云驾岭煤矿2号煤层瓦斯赋存主控地质因素分析

张明杰 李 凯 付 帅

(河南理工大学安全科学与工程学院，河南 454003)

云驾岭煤矿2号煤层瓦斯赋存主控地质因素分析

张明杰 李 凯 付 帅

(河南理工大学安全科学与工程学院，河南 454003)

基于云驾岭煤矿瓦斯涌出量异常变化的现象，收集地质勘探和生产期间揭露的地质构造及瓦斯信息，运用瓦斯地质理论和煤层瓦斯赋存与流动理论，从煤层瓦斯生成、运移、储存的角度，研究岩浆岩侵入、煤层埋深和断层等地质因素对2号煤层煤质、生烃能力、煤层渗透性、瓦斯含量等参数以及煤层瓦斯赋存的影响，研究结果表明岩浆岩侵入是煤层瓦斯赋存的主要控制因素，断层和煤层埋深是煤层瓦斯赋存的一般影响因素。

瓦斯涌出量 瓦斯赋存 岩浆岩侵入 煤层渗透性 瓦斯运移

瓦斯生于煤层、存储于煤层及其围岩之中，它的生成条件、保存条件、赋存和分布规律都受极其复杂的地质演化作用控制，因此煤层瓦斯分布是不均衡的，高瓦斯矿井存在低瓦斯区，而低瓦斯矿井同样也存在高瓦斯区。云驾岭煤矿自建井投产以来未发生过瓦斯突出事故，2005年至2010年瓦斯等级鉴定结果均为低瓦斯矿井，但在2号煤层开采时某些工作面瓦斯涌出量较大，上隅角时常出现瓦斯超限，一定程度上影响了矿井安全生产。因此，本文根据瓦斯地质理论，结合矿井地质勘探和生产揭露的地质和瓦斯参数资料，从岩浆岩侵入、煤层埋深和断层对2号煤层瓦斯赋存的影响进行分析，揭示煤层瓦斯赋存的主要控制因素，为矿井安全生产提供理论依据。

1 矿井概况

云驾岭煤矿位于河北省武安市北部，以高村为中心，南距武安市约5km。云驾岭井田含煤地层包括二叠系下统山西组、石炭系上统太原组和中统本溪组，其中山西组和太原组为主要含煤地层。目前矿井主采煤层为位于山西组下部的2号煤层，煤层倾角10°～30°，平均厚度3.54m，含夹矸1-2层，平均夹矸厚0.26m，属较稳定煤层。

云驾岭井田构造大体上为一走向近南北、倾向东的单斜构造，地层倾角多为15°～20°，局部达30°左右。井田内已揭露的大小断层共119条，大中型断层数量不多，中小型断层较为发育，断层走向以北北东向和北东向最为发育，断层倾角多为65°～70°的高角度正断层，将井田切割成若干小型的地垒、地堑和断块。井田内的褶皱构造仅在1、4、10、13线发育，或为宽缓短轴小型褶曲或为褶曲倾伏尖灭，对煤矿影响不大。井田内岩浆岩侵入方向为由东向西，产生于中生代燕山期，产状以岩床为主，个别地方存在岩盖和岩墙。井田总体地质构造复杂程度属中等类型，矿井构造纲要图见图1。

图1 云驾岭矿井构造纲要图

2 煤层瓦斯赋存控制因素分析

2.1 岩浆岩侵入对瓦斯赋存的控制

岩浆活动对瓦斯赋存影响比较复杂。岩浆侵入含煤岩系或煤层，在岩浆热变质和接触变质的影响下，煤的变质程度升高，瓦斯的生成量和吸附能力增大。在缺少隔气盖层或封闭条件不好时，岩浆的高温作用可以强化煤层瓦斯排放，使煤层瓦斯含量减小。岩浆岩体有时会使煤层局部被覆盖或封闭，形成隔气盖层。但在某些情况下，由于岩脉蚀变带裂隙增加，造成风化作用加强，可逐渐形成裂隙通道，有利于瓦斯的排放。由此可见，岩浆活动对瓦斯赋存既有生成和保存作用，在某些条件下又会增加瓦斯逸散的可能性。因此，在研究岩浆活动对煤层瓦斯的影响时，要结合地质背景作具体分析。

