唐山矿瓦斯赋存的地质控制因素研究＊

王 猛 朱炎铭 王怀勐 李 伍

（1.中国矿业大学资源与地球科学学院，江苏省徐州市，221116；2.煤层气资源与成藏过程教育部重点实验室，江苏省徐州市，221008）

唐山矿瓦斯赋存的地质控制因素研究＊

王 猛1，2朱炎铭1，2王怀勐1李 伍1

（1.中国矿业大学资源与地球科学学院，江苏省徐州市，221116；2.煤层气资源与成藏过程教育部重点实验室，江苏省徐州市，221008）

结合唐山矿的地质特征及瓦斯资料，研究了控制瓦斯赋存的主要地质因素，包括地质构造、煤层埋深、地下水活动及煤层顶板岩性等。结果表明：正断层有利于瓦斯逸散，逆断层有利于瓦斯的保存，尤其是推覆构造对瓦斯的赋存有重要的影响；随埋深增大，煤层瓦斯压力增大，煤可吸附更多瓦斯；煤层瓦斯含量与顶板砂泥岩比呈反比；地下水的封堵作用利于瓦斯的保存，使得开平向斜北西翼的唐山矿瓦斯含量较同深度的南东翼瓦斯含量高。

唐山矿 瓦斯赋存 构造 埋深 地下水 顶板岩性

开滦矿区唐山矿历年均被鉴定为高瓦斯矿井，瓦斯突出危险性较高。研究煤矿的瓦斯地质特征，认识瓦斯赋存的地质控制因素，对于预防或避免瓦斯事故有重要的现实意义。本文在对开滦矿区唐山矿的瓦斯地质特征进行总结分析的基础上，研究控制瓦斯赋存的地质因素，探讨不同地质条件下瓦斯赋存的差异性，便于指导煤矿的安全开采。

1 地质概况

唐山矿位于河北省唐山市，开平煤田的西南部，地层走向为北西—南东向，井田内主要构造绝大部分平行于地层走向，构造极为复杂，北部和南部分别被边界断层限定；褶皱构造发育，除东部发育主向、背斜外，向西部还发育有岭子倾伏背斜等一系列褶曲构造，见图1。受构造控制，煤层变形严重，构造煤较发育。

图1 唐山矿构造纲要图

井田隶属于开平煤田，地层属华北型沉积，含煤地层总厚约510m，煤层总厚达25.40m，含煤系数4.98%。主要含煤地层为石炭系赵各庄组（）和二叠系大苗庄组（）。全井田共有8个可采煤层，其中5＃、8＃和9＃煤层全区范围可采，6＃、11＃、、和14＃煤层局部可采。各煤层含硫量、含磷量均较低，煤级属于焦煤～1/3焦煤。

2 瓦斯赋存特征

2.1 煤层的埋藏－生气史

受后期构造活动的影响，泥炭沉积后经历了不同的地质埋藏演化史，与之伴随的是瓦斯的生成、运移和保存。唐山矿煤层到中三叠世末埋深达到最大（约3300m），受热温度达115℃；到该期末煤级达到气煤，并产生大量甲烷（一次生气），其中大部分甲烷逸散到围岩中，部分呈吸附态保存在煤层中；到燕山早－中期，受区域北西—南东向挤压应力作用，唐山矿发育了典型的推覆构造，位于原地系统的含煤岩系被上盘地层覆盖。到该期末，唐山矿煤层埋深约达2400m，此时受区域岩浆活动的影响，煤层受热温度达150℃以上，煤级达到1/3焦煤，并生成大量的甲烷（二次生气）。此后，随着地壳的进一步抬升，瓦斯逐步逸散，但由于推覆构造的封盖作用，瓦斯逸散缓慢，见图2。

图2 唐山矿主煤层的埋藏－生气史

2.2 煤层含气特征

唐山矿浅部煤层风化严重，－400m以上的煤层含气量均较低，随着煤层埋深的增加，瓦斯含量及瓦斯压力均具增高的趋势。各煤层瓦斯含量均在5.2m3/t以下；5＃、12＃煤层到井田深部－1000m处瓦斯含量增大到6m3/t，8＃、9＃煤层瓦斯含量达到8m3/t。

