區(qū)域，大地構(gòu)造位置處于中朝準地臺之山西斷隆帶的南西側(cè)。霍西煤田北側(cè)以關(guān)帝山穹狀隆起與太原西山煤田毗鄰，東側(cè)以霍山斷裂帶為界，南側(cè)以臨汾—運城裂陷盆地的西側(cè)斷裂帶為界，西側(cè)以紫荊山斷裂帶與河東煤田相鄰。 因此，霍西煤田的區(qū)域構(gòu)造明顯受控于區(qū)域性邊界斷層。霍西煤田區(qū)以東西向擠壓應力為主，受控于霍山斷層和紫荊山斷層的東西向擠壓作用影響，導致霍西煤田內(nèi)形成了一系列北東、北北東和近東西向展布的次級構(gòu)造（羅榮貴，2019）；同時，在煤田西側(cè)區(qū)域形成了寬緩褶皺構(gòu)造，其軸向變化具有明顯的規(guī)律性，在空間上具有“軸向自北而南由北西轉(zhuǎn)近南北再轉(zhuǎn)向北東”的變化特征，且軸向變化與區(qū)域主斷層走向趨于一致，顯示出霍西煤田構(gòu)造受區(qū)域構(gòu)造控制的特征。霍西煤田主要位于區(qū)域克城—南灣里復式向斜的西翼，煤田構(gòu)造受該斷裂影響較大。

1.第四系；2.上石炭統(tǒng)上石盒子組下段；3.下石炭統(tǒng)下石盒子組上段；4.下石炭統(tǒng)下石盒子組下段；5.下石炭統(tǒng)山西組；6.陷落柱；7.地質(zhì)界線；8.向斜及編號；9.背斜及編號；10.斷層及編號；11.已關(guān)閉煤礦

2.2 井田構(gòu)造特征

研究區(qū)受區(qū)域克城—南灣里復式向斜影響較明顯，井田總體上為一走向北西，傾向北東的單斜構(gòu)造，地層傾角較緩，一般介于3°～13°。研究區(qū)共發(fā)育褶皺9條，斷層24條和陷落柱3個，構(gòu)造較為復雜。

2.2.1 褶皺

井田內(nèi)已發(fā)現(xiàn)褶皺構(gòu)造9條（圖1），其特征主要為：①S1背斜，位于井田的北西部邊界，背斜軸向為N86°W，背斜兩翼傾角為5°，兩翼產(chǎn)狀對稱，背斜軸長約0.7km；②S2向斜，位于井田北西部區(qū)域，向斜軸向為N89°E-N8°W，兩翼傾角介于4°～5°之間，兩翼產(chǎn)狀基本對稱，軸長約1.5km；③S3背斜，位于井田北中部一帶，背斜軸向為N79°E-N41°W，兩翼傾角介于4°～5°之間，兩翼產(chǎn)狀基本對稱，軸長為2.3km；④S4向斜，位于井田北東部一帶，向斜軸向為N10°E，兩翼傾角約8°，兩翼產(chǎn)狀基本對稱，軸長為0.4km；⑤S5背斜，位于井田北東部一帶，背斜軸向為S54°E-N73°E，兩翼傾角介于3°～5°之間，兩翼產(chǎn)狀基本對稱，軸長為1.0km；⑥S6向斜，位于井田中東部，向斜軸向為S79°E-N80°E-S69°E，兩翼傾角介于3°～5°之間，兩翼產(chǎn)狀基本對稱，軸長為2.0km；⑦S7背斜，位于井田中西部，背斜軸向為N18°W-N55°W，兩翼傾角約7°，兩翼產(chǎn)狀基本對稱，軸長為0.4km；⑧S8向斜，位于井田中南部，軸向為N79°E-N68°E- N65°E，兩翼傾角介于8°～13°之間，兩翼產(chǎn)狀基本對稱，軸長為2.8km；⑨S9背斜，位于井田南東部，軸向為N63°E，兩翼傾角約8°，兩翼產(chǎn)狀基本對稱，軸長為2.0km。

