水城矿区小牛煤矿煤层瓦斯赋存条件
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［摘要］小牛煤矿是高瓦斯矿井，通过对小牛煤矿煤层瓦斯富集主要地质因素的分析，探讨煤层瓦斯的分布规律，为煤矿开采方式的选择及煤矿安全生产提供依据；通过对煤矿沉积特征、构造发育状况、水文地质条件的分析，研究煤层瓦斯压力、煤层埋深、煤层厚度、构造部位、断层性质、地下水流动与煤层瓦斯含气量的相关性，探讨影响煤层瓦斯分布的主控因素。研究结果表明，影响煤层瓦斯赋存的主要因素是煤层埋深与厚度，其次为褶皱、断层，水文地质条件对煤层瓦斯的保存条件也有一定的影响。
［关键词］煤层瓦斯；沉积特征；构造发育；水文地质
引言
煤层瓦斯的富集是生成、储集、封盖、保存等方面条件及其动态发展过程的有利配置，是构造因素控制之下诸多地质因素综合作用的结果［1］。因此，分析控气因素制约下的煤层瓦斯聚集规律，有利于煤层瓦斯富集区带的评价，并能为煤矿勘探开发部署提供决策依据。为此，本文从煤层瓦斯富集的地质条件出发，分析了小牛煤矿煤层瓦斯的分布规律，探讨控制煤层瓦斯富集的主要地质因素，为煤矿开采方式的选择及煤矿安全生产提供依据。
1研究区概况
小牛煤矿位于六盘水市水城县南东阿戛乡仲河村境内，地理坐标为东经104°58′40″~105°00′52″，北纬26°28′18″~26°29′10″。矿区东西长（走向）3.20～3.55km，南北宽（倾向）0.70～1.26km，面积3.375km2。矿区属高原中山地貌，总体地势特征中部低，南北高，山脉呈北西、南东向展布，三叠系永宁镇组地层常形成悬崖，其下飞仙关组砂泥岩地层则形成陡坡，煤系地层出露于缓坡地带。矿区内出露地层有二叠系中统茅口组（P2m）、二叠系上统峨眉山玄武岩组（P3β）、龙潭组（P3l），三叠系下统飞仙关组（T1f）、永宁镇组（T1yn），第四系（Q）。龙潭组（P3l）为区内含煤地层，岩性由浅灰色至灰绿色细砂岩、粉砂岩、粉砂质泥岩、泥岩、粘土岩及煤层组成，厚350～390m，含煤69层，总厚度64.61m，含煤系数17.29%。其中可采及局部可采煤层25层，可采煤层总厚度29.29m，含煤系数7.69%，与下伏地层峨眉山玄武岩组呈假整合接触。小牛煤矿地形地质构造如图1所示。
2.1沉积条件
区内煤系地层为二叠系上统龙潭组，一般根据岩性将其分为4个含煤段。其中，第3、4含煤段含煤性好，且分布较集中；第2含煤段含煤性差；第1含煤段含煤性较好。
2.1.1煤层埋深煤层瓦斯含气量与煤层瓦斯压力密切相关，小牛煤矿煤层瓦斯含量与煤层瓦斯压力之间具有明显的正相关关系，如图2所示。在煤层瓦斯压力较大的区域，煤层含气量也较高，因此可以利用煤层瓦斯压力的大小来表征煤层含气量的大小。煤层瓦斯压力受地质构造的演化、水文地质条件、埋深、地应力等诸多因素的影响［2］，煤层瓦斯压力总体上与埋深呈线性正相关关系。小牛煤矿煤层瓦斯压力也体现出随着埋藏深度的增加而增加的趋势，个别离散点可能是受到构造应力比较集中的影响，引起煤层瓦斯压力急剧升高，如图3所示。由图3分析可知，煤层埋深达到300m时，煤层瓦斯压力达到1MPa。小牛煤矿先期开采标高为+1190m，煤层埋深在300m左右，所以该矿先期开采地段之内煤层属于欠压状态，有利于煤层的开采；但要开采下部煤层，煤层瓦斯压力高于1MPa，煤层属于高压状态，易发生煤与瓦斯突出事故。
2.1.2煤厚煤层厚度对煤储层含气性和物性有一定影响，是控气的重要地质因素。煤层瓦斯的逸散以扩散方式为主，空间两点之间的浓度差是其扩散的主要动力，煤储层本身就是一种高度致密的低渗透性岩层，煤储层厚度越大，对煤层瓦斯的保存越有利［3］。区内龙潭组四段平均厚83.48m，含可采煤层5层，可采煤层平均总厚度5.73m；龙潭组三段平均厚76.02m，含可采煤层9层，可采煤层平均总厚度12.19m；龙潭组二段平均厚118.57m，含可采煤层6层，可采煤层平均总厚度4.27m；龙潭组一段平均厚73.62m，含可采煤层5层，可采煤层平均总厚度7.10m。龙潭组各段平均煤层厚度与平均瓦斯含量之间的关系如图4所示。由图4分析可知，随着煤层厚度的增加，煤层平均瓦斯含量也逐步增加，但是在各个层段之间增加的快慢明显不同。