水城礦區(qū)小牛煤礦煤層瓦斯賦存條件
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［摘要］小牛煤礦是高瓦斯礦井，通過對小牛煤礦煤層瓦斯富集主要地質(zhì)因素的分析，探討煤層瓦斯的分布規(guī)律，為煤礦開采方式的選擇及煤礦安全生產(chǎn)提供依據(jù)；通過對煤礦沉積特征、構(gòu)造發(fā)育狀況、水文地質(zhì)條件的分析，研究煤層瓦斯壓力、煤層埋深、煤層厚度、構(gòu)造部位、斷層性質(zhì)、地下水流動與煤層瓦斯含氣量的相關(guān)性，探討影響煤層瓦斯分布的主控因素。研究結(jié)果表明，影響煤層瓦斯賦存的主要因素是煤層埋深與厚度，其次為褶皺、斷層，水文地質(zhì)條件對煤層瓦斯的保存條件也有一定的影響。
［關(guān)鍵詞］煤層瓦斯；沉積特征；構(gòu)造發(fā)育；水文地質(zhì)
引言
煤層瓦斯的富集是生成、儲集、封蓋、保存等方面條件及其動態(tài)發(fā)展過程的有利配置，是構(gòu)造因素控制之下諸多地質(zhì)因素綜合作用的結(jié)果［1］。因此，分析控氣因素制約下的煤層瓦斯聚集規(guī)律，有利于煤層瓦斯富集區(qū)帶的評價，并能為煤礦勘探開發(fā)部署提供決策依據(jù)。為此，本文從煤層瓦斯富集的地質(zhì)條件出發(fā)，分析了小牛煤礦煤層瓦斯的分布規(guī)律，探討控制煤層瓦斯富集的主要地質(zhì)因素，為煤礦開采方式的選擇及煤礦安全生產(chǎn)提供依據(jù)。
1研究區(qū)概況
小牛煤礦位于六盤水市水城縣南東阿戛鄉(xiāng)仲河村境內(nèi)，地理坐標為東經(jīng)104°58′40″~105°00′52″，北緯26°28′18″~26°29′10″。礦區(qū)東西長（走向）3.20～3.55km，南北寬（傾向）0.70～1.26km，面積3.375km2。礦區(qū)屬高原中山地貌，總體地勢特征中部低，南北高，山脈呈北西、南東向展布，三疊系永寧鎮(zhèn)組地層常形成懸崖，其下飛仙關(guān)組砂泥巖地層則形成陡坡，煤系地層出露于緩坡地帶。礦區(qū)內(nèi)出露地層有二疊系中統(tǒng)茅口組（P2m）、二疊系上統(tǒng)峨眉山玄武巖組（P3β）、龍?zhí)督M（P3l），三疊系下統(tǒng)飛仙關(guān)組（T1f）、永寧鎮(zhèn)組（T1yn），第四系（Q）。龍?zhí)督M（P3l）為區(qū)內(nèi)含煤地層，巖性由淺灰色至灰綠色細砂巖、粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥巖、粘土巖及煤層組成，厚350～390m，含煤69層，總厚度64.61m，含煤系數(shù)17.29%。其中可采及局部可采煤層25層，可采煤層總厚度29.29m，含煤系數(shù)7.69%，與下伏地層峨眉山玄武巖組呈假整合接觸。小牛煤礦地形地質(zhì)構(gòu)造如圖1所示。
2.1沉積條件
區(qū)內(nèi)煤系地層為二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M，一般根據(jù)巖性將其分為4個含煤段。其中，第3、4含煤段含煤性好，且分布較集中；第2含煤段含煤性差；第1含煤段含煤性較好。
