張廣政

(貴州省煤田地質(zhì)局地質(zhì)勘察研究院，貴陽 55006)

0 引言

隨著煤炭開采工作的持續(xù)深入，煤礦開采逐漸由單一煤層向多煤層協(xié)同開采發(fā)展，并逐漸由淺部向深部過渡，在提高經(jīng)濟(jì)效益和開采效率的同時(shí)，也增加了開采工作的難度，尤以瓦斯賦存問題最為突出。國內(nèi)外學(xué)者從瓦斯賦存規(guī)律、瓦斯含量預(yù)測、瓦斯防治策略等多方面進(jìn)行了綜合研究，并取得了一系列成果[1-9]。但值得注意的是，以上研究大多針對于同一研究取得同一(兩層)煤層，針對垂向多煤層瓦斯賦存規(guī)律的研究相對較少，各煤層瓦斯賦存規(guī)律差異性認(rèn)識不足，一定程度上制約了多煤層區(qū)煤礦生產(chǎn)工作的順利進(jìn)行。本文基于對研究區(qū)地質(zhì)勘探鉆孔資料、試井資料及井田地質(zhì)條件的詳細(xì)分析，結(jié)合實(shí)測瓦斯數(shù)據(jù)，借助于瓦斯地質(zhì)理論，從垂向和平面兩方面對不同煤層進(jìn)行瓦斯賦存規(guī)律分析探討，深入分析深度控制下的煤層瓦斯賦存規(guī)律的差異性，以期為該區(qū)煤礦安全生產(chǎn)工作提供借鑒。

1 研究區(qū)地質(zhì)條件

研究區(qū)位于比德向斜西南翼中段南部，總體為淺部較陡、深部寬緩的向斜構(gòu)造。龍家溝向斜以北，地層走向呈NW-SE向，傾向NE；龍家溝向斜以東，地層走向轉(zhuǎn)為SW-NE向，傾向NW。淺部地層傾角25°～50°，一般40°，深部5°～20°，區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造較為發(fā)育，以正斷層為主，如圖1所示。

圖1 研究區(qū)構(gòu)造綱要圖Figure 1 Structural outline map of study area

研究區(qū)含煤地層為二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M，地層厚度385.55～471.33m， 平均厚度422.09m。垂向表現(xiàn)為明顯的旋回性， 區(qū)內(nèi)含煤地層含煤36～55層，一般44層，含煤總厚度23.13～56.65m，平均厚39.63m，含煤系數(shù)9.39%；含可采煤層5～12層，主要可采煤層為2#、3#、6#、27#、30#、32#煤層，總厚度11.82～27.45 m，平均厚度 19.22 m，可采含煤系數(shù)4.55%。

2 研究區(qū)煤層特征差異性分析

2.1 物理性質(zhì)

研究區(qū)內(nèi)各可采煤層鏡煤最大反射率為1.73%～2.12%，平均為1.90%。以塊狀為主，少量碎塊狀、粉狀；主要為細(xì)條帶狀結(jié)構(gòu)，局部見寬條帶、中條帶；金屬光澤為主，瀝青光澤為輔；斷口主要為階梯狀，少量參差狀；內(nèi)生裂隙發(fā)育，充填網(wǎng)狀鈣質(zhì)薄膜。受同一沉積環(huán)境總體控制，各可采煤層孔隙密度變化較小，大多穩(wěn)定于1.55～1.65。

圖2 各可采煤層真(視)密度垂向分布Figure 2 Mineable coal seams true (apparent) density vertical distribution

如表1所示，各煤層有機(jī)顯微組分、無機(jī)顯微組分等物理性質(zhì)均相差不大，一定程度上反映了該區(qū)沉積環(huán)境發(fā)育的穩(wěn)定性。

2.2 化學(xué)性質(zhì)

如圖3所示，原煤灰分在垂向上呈高低高波形變化，在27#煤層其值最大。浮煤灰分在垂向上煤層自上而下，變化規(guī)律與原煤相似， 仍在27#煤層處灰分值最大， 但同一煤層灰分相較原煤明顯減小。

表1 煤巖鑒定成果表

(a)

(b)

