酸刺溝井田煤層瓦斯賦存規(guī)律及影響因素研究

陳立超 王生維 孟 欣

（中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）資源學(xué)院，湖北省武漢市，430074）

陳立超 王生維 孟 欣

（中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）資源學(xué)院，湖北省武漢市，430074）

為搞清酸刺溝井田煤層瓦斯含量分布規(guī)律，對(duì)實(shí)測(cè)煤層瓦斯含量數(shù)據(jù)和井田地質(zhì)因素進(jìn)行了綜合分析。認(rèn)為煤層埋藏深度是影響酸刺溝井田煤層瓦斯賦存的主控因素，并建立了線性預(yù)測(cè)模型。預(yù)測(cè)結(jié)果顯示，井田煤層瓦斯含量由東部首采區(qū)2m3／t向西部未采區(qū)逐步增加至3m3／t左右；且酸刺溝井田煤層處于瓦斯風(fēng)化帶內(nèi)。

酸刺溝井田 瓦斯含量 煤層埋深 瓦斯風(fēng)化帶

P618.118

B

煤礦瓦斯涌出量和瓦斯突出受控于多種因素，煤層瓦斯含量是主要影響因素之一。煤層瓦斯含量高低受到多種地質(zhì)因素的綜合影響，由于地質(zhì)條件的差異，煤層瓦斯含量在空間分布上變化較大。但對(duì)同屬某一瓦斯地質(zhì)單元的研究目標(biāo)來說，煤層瓦斯含量分布的總體規(guī)律往往受到某主控因素的有力控制，其他地質(zhì)因素影響其局部變化。因此，查明主導(dǎo)因素控制下的瓦斯含量總體分布特征，一般就能揭示瓦斯分布的基本規(guī)律。本文以酸刺溝井田煤層為例，探討瓦斯含量分布特征問題。

1 井田地質(zhì)概況

酸刺溝井田位于內(nèi)蒙古自治區(qū)準(zhǔn)格爾煤田中部，井田走向長(zhǎng)11.5km，傾斜寬5.7km，面積76.5km2。石炭系上統(tǒng)太原組煤層為井田主采煤層，煤層厚度5.25～20.77m，平均厚12.52m左右。煤層厚度總體由井田東北向西南變薄，煤層厚度變異系數(shù)29%，見煤點(diǎn)可采系數(shù)100%。煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，直接頂板巖性多為中粗粒砂巖，局部為泥巖；底板巖性多為泥巖、砂質(zhì)泥巖，局部為粗粒砂巖。井田煤層傾角普遍小于5°，開采條件良好，煤牌號(hào)為長(zhǎng)焰煤，變質(zhì)程度低。

位于鄂爾多斯盆地東北緣的酸刺溝井田，總體上走向近于南北，傾角10°以下，向西傾斜單斜構(gòu)造，構(gòu)造相對(duì)簡(jiǎn)單。井田中部發(fā)育有小型的EW向波狀起伏構(gòu)造和NE向高角度正斷層，區(qū)內(nèi)尚未發(fā)現(xiàn)陷落柱及巖漿巖侵入。通過現(xiàn)場(chǎng)解吸實(shí)測(cè)，煤層瓦斯含量值在1.71～2.71m3／t之間，平均為2.29m3／t。瓦斯成分分析數(shù)據(jù)顯示，井田煤層處于瓦斯風(fēng)化帶內(nèi)。

2 煤層瓦斯含量分布特征

2.1 煤層瓦斯賦存影響因素分析

2.1.1 地質(zhì)構(gòu)造對(duì)瓦斯賦存的影響

由于區(qū)內(nèi)大型褶皺不發(fā)育，井田附近褶皺構(gòu)造對(duì)煤層瓦斯賦存的影響占主體地位。主要有軸向NE向大型背斜，如窯溝背斜、西黃家梁背斜等。褶皺的抬升使翼部井田煤層隆起部分暴露于地表，煤層暴露影響了煤層瓦斯的賦存。一方面，暴露卸壓環(huán)境有利于煤層中瓦斯吸附氣體解吸和擴(kuò)散；另一方面，暴露導(dǎo)致煤層缺失封蓋條件，加速了煤層中瓦斯游離氣體的逸散。造成井田東北部煤層瓦斯含量普遍在2.00m3／t以下，低于井田瓦斯含量平均水平。

區(qū)內(nèi)多NE、NNE向高角度正斷層，斷層的規(guī)模較小，最大落差為12.50m，且較大斷層附近多有沖刷和導(dǎo)水現(xiàn)象。水流的攜帶和沖刷作用往往不利于煤層瓦斯賦存。本次研究S－2號(hào)鉆孔處在斷層面附近，由于斷層面開啟及水流對(duì)氣藏的破壞，S－2號(hào)鉆孔樣品瓦斯含量?jī)H為1.29m3／t，低于同等埋深條件下其他樣品瓦斯含量值。由于酸刺溝井田內(nèi)不存在大型的導(dǎo)氣和儲(chǔ)氣構(gòu)造，小型褶曲和斷層構(gòu)造并未對(duì)煤層的連續(xù)性構(gòu)成破壞，煤層內(nèi)瓦斯流動(dòng)屬同一體系，構(gòu)造條件僅影響煤層瓦斯含量局部的變化。

