金沙县官田坝向斜瓦斯赋存规律差异性分析

韦仕国

(贵州省煤田地质局, 贵阳 55006)

金沙县官田坝向斜瓦斯赋存规律差异性分析

韦仕国

(贵州省煤田地质局, 贵阳 55006)

为查明贵州金沙县官田坝向斜瓦斯赋存规律，保证后续煤矿开采工作的有序进行，基于研究区地质勘探钻孔资料、试井资料及井田地质条件的详细分析，结合实测瓦斯数据，借助于瓦斯地质理论，从垂向和平面两方面对不同煤层进行瓦斯赋存规律分析探讨，结果表明：在取样深度范围内，可采煤层CH4浓度分布变化较大，N2浓度分布变化较小。各层位煤层在埋深处于500～600m普遍存在明显的“转折点”，推测可能与地层层序格架控制的煤储层物性有关；随着煤层层位的加深，瓦斯含量与埋深的关系逐渐趋于弱化，一定程度上表明埋深因素对于瓦斯含量的控制作用随着煤层层位的加深而逐渐较弱；4、7、9号煤层瓦斯含量受埋深影响作用明显， 13、15号煤层瓦斯赋存规律一定程度上受地下水活动作用控制。

官田坝向斜；垂向分布；平面分布；转折点；瓦斯赋存

0 引言

瓦斯作为地质作用的产物，现今煤层瓦斯的赋存状态是含煤地层经受复杂地质历史演化作用的结果，受瓦斯生成、运移、保存条件综合地质作用的控制[1]。目前，随着煤矿开采工作的深入，深度大、难度大已经成为制约和影响煤矿安全生产工作的主要特点。国内外实践表明，煤矿瓦斯赋存规律具有分布不均衡、分区成带性的特征，且不同的研究区影响瓦斯赋存的地质条件等影响因素不尽相同[2-5]。因此，结合地质因素对瓦斯赋存的影响，查明瓦斯赋存主控因素是近年来国内外学者的研究重点[6-7]。但针对于同一研究区不同煤层瓦斯赋存规律的相关研究较少，黔西南地区煤层垂向发育明显，煤层群发育特征势必造成瓦斯赋存规律的复杂性和不可控性，本文基于对研究区地质勘探钻孔资料、试井资料及井田地质条件的详细分析，结合实测瓦斯数据，借助于瓦斯地质理论，从垂向和平面两方面对不同煤层进行瓦斯赋存规律分析探讨，以期为该区煤矿安全生产工作提供借鉴。

1 研究区地质概况

研究区位于黔北煤田内，大地构造属扬子准地台(一级构造单元)黔北台隆(二级构造单元)遵义断拱(三级构造单元)毕节北东向变形区(四级构造单元)。区域内构造形迹为一系列SW向及NE向的断裂和NE向褶皱。SW向构造分布全区，为区内的主体构造。区域主体构造为官田坝向斜，目标区位于官田坝向斜两翼，在其南东部发育有次一级铜鼓山背斜、马场向斜。研究区内出露地层由老到新为二叠系中统茅口组(P2m)、二叠系上统龙潭组(P3l)、长兴组(P3c)等[8-9]。其中，上二叠系龙潭组为区内主要含煤地层，厚度87.66～165.10m，平均115.90m。含煤层6～15层，可采煤层主要为4、7、9、13、15#煤层，可采煤层总厚度2.70～11.72m，平均5.35m。

2 研究区瓦斯赋存规律

2.1 瓦斯含量测定分析

结合研究区现有开采实际，本文主要利用瓦斯解吸法进行了瓦斯煤样的含量测定工作，依据煤层瓦斯含量测定结果可靠性分析原则，选取了 74 组有代表性的可采煤层样数据(另在北东部至西部采用“石榴矿区-化觉北段-化觉南段”7个钻孔的瓦斯煤样化验数据)。各可采煤层瓦斯分析成果汇总情况见表1。

表1 各可采煤层瓦斯分析成果测定表Table 1 Mineable coal seams gas analytic results

如表所示，可采煤层无空气基甲烷浓度为20.51%～98.05%，均值为67.88%。其中9#煤层平均为73.54%，浓度最高；15#煤层最低，平均为60.02%。无空气基二氧化碳(CO2)浓度为0.11%～26.06%，平均4.84%。无空气基氮气(N2)浓度为1.56%～72.87%，平均25.16%。同时4、7、9、13、15#煤层瓦斯平均含量大于10ml/g，属高瓦斯矿井。

图1 煤层垂向瓦斯浓度及含量分布Figure 1 Coal seam vertical concentration and content distribution

图2 各可采煤层甲烷浓度随埋深变化Figure 2 Mineable coal seams variation of methane concentration along with buried depth

2.2 瓦斯分布特征分析

基于上述实测瓦斯含量分析，结合矿井瓦斯地质情况，综合考虑煤层地质构造、瓦斯赋存、构造煤发育等条件，分析得到该研究区瓦斯(成分)含量与埋深之间的拟合关系，探讨垂向及平面变化规律。