(c)圖3 各可采煤層灰分/硫分垂向分布特征Figure 3 Mineable coal seams ash, sulfur contents vertical distribution features

原煤硫分在垂向上，大體上也呈波動(dòng)式變化，在30#煤層其值最大。浮煤硫分變化規(guī)律與原煤相似，但是在27#煤層處硫分值最大，因原煤中硫主要以硫鐵礦硫形式存在，經(jīng)洗選后易脫除，所以同煤層浮煤硫分小于原煤，且原煤硫分較大的煤層經(jīng)洗選后減少的硫分越多。綜上所述，煤層化學(xué)性質(zhì)的差異一定程度上也導(dǎo)致了各可采煤層瓦斯賦存規(guī)律的垂向差異性特征。

3 研究區(qū)瓦斯賦存特征差異性分析

在取樣深度范圍內(nèi)，基于研究區(qū)實(shí)測資料(標(biāo)高在518.17～1 428.67m)，瓦斯分帶不明顯，同一標(biāo)高的不同部位，分布有甲烷帶、氮?dú)饧淄閹А⒌獨(dú)鈳?，各煤層以甲?CH4)帶為主。在勘查區(qū)范圍內(nèi)各主要可采煤層的自燃瓦斯成分中，2#、3#、27#、30#和32#煤層的甲烷(CH4)+重?zé)N平均濃度>80%，屬沼氣帶，6#煤層甲烷(CH4)+重?zé)N平均濃度<80%，屬氮?dú)?沼氣帶。值得說明的是，6#煤層的甲烷(CH4)+重?zé)N平均濃度小于80%，但粉碎前后的可燃?xì)怏w含量大于8 ml/g，仍說明煤層可燃?xì)怏w主要以吸附的形式存在煤層中。

3.1 垂向分布特征

基于實(shí)測瓦斯含量分析，結(jié)合礦井瓦斯地質(zhì)情況，綜合考慮煤層地質(zhì)構(gòu)造、瓦斯賦存、構(gòu)造煤發(fā)育等條件，分析得到該研究區(qū)瓦斯(成分)含量與埋深之間的擬合關(guān)系，探討各煤層垂向變化規(guī)律。

圖4表明，隨著煤層埋深增大，不同煤層瓦斯含量表現(xiàn)明顯的差異性規(guī)律：2#瓦斯含量隨埋深逐漸降低，3#瓦斯含量在一定深度范圍內(nèi)呈緩慢增加。2#煤層的差異性初步分析與煤層取樣點(diǎn)較少及部分測試點(diǎn)位于瓦斯風(fēng)化帶以上有關(guān)，故煤層瓦斯含量與埋深規(guī)律的“反?！敝档蒙倘?。

受沉積環(huán)境背景的統(tǒng)一性影響，6#煤層全區(qū)發(fā)育廣泛，取樣點(diǎn)均勻分布，數(shù)據(jù)結(jié)果具有很好的代表性。圖5表明隨著煤層埋深的增大，瓦斯含量具體表現(xiàn)為以800m為界呈現(xiàn)低-高-低的變化趨勢。綜上所述，以6#煤層800m為界，可采煤層瓦斯含量與煤層埋深表現(xiàn)出明顯的差異性(圖5、圖6)。

3.2 影響因素分析

基于上述分析結(jié)果，本文基于相關(guān)測試分析結(jié)果，以煤層臨界埋深值為切入點(diǎn)，嘗試從地質(zhì)構(gòu)造、煤儲(chǔ)層吸附特征、地下水活動(dòng)及煤層變質(zhì)程度等方面探討不同層位煤層瓦斯賦存規(guī)律，以闡明臨界深度控制下的煤層瓦斯賦存規(guī)律。

3.2.1 變質(zhì)程度

隨著煤層變質(zhì)程度的增加，微孔和小孔發(fā)育，為吸附甲烷提供了更大的比表面積和儲(chǔ)氣能力。全區(qū)煤層鏡質(zhì)組反射率大都在1.74～1.78。在構(gòu)造條件相對穩(wěn)定條件下， 煤層變質(zhì)程度一定程度上影響了煤層吸附/解吸能力。本文基于對研究區(qū)多鉆孔取樣煤樣進(jìn)行等溫吸附測試， 以此表征各煤層含氣能力大小(圖7)。

