新疆五宮煤礦瓦斯賦存的構造控制

王先超

(山東省煤田地質局物探測量隊，山東 泰安　271000)

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新疆五宮煤礦瓦斯賦存的構造控制

王先超

(山東省煤田地質局物探測量隊，山東 泰安271000)

為認識構造對五宮煤礦瓦斯賦存的控制，分析了瓦斯地質演化特征，探討了構造樣式及組合對瓦斯賦存的控制。研究表明，煤系沉積后發生兩次生氣作用，生成了較多瓦斯。斷層以逆斷層為主，封閉性較好；煤層受斷層影響而發生結構變形，可吸附更多瓦斯。斷層使礦井處于相對封閉的水文地質單元中，阻礙了瓦斯的逸散。褶皺受斷層切割多呈單斜構造，瓦斯順層向上逸散受斷層封堵。研究區構造封蓋層組合類型為褶皺-逆斷層類型，蓋層透氣性較差，有利于瓦斯的保存。

瓦斯賦存；含氣性；斷層；褶皺；構造封蓋層類型；五宮煤礦

引文格式：王先超.新疆五宮煤礦瓦斯賦存的構造控制[J].山東國土資源，2015,31(6)：16-19.WANG Xianchao.Tectonic Control on Gas Occurrence of Wugong Coal Mine in Xinjiang Uygur Autonomous Region[J].Shandong Land and Resources, 2015,31(6):16-19.

在煤礦開采中，瓦斯通常被定義為有害氣體，嚴重威脅安全生產。近幾年，隨著經濟的不斷發展，煤炭需求量逐漸增大，煤礦開采規模不斷提高，與之伴隨的瓦斯事故亦不斷增加[1]。其原因一方面是礦井本身瓦斯含量高，瓦斯壓力大，為瓦斯事故的發生提供了可能的條件；另一方面是礦井的地質條件復雜，導致瓦斯賦存的差異性較大，使得人們對瓦斯賦存規律的認識不清。因此，深入研究礦井瓦斯的分布特征，分析不同地質因素對瓦斯賦存的控制作用顯得尤為重要。五宮煤礦煤層較多，且厚度較大，地質構造復雜，瓦斯含量較高，因此，分析礦井的瓦斯地質特征，認識地質構造對瓦斯賦存的控制作用對于防治瓦斯，保障煤礦的安全開采有著重要的現實意義。

1　地質概況

五宮煤礦位于新疆昌吉州阜康市東南約15km處，行政區劃屬昌吉州阜康市管轄。構造上位于中新生代烏魯木齊山前拗陷的東段，博格達復背斜弧形推覆體北側，構造區劃屬于北天山博格達山前斷褶帶[2]。受區域構造影響，總體構造特征以EW向的線性構造為主，主要由單斜構造和逆斷層組成，局部發育較多小型褶皺構造(圖1)。

圖1　研究區構造綱要圖

研究區地層屬北天山地層分區吉木薩爾地層小區，地表出露較好，受構造影響，地層傾角較大，一般大于45°，局部直立。含煤地層為中生代早侏羅世八道灣組和三工河組，其中，以八道灣組為主，厚538.8～951.4m，含煤25～40層(組)，煤層層數多，厚度較大，最大可達29.8m。煤類主要為1/3焦煤、氣煤、肥煤，局部為貧煤、瘦煤。煤質具特低硫、特低磷、特低灰、高熱量等特點。

礦井瓦斯含量高，瓦斯壓力大，歷年均被鑒定為高瓦斯礦井。

2　瓦斯賦存特征

2.1瓦斯地質演化特征

研究區含煤地層沉積環境為河流-湖泊相沉積，聚煤環境較好，沉積較穩定，煤層總厚度大[3]，聚煤作用為瓦斯的生成提供了較好的地質基礎。泥炭形成后，受地殼運動的影響，煤層經歷了不同期次的地質埋藏歷史，與之伴隨的是瓦斯的地質演化，即在盆地構造演化史、沉積埋藏史、有機質生氣史、地下流體活動史等要素的演化控制下，瓦斯的生成、運移、聚集、保存等的高效配置過程[4]，而構造演化史是其中起主導作用的控制因素[5]。

研究區位于準噶爾盆地南緣、博格達山以北，其構造特征及其演化嚴格地受控于區域構造的演化。研究表明，研究區自侏羅紀煤系形成至今，主要經歷了燕山期和喜馬拉雅期兩期構造應力場的作用，煤層經歷了沉降-抬升-沉降-抬升的演化過程[6]。在此期間，煤中有機質發生兩次生氣作用(圖2)。

