新安煤田瓦斯地质规律研究*

贾明魁徐德宇李书文，

（1.义马煤业集团股份有限公司，河南省义马市，472300；2.中国矿业大学（北京）资源与安全工程学院，北京市海淀区，100083）

★ 煤炭科技·地质与勘探★

新安煤田瓦斯地质规律研究*

贾明魁1徐德宇2李书文1，2

（1.义马煤业集团股份有限公司，河南省义马市，472300；2.中国矿业大学（北京）资源与安全工程学院，北京市海淀区，100083）

以新安煤田构造应力场及构造演化历史分析为基础，结合大量瓦斯地质资料和瓦斯实测参数，研究了新安煤田瓦斯地质规律及主控因素。研究表明：煤的变质程度、地质构造、煤厚变化及埋深是控制新安煤田瓦斯分布规律的主要因素，新安煤田自成煤时期以来经历了多期构造运动，煤体变质程度的增高造成该地区煤层瓦斯含量整体增高；地质构造引起的构造应力、煤厚及埋深等方面的变化，导致新安煤田煤层瓦斯分布不均匀；煤厚的剧烈变化是造成新安煤田局部地区瓦斯含量急剧增高的主要原因。

瓦斯地质 构造演化 构造变形 瓦斯分布

煤层瓦斯赋存状态是影响矿井瓦斯涌出量大小的主控因素，也是煤与瓦斯突出发生的主要动力因素之一，同时，煤与瓦斯突出受地质构造控制作用主要发生在地质构造破坏带。随着开采深度的增加，新安煤田煤层瓦斯含量逐渐升高，瓦斯突出危险性逐渐增大。通过运用瓦斯地质理论，结合大量瓦斯地质资料和瓦斯实测参数，对新安煤田构造演化历史及瓦斯地质规律进行研究，可以有效预测煤层瓦斯赋存特征，为制定矿井瓦斯防治措施提供科学依据。

1　新安煤田概况

新安煤田位于河南省西部新安县及孟津县境内，包括义煤集团新义矿、义安矿和孟津矿3对生产矿井，煤田总面积129.6 km2，均为煤与瓦斯突出矿井。自2005年以来，新安煤田共发生煤与瓦斯突出7次，其中义安矿6次，孟津矿1次，新义矿尚未发生煤与瓦斯突出。新安煤田可采煤层为山西组二1、二2煤层，主采煤层为二1煤层。煤层厚度总体在0～9.6 m之间，平均为4.15～4.85 m。构造煤全层发育，煤层透气性系数0.0066～0.0985 m2/（MPa2·d），煤层厚度变异系数68%，可采指数95%，属于不易自燃煤层。二1煤层埋深-250～-950 m，煤层瓦斯含量3.52～16.37 m3/t，矿井相对瓦斯涌出量最高达到14.15 m3/t，矿井绝对瓦斯涌出量最高达到39.81 m3/min，且二1煤层有煤尘爆炸危险性，瓦斯灾害严重。

2　新安煤田构造演化历史

2.1新安煤田地质背景

新安煤田位于秦岭造山带北缘边界断裂带，豫西渑池—义马—鲁山—平顶山—舞阳区段内。区域内发育的主要褶曲构造为新安向斜，该向斜位于区域中南部，轴向为近东西向，为一宽缓向斜，如图1所示，北翼倾角平缓，一般为7°～11°，南翼被龙潭沟断层切割。新安煤田总体位于新安向斜北翼，为一宽缓的单斜构造。区域内断裂构造主要为一组NW-SE向的张性断裂，落差为50～400 m，如龙潭沟断层、许村—香坊沟断层、省磺矿断层等，近SN向的断裂较少，如F29正断层等。

