新疆拜城县众维煤矿煤层瓦斯赋存特征分析

熊昌银， 杨仁涛， 沈宝存， 文谟云， 佘争辉

(中煤湖北地质局集团有限公司西北分公司，乌鲁木齐 830000)

0 引言

从国内市场的发展现况来看，煤炭行业要想保持持续的健康发展，首先需要解决的问题就是瓦斯事故。煤矿瓦斯事故的发生不仅会造成巨大经济损失，还会对周围地区的居民、生物的安全产生不良影响。伴随煤矿开采工作的不断深入，在固有的煤层之中会出现含量更高的瓦斯以及更大的瓦斯压力，此类现象的出现对矿井瓦斯防治工作会产生十分不利的影响[1-3]。

因此，进行瓦斯赋存研究进而对其进行防治便显得极为重要[4-5]。本次研究专注新疆库拜煤田阿克苏众维煤矿地下瓦斯赋存情况，从其赋存规律入手，深入研究该矿瓦斯储量规模，进而为指导该矿地下生产及煤层气开采提出指导意见，从降低该矿安全风险、提升该矿经济价值的角度来看具有现实意义[6-7]。

1 地质概况

众维煤矿位于天山南麓，地形走向北东—南西，呈向南东倾斜的单面山。地形起伏较大，总体地势北高南低，北坡陡、悬崖交错，南坡缓，沟谷密布。海拔2 015～3 012m，最大比高997m，一般比高500m，基岩大面积出露，属强烈切割的中高山区[8-9]。

2 工作方法

收集了工区及邻区已有钻孔资料和瓦斯资料，并补充施工一个瓦斯钻孔，完成了相关瓦斯样品测试，基于钻井、岩心观察、各种分析测试等资料，以下侏罗统塔里奇克组煤层瓦斯为研究对象，以地质评价手段为依据重点对其煤阶、构造类型、沉积环境、煤层厚度、井田水文地质特征等进行深入研究，结合各钻孔瓦斯样品分析测试数据，研究了井田内煤层瓦斯赋存规律[10-14]。采用野外剖面测量、地质填图、钻孔施工、煤样及瓦斯样品采集与测试分析等各种方法手段(图1、图2)。归纳起来主要包括定性化研究、综合分析和定量研究3个方面。

图1 众维煤矿钻孔布置Figure 1 Boreholes layout in Zhongwei coalmine

图2 井田地形地貌Figure 2 Minefield landform

1)定性化研究。定性化研究主要用偏光显微镜进行的微相研究工作，所研究的主要是在普通煤岩学显微镜下可观察到的煤炭裂隙描述、煤体结构等方面的内容，也包括部分显微镜下可见的沉积构造特征。主要应用到偏光显微镜、扫描电镜分析等。

2)综合分析。通过对岩性标志、岩石结构和颜色、层理、沉积构造、成岩特征、化石和生物构造和各种相关测试分析等手段，进行系统的煤阶、构造类型、沉积环境、煤层厚度、井田水文地质特征分析，查明瓦斯赋存规律及其控气因素。

3)定量研究。依据《煤层气资源勘查技术规范》(GB/T 29119—2012),选用体积法估算了矿区内煤层气资源储量，为矿区气体资源赋存情况提供了初步的定量研究。

3 矿区地质

矿区基岩大面积出露，仅西部有少量第四系分布。据施工钻孔揭露和基岩出露情况，矿区地层主要有上三叠统黄山街组(T3h)、下侏罗统塔里奇克组(J1t)、阿合组(J1a)、阳霞组(J1y)、中侏罗统克孜努尔组(J2k)及第四系(Q)。

矿区总体构造形态为一单斜，地层走向东偏北40°～60°，只在西端地层走向发生部分变化，为120°～140°。倾向135°～165°，倾角25°～40°，一般30°，断层不发育，构造简单。

矿区断裂不发育，钻孔及采掘巷道中未发现断层，地表填图发现断层7条，断距多在10m以下，延续长度一般为几十米，对煤层开采基本没有影响。

4 矿区煤层赋存特征

矿区内含煤地层为下侏罗统塔里奇克组(J1t)、阳霞组(J1y)和中侏罗统克孜努尔组(J2k)。其中塔里奇克组含煤性好，煤层较稳定，可采厚度较大，为井田主要含煤地层；阳霞组含煤三层，厚度较薄，为局部可采或不可采；而克孜努尔组含煤地层在本区内未发育煤层。

5 水文地质条件

矿区地形属中高山区，基岩裸露，第四系覆盖较少，地势总体呈西北高东南低，地形有利于自然排水。气候干燥，蒸发强于降水。依据我国煤炭行业标准《煤矿床水文地质、工程地质及环境地质勘查评价标准》(MT/T1091—2008)，将井田水文地质勘查类型划为二类二型，即以裂隙含水层充水为主，水文地质条件中等的矿床。

6 煤岩特征及含气量测试

钻孔所取煤岩样品，宏观煤岩类型界限清晰，成分可辨，原生结构遭受轻微破坏，大部分层理易辨。煤中裂隙较为发育，面割理4条/6cm，端割理2条/3cm，质地较为坚硬，用手难掰断。煤体呈灰黑色，沥青光泽，深黑色条痕，煤岩主要以半暗煤为主，总体光泽较弱至较强，块状构造，参差状断口(图3)。

