漳村煤礦3號煤層瓦斯賦存規律及控制因素分析

朱加鋒，茍云用

(1.潞安礦業集團公司 通風處，山西 長治 046204；2.潞安環能股份公司 漳村煤礦，山西 長治 046032)

礦井瓦斯既是綠色能源又是煤與瓦斯突出的主要動力。如何準確預測礦井中的瓦斯賦存和分布，不僅對于礦井安全采掘，而且對于煤層氣綠色開采具有重要意義，因此備受煤礦工程技術人員和學者的重視。自20世紀70年代起，瓦斯地質逐漸被人們認識并不斷拓展，成為揭示煤層瓦斯賦存、運移和分布的應用科學[1]，一系列方法和技術被應用于瓦斯地質規律預測中，曹運興等[2-5]提出了瓦斯地質單元復雜程度預測方法，并據此建立了不同的瓦斯地質模型預測瓦斯分布和涌出量規律，進而認識到構造煤和地質構造是影響和控制瓦斯突出的主要因素；張子敏等[6-7]提出了三級瓦斯地質編圖與瓦斯治理方法，指出礦井瓦斯地質賦存和分布一方面受制于區域構造及演化，另一方面與礦井地質構造條件有關。

漳村煤礦隨著礦井采深的不斷增加，瓦斯含量及壓力逐漸增大，成為煤礦安全生產的主要威脅，揭示新采區(+480 m水平)礦井瓦斯分布規律和地質控制因素顯得尤為重要。眾多學者對此做了大量工作：王堯等[8]研究了漳村煤礦3號煤層淺部的瓦斯地質規律，認為井田上覆基巖對煤層瓦斯的影響作用明顯；張利軍[9]研究了漳村礦西區瓦斯地質規律，得出瓦斯賦存主要受基巖和煤層埋深因素影響；包小龍等[10]研究了2601工作面的瓦斯含量及涌出量分布。然而，隨著采深的增加，礦井地質條件逐漸復雜化，深部瓦斯地質規律明顯不同于淺部，需要進一步研究瓦斯賦存的特殊性。基于此，本文以漳村煤礦+480 m水平深部為研究對象，通過瓦斯地質規律分析，建立瓦斯地質耦合模型，揭示瓦斯地質影響及控制因素，為漳村煤礦瓦斯抽采和防治提供指導。

1 地質背景

漳村煤礦位于潞安礦區中部東緣，北以文王山斷層為界，南鄰常村煤礦，西接余吾煤業，整體為一西窄東寬的矩形；井田地層整體平緩，傾角一般為3°～8°，主要為奧陶系中統峰峰組(O2f)、石炭系中統本溪組(C2b)、石炭系上統太原組(C3t)、二疊系下統山西組(P1S)和下石盒子組(P1X)、二疊系上統上石盒子組(P2Sh)和第四系(Q)。目前主采二疊系下統山西組(P1S)的3號煤層，厚度4.1～7.2 m，平均厚度6.11 m，結構比較簡單，局部地區略微復雜，一般含夾矸1～2層；礦井絕對瓦斯涌出量為36.12 m3/min，相對瓦斯涌出量4.73 m3/t，屬高瓦斯礦井。

井田內構造以褶皺為主，主要構造為陷落柱(>40個)和正斷層(>110條)，其中規模相對較大的是井田北部的斷層，主要由文王山南正斷層和派生斷層構成，整體走向為NEE向，文王山南斷層落差在230～400 m；北部受文王山南斷層的拖曳影響，地層走向由NS轉為NEE向，傾向NNW，局部傾角可達15°，文王山南正斷層及其伴生斷層控制了井田構造發育特征。

