煤矿外围（深部）影响煤层瓦斯赋存的地质因素

吴桁

摘 要：煤层瓦斯的运移和赋存在开采过程中占有很重要的地位，其影响因素也是多种多样。为查明影响淮南潘集煤矿外围（深部）瓦斯赋存的地质因素，利用潘集煤矿外围勘查区勘探钻孔及煤样测试资料，结合潘集煤矿采掘实见资料，对影响瓦斯赋存的地质构造、煤层顶底板岩性、煤变质程度、煤层埋深、煤系地层的含水性等地质因素逐一分析，同时根据周边矿井生产实测资料，预测深部瓦斯赋存及分布规律。研究结果表明：地质构造（主要为断层和褶曲）、煤层顶底板、煤层埋深以及煤的变质程度是影响潘集煤矿外围（深部）瓦斯赋存的主要地质因素，且共同决定了本区煤层高瓦斯含量、高瓦斯压力及高地应力的特征。研究成果为进一步的采掘部署和瓦斯防治工作提供理论依据。

关键词：深部；瓦斯赋存；地质因素；分析

中图分类号： TD712 文献标志码：A [WT]文章编号：1672-1098（2017）03-0060-06

Abstract：The migration and occurrence of coal seam gas plays an important role in the process of mining. The influence factors are also varied. In order to identify the geological factors which affect the peripheral （deep） gas occurrence in Panji Coal Mine in Huainan.， in this paper， the geological factors， such as the geological structure， the lithology of the top， bottom of the coal seam， the degree of coal metamorphism， the depth of coal seam and the water content of the coal measures were analyzed one by one by using the Panji Coal Mine exploration area exploration drilling and coal sample test data and Panji Coal Mines mining real information. ； meanwhile， the laws of occurrence and distribution of deep gas were predicted according to the actual production data of surrounding mine. The results show that the geological structure （mainly faults and folds）， the seam roof and floor， the seam depth and the degree of metamorphism of coal are the main geological factors that affect the occurrence of gas in the periphery （deep） of Panji Coal Mine，and also determine the characteristics of high gas content， high gas pressure and high ground stress in the coal seam of this area. The research results provide theoretical basis for further excavation and gas control.

Key words：depth； gas occurrence； geological factors； analysis

1 概況

1.1 地理位置

潘集煤矿外围（深部）主要位于淮南市潘集区和凤台县境内，东北部位于蚌埠市怀远县境内，该区域煤炭资源丰富，是淮南矿区最重要的接替资源，经查明区块内煤炭资源量47.92亿吨，规模达特大型，范围具体为：北部及西部以朱集东、潘二、潘一、潘三、丁集煤矿的深部矿井边界为界，东部及南部以13-1煤层-1 500m水平地面投影线及谢桥向斜轴为界（见图1）。图1 淮南矿区构造纲要图（据安徽省煤田地质局勘查研究院，2016）

1.2 地质概况

潘集煤矿外围（深部）为新生界松散层所覆盖的全隐蔽井田，含煤地层主要为石炭系上统太原组和二叠系山西组与上、下石盒子组。其中石炭系上统太原组含煤极不稳定，无开采价值；二叠系山西组与上、下石盒子组为井田主要含煤地层，厚度880～970m，含可定名煤层达34层。

1） 山西组（P1s）：第一含煤段，地层厚度平均68m，含可采煤层两层，即1、3煤层，平均总厚7.0m，均为较稳定煤层。

2） 下石盒子组（P1xs）：第二含煤段，地层厚度平均132m，含可采煤层8层，即4-1、4-2、 5-1、5-2、6-1、7-1、7-2、8煤层，平均总厚13.1m，均为较稳定煤层。

3） 上石盒子组（P2ss）：第三～七含煤段，地层厚度平均740m，含可采煤层21层，即10～26煤层，平均总厚17.3m。其中主采11-2、13-1煤层，平均总厚7.28m，均为稳定煤层。

1.3 瓦斯分布特征

本区煤系地层均被新近系、第四系覆盖，瓦斯封闭条件较好，逸散较困难，造成了本区域内煤层瓦斯压力大、含量大、突出危险性强。

根据邻近潘一矿、潘三矿矿井各主采煤层采掘情况分析，煤层瓦斯含量分布主要受煤层埋藏深度（即距基岩面深度）、地质构造以及煤层顶板盖层所控制。总的来讲，埋深浅、构造复杂、裂隙发育及煤层顶板致密区域的煤层瓦斯含量较小，反之，较大。