2.1.1 岩浆侵入体的分布及侵入层位

云驾岭井田区域内上至石千峰组，下到煤系基底奥陶纪灰岩，各时代地层均有岩浆岩侵入，对煤系地层、煤层都造成有一定破坏。区内穿过2号煤层层位钻孔共61个，勘探到岩浆岩侵入煤层顶底板的钻孔各有1个，岩浆岩在2号煤层的侵入面积很小且并未吞蚀煤层。岩浆岩对上部1号煤层的侵入分布于第11～12地质剖面线以南地段，在井田范围内所占面积较小，1号煤层位仅6606和6505两孔见岩浆岩，呈零星小孤岛状分布。侵入上覆岩层上、下石盒子组的岩浆岩也仅限于矿井南部和东部边缘地带。岩浆岩对太原组底部8、9号煤层的影响和破坏极为严重，煤层常被吞蚀形成无煤带，或部分挤压吞蚀，或使煤层呈捕掳体形成不可采地带，且面积较大基本覆盖全区。侵入井田煤系地层岩浆岩的分布特征为:横向上由上到下逐渐北移，面积也相应加大;纵向上由上到下，岩浆活动逐渐加强。由此可知，2号煤层主要受侵入下部煤层的岩浆岩对它产生的区域热变质作用影响。

2.1.2 岩浆岩侵入对煤质的影响

我国很大一部分煤层是因中、新生代岩浆活动，在深成变质作用的基础上叠加了区域岩浆热变质作用。根据邯郸矿区2号煤层的沉积埋藏史和受热演化史 (图2、图3所示)，可以分析出2号煤层煤化作用主要经历了深成变质和岩浆热变质两个阶段。

图2 邯郸矿区2号煤层沉积埋藏史

图3 邯郸矿区2号煤层热演化史

由沉积埋藏史可以看出，从2号煤层形成到晚三叠世末，煤层处于沉降埋藏阶段，由热演化史所示，在这一阶段由于地层连续沉积埋深逐步增加，煤层所受的压力和温度逐渐增高，煤的变质程度也同步缓慢增高，这一时期的煤化作用主要受深成变质影响，煤的镜质组反射率多在0.82%左右，属于低煤阶烟煤。晚三叠世末至第四纪本区地层整体抬升，深成变质作用减弱乃至终止，期间在侏罗白垩纪发生的燕山期岩浆热事件，使本区岩浆活动十分剧烈，岩浆侵入含煤岩系形成热异常区，使区内的煤层受到高温烘烤，此时煤体温度达到最大。通过叠加区域热变质作用，区内大面积的低变质煤逐渐升高到高变质煤，煤的镜质组反射率最高达到7.71%，煤化作用达到顶峰，形成了高煤阶烟煤、无烟煤以及天然焦。通过对云驾岭矿2号煤层所取的煤样进行实验室测定，煤的挥发分为3.42% ～9.14%，吸附值 a 值范围为 39.474 ～ 44.965m3/t，吸附值b值范围为1.122～1.45MPa-1，按照我国现行的煤炭分类标准结合煤样的化验资料分析确定属于典型无烟煤。

2.1.3 岩浆岩侵入对瓦斯运移和储存的控制

煤变质程度提高的同时必然导致瓦斯生成量加大，根据不同煤阶煤的视煤气发生率 (据李建武等，1998)，无烟煤的吨煤产气量为 306m3～461m3，而目前云驾岭矿实测的最大瓦斯含量仅为6.7m3/t，因此，煤化作用生成的瓦斯大部分得到了释放，而大量瓦斯气体是怎样从煤层运移的，还要进行分析。