2.1.1煤層埋深煤層瓦斯含氣量與煤層瓦斯壓力密切相關(guān)，小牛煤礦煤層瓦斯含量與煤層瓦斯壓力之間具有明顯的正相關(guān)關(guān)系，如圖2所示。在煤層瓦斯壓力較大的區(qū)域，煤層含氣量也較高，因此可以利用煤層瓦斯壓力的大小來表征煤層含氣量的大小。煤層瓦斯壓力受地質(zhì)構(gòu)造的演化、水文地質(zhì)條件、埋深、地應(yīng)力等諸多因素的影響［2］，煤層瓦斯壓力總體上與埋深呈線性正相關(guān)關(guān)系。小牛煤礦煤層瓦斯壓力也體現(xiàn)出隨著埋藏深度的增加而增加的趨勢，個別離散點可能是受到構(gòu)造應(yīng)力比較集中的影響，引起煤層瓦斯壓力急劇升高，如圖3所示。由圖3分析可知，煤層埋深達到300m時，煤層瓦斯壓力達到1MPa。小牛煤礦先期開采標高為+1190m，煤層埋深在300m左右，所以該礦先期開采地段之內(nèi)煤層屬于欠壓狀態(tài)，有利于煤層的開采；但要開采下部煤層，煤層瓦斯壓力高于1MPa，煤層屬于高壓狀態(tài)，易發(fā)生煤與瓦斯突出事故。
2.1.2煤厚煤層厚度對煤儲層含氣性和物性有一定影響，是控氣的重要地質(zhì)因素。煤層瓦斯的逸散以擴散方式為主，空間兩點之間的濃度差是其擴散的主要動力，煤儲層本身就是一種高度致密的低滲透性巖層，煤儲層厚度越大，對煤層瓦斯的保存越有利［3］。區(qū)內(nèi)龍?zhí)督M四段平均厚83.48m，含可采煤層5層，可采煤層平均總厚度5.73m；龍?zhí)督M三段平均厚76.02m，含可采煤層9層，可采煤層平均總厚度12.19m；龍?zhí)督M二段平均厚118.57m，含可采煤層6層，可采煤層平均總厚度4.27m；龍?zhí)督M一段平均厚73.62m，含可采煤層5層，可采煤層平均總厚度7.10m。龍?zhí)督M各段平均煤層厚度與平均瓦斯含量之間的關(guān)系如圖4所示。由圖4分析可知，隨著煤層厚度的增加，煤層平均瓦斯含量也逐步增加，但是在各個層段之間增加的快慢明顯不同。從龍?zhí)督M四段到三段，瓦斯含量的增加速度較快；龍?zhí)督M三段到二段增加十分緩慢；龍?zhí)督M二段到一段瓦斯含量的增加速度又有所加快。煤層埋藏深度是影響煤層瓦斯含量的主要因素，但不是唯一的因素，由龍?zhí)督M四段到三段平均煤層厚度有明顯的增加，可能是造成煤層瓦斯含量增速加快的原因。但是，由龍?zhí)督M三段到二段煤層瓦斯含量的增速緩慢，大部分原因可能是由于平均煤層厚度由龍?zhí)督M三段的12.19m降至二段的4.27m所致。由于龍?zhí)督M二段到一段平均瓦斯含量增速又有所增加，也可以用平均煤層厚度的增加加以解釋。單個煤層的瓦斯含量與煤層埋深的關(guān)系如圖5所示。由圖5分析可知，煤層埋深對煤層瓦斯含量的影響更加明顯。小牛煤礦主要可采煤層12煤層瓦斯分布情況顯示，煤層埋深仍然是控制煤層瓦斯分布的主要因素，但是煤厚對瓦斯含量的影響程度有所增加。當煤層埋深達到515.8m時，煤層瓦斯含量達到7m3/t；當煤層埋深達到576.3m時，煤層瓦斯含量達到8m3/t.；而煤層埋深在578.2m時瓦斯含量卻下降到5m3/t。同一煤層的煤階、煤巖組分、灰分是大體相同的，而煤層厚度由3.64m降低至1.79m，所以由此推測引起煤層瓦斯含量降低的主要原因是煤層厚度。
2.2構(gòu)造特征