根据对主采煤层的等温吸附特征研究表明，主采煤层兰氏体积介于15～18cm3/g之间，含气饱和度在40%～80%之间，煤层含气处于不饱和状态，8＃、9＃煤层吸附能力最好，5＃煤层次之，煤层最差。

3 瓦斯赋存的地质因素

前人研究表明，控制瓦斯赋存的地质因素有构造特征、岩浆活动、水文地质特征、含气量、煤层埋深及厚度等。对唐山矿瓦斯地质特征的研究表明，瓦斯赋存主要受构造、水文地质特征、煤层埋深和顶板岩性等因素的综合控制。

3.1 地质构造

3.1.1 褶皱

褶皱的类型与复杂程度对瓦斯的赋存具有重要的影响，在煤层气的勘探中有重要的构造意义。闭合（半闭合）的背斜核部由于挤压应力场的存在，瓦斯运移阻力大，导致瓦斯含量较两翼大；向斜核部则相反，供应瓦斯区域相对减小，且瓦斯的运移通道相对较大，导致瓦斯含量小；反之，开放性背斜的核部瓦斯较易逸散，瓦斯含量较两翼小；而向斜核部地应力较大，瓦斯压力大，而两翼瓦斯直接向上逸散，瓦斯含量较核部低。

唐山矿位于开平向斜的北西翼的西南端，而开平向斜为半封闭的不对称向斜，北西翼地层倾角较南东翼大，且多发育压扭性逆断层；与此同时，南东翼多发育正断层。对比可知，北西翼瓦斯封盖条件较好，瓦斯含量较南东翼大。同时受该不对称向斜的影响，两翼的水力条件也存在较大差异，这将进一步影响瓦斯的赋存，具体将在下文中叙述。

在井田内部，背斜、向斜均有发育，使得瓦斯赋存存在差异性。岳22钻孔处发育有一背斜构造，瓦斯容易逸散，含量基本在3m3/t以下；而在山003钻孔处发育有一向斜构造，瓦斯含量最大可达8.0m3/t，见图3。

3.1.2 断层

在瓦斯地质研究中，断层一直是研究的重点内容，其对瓦斯的赋存有重要影响。一般压性断层有利于瓦斯的保存，而张性断层有利于瓦斯的散失。同时，断层发育越密集，煤裂隙越发育，促进瓦斯由吸附态向游离态转化，瓦斯含量降低，但瓦斯涌出量增大。

井田内呈NE向平行排列的5条主要断层均为压性断层，瓦斯保存条件较好。且唐山矿发育逆冲推覆构造，使煤中瓦斯受到上盘地层的封堵，逸散缓慢，是造成矿井瓦斯含量较高的重要原因。同时，断层的发育使煤层变形成为构造煤，孔隙增加，瓦斯吸附能力增强。

3.2 煤层埋深

研究表明，煤层埋深与瓦斯涌出量、含量和压力有明显的正相关关系，传统的预测矿井瓦斯涌出量的梯度预测法就是根据这一规律提出的。随埋深增加，变质程度增强，单位质量的煤瓦斯生成量增大；另一方面，瓦斯压力随之增加，促使瓦斯由游离态向吸附态转化。

唐山矿5＃煤层底板标高与相对瓦斯涌出量等值线图见图4，可以看出，随着煤层底板等高线从－500m降至－800m时，北翼区相对瓦斯涌出量从5m3/t增大到9m3/t；在铁Ⅱ区内，当底板等高线从－500m下降到－600m时，相对瓦斯涌出量的值从1m3/t增大到3m3/t。

3.3 地下水动力特征

地下水活动对瓦斯的影响是多方面的，既能促进瓦斯的逸散，又能对瓦斯起封存作用。开平向斜地下水从北西翼露头接受补给，从较低的南东翼流出，瓦斯的运移方向则是沿两翼向上。地下水流动方向与北西翼瓦斯运移方向相反，阻碍了煤中瓦斯静压力作用下的顺层运移，使得唐山矿所在的向斜北西翼瓦斯较南东翼富集，见图5。事实亦证明如此，唐山矿为高瓦斯矿井，而南东翼的钱家营矿历年均被鉴定为低瓦斯矿井。