图1　新安煤田区域地质图

2.2新安煤田构造应力场及演化历史

根据新安煤田地质背景及区域构造演化历史，该煤田主要经历了印支期和燕山期两期构造运动。印支期构造应力场以近SN向的挤压为主，且受秦岭造山带隆起推挤的作用，新安煤田发生了逆冲推覆断裂褶曲作用，形成了近EW向的褶曲构造及NWW-NW向的张性断裂构造，而后在SN向挤压应力持续作用下，应力轴部近EW向的伸展作用增强，形成了F29断层等一系列EW走向的张扭性断裂构造。燕山期构造应力场主压应力方向转变，以近NW-SE向挤压为主，区域北西向右行断裂被改造转变为左行走滑断裂；同时，形成一系列近NWW走向的小型伴生断裂构造。两期构造运动形成的构造形迹依次叠加，构成本研究区如今的构造格架。

3　新安煤田瓦斯地质规律及主控因素

3.1煤的变质程度对瓦斯赋存的影响

煤的变质程度是影响煤层瓦斯含量的重要因素，煤层瓦斯是煤变质作用的产物，煤的变质程度越高，煤体生成瓦斯的总量越大，从褐煤到烟煤再到无烟煤，瓦斯发生率从36～68 m3/t逐渐增大到306～461 m3/t，变质程度高的煤层通常瓦斯含量也较大。

煤的挥发分是评价煤变质程度的重要指标，煤的挥发分随煤变质程度的增高而降低，从褐煤到无烟煤，煤的挥发分从50%逐渐降低到5%左右。新安煤田主采煤层为二叠系山西组下部的二1煤层，成煤时期较早，且自成煤时期以来，经历了多期构造运动，构造动力变质作用致使煤的变质程度增高，煤层挥发分平均值为13.67%，为中高等变质程度的贫煤，生烃能力强，煤层瓦斯含量平均值达到10.31 m3/t，煤变质程度的增高是新安煤田煤层瓦斯含量整体较高的主要原因。同时新安煤田各生产矿井煤层瓦斯含量也因煤变质程度的差异表现出规律性变化，新义矿、义安矿、孟津矿三对生产矿井煤的挥发分依次降低，如表1所示，煤的变质程度逐渐增加，煤层瓦斯含量也依次增高。可见煤的变质程度是控制新安煤田煤层瓦斯含量的重要因素。

表1　新安煤田煤的变质程度与瓦斯含量

3.2地质构造对煤层瓦斯赋存的影响

地质构造是影响煤层瓦斯分布的主要因素，构造型式、规模、力学性质及组合特征等都会影响煤层瓦斯的赋存规律。通常背斜中和面之上及向斜中和面之下的煤岩层中构造裂隙以张性为主，有利于煤层瓦斯的逸散；背斜中和面之下及向斜中和面之上的煤岩层中构造裂隙以压扭性为主，透气性低，有利于煤层瓦斯的聚集；此外，在断层的尖灭端、褶曲的轴部区域及不同构造体系的复合部位，构造应力高度集中，煤体结构破坏严重，煤的动力变质作用增强，导致煤层瓦斯含量增高。

新安煤田小断层较为发育，3对生产矿井中已探明走向长度大于100 m的小型断层共94条，小断层走向以NW向为主，SN向次之，正断层比例高达89%，如表2所示。

表2　新安煤田小断层产状统计　条

新安煤田小断层产状反映了近NW向和SN向的构造挤压作用，与该煤田构造演化历史相吻合，但各生产矿井构造组合差异性明显，中部义安矿及东部孟津矿近SN向的小断层条数分别为16条及11条，远大于新义矿，表明印支期新安煤田中部及东部地区受近SN向的挤压应力作用强度较大，致使煤体结构破坏严重，Ⅲ、Ⅳ类构造煤普遍发育，煤的坚固性系数实测平均值仅为0.23及0.29，瓦斯放散初速度高达22.3 cm3/（g·r）及19.3 cm3/（g·r），如表3所示，同时受构造动力变质作用影响，煤的变质程度及生烃能力提高。在煤层瓦斯保存条件方面，虽然近SN向断层多为正断层，有利于瓦斯逸散，但总数只占33%，表明新安煤田印支期构造挤压作用较燕山期弱，且燕山期近NW向的挤压应力使张性构造转变为压性，裂隙系统闭合，有利于煤层瓦斯的保存，导致中部及东部地区瓦斯含量整体增高，各项瓦斯实测参数值都明显增加，研究表明新安煤田中部及东部地区处于两期构造体系的复合部位，构造应力集中，煤体结构破坏严重，且构造裂隙系统处于封闭状态，导致煤层瓦斯含量整体上升，地质构造是控制新安煤田煤层瓦斯赋存的重要因素。

