赵官煤矿瓦斯地质逐级控制及主控因素分析

赵彤宇 ，杨胜强 ，王晓宁 ，杨 盼

（1.中国矿业大学 安全工程学院，江苏 徐州221116；2.中国矿业大学 煤炭资源与安全开采国家重点实验室，江苏 徐州221116；3.中国矿业大学 煤矿瓦斯与火灾防治教育部重点实验室，江苏 徐州221116）

赵官煤矿位于鲁西煤田区域，以瓦斯地质构造逐级控制理论为基础[1-2]，利用逐级分析方法对影响赵官煤矿瓦斯赋存状况的地质构造因素按从大到小的顺序进行逐级分析，明确了赵官煤矿的瓦斯地质分布规律，并找到了影响其瓦斯赋存的主控地质因素[3]。在上述瓦斯地质分布规律研究的基础上，进行瓦斯灾害预测，为赵官煤矿有针对性的采取有效措施进行瓦斯灾害综合防治提供依据。井田不同区域的瓦斯压力、瓦斯含量大小，煤与瓦斯突出事故危险性，直接受到矿区地质构造类型、构造应力场分布的影响。因此，探索各个级别地质构造对煤层瓦斯赋存的影响规律，是对煤层开采过程中瓦斯涌出规律及其瓦斯涌出量进行准确预测的基础与前提[4-5]。

1 赵官7#煤层瓦斯地质逐级控制下的赋存规律

1.1 瓦斯构造逐级控制理论

根据以往对瓦斯运移及赋存规律的研究[6-8]可以得出：由于瓦斯具有很强的扩散性，在成煤过程中有80%以上的瓦斯逸散到大气中，赋存在煤岩体内的瓦斯量仅为瓦斯生成量的20%以下，其在不同区域的赋存量大小又与其瓦斯地质构造的控气（瓦斯）特性有关。瓦斯地质逐级控制理论分析示意图如图1。从图1 可以看出，各级地质构造之间存在着逐级控制的关系，也就是上一级的地质构造对下一级地质构造结构与特征起到控制作用。直接影响煤层不同区域的瓦斯生成、赋存及分布的地质构造为级别最低的各级地质构造。

图1 瓦斯地质逐级控制理论分析示意图Fig.1 Gas geology step by step control theory analysis diagram

1.2 区域煤田板块构造演化及控气（瓦斯）特性

赵官煤矿位于鲁西地域的黄河北煤田[9]，鲁西煤田的地质构造直接影响到赵官煤矿的区域板块构造特性。鲁西煤田的大致范围为山东省的济南和德州境内，其所在板块（鲁西板块）指的是沂沭断裂以西、齐广断裂以南的区域，该板块的主要聚煤期为石炭二叠系。该时期本区的构造带包括：断裂构造、褶曲构造，其中，断裂构造直接决定煤层赋存，而褶曲构造仅起到控煤作用。鲁西板块地质构造演化大致过程为：印支运动形成簸萁状构造格局；中侏罗世末期形成弧形构造体系；鲁西中生代以来形成铲式断层基底剪切滑面。因此可以看出：鲁西板块地质构造是一个长期复杂的形成过程，且具有多层次、多断面组合、多滑面、多延伸方向的特点。由于压性、压扭性断层及顺煤层延伸的滑脱面对煤层产生挤压应力，煤体结构遭受严重破坏，呈糜棱状、粉末状结构，大量煤层气被吸附，形成煤层气富集区。而赵官煤矿所处坳陷区与隆起区之间的黄河北煤田，是受中新生代岩浆侵入影响较严重的煤田之一，煤的变质程度较高，为焦煤、瘦煤、贫煤和无烟煤等，属煤层气富集区。鲁西伸展构造，控制了鲁西新生代沉积盆地的形成和演化，也控制了石炭二叠纪煤系的赋存和分布。鲁西伸展构造及次生的重力构造，对煤矿区的水文地质条件、煤层气的富集与分布、煤层的赋存形态均产生了重要影响。

1.3 矿区地质构造演化及控气（瓦斯）特性

赵官煤矿区域地质构造为黄河北区域的地质构造，黄河北煤田地质构造示意图如图2。黄河北矿区位于鲁西分区北部，整体区域形态与聊考大断层走向一致。其西部断层（赵官煤矿所在位置）以北东至北北向的为主，西部断裂也较少，构造较为简单，仅存在少量的高角度正断层，这种地质构造特征有利于瓦斯赋存；其东部断层以南北至北西向的为主，区域内的褶曲形态多为短轴的小背斜，区内次一级褶曲较为普遍，临近断层处瓦斯大多逸散，不利于瓦斯赋存。黄河北矿区在走向方向上多由一些短轴倾伏小向斜和小背斜组成波状起伏，这些小褶曲轴的大致方向为北西，这些小地质构造带使得局部岩层走向发生变化；在倾向方向上常表现为一些小的挠曲，由于这些挠曲的存在使得煤层在一些地段表现为近似水平的状态，在此地段瓦斯分布相对均匀。

