新疆某矿区瓦斯和煤自燃特征及其控制条件

王怀勐

（山东省煤田地质局第三勘探队，山东 泰安271000）

新疆某矿区瓦斯和煤自燃特征及其控制条件

王怀勐

（山东省煤田地质局第三勘探队，山东 泰安271000）

为认识新疆某煤矿两大环境地质特征，根据该矿地质概况，分析瓦斯和煤自燃特征，并探讨控制这两大环境地质因素的地质条件。结果表明，研究区煤层厚度大，层数多，瓦斯含量高；构造运动使煤层发生两次生气过程，产生大量瓦斯，伴生的逆断层阻隔了瓦斯的逸散，使得瓦斯含量较高；地层倾角大，出露好，裂隙系统提供了氧气通道，促进了煤的自燃；煤中顺层向下流动的水阻隔了瓦斯的顺层向上运移，有效封存瓦斯；水在煤自燃的初始阶段起到促进作用，同时煤层出露较好，煤体热量易聚集，加之氧气供给相对丰富，自燃较易发生。

煤层自燃；瓦斯；新疆煤矿；煤层发育；构造运动；水文地质条件

进入21世纪，环境问题已成为全人类亟需面对和解决的问题。随着化石能源的不断开采利用，与之伴随的环境问题也日益突出。新疆地区煤炭资源较为丰富，预测储量2.2万亿t，占全国煤炭预测储量的40%以上。煤炭的开发及利用对新疆自治区的经济发展和建设起着重要的作用，但煤炭开采带来的环境地质问题却也日益严重。瓦斯和煤层自燃形成的火烧区是其中重要的两大环境地质因素［1］。新疆地区以侏罗纪煤层为主，煤层层数相对较多，厚度一般较大。在一些构造复杂地区，煤中瓦斯质量体积也较大，最大值超过20 m3/t。无论煤矿是井下开采还是露天开采，发生瓦斯涌出等事故可能性均较大。处于地表的煤层露头较易发生氧化作用，进而产生煤层自燃。这两大地质因素一方面严重影响着煤矿的正常开采，另一方面对煤炭资源造成了较大的浪费。因此，深入研究煤矿的环境地质因素及其控制特征具有重要的现实意义。

新疆某矿区煤层层数较多，厚度较大，同时煤中瓦斯含量高；受地表煤层的自燃影响，火烧区面积较大。笔者深入研究该矿区瓦斯和煤自燃的发育特征及其控制条件，为煤矿的灭火工作及安全生产提供了指导。

1　地质概况

该井田位于新疆自治区昌吉州，区域构造上位于博格达复背斜弧形推覆体北侧。井田构造以东西向线性构造为主，主要由逆断层和单斜构造组成。井田被高角度的逆断层切割成多个小的构造单元，局部伴生发育较多的小型褶皱构造（图1）。

图1　研究区构造纲要Fig.1 Tectonic outline map of study area

研究区地层属北天山地层分区吉木萨尔地层小区，地层倾角较大，一般大于45°，地层出露较好。含煤地层主要为侏罗系下统八道湾组，厚674.8～1 001.6 m，平均厚819.08 m，共含煤46层（组），含煤系数19.87%。可采煤层共23层（组），煤级以气煤、肥煤为主，局部为焦煤。

2　环境地质因素

2.1瓦斯

目前，研究区开采水平位于煤层瓦斯风氧化带以下，历年瓦斯等级鉴定均为高瓦斯矿井。根据以往测得的瓦斯含量数据，各煤层瓦斯含量一般均较大，23层（组）煤中有20层（组）瓦斯质量体积＞10 m3/t，一般介于5.50～19.60 m3/t，最大值可达22.00 m3/t。瓦斯压力介于0.75～1.30 MPa。工作面的绝对瓦斯涌出量一般大于12.00 m3/min，八道湾组二段煤层最大值可达41.00 m3/min。该井田有21层（组）煤达到了煤层气估算指标，推断的总资源量为32.90×108m3，资源储量和经济利用价值较大。目前，煤矿井下抽放的瓦斯全部被排入大气，未得到有效利用，是井田最大的环境地质因素。

2.2煤层自燃

受构造运动的影响，井田地层倾角较大，局部构造部位近于直立。研究区仅北部有第四系覆盖，煤层出露较好，煤自燃现象普遍存在。自燃后形成九个火烧区，主要分布在井田中部，面积约2.40 km2，占井田面积的27.75%，目前，仍有三个活火烧区在燃烧。根据钻孔揭露及电磁法解译成果，自燃深度平均在92.13 m，最深达230.00 m。

一方面，自燃造成了煤炭资源的极大浪费，同时煤中硫分燃烧后转化为有害气体二氧化硫直接排入大气；另一方面，自燃使得地下形成较大空洞，同时上覆岩石受热烘烤，造成其力学性质下降，对矿井的安全生产造成极大危害。