圖4 2#、3#煤層瓦斯含量隨埋深關(guān)系圖Figure 4 Relationship between gas content and buried depth of coal Nos.2 and 3

圖5 6#、27#煤層瓦斯含量隨埋深關(guān)系圖Figure 5 Relationship between gas content and buried depth of coal Nos.6 and 27

圖6 32#、33#煤層瓦斯含量隨埋深關(guān)系圖Figure 6 Relationship between gas content and buried depth of coal Nos.32 and 33

基于對研究區(qū)各煤層在Ts=30℃進(jìn)行等溫吸附試驗(yàn)結(jié)果分析，受其孔隙結(jié)構(gòu)的統(tǒng)一性，各煤層蘭氏體積大多穩(wěn)定于30～32m3/t，吸附特征趨于一致。初步分析歸因于各可采煤層變質(zhì)程度相差不大孔隙發(fā)育特征差異性較小，一定程度上也說明煤儲(chǔ)層物性特征并非是導(dǎo)致瓦斯賦存差異性的主要因素。

3.2.2 地質(zhì)構(gòu)造

研究區(qū)位于比德向斜西南翼中段南部，區(qū)域主體構(gòu)造為淺部較陡、深部寬緩的向斜構(gòu)造，大部分?jǐn)鄬蛹拔挥谙绕陂_采地段內(nèi)的斷層已查明；區(qū)內(nèi)構(gòu)造形態(tài)已得到控制。從斷層發(fā)育情況來看，其總體延伸方向以北東向?yàn)橹鳎瑪鄬有再|(zhì)以正斷層為主，多發(fā)育于研究區(qū)SW及NE區(qū)域，由于斷層集中應(yīng)力的影響，距斷層一定距離的煤層的透氣性因受擠壓而降低，出現(xiàn)瓦斯增高區(qū)。但值得提出的是，僅從現(xiàn)有搜集資料上分析，該區(qū)斷層對瓦斯賦存影響相對較小，但瓦斯含量與埋深影響的差異性初步推測與斷層引起的埋深起伏變化有關(guān)。本文主要通過研究埋深與瓦斯含量關(guān)系體現(xiàn)地質(zhì)構(gòu)造的影響作用。

3.2.3 水文地質(zhì)條件

區(qū)域內(nèi)地下水的補(bǔ)給來源以大氣降水為主，地表水補(bǔ)給為輔。在非可溶巖分布本區(qū)域， 大部分降水沿地面的沖溝徑流，小部分降水沿地面的孔隙及裂隙滲入地下，補(bǔ)給地下水。地下水的徑流在可溶巖地層中，以管道流為主，脈狀流為輔；在非可溶巖地層中，以隙流為主。受三岔河與落底河的影響，勘查區(qū)內(nèi)地下水的徑流方向有所不同，主要由W向E方向徑流；亦有SW向NE流或SE向NW流動(dòng)。地下水條件表現(xiàn)出平面差異性明顯，垂向含水條件普遍較差的總體規(guī)律，分析可知深部煤層瓦斯平面賦存規(guī)律受地下水活動(dòng)影響較大，但對于垂向分布規(guī)律控制性較小。

圖7 2#、3#煤層等溫吸附曲線圖Figure 7 Isothermal adsorption curves of coal Nos.2 and 3

圖8 30#、32#煤層等溫吸附曲線圖Figure 8 Isothermal adsorption curves of coal Nos.30 and 32

3.2.4 煤層埋深

煤層埋藏深度作為決定煤層瓦斯含量的重要因素，已經(jīng)被廣大學(xué)者廣泛接受并得到驗(yàn)證。對同一煤田或煤層，在瓦斯風(fēng)化帶以下，煤層瓦斯含量隨著煤層埋藏深度的增加而增大，它反映了煤層瓦斯由深部向地表運(yùn)移的總規(guī)律。全區(qū)各可采煤層瓦斯含量隨煤層埋深表現(xiàn)并不一致，規(guī)律性較差。以500m為界，以淺煤層瓦斯含量與煤層埋深關(guān)系相關(guān)性較差，500～800m隨著煤層埋深瓦斯含量呈現(xiàn)明顯的遞增趨勢，800m以深，瓦斯含量與煤層埋深表現(xiàn)為明顯的遞減趨勢(圖9)。