表3　新安煤田各生产矿井瓦斯实测参数对比

3.3煤厚变化对瓦斯赋存的影响

煤层是瓦斯生成的物质基础，同时煤储层本身是一种高度致密的低渗透性岩层，煤层上部分层和下部分层对中部分层有强烈的封盖作用，煤层厚度越大，中部分层中的瓦斯向顶底板的扩散路径就越长，扩散阻力就越大，有利于煤层瓦斯的保存，煤层瓦斯含量随煤层厚度的增加而增大；此外，煤层是岩系中的软弱分层，通常煤厚剧烈变化的区域，构造应力集中，煤的破坏程度增高、渗透性降低、且煤体对瓦斯的吸附能力增强，不利于煤层瓦斯的运移，进而影响煤层瓦斯的分布规律。

新安煤田受多期构造变形作用影响，中、小型褶曲构造发育，煤厚变化剧烈，变异系数大，平均为68%，最高达到91%，褶曲变形作用引起的煤厚变化是影响该地区煤层瓦斯赋存的重要因素。但在新安煤田瓦斯含量随煤厚变化的统计分析中发现，煤层瓦斯含量随煤厚增加而升高，但并不是简单的线性增加。在多个构造变形部位，煤厚只有5.5 m，瓦斯含量却达到最高值16.37 m3/t，高于煤厚达到9.6 m时的煤层瓦斯含量15.56 m3/t，瓦斯含量值总体上出现两个峰值，如图2所示，本文称之为 “双峰现象”。

图2　新安煤田瓦斯含量与煤层厚度的关系

新安煤田煤层厚度等值线图见图3，对煤厚只有5.5 m而瓦斯含量却达到峰值的构造变形部位进行了研究，结果表明，新安煤田内，多处煤厚只有5.5 m而瓦斯含量却达到峰值的构造变形部位都分布在近EW向展布的煤层压薄带内（如AA′等），且位于近EW向展布的煤层压薄带与近SN向展布的煤层增厚带（如BB′等）的交汇部位。结合新安煤田构造演化历史分析发现，近EW向的煤层压薄带（如AA′等）为印支期近SN向的构造挤压作用形成，压薄带内煤体结构破坏严重，以Ⅳ类为主，构造煤厚度最高达到5.5 m，且全层发育，煤的坚固性系数实测平均值仅为0.16，而煤体吸附常数a值高达42.51 cm3/g·r，如表4所示，煤体对瓦斯的吸附能力急剧上升，为煤层瓦斯的保存提供了有利条件。随后燕山期近NW向的挤压应力作用使新安煤田出现多个近SN向展布的煤层增厚带（如BB′等），两期构造变形的叠加使先期形成的EW向薄煤带在其展布方向又发生煤厚变化。由于该地区印支期已经形成了大面积发育的构造煤，煤层虽然局部只增厚到5 m左右，构造煤的增厚程度却远大于近SN向展布的煤层增厚带，普遍全层发育粉土状糜棱煤，且因为构造煤对瓦斯的高吸附性，使煤层瓦斯得以保存。煤层瓦斯含量最高达到16.37 m3/t，瓦斯压力升高到3.1 MPa，在煤厚相同的条件下，煤层瓦斯含量、压力远大于近SN向展布的煤层增厚带。

图3　新安煤田煤层厚度等值线图

表4　新安煤田瓦斯基础参数与煤层产状的关系

在两种煤层产状变化的构造变形区域内，对瓦斯含量随煤厚变化的关系进行了回归分析，结果见图4，图中y表示瓦斯含量，x表示煤层厚度，R2表示相关系数。在EW向展布的薄煤带内，随着煤厚的增加，瓦斯含量值急剧增加，出现指数型增长；而在SN向展布的厚煤带内，随着煤层厚度的增加，煤层瓦斯含量增加缓慢，呈线性增加；研究表明:新安煤田两期构造变形的叠加作用，导致煤层瓦斯含量受构造变形控制表现出规律性变化，最显著的特征就是在EW向展布的煤层压薄带内，随着煤层厚度的增加，瓦斯含量呈指数形式迅速升高，最终造成了 “双峰现象”。

