軒崗礦區煤層瓦斯分布特征及影響地質因素

李克勇

（西山煤電集團有限責任公司 杜兒坪礦，太原 030024）

煤層瓦斯是賦存于煤層中的以甲烷為主要成分的可燃氣體。我國煤田多數瓦斯含量較高，在管理環節不嚴格的情況下，生產礦井經常發生瓦斯爆炸，給礦工生命、財產造成巨大損失。隨著煤礦開采程度的加大，煤與瓦斯突出的危險性也隨之增加，及時總結瓦斯分布特征及影響瓦斯賦存規律的各種地質構造因素，對礦區瓦斯治理和有效防治煤與瓦斯突出具有重要意義。筆者以軒崗礦區為例，在剖析已有瓦斯地質資料的基礎上，研究和分析了該區瓦斯分布規律及影響瓦斯賦存的地質因素。

1 礦區地質背景

軒崗礦區位于寧武-靜樂塊拗北段，整體呈一狹長的NNE向伸展的向斜。在向斜構造上發育規模不等的斷層，且大型斷層多伴有走向變化，見圖1。整體表現為：西側斷層較稀疏；東側斷層較多，特別是東北部廣泛分布密集的NE及NNE向斷層，傾向以SE為主；西北角分布有EW向展布的斷層，以王萬莊和陽方口大型斷層為代表；中部及南部分布傾向NW為主的NE及NNE向斷層，間有SN向零星分布的斷層。礦區在NE向、NNE向構造應力的作用下，北部地層傾向變復雜，東北及西北局部煤層傾角增大，煤層由緩傾斜變至傾斜甚至急傾斜。

圖1 軒崗礦區構造綱要圖

區內主要含煤地層為太原組和山西組。山西組含煤1-4層，多為煤線或薄層，穩定性差，零星分布，全區不可采；太原組含煤8層，其中2號、5號煤層賦存穩定，為全區可采煤層，煤層累計平均厚度7～20 m。煤的變質程度有由北向南、由淺至深逐漸升高的趨勢，西北部為氣煤，東北部為1/3焦煤，南部為1/3焦煤至肥煤。

2 礦區瓦斯分布特征

據各礦井煤層瓦斯含量統計資料知，軒崗礦區10對礦井中，有2對高瓦斯礦井，分別是劉家梁礦、焦家寨礦，其余為低瓦斯礦井。礦區北部及西北部（老窯溝礦、莊旺礦、南溝礦、盤道礦、龍宮礦）煤層相對瓦斯涌出量小于10 m3/t，屬低瓦斯區；礦區中部相對瓦斯涌出量大，如劉家梁等礦，屬高瓦斯區。垂向上，2號煤層瓦斯含量均低于5號煤層；橫向上，瓦斯含量自礦區北部到南部逐漸增大，礦區邊界向腹部逐漸增高。

3 影響礦區瓦斯分布的地質因素

由上可知，礦區內不同井田，甚至同一井田的不同地區或不同煤層，瓦斯含量都有較大變化，可歸因于造成瓦斯不均衡分布的地質因素。

3.1 地質構造對煤層瓦斯賦存的影響

寧武煤田石炭-二疊紀含煤地層形成后經歷了印支運動、燕山運動和喜馬拉雅運動的構造變動，每次構造運動的規模、構造應力場等不盡相同。構造差異性演化決定了煤層埋藏史、生氣史，控制和影響了煤中瓦斯的賦存特征[1-2]。印支運動時期，隨著呂梁斷塊的區域升降作用，煤田的古構造應力場以SN向擠壓為主，多形成近EW向構造，使該區南北有差異升降，并受到區域擠壓構造的影響，使其抬升并遭受剝蝕。燕山期主應力改為近NW-SE向，構造線方向主要為NNE向，并對早期EW向構造有所改造，形成以侏羅紀地層為核心的向斜構造和一系列NE向雁列式排列的逆沖斷裂帶；喜山期的右旋力偶使區域構造性質發生反轉，即由前一段的擠壓隆起帶轉化為伸展裂陷帶，形成軒崗礦區內目前的構造面貌。總體而言，礦區主體構造為向斜，該構造部位煤層埋深較深，上覆地層厚度相對較大，靜水壓力相對較高，可維持較高的地層壓力系統，有利于瓦斯的吸附而富集[3]。但構造應力的差異演化導致了礦區內不同區域瓦斯賦存的多樣性。