圖9 瓦斯含量隨各主采煤層埋深趨勢變化Figure 9 Variation trend of gas content along with main mineable coal seam buried depth

詳細(xì)分析研究區(qū)地質(zhì)條件，表明區(qū)域內(nèi)煤層含氣量分布格局與地質(zhì)構(gòu)造，特別是次級褶曲構(gòu)造有關(guān)。具體來說，高含氣量區(qū)段平面分布位置多與次級背斜軸部高度吻合。無獨(dú)有偶，這一區(qū)段正是500～800m的平面分布位置。為此，研究區(qū)內(nèi)煤層氣含氣量與埋深之間的關(guān)系，在一定程度上受到次級褶曲發(fā)育的控制影響作用。然而，次級褶曲的影響通常體現(xiàn)在煤層含氣量的平面分布上，目前并未見造成深部分布異常的報(bào)道。由此來看，除了次級褶曲之外，還存在更為重要的地質(zhì)影響因素。

對研究區(qū)12個(gè)鉆孔進(jìn)行測溫?cái)?shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)(圖10)結(jié)果表明，該區(qū)地溫梯度普遍發(fā)育為1.55℃/100m～3.97℃/100m，礦區(qū)平均地溫梯度為2.16℃/100m，大多數(shù)地段地溫梯度正常，局部地帶有高溫區(qū)存在。500m以淺，地溫梯度普遍較大，一定程度上使煤層受熱溫度對煤吸附能力的影響在一定深度之下超過了煤儲(chǔ)層壓力，導(dǎo)致煤飽和吸附量與埋深之間關(guān)系在一定深度發(fā)生反轉(zhuǎn)，存在一個(gè)“臨界深度”。500m以深，地溫梯度趨于正常，大多維持在2.15℃/100m～3.00℃/100m，煤層含氣量表現(xiàn)為隨埋深逐漸增大的穩(wěn)定趨勢。800m以深，一方面溫度的持續(xù)增加降低了煤層最大吸附量，另一方面隨埋深增大，煤儲(chǔ)層壓力不斷增大促使煤層賦存能力逐漸降低。雙重因素的綜合作用導(dǎo)致煤層含氣量隨埋深呈現(xiàn)逐漸降低的變化趨勢?？傊?，局部地溫異常是造成煤層含氣量在500m/800m埋深段表現(xiàn)差異性的主要原因。

4 結(jié)論

1)在取樣深度內(nèi)，各煤層瓦斯含量隨埋深變化趨勢不同，淺部煤層與煤層埋深呈現(xiàn)遞減趨勢。隨著煤層層位的降低，一定埋深內(nèi)，煤層瓦斯含量與埋深關(guān)系逐漸趨于正相關(guān)。當(dāng)埋深達(dá)到800m臨界深度后瓦斯含量和埋深關(guān)系進(jìn)一步趨于復(fù)雜。處于500～800m普遍存在明顯的“轉(zhuǎn)折點(diǎn)”，推測與構(gòu)造引起的局部地溫異常有關(guān)。

2)基于等溫吸附曲線、煤層瓦斯參數(shù)及地溫測試資料分析表明地質(zhì)構(gòu)造、水文地質(zhì)條件及煤變質(zhì)程度對煤層瓦斯垂向規(guī)律差異性的影響作用有限，地溫局部異常引起垂向?qū)佣蔚販靥荻炔町愋允茄芯繀^(qū)瓦斯含量“臨界深度”的主控因素。

圖10 地溫梯度垂向變化趨勢圖Figure 10 Vertical variation trend of geothermal gradient

3)隨著開采深度的增加和深部地質(zhì)構(gòu)造的復(fù)雜性，埋深對瓦斯賦存的影響作用可能會(huì)發(fā)生變化。在實(shí)際開采工作中，應(yīng)重點(diǎn)注重基礎(chǔ)地質(zhì)資料的獲取工作。本文由于相關(guān)資料的不足難以進(jìn)行深層次的地質(zhì)研究工作，同時(shí)這一方面也必將成為該區(qū)的主要攻關(guān)方向。

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