煤层瓦斯主要赋存影响因素筛查——以河南汝州煤田朝川矿区二1煤层为例

乐志军, 徐永良, 杨予生, 陈良立

(河南省资源环境调查四院,河南 郑州 450000 )

0 引言

瓦斯是各种地质因素综合作用下的产物,其赋存状况受到地质条件的影响与制约较显著[1-2],影响因素包括煤的变质程度、围岩性质、埋藏深度、水文地质条件、构造发育[3-5]等。其中地质构造和埋藏深度是最为重要的影响因素,主要体现在围岩体结构、封闭条件及渗透性、地应力[6]等方面,从而对煤层瓦斯的逸散或聚集产生重大影响[7-8]。但是,具体到实际情况中哪些影响因素起主导作用,还需要结合矿区的实际情况具体分析。本文以朝川矿区为例,通过定量的方式研究在不同地质因素影响下瓦斯含量及涌出量变化规律及关系,确定朝川矿区瓦斯赋存的主要影响因素。

1 朝川矿区概况

朝川矿区位于河南汝州煤田东部,行政隶属于汝州市小屯镇管辖。在煤矿进行大规模整合之前,该区内有大大小小的煤矿近百余家,其中以朝川矿一井、二井、三井为主要生产矿井。经过近些年煤炭资源整合以及政策性关闭,目前,朝川矿区生产矿山仅剩下朝川矿一井,其他矿井均已关闭。

2 含煤系地层及煤类划分

区内含煤地层为石炭系和二叠系,煤系地层平均厚585.11 m,自上而下划分为9个含煤段,含煤34层,煤层总厚度12.78 m,含煤系数为2.18%。可采煤层六层,分别为五3、五2、四3、四2、二1和一8煤。可采煤层总厚10.23 m,可采系数1.75%。其中二1煤层为主要可采煤层,煤厚0～22.17 m,平均厚4.77 m,全区可采;四3、五2煤层为大部可采煤层;五3、四2和一8煤层局部可采。

按煤类划分,五3、五2、四3、四2煤等为肥煤,二1、一8煤为焦煤。煤的变质特点:在水平方向上,同一煤层浮煤挥发分产率由东向西、由浅到深有规律地减少,如12线二1煤的Vdaf(挥发分)值平均为24.46%,到24线的Vdaf值平均为21.70%,平均每1 000 m递减0.65%;在倾向剖面上,随着水平的加深Vdaf值有规律地递减,每100 m的梯度值为0.64%。见表1。

表1 二1煤层在倾向剖面上Vdaf值变化

3 矿区构造

朝川矿区位于秦岭纬向构造带东段的北亚带(秦岭—嵩山亚带)和南亚带(秦岭—大别山亚带)之间[9],地层整体上倾向NE。由于受南北区域构造挤压作用强烈,矿区地层具有浅部和深部倾角较大、中部倾角平缓,东部倾角较大、中西部倾角平缓,以及局部倾角超过70°[10]或者直立甚至倒转的特点。

朝川矿区内起重要影响作用的是一系列NW向、近EW向的断层。矿区构造发育具有西南部、北部断层相对较密集发育,中东部断层不发育的特点,这也造成了朝川矿区构造分布的显著差异,大体可分为两个区域,即浅部—中部构造简单区、深部构造复杂区(图1)。

图1 朝川矿区构造发育分布图

浅部—中部区域: 构造不发育,构造复杂程度较为简单。仅在矿区的西南部有1条大型逆断层,正是这条逆断层,形成了朝川矿区的西南边界;其他区域共发育断层5条,断层密度为0.55条/km2,且均为落差小于20 m的小型正断层。

深部区域区:大、中、小型断层以及正、逆断层均有发育,构造复杂程度为复杂。共发育断层50余条,断层密度为7.25条/km2,其中大、中型断层20条,占比40%,落差大于100 m的就有7条,小型断层30条,占比60%;区内共有正断层39条,占比78%,逆断层11条,占比22%。另外,目前在深部区域开采面积仅0.55 km2,但在生产过程中已经揭露了落差小于2 m的正断层40余条,这些都反映出了深部区域构造复杂。深部区域构造发育具有正、逆断层断层成套出现、落差变化大、延展长度不远的特点,并且多为走向断层和斜交断层,这些特点在12勘探线上反映较为明显,见图2。