图5 开平向斜地下水活动示意图

3.4 煤层顶板岩性特征

煤层顶板岩层的透气性直接影响瓦斯的保存条件，在透气性差的区域，瓦斯能够被很好地保存，并导致局部瓦斯分布出现异常。唐山矿9＃煤层顶板岩性与瓦斯涌出量见表1。

对表1中的数据分析可知，9＃煤层顶板为砂岩的区域，逸散作用较强，相对瓦斯涌出量明显降低，而在顶板泥岩区，封堵作用较强，相对瓦斯涌出量较大。

表1 唐山矿9＃煤层顶板岩性与瓦斯涌出量

顶板砂岩比是指顶板一定厚度内砂岩总厚度与统计总厚度的比，它直接反映了煤层围岩的透气性。其值介于0～1之间，其值越大，表明顶板越有利于煤层瓦斯的逸散。9＃煤层相对瓦斯涌出量与顶板40m砂岩比等值线图见图6。

如图6所示，9＃煤层在北翼区和铁Ⅱ区顶板砂岩比等值线从0.2向外增大到0.6，相对瓦斯涌出量从8m3/t降为4m3/t。反映了顶板岩性透气好的区域瓦斯容易逸散，而透气性差的区域瓦斯具有较好的保存条件。

图6 9＃煤层相对瓦斯涌出量与顶板40m砂岩比等值线图

4 结论

通过对唐山矿瓦斯地质特征的研究可知，矿井瓦斯赋存特征主要受构造、煤层埋深、地下水动力特征和煤层顶板岩性等因素的控制，具体表现在：

（1）矿井瓦斯分布受构造影响明显。矿井逆断层较发育，尤其是逆冲推覆构造对瓦斯的封堵性较强，是造成矿井瓦斯含量较高的重要原因。同时，断层导致构造煤的发育，增大了煤层吸附瓦斯能力。

（2）在向斜的核部瓦斯压力较大，瓦斯含量较高；背斜核部裂隙发育，瓦斯逸散较大；随着煤层埋深的增加，瓦斯涌出量、含量及压力亦随之增大。

（3）唐山矿位于开平向斜的北西翼，地下水运移方向与瓦斯运移方向相反，瓦斯受地下水封堵，保存条件较好，造成矿井瓦斯含量普遍较高。

（4）煤层顶板岩性特征对瓦斯的赋存有重要影响，顶板砂泥岩比越大，瓦斯越容易逸散；反之，顶板砂泥岩比越小，瓦斯封存条件越好。

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Study on geological controlling factors of gas occurrence in Tangshan Coal Mine

Wang Meng1，2，Zhu Yanming1，2，Wang Huaimeng1，Li Wu1
（1.School of Resources and Earth Science，China University of Mining and Technology，
Xuzhou，Jiangsu 221116，China；2.Key Laboratory of Coalbed Methane Resources and Reservoir Formation Process of the Ministry of Education，Xuzhou，Jiangsu 221008，China）

With the geological features and gas data，the paper has studied the major geological factors affecting gas occurrence which mainly include geological structure，buried depth of coal seam，groundwater activity，roof lithology of coal seam.The results show that normal fault is good to gas dissipation while reverse fault makes for gas preservation，and the nappe structure has great influence on gas occurrence；with the buried depth increasing，gas pressure in coal seam rises and coal will adsorb more gas；the gas content in coal seam is in inverse proportion to the sand－to－mud ratio in roof rock；groundwater plugging makes for gas preservation，as makes gas content in Tangshan mine in the north－west wing of Kaiping syncline is higher than south－east wing though they are in the same depth.

Tangshan mine，gas occurrence，structure，buried depth，groundwater，roof lithology

TD712

A

国家基础研究发展计划（973）项目（2009CB219605）；江苏高校优势学科建设工程资助项目

王猛（1982－），男，山东省邹城市人，讲师，博士研究生，从事煤与油气地质方面的研究。

（责任编辑 张毅玲）