安鹤煤田伦掌井田二1煤层瓦斯赋存特征研究

马黎明，张小连，熊亮

（1.河南省煤田地质局三队，郑州450052；2.河南省煤田地质局，郑州450052）

安鹤煤田伦掌井田二1煤层瓦斯赋存特征研究

马黎明1，张小连1，熊亮2

（1.河南省煤田地质局三队，郑州450052；2.河南省煤田地质局，郑州450052）

河南省安鹤煤田伦掌井田二1煤层瓦斯含量高，对其进行研究对下一步煤层气的开发和矿井生产具有重要意义。根据勘探阶段资料，对二1煤层瓦斯成分及含量的控制因素和变化规律进行了系统研究，结果表明，二1煤埋藏深，煤层厚，瓦斯含量高，为22 m3/t左右，瓦斯成分甲烷（CH4）在95%以上，具有较强的甲烷吸附和储集能力，压力在0.98～2.16 MPa。二1煤层瓦斯赋存特征主要受煤层埋深、煤厚、地质构造、围岩、顶板岩性以及排放条件等因素的控制。结合邻近生产矿井二1煤层瓦斯的资料，预测出本区二1煤层瓦斯突出危险性。通过对二1煤层瓦斯赋存特征的研究，为瓦斯地质灾害的防范治理、煤层气的有效利用提供依据，降低煤矿瓦斯事故的发生，做到安全文明生产。

二1煤层瓦斯；赋存特征；地质构造；煤层埋深；伦掌井田

0前言

瓦斯是煤在地质历史演化过程中形成的气体地质体［1］。瓦斯赋存规律受多种因素影响，煤层瓦斯的生成量主要与煤的变质程度有关，经历极其复杂的构造运动演化而形成的地质条件则对瓦斯的赋存和运移起主要控制作用［2］。煤与瓦斯突出常发生在地质构造破坏地带，煤与瓦斯突出的危险性与地质构造复杂程度有密切关系，这一结论已为大量实践所证实［3］。国内外研究表明，煤与瓦斯突出几乎总是发生在沿着平移断层、逆断层或正断层强烈变形的区域，这些区域的煤层已经被破坏成了破裂煤、碎粒煤或糜棱煤。而有些突出则与顺层断层或褶曲有关，这些构造在较大范围内存在构造煤的发育［4-8］。因此，研究瓦斯赋存规律有助于煤矿企业针对瓦斯灾害问题采取有效的防范和治理措施，从而降低煤矿事故的发生，做到安全高效生产。而煤矿瓦斯灾害频发的根本原因是不能完全掌握矿井瓦斯赋存和分布规律［9］。

河南安阳—鹤壁（安鹤）煤田是我国著名的煤产地，位于华北地层区的太行山小区东部，属于太行构造亚区之太行断隆。区域地层走向近南北，倾向北东，倾角8°～35°，总体为具有一定起伏的单斜构造。北部岩浆岩较多，均为燕山晚期的深成侵入岩。伦掌井田位于安鹤煤田北段深部，为山区向平原过渡的丘陵地带。其南北长8.16 km，东西宽6.85 km，面积34.78 km2。

从安鹤煤田伦掌井田二1煤层瓦斯成分及含量、瓦斯含量的变化规律、瓦斯赋存压力及其变化规律等方面入手，研究二1煤层瓦斯赋存特征，并结合浅部邻近生产矿井二1煤层瓦斯资料，预测出本区二1煤层瓦斯突出危险性，从而为煤矿企业针对瓦斯灾害的防范治理和煤层气利用提供有利的条件，做到安全文明生产。

1二1煤的赋存特征

1.1煤层厚度及变化

二1煤层赋存于山西组下部，位于北岔沟砂岩和大占砂岩之间。赋存标高-460～-1550 m，埋深665～1760 m。井田内49孔穿过层位，其中有2孔断失，47孔见煤，所有见煤点全部可采。煤厚4～7 m，平均煤厚5.75 m，在47个见煤点中，18个孔有夹矸，夹矸1～2层。