3　瓦斯和煤自燃的控制条件

综合研究认为，影响井田瓦斯和煤自燃的因素主要为煤层特征、地质构造、水文地质特征及地形地貌条件。

3.1煤层发育特征

地质历史时期煤层受热演化作用生成瓦斯，这是井田瓦斯地质问题的根源。煤的物理化学性质直接影响自燃的发生［2］。研究表明，瓦斯含量和压力与煤层厚度呈很好的正相关关系；而煤的挥发分和含硫量越多，则煤越容易发生自燃，硫分一般是自燃的强烈催化剂［3］。

井田煤层厚度与瓦斯含量关系如表1所示。由表1可见，井田侏罗系八道湾组二段和三段的煤层（组）数最多，单层厚度也最大，一般介于1.63～13.21 m，其瓦斯质量体积v介于5.41～19.58 m3/t，最大值可达23.36 m3/t。煤层厚度相对较薄的八道湾组一段和四段煤层的瓦斯含量普遍在10 m3/t以下。

表1　井田煤层厚度与瓦斯含量关系Table 1　Coal thickness and gas content of study area

井田发生自燃的煤层属特低硫～中硫煤，其硫分含量介于0.28%～1.75%，挥发分均大于30.43%，属中高～特高等级。自燃发火煤层和容易自燃发火煤层占85%以上。

3.2地质构造

地质构造对煤层瓦斯和自燃的控制主要表现在两个方面：一方面，地质构造控制了有机质的沉积环境和类型。受构造运动的控制，地层中有机质发生变质作用，形成煤级不同的煤层，同时生成大量的甲烷。煤中甲烷大部分后期逸散，部分储存在煤层及其围岩的孔裂隙中［4］。另一方面，构造运动形成的褶皱、断层等控制了煤及瓦斯的现今赋存状态。构造抬升造成煤层出露地表，进而发生氧化和剥蚀，并逐渐导致煤层自燃。一般来说，在褶皱的核部裂隙发育，瓦斯易逸散，含量一般小于两翼。逆断层发育区，煤中瓦斯被封堵，不易发生运移，使得煤中保存较多瓦斯；而正断层与之相反，张性裂隙发育，连通性较好，瓦斯较易逸散［5］。

井田八道湾组沉积环境为河流-湖泊相沉积，具有较好的聚煤环境。地层沉积较稳定，煤层的总厚度相对较大，进而导致更多的瓦斯生成。井田地层中有机质沉积后，受后期的燕山期和喜马拉雅期构造演化作用，煤层经历了沉降—抬升—再沉降—再抬升的运动演化过程，煤中有机质发生两次生气作用（图2），镜质组反射率Ro达1.08%。在构造运动中伴生的大量逆断层阻隔了瓦斯的逸散，导致煤层瓦斯含量较高。

图2　井田主煤层埋藏-生气史Fig.2 Main coal seams burial-generation history

在喜山期，构造挤压使得井田内发育形成大量紧闭褶皱和高角度逆断层。煤层产状较大，一般大于45°，在井田的中部及南部，地层近于直立，为煤层发生氧化作用提供了有利条件，进而发生煤层自燃。同时，含煤地层发育大量的孔裂隙，沟通了煤层与氧气，促进了自燃的发生。如图3所示，在向斜的核部自燃最严重，火烧深度也最大。这些位置煤层厚度大，自燃区的下部煤层厚度均在5.0 m以上，而两翼煤层厚度一般在1.0 m以下；同时，核部张性裂隙发育，煤中氧气供应较为充足，这些均为自燃提供了有利的地质条件。

图3　研究区背斜构造区煤层自燃特征Fig.3 Characteristics map of spontaneous combustion in anticline structure

3.3水文地质条件

瓦斯大部分以吸附态赋存在煤孔隙中，少数游离于煤及围岩裂隙中。地下水作用既可以封存瓦斯，促进瓦斯的富集，又可溶解部分瓦斯，造成瓦斯的逸散。研究表明，地下水动力条件对瓦斯赋存的控制作用可概括水力封堵、水力封闭、水力运移逸散三个方面。其中，前两者有利于瓦斯的富集，第三种作用促进瓦斯的散失［6］。

大量研究表明，煤的自燃与水有重要的关联，水既可以促进又可抑制煤的自燃［7］。促进作用表现在：煤自燃的初期，水可以促进煤的氧化。同时，水分子与煤的内表面相互作用可释放润湿热，进而增加煤的温度，促进煤氧化。抑制作用表现在：足够高的水分含量条件下，煤中的孔裂隙水蒸汽压力可阻止氧分子与煤体接触，进而抑制煤的氧化［8］。

该井田地下水主要受降水和融雪补给，水沿地表露头向地下运移，而瓦斯顺层向上运移，二者方向相反，地下水可有效封堵瓦斯。同时，不导水的逆断层发育使得瓦斯无法随水的运移而逸散。