图2 朝川矿区12勘探线剖面示意图

4 瓦斯赋存特征及影响因素分析

4.1 瓦斯赋存特征

汝州煤田二1煤变质阶段为焦煤—贫瘦煤,从煤成烃生气演化史看,处于第二生气高峰阶段,理论上瓦斯含量应该较高,然而临汝煤田 -600 m水平以浅瓦斯最大含量仅为7.55 m3/t,一般为3.50 m3/t[11]。朝川矿区二1煤层瓦斯赋存特征在汝州煤田具有代表性,总体含量较低,钻孔取样测试结果见表2,生产矿井历年瓦斯涌出量监测数据见表3。

表2 钻孔二1煤层瓦斯含量统计

表3 生产矿井2007—2021年瓦斯监测数据统计

从表2可以看出,二1煤层钻孔瓦斯含量为0.11～3.59 m3/t;从表3可以看出,2007—2021年,生产矿井监测点瓦斯相对涌出量1.43～3.88 m3/t,瓦斯绝对涌出量1.40～4.38 m3/t。即朝川矿区二1煤层瓦斯含量较低,为低瓦斯矿区。

4.2 瓦斯赋存影响因素分析

影响煤层瓦斯赋存的地质因素众多,据学者研究,主要包括埋藏深度、围岩性质、水文地质、煤的变质程度、地质构造等[3-5]。不同的地质因素对瓦斯赋存影响的表现形式和规律也不一样,例如对于煤层埋藏深度,一般来说,埋藏越深,瓦斯含量越高[12];对于围岩性质,若煤层顶底板岩性致密且裂隙不发育,则一般瓦斯含量较高[13];对于地质构造,一般情况下拉张性断裂瓦斯易逸散,压扭性断裂瓦斯易富集[14]。

4.2.1 围岩性质、变质程度和水文地质

朝川矿区二1煤层顶、底板均以砂质泥岩和泥岩为主,局部地段为粉砂岩和细粒砂岩,该类岩性岩层的透气性较差,瓦斯逸散条件较差,这种条件下有利于瓦斯的储存和富集[15];二1煤层为焦煤,其变质程度较高,处于第二生气高峰阶段,理论上瓦斯含量应该较高[16-18];与二1煤层相关的含水层为底板灰岩岩溶裂隙承压含水层和顶板砂岩裂隙承压含水层[19],其顶板砂岩裂隙承压含水层富水弱,对瓦斯富集有利,而灰岩含水层,渗透性较强,对瓦斯富集不利,但二1煤层到太原组及寒武系灰岩顶界面存在多层砂质泥岩、泥岩、铝质泥岩隔水层,使得含水层对煤层瓦斯赋存影响较小[20]。因此,朝川矿二1煤层围岩致密、透气性差,变质程度高、产气能力强,地下水的运移对瓦斯影响小,理论上来说,瓦斯含量应该较高,但实际上朝川矿区二1煤层瓦斯含量整体较低,仅局部地段瓦斯含量略高,最高涌出量也仅为4.38 m3/t,可见围岩条件、变质程度和水文地质不是控制朝川矿区二1煤层瓦斯赋存的主要地质因素。

4.2.2 埋藏深度因素

煤层埋藏深度的增加,地应力也会逐渐增大,导致上覆岩层尤其是隔气层透气性进一步降低[21-22],即埋藏深度的增加有利于瓦斯的赋存和富集[23]。

朝川矿区二1煤层埋藏深度为35～1142 m,目前开采深度约670 m,井巷工程布置深度已达810 m,开采区域已经进入了深部。从表2可以看出,二1煤层钻孔瓦斯含量为0.11～3.59 m3/t,取样深度为456.71～971.67 m,瓦斯含量最低的采样点深度为687.17 m,最高的采样点深度为668.58 m。从表3可以看出,2007—2021年,生产矿井监测点瓦斯相对涌出量1.43～3.88 m3/t,监测深度为128.95～660.48 m,相对涌出量最低的监测点深度为660.48 m,最高的监测点深度为531.42 m;瓦斯绝对涌出量1.40～4.38 m3/min,绝对涌出量最低的监测点深度为128.95 m,最高的监测点深度为531.42 m。

