五宮煤礦區兩大環境地質因素及其控制條件

王 玲

（山東省煤田地質局第五勘探隊，山東泰安271000）

五宮煤礦區兩大環境地質因素及其控制條件

王 玲*

（山東省煤田地質局第五勘探隊，山東泰安271000）

為認識五宮煤礦兩大環境地質因素，分析了瓦斯和煤層自燃的發育特征，探討了控制兩大環境地質因素的地質條件。研究表明，研究區煤層厚度大、層數多、瓦斯含量較高。煤層為特低硫—中硫煤，揮發分屬中高—特高，自燃發火煤層和容易自燃發火煤層占85%以上。構造運動控制了煤層的2次生氣過程，產生了大量瓦斯，伴生的逆斷層阻隔了瓦斯的逸散，使得煤層瓦斯含量較高。地層傾角較大，出露較好，且伴生的大量裂隙系統提供了氧氣通道，促進了煤自燃的發生。煤中順層向下流動的水阻隔了瓦斯的順層向上運移，對瓦斯起到有效的封存。水對煤體自燃的初始階段起到促進作用，隨水分蒸發減少，煤低溫氧化熱量無法逸散，同時煤層暴露較好，夏季炎熱，光照充足，煤體熱量易聚集，加之氧氣供給相對豐富，自燃較易發生。

五宮煤礦；環境地質因素；瓦斯；煤層自燃；水文地質條件

近年來，隨著化石能源的不斷開采利用，與之伴隨的環境問題日益突出，國家十二五規劃中也把環境保護問題當做一項重要議題。新疆地區煤炭資源豐富，預測儲量2.19×1012t，占全國預測儲量的40%以上，煤炭的開采利用對于新疆地區的經濟發展起著重要的支撐作用。然而，煤炭開采過程中伴隨的環境問題也較為突出，其中最重要的兩大環境地質因素為瓦斯和煤層自燃形成的火燒區[1]。新疆地區煤層以侏羅紀煤層為主，煤層層數多，厚度也一般較大，且在一些構造復雜區瓦斯含量較大，最大可達20m3/t以上。無論是井下開采還是露天開采，瓦斯涌出風險較大，為瓦斯安全事故的發生提供了可能的條件。處于地表的煤層露頭由于易氧化，燃點低，容易發生煤層自燃。這兩大環境地質因素不僅嚴重制約煤礦的安全開采，同時也造成了相當規模的資源浪費。因此，深入分析煤礦開采過程中的環境地質因素，研究影響其存在的控制條件顯得尤為重要和緊迫。

五宮煤礦煤層層數多、厚度大、瓦斯含量高；且地表煤層自燃較嚴重，火燒區面積大。深入研究兩大因素的發育特征及其控制因素對下一步指導煤礦的滅火工作及安全生產具體重要的現實意義。

1 地質概況

五宮煤礦位于新疆昌吉州阜康市南部約15km處，行政區劃屬阜康市管轄。構造區劃屬北天山博格達山前斷褶帶，位于博格達復背斜弧形推覆體北側。總體構造特征以東西向的線性構造為主，主要由單斜構造和逆斷層組成。高角度的逆斷層將井田切割成多個小的構造單元，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，地層傾角一般大于45°，地表出露較好。侏羅系下統八道灣組為主要含煤地層，厚674.80～1001.55m，平均厚度819.08m，共計含煤46層（組），含煤系數19.87%，平均總厚163.82m，其中，可采煤層23層（組），煤級主要為氣煤、肥煤，局部為焦煤。

2 研究區兩大環境地質因素

2.1 瓦斯

研究區目前開采標高+763m水平，位于瓦斯風氧化帶以下。根據歷年瓦斯等級鑒定結果，礦井均被鑒定為高瓦斯礦井。根據以往測得瓦斯含量數據，各煤層瓦斯含量一般均較大，23層（組）煤中有20層（組）瓦斯含量大于10m3/t，一般介于5.41～19.58m3/t，最大可達21.38m3/t。瓦斯壓力介于0.75～1.25MPa，工作面絕對量瓦斯涌出量一般大于12.00m3/min，八道灣組二段煤層最大可達41.63m3/min。本井田有21層（組）煤達到煤層氣估算指標，其推斷的煤層氣總資源量為32.952×108m3，具有較大的資源儲量和經濟利用價值。而目前井下抽放的瓦斯均未得到有效利用，全部被排入大氣，是研究區最大的環境地質因素。

