影响离柳矿区瓦斯赋存的地质因素研究*

郭丁丁，胡　斌

（1.河南理工大学资源环境学院，河南焦作454003；2.山西蓝焰煤层气集团有限责任公司，山西晋城048000）



影响离柳矿区瓦斯赋存的地质因素研究*

郭丁丁1，2，胡斌1

（1.河南理工大学资源环境学院，河南焦作454003；2.山西蓝焰煤层气集团有限责任公司，山西晋城048000）

摘要：应用地质、瓦斯地质等相关理论，采用数学统计、相关性分析法对离柳矿区煤层埋深、盖层厚度、围岩性质、地质构造及地下水动力条件等地质因素对煤层瓦斯控制作用进行了研究。结果表明：煤层埋深越大，煤层“压实”效果越显著，同时加大了煤层瓦斯纵向运移难度，利于煤层瓦斯的保存，进而表现为煤层瓦斯含量亦越高；盖层和围岩对煤层瓦斯具有“封存”作用，二者对煤层瓦斯的控制作用显著，呈正相关性；地质构造影响着煤层瓦斯赋存的不均衡性；地下水水动力条件弱，径流条件差，基本呈滞留状态，利于煤层瓦斯的保存和富集。研究结果对提高研究区瓦斯地质研究程度和瓦斯防治水平具有重要意义。

关键词：离柳矿区；地质因素；瓦斯地质；瓦斯赋存

离柳矿区总体上为一走向南北、向西倾斜的单斜构造，总面积8 413 km2[1]。矿区主力煤层瓦斯含量整体较高，煤层瓦斯赋存受地质因素控制显著，进而体现出区内煤层瓦斯赋存的极不均衡性。因区内缺乏系统的瓦斯地质规律研究，导致瓦斯事故时有发生，亦给矿区瓦斯治理带来极大挑战。为此，应用地质、瓦斯地质等相关理论，并结合矿井生产实践、现场观测和室内外实验等资料，综合分析和研究了煤层埋深、盖层厚度、围岩性质、地质构造以及地下水动力条件等地质因素对矿区瓦斯赋存的控制作用，以掌握区内瓦斯赋存基本规律，为矿区瓦斯防治提供针对性和有效性措施。

1　地质因素对煤层瓦斯赋存的影响

瓦斯是煤化过程中地质作用的产物，其形成、分布、运移、赋存及富集等受控于地质因素[2-5]。下面主要从埋深、盖层厚度、围岩性质、地质构造以及地下水动力条件等地质因素与煤层瓦斯赋存的关系着手，探究其对矿区瓦斯赋存的控制作用。

1.1煤层埋深及盖层厚度对瓦斯赋存的影响

煤层埋深及盖层厚度对煤层瓦斯具有显著的控制作用，是瓦斯地质规律分析和研究的重要内容之一[6-8]。根据研究区现有的瓦斯含量测试参数和采样资料，分别对各测点瓦斯参数及其埋深、盖层厚度作了统计和彼此间的相关性分析，如表1、表2所示。

表1　矿区主采煤层埋深与含气量关系

表2　矿区主采煤层盖层厚度与含气量关系)

从相关性分析可以看出，区内煤层埋藏深度及盖层厚度与煤层瓦斯含量间具有较好的正相关线性关系。这主要缘于煤层埋深越深、盖层厚度越大，地应力亦相应增大，覆岩“压实”效果越显著，致使煤层透气性变差和加剧了煤层瓦斯横、纵向运移难度，利于煤层瓦斯保存；同时，煤层埋深增加，储层压力亦会相应增大，导致煤对瓦斯的吸附势能增大，利于煤层对瓦斯的大量吸附。

1.2围岩性质对瓦斯赋存的影响

围岩指煤层顶、底板，其岩性及其组合对煤层瓦斯赋存有重要影响。一般地，围岩为致密完整、不透气或透气性极差的泥岩、砂质泥岩等岩性时，煤层瓦斯易于保存，煤层瓦斯常显示高值；反之，瓦斯易于逸散[9-11]。鉴于区内双柳和贺西两矿井瓦斯数据较全，故仅探讨以上区域的围岩性质对煤层瓦斯赋存的影响。因区内各矿井相邻且地质条件、煤储层物性及特征等类似，研究结果有较好的代表性。

双柳矿3+4号煤层顶底板岩性和贺西矿3号煤层顶底板岩性及其瓦斯含量统计情况分别如表3、表4所示。

表3　双柳矿3+4号煤层围岩性质与瓦斯含量统计表

表4　贺西矿3号煤层围岩性质与瓦斯含量统计表

为探究顶底板关键盖层对煤层瓦斯的影响及其关系，分别对双柳矿和贺西矿主采煤层围岩厚度xD1、xD2与瓦斯含量y作了相关性分析。由相关性分析可以看出：双柳矿瓦斯含量与围岩顶底板泥岩厚度具有较好的正线性相关，即顶、底板泥岩层厚度越大，对煤层瓦斯保存越有利，瓦斯含量亦越高，见图1；贺西矿主采煤层顶板泥岩盖层厚度与煤层瓦斯含量的关系与双柳矿基本类似，二者间亦呈现出较好的正相关性，见图2。

图1　双柳矿3+4号煤层围岩厚度与瓦斯含量关系图

图2　贺西矿3号煤层顶板泥岩厚度与瓦斯含量关系图

1.3地质构造对瓦斯赋存的影响

构造作为控制煤层瓦斯赋存的最关键地质因素，历来备受关注[12-16]。离柳矿区地处河东煤田中部，整体为一向西倾斜的单斜构造，构造之上又发育有次一级的波幅不大宽缓褶曲和断裂构造，对研究区煤层瓦斯起到区域控制作用。

