沙曲井田4号煤层瓦斯赋存规律及其主控地质因素

李鹏飞

(山西能源产业集团有限责任公司，山西 太原 030012)

瓦斯作为矿井五大自然灾害之一，具有波及范围广、破坏力大、影响最为严重等特点，其防治一直是矿井安全生产的重中之重[1]。瓦斯为一种气态地质体，是成煤过程中地质作用的产物，其生成、运移、保存、赋存及富集均受地质因素控制[2]，不同、相同的煤矿区或井田因地质条件差异，致使瓦斯赋存规律各异[3]。因此，从地质角度分析瓦斯的生成、运移及赋存规律，被认为是提高矿井瓦斯防治行之有效的研究方法及手段[4-6]。

沙曲井田位于吕梁山脉的中段西部，河东煤田的中部，行政区划属山西省吕梁市柳林县管辖，是山西焦煤集团下属的一座高瓦斯大型生产矿井。井田总体为南东-北西向弧形，长约22 km，宽4.5～8 km，面积138.353 5 km2，批采煤层为2、3、4、5、6、8、9、10号煤层，矿井设计生产能力为500万t/a。当前主力开采的4号煤层赋存于山西组下部，为全井田较稳定可采煤层。煤层含气量高、矿井瓦斯涌出量大(矿井相对瓦斯涌出量6.12～21.54 m3/t，平均12.10 m3/t；矿井绝对瓦斯涌出量14.96～74.72 m3/min，平均44.88 m3/min)，瓦斯已成为制约矿井安全、高效开采的最大瓶颈。为解决矿井瓦斯难题，开采初期已开展了极为有限的瓦斯地质研究工作，对首采区或前期矿井生产瓦斯防治具有一定指导意义[7]。但随着矿井生产不断向深部延伸、开采强度逐渐加大，前期研究已不能有效指导矿井瓦斯防治工作，瓦斯事故呈频发、多发态势，给矿井安全高效生产带来极大威胁和挑战。为此，本文基于沙曲井田前期研究成果，并充分利用现有矿井地质、瓦斯测试参数、生产技术资料等系统开展井田4号煤层瓦斯赋存规律及其主控地质因素研究，以期提高井田瓦斯地质工作研究程度及矿井瓦斯防治的有效性和针对性。

1 煤层瓦斯及其分布特征

1.1 瓦斯组分

瓦斯组分系指组成瓦斯的各种气体，是确定瓦斯纯度和划分煤层瓦斯风化带的重要参数[8]，对矿井瓦斯防治措施选择和防治难易程度亦有重要影响[9]。依据二氧化碳、氮气和甲烷在瓦斯组分中所占比例，将煤层瓦斯划分为二氧化碳-氮气带(CH4<10%)、氮气-甲烷(沼气)带(CH4：10%～80%，CO2≤20%)、甲烷(沼气)带(CH4>80%，CO2<20%)[1]。

通过瓦斯组分测定结果显示(表1)，沙曲井田4号煤层在埋深336.92～775.05 m范围内，瓦斯成分主要由CH4组成(79.53%～99.3%，平均93.01%)，次为N2(0.26%～18.71%，平均3.97%)、CO2(0.42%～6.11%，平均2.99%)及微量的重烃(0%～0.37%，平均0.03%)。由此可知，沙曲井田4号煤层瓦斯组分中甲烷气体占绝大部分，甲烷纯度高。按照我国煤层瓦斯风化带划分方法，4号煤层绝大部分处于甲烷(沼气)带内[8]。

1.2 瓦斯含量及其分布特征

1.2.1 瓦斯含量

瓦斯含量系指标准状态下单位质量(或体积)的煤在原位状态下所含的瓦斯体积，亦称之“原煤瓦斯含量”，单位为mL/g或m3/t。瓦斯含量是矿井瓦斯防治最为关键参数之一，其决定着瓦斯资源量大小、矿井瓦斯涌出量高低及矿井瓦斯等级等[10]。在煤炭工业的发展进程中，形成了诸如直接测定法、间接测定法和解吸法等多种煤层瓦斯含量测定方法或技术手段[11]。沙曲井田在煤炭开采过程中，采用钻孔取煤芯含气量解吸法对该矿4号煤层瓦斯含量进行了测定，其值一般为7.32～17.82 m3/t，平均11.46 m3/t，8 m3/t以上测值数量占总测值数的90%(表1)，显示沙曲井田4号煤层瓦斯含量整体较高，势必加大矿井瓦斯防治难度和相关费用投入。