格目底向斜兩翼不對稱，北東翼巖層傾角陡，一般在51°～70°，南西翼傾角較平緩，一般在15°～25°。小牛煤礦位于格目底向斜東段北翼，總體為單斜構(gòu)造，地層走向NW～SE向，傾向SW，傾角在51°～65°。褶曲不發(fā)育，僅發(fā)育有F1及F52條主要斷層。其中，F(xiàn)l斷層位于井田東部，呈近S-N向延伸，延伸長度1500m，傾向W，切割P3β-T1yn地層，落差300m，為正斷層；F5斷層位于西部，走向NEE，傾向NNW，傾角64°～75°，落差最大33m，延伸長度1075m，為正斷層。15-1煤層瓦斯含量等值線如圖6所示。由圖6分析可知，該煤礦東部煤層瓦斯含量普遍<5m3/t，這可能與F1斷層的影響有關(guān)。F1斷層為張性正斷層，斷層附近應(yīng)力松弛，同時斷層的形成建立了煤層與外界環(huán)境之間的聯(lián)系［4］，造成了煤層瓦斯的大量逸散。F5斷層附近煤層瓦斯含量較相同水平來看也有降低的趨勢，這種趨勢也可以用F5斷層發(fā)育加以解釋。小牛煤礦煤層瓦斯含量總體上呈現(xiàn)由NE向SW逐漸增加的特征，這種特征是煤礦內(nèi)褶皺與斷層綜合作用的結(jié)果。小牛煤礦位于格目底向斜的陡翼，向斜陡翼易發(fā)育正斷層，造成煤層瓦斯的逸散［5］，但由向斜的翼部向軸部，煤層埋藏深度逐漸增加，煤層瓦斯含量也逐漸增大。所以，小牛煤礦煤層瓦斯含量的分布主要受控于褶皺引起的煤層埋藏深度的增加，其次是局部正斷層的發(fā)育。
2.3水文地質(zhì)
水文地質(zhì)條件是影響煤層瓦斯賦存的一個重要因素。小牛煤礦新生界松散含水層接受大氣降水和地表徑流補給后，地下水順層由淺部向深部運動，把充足的水量從煤層露頭區(qū)補給深部二疊系煤層，而煤儲層中的瓦斯卻是由深部高壓區(qū)順層沿兩翼巖層向上運移，致使地下水的流動方向與煤層瓦斯的運移方向相反。地下水的流動一方面對煤層瓦斯向上的移動產(chǎn)生阻力，減緩運移速度；另一方面又可攜帶在流動過程中溶解的部分瓦斯至深部，隨著儲層壓力的增大，煤層瓦斯含量也逐漸增大。
3結(jié)語
小牛煤礦為高瓦斯礦井，分析煤層瓦斯含量分布的主控因素，有利于煤礦的安全、高效生產(chǎn)。通過分析可知，煤層瓦斯含量隨著煤層埋藏深度的增加而增加，但其增加速度的快慢受煤層厚度的影響；褶皺構(gòu)造對煤層瓦斯含量的影響比較明顯，由兩翼到軸部煤層瓦斯含量逐步增加，局部煤層瓦斯含量的降低，往往是由附近高角度正斷層的發(fā)育造成的；地下水由淺部向深部的流動，是造成小牛煤礦煤層瓦斯含量較高的另一個因素。
［參考文獻］
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［2］郭德勇.煤和瓦斯突出構(gòu)造物理學研究［D］.徐州：中國礦業(yè)大學，1996.
［3］秦勇.煤儲層厚度與其滲透性及含氣性關(guān)系初步探討［J］.煤田地質(zhì)與勘探，2000，28（2）:24-27.
［4］秦勇，張德民，傅雪海，等.山西沁水盆地中-南部現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場與煤儲層物性關(guān)系之探討［J］.地質(zhì)評論，1999，45（6）:576-583.
［5］張建博，秦勇，王紅巖，等.高滲透性煤儲層分布的構(gòu)造預(yù)測［J］.高校地質(zhì)學報，2003，9（3）:360-365.
作者：王盼盼 單位：山東省煤田地質(zhì)局第三勘探隊