临界深度控制下的煤层瓦斯赋存规律差异性分析

张广政

(贵州省煤田地质局地质勘察研究院，贵阳 55006)

0 引言

随着煤炭开采工作的持续深入，煤矿开采逐渐由单一煤层向多煤层协同开采发展，并逐渐由浅部向深部过渡，在提高经济效益和开采效率的同时，也增加了开采工作的难度，尤以瓦斯赋存问题最为突出。国内外学者从瓦斯赋存规律、瓦斯含量预测、瓦斯防治策略等多方面进行了综合研究，并取得了一系列成果[1-9]。但值得注意的是，以上研究大多针对于同一研究取得同一(两层)煤层，针对垂向多煤层瓦斯赋存规律的研究相对较少，各煤层瓦斯赋存规律差异性认识不足，一定程度上制约了多煤层区煤矿生产工作的顺利进行。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，深入分析深度控制下的煤层瓦斯赋存规律的差异性，以期为该区煤矿安全生产工作提供借鉴。

1 研究区地质条件

研究区位于比德向斜西南翼中段南部，总体为浅部较陡、深部宽缓的向斜构造。龙家沟向斜以北，地层走向呈NW-SE向，倾向NE；龙家沟向斜以东，地层走向转为SW-NE向，倾向NW。浅部地层倾角25°～50°，一般40°，深部5°～20°，区内断裂构造较为发育，以正断层为主，如图1所示。

图1 研究区构造纲要图Figure 1 Structural outline map of study area

研究区含煤地层为二叠系上统龙潭组，地层厚度385.55～471.33m， 平均厚度422.09m。垂向表现为明显的旋回性， 区内含煤地层含煤36～55层，一般44层，含煤总厚度23.13～56.65m，平均厚39.63m，含煤系数9.39%；含可采煤层5～12层，主要可采煤层为2#、3#、6#、27#、30#、32#煤层，总厚度11.82～27.45 m，平均厚度 19.22 m，可采含煤系数4.55%。

2 研究区煤层特征差异性分析

2.1 物理性质

研究区内各可采煤层镜煤最大反射率为1.73%～2.12%，平均为1.90%。以块状为主，少量碎块状、粉状；主要为细条带状结构，局部见宽条带、中条带；金属光泽为主，沥青光泽为辅；断口主要为阶梯状，少量参差状；内生裂隙发育，充填网状钙质薄膜。受同一沉积环境总体控制，各可采煤层孔隙密度变化较小，大多稳定于1.55～1.65。

图2 各可采煤层真(视)密度垂向分布Figure 2 Mineable coal seams true (apparent) density vertical distribution

如表1所示，各煤层有机显微组分、无机显微组分等物理性质均相差不大，一定程度上反映了该区沉积环境发育的稳定性。

2.2 化学性质

如图3所示，原煤灰分在垂向上呈高低高波形变化，在27#煤层其值最大。浮煤灰分在垂向上煤层自上而下，变化规律与原煤相似， 仍在27#煤层处灰分值最大， 但同一煤层灰分相较原煤明显减小。

表1 煤岩鉴定成果表

(a)

(b)

(c)图3 各可采煤层灰分/硫分垂向分布特征Figure 3 Mineable coal seams ash, sulfur contents vertical distribution features

原煤硫分在垂向上，大体上也呈波动式变化，在30#煤层其值最大。浮煤硫分变化规律与原煤相似，但是在27#煤层处硫分值最大，因原煤中硫主要以硫铁矿硫形式存在，经洗选后易脱除，所以同煤层浮煤硫分小于原煤，且原煤硫分较大的煤层经洗选后减少的硫分越多。综上所述，煤层化学性质的差异一定程度上也导致了各可采煤层瓦斯赋存规律的垂向差异性特征。

3 研究区瓦斯赋存特征差异性分析

在取样深度范围内，基于研究区实测资料(标高在518.17～1 428.67m)，瓦斯分带不明显，同一标高的不同部位，分布有甲烷带、氮气甲烷带、氮气带，各煤层以甲烷(CH4)带为主。在勘查区范围内各主要可采煤层的自燃瓦斯成分中，2#、3#、27#、30#和32#煤层的甲烷(CH4)+重烃平均浓度>80%，属沼气带，6#煤层甲烷(CH4)+重烃平均浓度<80%，属氮气-沼气带。值得说明的是，6#煤层的甲烷(CH4)+重烃平均浓度小于80%，但粉碎前后的可燃气体含量大于8 ml/g，仍说明煤层可燃气体主要以吸附的形式存在煤层中。

3.1 垂向分布特征

基于实测瓦斯含量分析，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，探讨各煤层垂向变化规律。

图4表明，随着煤层埋深增大，不同煤层瓦斯含量表现明显的差异性规律：2#瓦斯含量随埋深逐渐降低，3#瓦斯含量在一定深度范围内呈缓慢增加。2#煤层的差异性初步分析与煤层取样点较少及部分测试点位于瓦斯风化带以上有关，故煤层瓦斯含量与埋深规律的“反常”值得商榷。

受沉积环境背景的统一性影响，6#煤层全区发育广泛，取样点均匀分布，数据结果具有很好的代表性。图5表明随着煤层埋深的增大，瓦斯含量具体表现为以800m为界呈现低-高-低的变化趋势。综上所述，以6#煤层800m为界，可采煤层瓦斯含量与煤层埋深表现出明显的差异性(图5、图6)。

3.2 影响因素分析

基于上述分析结果，本文基于相关测试分析结果，以煤层临界埋深值为切入点，尝试从地质构造、煤储层吸附特征、地下水活动及煤层变质程度等方面探讨不同层位煤层瓦斯赋存规律，以阐明临界深度控制下的煤层瓦斯赋存规律。

