豐城礦區B4煤層瓦斯賦存及分布規律研究

鄒愛國

（安源煤業集團股份有限公司，江西 南昌 330028）

豐城礦區位于江西省中部豐城市境內，中心位置距豐城市城區約10 km，東起羅湖，西至云莊；北起煤層露頭，南止B4煤層-1 050 m煤層底板等高線。礦區東西走向長20 km，南北寬10 km，面積約200 km2，區內主采煤層為龍潭組老山段B4煤層。

從煤田地質勘探資料和歷年的開采實踐可知，豐城礦區B4煤層瓦斯分區現象明顯，北部（B4煤層底板標高-200 m以淺），南部（B4煤層遭紅層剝蝕線附近）為低瓦斯區［1］。隨著開采深度的增加，煤層由淺部向深部依次為低瓦斯區、高瓦斯區、煤與瓦斯突出危險區。豐城礦區B4煤層瓦斯含量形成這種規律性分布的分區特征，主要是由成煤環境和地質構造等因素綜合控制的結果。本文就豐城礦區地質勘查和開采實踐，對礦區B4煤層瓦斯分區特征和規律進行分析和總結。

1 瓦斯賦存構造逐級控制特征

1.1 斷裂構造對B4煤層瓦斯賦存的影響

豐城礦區總體呈一寬緩狀向斜構造，區內斷裂構造復雜程度有明顯的差異性，且分區特征明顯［2-3］。總體上看，區內向斜南翼自東向西斷層規模和密度呈增加趨勢；從空間上看，東側構造較簡單，西側較復雜。向斜北翼從淺部生產礦井和原始地質勘探資料可知，地質構造東、中部較簡單，至西部趨復雜。豐城礦區中部坪湖煤礦、建新煤礦、曲江礦井斷層較少，且多發育為正斷層，呈北東走向；礦區西部的云莊煤礦、尚莊二井、豐龍煤礦、巷口煤礦一帶斷層發育，走向呈南北向，且多發育為正斷層，區內形成多個“地塹”或“地壘”構造；礦區內發育的這些斷層大多是張性正斷層。這些開放的張性正斷層對B4煤層瓦斯的逸散較為有利，為B4煤層原始瓦斯逸散提供了便利通道，導致斷層附近B4煤層瓦斯含量相對較低。但隨著開采深度的增加，煤層底板等高線-450 m以深的張性正斷層附近，往往也是高應力瓦斯富集區。其原因主要是斷層裂隙帶煤巖層比較破碎，裂隙發育，利于瓦斯聚集；由于煤層埋深增加，地應力增大，聚集在斷層帶附近的瓦斯較淺部難以逸散，導致斷層附近B4煤層瓦斯含量較高。

但本礦區的西部亦發育一些小的逆斷層，如豐龍煤礦25.270 1 孔。這類小的逆斷層多呈壓性結構，斷層上盤的B4煤層與斷層下盤透氣性很差的老山中亞段泥巖或泥質頁巖相接觸，對瓦斯氣體起到封閉作用，導致逆斷層附近B4煤層瓦斯相對富集。因此，石上煤礦25.2701 孔比其它同類條件下B4煤層埋深相近的鉆孔（如2701 孔）瓦斯含量普遍要高3～5 m3/t。

1.2 褶皺構造對B4煤層瓦斯賦存的影響

含煤地層在地質構造運動的影響下，必然要產生形變，使得煤層的埋藏深度和產狀發生變化。褶皺構造的向斜或背斜的軸部是良好的儲氣構造，此處的B4煤層容易聚集大量的煤層氣，瓦斯含量較高［4］。

本礦區B4煤層的埋深與瓦斯含量之間關系較密切，煤層埋藏越深，瓦斯含量就越高，曲江礦井鉆孔中的B4煤層瓦斯測試結果可明顯地反映出這一特征，見表1。

表1 曲江礦井部分鉆孔煤層瓦斯測試成果

2 礦區瓦斯地質規律

2.1 煤化作用程度對煤層瓦斯賦存的影響

根據原江西省煤田地質局提交的 《煤炭地質勘探階段瓦斯評價的研究》科研成果報告，二疊系龍潭組樂平煤系B4煤層在本區煤化作用程度和瓦斯含量的關系見圖1。

圖1 揮發分（Vdaf）與煤層瓦斯含量（樂平組B4煤層）關系

由圖1 可知：

當Vdaf＜3%、Vdaf＞32%時，為低瓦斯含量域。當Vdaf＜3%時，Vdaf與煤層瓦斯含量多呈正相關；當Vdaf＞32%時，Vdaf與煤層瓦斯含量多呈負相關。

當Vdaf介于3～32%間時，Vdaf與瓦斯含量呈不對稱的“鐘形”，拐點約在Vdaf為5.20%處。當Vdaf小于5.20%（相當于二號無煙煤）時，二者呈正相關，當Vdaf大于5.20%時二者多呈負相關。

江西樂平組B組煤層煤種為焦煤、焦瘦煤、瘦煤、貧煤、三號無煙煤、二號無煙煤，開采時基本上為高瓦斯和煤與瓦斯礦井；煤種為氣煤、氣肥煤、肥煤、1/3 焦煤、一號無煙煤，開采時為低瓦斯礦井。