2.2 煤層自燃

研究區地層傾角較大，局部近于直立。煤層地表出露較好，且僅在研究區北部有第四系覆蓋，煤層自燃現象普遍存在。研究區煤層自燃后形成的火燒區共計9個，主要分布在研究區中部，面積約2.37km2，占研究區面積達27.75%。其中，仍有3個活火燒區仍在燃燒。根據鉆孔揭露及電法、磁法解譯結果，煤層自燃深度平均在92.13m，最深達230.84m（圖1）。

煤層自燃一方面造成資源的極大浪費，且煤中硫分轉化為二氧化硫，形成有害氣體直接排入大氣；另一方面，自燃后形成了較大的地層空洞，同時上覆地層巖石受熱烘烤，力學性質下降，嚴重危害礦井的安全生產。

3 控制作用研究

筆者前期對研究區做了大量的地質工作，包括現場踏勘、鉆探、電法磁法測量、化驗測試等，通過綜合研究認為，控制研究區瓦斯和煤層自燃的因素主要為煤層、地質構造、水文地質條件及地形地貌。

3.1 煤層發育特征的控制

煤層在地質歷史時期中受熱演化作用形成瓦斯，是瓦斯地質問題的根源；同時，煤的物理化學性質又為自燃創造了物質條件[2]。大量研究表明，煤層厚度越大，煤層越破碎，瓦斯含量和瓦斯壓力一般也越大；煤中揮發份越高，含硫越多，則煤越易自燃。煤中硫分往往是煤層自燃的強烈催化劑[3]。

研究區侏羅系八道灣組二段和三段煤層層（組）數最多，厚度最大，一般介于1.63～13.21m，最大可達30.86m。與之相應的瓦斯含量一般介于5.41～19.58m3/t，最大可達23.36m3/t。而煤層厚度相對較小的八道灣組一段和四段煤層瓦斯含量一般在10m3/t以下（表1）。

表1 研究區煤層厚度與瓦斯含量表

研究區發生自燃的煤層硫分含量介于0.28～1.75%，為特低硫—中硫煤。揮發分均大于30.43%，屬中高—特高揮發分煤。煤層自燃傾向性實驗表明，自燃發火煤層和容易自燃發火煤層占85%以上。

3.2 地質構造的控制

地質構造對瓦斯和煤層自燃的控制表現在2個方面：一是控制了沉積有機質的形成環境和有機質的類型，沉積有機質形成后，受地殼沉降埋藏影響，有機質發生變質作用形成不同煤級的煤層，同時伴隨大量甲烷的形成。形成的甲烷除大部分逸散外，部分儲存在煤層和圍巖孔裂隙中[4]。二是構造運動形成的各種構造形態控制了煤層及瓦斯的現今賦存特征。在不同構造部位，煤層及瓦斯的賦存特征不同。構造運動的抬升使得煤層出露地表，發生氧化剝蝕，進而造成煤層自燃的發生。褶皺核部一般裂隙較發育，瓦斯容易逸散，瓦斯含量一般小于兩翼。而逆斷層對煤中瓦斯運移有很好的封堵作用，使得煤中瓦斯得到很好的保存；與之相反，正斷層為張性斷裂，裂隙連通性較好，有利于瓦斯的逸散[5]。統計分析表明，我國大部分斷層發育的煤礦區，逆斷層發育區常伴隨高瓦斯礦井或高瓦斯區的存在，而正斷層發育區常伴隨低瓦斯礦井或低瓦斯區的分布。

研究區八道灣組為河流—湖泊相沉積產物，聚煤環境較好，沉積穩定，煤層總厚度較大，聚煤作用為瓦斯的生成提供了較好的物質基礎。沉積有機質形成后，受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，有機質經歷了2次生氣作用（圖2），鏡質組反射率Ro達1.08%。與此同時，大量發育的逆斷層阻隔了煤中瓦斯的逸散，使得煤層瓦斯含量較高。

圖2 研究區主煤層埋藏—生氣史

研究區構造區劃屬北天山博格達山前斷褶帶，喜山期強烈的構造擠壓使得研究區形成了大量的高角度逆斷層和緊閉褶皺。煤層產狀一般大于45°，在研究區中部及南部地層近于直立，含煤地層幾乎均出露地表，為煤層氧化自燃提供了有利條件。同時，構造運動使得含煤地層形成了大量的裂隙系統，而裂隙是溝通煤層與氧氣的直接通道，促進了煤層自燃的發生。如圖3所示，向斜核部煤層自燃最嚴重，火燒深度最大，達近100m。核部位置一方面煤層厚度大，下伏2層煤層厚度均在5.0m以上，而兩翼一般是1.0m以下的相對薄的煤層；另一方面張性裂隙發育，氧氣供應充足，這些都為煤層自燃提供了有利的地質條件。