1.2微观煤岩特征

二1煤最大反射率（Rmax）为1.47%～1.89%，煤变质程度为高煤级烟煤。二1煤层有机物组分占91%，其中以镜质组为主，占78%，惰质组次之，占12.5%，壳质组少许。无机质矿物占9%，其中主要以粘土矿物为主，占7.8%，方解石次之，黄铁矿少量。

1.3煤层顶板工程地质特征

二1煤直接顶板多为砂质泥岩和泥岩，局部偶见粉砂岩及细中粒砂岩，直接顶厚0.56～9.78 m，平均3.53 m。直接顶之上为浅灰色细、中粒石英砂岩老顶，厚度2.00～17.70 m，平均厚8.75 m。通过对施工钻孔二1煤层顶板以上30 m范围内岩心RQD统计，一般为35%～87%，平均59%，局部裂隙发育。

2二1煤层瓦斯赋存特征

2.1井田煤层瓦斯

伦掌井田主要发育地层：奥陶系中统马家沟组、峰峰组，石炭系：本溪组、太原组；二叠系上、下统：山西组、下石盒子组、上石盒子组、石千峰组，地层平均厚度995.45 m；三叠系下统刘家沟组、和尚沟组，地层平均厚度大于554.60 m；新生界新近系、第四系，地层平均厚度192.08 m。二1煤层平均厚度5.75 m，赋存山西组下部，总体为西部浅东部深。含煤地层总体走向近南北，倾向东，地层倾角6°～17°，一般10°左右。井田构造复杂程度为中等构造［10］。

2.1.1瓦斯成分和含量

二1煤层瓦斯成分由CH4、CO2、N2和微量的重烃组成，甲烷（CH4）成分两极值为89.00%～99.16%，一般为95%，故属沼气带范围；瓦斯含量两极值为7.91～31.91 m3/t，一般为22 m3/t左右，瓦斯含量高。二1煤层钻孔瓦斯煤样测试结果见表1，瓦斯含量变化规律见瓦斯含量等值线图1。

2.1.2煤对瓦斯的吸附能力

3个孔煤样做了煤对瓦斯等温吸附试验，在30℃恒温下，二1煤瓦斯吸附量随试验压力的增大而增大，小于2.0 MPa时，增幅明显，大于2.0 MPa时，增幅较小，大于5.0 MPa时，增幅趋缓，逐渐为零。兰氏体积a值在25.56～35.59 m3/t，兰氏压力b值在0.45～1.35 MPa，二1煤具有较强的煤层甲烷吸附和储集能力。

2.1.3煤层瓦斯压力

在4个钻孔中做了二1煤层瓦斯压力测试，测试方法以钻杆或油管作为流体流动通道，将电子压力计、封隔器、井下测试阀以及配套测试管柱组合系统下至目的层深度，通过测试阀的控制，实现开井或关井激动储层，并由高精度电子压力计录取煤储层随时间变化的压力数据。

瓦斯压力随煤层埋深的增加而增大，二1煤层埋深710 m增加到1 068.85 m，其瓦斯压力从0.98 MPa增大到2.16 MPa。F1断层由以北，二1煤层埋深每增加100 m，瓦斯压力增大0.11 MPa；F1断层由以南，二1煤层埋深每增加100m，瓦斯压力增大0.70 MPa。二1煤层瓦斯压力测试成果见表2。

2.2影响煤层瓦斯赋存的主要地质因素

煤层瓦斯赋存主要受埋藏深度、煤厚、地质构造、围岩以及排放条件等因素控制，含煤地层的岩性组合及其透气性对煤层瓦斯含量有重大影响，煤层围岩隔气和透气性能直接影响到瓦斯的赋存［11］。

（1）煤层埋藏深度：二1煤层瓦斯煤样采样深度783.74～1353.92 m，一般在1100m左右。从图1可以直观看出，井田浅部瓦斯含量等值线以15 m3/t、20 m3/t排列为主，井田中部瓦斯含量等值线以25 m3/t为主，井田深部瓦斯含量等值线以30 m3/t为主，煤层埋藏深瓦斯含量高。煤层埋深增加瓦斯含量进一步增高，埋深1100 m以浅15个见煤点统计，瓦斯含量在7.91～31.91 m3/t，一般为21 m3/t；埋深1100m以深11个见煤点统计，煤层瓦斯含量在11.30～31.82 m3/t，一般值23 m3/t。埋深1100 m以浅，每增加100 m瓦斯含量增加0.41 m3/t，二1煤层埋深与瓦斯含量关系见图2；埋深1100 m以深，煤层瓦斯含量随埋深的增加也增大，但增幅变小，每增加100 m瓦斯含量增加0.24 m3/t，二1煤层埋深与瓦斯含量关系见图3。