表1 沙曲井田4号煤层瓦斯含量测定结果

1.2.2 瓦斯分布特征

通过对瓦斯含量测值上图和统计分析可知，瓦斯分布在煤层走向和倾向方向有所不同。由于沙曲井田整体为一向西倾斜，近南北走向的单斜构造，在煤层倾向方向，4号煤层瓦斯含量总体呈现出由东向西逐渐增大趋势，与煤层埋藏深度之间具有较好的相关性，即埋深越深煤层瓦斯含量越高，反之亦然。在煤层走向方向，瓦斯分布相对复杂多变。在相同的煤层底板标高条件下，由于井田南翼4号煤层的覆岩厚度普遍大于北翼，造成南翼煤层瓦斯含量整体较北翼高。同时，瓦斯分布受构造控制显著，在相同标高下向斜构造区煤层瓦斯含量较背斜构造区大，断层、陷落柱及其影响带瓦斯含量普遍较低。

2 影响瓦斯赋存的主控地质因素

2.1 煤变质程度

煤层是生烃母岩和储集岩，煤层瓦斯的生成与煤岩组分、煤化作用及程度(煤变质程度或煤级)密切相关[12-13]。煤的显微有机组分对煤层生烃具有关键控制作用，被认为是煤层的生烃母质。煤的有机显微组分类型及含量控制着煤层的生烃条件，其生烃作用贯穿于整个煤化作用阶段，但由于不同的显微组分氢碳、氧碳原子比例不同，热解生烃的能力和成烃规律也有差异[14]。据煤的生烃试验表明，在相同煤化作用条件下，煤的显微有机组分壳质组产气率最高(约为惰质组的11倍)，镜质组次之(约为惰质组的4倍)，惰质组最低[15]。沙曲井田4号煤属于腐植型煤，煤中有机显微组分镜质组占绝大部分(85.27%～95.5%，平均88.62%)，惰质组次之(20.16%～35.41%，平均21.73%)，壳质组基本无法辨识。成煤阶段及后期，受燕山期岩浆热变质和三叠系深成热变质双重作用，提高了煤的变质程度(Ro,max=1.26%～1.52%，平均1.40%，变质程度为焦煤阶段)和生气率[16-17]，煤层瓦斯含量增加。

2.2 煤层埋藏深度

煤层埋藏深度系指煤层现今的埋藏深度(与上覆地层厚度一致)，是影响煤层瓦斯赋存的主要地质因素之一[18-19]。不同煤层埋深下地层温压条件不同，地层温压及其耦合关系影响煤层的物性特征(孔渗性、吸附性及煤变质程度等)和瓦斯赋存[20-21]。沙曲井田4号主力开采煤层埋深300～800 m， 通过对该矿瓦斯含量和对应样品埋深间数理相关性分析(图1)，发现二者间具有较好的正相关线性关系(复相关系数R2=0.626 5)，数值表达式如下：

y=0.021 6x+0.479 8R2=0.626 5

(1)

式中：y为瓦斯含量，m3/t；x为煤层埋藏深度，m；R2为复相关系数。

图1 4号煤层瓦斯含量与埋藏深度关系

以上现象与众多瓦斯地质研究成果具有较好的一致性，二者的较好性关系表明在一定埋深范围内，随着埋深的增加，地应力增加、覆岩自重对煤层的压实效应更显著，煤层的透气性变差，从而使得瓦斯的横向运移和垂向向地表逸散的路径增长、难度增加，更加有利于瓦斯的聚集和赋存，煤层瓦斯含量往往较高[22]。

2.3 围岩岩性及特征

煤层围岩主要系指煤层的顶板(包括伪顶、直接顶、老顶)和底板(包括直接底和老底)在内的一定厚度范围的层段，其岩性及特征对围岩的隔气和透气性能具有至关控制作用[23]。煤层围岩隔气性和透气性能直接影响到瓦斯的赋存条件，一般而言，一定厚度致密完整的泥质类岩石(泥岩、炭质泥岩、泥质砂岩、砂质泥岩等)其隔气性能好、透气性差，对煤层瓦斯起到良好的封闭保存效应；致密性、完整性差且孔裂隙系统发育的砂岩、灰岩等的隔气性能差、透气性好，不利于煤层瓦斯的保存[24-26]。通过对沙曲井田煤田勘查孔及采矿揭露统计分析可知，沙曲井田4号煤层围岩岩性主要为泥质岩类(炭质泥岩、泥岩、砂质泥岩)，次为粉、细粒砂岩，围岩的完整性好、致密坚硬。顶板泥质岩类总厚度6.37～16.51 m，平均10.51 m；底板泥质岩类总厚度5.62～10.25 m，平均7.89 m(表2)。可见，沙曲井田4号煤层围岩的泥质岩类较发育且厚度较大，易于煤层瓦斯封闭保存，造成该井田煤层瓦斯含量较大。