朝川矿区二1煤层钻孔瓦斯含量、相对涌出量及绝对涌出量与埋藏深度的关系,见图3、图4和图5。

图3 二1煤层钻孔瓦斯含量与埋藏深度关系图

图4 二1煤层瓦斯相对涌出量与埋藏深度关系图

图5 二1煤层瓦斯绝对涌出量与埋藏深度关系图

详细对比表2、表3及图3、图4、图5,可以看出朝川矿区二1煤层瓦斯赋存与埋藏深度的关系有如下特点:

(1)二1煤层在埋深560 m以浅区域时,具有随着埋藏深度的增加,钻孔瓦斯含量、相对涌出量和绝对涌出量都出现逐渐增大的趋势,并且呈线性正相关,这个特点符合理论上通常的瓦斯赋存规律。

(2)二1煤层埋深560～597.88 m时,钻孔瓦斯含量从3.59 m3/t降为0.84 m3/t;埋深597.88～651.67 m时,瓦斯含量又从0.84m3/t增加为2.33 m3/t;埋深651.67～795.29 m时,瓦斯含量又从2.33 m3/t降为0.12 m3/t,中间还出现了一个异常高点 (790.60 m时瓦斯含量为3.20m3/t)和一个异常低点 (687.17 m时瓦斯含量为0.11 m3/t);埋深大于795.29 m时,瓦斯含量又从0.12 m3/t逐渐增加。总之,二1煤层在埋深超过560 m后,钻孔瓦斯含量变化基本不具有普遍的规律,不呈线性相关,呈散点状分布,但整体上来说,还是随着深度的增加而瓦斯含量变小,个别区域瓦斯含量增加。

(3)二1煤层埋深进入到560 m以深区域时,瓦斯相对涌出量和绝对涌出量不但没有出现随着埋藏深度增加而增大的现象,反而是具有随着埋藏深度增加瓦斯涌出量逐渐变小的趋势,并且呈现明显的线性负相关,即埋深越大,涌出量越小。

4.2.3 地质构造因素

众多的数值模拟结果显示,正断层为拉张性断裂,断裂带为应力释放区,岩性一般破碎,岩体的渗透性明显增大,并且具有断距越大,渗透性越强的特点,煤体破碎性越强,越有利于瓦斯的逸散,不利于瓦斯富集[24-25]。而逆断层一般为挤压性断裂,往往导致其具有一定的压扭性和封闭性,对煤体内部瓦斯起到封闭作用,造成构造影响区域内煤体透气性较差,瓦斯运移相对困难,进而造成瓦斯积聚[26]。

朝川矿区浅部—中部仅发育有少量的数条断层,为构造简单区域;而深部构造较发育,正逆断层均有出现,并且部分断层相互切割,为构造复杂区域。从表2可以看出,二1煤层钻孔瓦斯含量为0.11～3.59 m3/t,其中浅部构造简单区域的瓦斯含量为2.57～3.59 m3/t,而深部构造复杂区域瓦斯含量为0.11～3.20 m3/t。深部瓦斯含量取样点共有11个,其中7个点的瓦斯含量小于1.0 m3/t,该7个点附近200 m范围内断层数量为3～8条,正、逆断层均有发育,以正断层为主,并且大中型断层相互切割;另有3个点的瓦斯含量为1.37～2.33 m3/t,该3个点附近200 m范围内断层数量为2～5条,正、逆断层均有发育,以正断层为主;另有1个点瓦斯含量为3.20 m3/t,其附近200 m范围内的断层数量为1条,为大型逆断层。