2 影响瓦斯赋存的地质因素

2.1 地质构造

1）断层。本区位于淮南煤田复向斜的东段，陈桥～潘集背斜转折端的深部，北起明龙山断层，南连谢桥～古沟向斜。背斜轴向NWW，两翼地层倾角平缓且变化不大，一般为5°～15°，仅在转折端附近，两翼地层走向有明显变化，南翼地层走向近EW～NWW向，北翼地层受F66断层和明龙山断层影响，走向近SN，如图1～图2所示。图2 潘集煤矿外围（深部）13-1煤层底板等高线图（据安徽省煤田地质局勘查研究院，2016）

区内构造以断裂构造为主，根据二维地震及钻探揭露成果，结合区域构造规律，全区共发育断层29条，正断层24条，逆断层5条。断层走向主要呈NW、EW向，其中明龙山断层、F66断层是影响区内构造划分的大型断裂构造。

F66逆断层下盘煤层产状平坦，且受逆断层封闭遮挡作用，煤层瓦斯逸散困难，利于保存；F66断层上盘位于潘集背斜北翼转折端，煤层倾角17°～24°，瓦斯含量相对于下盘要低。

2）褶曲。封闭的背斜有利于瓦斯的储存，是良好的储气构造或称圈闭构造，如果背斜顶部裂隙较密集发育，成为煤层瓦斯气体逸散运移的通道，常出现背斜轴部的含气性往往较差，而向两翼和倾伏端方向含气性变好，例如潘二矿西四采区上部处于潘集背斜轴部，18428下顺槽底板巷在-560m标高处8煤层瓦斯含量为3.7m3/t，而相邻的潘一矿位于潘集背斜南翼，其11518上风巷高抽巷在-560m标高处8煤层瓦斯含量为5.3m3/t；大型的向斜盆地构造，向斜内地层一般较平缓，其瓦斯排放条件往往是比较困难的，例如潘三矿董岗郢向斜轴部13-1煤层在-715m标高瓦斯含量为9.5～10.5m3/t，而在向斜两翼同标高的13-1煤层瓦斯含量约6m3/t。因此，向斜轴部、背斜鞍部、鼻状构造的倾斜端及“S”型背斜转折端一般为瓦斯富集区。

本区位于陈桥～潘集背斜的转折端与倾伏区（见图2），瓦斯保存条件较好，瓦斯含量较高。

3） 岩浆岩。结合矿区地质背景，岩浆岩发育区断裂构造发育，瓦斯含量一般较小，变化幅度不明显，可能是大部分瓦斯已逸散，例如潘一矿西南及南部3煤层大面积为岩浆岩发育区，发育区内4个煤层测试点标高自-850～-970m， 3煤层瓦斯含量为4.16～5.46m3/t； 发育区外2个煤层测试点标高分别为-551.9m、-788m，3煤层瓦斯含量为7.15、12.9m3/t。

区内有7个钻孔揭露有岩浆岩，侵入层位为1、3煤层，主要分布在陈桥～潘集背斜两翼的西北边缘。故岩浆岩对于本区瓦斯的赋存影響较小。

2.2 煤层顶底板岩性

围岩条件直接影响煤层瓦斯赋存量的大小，决定了煤层顶底板岩性及其透气性的强弱，顶板岩层越疏松、颗粒及孔隙度越大，越利于瓦斯运移逸散，例如潘二矿11123工作面里段煤层顶板为厚层中细砂岩直覆，工作面外段煤层直接顶板为泥岩，在11124底抽巷分别对里段、外段取样测验，在-470m标高，煤层顶板为砂岩的测试点3煤层瓦斯含量为6.1m3/t，顶板为泥岩的测试点3煤层瓦斯含量高达10m3/t。

淮南煤田煤系是海陆交替相含煤系，由浅海相、过渡相和陆相组成，聚煤古地理环境属滨海平原型，岩性和岩相在横向上比较稳定，沉积物粒度通常较细，煤层层位也比较稳定。因此，原始沉积环境决定了其围岩透气性低的特点。通过对本区勘查钻孔揭露的主采煤层顶板50m、底板30m范围岩性的统计（见表1），可以看出本区煤层顶底板以泥岩为主，透气性差，利于瓦斯保存。