瓦斯在煤层中的运移分为两种方式，一种是以扩散的方式为主，在煤基质中运移，基质中包含大量微小孔隙，是气体储存的主要空间;另一种是以渗流的方式为主，在煤的割理裂隙系统中运移，割理是煤中次要裂隙系统，却是煤层中流体渗流的主要通道。煤层孔隙和裂隙的形态、规模、数量及连通性等决定了瓦斯气体的生成、运移和储存。燕山期，云驾岭矿2号煤层在地层整体抬升的背景下受到岩浆热作用，此时煤层承受上覆岩系的静压力减少温度增高，煤的变质程度大幅增加接近高变质煤，经研究认为高温低压岩浆热变质作用形成的中高变质煤中孔隙-裂隙系统最为发育。分析其原因是由于2号煤层在经历深成变质后煤级较低，煤层在快速增温的高温作用下再次产气，“叠加生烃”不仅气量大且成烃速度快，叠加成烃的同时形成大量的“热解气孔”，其孔径远大于深成变质作用下的气孔孔径，使煤层含气量明显增加，并且受岩浆热变质影响煤的吸附性也得到提高，这些因素都增强了煤层对瓦斯的储存能力。但在岩浆热事件过程中，由于煤层受到高温烘烤，瓦斯气体分子动能升高，很容易脱离范德华力的束缚，从煤的微孔隙中解吸出来，使煤层的吸附能力降低，这些解析出的气体加上叠加生烃快速产生的大量气体，使煤层短时间内产生较大的瓦斯压力，对煤层原有的裂隙产生撑开拓宽的作用。并且由于煤层生气量大于吸附能力，煤层基质中产生了从里向外突破的压力，促进了裂隙的形成，使煤基质中孔隙数量和规模增多。此外，岩浆热作用使煤层加热膨胀产生挤压应力，在煤的薄弱处形成裂隙，当煤层冷却时，煤层收缩在局部形成张裂缝，都促进了煤层节理裂隙的发育。因此，岩浆热作用使煤层的孔隙裂隙的数量、规模和连通性大大改善，提高了煤层储存能力和渗透性。

图4 岩浆岩侵入对2号煤层瓦斯赋存影响示意图

据观测，岩浆岩多出现在区域大断裂附近，断层带为其侵入通道，遇到较松软地层或煤层时顺层侵入。因此，岩浆活动是与构造的成生与发展的一定阶段相联系的。就邯郸矿区而言，北北东向断裂带与隐伏基地上存在的近东西向构造复合地区控制了岩浆岩的分布。云驾岭井田内第1和13地质剖面线在F4断层两侧岩浆岩侵入不完全一致，第三、第五岩体靠近F4断层厚度加大，说明该断层为岩浆通道。云驾岭扩大区第三、第四岩体靠近土山断层厚度加大，表明该断层也为岩浆通道并受土山断层的控制。由于岩浆顺断层带而上 (图4)，经过2号煤层时，煤层受岩浆热作用产生大量瓦斯，断层带附近煤层的瓦斯压力急剧增大，在压力梯度作用下瓦斯气体背向断层方向运移。当岩浆冷却后温度、压力降低，在断层带附近形成低压区，造成煤层中的瓦斯大量回流。由于侵入2号煤层下部的岩浆冷却较慢，并且受其影响煤层渗透性和瓦斯压力大幅增加，使离断层距离较远的瓦斯在压力梯度作用下也向低压区附近流动。同时岩浆侵入对断层带附近的岩体易产生挤压作用形成纵向张裂隙，在岩浆冷却凝固过程中，侵入体边部散热较快，岩石脆性较大，体积收缩时也容易产生成岩裂隙，这些裂隙使断层带张性加大，改善了瓦斯运移到地表的通道，最终使2号煤层的瓦斯得到大量释放。煤层瓦斯在大量逸散的同时，由于2号煤层储存瓦斯能力较强，在排放条件不好的区域很容易形成瓦斯富集区，造成采掘时瓦斯涌出量异常。