（2）煤厚及围岩：煤层埋藏越深，地应力越大，在地应力的作用下，煤层和围岩中的瓦斯逸散通道压缩变形，透气性变差，而且也增大了瓦斯向地表运移的距离，这两者都有利于瓦斯封存［12］。二1煤层厚度平均5.75 m，为厚煤层，为瓦斯生成奠定了丰富的物质基础，排除明显受构造因素影响的见煤点统计，小于5 m的厚煤层，瓦斯含量一般为20 m3/t，5～6 m的厚煤层，瓦斯含量一般为22 m3/t，6～7 m的厚煤层，瓦斯含量一般为25 m3/t，瓦斯含量随煤厚的增加而增大；大于7 m的厚煤层，瓦斯含量一般为21 m3/t，又有下降的趋势，详见图4。

表1　二1煤层瓦斯煤样测试分析结果统计表Table 1 Statistics of coal II1 gas coal sample tested results

二1煤层直接顶板多数为泥岩和砂质泥岩，透气性不好，对煤层中瓦斯起封闭聚集作用，因此该区瓦斯含量普遍高。

（3）地质构造：在背斜轴部凸起部位，煤层孔隙率大、内生裂隙和外生裂隙发育，煤层瓦斯易富集，瓦斯含量高，相反，在向斜轴部凹部位，煤层瓦斯含量相对低，例如，29-1孔和29-2孔为于北孟村背斜轴部，煤层埋深965.43～1 092.34 m，瓦斯含量分别为26.37 m3/t和27.10 m3/t，二1煤层瓦斯含量高，而30-1孔和30-2孔位于北孟村向斜轴部，煤层埋深1050.81～1 159.97 m，瓦斯含量分别为13.30 m3/t和20.09 m3/t，二1煤层瓦斯含量相对低。在断层带附近、小断层发育地段，裂隙发育瓦斯易于富集，瓦斯含量高，例如，39-4孔见煤点位于DF02断层附近，39-1孔位于DF18、DF19、DF20、DF21、DF22小断层密集分布地段，其瓦斯含量分别为31.82 m3/t和31.91 m3/t，瓦斯含量高。

2.3邻近生产矿井瓦斯概况

本井田西邻浅部开采二1煤层的生产矿井从北至南依次有主焦煤矿、红岭煤矿、大众煤矿。主焦煤矿和红岭煤矿为高瓦斯矿井，大众煤矿为煤与瓦斯突出矿井。

2.4煤与瓦斯突出危险性

二1煤以粉状为主，粒状、鳞片状次之，块煤少许，莫氏硬度2～3。粉、粒状煤污手、质软。其视相对密度（ARD）1.40，孔隙率2.8%。二1煤的破坏类型大部分为Ⅲ类，小部分为Ⅳ类，二1煤层埋藏深，煤层厚，瓦斯含量高，根据表2知，二1煤层瓦斯压力在0.98～2.16 MPa，一般在1.41 MPa左右，均达到或者超过0.74 MPa，相邻煤矿有突出矿井，参见《防治煤与瓦斯突出规定》第十一条，本区二1煤层按照突出煤层管理。

图1　二1煤层瓦斯含量等值线图Figure 1 Isogram of coal II1gas content

表2　二1煤层瓦斯压力测试成果统计表Table 2 Statistics of coal II1gas pressure measured results

图2　二1煤埋深1100 m以浅与瓦斯含量关系图Figure 2 Relationship between coal II1buried depth above 1100m and gas content

图3　二1煤埋深1100 m以深与瓦斯含量关系图Figure 3 Relationship between coal II1buried depth under 1100m and gas content