2.2.1 瓦斯分带特征分析

图2表明，在取样深度范围内，CH4浓度分布变化较大，N2浓度分布变化较小。各垂向煤层在埋深处于500～600m普遍存在明显的“转折点”，初步推测可能与不同地层层序格架控制的煤储层物性有关。根据《煤炭地质勘查报告编写规范》(MT/T 1044-2007)中关于瓦斯分带标准的规定，将瓦斯由浅至深划分为：氮气带、氮气-沼气带及沼气带。基于各测试点测样位置，进行各可采煤层瓦斯浓度平面规律分析。

图3、图4表明各可采煤层主要以氮气-沼气带为主，西北及西南局部地区以沼气带为主。

2.2.2 瓦斯含量特征分析

1)瓦斯含量垂向分布特征。基于测试煤层瓦斯参数，进行各可采煤层瓦斯含量随埋深关系分布关系， 如图5、图6所示。各可采瓦斯含量均随埋深增大呈单调性线性变化。同一煤层不同埋藏深度、不同标高，瓦斯含量随埋藏深度的增加而变化的趋势明显，但同一钻孔不同煤层的瓦斯含量变化规律性并不明显。随着煤层层位的加深，瓦斯含量与埋深的关系逐渐趋于弱化，一定程度上表明埋深因素对于瓦斯含量的控制作用随着煤层层位的加深而逐渐较弱(表2)。

图3 官田坝向斜瓦斯分带情况图(左：4#；右：9#)Figure 3 Guantianba syncline gas zonation (left: coal No.4; right: coal No.9)

图4 官田坝向斜瓦斯分带情况图(左：13#；右：15#)Figure 4 Guantianba syncline gas zonation (left: coal No.13; right: coal No.15)

图5 各可采煤层瓦斯含量随埋深关系变化(左：4#；右：9#)Figure 5 Variation of coal seams gas content along with buried depth (left: coal No.4; right: coal No.9)

图6 各可采煤层瓦斯含量随埋深关系变化(左：13#；右：15#)Figure 6 Variation of coal seams gas content along with buried depth (left: coal No.13; right: coal No.15)

表2 不同煤层与埋深拟合关系表(7煤数据较少未进行分析)Table 2 Fitting relations between different coal seams and buried depths (without coal No.7 owing to less data)

2)瓦斯含量平面分布特征。由于测试数据的有限性无法对相关区域进行准确的含气量预测分布，基于现有资料将其全区瓦斯赋存分为贫瓦斯、含瓦斯及高瓦斯，对其进行全区的展布预测(图7、图8)。

图7 官田坝向斜瓦斯含量平面分布图(左：4#；右：9#)Figure 7 Guantianba syncline gas content horizontal distribution (left: coal No.4; right: coal No.9)

图8 官田坝向斜瓦斯含量平面分布图(左：13#；右：15#)Figure 8 Guantianba syncline gas content horizontal distribution (left: coal No.13; right: coal No.15)

由图7、图8可知，4、9#煤层瓦斯赋存规律相对简单，主要受埋深因素控制。两煤层全区主要以高瓦斯分布为主，在北西部一带受埋深降低的影响瓦斯含量相对较低。13、15#煤层瓦斯赋存规律相对复杂，13#煤层瓦斯含量最高19.46ml/g(1003号孔)，均值为9.15ml/g，瓦斯含量相对较高。东部至西部一带受褶皱构造等地质条件影响含量相对较低。15#煤层瓦斯含量最高为15.55ml/g(2601号孔)，均值为8.64ml/g。全区含瓦斯主要分布南东部以北一带，东部、北部勘查区两侧瓦斯含量全区最低。

3 瓦斯赋存规律差异性分析

基于上述分析结果，从煤层埋深、地质构造、围岩条件、地下水活动及煤层变质程度五个方面探讨不同层位煤层瓦斯赋存规律变化特征。

3.1 煤层埋深

煤层埋藏深度作为决定煤层瓦斯含量的重要因素，已经被广大学者广泛接受并得到验证。对同一煤田或煤层，在瓦斯风化带以下，煤层瓦斯含量随着煤层埋藏深度的增加而增大，它反映了煤层瓦斯由深部向地表运移的总规律。尽管全区瓦斯含量随煤层埋深均表现为单调递增趋势，但规律性不明显(图9)，图5、图6也表明随着煤层层位增加瓦斯含量与埋深关系逐渐减弱。

图9 研究区煤层埋深随瓦斯含量变化趋势Figure 9 Variation trend of coal seam gas content along with buried depth in study area

3.2 煤层变质程度

随着煤层变质程度的增加，微孔和小孔发育，为吸附甲烷提供了更大的比表面积和储气能力。但由于全区煤层镜质组反射率大都在2.76～3.35，煤层变质程度相差较小，故该研究区中演化程度决定了瓦斯赋存量，但对全区分布影响相对较小。