2.2 煤层埋深对瓦斯赋存的控制

煤层埋深的增加使瓦斯向地表运移的距离增长，有利于封存瓦斯。由于瓦斯风化带内的瓦斯含量分布无规律性，因此根据云驾岭煤矿瓦斯参数资料，选取瓦斯带内 (相对瓦斯涌出量大于2m3/t)的瓦斯含量数据，分别对2号煤层中部二采区和北部四采区的煤层埋深和瓦斯含量进行线性回归，得出煤层埋深和瓦斯含量之间的关系，如图5、图6所示。

图5 2号煤层中部二采区埋深与瓦斯含量关系

图6 2号煤层北部四采区埋深与瓦斯含量关系

由图5和图6可知，二采区和四采区线性相关系数分别为0.85和0.84，说明这两个采区的瓦斯含量与埋深都有较好的线性相关性，瓦斯含量有着随埋深增加而增大的趋势。对比图5、图6可以看出，四采区的埋深与瓦斯含量梯度变化比二采区大，并且在相同埋深情况下，四采区的瓦斯含量是二采区的两倍多。而南部采区大部分处于瓦斯风化带内，实测的瓦斯含量平均只有1.2m3/t。由此可以看出，2号煤层瓦斯赋存具有南部区域小，北部区域大，浅部区域小，深部区域大的特点，煤层埋深的增加对瓦斯具有一定保存作用。

2.3 断层对瓦斯赋存的控制

地质构造中的断层不仅破坏了煤层的连续完整性，而且也使煤层瓦斯排放条件发生了变化。有的断层有利于煤层瓦斯排放，有的断层不利于瓦斯的排放、而成为阻挡瓦斯排放的屏障;前者为开放性断层，后者为封闭性断层。云驾岭矿井内北东和北北东向断层多在燕山运动阶段形成，由于燕山期区内为北西-南东向挤压力作用，形成的多为压性逆断层，而到燕山晚期至喜山期，受北西-南东向拉张作用，北东和北北东向压性逆断层发生构造反转形成张性正断层，新近纪以来，受张应力的进一步作用使北东和北北东向断层活动加强，并且由于部分断层为岩浆侵入通道，受其影响断层带张性加大，加上井田内大中型断层全部为高角度正断层，部分通达上覆基岩不整合面，因此，矿井内走向为北东和北北东向的大中型断层多为开放型断层，对2号煤层瓦斯赋存在一定范围内起控制作用。总观井田内断层的特征及分布，南部和北部差异较大。南部断层落差变化大，中小断层往往密集成带分布，断层走向为北东和北北东向，而北部断层与南部相比，断层数量较少，走向也近南北。井田内主要断层特征及分布情况见图1所示。

由上节煤层埋深与瓦斯含量的关系表明，矿井内瓦斯含量分布具有南部区域小北部区域大的特点，造成这种瓦斯赋存南小北大的原因，经分析有两个方面:一是由于井田内北东和北北东向开放型断层多分布在南部采区，这些开放型断层结合煤层较好的渗透性，非常有利于瓦斯逸散。此外，南部采区的大中型断层旁侧和尖灭尾端常形成大量与其同性质、同倾向的密集小型断层，大中型断层所形成的局部派生应力场与斜交小断层的复合，构成较为连续的断层破碎带，使煤岩层破碎现象十分明显，更加有利于瓦斯的释放;二是北部采区的F44、F12、F13、F16等断层走向近南北与煤层走向基本平行，这些断层阻隔了瓦斯沿煤层倾斜方向的排放，使瓦斯有利于保存，而南部采区被F33、F49、F48、F47、F42、F31等断层环形包围，断层走向与煤层走向斜交，把煤层切割成互不联系的块体，使瓦斯有利于释放。因此，矿井内断层的分布对煤层瓦斯的运移和储存具有一定影响。