双柳井田内以断裂和陷落柱构造为主。断裂构造多为高角度正断层，其落差普遍较小。据采矿揭露发现，断层面紧闭且基本不见破碎带，通常不含水、不导水，该条件下煤层瓦斯不易于逸散，进而体现出断裂构造带及其附近瓦斯低值现象少见；陷落柱直径较小，柱体岩块缝隙间有方解石及硫铁矿晶体充填，基本呈“干涸”状态且不导水。由此可见，上述构造均未对煤层瓦斯逸散提供有效通道。

沙曲井田构造以波幅不大的次级小褶曲为主，断裂和陷落柱构造不甚发育。区内断裂构造多为张性“开放型”构造，对煤层瓦斯的“封存”效果差。其他构造对煤层瓦斯赋存的影响也较小，故井田内煤层瓦斯含量较低。

贺西井田煤层瓦斯受地质构造影响较为显著，瓦斯赋存极不均衡，具体表现为：正断层为张性“开放型”构造，其范围内煤层瓦斯含量多显示低值；而逆断层为压性“封闭型”构造，对煤层瓦斯起到良好的“封存”效果，其范围内煤层瓦斯含量普遍较高或显示异常。

由上述可知，地质构造导致煤层瓦斯赋存的不均衡性。压性、压扭性“封闭型”构造，利于煤层瓦斯的“封存”和局部富集，煤层瓦斯含量多显示高值；而张性、伸展性“开放型”构造，易于瓦斯的逸散，煤层瓦斯含量普遍较低。

1.4地下水动力条件对瓦斯赋存的影响

地下水对煤层瓦斯赋存具有重要影响的观点已被学者们所公认，其主要以径流逸散、水力封堵、水力封闭等形式对煤层瓦斯进行控制[17-22]。

离柳矿区在水文地质单元上基本属于柳林泉域岩溶水系统，区内含水层主要有三套，自下而上分别为寒武～奥陶系灰岩岩溶裂隙含水层组、石炭～三叠系砂岩孔隙裂隙含水层组及第四系松散堆积物含水层组。因区内南、北及东部寒武、奥陶系灰岩层的大面积出露，具有良好的地下水补给条件，岩层富水性相对强，据钻孔抽水试验；其他含水层组被地表厚厚黄土层所覆盖，地下水补给条件较差，岩层富水性亦相对较弱。区内地下水主要由北、南及东部向中部流动汇聚，然后以农用水、采矿排水及泉的形式排出。

从整体上看，本矿区地下水水动力条件相对较弱，基本属于弱径流带和滞留区，对煤层瓦斯起到“封闭”作用，使得区内煤层瓦斯含量整体较高。特别是研究区中部及西部弱径流带、地下水基本处于滞留状态，该带煤层瓦斯含量明显高于北、南、东部相对强径流区。

2　结论

1）研究区主采煤层埋深及盖层厚度与煤层瓦斯含量具有较好的正相关性，其埋深越深、厚度越大，地应力亦相应增加、覆岩“压实”效果越显著，致使煤层透气性变差，加大了煤层瓦斯横、纵向运移难度，利于煤层瓦斯保存；同时，随着煤层埋深增加，储层压力相应增高，煤对瓦斯的吸附势能增大，利于煤层瓦斯的大量吸附。

2）研究区主采煤层顶底板为致密完整、透气性极差的泥岩组成，对煤层瓦斯起到良好的“封堵”作用，其厚度越大煤层瓦斯含量越高，反之亦然。

3）研究区地质构造条件相对简单，构造多以压性“封闭型”为主，在该区域煤层瓦斯含量多显示高值或异常，而在张性“开放型”构造带，煤层瓦斯含量普遍显示低值。构造影响着区内煤层瓦斯赋存的不均衡性。

4）研究区地下水动力条件总体较弱，其基本为弱径流带和滞留区，对煤层瓦斯起到一定的“封闭”作用，瓦斯含量整体较高。但相对强径流带煤层瓦斯含量明显比弱径流带煤层瓦斯含量低。

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（编辑：李森森）

Geological Factors of Gas Occurrence in Liliu Mine

GUO Dingding1,2, HU Bin1
（1. Institute of Resources and Environment, Henan Polytechnic University, Jiaozuo 454003, China; 2. Shanxi Lanyan Coalbed Methane Group, Jincheng 048000, China)

Abstract:With geology, gas geology, and other related theories, mathematical statistics and correlation analysis were used to study the control effects of some geological factors on coalbed methane （CBM）, including the buried depth of coal seam, the thickness of cover coat, surrounding rock features, tectonics, and groundwater conditions. The results show that the greater the buried depth is, the more remarkable effect of compaction of the coal seams and the more difficulty of vertical movement of CBM among the coal seams, which facilitates the gas preservation and then increases gas content. The cover coat and surrounding rock could seal the CBM and their control effects on the CBM are positively correlated. The tectonics affects the imbalance of the CBMoccurrence. Underground water is basically in a retention state due to weak hydrodynamic condition and poor runoff condition, which is beneficial for the conservation and enrichment of CBM. The study is of importance to improve gas geology study and gas control in the region.

Keywords:Liliu mine; geological factors; gas geology; gas occurrence

作者简介：郭丁丁（1986-），女，山西晋城人，在读工程硕士，助理工程师，从事地面煤层气勘探与开发工作。

基金项目：山西省科技重大专项（20111101001）

收稿日期：2015- 11- 15

DOI:10.3969/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2016.01.008

文章编号：1672- 5050（2016）01- 0025- 04

中图分类号：TD712.2

文献标识码：A