河南省崤熊构造区主采煤层瓦斯地质规律

刘见宝，宋志敏，陈守民，廉有轩，杨晓娜，曲艳伟（.河南工程学院，河南郑州 459；.河南省国土资源科学研究院，河南郑州 450053）

河南省崤熊构造区主采煤层瓦斯地质规律

刘见宝1，宋志敏1，陈守民2，廉有轩1，杨晓娜1，曲艳伟1
（1.河南工程学院，河南郑州 451191；2.河南省国土资源科学研究院，河南郑州 450053）

采用评价、校正后的174个可用钻孔煤层瓦斯含量点绘制了崤熊构造区主要煤田主采煤层瓦斯含量等值线图，通过分析比较各煤田瓦斯地质特征，总结了区域构造对煤层瓦斯分布的控制规律。崤熊构造区主要煤田主采煤层瓦斯含量总体较低，平均值基本在6 m3/t以下。煤变质程度低，以长焰煤、气肥煤为主，导致煤层瓦斯含量总体偏低。崤熊构造区受秦岭造山带的影响，在先期逆冲推覆构造的基础上，叠加了后期的伸展构造，不利于煤层瓦斯的保存。

崤熊构造区；主采煤层；瓦斯地质

0 引言

在相当长一段时间内，煤炭仍是我国经济发展的支柱能源。煤层瓦斯是一柄具有两面作用的双刃剑。其一，它是煤矿安全生产的主要威胁；其二，瓦斯又是一种洁净的能源，在目前我国能源紧缺的状况下，对社会主义建设和国民经济的发展具有不可估量的作用。河南省煤炭资源丰富，是全国第二煤炭生产大省，品质优良，煤类齐全，以中、高阶煤为主，煤层气资源十分可观。在全省的192个县市中已知52个有煤炭资源赋存。含煤面积约1.9万km2，占全省总面积的11.4%。省内主要煤业集团，如焦作、平顶山、鹤壁、郑州、安阳等都受到瓦斯灾害的威胁，矿井瓦斯是制约煤炭工业可持续发展、威胁矿工人身安全的重要因素。本文采用评价、校正后的174个可用钻孔煤层瓦斯含量点绘制了崤熊构造区主要煤田主采煤层瓦斯含量等值线图，分析了影响煤层瓦斯含量的主要地质因素。研究成果的应用将对煤矿安全、高效的生产起到积极的指导作用。

1 研究区构造特征

崤熊构造区位于华北板块南缘，北界为岸上-襄郏断裂，南界为栾川-固始断裂，主要受秦岭造山带的影响，构造线走向NW，褶皱逆冲断裂发育，地层倾角一般在35°以上，局部直立、倒转。印支期的陆内造山作用使秦岭地壳发生叠置、堆垛、缩短、增厚并导致深部地壳重熔，形成向南的逆冲推覆构造。造山演化阶段后期，地壳由前期的收缩逐渐转为伸展，早期形成的较高层次逆冲岩席的重荷使逆冲岩席依次向北推挤，形成了山麓推覆构造带，表现为一系列NW向规模较大的逆断层[1-2]。以三门峡-平舆断层为界，将该区分为南区与北区（图1），南区为太华群变质岩系及中、上元古界火山岩系和沉积岩分布区，区内岩浆活动强烈，主要是燕山期酸性岩浆的侵入，形成规模巨大的岩基，主要有伏牛山岩基和小秦岭岩体。北区为古生界碳酸盐岩系和含煤碎屑岩系，岩浆活动微弱，中、新生代有小规模基性、中性、酸性岩体侵入和喷发。

图1 崤熊构造区构造特征及煤田分布Figure 1 Structural features and coalfield distribution in Xiaoxiong structural belt

在崤熊构造区，以褶皱—逆冲断裂为特征的构造形式，不但显示了该区的变形特征，而且对煤田的展布和赋存起到了控制作用。如图1所示，在岸上-襄郏平移断层以南，三门峡-平舆断层以北的狭长地带，赋存着陕渑—义马、宜洛、临汝、韩梁—平顶山四个煤田，这些煤田的展布均为NW向和EW向，与构造区褶皱、断层走向一致。