2 區域構造演化及瓦斯賦存

瓦斯作為煤層的產物，煤體是它的唯一載體，煤層變形、變質等受地質演化的控制。大量的研究發現，區域構造不僅直接影響礦井構造，而且直接影響瓦斯賦存[11-13]。潞安礦區位于華北斷塊區呂梁-太行斷塊沁水塊坳東部次級構造單元沾尚-武鄉-陽城NNE向凹褶帶中段，沁水盆地的東翼中部，晉獲斷裂帶西側，主體部分疊加長治新裂陷[6]。根據潞安礦區構造發育特征，主要分為NEE-NE向、NNE-SN向和NW向三組構造，演化分為5期，主要包括：①印支期，構造應力場主壓應力方向為S-N向，形成近E-W向的隆起和斷裂；②燕山運動早期，EW向主壓應力作用，形成大型開闊褶皺；③燕山運動中期，在構造應力場作用下，主要是NNE向構造形成，發育晉獲逆沖推覆構造；④燕山晚期-喜山期，NNE-SSW向擠壓，形成NEE和NW向X型共軛剪破裂，構成地塹地壘組合；⑤古近紀及第四紀，應力場主要為NEE-SWW，NNW方向構造受到擠壓作用。其中，燕山期潞安礦區廣泛發育的巖漿運動及構造作用，不僅控制潞安礦區的構造特征并直接導致煤層氣的生成，與楊起等[14]對華北礦區煤的變質作用的研究結果一致，燕山晚期及第四紀的構造應力轉換是造成目前礦井瓦斯賦存的主要控制因素。

3 3號煤層瓦斯地質規律分析

3.1 瓦斯地質數據來源

漳村煤礦瓦斯地質數據主要來源于井下實測和地勘鉆孔。通過收集和整理礦井瓦斯資料，共獲得瓦斯含量數據90個，其中最大含量位于漳-91鉆孔，瓦斯含量為13.40 m3/t，最小值為漳-90鉆孔，含量僅為0.13 m3/t，臨近區域內較大的瓦斯含量差異性說明漳村煤礦瓦斯賦存分布不均衡。

3.2 頂、底板巖性對瓦斯賦存的影響

在漳村煤礦地勘鉆孔的基礎上統計了3號煤層直接頂、底板巖性，其中偽頂和直接底厚度分別為0.33～8.5 m和0.2～21.5 m，巖性為炭質泥巖、泥巖、砂質泥巖和砂巖，瓦斯賦存與直接頂、底板巖性和厚度存在著直接關系。從偽頂和直接底在礦井分布觀察發現，偽頂中間薄兩邊厚，局部成團塊分布；直接底厚度由NE向SW遞減，并且在文王山斷層附近直接出現高值。由頂板和底板20 m范圍內的泥巖厚度可以得出：井田范圍內部瓦斯含量和涌出量都與頂板的泥巖厚度存在一定關系。

3.3 煤層埋深對瓦斯賦存的影響

影響煤層瓦斯含量的因素很多，其中煤層埋深是最有普遍性的因素之一[15-16]。漳村煤礦隨著煤層深度的增加，圍巖的透氣性降低，地應力增高，瓦斯向地表運移距離相應增加，這些因素均有利于瓦斯賦存。

根據獲得的鉆孔地質資料，利用surfer軟件繪制了漳村煤礦3號煤層埋深等值線圖(見圖1)。結果顯示，3號煤層埋深自SE到NW增加，整體上呈現寬緩的波狀起伏，在局部區域內埋深并不均一，其中在北部文王山斷層附近埋深增加，而在礦井SW方向埋深變淺。

統計分析瓦斯含量(W)與對應煤層埋深(Hi)數據，然后進行線性回歸(見圖2)，建立如下數學模型：

W=0.024 3Hi-5.012 4

(1)

式中：Hi為煤層埋藏深度，m；W為瓦斯含量，m3/t。其中，每100 m的瓦斯含量梯度為2.43 m3/t，二者的相關性為0.412 9。

圖2 漳村煤礦3號煤層瓦斯含量與埋深回歸線

3.4 煤層上覆基巖有效厚度對瓦斯含量的影響

利用獲得的鉆孔資料，繪制了上覆基巖有效厚度等值線圖(見圖3)。由圖3可知，上覆基巖厚度與煤層埋深趨勢具有一致性，自S向N增大，其中在NW和中部基巖較厚。

圖3 漳村煤礦3號煤層上覆基巖有效厚度等值線

由瓦斯含量與基巖厚度的關系，將瓦斯含量(W)與其對應基巖厚度(Hj)進行線性回歸(見圖4)，建立如下數學模型：

W=0.036 7Hj-9.819 1

(2)