3结论

图4　煤层厚度与瓦斯含量关系图Figure 4 Relationship between coal seam thickness and gas content

二1煤层赋存于山西组下部，埋深665～1760m，煤厚一般4～7 m，平均煤厚5.75 m，为结构简单缓斜厚煤层。瓦斯成分由CH4、CO2、N2和微量的重烃组成，甲烷（CH4）成分两极值为89.00%～99.16%，一般为95%，故属沼气带范围；瓦斯含量两极值为7.91～31.91 m3/t，一般为22 m3/t左右，瓦斯含量高。二1煤具有较强的煤层甲烷吸附和储集能力，瓦斯压力在0.98～2.16 MPa。二1煤层瓦斯赋存特征主要受煤层埋深、煤厚、地质构造、围岩、顶底板岩性以及排放条件等因素的控制。煤层埋藏深，瓦斯含量高，埋深增加瓦斯含量进一步增高，埋深1100 m以浅，瓦斯含量在7.91～31.91 m3/t，一般为21 m3/t，埋深每增加100 m瓦斯含量增加0.41 m3/t。埋深1100 m以深，煤层瓦斯含量在11.30～31.82 m3/t，一般值23 m3/t，埋深每增加100 m瓦斯含量增加0.24 m3/t，增幅变小。煤厚为瓦斯生成奠定了丰富的物质基础，小于7 m的厚煤层，瓦斯含量一般为20～25 m3/t，瓦斯含量随煤厚的增加而增大；大于7 m的厚煤层，瓦斯含量一般为21 m3/t，又有下降的趋势。二1煤层直接顶板多数为泥岩和砂质泥岩，透气性不好，对煤层瓦斯又起封闭的作用。在背斜轴部凸起部位，煤层瓦斯易富集，瓦斯含量高，在向斜轴部凹部位，瓦斯含量相对较低；在断层带附近、小断层发育地段，裂隙发育瓦斯易于富集，瓦斯含量高。西邻浅部开采二1煤层的生产矿井有高瓦斯矿井，又有煤与瓦斯突出矿井，本区二1煤层按照突出煤层管理。

未来生产矿井必须坚持“逢采必抽”的原则，在开采煤层区域，先预抽瓦斯，将瓦斯作为优质能源和化工原料有效利用，变废为宝，变害为利，待开采煤层瓦斯含量和压力减少到安全范围内才能开采。在生产矿井采煤过程中，在背斜轴部瓦斯富集地段、酥软煤地段和小断层附近构造应力集中部位，应进一步加大瓦斯的防范和治理力度，降低煤矿瓦斯事故的发生，做到安全生产，保障国家和职工的生命财产安全。

［1］张子敏.瓦斯地质学［M］.江苏徐州：中国矿业大学出版社，2009：2-3.

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Study on Coal II1 Gas Hosting Characteristics in Lunzhang Minefield

Ma Liming1，Zhang Xiaolian1and Xiong Liang2
（1.The Third Exploration Team，Henan Bureau of Coal Geological Exploration，Zhengzhou，Henan，450052；2.Henan Bureau of Coal Geological Exploration，Zhengzhou，Henan，450052）

Coal II1 gas content is high in the Lunzhang minefield，Anhe coalfield，Henan Province；studies on it have major significance to next CBM exploitation and coalmine production.Based on data from exploration have carried out systematic researches on controlling factors and variation pattern of coal II1 gas composition and content.The result has shown that coal II1is deeply buried and thick. Gas content is high，generally about 22 m3/t，methane（CH4）proportion over 95%；its methane adsorption and accumulation capacities are strong，with pressure 0.98～2.16 MPa.Gas hosting characteristics are mainly controlled by factors including coal buried depth，thickness，geological structure，surrounding rocks，roof lithology and drainage condition.Combined with coal II1gas information from neighboring production coalmines has predicted coal II1 gas burst hazard.The study has provided favorable terms for gas geological hazard prevention and control，CBM economizing，lowering down gas accidents，achieving safe and civilized production.

coal II1 gas；hosting characteristics；geological structure；coal buried depth；Lunzhang minefield

TD712.2

A

10.3969/j.issn.1674-1803.2016.09.09

1674-1803（2016）09-0043-05

马黎明（1963—），男，河南焦作人，高级工程师，主要从事煤田地质勘查工作。

2016-02-20

责任编辑：宋博辇