表2 沙曲井田4号煤层顶底板厚度统计

2.4 地质构造

理论和实践证实，地质构造对瓦斯不均衡赋存(瓦斯富集和瓦斯移散)、煤与瓦斯突出等具有关键控制作用，是瓦斯地质理论重要研究内容之一[27-28]。目前，学者们在构造控气机理及规律、构造诱导、控制煤与瓦斯突出机理及防治等方面已开展了较为系统和深入研究，极大丰富了瓦斯地质理论内容，对矿井瓦斯防治起到了积极指导作用。构造类型、受力状态不同，其对瓦斯的封闭性能和瓦斯赋存状态各异[27]。压性或压扭性构造对瓦斯封闭性能好，瓦斯易于局部富集，被称之为“封闭性”构造。拉、张性构造对瓦斯的封闭性能差，易造成瓦斯纵向、横向运移移散，瓦斯含量往往较低，这类构造被称之为“开放性”构造[29-30]。

沙曲井田地质构造以宽缓的次级小型褶曲构造为主，断层稀少且断距小，井田北部发育有一地堑式较大断裂带，未见陷落柱发育。通过瓦斯地质规律研究发现，在断距较大的断层影响带(如北部地堑式较大断裂带)以及多组断层的交会部位，均呈现低瓦斯赋存(瓦斯含量低)，显示了以上部位对瓦斯的封闭保存能力差。而在一些断距较小的层间小断层影响带，因其未对顶底板造成破坏，对瓦斯的保存能力较强，瓦斯含量往往较高；对褶皱控气规律而言，向斜轴部瓦斯易于富集，造成瓦斯含量普遍较高且高于两翼，而背斜的控气规律则反之(即背斜两翼的瓦斯含量则高于轴部)。

2.5 水文地质条件

含煤地层中的水文地质条件对煤层瓦斯的赋存具有重要控制作用，造成不同水文地质条件下煤层瓦斯含量及其分布差别很大，瓦斯地质工作中尤为重视其研究[31-32]。在平剖面上，水动力活跃(或地下水强径流)的地区，煤层瓦斯含量往往较低，煤与瓦斯突出事故少或无；相反，在水动力不活跃(或地下水滞缓、滞留)区域，煤层瓦斯含量往往比较高，煤与瓦斯突出事故发生几率增加[33-34]。

沙曲井田位于离柳矿区西部，三交-柳林单斜含煤区中南部，总体为一缓倾斜的单斜构造，在水文地质单元上属柳林泉域岩溶水系统。地下水从东部的露头区补给，径流进入该井田，井田内寒武、奥陶、石炭、二叠、三叠系含水层构成承压水盆地和承压水斜地，地下水径流弱且基本为滞留状态。同时，4号煤层围岩上下具有多层泥质岩隔水层存在，地下水对煤层瓦斯起到封堵和隔离作用，有利于煤层瓦斯保存和富集成藏[35]，致使煤层瓦斯含量总体较高。

3 结 语

1) 沙曲井田4号煤层基本地处甲烷带，瓦斯纯度及含量均较高，瓦斯含量在煤层走向和倾向上分布不同。走向上，井田南翼瓦斯含量整体高于北翼；倾向上，瓦斯含量由东向西逐渐增高。

2) 沙曲井田4号煤层瓦斯赋存规律主要受控于地质构造、水文地质条件、煤层埋藏深度、煤变质程度、围岩岩性及特征等地质因素，不同地质因素控制瓦斯赋存的作用及机理不同。

3) 煤中丰富的有机显微组分和煤的高变质有利于煤层生烃，提高了生气率和瓦斯储集能力，是控制井田煤层瓦斯含量整体较高的关键地质因素；覆岩自重的压缩效应影响煤层渗透性，埋深越大，瓦斯垂向和横向运移难度增加，有利于瓦斯保存；一定厚度致密完整的泥质岩，为瓦斯向地表逸散提供了良好封盖和保存条件；不同地质构造类型、所受应力状态差异，控制着瓦斯赋存的局部不均衡性；地下水弱径流、滞留、承压状态及良好的隔水层对瓦斯起到封堵和隔离作用。