影响维新井田8号煤层瓦斯赋存的地质因素

赵 春

（山西蓝焰煤层气集团有限责任公司，山西 晋城 048000）

1 概述

维新井田8号煤层为全区可采的主采煤层，煤层含气量高，具有突出危险性。随着近年来矿井开采强度和开采深度不断向深处延伸，矿井瓦斯已成为制约该矿安全高效开采的主要灾害源。目前，井田内已开展了少量的瓦斯地质工作，但尚未摸清主采煤层的瓦斯赋存规律及其主控地质因素。因此，笔者基于矿井开采资料、瓦斯基础参数测试资料等，对井田内影响8号煤层瓦斯赋存的主控地质因素进行了分析和研究。研究成果可对煤层的安全高效开采提供技术支撑。

2 井田基本概况

维新井田位于四川省筠连矿区中断沐爱勘探区的东北部，其东部、西部及南部分别以F3、F175、F2断层为其自然井田边界，矿区总面积40 km2。井田构造因受前期构造期次所形成的南北展布的F3断层、近东西向展布的F1、F2及玉和背斜共同控制，其构造形态基本为一北东向展布、波幅不大、宽缓的背、向斜构造，并伴有一定数量的次级褶曲和断层发育，未见陷落柱构造和岩浆侵入活动。总体而言，构造复杂类型为中等。二叠系上统宣威组上段为井田内主要含煤地层，平均总厚度43.25 m，平均煤层厚度7.17 m，含煤系数为16.6%。8号煤层位于宣威组上段底部，为本井田主要可采煤层，厚度1.03～8.88 m，平均3.81 m。 煤分层数1～7层，一般为2层，煤层结构较为复杂。据井田瓦斯鉴定资料和瓦斯基础参数测试资料显示：8号煤层含气量高（2.46～38.51 m3/t，平均为18.90 m3/t）且赋存极不均衡，回采该煤层过程中矿井瓦斯涌出量大，并具有突出危险性，瓦斯难题极大制约着矿井的安全高效开采。

3 影响瓦斯赋存的主要地质因素

3.1 地质构造

（1） 断层

断层是最为重要和常见的地质构造之一，因其受外力作用产生错断而使煤层的完整性遭受破坏，进而影响煤层瓦斯的赋存的环境。研究和实践证实，不同断层类型和受力状态的差异，可对煤层瓦斯起到富集和逸散双重控制作用。据三维地震勘探资料和矿井揭露资料显示，井田内可见77条断层，其中正断层47条，逆断层30条，断层延伸距离和断距均较小，多以小断层为主，且部分为层间断层。据构造应力场分析，区内断层多受挤压应力作用，使断层面紧闭。同时，因断层两盘的相对位移，在断层面附近形成了许多渗透性差的粉末状煤岩，断层面的封闭性极好。因此，区内断层的受挤压力状态和断层面的良好封闭性能，均对煤层瓦斯起到良好的储集作用。因而在这些构造部位及其影响带煤层含气量往往较高。据采矿实践，当回采到上述断层影响带时矿井瓦斯涌出量会突然增大现象，并偶尔伴有瓦斯动力现象发生。

（2） 褶皱

研究区褶皱构造主要是受水平挤压应力作用而形成的纵弯褶皱类型。研究和实践证实，褶皱对煤层瓦斯的赋存亦具有重要控制作用，不同褶皱类型和褶皱的不同构造部位因受力状态的差异，其煤层瓦斯赋存状态各异［2］。据研究区采矿实践和瓦斯基础参数测试结果分析得出，在次级褶皱轴向的转折端和枢纽起伏而形成的相对构造挤压带，以及不同期次、不同方向褶皱间的阻断、复合、归并、干扰等而形成的构造应力集中部位或块段，因煤体受力破坏较甚、构造煤较为发育，煤对瓦斯的吸附能力增强和吸附量增大 （或储集能力和储集量），煤层含气量往往比较高。在井田内伍家湾背斜轴部及其转折端附近，煤层瓦斯含量显示高值。而在褶皱的两翼及仰起端，因主要受拉张应力作用且埋深较浅，这些构造部位煤层含气量往往比较低（如8号煤在232-11、273-1等煤勘孔附近）。

