沉积环境与瓦斯赋存关系研究-以阳泉五矿太原组为例

(宿州学院安徽省煤矿勘探工程技术研究中心,安徽 宿州 234000)

0 引 言

含煤岩系的沉积环境研究是目前矿井地质学中的重要课题之一，弄清楚煤层在形成时期所经历的环境变化对进一步研究煤的各项性质有着深刻的影响[1]。对于瓦斯的地质控制因素国内外众多知名学者也都已提出了很多的理论，但是结合沉积环境的研究还不够完善，以阳泉矿区五矿太原组15#煤层为例，开展沉积环境的研究工作，并找出其与瓦斯含量的关系对矿井地质工作是一项很好的补充。

1 区域地质概况

阳泉境内大部分地区海拔在698m以上，其中五矿坐落于平定县内，在地图上由南西至北东方向延伸，总面积约 81.49km2[2]，交通便捷，矿区位于沁水块坳东北方向边缘，整体表现为一个东翘西倾的单斜构造，岩层倾向沿南西方向，倾角11°左右[3]，整个矿区构造比较简单，仅见断层、褶曲、陷落柱等一些小型的地质构造，其中褶皱多为一些短轴褶曲且较为平缓，规模较大的共有十数条，走向多沿北东方向。由于区域内某些地方地层层序较为混乱，局部还出露新地层且这些新地层的产状与围岩并不相同，这些证据都表明区域内陷落柱较为发育，且根据历次勘探的结果显示该矿区断层发育较少且规模较小，断层落差超过20m的只有4条。区域出露地层在地质年代上跨度较大，走向为北西-南东，倾向南西方向，其中太原组地层厚度约在60m-80m之间，下部有一不整合面与本溪组接触[4]，地层从老到新经历晋祠砂岩、15#煤层以及三套灰岩，一直到该组顶部再次沉积砂岩，完成一次完整的沉积旋回。

2 沉积环境研究

通过分析岩性标志、构造标志、粒度分析、地球化学标志及古生物及古生态标志的特征，在研究区目标地层中识别出障壁海岸、碳酸盐台地两种沉积相类型，细分又包含五种沉积亚相，具体如表1所示。

表1 五矿区域太原组沉积相类型划分表

2.1 障壁海岸相

该沉积相由障壁岛、澙湖以及与澙湖相连的潮汐水道组成，障壁岛把澙湖与海岸隔开[5]，一般分为以下三种亚相：

(1)障壁岛亚相

平行分布在海岸上且高出水面又窄又长的砂岩体被称做障壁岛。研究区障壁岛沉积特征如下：

陆源碎屑成分中一般石英、燧石岩屑(图1)含量较多，长石成分较少，细粒-中粒石英砂岩(图2)是其主要岩石类型，通常情况下杂基的含量是非常少的，胶结方式为接触式胶结，颗粒支撑，硅质、粘土矿物为主要的胶结物。

图1 含燧石岩屑(镜下)

图2 细粒-中粒石英砂岩(镜下)

(2)澙湖亚相

澙湖的水动力条件一般比较弱，以潮汐作用为主，研究区澙湖沉积主要特征如下： 主要岩石类型为暗灰色粉砂质泥岩、铝质泥岩等，该类型沉积环境中各种层理发育较多，且剖面上可见菱铁矿结核，岩芯中含有黄铁矿、植物及腕足类化石。

(3)潮坪亚相

潮坪一般发育在海陆过渡沉积模式的三角洲沉积相中，受潮汐以及澙湖的影响，研究区潮坪亚相据其特征可分为泥坪、混合坪和砂坪。潮汐作用是其水动力条件，在该动力下发育潮汐层理。

2.2 碳酸盐台地相

碳酸盐台地相一般分为开阔台地亚相和局限台地亚相，具体特征分述如下：

(1)开阔台地亚相

开阔台地一般指台地靠外的部分，这部分经常与外海连通，地形较为开阔，水动力条件较强[6]，研究区该亚相特征主要反映在K2、K4灰岩上，这两种灰岩中发现有多种生物化石，如常见的三叶虫、腕足类、介形虫等，对区域钻孔岩芯的构造特征进行观察，会发现有脉状、波状等层理，与上述水动力条件吻合。