3.2.1 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。全区煤层镜质组反射率大都在1.74～1.78。在构造条件相对稳定条件下， 煤层变质程度一定程度上影响了煤层吸附/解吸能力。本文基于对研究区多钻孔取样煤样进行等温吸附测试， 以此表征各煤层含气能力大小(图7)。

图4 2#、3#煤层瓦斯含量随埋深关系图Figure 4 Relationship between gas content and buried depth of coal Nos.2 and 3

图5 6#、27#煤层瓦斯含量随埋深关系图Figure 5 Relationship between gas content and buried depth of coal Nos.6 and 27

图6 32#、33#煤层瓦斯含量随埋深关系图Figure 6 Relationship between gas content and buried depth of coal Nos.32 and 33

基于对研究区各煤层在Ts=30℃进行等温吸附试验结果分析，受其孔隙结构的统一性，各煤层兰氏体积大多稳定于30～32m3/t，吸附特征趋于一致。初步分析归因于各可采煤层变质程度相差不大孔隙发育特征差异性较小，一定程度上也说明煤储层物性特征并非是导致瓦斯赋存差异性的主要因素。

3.2.2 地质构造

研究区位于比德向斜西南翼中段南部，区域主体构造为浅部较陡、深部宽缓的向斜构造，大部分断层及位于先期开采地段内的断层已查明；区内构造形态已得到控制。从断层发育情况来看，其总体延伸方向以北东向为主，断层性质以正断层为主，多发育于研究区SW及NE区域，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，仅从现有搜集资料上分析，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。本文主要通过研究埋深与瓦斯含量关系体现地质构造的影响作用。

3.2.3 水文地质条件

区域内地下水的补给来源以大气降水为主，地表水补给为辅。在非可溶岩分布本区域， 大部分降水沿地面的冲沟径流，小部分降水沿地面的孔隙及裂隙渗入地下，补给地下水。地下水的径流在可溶岩地层中，以管道流为主，脉状流为辅；在非可溶岩地层中，以隙流为主。受三岔河与落底河的影响，勘查区内地下水的径流方向有所不同，主要由W向E方向径流；亦有SW向NE流或SE向NW流动。地下水条件表现出平面差异性明显，垂向含水条件普遍较差的总体规律，分析可知深部煤层瓦斯平面赋存规律受地下水活动影响较大，但对于垂向分布规律控制性较小。

图7 2#、3#煤层等温吸附曲线图Figure 7 Isothermal adsorption curves of coal Nos.2 and 3

图8 30#、32#煤层等温吸附曲线图Figure 8 Isothermal adsorption curves of coal Nos.30 and 32

3.2.4 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。全区各可采煤层瓦斯含量随煤层埋深表现并不一致，规律性较差。以500m为界，以浅煤层瓦斯含量与煤层埋深关系相关性较差，500～800m随着煤层埋深瓦斯含量呈现明显的递增趋势，800m以深，瓦斯含量与煤层埋深表现为明显的递减趋势(图9)。

图9 瓦斯含量随各主采煤层埋深趋势变化Figure 9 Variation trend of gas content along with main mineable coal seam buried depth

详细分析研究区地质条件，表明区域内煤层含气量分布格局与地质构造，特别是次级褶曲构造有关。具体来说，高含气量区段平面分布位置多与次级背斜轴部高度吻合。无独有偶，这一区段正是500～800m的平面分布位置。为此，研究区内煤层气含气量与埋深之间的关系，在一定程度上受到次级褶曲发育的控制影响作用。然而，次级褶曲的影响通常体现在煤层含气量的平面分布上，目前并未见造成深部分布异常的报道。由此来看，除了次级褶曲之外，还存在更为重要的地质影响因素。

对研究区12个钻孔进行测温数据统计(图10)结果表明，该区地温梯度普遍发育为1.55℃/100m～3.97℃/100m，矿区平均地温梯度为2.16℃/100m，大多数地段地温梯度正常，局部地带有高温区存在。500m以浅，地温梯度普遍较大，一定程度上使煤层受热温度对煤吸附能力的影响在一定深度之下超过了煤储层压力，导致煤饱和吸附量与埋深之间关系在一定深度发生反转，存在一个“临界深度”。500m以深，地温梯度趋于正常，大多维持在2.15℃/100m～3.00℃/100m，煤层含气量表现为随埋深逐渐增大的稳定趋势。800m以深，一方面温度的持续增加降低了煤层最大吸附量，另一方面随埋深增大，煤储层压力不断增大促使煤层赋存能力逐渐降低。双重因素的综合作用导致煤层含气量随埋深呈现逐渐降低的变化趋势。总之，局部地温异常是造成煤层含气量在500m/800m埋深段表现差异性的主要原因。

4 结论

1)在取样深度内，各煤层瓦斯含量随埋深变化趋势不同，浅部煤层与煤层埋深呈现递减趋势。随着煤层层位的降低，一定埋深内，煤层瓦斯含量与埋深关系逐渐趋于正相关。当埋深达到800m临界深度后瓦斯含量和埋深关系进一步趋于复杂。处于500～800m普遍存在明显的“转折点”，推测与构造引起的局部地温异常有关。

2)基于等温吸附曲线、煤层瓦斯参数及地温测试资料分析表明地质构造、水文地质条件及煤变质程度对煤层瓦斯垂向规律差异性的影响作用有限，地温局部异常引起垂向层段地温梯度差异性是研究区瓦斯含量“临界深度”的主控因素。

图10 地温梯度垂向变化趋势图Figure 10 Vertical variation trend of geothermal gradient

3)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的地质研究工作，同时这一方面也必将成为该区的主要攻关方向。

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