2.3 煤的变质程度

煤化作用过程中会不断地产生瓦斯，煤化程度越高，生成的瓦斯量越多。即在其他因素恒定的条件下，煤的变质程度越高，煤层瓦斯含量越大。

煤的变质程度不仅影响瓦斯的生成量，还在很大程度上决定着煤对瓦斯的吸附能力。在成煤初期，褐煤的结构疏松，孔隙率大，瓦斯分子能渗入煤体内部，因而褐煤具有很强的吸附能力，但该阶段瓦斯生成量较少，且不易保存，煤中实际所含的瓦斯量是很小的。随着煤的进一步变质，在高温、高压作用下，煤体内部因干馏作用而生成许多微孔隙，在无烟煤时内表面积达到最大，与之相应，煤的吸附能力最强。当由无烟煤向超无烟煤过渡时，微孔收缩并减少，煤的吸附瓦斯能力急剧减小，到石墨时吸附瓦斯能力消失。

根据钻孔煤层煤样显微组分测定（见表2），本区煤层镜质组平均最大反射率介于0.7%～1.00%之间，煤的变质程度范围属于低变质～中变质，一般为气煤和1/3焦煤阶段，有利于瓦斯的生成，且煤的吸附能力也较强，所以本区煤层的瓦斯含量相对较高。

2.4 煤层埋深

在瓦斯风化带以下，煤层瓦斯含量与煤层埋藏深度有很大关系。一般而言，煤层埋藏深度的增加不仅会因地应力增高而使煤层和围岩的透气性降低，而且瓦斯向地表运移的距离也增大，这两者的变化均朝着有利于封存瓦斯，而不利于放散瓦斯方向发展。

根据勘探钻孔煤样测试资料，结合本区周边的潘一、潘二矿井下煤层瓦斯实测资料，以13-1、8煤层为例，煤层瓦斯含量与埋深关系如图3、图4所示。从图中可以看出，在一定深度范围内，煤层瓦斯含量随着埋藏深度的增加而增大，但随着瓦斯压力增加，煤与岩石中游离瓦斯量所占的比例增大，同时，煤中的吸附瓦斯逐渐趋于饱和。当埋藏深度继续增大时，瓦斯含量增加的幅度将会减缓。

2.5 煤系地层含水性

潘集煤矿二叠系地层的富水性低，单位涌水量一般小于0.1L/s·m，渗透系数小于1. 13m /d，吨煤排水量一般在1m3/t左右，煤层含水量1.5%左右。由此说明煤系地层内的地下水较闭塞，流动缓慢，因此，由地下水活动带走的瓦斯量较少。

本区基岩含水层因南北两翼逆冲断层（阜凤断层与明龙山断层）的阻水作用，切断了裸露区的水源补给，构成了封闭型水文地质单元，地下水基本处于停滞状态。因此，本区煤系地层内的各含水层相对较闭塞，流动缓慢，地下水活动对煤层瓦斯影响较小。

3 结论

本区控制构造格局的主要是F66逆断层，下盘煤层产状平坦，且受逆断层封闭遮挡作用，煤层瓦斯逸散困难，利于保存，上盘位于陈桥～潘集背斜的转折端 与倾伏区，瓦斯保存条件较好；煤层顶底板以泥岩为主，透气性差，利于瓦斯保存；煤层埋深在800m以下，瓦斯含量随着埋藏深度的增加而增大；煤层镜质组平均最大反射率介于0.7%～1.00%之间，煤的变质程度范围属于低变质～中变质，一般为气煤和1/3焦煤阶段，有利于瓦斯的生成。

因此潘集煤矿外围（深部）影响瓦斯赋存的主要地质因素为地质构造（主要为断层和褶曲）、煤层顶底板、煤层埋深以及煤的变质程度。煤层埋深、煤的变质决定瓦斯的生成，煤层顶底板为瓦斯保存创造了有利条件，地质构造决定了瓦斯的运移方向。上述因素共同决定了本区煤层高瓦斯含量、高瓦斯压力及高地应力的特征。

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（责任编辑：李 丽，范 君）