3.3 地质构造

区域主体构造为官田坝向斜，目标区位于官田坝向斜两翼，在其南东部发育有次一级铜鼓山背斜、马场向斜，其向斜翼部瓦斯含量较轴部瓦斯含量高，但由于资料有限，仅靠地勘时期资料和该工作测出的瓦斯含量分析，此种影响较小。

断层主要发育于南东部后山乡一带，小断层集中发育于褶曲两翼及作为大断层伴生断层发育。其中南东部主要以逆断层为主，延伸长度长，而北东部以正断层为主，延伸长度长。由于断层集中应力的影响，距断层一定距离的煤层的透气性因受挤压而降低，出现瓦斯增高区。但值得提出的是，仅从地震资料、地勘钻孔、瓦斯参数上分析，该区断层对瓦斯赋存影响相对较小，但瓦斯含量与埋深影响的差异性初步推测与断层引起的埋深起伏变化有关。

3.4 围岩条件

煤层及其围岩的透气性越大，瓦斯越易流失，煤层瓦斯含量就越小，煤层围岩的隔气和透气性都可以直接影响到煤层瓦斯的保存条件。顶底板泥岩厚度作为评判围岩透气性的一项重要指标，本文旨在通过统计各煤层顶底板泥岩厚度与瓦斯含量关系分析其影响机理(图10)。可知顶底板泥岩厚度变化对瓦斯含量的影响并不明显(因为数据有限，无法对其各可采煤层进行单独分析)。

图10 顶底板泥岩厚度与瓦斯含量关系图Figure 10 Relationship between roof and floor mudstone thickness and gas content

3.5 地下水活动

研究区地下水的主要补给来源为大气降水，局部地段为河流水，矿床的直接充水水源为龙潭组裂隙水，而河流和冲沟水、玉龙山灰岩和长兴灰岩岩溶裂隙水及采空区积水则为矿床的间接充水水源。同时，茅口组(P2m)强岩溶含水层岩性为碳酸盐岩，地下岩溶极为发育，含岩溶水，富水性极强。据现有资料可知，所有钻孔茅口组水位均高于龙潭组底界，因此茅口组地下水具承压性，是今后开采15#煤层最重要的隐患。初步分析深部煤层瓦斯赋存规律以地下水活动为主要影响因素。

4 结论

①在取样深度范围内，CH4浓度分布变化较大，N2浓度分布变化较小。各垂向煤层在埋深处于500～600m普遍存在明显的“转折点”，推测可能与不同地层层序格架控制的煤储层物性有关。

②基于测试煤层瓦斯参数，同一煤层不同埋藏深度、不同标高，瓦斯含量随埋藏深度的增加而变化的趋势明显，但同一钻孔不同煤层的瓦斯含量变化规律性并不明显。随着煤层层位的加深，瓦斯含量与埋深的关系逐渐趋于弱化，一定程度上表明埋深因素对于瓦斯含量的控制作用随着煤层层位的加深而逐渐较弱。

③不同煤层层位瓦斯赋存规律主控因素不尽相同，4#、7#、9#煤层瓦斯含量受埋深影响作用明显，但13#、15#煤层瓦斯赋存规律一定程度上受地下水活动作用较强。

④随着开采深度的增加和深部地质构造的复杂性，埋深对瓦斯赋存的影响作用可能会发生变化。在实际开采工作中，应重点注重基础地质资料的获取工作，本文由于相关资料的不足，难以进行深层次研究工作一定程度上影响了矿井深部瓦斯赋存和预测的研究。

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Gas Hosting Pattern Variance Analysis in Guantianba Syncline, Jinsha County

Wei Shiguo

(Guizhou Bureau of Coal Geological Exploration, Guiyang, Guizhou 550006)

To find out gas hosting pattern in the Guantianba syncline, Jinsha County, Guizhou Province, guarantee further coalmine exploitation in order, based on study area geological exploration drilling data, pilot well tested data and minefield geological condition detailed analysis, combined with measured gas data, by means of gas geology theory have carried out gas hosting pattern analysis and discussion on different coal seams from vertical and horizontal two sides. The results have shown that within sampling depth extent, the mineable coal seam CH4 concentration distribution has larger variation, while the variation of N2 smaller. Coal seams in each horizon have obvious “turning point” within buried depth 500～600m generally, inferred possibility related to the strata sequence framework controlled coal reservoir physical properties. Along with coal seam horizon deepening, relationship between gas content and buried depth gradually tends to weakening. It has shown that in a certain degree, the control from buried depth on gas content will gradually weaken along with coal seam horizon deepening. The gas content of coal seam Nos.4, 7 and 9 have obviously impacted by buried depth; while gas hosting pattern of coal seam Nos.13 and 15 controlled by groundwater activities in a certain degree.

Guantianba syncline; vertical distribution; horizontal distribution; turning point; gas hosting

10.3969/j.issn.1674-1803.2017.07.05

1674-1803(2017)07-0018-06

韦仕国(1981-)，男，贵州平塘人，2004年毕业于贵州工业大学勘查技术与工程专业，工程师，从事煤炭地质勘查工作。

2017-04-12

责任编辑：宋博辇

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