焦作矿区冯营矿二1煤瓦斯赋存的主控因素研究

冯 斌,张小东,李文前,郭新体

(1.河南省地质矿产勘查开发局第十一地质队,河南 商丘 476000；2.河南理工大学能源科学与工程学院,河南 焦作 454000)

焦作矿区位于河南省西北部，是我国优质无烟煤的产出基地之一。同时，焦作矿区也是我国煤与瓦斯突出最为严重的矿区之一[1]。经过百余年的开采，焦作矿区许多老矿井井田内的煤炭资源已枯竭或近于枯竭。冯营煤矿作为一个资源近于枯竭的矿井，于2001年2月实行政策性破产重新组建，目前主要以开采原矿井剩余煤炭资源为主。该矿自1962年2月投产至今，已发生3次煤与瓦斯突出，单次突出煤量最小24t，最大260t。自建井至今，该矿每年要投入大量的人力和物力用于防治瓦斯灾害事故的发生。

本文在分析冯营井田煤层产出的地质构造背景的基础上，探讨了地质构造、埋深、煤厚以及顶底板岩性对瓦斯赋存的影响规律。采用定性与定量相结合的分析方法，对研究区瓦斯含量的主控因素进行了分析，以期为冯营矿的瓦斯灾害防治提供指导和借鉴。

1 井田地质构造特征

焦作煤田位于太行山隆起带的东南缘。地层走向NE～SW，倾向SE，倾角10°～25°，一般为12°。区内以断裂构造为主，褶皱构造不发育，总体为一倾向南东的单斜构造，仅在矿区南部见有小型宽缓向斜。断裂构造主要以高角度正断层为主，按走向主要有NE、近EW、NW向三组，尤以NE向最发育。断裂构造的切割，使得整个煤田被划分为多个大小不等的块段，不仅控制着煤层的分布与赋存特征，而且形成了矿区或井田的自然边界。

冯营井田位于焦作煤田东部，其南部的九里山断层、东部的冯营断层形成井田的自然边界。受两大断层的影响，井田内大中型断裂构造较发育，且依次派生、伴生的小断层也特别发育，均为高角度的正断层。井田总体为一向南偏东倾斜的单斜构造，大中型褶皱构造不发育，局部小褶曲的发育及揉搓作用，使得煤层顶板滑动面发育，煤体强度减弱，煤层的原有的层理构造与孔裂隙系统遭到破坏，增大了瓦斯在煤体中运移的难度，进而影响了井下瓦斯抽采。

2 煤层及瓦斯分布特征

2.1 煤层

区内含煤地层为二叠系下统山西组和石炭系上统太原组，煤系地层总厚187.2m，共含煤10～11层，煤层总厚14.15m，含煤系数3.04%。其中，含可采与局部可采煤层3层。山西组的二1煤为区内主要可采煤层，也是本次研究的主要目的层;太原组的一2、一5煤局部可采。二1煤厚度变化较大，以中厚～厚煤层为主，均厚4.20m。在井田西部，受成煤过程中的沉积基底沉积基底凹凸不平,以及沉积期后的水流冲刷和构造挤压等作用，可见薄煤带或无煤带。二1煤煤层结构大部分地段较简单，仅在15～17勘探线，因受成煤过程中的聚煤坳陷基底不均衡沉降影响，煤层结构复杂，常出现分岔现象。

2.2 煤岩、煤质

二1煤的宏观煤岩成分以亮煤为主，暗煤次之，夹丝炭和镜煤透镜体或线理状镜煤。宏观煤岩类型以光亮-半亮型煤为主，有少量的半暗型和暗淡型煤。显微组成中，有机组分含量较高，一般大于86%，其中绝大多数为镜质组，一般占总组成的80%以上，占有机组分的90%以上，其中主要是无结构镜质体。惰性组含量较少，一般小于有机显微组分的10%，主要为丝质体。无机组分中以黏土矿物为主，含少量碳酸盐和硫化物。镜煤最大反射率3.46%，为无烟煤二～三号。二1煤岩煤质一览情况见表1。

二1煤属于低水、低灰、特低硫、低磷、抗碎强度高、可选性好、热稳定性能好、高灰熔性、中高发热量的无烟煤。

2.3 瓦斯分布特征

本次研究收集到的含气量资料共计33组，其中：通过煤田勘探钻孔取芯测得的含气量数据21组，井下钻孔煤芯取样测得的瓦斯含量9组。另外，根据瓦斯压力换算得到的瓦斯含量有3组(瓦斯含量与压力的关系见图1)。在埋深180～575m的范围内，含气量分布在3.83～25.96m3/t之间。

