影响五阳井田3号煤层瓦斯赋存的地质因素

乔 杨

（山西蓝焰煤层气集团有限责任公司，山西 晋城 048000）

1 引言

瓦斯是生于煤层、储存于煤层或围岩中的气体地质体，只要开采煤炭就会有瓦斯涌出。它的生成条件、运移规律以及赋存、分布规律都受着极其复杂的地质作用控制，不同井田区因地质条件的差异，煤层瓦斯赋存规律亦有所不同[1]。因此，基于五阳井田瓦斯基础参数测定资料、采矿资料等，并结合井田实际地质条件，对影响井田内3号煤层瓦斯赋存的主要地质因素进行了研究，研究结论对矿井瓦斯防治具有重要指导意义。

2 影响煤层瓦斯赋存的主要地质因素

2.1 煤变质程度对煤层瓦斯赋存的影响

煤化作用控制着煤的生烃和煤的变质程度，煤化作用越强烈，煤中生烃量越大，煤的变质程度越高，反之亦然[2]。因此，瓦斯地质研究中常用煤的变质程度来表征煤化程度。五阳井田3号煤层在成煤过程中受煤化作用影响较甚，使其成为变质程度较高的贫瘦煤，亦促使了煤中生烃物质的大量生烃，煤中瓦斯含量普遍较高。同时，随着煤变质程度增加，煤对甲烷气体分子的渗透率下降，气体沿煤层向地表方向运移逸散更加困难；煤中微孔裂隙系统发育较甚，煤对甲烷的吸附能力增加、吸附储集瓦斯的量亦较大。因此，五阳井田3号煤的高变质，为煤层瓦斯的大量生成提供了良好动力，是致使该煤层瓦斯含量普遍较高的生烃动力条件。

2.2 地质构造对煤层瓦斯赋存的影响

五阳井田地处潞安矿区北段南部文王山断层与西川断层之间，由宽缓褶曲和正断层组成的NEE向的构造带，五阳井田位于该构造带内，北以西川断层为界，南以文王山北断层为界，边界断层瓦斯大量释放而呈低瓦斯带。井田的基本构造特征为向南西倾伏且宽缓褶曲，伴有大中型、高角度正断层和次一级的小型断裂，构造线方向大致为NEE和NE方向。区内主体构造为天仓向斜，因其轴部受挤压应力作用较为明显，煤体受剪切作用而变得破碎、增厚，破碎的煤体透气性变差、吸附储集瓦斯能力强，是瓦斯富集的有利场所，使得向斜轴部瓦斯含量普遍较高。同时，在次一级褶皱轴的起伏和转折端，瓦斯含量亦整体较高；伴生的高角度正断层因其具有张性特征，节理裂隙系统较发育，属于典型的开放型构造，不利于瓦斯的保存和富集，使得瓦斯含量普遍较低；井田内陷落柱破坏了煤层顶底板（或围岩）的完整性，并在其附近形成了大量伴生裂隙系统，部分亦沟通了邻近含水层，为瓦斯的运移逸散提供了良好通道和利好条件，使得区内陷落柱发育带，瓦斯含量均显示低值。可知，不同构造类型、受力状态等差异，构造对瓦斯赋存的影响亦不尽相同，主要影响着瓦斯赋存不均衡性[3]。

2.3 围岩对煤层瓦斯赋存的影响

煤层围岩主要是指煤层直接顶、老顶和直接底等在内的一定厚度范围的层段[4]。瓦斯之所以能够封存于煤层中某个部位，决定于它的隔气、透气性能，与围岩的孔隙性、渗透性和孔隙结构有关。煤层围岩的透气性好坏，直接影响着煤层瓦斯的赋存、运移或富集[5]。五阳井田3号煤层的顶、底板主要由泥岩和部分砂质泥岩构成，因泥岩和砂质泥岩的透气性较差、致密完整，对煤层瓦斯的封闭能力较强，利于煤层中瓦斯的保存和集聚。致使井田内3号煤层的瓦斯含量普遍较高（表1），20个原煤含气量测值数据中，8m3/t以上测值占总测值数量的85%。

表1 五阳井田3号煤层原煤含气量测定结果

2.4 煤层埋深对煤层瓦斯赋存的影响

煤层埋深对瓦斯赋存具有重要控制作用，是瓦斯地质研究的一项重要内容[6]。为了探究煤层埋深对瓦斯赋存的影响，对原煤含气量和取样深度进行了相关性分析。通过二者相关性分析可得，在取样深度350.98～837.70m范围内，煤层埋深与原煤含气量具有良好的正相关线性关系（图1），遵循关系式y=0.0267x-4.8329，相关性系数R2=0.6027。可见，随着煤层埋藏深度的增加，盖层有效厚度增加，地应力增高，围岩的透气性能降低，瓦斯向地表运移的距离和难度均增大，对瓦斯的保存能力增强，反之亦然。

图1 五阳井田3号煤层埋深与原煤含气量关系

2.5 水文地质对煤层瓦斯赋存的影响

地下水与瓦斯均为流体且共存于含煤岩系及围岩之中，运移和赋存都与煤岩层的孔裂隙有关。由于地下水的运移，一方面驱动着裂隙和孔隙中瓦斯的运移，另一方面又带动了溶解于水中的瓦斯的一起流动。同时，水吸附在裂隙和孔隙的表面，占据了瓦斯的吸附空间进而减弱了煤对瓦斯的吸附能力[7]。因此，地下水的活动状态及煤岩的富水性对煤层瓦斯赋存具有重要影响。五阳井田3号煤层的直接充水含水层为顶板砂岩裂隙含水层，该含水层钻孔单位涌水量为0.0005L/s.m，渗透系数0.0030m/d，属弱富水性含水层。亦表明地下水径流较弱，基本处于滞缓状态，驱动、携带瓦斯逸散作用甚微。虽然区内还有多套含水层存在，由于3号煤层顶底板为泥质含量高的致密、低透气性泥岩、砂质泥岩等岩性组成，加之上覆、下伏均有多层相对隔水性能的岩层存在，地下水活动对3号煤层瓦斯赋存影响甚微。同时，该煤层大多位于下伏奥灰水头压力之下，因而奥灰水的承压性质对煤层瓦斯起到一定的封堵效应[8]，有利于瓦斯保存和富集。

3 结论

（1）3号煤为变质程度较高的贫瘦煤，煤化过程中生烃潜力较好且累计生烃量较大，为瓦斯的生成提供了良好的生气条件。

（2）研究区高角度正断层和陷落柱为开放型构造，均不利于瓦斯的保存，这些构造地带瓦斯含量普遍较低。而在向斜轴部及褶皱轴的弯曲、起伏地带因受挤压应力显著且构造应力较集中，瓦斯易于聚集。因此，不同构造类型及其受力状态差异，控制着瓦斯赋存的不均衡性。

（3）围岩的良好封闭性，为煤层瓦斯的保存提供良好条件；埋深与瓦斯含量具有良好的正相关性，即煤层埋深越大，煤层瓦斯含量越高，反之亦然；滞缓的地下水径流状态，驱动、携带煤层瓦斯逸散作用甚微。同时，下伏承压水作用对煤层瓦斯起到一定封堵效应，利于瓦斯的保存。