从表3可以看出,二1煤层瓦斯相对涌出量为1.43～3.85 m3/t,瓦斯绝对涌出量为1.40～4.38 m3/min,其中浅部构造简单区域的瓦斯相对涌出量为1.59～3.85 m3/t,绝对涌出量为1.40～4.38 m3/min,而深部构造复杂区域瓦斯相对涌出量为1.43～2.28 m3/t,绝对涌出量为2.64～3.54 m3/min。深部构造复杂区域瓦斯相对涌出量监测点共4个,其监测点附近200 m范围内断层数量为4～9条,全部为中、小型正断层,而浅部构造简单区域监测点附近几乎没有构造,仅个别监测点附近有1条正断层。

朝川矿区二1煤层钻孔瓦斯含量、相对涌出量及绝对涌出量与构造发育的关系,见图6、图7和图8。

图6 二1煤层钻孔瓦斯含量与断层数量的散点关系图

图7 二1煤层瓦斯相对涌出量与断层数量的散点关系图

图8 二1煤层瓦斯绝对涌出量与断层数量的散点关系图

详细对比表2、表3及图6、图7、图8,可以看出朝川矿区二1煤层瓦斯赋存与构造发育的关系有如下特点:

(1)深部构造复杂区域(560 m以深)瓦斯含量以及涌出量均明显低于浅部构造简单区域(560 m以浅)。

(2)构造越发育,断层数量越多,瓦斯含量和涌出量越低,尤其是对于断层数量超过4条的区域,瓦斯含量一般小于1.0 m3/t。

(3)断层规模越大、断距越大,瓦斯含量以及涌出量越低,如果断层相互切割,那么瓦斯含量或涌出量就更低,有的甚至是接近于0。例如11-01孔附近200 m范围内有2条大型正断层,2条中型正断层,断层之间相互切割严重,其瓦斯含量仅为0.11 m3/t;08-3孔附近200 m范围内有2条大型正断层,3条中型正断层,断层之间相互切割严重,其瓦斯含量仅为0.12 m3/t;是由于大型正断层或者断层相互切割区域,断裂破碎带较宽,煤层顶板岩层较破碎,有利于瓦斯逸散,使得深部的瓦斯含量、涌出量变得非常小。

(4)正断层附近瓦斯含量以及涌出量明显低于逆断层附近区域,例如011-1孔附近有1条大型逆断层,其瓦斯含量为3.20 m3/t,而周边正断层区域的瓦斯含量均小于1.0 m3/t。是由于区内正断层主要为拉张性断裂,逆断层主要为挤压性断裂。开放性断层打开瓦斯释放通道,极有利于瓦斯的逸散,导致瓦斯含量相对较低,反之,封闭性断层则为瓦斯的高度聚集提供了场所,有利于瓦斯储存和富集[4]。

5 结论

通过对朝川矿区二1煤层埋藏深度、构造发育情况,钻孔瓦斯含量及瓦斯相对涌出量、绝对涌出量数据分析,得出二1煤层瓦斯赋存有如下规律:

(1)矿区埋深560 m以浅构造不发育,为构造简单区域;560 m以深构造较发育,正逆断层均有发育,且有相互切割,为构造复杂区域。

(2)二1煤层在埋深560 m以浅区域时,瓦斯含量及涌出量都具有随着深度增加而逐渐增大的趋势,并且呈线性正相关;埋深560 m以深区域,瓦斯含量与深度不呈线性相关,呈散点状分布,但整体上来说,还是随着深度的增加而瓦斯含量变小,而涌出量则与深度呈线性负相关,即随着埋藏深度增加瓦斯涌出量逐渐变小。

(3)构造复杂区域瓦斯含量以及涌出量均明显低于构造简单区域。

(4)构造越复杂、规模越大且相互切割时,瓦斯含量及涌出量均越低。

(5)正断层附近区域瓦斯含量以及涌出明显低于逆断层附近区域。

综上所述,可以确定朝川矿区二1煤层瓦斯赋存的主要影响因素为地质构造,对瓦斯的赋存起到了决定性的作用,次要因素为埋藏深度,而围岩性质、煤的变质程度和地下水文因素对瓦斯的赋存影响较小。