就整个井田而言， 自西北向东南，瓦斯含量有增大的趋势。同一断块内，距离断裂带越近，含气量越小；在断层尖灭端附近，含气量往往较大．深部断块的含气量高于浅部。在断层的薄煤带、煤层分岔带的瓦斯含量往往较低，瓦斯的气体组成中，甲烷浓度较低。根据瓦斯含量和井下瓦斯压力的测试结果，发现在断层延展方向上，瓦斯含量和瓦斯压力呈带状分布：沿煤层走向，靠近矿井东部的NW向倾向断层，瓦斯减小，瓦斯压力由0.9MPa降低到0.5MPa以下，瓦斯含量由16～20m3/t·r降低到15m3/t·r以下。

图1 瓦斯压力与瓦斯含量的关系

3 瓦斯赋存的影响因素

影响瓦斯赋存的因素很多，不同的井田其主控因素不同。所有含气量数据中，CH4气体浓度小于80%的或瓦斯含量小于5.0～7.0m3/t·r(研究区为无烟煤)，属于瓦斯风化带以上，本研究中不予考虑(共9个)。另外，在探讨相关因素对瓦斯含量的影响时，也要对瓦斯含量测试点的构造条件、煤厚是否异常、顶底板岩性的封闭性优劣程度等进行可适性分析。

3.1 断裂构造对瓦斯富集的影响

区域构造背景对瓦斯区域性分布特征具有重要的控制作用，而井田构造断裂构造的分布及其力学性质是控制瓦斯赋存及运移的重要地质因素[2]。一般而言，压性断裂构造的封闭性及其形成过程中的挤压揉搓作用，使得煤体结构遭到破坏，原始的裂隙系统发生破坏，造成了瓦斯逸散的难度，从而有利于瓦斯的聚集；而张性断裂构造的开放性，有利于增大煤岩体的透气性，使得瓦斯沿着断裂面运移，不利于瓦斯富集。另外，同一构造的不同部位对煤层气的富集和运移的作用关系也是有差异的[3]。

冯营井田总体属于一单斜构造，大中型褶皱构造不发育，仅可见次级小型褶皱，形成一系列小型宽缓的背斜和向斜。井田中大型断裂构造发育，均为高角度正断层。区内主要断层的不同部位的钻孔含气量分布见表2。由表2可知，断裂带尖灭断的瓦斯含量往往较高，断层上盘含气量一般小于下盘。其中，距离断层的上盘越近，含气量越低，并且气体组成中的甲烷浓度下降，距离断裂的下盘越近，含气量越高。原因在于断层尖灭段，往往是应力比较集中部位，煤体结构较为破碎，透气性差，因此，其含气性较高。原因在于，区内的断裂均为张性或张扭性断层，一般而言，正断层上盘煤层中裂隙发育程度明显高于下盘[4]。因此，透气性较大，有利于瓦斯的逸散，并且因张性断层的开放性，与含水层接近，形成水力联系，从而降低甲烷含量。

表2 与断裂构造相关的钻孔含气量数据

3.2 水文地质条件对瓦斯赋存的影响

水文地质条件特别是地下水的流态对瓦斯赋存、运移和富集具有重要的影响。地下水动力学条件的控气特征，可概括为水力运移逸散、水力封闭与水力封堵作用。其中，水力封闭和水力封堵作用有利于煤层气保存，水力运移逸散作用则会导致瓦斯的散失[5-6]。

冯营井田位于焦作矿区水文地质单元北部，为一南部由九里山断层、东部由冯营断层所控制的半封闭次级水文地质单元。井田西北部山区奥陶系灰岩裸露，受大气降水的补给面积大，补给条件好，加之区内断裂构造发育，不仅构成了岩溶裂隙地下水径流的主要通道，而且沟通了含水层之间的水力联系。井田内地下水径流方向由西北流向东南，在井田东南边界，受到水体流动过程中，瓦斯也随着运移。受到井田东南部张扭性的九里山断层及其派生的安阳城断层的阻隔，在东南方向形成地下水滞留区，形成瓦斯富集带，从而形成了井田总体上西北部瓦斯含量较低、东南部瓦斯含量较高的区域分布特征。由此可以看出，水文地质条件是控制井田煤层瓦斯区域分布的主控因素。

3.3 煤厚对含气性的影响

从瓦斯生成的角度而言，一般认为煤层厚度与瓦斯含量具有正相关关系。但实际上，根据瓦斯含量的定义，单位体积煤层的生气量与煤厚之间不存在因果联系[7]。但因煤层本身属于高度致密的低渗透岩层，其上下分层对中部分层的瓦斯气体逸散具有强烈的封盖作用。因此，煤层厚度越大，中部分分层瓦斯气体向顶底板扩散的路径就越长，扩散阻力越大，有利于瓦斯的保存，从而表现为煤厚与瓦斯含量具有正相关关系。

研究区的煤厚变化较大，常常有分岔现象，局部出现薄煤带。刨除掉薄煤带的瓦斯含量，发现煤厚与瓦斯含量具有一定的正相关性(图2)。煤层厚度与含气量之间的相关方程式为：

W=1.3817×H+10.785(R=0.66)