2.2 煤層圍巖巖性對煤層瓦斯賦存的影響

豐城礦區龍潭組（除官山段地層）屬于淺海—障壁海岸沉積體系，巖性組合以砂巖、粉砂巖、泥巖、細砂巖、炭質泥巖互層，并含主要可采B4煤層。該沉積體系形成的巖層滲透性差，特別是位于B4煤層之上的老山中亞段泥巖，厚度為83～91.5 m，巖層封閉性好，透水透氣性差，對B4煤層的瓦斯封蓋能力強，使煤層瓦斯不易擴散，有利于B4煤層的瓦斯賦存。

2.3 水文地質條件對煤層瓦斯賦存的影響

水文地質條件對煤層瓦斯賦存的影響，主要表現在：（1）煤體或裂隙表面因為水的賦存，擠占了瓦斯聚集的空間，排除了其表面的游離態瓦斯，減弱了煤層的儲氣能力；（2）地下水對煤層中的瓦斯有溶解作用，使一部分瓦斯氣體溶解在水體中，同時由于地下水的流動也將一部分瓦斯隨水流被帶走，從而降低了煤層瓦斯含量；（3）當煤層被開采時，采動裂隙中地下水的活動破壞了儲層對瓦斯的封閉，為煤層的瓦斯逸散打開了通道、創造了條件。

大量采探資料也證實了水文地質條件對瓦斯賦存的影響。如豐城礦務局坪湖煤礦東部邊界，B4煤層與覆蓋于其上的侏羅紀砂巖含水層屬于不整合接觸，B4煤層直接與砂巖含水層接觸，受侏羅紀含水層長期滲透的影響，B4煤層的瓦斯含量相對較低；再如豐城礦區龍潭組C組煤層，由于上覆地層長興灰巖的巖溶水對C組煤層的影響，使其煤層瓦斯含量也較低。開采C組煤層的礦井均為低瓦斯礦井，而豐城至高安一帶開采B4煤層的礦井多為煤與瓦斯突出礦井。

2.4 煤層厚度對煤層瓦斯賦存的影響

煤層厚度與瓦斯含量關系密切，煤層厚度越厚，其瓦斯含量就越高。當煤層厚度發生變化時，煤厚變化區域的煤層瓦斯含量也會出現增高的趨勢。原因是當煤層厚度發生變化時，煤體內瓦斯沿煤層逸散時，由厚煤層至薄煤層（或者由薄煤層至厚煤層）處，存在瓦斯富集“瓶頸效應”，出現瓦斯聚集區，因而表現出煤層瓦斯含量與煤層厚度有較密切的關系，這一特征在本礦區表現比較明顯，見表2。

表2 豐城礦區煤層瓦斯與煤層厚度關系

2.5 剝蝕強度對煤層瓦斯賦存的影響

區域性的地質構造運動，對煤層及其上覆地層的巖性組合和厚度起控制作用。

煤系地層因區域性的升降運動，被抬升的范圍和高度以及遭受剝蝕時間的長短等，都直接影響著瓦斯風化帶的發育程度。在豐城礦區曲江—石上向斜的南翼，由于B4煤層煤系地層在古地史時期曾被強烈抬升并暴露地表被剝蝕過，大量瓦斯被逸散，因而出現了B4煤層瓦斯含量較低，與該礦區北翼B4煤層同等埋深煤層瓦斯含量高呈現出不同的特征；礦區南翼位于B4煤層古瓦斯風化帶附近的907、1301、1704、1902、2103、2501、2701 等鉆孔，其煤層埋藏深度在570.50～835.90 m，但瓦斯含量都小于4 m3/t，比礦區北翼相同埋深的B4煤層瓦斯含量要低得多。

3 預測礦井瓦斯涌出量

1）礦井瓦斯相對涌出量隨著煤層埋深的增加而增加，且二者相互關系呈正相關，煤與瓦斯突出強度亦隨著煤層埋深的增加而增大。

2）煤層變厚、構造相對簡單部位瓦斯涌出量大。

3）豐城礦區B4煤層變質程度由東向西漸趨增高，由東向西煤與瓦斯突出強度有增強的特征。

4）煤與瓦斯突出大多發生在煤層比較松軟，即斷層構造煤發育、地應力增大處，且逆斷層附近發生煤與瓦斯突出的機率較正斷層附近高。

5）煤層厚度急劇變化增厚的煤包處發生煤與瓦斯突出的可能性較大；向斜、背斜軸部也是煤與瓦斯突出的高發區域。

6）煤層頂底板巖性為粉砂巖、泥巖、頁巖且厚度大的區域，其封閉性好，不利于瓦斯逸散，常造成瓦斯富集，該區域煤層突出危險性越大。

4 結語

豐城礦區B4煤層瓦斯分區特征明顯，分析其原因，主要是受地質構造、成煤過程中的變質作用、煤層圍巖沉積環境及巖性、水文地質條件、煤層厚度、剝蝕強度等因素綜合控制的結果。通過研究該礦區B4煤層瓦斯賦存規律及分布特征，為礦區開采B4煤層的礦井治理瓦斯和安全生產提供科學依據。