2.2.2 斷層

井田內(nèi)共揭露斷層24條，其中正斷層21條，逆斷層3條；落差大于5m的斷層7條，落差小于5m的斷層17條。本文著重講述落差大于5m的斷層（圖1），其特征如下：①F1正斷層，位于井田南西一帶，走向N53°E，傾向NW，傾角70°，落差5m，延伸長度約250m，井下巷道揭露，控制程度可靠；②F2正斷層，位于井田西部，走向N13°E，傾向NW，傾角70°，落差5m，延伸長度約260m，地質(zhì)填圖成果，控制程度可靠；③FJ5正斷層，位于井田中北部一帶，走向N26°E，傾向SE，傾角35°，落差5m，延伸長度約30m，井下巷道揭露，控制程度可靠；④FJ11正斷層，位于井田北東部一帶，走向N10°E-N4°W，傾向SE-NE，傾角50°～40°，落差5.50m，延伸長度約300m，井下巷道揭露，控制程度可靠；⑤FJ13逆斷層，位于井田北東部一帶，走向N21°E，傾向SE，傾角20°，落差7.00m，延伸長度約35m，井下巷道揭露，控制程度可靠；⑥FJ15正斷層，位于井田中東部一帶，走向N5°W，傾向NE，傾角65°，落差10.00m，延伸長度約370m，井下巷道揭露，控制程度可靠；⑦FX1正斷層，位于井田BK10號鉆孔附近，推測走向N80°E，傾向NW，傾角70°，落差30m，延伸長度350m，二采區(qū)補勘BK10號鉆孔揭露，控制程度較可靠。

2.2.3 陷落柱

井田內(nèi)初步探明陷落柱3個（圖1），均為三維地震物探成果，其特征為：①XW2陷落柱，位于井田中北部一帶，呈橢圓狀，長軸呈NE向，軸長約80m，短軸呈NW向，軸長約40m；②XW4陷落柱，位于井田北部一帶，呈橢圓狀，長軸呈NW向，軸長約95m，短軸呈NE向，軸長約55m；③XW5陷落柱，位于井田北部一帶，呈橢圓狀，長軸呈近EW向，軸長約80m，短軸呈近SN向，軸長約50m。

表1 不同含煤層瓦斯含量統(tǒng)計表

2.2.4 地質(zhì)構(gòu)造復雜程度評價

井田總體為一走向北西，傾向北東的單斜構(gòu)造，地層傾角一般3°～13°。井田內(nèi)已發(fā)現(xiàn)褶皺9條，褶皺起伏不大，對開采工作面布置無大的影響；井田內(nèi)已探明斷層24條，其中2號煤層井下巷道揭露21條，落差在0.55～5.0m之間，原有小斷層2條（F1、F2），落差為5m；鉆孔揭露1條斷層（Fx1），對開采工作面有一定影響，對采區(qū)的合理劃分和工作面連續(xù)推進影響不大；井田內(nèi)三維地震推測陷落柱3個，陷落柱長軸直徑在45～95 m，短軸直徑在35～55 m，對工作面有一定影響。井田內(nèi)無巖漿活動。綜上所述，井田地質(zhì)構(gòu)造復雜程度評價為簡單。

3 礦井瓦斯賦存規(guī)律

3.1 不同煤層瓦斯含量特征

本文總結(jié)了前人測井資料以及本次勘查信息，獲得不同煤層瓦斯含量變化范圍（表1），為進一步研究瓦斯賦存規(guī)律提供了基礎。由表1可知，研究區(qū)瓦斯主要賦存在N2帶中，原始煤層中瓦斯含量介于0.23～0.42 cm3/g.daf之間；煤中自然瓦斯成分含量變化較大，其中2號煤層和9號煤層含量基本一致，10號煤層和11號煤層含量基本一致，即研究區(qū)煤層中瓦斯含量具有明顯的分帶性（圖2）。