3.2 煤层埋藏深度

大量理论研究与实践证实，煤层埋藏深度对瓦斯的富集成藏具有重要的控制作用。煤层埋藏深度对煤层瓦斯控制主要体现在以下三个方面：首先，随着埋藏深度递增，煤层的上覆岩层（或盖层）有效厚度增加，有效应力增大。根据煤的等温吸附实验可知，煤层对应力具有极强的敏感性，应力增加，煤对甲烷气体分子的吸附量越大，反之亦然。因此，埋藏深度越大，应力对煤层吸附甲烷气体分子的正效应越强，煤层中瓦斯含量越高；其次，埋藏深度越深，上覆岩层自重增加，覆岩对煤层的压实作用更甚，使得煤中储集甲烷气体分子的孔裂隙系统（或空间）被压缩而导致煤层的透气性能大大减弱，不利于煤层气的横纵向运移逸散；再者，煤层埋藏深度增加，地层温度会逐渐增加，使得煤中的挥发份减少，煤的热变质作用 （或程度）增加，煤中微裂隙系统增加，进而增强了煤层对甲烷气体分子的吸附能力，利于其大量吸附。

为了定量分析煤层埋藏深度和煤层含气性的关系，对勘探钻孔所取的煤芯含气量数据和对应取样深度数据进行了统计和相关性分析。结果发现：在风化带以下（50～100 m），维新井田8号煤层埋藏深度和煤层含气量二者具有良好的正相关性 （见图1），遵循理论公式：y=0.0225x+0.8404，R2=0.7334（式中：y为含气量，m3/t；x为埋藏深度，m）。 煤层埋藏深度越大区域，煤层含气量越高，反之亦然。采矿实践证实：随着采矿深度的加深，煤层含气量和矿井瓦斯涌出量均呈现出增高趋势。

图1 维新井田8号煤层含气量与埋深关系

3.3 围岩岩性及其组合特征

围岩系指煤层上下一定范围内的顶底板，因其与煤层直接接触，围岩的岩性及其组合特征对煤层瓦斯的保存极为重要。研究和实践表明，围岩为致密、完整、透气性差的泥/页岩、炭质泥岩、砂质泥岩等泥质含量高的岩性及其相互旋回沉积时，其对煤层瓦斯能起到重要的封盖作用，利于煤层瓦斯的富集成藏，反之亦然。通过对井田内煤勘钻孔的围岩剖面观测和围岩的透气性能测定可得，如表1所示：8号煤层的围岩主要由炭质泥岩、泥岩、粉砂岩和细砂岩等岩性组成，这些岩石的透气性能非常之差，不利于煤层瓦斯的纵向运移逸散，因而对煤层瓦斯起良好的封盖作用，使得该煤层瓦斯得以大量保存和富集。

表1 维新井田8号煤层围岩透气性测定结果

3.4 地下水活动

8号煤层上覆主要有铜街子组和嘉陵江组两套含水层组，下伏主要有茅口组、栖霞组两含水层组。上覆、下伏四套含水层组均属于弱富水性含水层，地下水以自身重力驱动方式缓慢径流和滞缓流动，对煤层瓦斯的运移逸散起到一定的封堵作用。因8号煤层围岩主要由低渗、致密完整的高泥质含量类岩性组成，可对上覆、下伏地下水进入该煤层起到良好的阻隔作用。地下水的径流对煤层瓦斯的驱动逸散作用甚微或基本无影响，加之井田内地貌的深沟切割现象严重，不利于地表水汇集下渗与含水层中地下水形成强烈的水力交换或水力循环。因此，在上述井田范围内，煤层瓦斯受地下水径流影响甚微，煤层瓦斯含量整体较高。但在一些较大断层发育地带，因断层导通了上覆或下伏含水层，使得含水层中地下水的径流对煤层瓦斯驱动逸散作用显著，亦增加了煤层的含水性。最终导致煤层瓦斯的不断散失和减弱煤层对甲烷的吸附能力，煤层瓦斯含量较低。

4 结语

1）断层和褶皱为井田内两大主要构造类型，构造控制着煤层瓦斯赋存的局部聚集及不均衡分布。断层多具有挤压性质，使得断层面紧闭，加之断层面多被低透气性的煤岩粉所充填，不利于煤层瓦斯的向外逸散而积聚；不同期次、不同方向褶皱间的阻断、复合、归并、干扰等而形成的构造应力集中部位或块段，煤层含气量往往比较高。而受拉张应力作用，且埋藏较浅的块段，煤层含气量往往比较低。

2）井田内8号煤层的埋藏深度与煤层含气量具有良好的正相关性，即煤层埋深不断增加，煤层含气量随着增加，反之亦然。

3）井田内8号煤层的围岩主要由低渗、致密、完整泥质含量高的岩性组成，对煤层瓦斯的保存起到良好的封盖作用，是控制该煤层瓦斯富集成藏的最为重要地质因素。

4）井田内4层含水层的富水性普遍较弱，含水层中地下水径流滞缓，加之围岩的良好隔水性能和上覆、下伏多层隔水层和相对隔水层的存在，上覆、下伏含水层中地下水对8号煤层瓦斯的驱动逸散作用甚微或基本无影响。但在较大断层附近，煤层瓦斯在地下水长期驱动逸散作用下，煤层含气量低。