2 煤层瓦斯分布特征

2.1 煤层瓦斯资料及其评价

勘探期间瓦斯含量测试方法有三种：真空罐、集气式和解吸法。为保证资料的可靠性，并使各种方法的测试结果之间具有可比性，有必要对收集到的地质勘查期间钻孔瓦斯含量进行评价和校正。另外，瓦斯含量的测试结果还受采样深度的影响。因此，根据测试方法和采样深度，采取相应的校正系数对搜集的瓦斯含量数据进行了校正。据统计，真空罐和集气式方法测得的瓦斯含量较解吸法大约偏低30%和20%；当埋藏深度大于500 m后，由于样品暴露时间较长，测得的瓦斯含量大约偏低20%。据此制定校正原则为：真空罐和集气式测试的瓦斯含量分别乘以1.3和1.2，解吸法乘以1，当深度大于500 m时，各种测试方法获得的瓦斯含量均再乘以1.2（表1）[3]。

各种测试方法测得的均为可燃基瓦斯含量，而原煤的瓦斯含量要考虑水分和灰分的影响，所以有必要进行水分和灰分的校正，把可燃基瓦斯含量换算为原煤瓦斯含量。校正公式如下：

表1 校正原则一览表Table 1 Data sheet of checking principles

式中：W为原煤瓦斯含量，mL/g；Wdaf为可燃基瓦斯含量，mL/g；A为煤中灰分，无钻孔灰分资料时，取井田煤层平均灰分，%；M为煤中水分，无钻孔水分资料时，取井田煤层平均水分，%。

2.2 主采煤层瓦斯分布

根据收集到的174个合格地勘期间钻孔瓦斯含量，利用Mapgis绘制了崤熊构造区主要煤田主采煤层瓦斯含量等值线图，结合等值线图对各煤田煤层的含气特征进行分析。

2.2.1 陕渑—义马煤田

陕渑—义马煤田主采煤层为侏罗系义马组煤层，合格钻孔煤层瓦斯资料46个，主要分布于义马煤田。其埋深变化为29.29～941.21 m，瓦斯含量变化为0.02～3.12 m3/t，平均为0.67 m3/t，其中有43个钻孔瓦斯成分在80%以下。煤变质程度是煤田主采煤层瓦斯含量的主控因素，钻孔所在义马煤田煤类均为长焰煤，变质程度较低，对甲烷的吸附能力较低，相应煤层瓦斯含量也低。

煤田位于崤熊构造区西北端，属板内逆冲褶皱带。印支期，在南北向挤压应力作用下形成了向东倾伏的不对称渑池向斜。燕山晚期NE向挤压应力形成义马凹陷，在煤田东南部义马煤田沉积了侏罗纪煤层。喜山期，在渑池向斜基础上继续沉降，大面积接受新生界沉积。煤层瓦斯含量分布主要受义马断层及渑池向斜的控制。义马断层为逆断层，浅部倾角70°左右，深部渐缓一般30°左右，断距东段较小，向西渐大，可达1000 m以上，有利于煤层瓦斯的逸散。渑池向斜为一轴向近东西，向东倾伏的不对称向斜。该向斜形成于印支期，燕山期被破坏、改造，致使其北翼倾角在15°～50°，南翼地层直立或倒转，导致其煤层瓦斯保存条件遭到破坏，含气量异常低。

2.2.2 临汝煤田

取得合格钻孔煤层瓦斯资料45个，主要集中在煤田东南部的张村、牛村井田及北部的庇山一号、庇山二号井田。钻孔取样深在112.2～920.04 m，瓦斯含量极大值17.75 m3/t，平均为2.44 m3/t。其中有36个钻孔瓦斯成分小于80%，43个钻孔瓦斯含量在8 m3/t以下。其中北部的庇山一号、庇山二号井田瓦斯含量均在6 m3/t以下，且多在4 m3/t以下；南部的张村、牛村井田瓦斯含量相对较高（图2）。

图2 临汝煤田南部二1煤层瓦斯含量等值线图Figure 2 Isogram of coal II1gas content in southern Linru coalfield