圖2　研究區主煤層埋藏-生氣史

至白堊紀末期(燕山期末)，侏羅紀煤層達最大埋深4000m左右，煤層整體上處于低演化階段，鏡質組反射率Ro<0.5%～0.55%[7]，煤級達到褐煤-長焰煤階段。煤中生成大量甲烷，為第一次生氣作用，絕大多數逸散到圍巖中，并進一步散失，一部分則主要呈吸附態被保存在煤層中。

始新世開始(喜馬拉雅期)，博格達山前構造帶受SN向擠壓應力場的影響發生強烈的逆沖作用，形成一系列由斷層控制的逆沖斷層和褶曲構造，造成了地層的強烈變形[6]。構造運動一方面使得煤層受動力變質作用強烈，受熱溫度升高，煤變質程度升高，達氣-肥煤階段(鏡質組反射率Ro達1.08%)；另一方面，逆斷層向上沖斷，使得下盤煤層埋深增加，煤層發生二次生氣作用，補充了煤中的甲烷。同時，逆斷層的發育阻礙了煤中甲烷的逸散，使煤中保存較多甲烷。之后地殼進一步抬升，煤中甲烷又逐步逸散，并逐漸達到現今的賦存狀態。

2.2煤層含氣特征

研究區煤層層數多，厚度較大，局部地表出露較好，但由于地層傾角大，使得煤層埋藏較深。五宮煤礦歷年均被鑒定為高瓦斯礦井，通過對礦井瓦斯數據及鉆孔測試數據的分析可知，煤層瓦斯成分主要以CH4和CO2為主，淺部由于煤層埋藏淺，且局部出露較好，造成瓦斯逸散嚴重，瓦斯含量較低。往深部隨著煤層埋深的增大，瓦斯含量明顯增大，最大可達20.1m3/t(圖3)。且隨著煤層厚度的增大，瓦斯含量呈增大趨勢(圖4)。

圖3　煤層瓦斯含量與埋深關系圖

圖4　煤層瓦斯含量與厚度關系圖

3　地質構造對瓦斯賦存的控制

不同類型的地質構造對瓦斯賦存的控制作用不同，且在構造的不同部位，瓦斯分布存在很大的差異性。同時，由于構造活動的多期性使得不同類型的地質構造相互作用，進而影響瓦斯的賦存規律[8-9]。研究區地質構造復雜，斷層、褶皺均較發育。構造位置和構造組合類型的不同，使得瓦斯分布特征不同，瓦斯賦存的差異性較大。

3.1斷層對瓦斯賦存的控制

斷層的性質、數量等發育特征不同，其對瓦斯的賦存規律影響不同。一般而言，張性斷層屬開放性斷層，易造成瓦斯的逸散；而壓扭性斷層為封閉性斷層，有利于瓦斯的封存[1，10]。同時，斷層發育的密集程度不同，瓦斯賦存特征不同。斷層越密集，構造應力越大，煤體結構破壞越嚴重，裂隙越發育。當圍巖透氣性較好或斷層為開放性質時，煤層中吸附態的瓦斯易向游離態轉化，導致瓦斯含量較小[11]。

研究區斷層較發育，組合型式多樣，其對瓦斯賦存的控制作用主要表現在：

(1)研究區斷層數量多，且以封閉性的逆斷層為主，且多條逆斷層組合將礦井切割成若干封閉性區塊，抑制了瓦斯由吸附態向游離態的轉變，有利于瓦斯在煤中的封存，瓦斯保存條件較好。位于該礦西部的煤圈溝井田，為高瓦斯煤礦，亦發育逆斷層為主的構造，瓦斯含量最大達到16.74m3/t，驗證了逆斷層對瓦斯的良好的封存作用。

(2)受斷層影響，煤層發生了結構變形，堅固性系數小，煤的破壞程度加大，煤的破壞類型增高，達到Ⅲ～Ⅴ類，煤層裂隙發育，孔隙度和表面積增大，煤吸附空間增大，吸附能力增強[12]，使得煤中得以保存更多瓦斯。五宮煤礦煤層孔隙度為2.0%～6.1%，孔隙率較小的26#煤層瓦斯含量為2.20～10.30m3/t，而孔隙率較大的45#煤層瓦斯含量最大可達20.90m3/t。

(3)地下水可通過徑流排泄帶走溶解在水中的瓦斯，降低煤中的瓦斯含量[1]。礦井南北邊界斷層為隔水邊界，東西部接受少量的側向補給，總的來說，斷層的作用使礦井處于相對封閉的構造單元中，地下水活動較弱，有利于煤中瓦斯的保存。