图3 钻孔ZK1-9煤岩样品Figure 3 Coal and rock samples from borehole ZK 1-9

ZK1-9煤层气孔A6煤层采集了1个自然解吸样品，样品的空气干燥基气含量0.58cm3/g；干燥无灰基气含量0.66cm3/g。

759.92～760.22m采集了1个自然解吸样品，样品的空气干燥基气含量10.07cm3/g；干燥无灰基气含量11.26cm3/g。

760.92～761.22m采集了1个自然解吸样品，样品的空气干燥基气含量3.50cm3/g；干燥无灰基气含量3.82cm3/g。

761.52～761.82m采集了1个自然解吸样品，样品的空气干燥基气含量9.42cm3/g；干燥无灰基气含量10.50cm3/g。

799.65～799.95m采集了1个自然解吸样品，样品的空气干燥基气含量8.92cm3/g；干燥无灰基气含量17.35cm3/g。

809.35～810.15m采集了1个自然解吸样品，样品的空气干燥基气含量7.01cm3/g；干燥无灰基气含量8.47cm3/g。

826.60～826.95m采集了1个自然解吸样品，样品的空气干燥基气含量8.28cm3/g；干燥无灰基气含量10.61cm3/g。

A1煤层采集了4个自然解吸样品，样品的空气干燥基气含量平均11.34cm3/g；干燥无灰基气含量平均12.74cm3/g。

除了施工ZK1-9煤层气孔，另外还施工一个煤炭钻孔ZK6-9，在ZK6-9钻孔中对可采煤层B2进行现场解析并采取瓦斯样1个。另外利用前人瓦斯样品4件。本区A1煤层瓦斯采样深度295.60～1 268.95m，A6煤层瓦斯采样深度393.39～1 179.58m，B2煤层瓦斯采样深度634.76m。各煤层瓦斯成分测试结果见表1。

7 瓦斯赋存情况分析

7.1 瓦斯成分

本区A1煤层瓦斯采样深度295.60～1 268.95m，A6煤层瓦斯采样深度393.39～1 179.58m，B2煤层瓦斯采样深度634.76m。

表1 各煤层瓦斯成分测试结果

煤层CH4(含C2H6)成分为16.88%～93.58%，CO2成分为1.44%～26.05%，N2成分为2.72%～57.07%；数据分析显示，可燃气体(CH4、C2H6)成分与煤层埋深呈线性相关(图4)。

煤层埋深/m图4 可燃气体浓度与煤层埋深关系Figure 4 Relationship between combustible gasconcentration and coal seam buried depth

7.2 瓦斯含量

在取样深度范围内，各煤层瓦斯含量测试结果见表2。

A1煤层CH4(含C2H6)含量为5.89～10.60mL/g，CO2含量为0.70～0.96mL/g，N2含量为2.84～11.33mL/g；A6煤层CH4(含C2H6)含量为1.66～1.75mL/g，CO2含量为0.24 ～0.29mL/g，N2含量为1.00～6.17mL/g；B2煤层CH4(含C2H6)含量为0.583mL/g，CO2含量为0.489mL/g，N2含量为1.282mL/g。

数据分析显示，瓦斯(CH4、C2H6)含量与煤层埋深呈一定的线性相关(图5)。

图5 A1煤层瓦斯含量与煤层埋深关系Figure 5 Relationship between coal seam A1 gascontent and coal seam buried depth

利用各钻孔瓦斯含量测试数据对瓦斯含量与煤层埋深进行相关性分析，得到众维煤矿A1瓦斯含量与煤层埋深的线性方程为y=0.004 5x+4.618 6，其中y为瓦斯含量，x为煤层埋深，二者相关系数为0.52。显示CH4、C2H4含量随煤层埋深的增加而增大。

7.3 瓦斯分带

井田内主要可采煤层瓦斯含量较高，以N2、CH4为主，CH4为41.50%～93.58%，为氮气—沼气带至沼气带(表2)。

表2 各煤层瓦斯含量测试结果

井田内瓦斯分布较为规律，与各煤层展布情况基本一致，瓦斯含量东南部偏高，越往西北瓦斯含量越低；从煤层底板等高线图可以看出，瓦斯含量与煤层深度线性相关，煤层埋深越大，瓦斯含量越高，因此井田内瓦斯含量具有浅部低、深部高、西北低东南高的赋存格局。

8 结论

1)煤层CH4(含C2H6)成分为16.88%～93.58%，CO2成分为1.44%～26.05%，N2成分为2.72%～57.07%；数据分析显示，可燃气体(CH4、C2H6)浓度与煤层埋深呈线性正相关，随着煤层埋深增加，可燃气体浓度越高。

2)利用各钻孔瓦斯含量测试数据对瓦斯含量与煤层埋深进行相关性分析，得到众维煤矿A1瓦斯含量与煤层埋深的线性方程为y=0.004 5x+4.618 6，其中y为瓦斯含量，x为煤层埋深，二者相关系数为0.52。

3)结合井田煤层底板等高线图分析，井田内瓦斯含量分布具有浅部低、深部高、西北低东南高的赋存格局。