3.2 礦井瓦斯賦存規(guī)律

煤田開采受礦井瓦斯影響較大，因此研究礦井瓦斯賦存規(guī)律對安全生產(chǎn)意義重大。基于此，本文結(jié)合井田地質(zhì)構(gòu)造特征以及霍西煤田瓦斯賦存規(guī)律特征等，總結(jié)了研究區(qū)礦井瓦斯的賦存規(guī)律，為進一步煤層的開采利用提供基礎資料。研究區(qū)礦井瓦斯賦存規(guī)律主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

圖2 煤層瓦斯分帶及其帶序圖

A.含量，m3/t；B.占總瓦斯成分的百分比

1.氮氣-二氧化碳帶；2.氮氣帶；3.氮氣-甲烷帶；4.甲烷帶

（1）斷層和褶皺構(gòu)造對瓦斯賦存的影響

斷層對礦井瓦斯的賦存影響較大，主要體現(xiàn)在對煤層完整性的影響、瓦斯的封閉條件、煤巖顯微特征、煤體結(jié)構(gòu)和煤的滲透率等方面，其影響程度和強度與斷層的性質(zhì)和規(guī)模關(guān)系較為密切。一般情況，逆斷層、壓性走滑斷層和反轉(zhuǎn)正斷層等壓性構(gòu)造有利于瓦斯的儲閉保存；正斷層、拉張走滑斷層和反轉(zhuǎn)逆斷層等張性斷層不利于瓦斯的儲閉保存，容易使得瓦斯逸散（羅榮貴，2019）。此外，褶皺構(gòu)造對瓦斯的儲閉保存量影響較大，且具有褶皺不同位置瓦斯含量變化的特征，一般向斜軸部區(qū)域以擠壓應力為主，次級裂隙不發(fā)育，導致瓦斯富集保存良好，即該部位瓦斯含量較高；背斜軸部以張性應力為主，導致張性裂隙發(fā)育，使得瓦斯容易逸散，不利于瓦斯的儲閉保存。研究區(qū)受區(qū)域性克城—南灣里復式向斜控制明顯，總體上為一走向北西，傾向北東的單斜構(gòu)造，并形成了寬緩褶皺9條和斷層24條，其中落差較小的逆斷層3條，正斷層21條，總體上井田褶皺、斷層構(gòu)造簡單，綜合認為井田內(nèi)斷層和褶皺對瓦斯的賦存影響不大。

（2）巖溶陷落柱對瓦斯賦存的影響

Jean Lave和Etienne Wenger提出實踐社群的概念，他們認為學習是人們在實踐社群中產(chǎn)生的。鼓勵教師組成學習社群，共同探討教育教學方案，幫助學生提升學習效果。學習社群可以為教師提供思考、交流、閱讀和記錄日常工作的平臺，幫助教師持續(xù)提升教學能力。專業(yè)學習社群是一群專業(yè)工作者所組成的學習與成長團體，成員基于對專業(yè)的共同信念、愿景或目標，為促進服務對象的最大福祉或?qū)I(yè)效能的極大化，而通過協(xié)同探究的方式，致力于提升本身的專業(yè)素養(yǎng)，以達成持續(xù)專業(yè)服務質(zhì)量提升的效果。

巖溶陷落柱對瓦斯賦存的影響差異較大，當巖溶陷落柱形成后，在塌陷接觸帶上可形成較為密集的開放型次級小斷層，對瓦斯的逸散有利，因此，在該部位附近煤層中瓦斯含量顯著減少；若塌陷接觸帶上燈板較為破碎時，為瓦斯的儲閉保存提供了良好的空間，即高瓦斯礦井在靠近陷落柱附近的工作面瓦斯涌出量可能急劇增大，容易誘發(fā)瓦斯事故、礦井突水事故等（彭紀超等，2010；莫裕科等，2020）；當陷落柱周邊的裂隙與井田強含水層、巖溶積水和地表水體等溝通時，在煤炭資源開采過程中水流量顯著增加，即具有“礦井瓦斯小水大”的特征，導致這一現(xiàn)象的原因在于：①地下水的流動促使巖石孔隙和裂隙中的瓦斯一起流動，尤其是可溶于水體中的瓦斯；②巖石孔隙和裂隙對地下水具有較強的吸附能力，當水體吸附在孔隙和裂隙表面時可降低水體對瓦斯的吸附能力和搬運能力，同時增加了瓦斯的排放能力。此外，對于隱伏在地表下部的陷落柱而言，由于缺少與地表溝通的裂隙通道等，導致瓦斯的儲閉保存條件較好，進而使得陷落柱周邊的瓦斯容易聚集。研究區(qū)根據(jù)三維地震結(jié)果推測出陷落柱3個，陷落柱周邊20～50m范圍內(nèi)的應力較為集中，導致煤體較破碎，即顯著的增加了煤體的孔隙度，因此在開采巷道掘進至陷落柱附近時，礦井中的瓦斯涌出量會增大。但是，研究區(qū)陷落柱不發(fā)育，因此，總體上對井田瓦斯的賦存影響不大。