(2)局限台地亚相

局限台地与开阔台地对比，是台地靠内的部分，连接的是澙湖，其水循环受到限制，水动力条件较弱[7]，各种类型的碎屑灰岩为局限台地亚相的主要岩性，在研究区该沉积亚相具有代表性的岩石是K3钱石灰岩，该灰岩最大的特点就是其中含有生物化石-海百合的茎，构造特征主要发现有水平或者块状层理。

图3 阳泉五矿15#煤层在600-650m埋深内

煤层厚度和瓦斯含量的关系

3 沉积环境与瓦斯赋存关系

不同的沉积环境中瓦斯的赋存状态是不同的，影响其含量的因素有很多如构造因素、煤的变质作用、水文地质条件等[8]，但要研究瓦斯与沉积环境之间的关系，需剔除沉积环境以外的因素，具体从以下四个方面进行分析。

图4 阳泉五矿15#煤层埋深在570m-610m底板泥岩

厚度和瓦斯含量关系图

3.1 煤质对瓦斯含量的影响

沉积物的物理化学性质会随着沉积环境的改变而改变，因此特定沉积环境中沉积的煤层具有特定的煤质，瓦斯含量也有一定的规律。研究区15#煤层是典型的陆表海沉积环境中的海侵成煤，以该煤层为例，采取煤岩样品进行煤质分析后知研究区15#煤灰分(Ad)为5.38%-37.28%，平均16.38%，可定义为低灰-中灰煤；原煤挥发分(Vdaf)为3.08%-14.36%，平均8.3%，具有特低挥发分煤的性质；原煤硫分(St,d)为0.78%-6.93%，平均1.65%；浮煤硫分(St,d)为0.15%-1.48%，平均0.87%，为低硫-高硫煤。综合以上煤质化验结果可知研究区内目标煤层为无烟煤，并且变质程度较高。由于变质作用进行的越彻底煤的孔隙越大，而瓦斯在生成后会赋存在煤的孔隙之中，因此孔隙直径越大其比表面积越大从而赋存瓦斯的含量越高[9～10]。结合五矿区域内瓦斯资料分析后发现整个矿区地下瓦斯含量高且瓦斯含量整体分布不均，该值在矿区内最大达到38.17m3/t，最小为3.16m3/t，平均10.39m3/t。

和顶板灰岩厚度关系图

3.2 煤层厚度对瓦斯的影响

沉积环境影响着岩层形成时的物源以及可容纳空间的变化，因此不同沉积环境中形成的煤层厚度也不同。在一定的压力下煤层厚度越大，瓦斯从煤内所处位置扩散到煤层以外所经过的路径越长，因此煤层厚度越大越不利于瓦斯的运移。

以阳泉五矿15#煤层为例，采用控制变量的理念，固定同种煤层，保证埋深范围一致的情况下探讨煤层厚度和瓦斯含量的关系，统计了该煤层在600m-650m埋深处上述两个变量的数据，如表2所示，为求直观表达两者之间的关系，又根据这些数据在Excel中绘制了散点图(图3)。

如图3所示，通过拟合回归曲线观察，相关系数R2为0.136，该值与1相差较多，说明阳泉五矿15#煤层在600m-650m埋深内，煤层厚度不断增大的过程中，瓦斯含量变化与之并不成线性关系，由此也说明煤层厚度对瓦斯含量的影响程度并不大。在前面已经提到理论上瓦斯含量应该与煤层厚度成正比关系，分析出现这种情况的原因如下：选取同一深度范围内钻孔点揭露煤层厚度，厚度值在5.8m-8.5m之间，变化范围并不大，由此导致每个点对应的瓦斯含量在横向上变化也不是太大，致使实际与理论有差距。