礦區北部煤儲層遭受了以拉伸為主的構造作用，發育開啟性較好的張性斷裂，其中一部分大、中型斷裂切穿頂底板及圍巖，破壞煤層及圍巖完整性，削弱蓋層封蓋性，加大裂隙發育程度，不僅使氣體因壓力釋放而大量解吸，而且氣體沿斷裂通道大量逸散。如中國石油于2004-2006年在礦區北部（后口斷層上盤）完鉆的兩口煤層氣井所測煤層含氣量明顯偏低（1.56～3.98 m3/t）[4]。此外，該區構造運動導致煤層傾角較大（可達20°），瓦斯垂向運移率升高，縮短了瓦斯的逸散途徑，增加了瓦斯的逸散量。

礦區中部發育高角度壓扭性斷層，斷層面緊閉，處于高壓區，形成壓力封閉，阻止氣體的運移，屬于構造疊加富氣區，瓦斯含量較高。值的注意的是，這種構造背景下煤層常發生流變，形成剪切區。在剪切區，構造活動引起煤層強烈的韌性變形，煤趨于糜棱化[5]。這種環境下，煤中發育大量連通性很差的微裂隙，且裂口寬度趨于閉合，導致煤層滲透率急劇下降，氣體含量遠高于未變形煤[6]。如焦家寨、劉家梁礦井5號煤層受構造應力作用多發生塑性流變，形成糜棱煤，提高了煤層瓦斯吸附量，這也可能是5號煤層含氣量高于2號煤層的原因之一。

3.2 埋深對煤層瓦斯賦存的影響

煤層埋藏深度對氣含量的影響主要表現在兩方面：一是隨埋深增大，上覆地層壓力增大，煤吸附氣體能力增強；二是煤的滲透性降低，封閉條件變好[7]。根據礦區煤層埋深和瓦斯參數測試數據，礦區各礦井煤層埋深與瓦斯含量關系分為瓦斯風化帶和甲烷帶兩種類型。各礦井煤層埋深與瓦斯含量關系，如表1所示。

表1 軒崗礦區各礦井煤層埋深與瓦斯含量關系

1）瓦斯風化帶煤層（主分布在礦區北部，以老窯溝、莊旺、南溝一帶最為顯著）：瓦斯隨埋深增加有增大的趨勢，但是這種變化趨勢不明顯。比如盤道礦2號煤瓦斯含量隨煤層埋藏深度增加而變大，但瓦斯涌出量整體較小，相關系數R=0.636 2。

2）甲烷帶煤層（主分布在礦區中部，以劉家梁、焦家寨礦一帶最為顯著）：瓦斯隨著埋深增加而增大的趨勢明顯，相關系數R均達到0.90以上。

3.3 頂底板巖性對煤層瓦斯賦存的影響

頂底板巖性影響瓦斯含量的原因是其間接地影響氣體的逸散速度。雖然瓦斯主要呈吸附狀態賦存于煤層中，但瓦斯的擴散、運移作用在地史時期卻無時不在發生，只是擴散速度差異而異[7]。煤層頂底板為滲透性巖層（中-粗粒砂巖）時，氣體將難以在煤層與頂、底板交界面聚集和形成較低的濃度差，這勢必加快瓦斯逸散速度，導致瓦斯含量降低；煤層頂底板為致密滲透性相對較差的巖層（泥巖、炭質泥巖或油頁巖）時，具有較強的抗張、抗壓能力，不易產生連通性裂隙，可以較有效地阻止瓦斯向上運移。總體上看，礦區2號煤層頂板為泥巖-中砂巖，5號煤層頂板為泥巖-粉砂巖，兩者底板均為泥巖或炭質泥巖。由此可見，5號煤層頂底板巖性相對2號煤層致密，封閉條件好，瓦斯不易散失，所以在其它條件相近的情況下，氣含量將大于后者。

