轩岗矿区煤层瓦斯分布特征及影响地质因素

李克勇

（西山煤电集团有限责任公司 杜儿坪矿，太原 030024）

煤层瓦斯是赋存于煤层中的以甲烷为主要成分的可燃气体。我国煤田多数瓦斯含量较高，在管理环节不严格的情况下，生产矿井经常发生瓦斯爆炸，给矿工生命、财产造成巨大损失。随着煤矿开采程度的加大，煤与瓦斯突出的危险性也随之增加，及时总结瓦斯分布特征及影响瓦斯赋存规律的各种地质构造因素，对矿区瓦斯治理和有效防治煤与瓦斯突出具有重要意义。笔者以轩岗矿区为例，在剖析已有瓦斯地质资料的基础上，研究和分析了该区瓦斯分布规律及影响瓦斯赋存的地质因素。

1 矿区地质背景

轩岗矿区位于宁武-静乐块拗北段，整体呈一狭长的NNE向伸展的向斜。在向斜构造上发育规模不等的断层，且大型断层多伴有走向变化，见图1。整体表现为：西侧断层较稀疏；东侧断层较多，特别是东北部广泛分布密集的NE及NNE向断层，倾向以SE为主；西北角分布有EW向展布的断层，以王万庄和阳方口大型断层为代表；中部及南部分布倾向NW为主的NE及NNE向断层，间有SN向零星分布的断层。矿区在NE向、NNE向构造应力的作用下，北部地层倾向变复杂，东北及西北局部煤层倾角增大，煤层由缓倾斜变至倾斜甚至急倾斜。

图1 轩岗矿区构造纲要图

区内主要含煤地层为太原组和山西组。山西组含煤1-4层，多为煤线或薄层，稳定性差，零星分布，全区不可采；太原组含煤8层，其中2号、5号煤层赋存稳定，为全区可采煤层，煤层累计平均厚度7～20 m。煤的变质程度有由北向南、由浅至深逐渐升高的趋势，西北部为气煤，东北部为1/3焦煤，南部为1/3焦煤至肥煤。

2 矿区瓦斯分布特征

据各矿井煤层瓦斯含量统计资料知，轩岗矿区10对矿井中，有2对高瓦斯矿井，分别是刘家梁矿、焦家寨矿，其余为低瓦斯矿井。矿区北部及西北部（老窑沟矿、庄旺矿、南沟矿、盘道矿、龙宫矿）煤层相对瓦斯涌出量小于10 m3/t，属低瓦斯区；矿区中部相对瓦斯涌出量大，如刘家梁等矿，属高瓦斯区。垂向上，2号煤层瓦斯含量均低于5号煤层；横向上，瓦斯含量自矿区北部到南部逐渐增大，矿区边界向腹部逐渐增高。

3 影响矿区瓦斯分布的地质因素

由上可知，矿区内不同井田，甚至同一井田的不同地区或不同煤层，瓦斯含量都有较大变化，可归因于造成瓦斯不均衡分布的地质因素。

3.1 地质构造对煤层瓦斯赋存的影响

宁武煤田石炭-二叠纪含煤地层形成后经历了印支运动、燕山运动和喜马拉雅运动的构造变动，每次构造运动的规模、构造应力场等不尽相同。构造差异性演化决定了煤层埋藏史、生气史，控制和影响了煤中瓦斯的赋存特征[1-2]。印支运动时期，随着吕梁断块的区域升降作用，煤田的古构造应力场以SN向挤压为主，多形成近EW向构造，使该区南北有差异升降，并受到区域挤压构造的影响，使其抬升并遭受剥蚀。燕山期主应力改为近NW-SE向，构造线方向主要为NNE向，并对早期EW向构造有所改造，形成以侏罗纪地层为核心的向斜构造和一系列NE向雁列式排列的逆冲断裂带；喜山期的右旋力偶使区域构造性质发生反转，即由前一段的挤压隆起带转化为伸展裂陷带，形成轩岗矿区内目前的构造面貌。总体而言，矿区主体构造为向斜，该构造部位煤层埋深较深，上覆地层厚度相对较大，静水压力相对较高，可维持较高的地层压力系统，有利于瓦斯的吸附而富集[3]。但构造应力的差异演化导致了矿区内不同区域瓦斯赋存的多样性。

矿区北部煤储层遭受了以拉伸为主的构造作用，发育开启性较好的张性断裂，其中一部分大、中型断裂切穿顶底板及围岩，破坏煤层及围岩完整性，削弱盖层封盖性，加大裂隙发育程度，不仅使气体因压力释放而大量解吸，而且气体沿断裂通道大量逸散。如中国石油于2004-2006年在矿区北部（后口断层上盘）完钻的两口煤层气井所测煤层含气量明显偏低（1.56～3.98 m3/t）[4]。此外，该区构造运动导致煤层倾角较大（可达20°），瓦斯垂向运移率升高，缩短了瓦斯的逸散途径，增加了瓦斯的逸散量。

矿区中部发育高角度压扭性断层，断层面紧闭，处于高压区，形成压力封闭，阻止气体的运移，属于构造叠加富气区，瓦斯含量较高。值的注意的是，这种构造背景下煤层常发生流变，形成剪切区。在剪切区，构造活动引起煤层强烈的韧性变形，煤趋于糜棱化[5]。这种环境下，煤中发育大量连通性很差的微裂隙，且裂口宽度趋于闭合，导致煤层渗透率急剧下降，气体含量远高于未变形煤[6]。如焦家寨、刘家梁矿井5号煤层受构造应力作用多发生塑性流变，形成糜棱煤，提高了煤层瓦斯吸附量，这也可能是5号煤层含气量高于2号煤层的原因之一。