3.3 水文地質條件的控制

瓦斯主要以吸附態賦存在煤的孔隙中，部分游離在煤層及圍巖裂隙中。地下水系統既可以為瓦斯的封存和富集提供天然屏障，又可溶解瓦斯，使瓦斯隨水的徑流發生逸散。研究表明，水文地質條件對瓦斯的控制可概括為3個特征：①水力運移逸散作用；②水力封堵作用；③水力封閉作用。其中，第一種作用導致瓦斯的運移、散失，后2種作用有利于瓦斯的保存、富集[6]。

煤層自燃與水有重要的聯系，大量研究表明，水對煤自燃既有促進也有抑制作用[7]。促進作用表現在煤自燃開始階段，水對煤的氧化有著重要的催化作用。煤體孔隙較發育，具有較大的比表面積，水分在潤濕煤的過程中，水分與煤體內表面相互作用并釋放出一定量的潤濕熱，增加煤體溫度，從而促進煤自燃初期的氧化。抑制作用表現在：煤體中存在2種形態的水分，一種是孔裂隙水分，另一種是化學水分（氧化基團氫鍵）。研究表明，在足夠高的水分含量條件下，孔裂隙水的蒸汽壓力將有效阻止空氣中的氧分子與煤體接觸，進而阻止煤的氧化自燃[8]。

研究區地下水主要受大氣降水和高山融雪補給，水沿地表露頭順層向下流動，而煤中瓦斯運移方向為順層向上運移，地下水的補給有效封存了煤中的瓦斯。同時，由于研究區逆斷層較發育，斷層一般不導水，瓦斯無法隨地下水活動運移逸散，煤中瓦斯得到很好的保存。

研究區氣候屬北溫帶大陸性干旱—半干旱氣候。夏季炎熱，冬季寒冷，晝夜溫差大。7月份最高氣溫可達35.3℃，多年平均降水量251.59mm，蒸發量大，約為降水量的5倍，為1659.4mm。如前文所述，水對煤體自燃的初始階段起到促進作用，隨著水分的蒸發減少，煤體低溫氧化釋放的熱量無法逸散，而水的蒸發使得煤中孔裂隙有更多的空間富集氧氣，為煤自燃提供了較好的地質條件。

圖3 研究區背斜構造區煤層自燃特征圖

3.4 地形地貌的控制

地形地貌及氣候特征也是影響煤體自燃的重要方面[9]，在山間低洼處，大氣降水和地表水系容易聚集，對低洼露頭區的自燃起到很好的抑制作用。同時，在周圍有較高的山丘或陡崖的遮擋條件下，日照對煤的影響相對較弱。而在山丘地區，處于山頂或山腰處的煤層，一方面水分缺乏，另一方面，露頭周邊沒有大的高山或陡壁遮擋，陽光直接照射在煤體上，促進了煤體溫度的升高，進而加速了煤的自燃。

研究區最高海拔+1255.30m，最低海拔+817m，山體陡峭，地表水系不發達，且第四系覆蓋較差，這些區域煤層暴露較好，夏季炎熱，光照充足，煤體熱量容易聚集，加之氧氣供給相對豐富，自燃較易發生。

4 結論

通過對研究區兩大環境地質因素的研究，得出控制瓦斯和煤自燃的主要地質條件包括煤層、地質構造、水文地質條件及地形地貌。具體表現在：

（1）研究區煤層厚度大、層數多，瓦斯含量以含煤層最厚的八道灣組二段和三段最高。發生自燃的煤層為特低硫—中硫煤，揮發分屬中高—特高揮發分煤，自燃發火煤層和容易自燃發火煤層占85%以上。

（2）構造運動控制了煤層的2次生氣過程，大量發育的逆斷層阻隔了煤中瓦斯的逸散，使得煤層瓦斯含量較高。地層受構造控制，地表出露較好，且伴生的大量裂隙系統提供了氧氣通道，促進了煤層自燃的發生。

（3）煤層中順層向下流動的水阻隔了瓦斯的順層向上運移，對瓦斯起到有效的封存。水對煤體自燃的初始階段起到促進作用，隨水分蒸發減少，煤低溫氧化熱量無法逸散，加之孔裂隙富集更多氧氣，為自燃提供了較好的地質條件。

（4）研究區山體陡峭，煤層暴露較好，夏季炎熱，光照充足，煤體熱量容易聚集，加之氧氣供給相對豐富，自燃較易發生。

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1004-5716（2015）09-0152-04

2015-07-28

王玲（1982-），女（漢族），新疆奎屯人，工程師，現從事水工環技術工作。