表2阳泉五矿15#煤层在600m-650m埋深内煤层厚度和瓦斯含量数据

孔号xy样品深度/m煤层厚度/m瓦斯含量(m3/t)3-141100142.483959.5630.36.813.583-145101535.184157.8616.67.44.893-157102265.284160.5628.27.610.963-158101847.984093.7623.85.38.133-159101484.683712.3632.58.50.563-163101276.283079.2648.86.59.943-148103012.285032.3625.36.24.65

图6 阳泉五矿15#煤层埋深在610m-640m煤层埋藏

深度和瓦斯含量关系图

3.3 顶底板岩性对瓦斯含量的影响

除出露地表的煤层外，一般的煤层都有各类不同岩性的岩石作为顶板和底板。从瓦斯的赋存角度上看，主要还是岩石的孔隙比和厚度对瓦斯赋存影响比较大。厚度小，粒度大，磨圆和分选不好并且孔隙多的岩石组成的顶底板不利于瓦斯在煤层中赋存，反之厚度大，粒度均匀，分选和磨圆比较好并且孔隙小的岩石组成的岩层作为顶底板时瓦斯赋存效果更好。

还是以上述煤层为例，固定埋深范围，其顶板主要由各类灰岩组成，厚度也有一定大小的差异，范围在3m-8m之间，底板主要由泥岩构成，具体实测数据如表3所示。

表3 阳泉五矿15#煤层埋深在570m-610m底板泥岩厚度和顶板灰岩厚度含量表

分析图4，阳泉五矿15#煤层在一定的埋深范围内，瓦斯含量与底板泥岩厚度这两个变量成线性关系，并且相关系数R2值为0.9，同理在图5中分析该煤层在固定埋深时瓦斯含量与顶板灰岩厚度这两个变量的关系，发现其相关性较图4中更好，相关系数R2值达到0.963，说明瓦斯含量和底板泥岩厚度及顶板灰岩厚度都成正比。分析原因如下：由于泥岩颗粒较小，形成岩石后整体孔隙比也就小，因此底板泥岩厚度大不利于瓦斯逸散，而顶板主要由灰岩组成，灰岩是在碎屑物质供应不足的海相环境中形成的，且瓦斯的密度小于空气，在岩石中应呈现出向上运动的趋势，因此灰岩中的孔隙和裂隙起到到赋存瓦斯的作用，其厚度越大瓦斯含量也越高。

3.4 埋藏深度对瓦斯的影响

一般情况下，随着埋藏深度增大，岩层沉积的年代就越早，受到地热催化反应作用的时间也越久，生物化学反应进行得更彻底[11]，并且随着深度不断增大，地压不断增大，瓦斯含量由此也越大，下面依然以阳泉五矿15#煤层为例，统计了该煤层埋藏深度在610m-640m范围内瓦斯含量的数据如表4所示来找出两者之间的联系。

表4阳泉五矿15#煤层埋深在610m-640m煤层埋藏深度和瓦斯含量统计表

孔号xy样品深度/m 瓦斯含量(m3/t)3-141100142.183959.4630.313.673-145101536.284157.5617.24.763-157102266.184160.3627.110.963-158101849.884093.7621.68.133-169104085.784610.6617.32.653-153104031.685015.2625.79.15

分析表4和图6，目标煤层的埋藏深度在610m-640m 范围内时，埋藏深度与瓦斯含量这两个变量很清晰地显示出正相关的关系，相关系数R2为0.935，相关关系明显，因此说明该煤层埋深范围一定时，瓦斯含量随埋藏深度的增大不断升高，且两者的正比关系非常明显。

4 结 论

(1)研究区沉积模式为海陆过渡相沉积，具有陆表海的沉积特点，根据一系列沉积标志将研究区分为障壁海岸相和碳酸盐台地相两种沉积相，再细分为五种沉积亚相。

(2)从沉积环境与瓦斯含量之间的关系这个角度分析，发现煤层变质程度越高，瓦斯含量就越大，且瓦斯含量与埋藏深度、底板泥岩厚度、顶板灰岩厚度都呈正相关关系，但与煤层厚度关联性不大。

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