3.4 水文地質條件對煤層瓦斯賦存的影響

含煤地層中的水文地質條件對瓦斯的保存、破壞影響很大，不同水文地質條件下煤的瓦斯含量差別很大[8-10]。軒崗礦區屬馬圈泉域，為寧武-靜樂向斜蓄水構造中受各類邊界條件控制的次一級巖溶水文地質單元。礦區地下水均匯流于陽武河一帶，由馬圈泉排泄，形成良好的統一含水系統。區內各含水層均以大氣降水為主，谷底上部，水交替循環快，多以泉流形式排泄，谷底下部循環緩慢，徑流條件由強變弱，特別是寧武-靜樂向斜軸部，形成一個水動力條件相對滯流-對流區域。

橫向上，礦區西北部多發育NE、NNE向導水斷層，控制巖溶主徑流方向，導致巖溶裂隙發育，水動力條件強，水溶作用不利于煤層氣賦存，以散失為主，如老窯礦、莊旺礦、梨園河礦井北瓦斯含量多小于5 m3/t；梨園河礦井南部處于寧靜向斜軸部，且與長梁溝-劉家梁井田一帶同處于承壓水區，地質構造整體呈單斜形態，斷裂規模較小，巖溶裂隙不發育，水力坡度小，水位埋深加大，地下水循環交替緩慢，形成地下水動力封堵邊界，以致煤儲層壓力異常高壓，提高煤層甲烷吸附量，瓦斯含量升高，如焦家寨礦、劉家梁礦均為高瓦斯礦井；礦區東南部巖溶裂隙、變質巖風化發育，巖層出露，含水層埋藏淺，滲透性好，形成地下水徑流區，靜水壓力低，造成瓦斯沿煤層露頭散失、空氣混入，甲烷含量降低，瓦斯涌出量小，為低瓦斯區。

綜上所述，影響研究區瓦斯含量的因素是復雜的，但各種地質因素有主次之分，其中，地質構造、埋藏深度和水文地質條件占主導地位，是區域性的；頂底板巖性的封閉性是次要的，影響比較局限。整體而言，橫向上，煤層埋深受構造控制明顯，埋深的總體趨勢由向斜翼部向腹部增加。因此，在構造作用微弱的高瓦斯礦井中，煤層瓦斯含量隨埋深增大而增大。礦區北部，各礦井受區域地質構造影響較大，張性斷裂發育，屬于構造應力場低應力分布區，造成裂縫高密度分布帶，形成烴類開放型運移系統，加之煤層埋藏相對較淺（一般小于400 m），水動力條件強，處于徑流區，瓦斯含量明顯偏低；礦區中部壓扭性高角度斷裂發育，處于構造應力高部位，埋深適中，頂底板封蓋性能加強，煤層厚度大且分布穩定，利于瓦斯賦存，含量升高。縱向上，2號煤層瓦斯含量低于5號煤層，可能與煤變質程度、煤層埋深、頂底板封蓋能力及構造變形程度有關。

4 結論

1）軒崗礦區瓦斯分布具有不均衡性。垂向上，2號煤層瓦斯含量均低于5號煤層；橫向上，瓦斯含量自礦區北部到南部逐漸增大，邊界向腹部逐漸增高。

2）影響礦區瓦斯含量的地質因素主要有地質構造、煤層埋藏深度、水文地質條件及頂底板巖性。前三種地質因素占主導地位，是區域性的，后一種因素是次要的，局部性的，其中地質構造演化及分布特征為影響本區瓦斯賦存的其它地質因素的高效配置提供了框架。

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