3.4井田地形地貌

地形地貌是影响煤发生自燃的重要因素［9］。一方面，在山间的低洼地带，降水和地表水系较容易发生聚集，可有效降低煤体发生自燃的温度，并隔绝空气，对自燃起到抑制作用。另一方面，如果煤露头处在有较高的山丘或陡崖的遮挡环境下，光照作用对煤的影响相对要弱。相反，在山顶或山腰处的煤层，水分缺乏，又没有大的高山或陡壁遮挡的条件下，阳光直接照在露头上，使得煤体温度升高，加速了煤的自燃。

井田内海拔最高+1 255 m，最低+817 m，山体较陡峭，地表水不发达，煤层出露较好。夏季炎热，光照充足的条件下，热量容易聚集，加之充足的氧气供给，煤体较易发生自燃。

4　结　论

（1）新疆某井田瓦斯和煤自燃两大环境因素的主控地质条件包括煤层特征、构造特征、水文地质条件及地形地貌特征。

（2）井田煤层厚度较大，层数较多，含煤层最厚的八道湾组二段和三段的煤层瓦斯含量最高。发生自燃的煤层含硫为特低硫～中硫，挥发分为中高～特高，自燃发火煤层和容易自燃发火煤层占85%以上。

（3）构造运动使得煤层有机质发生两次生气过程，逆断层封堵了煤中瓦斯的逸散，煤层瓦斯含量较高。受后期构造运动的控制，地层中发育大量裂隙，且煤层出露较好，这些均促进了煤体发生自燃。

（4）煤中向下流动的水封堵了瓦斯的顺层向上运移，使得煤中瓦斯得到保存。自燃初期，水具有促进作用。随着煤中水的蒸发减少，煤低温氧化产生的热量无法逸散而聚集，同时裂隙带来的更多氧气为自燃提供了有利的地质条件。

（5）井田山体陡峭，煤层出露较好，夏季较为炎热，光照充足，加之煤中氧气供给丰富，自燃较易发生。

［1］张秀山.新疆煤田火烧区特征及其勘探灭火问题探讨［J］.西北地质，2001，34（1）：18-26.

［2］郝传波，秦怀军，王毓峰.新立煤矿矸石山自燃机理分析与实验［J］.黑龙江科技学院学报，2009，19（3）：177-180.

［3］姬建虎，谢强燕，王长元.煤自燃内在影响因素分析［J］.矿业安全与环保，2008，35（3）：24-26.

［4］高启林，周泽，周晓刚.开滦矿区唐山煤矿瓦斯涌出规律及其预测［J］.黑龙江科技学院学报，2013，23（2）：115-119.

［5］方爱民，侯泉林，琚宜文，等.不同层次构造活动对煤层气成藏的控制作用［J］.中国煤田地质，2005，17（4）：15-20.

［6］王怀勐，朱炎铭，李伍，等.煤层气赋存的两大地质控制因素［J］.煤炭学报，2011，36（7）：1129-1134.

［7］梁晓瑜，王德明.水分对煤炭自燃的影响［J］.辽宁工程技术大学学报，2003，22（4）：472-474.

［8］BANERJEL S C.Spontaneous combustion of coal and mine fires［M］.Rotferdam：A.A.Balkoma，1985.

［9］张秀山.新疆煤田火烧区特征及防治对策［J］.新疆地质，2001，19（2）：150-152.

（编辑荀海鑫）

Features and control conditions of gas and coal spontaneous combustion of one minefield in Xinjiang

WANG Huaimeng
（No.3 Exploration Brigade of Shandong Geological Coal Field Bureau，Taian 271000，China）

This paper is motivated by a need for a deeper understanding of the two main environmental geological characteristics unique to one minefield in Xinjiang Province.The research builds on the geological conditions of this mine，analyzes features of gas and spontaneous combustion of coal seam，and investigates the geological conditions underlying the two environmental geological factors.The results show that coal seams are of higher thickness and more layers and thus a higher gas content；tectonic movement has resulted in the two occurrences of coal generation processes，producing a large amount of gas，which are prevented by associated reverse faults from escaping，contributing to a higher gas content；higher dip angle，better developed outcrops and oxygen channels occurring in fissures are contributors to spontaneous combustion；water running downward through coal seams keeps gas from upward migration，with a consequent effective gas sequestration；and the combined factors，such as water beneficial to the initial stage of coal spontaneous combustion，a better coal exposure，an easier accumulation of coal heat，and a relatively abundant supply of oxygen contribute to leaving coals prone to spontaneous combustion.

coal spontaneous combustion；gas；Xinjiang coal mine；coal seam development；tectonic movement；hydrogeological condition

10.3969/j.issn.2095-7262.2015.06.004

TD163.1

2095-7262（2015）06-0593-04

A

2015－11－04

王怀勐（1986-），男，山东省泰安人，工程师，硕士，研究方向：煤田地质，E-mail：whmcumt@163.com。