式中：Hj為煤層上覆基巖有效厚度，m；W為煤層瓦斯含量，m3/t。每100 m的瓦斯含量梯度為3.67 m3/t，二者的相關性為0.684 1。

圖4 漳村煤礦3號煤層含量與上覆基巖有效厚度回歸線

4 礦井瓦斯不均衡分布的地質控制

4.1 斷層對瓦斯賦存的控制作用

制約礦井瓦斯分布的因素較多，其中局部小構造是重要的控制性因素[17]。資料顯示，漳村煤礦整體上屬于寬緩的背向斜相間構造，對瓦斯含量影響較小。從礦井實際揭露的情況看，煤層內的小斷層較為發育，其中小斷層和文王山斷層走向角度可以達到近似垂直。通過在斷層上下測定的瓦斯含量發現，距離斷層面越近，瓦斯含量越大，在水平延展區域內由斷層性質得出不利于瓦斯保存，而結果發現在斷層附近瓦斯含量異常大，可能是斷層走向和現代構造應力場相互作用，從而對封閉瓦斯有利(圖5(a))。斷層的發育類型除了區域構造應力場分布造成的外，斷層落差造成的巖性封閉也是造成瓦斯聚集的主要因素，其遠高于同區域內的瓦斯含量值，而文王山南斷層落差造成的巖性封閉(圖5(b))及其區域內發育的地壘-地塹構造類型是造成瓦斯富集的主要原因。

4.2 陷落柱對瓦斯賦存的控制作用

漳村煤礦3號煤層陷落柱的水平切面近似橢圓形或圓形，從地震探測的結果看，陷落柱的長軸方向幾乎全為近EW向，短軸方向為近NS向。通過對陷落柱發育的觀測發現，在向斜線兩側300 m范圍內巖溶陷落柱主要與向斜軸部的張性應力部位有關。陷落柱的分布對煤層及瓦斯影響明顯，其基本特征可分為3類：第一類，陷落柱的發育造成局部產生無煤帶，如X32陷落柱內的鉆探結果顯示為無煤結構(見圖6(a))；第二類，由于陷落柱構造致使煤層變厚，如X24陷落柱使得2701-45鉆孔內的3號煤層厚度增大(厚度達到6.02 m)，而在同區域內的漳-81鉆孔顯示其煤層厚度為5.3 m(見圖6(b))；第三類，從采掘揭露陷落柱的整體情況看，陷落柱及其附近的瓦斯含量一般較小，如X23、X27陷落柱附近鉆孔的瓦斯含量都低于該區域內同一埋深，分別為1.63 m3/t和1.02 m3/t(見圖6(c))。因此， 3號煤層內陷落柱并不是影響瓦斯賦存的主要因素。

圖5 斷層對礦井瓦斯的控制作用

圖6 陷落柱對煤層瓦斯賦存的控制

4.3 瓦斯賦存的主控因素分析

影響3號煤層瓦斯含量有不同的因素，由W=0.024 3Hi-5.012 4和W=0.036 7Hj- 9.819 1可以看出上覆基巖厚度、埋藏深度對瓦斯賦存影響較大。由于地表被第四季黃土層覆蓋，表土層對瓦斯的運移和賦存影響不大，其次上覆基巖厚度與瓦斯賦存線性回歸關系相關系數最大，綜上可得：瓦斯含量賦存主控因素是上覆基巖厚度。

5 結 語

1) 分析了漳村煤礦3號煤層瓦斯賦存和分布特征，發現燕山期奠定了礦井構造格架，同時也是煤層氣生氣的主要階段，古近紀及第四紀的構造運動控制了當前礦井瓦斯分布。

2) 分析了漳村煤礦礦井構造特征，發現3號煤層瓦斯分布與煤層埋深和上覆基巖厚度有關，而上覆基巖厚度是礦井瓦斯賦存的主要控制性因素。

3) 瓦斯在區域內的分布呈現不均衡性，局部小斷層是造成區域瓦斯不均衡分布的主要因素。