2.1.2 上覆基巖厚度對(duì)瓦斯賦存的影響

酸刺溝井田從寒武紀(jì)到早石炭世末，受構(gòu)造影響整體上升形成大陸。直到中石炭世，全區(qū)開始下降接受沉積。自三疊紀(jì)末至白堊紀(jì)，隨著振蕩運(yùn)動(dòng)差異性的增大，上升幅度占優(yōu)勢(shì)，華北地臺(tái)再一次上升為陸地，沉積作用間斷，直到新近紀(jì)至第四紀(jì)又普遍沉降接受沉積。酸刺溝井田缺失三疊系、侏羅系及白堊系地層，第三系地層不整合于二疊系地層之上。

圖1 煤層瓦斯含量與上覆基巖厚度相關(guān)圖

2.1.3 煤層埋深對(duì)瓦斯賦存的影響

煤層瓦斯運(yùn)移的總趨勢(shì)是瓦斯由地層深部向地表逸散，隨著埋深的增加不僅會(huì)因地應(yīng)力增高而使圍巖的透氣性降低，氣體穿層逸散困難，而且瓦斯向地表運(yùn)移的距離也增大，因此煤層埋藏越深，瓦斯保存越容易而逸散越困難。在瓦斯帶深度范圍內(nèi)，煤層瓦斯含量隨煤層埋藏深度的增大而增加。研究發(fā)現(xiàn)，盡管酸刺溝井田煤層處于瓦斯風(fēng)化帶內(nèi)，但是通過樣品含氣量測(cè)試數(shù)據(jù)與取樣深度之間線性回歸分析發(fā)現(xiàn)，煤層瓦斯含量與煤層埋藏深度間仍呈顯著的正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)R達(dá)到0.90，見圖2。

圖2 煤層瓦斯含量與煤層埋深相關(guān)圖

2.1.4 頂?shù)装鍘r性對(duì)瓦斯賦存的影響

一般來說，當(dāng)煤層頂?shù)装鍘r性為致密完整的巖石（如頁(yè)巖、油頁(yè)巖）時(shí)，煤層中的瓦斯不易散失；頂板為多孔隙或脆性裂隙發(fā)育的巖石（如礫巖、砂巖）時(shí)，瓦斯容易逸散。酸刺溝井田太原組煤系地層為一套河流三角洲相含煤沉積，煤層的形成屬于河流平原上的聚煤作用。井田內(nèi)煤層頂板多為中粗粒砂巖，透氣性較高；底板多為泥巖、砂質(zhì)粘土巖，局部為粗粒砂巖。

圖3 煤層瓦斯含量與頂板泥巖厚度相關(guān)圖

圖4 煤層瓦斯含量與底板泥巖厚度相關(guān)圖

2.1.5 水文地質(zhì)對(duì)瓦斯賦存的影響

地下水與瓦斯共存于含煤巖系及圍巖之中，它們的共性是均為流體，運(yùn)移和賦存都與煤層和巖層的孔隙、裂隙通道有關(guān)。地下水的運(yùn)移，不僅驅(qū)動(dòng)著煤層中游離瓦斯氣體的運(yùn)移，同時(shí)攜帶著煤層水中的溶解瓦斯氣體一起流動(dòng)。因此，地下水的活動(dòng)越活躍，煤層瓦斯氣體賦存狀態(tài)越不穩(wěn)定，瓦斯氣體逸散的可能性越大。同時(shí)，水分子吸附在裂隙和孔隙的表面，占據(jù)了瓦斯氣體吸附的空間，影響到瓦斯氣體的含量。酸刺溝井田地層內(nèi)部地下水的補(bǔ)給與徑流條件較差，隔水層隔水性能較好，含水層之間水力聯(lián)系小。但井田太原組煤系地層中發(fā)育的大量張性構(gòu)造裂隙能夠連通含水層與煤層，含水層中地下水通過開放性裂隙通道流向煤層，煤層中瓦斯氣體受水流的攜帶作用運(yùn)移逸散，不利于煤層瓦斯賦存。

2.1.6 煤層厚度對(duì)瓦斯賦存的影響

瓦斯逸散以擴(kuò)散方式為主，空間兩點(diǎn)之間的濃度差是其擴(kuò)散的主要?jiǎng)恿?。在其他初始條件相似的情況下，煤儲(chǔ)層厚度越大，煤層中部分層中瓦斯向頂?shù)装鍞U(kuò)散的路徑就越長(zhǎng)，擴(kuò)散阻力就越大，對(duì)瓦斯賦存越有利。通過分析井田煤層瓦斯含量與煤層厚度的關(guān)系發(fā)現(xiàn)，煤層瓦斯含量與煤層厚度間呈較弱的正相關(guān)關(guān)系，見圖5。