3.2褶皺對瓦斯賦存的控制

褶皺對瓦斯的賦存具有明顯的控制作用。在封閉性較好的背斜核部，應力較集中，瓦斯的運移阻力較大，且瓦斯沿兩翼順層向上的補給較多，使得同一埋藏深度的瓦斯含量比兩翼大；而在向斜核部，供應瓦斯區域逐漸減小，且瓦斯運移通道向兩翼逐漸擴大，使得煤層瓦斯含量減小[13]；反之，如果褶皺核部開放性較好，則在背斜核部瓦斯容易逸散，瓦斯含量較兩翼小；在向斜核部地應力較大，孔隙發育，且瓦斯壓力大，煤層可吸附更多瓦斯，而兩翼的瓦斯順層向上運移逸散，導致核部瓦斯含量較兩翼高[14]。

研究區受斷層切割影響，褶皺多表現為單斜構造，并伴生較多次級小型褶皺，兩翼傾角較大，局部近于直立。由于地層傾角較大，使得瓦斯沿兩翼順層向上逸散作用較大，但受斷層影響，褶皺多被切割，瓦斯的順層向上逸散受逆斷層的封堵，使得瓦斯得到很好地保存。

3.3不同構造封蓋層組合對瓦斯賦存的控制

構造對瓦斯賦存的控制最直接地表現為不同類型的構造組合及封蓋層的控制作用[4]。煤層氣藏研究中常把構造分為向斜構造、背斜構造、褶皺-逆沖推覆構造和伸展構造4個大類，根據構造組合樣式的不同及封蓋層的性質可進一步將其劃分為9種類型，不同類型煤層的含氣性不同(圖5)[15]。

圖5　構造封蓋層巖性組合類型與含氣性

研究區受地層沉積及后期不同期次構造應力的影響，構造封蓋層組合類型為褶皺-逆斷層構造類型(圖6)，煤層瓦斯直接封蓋層以泥巖、砂質泥巖、粉砂巖為主，蓋層透氣性較差，對瓦斯的垂直逸散有良好的阻隔作用，瓦斯封蓋條件較好。前面講到，研究區斷層以封閉性的逆斷層為主，褶皺多為單斜構造，構造組合對瓦斯的封存較好，使得現今瓦斯可以得到很好地保存，造成瓦斯含量較高。實踐證明，位于該礦西部的煤圈溝井田，逆斷層發育相對較少，沒有形成很好的構造封蓋類型，使得煤層瓦斯普遍比具有褶皺-逆斷層構造類型的五宮煤礦的煤層瓦斯含量高[16-17]。

圖6　研究區構造封蓋層組合類型示意圖

4　結論

通過對研究區構造對瓦斯賦存特征的研究，得出其控制作用主要表現在以下幾個方面：

(1)研究區侏羅紀聚煤作用較好，煤系沉積后發生兩次生氣作用，為煤中瓦斯的生成提供了很好的地質基礎。

(2)研究區斷層較發育，且以封閉性較好的逆斷層為主；斷層造成煤發生結構變形，吸附瓦斯空間增大，吸附能力增強，進而使煤中得以保存更多瓦斯。斷層使礦井處于相對封閉的水文地質單元中，有利于煤中瓦斯的保存。

(3)研究區褶皺受斷層影響多被切割，呈單斜構造，瓦斯的順層向上逸散受逆斷層的封堵作用，使得煤中可以保存更多瓦斯。

(4)研究區構造封蓋層組合類型為褶皺-逆斷層構造類型，蓋層透氣性較差，對瓦斯的封存作用較好。

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Tectonic Control on Gas Occurrence of Wugong Coal Mine in Xinjiang Uygur Autonomous Region

WANG Xianchao

(Geophysical Prospecting and Surveying Brigade of Shandong Coalfield Geology Bureau, Shandong Tai'an 271000, China)

In order to understand the tectonic control action on gas occurrence of Wugong coal mine, geological evolution characteristics of gas have been analyzed, control actions of tectonic and its types on gas occurrence have been studied as well. It is showed that twice coal generation processes have happened after coal sedimentary and generated much gas. Faults are mainly composed of reverse faults with better sealing property. Coal strata occurred structural deformation influenced by faults and could adsorb more gas. The coal mine is in a relative closed hydrogeological unit which will prevent gas fugitive. Folds were monoclinic structures cut by faults, and gas fly up along faults and is sealed by faults. The combination of structures and covering layers are fold- reverse type. Sealing cover has a bad air permeability, which are useful for keeping gas.

Gas occurrence; gas-bearing property; fault; fold; type of tectonic and sealing cover; Wugong coal mine; Xinjiang Uygur Autonomous Region

2014-11-03；

2015-02-13；編輯：曹麗麗

王先超(1979—)，男，山東濟寧人，工程師，主要從事煤田地質與金屬礦產地質技術管理工作；E-mail：83245916@qq.com

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