（3）巖漿巖分布對瓦斯賦存的影響

研究區(qū)地表未見任何巖漿巖出露，在深部鉆孔勘查中也未揭露出巖漿巖。因此，不存在巖漿巖對井田瓦斯賦存的影響作用。

（4）頂?shù)装鍘r性對瓦斯賦存的影響

井田頂?shù)装鍘r性對瓦斯賦存的影響主要表現(xiàn)在隔氣性和透氣性兩個方面，即煤層圍巖對瓦斯保存條件的影響。煤層圍巖頂?shù)装迥鄮r的厚度是評價圍巖透氣性的直接指標，一般來說，灰?guī)r、砂巖、礫巖等因具有更高的孔隙度和更發(fā)育的裂隙而導致透氣系數(shù)高于致密的泥巖、頁巖等的透氣系數(shù)。根據(jù)研究區(qū)2號煤層調(diào)查資料顯示，2號煤層的頂板巖性以泥質(zhì)巖和粉砂巖為主，底板巖性為泥巖，均屬于軟堅硬巖層，裂隙不發(fā)育，淺部地帶具有風化裂隙，為中等穩(wěn)定頂板，因此，隔氣性能較好，對煤層瓦斯賦存影響較小。

（5）煤層埋深與上覆基巖厚度對瓦斯賦存的影響

4 結(jié)論

（1）井田含煤地層出露較為穩(wěn)定，主要包括上石炭統(tǒng)太原組（C3）和下石炭統(tǒng)山西組（P1），9和10號煤層為穩(wěn)定大部可采煤層，11號煤層為穩(wěn)定可采煤層。

（2）井田褶皺和斷裂較發(fā)育，但落差大于5m的斷層數(shù)量少，對煤層破壞程度較弱。同時，井田內(nèi)無巖漿巖，井田地質(zhì)構(gòu)造復雜程度為簡單型。

（3）研究表明，井田內(nèi)斷層和褶皺構(gòu)造、巖溶陷落柱、巖漿巖和頂?shù)装鍘r性對瓦斯賦存影響較小，而煤層埋深與上覆基巖厚度對瓦斯賦存的影響較為明顯。

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On Gas Occurrence Regularities in the Haoxingyuan Coal Mine, Shanxi

CUI Lei

(Puxian Haoxingyuan Coal Industry Co., Ltd., Shanxi Coal Transportation and Sales Group, Linfen, Shanxi 041206)

The research area is located in the central-western part of the famous Huoxi coalfield of Shanxi Province. The study shows that the coal-bearing strata in the mine field are mainly Upper Carboniferous Taiyuan Formation (C3) and Lower Carboniferous Shanxi Formation (P1), and the available coal seams are mainly No.9, 10 and 11 coal seams. The complexity of geological structure of the coal field belongs to simple type. Fold, fault and collapse column have little influence on coal seam. The coal mine gas in the research area is mainly affected by the depth of coal seam and the thickness of overlying bedrock.

gas occurrence law; tectonic characteristic; coal geology

TD712

A

1006-0995（2021）03-0436-05

10.3969/j.issn.1006-0995.2021.03.016

2020-07-28

崔磊（1986— ），男，陜西榆林人，地質(zhì)工程師，主要從事礦井地質(zhì)技術(shù)研究工作