1.4 矿井瓦斯地质构造控气（瓦斯）特性

图2 黄河北煤田地质构造示意图Fig.2 Diagram of geological structure of Huanghebei Coalfield

赵官煤矿开采范围处于鲁西地区黄河北区域西部的坳陷区，东西两翼的长清断层和F8断层封闭性强，断裂构造不发育；顶底板岩性以泥岩为主；7#煤层的上部及下部均较大规模分布着呈岩床侵入的岩浆岩。在赵官煤矿的东部，岩浆岩侵入煤层中，导致煤层的变质程度高，所生成的大量瓦斯赋存于7#煤层中。同时，又由于7#煤层上部又有1 层岩浆岩呈岩床侵入，形成致密的覆盖层，造成该区域瓦斯含量高。而在赵官煤矿的西翼，岩浆岩是以岩壁形式作用于7#煤层，造成煤层的变质程度低于东翼，形成弱粘煤，瓦斯吸附能力较弱，同时由于此区域埋深浅，缺少隔气盖层，在变质过程中煤层所生成的大量瓦斯也都逸散掉了，造成该区域的瓦斯含量较低。由于岩浆岩、煤层埋藏深度以及顶板与底板的岩石性质之间的相互作用，形成了赵官煤矿7#煤层高、低瓦斯区域并存的特点。

2 赵官煤矿瓦斯地质主控因素分析

煤层瓦斯量大小是矿井瓦斯综合治理及瓦斯利用的基础性参数，仅就地质构造而言，影响煤层瓦斯量大小的因素就有很多，要想搞清楚煤层瓦斯含量与各个影响因素之间的关系，就需要对地质构造中的各主控因素进行逐一分析[10-11]。

2.1 煤层埋深

根据关于煤层瓦斯含量与煤层埋藏深度之间关系方面的研究[12]可知：随着煤炭埋藏深度的增加，煤层瓦斯含量也逐渐增加，且呈正比关系，瓦斯压力也逐渐增加，煤层中的吸附瓦斯逐渐趋于饱和状态，其游离瓦斯含量所占比例逐渐增大。通过对现场实测的不同深度瓦斯含量进行线性拟合，400 m以下瓦斯含量与埋深的对应关系如图3。同时剔除一些明显错误数据，可以得出煤层深度400 m 以下的瓦斯含量与埋深之间呈正比，比例系数为0.693 1，说明煤层瓦斯含量的显著影响因素为煤层埋深，同时为主控因素。

图3 400 m 以下瓦斯含量与埋深的对应关系Fig.3 Correspondence between gas content and buried depth under 400 m

2.2 岩浆岩侵入

在成煤过程中，岩浆活动的强弱对于煤层中瓦斯量大小，影响显著且关系复杂。在缺少隔离层或岩层存在缝隙时，岩浆侵入的蚀变带形成有裂隙通道时，由于岩浆温度较高，煤层中赋存的吸附瓦斯会大量解吸；相反，岩浆侵入的蚀变带没有形成裂隙通道时，则岩浆高温的加速变质生烃作用，使得生成的大量瓦斯被封闭和储存，瓦斯含量较高。由此可见，岩浆活动可使煤的变质程度提高、生成瓦斯量增大，但当煤层及围岩的透气性系数较大、孔裂隙较为发育时岩浆的作用会使瓦斯的逸散和排放作用增强。

赵官煤矿有3 层地层存在岩浆侵入现象，主要位于山西、太原组煤系地层中。在上层，山西组2 煤层层位为主要侵入层位，侵入岩浆广泛分布在井田中深部区域。在中层，太原组顶部5 煤层位为主要侵入层位，为上层侵入岩浆的一部分且向西南逐渐变薄；在下层，11 煤层位为主要侵入层位，有的上冲到四灰上下，其分布范围几乎波及整个井田，岩浆岩的分布形态为岩床分布，并且从浅部向深部逐渐变厚。矿井东部受岩浆活动影响，瓦斯含量较大，主要是东部7 煤与11 煤沟通裂隙较发育，岩浆侵入11煤后生成的瓦斯沿裂隙进入7 煤，再加上上层岩浆的覆盖作用，而且又远离开放性断层，使东部瓦斯含量明显高于西部，甚至在局部地区形成瓦斯聚集区，相对瓦斯含量超过8 m3/t。而在矿井西部，虽然也有岩浆岩侵入，但是由于上层岩浆岩厚度较小，透气性强并且埋深较浅，再加上岩浆高温作用可以强化煤层瓦斯排放，使得煤层瓦斯含量较小。