3.2 埋深对煤层瓦斯赋存的影响

煤层埋藏深度对气含量的影响主要表现在两方面：一是随埋深增大，上覆地层压力增大，煤吸附气体能力增强；二是煤的渗透性降低，封闭条件变好[7]。根据矿区煤层埋深和瓦斯参数测试数据，矿区各矿井煤层埋深与瓦斯含量关系分为瓦斯风化带和甲烷带两种类型。各矿井煤层埋深与瓦斯含量关系，如表1所示。

表1 轩岗矿区各矿井煤层埋深与瓦斯含量关系

1）瓦斯风化带煤层（主分布在矿区北部，以老窑沟、庄旺、南沟一带最为显著）：瓦斯随埋深增加有增大的趋势，但是这种变化趋势不明显。比如盘道矿2号煤瓦斯含量随煤层埋藏深度增加而变大，但瓦斯涌出量整体较小，相关系数R=0.636 2。

2）甲烷带煤层（主分布在矿区中部，以刘家梁、焦家寨矿一带最为显著）：瓦斯随着埋深增加而增大的趋势明显，相关系数R均达到0.90以上。

3.3 顶底板岩性对煤层瓦斯赋存的影响

顶底板岩性影响瓦斯含量的原因是其间接地影响气体的逸散速度。虽然瓦斯主要呈吸附状态赋存于煤层中，但瓦斯的扩散、运移作用在地史时期却无时不在发生，只是扩散速度差异而异[7]。煤层顶底板为渗透性岩层（中-粗粒砂岩）时，气体将难以在煤层与顶、底板交界面聚集和形成较低的浓度差，这势必加快瓦斯逸散速度，导致瓦斯含量降低；煤层顶底板为致密渗透性相对较差的岩层（泥岩、炭质泥岩或油页岩）时，具有较强的抗张、抗压能力，不易产生连通性裂隙，可以较有效地阻止瓦斯向上运移。总体上看，矿区2号煤层顶板为泥岩-中砂岩，5号煤层顶板为泥岩-粉砂岩，两者底板均为泥岩或炭质泥岩。由此可见，5号煤层顶底板岩性相对2号煤层致密，封闭条件好，瓦斯不易散失，所以在其它条件相近的情况下，气含量将大于后者。

3.4 水文地质条件对煤层瓦斯赋存的影响

含煤地层中的水文地质条件对瓦斯的保存、破坏影响很大，不同水文地质条件下煤的瓦斯含量差别很大[8-10]。轩岗矿区属马圈泉域，为宁武-静乐向斜蓄水构造中受各类边界条件控制的次一级岩溶水文地质单元。矿区地下水均汇流于阳武河一带，由马圈泉排泄，形成良好的统一含水系统。区内各含水层均以大气降水为主，谷底上部，水交替循环快，多以泉流形式排泄，谷底下部循环缓慢，径流条件由强变弱，特别是宁武-静乐向斜轴部，形成一个水动力条件相对滞流-对流区域。

横向上，矿区西北部多发育NE、NNE向导水断层，控制岩溶主径流方向，导致岩溶裂隙发育，水动力条件强，水溶作用不利于煤层气赋存，以散失为主，如老窑矿、庄旺矿、梨园河矿井北瓦斯含量多小于5 m3/t；梨园河矿井南部处于宁静向斜轴部，且与长梁沟-刘家梁井田一带同处于承压水区，地质构造整体呈单斜形态，断裂规模较小，岩溶裂隙不发育，水力坡度小，水位埋深加大，地下水循环交替缓慢，形成地下水动力封堵边界，以致煤储层压力异常高压，提高煤层甲烷吸附量，瓦斯含量升高，如焦家寨矿、刘家梁矿均为高瓦斯矿井；矿区东南部岩溶裂隙、变质岩风化发育，岩层出露，含水层埋藏浅，渗透性好，形成地下水径流区，静水压力低，造成瓦斯沿煤层露头散失、空气混入，甲烷含量降低，瓦斯涌出量小，为低瓦斯区。

综上所述，影响研究区瓦斯含量的因素是复杂的，但各种地质因素有主次之分，其中，地质构造、埋藏深度和水文地质条件占主导地位，是区域性的；顶底板岩性的封闭性是次要的，影响比较局限。整体而言，横向上，煤层埋深受构造控制明显，埋深的总体趋势由向斜翼部向腹部增加。因此，在构造作用微弱的高瓦斯矿井中，煤层瓦斯含量随埋深增大而增大。矿区北部，各矿井受区域地质构造影响较大，张性断裂发育，属于构造应力场低应力分布区，造成裂缝高密度分布带，形成烃类开放型运移系统，加之煤层埋藏相对较浅（一般小于400 m），水动力条件强，处于径流区，瓦斯含量明显偏低；矿区中部压扭性高角度断裂发育，处于构造应力高部位，埋深适中，顶底板封盖性能加强，煤层厚度大且分布稳定，利于瓦斯赋存，含量升高。纵向上，2号煤层瓦斯含量低于5号煤层，可能与煤变质程度、煤层埋深、顶底板封盖能力及构造变形程度有关。

4 结论

1）轩岗矿区瓦斯分布具有不均衡性。垂向上，2号煤层瓦斯含量均低于5号煤层；横向上，瓦斯含量自矿区北部到南部逐渐增大，边界向腹部逐渐增高。

2）影响矿区瓦斯含量的地质因素主要有地质构造、煤层埋藏深度、水文地质条件及顶底板岩性。前三种地质因素占主导地位，是区域性的，后一种因素是次要的，局部性的，其中地质构造演化及分布特征为影响本区瓦斯赋存的其它地质因素的高效配置提供了框架。

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