从龙潭组四段到三段，瓦斯含量的增加速度较快；龙潭组三段到二段增加十分缓慢；龙潭组二段到一段瓦斯含量的增加速度又有所加快。煤层埋藏深度是影响煤层瓦斯含量的主要因素，但不是唯一的因素，由龙潭组四段到三段平均煤层厚度有明显的增加，可能是造成煤层瓦斯含量增速加快的原因。但是，由龙潭组三段到二段煤层瓦斯含量的增速缓慢，大部分原因可能是由于平均煤层厚度由龙潭组三段的12.19m降至二段的4.27m所致。由于龙潭组二段到一段平均瓦斯含量增速又有所增加，也可以用平均煤层厚度的增加加以解释。单个煤层的瓦斯含量与煤层埋深的关系如图5所示。由图5分析可知，煤层埋深对煤层瓦斯含量的影响更加明显。小牛煤矿主要可采煤层12煤层瓦斯分布情况显示，煤层埋深仍然是控制煤层瓦斯分布的主要因素，但是煤厚对瓦斯含量的影响程度有所增加。当煤层埋深达到515.8m时，煤层瓦斯含量达到7m3/t；当煤层埋深达到576.3m时，煤层瓦斯含量达到8m3/t.；而煤层埋深在578.2m时瓦斯含量却下降到5m3/t。同一煤层的煤阶、煤岩组分、灰分是大体相同的，而煤层厚度由3.64m降低至1.79m，所以由此推测引起煤层瓦斯含量降低的主要原因是煤层厚度。
2.2构造特征
格目底向斜两翼不对称，北东翼岩层倾角陡，一般在51°～70°，南西翼倾角较平缓，一般在15°～25°。小牛煤矿位于格目底向斜东段北翼，总体为单斜构造，地层走向NW～SE向，倾向SW，倾角在51°～65°。褶曲不发育，仅发育有F1及F52条主要断层。其中，Fl断层位于井田东部，呈近S-N向延伸，延伸长度1500m，倾向W，切割P3β-T1yn地层，落差300m，为正断层；F5断层位于西部，走向NEE，倾向NNW，倾角64°～75°，落差最大33m，延伸长度1075m，为正断层。15-1煤层瓦斯含量等值线如图6所示。由图6分析可知，该煤矿东部煤层瓦斯含量普遍<5m3/t，这可能与F1断层的影响有关。F1断层为张性正断层，断层附近应力松弛，同时断层的形成建立了煤层与外界环境之间的联系［4］，造成了煤层瓦斯的大量逸散。F5断层附近煤层瓦斯含量较相同水平来看也有降低的趋势，这种趋势也可以用F5断层发育加以解释。小牛煤矿煤层瓦斯含量总体上呈现由NE向SW逐渐增加的特征，这种特征是煤矿内褶皱与断层综合作用的结果。小牛煤矿位于格目底向斜的陡翼，向斜陡翼易发育正断层，造成煤层瓦斯的逸散［5］，但由向斜的翼部向轴部，煤层埋藏深度逐渐增加，煤层瓦斯含量也逐渐增大。所以，小牛煤矿煤层瓦斯含量的分布主要受控于褶皱引起的煤层埋藏深度的增加，其次是局部正断层的发育。
2.3水文地质
水文地质条件是影响煤层瓦斯赋存的一个重要因素。小牛煤矿新生界松散含水层接受大气降水和地表径流补给后，地下水顺层由浅部向深部运动，把充足的水量从煤层露头区补给深部二叠系煤层，而煤储层中的瓦斯却是由深部高压区顺层沿两翼岩层向上运移，致使地下水的流动方向与煤层瓦斯的运移方向相反。地下水的流动一方面对煤层瓦斯向上的移动产生阻力，减缓运移速度；另一方面又可携带在流动过程中溶解的部分瓦斯至深部，随着储层压力的增大，煤层瓦斯含量也逐渐增大。
3结语
小牛煤矿为高瓦斯矿井，分析煤层瓦斯含量分布的主控因素，有利于煤矿的安全、高效生产。通过分析可知，煤层瓦斯含量随着煤层埋藏深度的增加而增加，但其增加速度的快慢受煤层厚度的影响；褶皱构造对煤层瓦斯含量的影响比较明显，由两翼到轴部煤层瓦斯含量逐步增加，局部煤层瓦斯含量的降低，往往是由附近高角度正断层的发育造成的；地下水由浅部向深部的流动，是造成小牛煤矿煤层瓦斯含量较高的另一个因素。
［参考文献］
［1］傅雪海，秦勇，韦重韬.煤层气地质学［M］.徐州：中国矿业大学出版社，2007.
［2］郭德勇.煤和瓦斯突出构造物理学研究［D］.徐州：中国矿业大学，1996.
［3］秦勇.煤储层厚度与其渗透性及含气性关系初步探讨［J］.煤田地质与勘探，2000，28（2）:24-27.
［4］秦勇，张德民，傅雪海，等.山西沁水盆地中-南部现代构造应力场与煤储层物性关系之探讨［J］.地质评论，1999，45（6）:576-583.
［5］张建博，秦勇，王红岩，等.高渗透性煤储层分布的构造预测［J］.高校地质学报，2003，9（3）:360-365.
作者：王盼盼 单位：山东省煤田地质局第三勘探队