2.3 断 层

结合收集的现场实测瓦斯含量数据，分析出来的2 个瓦斯异常区域分别位于矿井东测煤层底板标高-350～-400 m 区域和矿井西侧煤层底板标高-250～-300 m 区域。矿井东侧煤层底板标高-350～-400 m 区域地质构造复杂，次生断层都是落差在0.7～3 m 的正断层，数量多，因此该区域内的小断层对煤层原始瓦斯含量的赋存起主要的作用。由于这些断层的存在使得煤层赋存瓦斯呈现出区域性分布的特点。其中，走向断层的存在阻隔了瓦斯沿煤层倾斜方向的逸散，倾向与斜交断层的存在把煤层（瓦斯等流体）分割成了相互独立的瓦斯流体单元。这就是了赵官煤矿7#煤层存在高、低瓦斯区域并存特点的主要原因。

2.4 水文地质

赵官煤矿南部由寒武系石灰岩和奥陶系石灰岩组成，含水层与面积达1 080 km2左右的大面积裸露山区相接，在煤田和裸露山区之间为覆盖层，该覆盖层地势起伏较小，为奥灰隐伏露头区。该覆盖层的厚度范围为0～300 m，其厚度为从山区至煤田逐渐增大。由于存在地势差，当降水补给南部裸露山区后，水流会顺着倾向补给赵官煤田。由于水流运移方向为沿顺层往深部流动，成煤过程中生成瓦斯的运移方向为由深部向上运移，与水流方向相反，因此在水流的封堵作用下，瓦斯运移受阻，使高浓度瓦斯无法扩散出来，致使赵官煤矿深部具有高瓦斯含量。因此赵官煤矿水文地质对瓦斯主要起水力封堵作用。

2.5 煤层顶底板岩性

煤层顶底板的透气性及隔气性，对煤层瓦斯赋存具有重要影响。泥质岩石和页岩有利于煤层气的保存，若含砂质、粉砂岩等杂质时，会大大降低其遮挡能力。赵官煤矿 7 煤顶板为泥岩，厚 2.0～6.0 m，透气性差、隔气性强，有利于瓦斯赋存，使大量瓦斯赋存于煤层之中。

3 基于瓦斯赋存规律的瓦斯治理技术措施

赵官煤矿瓦斯赋存规律主要表现为：东部瓦斯含量高、西部瓦斯含量低。由于煤层瓦斯含量不同，在煤层开采过程中瓦斯涌出量也有所不同，针对不同的瓦斯涌出量采取不同的瓦斯治理措施。赵官煤矿东部7 煤的变质程度较高，为无烟煤，再加上埋藏较深和岩浆岩的侵入等因素影响，使该区域瓦斯含量高、瓦斯治理难度大，其瓦斯治理措施包括：采前预抽瓦斯，利用顺层钻孔进行本煤层瓦斯抽采；利用高位钻场进行卸压瓦斯抽采；在高位钻场后50 m布置低位钻场，抽取采空区上隅角瓦斯；利用“Y”形通风方式，对上隅角瓦斯积聚、回风巷瓦斯超限问题进行治理。赵官煤矿西部7 煤的变质程度较低，为弱黏性煤，瓦斯吸附能力较弱，同时由于此区域埋深浅、缺少隔气层等原因，使得此区域的瓦斯含量较低，所以其瓦斯治理措施仅为：通过“Y”形通风方式，解决上隅角的瓦斯超限及回风流的瓦斯超限，提高通风系统的风排瓦斯能力。

4 结 语

基于瓦斯赋存逐级构造控制理论，从煤田到矿区到矿井逐级分析了各级地质构造对瓦斯赋存的影响。鲁西地区的地质构造运动所形成的坳陷区、矿区内封闭性的长清断层和F8断层以及封闭性泥岩顶板共同造就了黄河北煤田局部瓦斯富集区，同时赵官井田内的火成岩侵入，造成了赵官煤矿高低瓦斯区域并存的瓦斯赋存规律。从中论证了赵官煤矿出现高低瓦斯区域并存现象的瓦斯地质方面原因，最终得到了赵官煤矿瓦斯赋存规律的主控因素为：煤层埋深、岩浆岩侵入、断层和煤层顶底板岩性等地质条件。同时针对不同瓦斯含量区域有针对性的提出了区域性的瓦斯治理措施。