临汝煤田大部位于崤熊构造区的北部，东北跨及嵩箕构造区，属延展于华北板块南部的巨型褶皱-逆冲带的中段。煤田基本构造形态受控于秦岭造山带，先期形成的推覆构造及推覆期后的应力松弛造成了煤层不连续，呈孤立断块散布于煤田南北两侧[4-7]。煤田基本构造特征为在褶皱基础上，断裂较为发育。印支期，轴向东西的褶皱毗连，煤层形态波状起伏；燕山期，斜贯全区的NW向断裂被NE向断裂斩为数段，众多断块内含煤岩系形态各异；喜山期，东部沉降产生拉张作用，形成近东西向断裂与滑动构造，断块被掀斜。多期构造作用形成现今煤岩层支离破碎的构造格局，据粗略统计区内有断层近百条，并且滑动构造较发育，为煤层瓦斯的逸散提供了通道（图2）。

2.2.3 韩梁—平顶山煤田

韩梁—平顶山煤田包括韩梁和平顶山两个矿区，取得合格钻孔资料83个。其中分布于韩梁矿区4个钻孔资料，其取样深度均小于300 m，其瓦斯含量甚微。分布于平顶山矿区的79个钻孔，取样深度在88.5～1206 m，但大部分取样深度较大，500 m以浅的钻孔仅有14个，瓦斯含量极大值为16.79 m3/t，平均值为6.10 m3/t。

煤田位于华北板块南缘崤熊构造区NW向大型褶皱逆冲带中段前缘的陕（县）平（顶山）断陷区。早古生代接受了近千米左右以碳酸盐岩为主的海相建造，经过晚寒武世至石炭世之间的剥蚀阶段，又接受了近千米的海陆交互相和含煤碎屑盐岩建造，晚二叠世后成为大陆。燕山运动引起的断块运动及褶皱运动使本区基底断块隆起，上覆地层发生NW-SE向的褶皱和断裂，伴之外围形成坳陷，在西部韩梁矿区还有大规模的岩浆活动。经过燕山运动已奠定了现今地质构造格局，以开阔背、向斜构造，同时伴之以NW向和NE向的高角度断裂。北东向的郏县断层将煤田分为韩梁和平顶山两个矿区。韩梁矿区构造复杂，断层相对密集，煤层完整性遭到破坏，整个矿区瓦斯含量较低。平顶山矿区为四周由坳陷烘托的隆起，北西有宝丰、郏县凹陷带，南部有叶县、漯河坳陷带，东北有襄县、临颍凹陷带，这些坳陷带都有厚达一两千米的新生代沉积，它们与平顶山断块隆起均以高角度正断层相隔。这些断层规模大、延伸远，并与地表沟通，是典型的开放性断层。平顶山矿区主体为宽缓复式向斜—李口向斜，轴向NW，向NW倾伏，两翼基本对称，地层倾角5°～20°，轴部倾角较缓，两翼次级褶曲发育。较大断层除北、西、南部的边界断层之外，仅有李口向斜南翼的锅底山断层，但向斜两翼中小断层较为发育[8-10]。

韩梁矿区超无烟煤分布较为广泛，其挥发份为9.87%，而水分含量较高，为2.63%，煤的吸附性能降低，且煤层埋藏浅，地质构造复杂，导致煤层瓦斯含量甚微。

图3 平顶山矿区二1煤层瓦斯含量等值线图Figure 3 Isogram of coal II1gas content in Pingdingshan mining area