圖5 煤層瓦斯含量與煤層厚度相關(guān)圖

通過煤層瓦斯含量與各主要影響因素之間線性回歸分析，可以看出，煤層埋藏深度對(duì)瓦斯賦存影響最大，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.90，而上覆基巖厚度、煤層厚度、頂板20m內(nèi)泥巖厚度、底板10m內(nèi)泥巖厚度、水文地質(zhì)條件的影響較小，說明煤層埋藏深度是影響煤層瓦斯含量分布的主控因素。

2.2 煤層瓦斯含量分布規(guī)律

圖6 酸刺溝井田煤層瓦斯含量等值線圖

3 結(jié)論及建議

（1）對(duì)影響井田煤層瓦斯賦存的主要地質(zhì)因素進(jìn)行了分析，認(rèn)為上覆基巖厚度、頂?shù)装鍘r性等因素僅影響瓦斯含量的局部變化，煤層埋深才是影響酸刺溝井田煤層瓦斯含量分布的主控因素。

（3）隨著開采煤層深度增加，酸刺溝井田今后未采區(qū)生產(chǎn)中，因煤層瓦斯含量增加導(dǎo)致的工作面瓦斯涌出強(qiáng)度大及上隅角瓦斯?jié)舛瘸薜葐栴}將愈發(fā)嚴(yán)重。當(dāng)前應(yīng)在掌握煤層瓦斯分布規(guī)律的基礎(chǔ)上，一方面繼續(xù)開展煤層瓦斯賦存的接續(xù)性研究，另一方面適時(shí)地增加瓦斯災(zāi)害防范的意識(shí)和力度，保證礦井安全高效生產(chǎn)。

［1］ 俞啟香.礦井瓦斯防治［M］.徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，1992

［2］ 張子敏，張玉貴.瓦斯地質(zhì)規(guī)律與瓦斯預(yù)測(cè)［M］.北京：煤炭工業(yè)出版社，2005

［3］ 魯玉芬，陳萍，唐修義.淮南煤田潘一井田13－1煤層瓦斯含量特征［J］.煤田地質(zhì)與勘探，2006（2）

［4］ 王來斌，疏義國(guó)，沈金山等.潘三礦13－1煤層瓦斯賦存規(guī)律及影響因素分析［J］.中國(guó)煤炭，2011（5）

［5］ 張華，盧永戰(zhàn)，李向革等.陽(yáng)泉礦區(qū)保安煤礦15＃煤層瓦斯地質(zhì)規(guī)律研究［J］.中國(guó)煤炭，2011（2）［6］ 于不凡，王佑安.煤礦瓦斯災(zāi)害防治及利用手冊(cè)（修訂版）［M］.北京：煤炭工業(yè)出版社，2005

［7］ 閆江偉，張子敏，張玉貴.晉城成莊井田3＃煤層瓦斯含量分布特征［J］.煤礦安全，2008（4）

［8］ 張子敏.瓦斯地質(zhì)學(xué)［M］.徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2009

［9］ 陳鐘惠，張守良，熊文俊等.內(nèi)蒙準(zhǔn)格爾旗煤田晚古生代含煤巖系的沉積和聚煤條件［J］.地球科學(xué)，1984（3）

［10］ 劉新榮，鮮學(xué)福.煤層瓦斯涌出量與煤層埋藏深度關(guān)系的探討［J］.礦業(yè)安全與環(huán)保，2001（1）

Study on gas occurrence law and influencing factors in 6＃upper coal seam in Suancigou Mine

Chen Lichao，Wang Shengwei，Meng Xin
（Faculty of Resources，China University of Geosciences（Wuhan），Wuhan，Hubei 430074，China）

In order to study the gas content distribution law in 6＃upper coal seam in Suancigou Mine，the paper has had a comprehensive analysis on the gas content data measured in coal seam and the mine field geological conditions.The result indicates that the buried depth of coal seam is the main factor which affects the gas deposit in 6＃upper coal seam，and then a linear forecasting model has been established.The final predicted results show that in 6＃upper coal seam，from the first－mining area in east of the seam to the unworked area in west of the seam，the gas content increases from 2m3／t to 3m3／t gradually；the 6＃upper coal seam in Suancigou Mine lies in the gas weathering zone.

Suancigou coal mine field，gas content，buried depth of coal seam，gas weathering zone

陳立超（1985－），男，內(nèi)蒙古赤峰人，中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）在讀碩士研究生，從事煤層氣及瓦斯地質(zhì)工程研究。

（責(zé)任編輯 張毅玲）