3 结论

(1)云驾岭矿2号煤层瓦斯赋存受岩浆岩侵入、煤层埋深和断层等多因素叠加作用。岩浆岩侵入使2号煤层煤的变质程度提高并生成大量瓦斯，煤层的宏观和微观孔隙裂隙系统发育，瓦斯储集能力和渗透性相应提高，岩浆的高温高压作用迫使煤层瓦斯大量逸散，但在排放条件差的区域易形成瓦斯富集，因此岩浆岩的侵入对瓦斯的生成、运移和储存均产生了影响，是煤层瓦斯赋存的主要控制因素。断层的分布影响了瓦斯的储存和运移，煤层埋深的增大仅有利于瓦斯的保存，所以这两个因素是煤层瓦斯赋存的一般影响因素。

(2)在以后的勘探过程中，应加强对井田内岩浆岩侵入体和断层资料的收集，并且随着开采深度的增加，瓦斯含量会相应增大，在井田深部生产过程中应加强瓦斯管理，以防瓦斯聚集发生瓦斯爆炸事故。

［1］张子敏.瓦斯地质学 ［M］.徐州:中国矿业大学出版社，2009.

［2］杨起.中国煤的叠加变质作用 ［J］.地学前缘，1999，6(B05):1-8.

［3］王生维，陈钟惠.煤储层孔隙、裂隙系统研究进展［J］.地质科技情报，1995，14(1):53-59.

［4］杨起，汤达祯.华北煤变质作用对煤含气量和渗透率的影响 ［J］.地球科学——中国地质大学学报，2000，25(3):273-278.

［5］王红岩，万天丰，李景明等.区域构造热事件对高煤阶煤层气富集的控制 ［J］.地学前缘，2008，15(5):364-369.

［6］刘福胜，徐培武，郑荣华等.邯邢煤田岩浆侵入及对煤层煤质的影响 ［J］.中国煤田地质，2007，19(5):22-24.

［7］谭效林，王兵.云驾岭矿扩大区岩浆岩侵入特征及对煤层煤质的影响 ［J］.山东煤炭科技，2008(6):136-137.

［8］边凯，许进鹏，桂辉.埠村煤矿岩浆岩侵入断层导水性研究［J］.矿业安全与环保，2010，37(6):44-50.

［9］俞启香.矿井瓦斯防治 ［M］.徐州:中国矿业大学出版社，1992.

［10］周世宁，林柏泉.煤层瓦斯赋存与流动理论［M］.北京:煤炭工业出版社，1999:17-24.

［11］曹代勇，占文峰，张军等.邯峰矿区古构造应力场与构造演化［J］.中国煤田地质，2005，17(5):1-3.

Analysis on Main Controlling Geological Factors to Gas Occurrence of No.2 Coal seam in Yunjialing Coal Mine

ZHANG Mingjie，LI Kai，FU Shuai
(School of Safety Science and Engineering，Henan Polytechnic University，Henan 454003)

Based on the phenomenon of gas emission abnormal change in Yunjialing coal mine，information of geological structure and gas during the geological exploration and production is collected.By applying gas geology theory and theory of gas occurrence and flow in the coal seams，the paper studies the influence of geological factors of magmatic rock intrusion，burial depth of coal seam and geologic fault on parameters of coal quality，hydrocarbon generation capacity，permeability，gas content and coal seam gas occurrence in No.2 coal seam from the aspects of coalbed methane generation，migration and accumulation.Research results show that magmatic rock intrusion is main controlling factor for gas occurrence，while geologic fault and burial depth of coal seam are general effecting factors for gas occurrence.

Gas emission;gas occurrence;magmatic rock intrusion;coal seam permeability;gas migration

张明杰，男，教授级高级工程师，现在河南理工大学安全科学与工程学院从事瓦斯地质与瓦斯治理科研与教学工作，获国家级、省部级科技奖8项。

(责任编辑 刘 馨)