(1)

式中，w为含气量，rn3/t；H为煤层厚度，m。

回归方程的显著性检验表明，对于给定的显著性水平a(a= 0.05)，查得t0.025(10)=2.2281。根据数据点计算得∣t∣=2.755984>t0.025(10)。由此可以看出，煤厚与瓦斯含量的相关方程式(1)，在显著性水平a=0.05时是显著的，进而可以认为，煤厚是影响冯营井田瓦斯含量的主要因素之一。

图2 煤厚与瓦斯含量的关系

3.4 埋深与含气量的关系

一般而言，在大型含煤盆地范围内，煤层埋深与瓦斯含量之间具有正相关关系，即瓦斯含量随着煤层埋藏深度的增加而增高。然而,对于构造比较复杂的井田，煤层埋深与瓦斯含量的正相关型并不明显，甚至出现异常相关，即随着煤层埋深的增加，含气量反而呈现下降的趋势[7]。

就冯营井田而言，煤层埋藏深度与含气量总体呈现正相关关系，但这种关系并不明显，很难通过一个简单的关系式来表达(图3)。分析其原因，可能是与井田构造较为复杂、煤层厚度变化较大，新生界厚度分布不均等原因，致使研究区的煤层埋藏深度与瓦斯含量之间不存在有确定的梯度关系，也即就该井田而言，埋藏深度不是引起瓦斯含量变化的主要因素。

图3 煤层埋深与含气量的关系

3.4 上覆基岩厚度与含气量的关系

煤层上覆基岩厚度为煤层埋深减去新生界(古近系、新近系)地层的厚度。研究区缺失古近系地层，新生界地层主要为松散的黄土层，其空隙度大，连通性好，容易释放瓦斯，地质历史时期不利于瓦斯的保存。因此，从瓦斯保存的有效性角度而言，基岩厚度也常称之为上覆有效地层厚度。一般说来，上覆地层有效厚度越大，保存条件越好；有效地层厚度越薄，表明构造运动造成抬升、剥蚀强烈，地层压力降低，气体越易发生解吸散失[3,8]。

研究区统计结果表明，煤层含气量随着上覆基岩厚度的增加而增高，两者间具有一定的对数关系，相关方程式为：

W=0.0347×h+5.6368(R=0.65)

(2)

式中，w为含气量，rn3/t；h为上覆基岩厚度，m。

回归方程式(2)的显著性检验表明，对于给定的显著性水平a(a=0.05)，查得t0.025(12)=2.1788。根据数据点计算得∣t∣=2.960512>t0.025(12)。由此可以看出，上覆基岩厚度与瓦斯含量的相关方程式(2)，在显著性水平a=0.05时是显著的，由此可以推测，煤层的上覆基岩厚度是研究区瓦斯含量的主控因素之一。

图4 上覆基岩厚度与含气量的关系

3.5 顶底板岩性对含气量的影响

围岩的隔气性或透气性对瓦斯气体的保存具有重要作用，一般来说，围岩的碎屑含量越低、颗粒越细、泥质含量越高，其对气体封闭能力越好，越有利于气体的保存。

研究区的二1煤层顶板岩性及稳定性变化较大，多为黑色炭质泥岩，厚0.4～11.67m，平均2.63m。底板为砂质泥岩、泥岩，厚13.87～24.01m，平均厚20m。这些泥岩或砂质泥岩裂隙不发育，颗粒致密，具有良好的封闭性，既是煤层与顶板砂岩裂隙含水层之间的隔水层，也是防止瓦斯逸散的隔气层。如营91钻孔，尽管煤厚仅3.5m，埋深350m，上覆基岩厚度278.9m，但其顶板20m范围内有12.3m的泥岩分布，其瓦斯含量高达25.26m3/t。而营59钻孔，尽管煤厚高达7.2m，埋深404.3m，上覆基岩厚度286.3m，但其顶板20m范围内，泥岩厚度仅0.5m，多为粉砂岩或中细砂岩，其含气量仅为14.05m3/t。由此可见，煤层顶底板也是影响研究区瓦斯含量变化的主要因素。

4 结论

1)地质构造对冯营井田的瓦斯含量具有较大的影响，表现为断层尖灭端附近，含气量大，而断裂带内含气量小；断层下盘的含气量明显大于上盘。同一正断层的上盘附近，距离断层面越远，含气量越大。

2)水文地质条件对井田的瓦斯含量区域性分布具有重要的控制作用，表现为径流区瓦斯含量较低，滞留区瓦斯含量较高。

3)煤层埋藏深度对瓦斯含量的影响并不显著，而煤层的厚度、上覆基岩厚度以及顶底板岩性对瓦斯含量的局部分布有较大的影响，表现为煤层厚度和上覆基岩厚度越大，围岩的泥质含量越高、颗粒越细，含气量越大。

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