平顶山矿区煤层瓦斯含量分布基本受构造控制（图3），矿区主体构造李口向斜轴部断裂不甚发育，煤层埋深及上覆有效地层厚度较大，有利于煤层瓦斯保存[11-15]。两翼处于轴向正断层发育地带，落差为1～10 m的小断层较发育，煤层埋藏相对较浅，煤层瓦斯易于逸散。锅底山断层为一同沉积构造，走向NW-SE，虽然具有正断层性质，但由于燕山晚期SW-NE向挤压构造应力的影响，致使其为封闭式的正断层，对于向斜轴部煤层瓦斯向浅部的逸散有阻隔作用。由于上述控气构造，导致山西组二1煤层瓦斯含量在向斜轴部较高，向两翼方向逐渐降低，翼部的次级褶皱导致瓦斯含量向轴部增大的总趋势产生局部波动（图3）。煤层埋藏较深是本区的特点。在500 m以深煤层瓦斯含量与埋深相关性极差，到了1000 m以深甚至呈现负相关，这与该区地温高异常有关，平顶山煤田地温梯度比豫西其它煤田一般高出0.4～1.2℃/100 m，二1煤层为26℃～47℃，属于地温高异常区。埋藏越深，煤层温度越高，有利于煤层瓦斯的解吸，降低煤层瓦斯含量。本区煤主要以气、肥煤为主，其挥发份为36.29%，水分较高为2.06%，也是本区虽然埋藏较深，但是瓦斯含量并不高的一个原因。其肥煤比表面积为117141 cm2/g，微孔表面积占95.51%，而焦作无烟煤的比表面积为121583 cm2/g，微孔表面积占96.56%，二者相比，前者的比表面积和微孔表面积百分比都不算很低，但是其甲烷吸附能力却仅为焦作无烟煤的1/2左右。其主要原因是在肥煤变质阶段，对煤层甲烷吸附能力起主导作用的是水分对煤亲甲烷性的影响，而非煤的比表面积。由于此变质阶段煤水分较大，煤亲水而疏甲烷，对甲烷的吸附性能较低，导致煤层瓦斯含量较低。

3 瓦斯分布主要影响因素

陕渑—义马煤田为侏罗纪煤层，由于其变质程度较低，煤类为长焰煤，吸附能力小，虽然其埋深较大，煤层瓦斯含量亦甚低。

临汝煤田由于先期的逆冲推覆及后期的伸展作用使煤层分割为孤立断块，且断块内小构造纵横发育，瓦斯逸散严重。

韩梁—平顶山煤田煤类为气肥煤为主，其吸附甲烷的能力仅为WY的1/2左右，但是由于其埋藏深度较大，埋深变化为88.5～1 206 m，平均为750 m左右，对煤层甲烷的保存较为有利。但由于煤田为地温异常区，在1000 m以深煤层瓦斯含量随着埋深增加递减。

4 结论

①崤熊构造区主要煤田主采煤层瓦斯含量总体较低，平均值基本在6 m3/t以下。

②煤变质程度低，以长焰煤、气肥煤为主，是煤层瓦斯含量总体偏低的先天因素。

③崤熊构造区受秦岭造山带的影响，在先期逆冲推覆构造的基础上，叠加了后期的伸展构造，构造形迹复杂，煤层瓦斯保存条件较差。

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Main Mineable Coal Seam Gas Geological Pattern in Xiaoxiong Structural Belt,Henan Province

Liu Jianbao1,Song Zhimin1,Chen Shoumin2,Lian Youxuan1,Yang Xiaona1and Qu Yanwei1
(1.Henan University of Engineering,Zhengzhou,Henan 451191; 2.Henan Academy of Land and Resources Sciences,Zhengzhou,Henan 450053)

Through assessed,checked data from174 boreholes coal seam gas content points mapped out main coalfields main mineable coal seam gas content isogram in the Xiaoxiong structural belt.Then through analytic comparison of various coalfields gas geological characteristics,summed up regional tectonics control on coal seam gas distribution.Main coalfields main mineable coal seam gas content is rather low as a whole with average value less than 6m3/t.Coal metamorphism degree is low,mainly long flame coal and gas-fat coal,thus the congenital factor of overall low coal seam gas content.Impacted by the Qinling orogenic belt,in Xiaoxiong structural belt, on the basis of earlier thrusting nappe structure,has superimposed posterior extensional structure,and thus went against coal seam gas preservation.

Xiaoxiong structural belt;main mineable coal seam;gas geology

TD712.2

A

10.3969/j.issn.1674-1803.2017.02.08

1674-1803(2017)02-0035-05

国家自然科学基金“琼东南盆地新生代构造东西分异的动力学机制研究”（编号：41206037），河南工程学院博士基金项目“济阳坳陷新生代构造与油气成藏”（编号：D2015010）

刘见宝（1982—），男，开封人，讲师，博士，2011年毕业于中国科学院广州地球化学研究所，现从事构造地质、瓦斯地质的研究、教学工作。

2016-10-10

责任编辑：宋博辇