图4　新安煤田瓦斯含量与煤厚的关系

3.4埋深对瓦斯赋存的影响

新安煤田位于新安向斜北翼，整体由北向南倾斜，为一宽缓的单斜构造，倾角平缓，一般6°～14°，但南北向延伸距离较远，达13.8 km，造成新安煤田二1煤层埋深变化较大，埋深在-250～-950 m之间。而煤层埋藏深度是决定煤层瓦斯含量的重要因素，随着煤层埋藏深度的增加，地应力、煤层围压增加，导致煤层和围岩的渗透性下降，同时煤体吸附瓦斯能力逐渐增强，瓦斯向地表运移距离增大，瓦斯运移难度增大，导致煤层瓦斯含量与煤层埋藏深度成正相关关系。根据新安煤田在不同水平测定的瓦斯含量结果，对瓦斯含量与煤层埋深之间的关系进行线性回归分析，结果见图5。当埋深达到-500 m以下时，随着埋深继续增加，二1煤层瓦斯含量梯度达到4.63%，导致新安煤田出现北部因埋深较浅瓦斯含量整体较低，而随着埋深的增加，南部地区瓦斯含量逐渐增高的特征。

图5　新安煤田瓦斯含量与埋深的关系

4　结论

（1）煤的变质程度是影响新安煤田瓦斯赋存的重要因素，新安煤田主采煤层成煤时期较早且经历了多期构造运动，构造动力变质作用致使煤的变质程度增高，生烃能力增强，是新安煤田煤层瓦斯含量整体增高的主要原因。

（2）地质构造是控制新安煤田煤层瓦斯赋存的主要因素，地质构造引起构造应力、煤厚及埋深等方面的变化，直接影响煤体的破坏与变质程度及煤岩层裂隙系统的性质，控制煤层瓦斯的生成与运移，是导致新安煤田煤层瓦斯分布不均匀的原因。

（3）煤厚变化是导致新安煤田局部地区瓦斯含量急剧增高的主要原因，新安煤田煤层瓦斯含量随煤层厚度的增加而增高，且由于两期构造变形的叠加作用，导致近EW向煤层压薄带内构造煤发育并增厚，煤层瓦斯含量随煤厚增加呈指数型升高，造成了 “双峰现象”。

（4）新安煤田位于新安向斜北翼，整体由北向南倾斜，为一宽缓的单斜构造，埋深的剧烈变化是造成该地区瓦斯含量南高北低的直接原因。

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Research on gas geology characteristics in Xin'an coal field

Jia Mingkui1，Xu Deyu2，Li Shuwen1，2
（1.Yima Coal Industry Group Co.，Ltd.，Yima，Henan 472300，China；2.Faculty of Resources and Safety Engineering，China University of Mining and Technology，Beijing，Haidian，Beijing 100083，China）

Based on the analysis of tectonic stress field and tectonic evolutionary history，and combined with gas geological data and gas measured parameters，the gas geology characteristics and main controlling factors in Xin'an coal field was researched.The results showed that the metamorphic grade，geological structure，seam thickness change and field burial depth were the primary factors for controlling the gas distribution in Xin'an coal field，since the coal forming period，there were multiple tectonic movement in Xin'an coal field，and the high degree of coal metamorphism caused the increase of coal seam gas-bearing capacity；the change of tectonic stress，seam thickness and burial depth caused by geological structure resulted in the nonuniform distribution of coal seam gas；and the rapid change of seam thickness was the main reason of the rapid increase of gas capacity in partial areas.

gas geology，tectonic evolution，tectonic deformation，gas distribution

TD712

A

贾明魁（1967-），男，河南延津人，博士，教授级高工，研究方向为矿山安全。

（责任编辑 郭东芝）

国家自然科学基金重点项目（41430640），教育部博士点基金项目（20110023110016）