灵台矿区邵寨井田甲烷赋存特征研究

赵 渊

（甘肃煤田地质局一四九队，甘肃 兰州 730000）

矿矿瓦斯是影响矿矿安全的重要因素之一[1，2]。研究矿层矿层气赋存规律是矿矿防治瓦斯灾害的基础，而地质构造、矿层埋深、围岩透气性以及矿质对矿层气赋存起着重要作用。

甘肃邵寨井田位于素有渭北第二黑腰带之称的黄陇矿田的中深部，属甘肃省灵台县邵寨镇管辖，向东连接陕西彬长矿区，向南连接永陇矿区，矿炭资源储量丰富。井田内含矿地层为侏罗系中统延安组，含矿三层，主要可采矿层为矿8层，矿层厚度0m～16m，平均厚度5.20m。可采厚度1.02m～16m，平均厚度6.21m。矿层结构简单，夹矸1层～3层，绝大多数为1层～2层，岩性为炭质泥岩，少有泥岩。矿8层顶板多为泥岩、粉砂岩，底板多为泥岩、砂质泥岩[3]。研究矿层的矿层气赋存规律，对于矿矿安全生产具有重要意义。本文通过对井田的地质构造、矿层埋藏深度和围岩透气性分析，探索出邵寨井田主采矿层矿层气赋存规律，为后期矿井瓦斯抽采和防治提供了地质依据。

1 构造概况

邵寨井田位于渭北挠褶带北缘。地表大面积黄土覆盖，沟谷出露的白垩系地层产状平缓，其深部侏罗系隐伏构造依据钻探工程揭露，井田内主要构造为一轴向N25°～5°E总体向南西倾覆的不对称的背斜构造，称“邵寨背斜”。邵寨背斜东南翼发育有次要构造“里河向斜”。

邵寨背斜位于井田中部邵寨镇以东1公里处的张家山—向牌坡一线，总体轴向北偏东，呈“S”形弯曲，平面上延展约6.5km。背斜两翼地层倾角一般1°～2°，最大7°，沿背斜轴有起伏，井田中部705钻孔一带为背斜轴部最高部位。背斜轴部宽缓，为“箱状背斜”。总体为“两头窄中间宽”。

里河向斜位于井田东部，邵寨背斜东南翼，两翼不对称，轴向与邵寨背斜轴向相似，有北偏东转为近南北，向南倾伏，井田内延伸约4.5km，轴部宽0.5km～1km，轴部倾角近水平，总体表现为“两头宽中间窄”的“葫芦”形，为井田内主要聚矿构造及矿系沉积中心。

2 矿层中易燃气体赋存规律及影响因素

2.1 地勘期甲烷含量

矿田中易燃气体的赋存受地质构造、矿层埋深、矿层和围岩的透气性以及矿物性质等多个因素控制，对这些影响因素进行系统分析有助于研究易燃气体赋存规律[4]。

本次研究主要收集了地勘时期所测的甲烷含量，通过数据校正，共获得井田内矿层有9个分布均匀且相对可靠的甲烷含量点，见表1。

表1 邵寨井田8层甲烷含量统计

综合历次勘查测试结果，井田内第8层可燃气体含量整体上呈现“西北高东南低”的趋势。最大值位于邵寨背斜西北部的B600钻孔，甲烷含量为3.95m3/t，其余区域甲烷含量大部分小于0.5m3/t。

2.2 地质构造

根据以往地质勘查工作，邵寨井田内未发现有断层，故本次研究仅分析褶皱构造对矿田内可燃气体赋存的影响。

岩层经过褶皱作用后，不同部位封闭气体的能力差别较大，甲烷含量的高异常区域一般在轴部[4]。井田西北部主要受邵寨背斜作用，在矿层顶板岩性致密、透气性差的条件下，未受断裂破坏和严重剥蚀的褶皱地区，构造处于圈闭状态，甲烷更易于沿矿层向上运移，从褶皱影响来分析，背斜顶部较向斜槽部瓦斯更易于聚积，含量较大；井田东南部主要受里河向斜作用，岩层或矿层处于轴向压应力和纵向直应力两者差的作用力，使得矿岩层引张拉伸，向斜轴部矿层受拉变薄，尽管由于下伏岩层的圈闭张性裂面不如背斜发育，但在矿层由向斜轴部向翼部流动运移中，将通过这些裂面使矿层中的可燃气体逸散，此时矿储层在引拉张状态其渗透率增高，故向斜轴部的矿层甲烷含量将降低，而在矿层下方岩层变成了含高瓦斯的岩层，再下面掘的岩巷将成为高瓦斯岩巷[5]。

2.3 矿层埋深

诸多研究表明，矿层埋深对井下可燃气体的赋存起着至关重要的作用。所谓矿层埋深，是指矿层顶板至地表的铅垂距离。一般情况，出露于地表的矿层，埋藏较浅，作用于矿体的应力较小，矿层中的吸附气会随着时间的增加大部分解吸出变为游离态，进而向上流动，另外，松软的地表也是空气流动的通道，甲烷与空气相互交换，从而使矿层气含量降低。越往深部，矿层应力越大，大量的甲烷向吸附方向转化，甲烷在向上运移过程中需要克服更大的阻力，因此在二者共同作用下抑制了瓦斯的逸散，进而导致深部甲烷含量较高。甲烷含量与埋深的关系如图1所示。

图1 甲烷含量与埋深的关系

根据上图，8层甲烷含量随埋深的增加而增加，与统计的甲烷含量反映的规律是一致的，充分说明矿层埋深对甲烷含量具有较大的影响。

2.4 其他因素

（1）顶板围岩。顶板围岩作为甲烷向大气中逸散的通道，对矿层甲烷的赋存能力有着重要影响。一般来讲，甲烷在岩层中的渗透率与岩石的透气性系数有很大关系，透气性系数越高，甲烷在岩层中越容易渗流，反之则难。邵寨井田第8层顶板多为泥岩、粉砂岩，平均厚度在3m。泥岩密度较大，裂隙发育得不完全，透气性差，不利于甲烷的逸散，对矿层甲烷气体有一定的封闭作用，这也与背斜轴部附近实测甲烷含量较高结果一致。

（2）矿物性质。多方研究表明，同等条件下，矿物变质程度越高，矿层的生气量和吸附能力越强，矿层甲烷含量越大，进而导致高阶矿井多属于瓦斯突出矿井[7]。然而，近年来出现陕西省黄陇矿田、甘肃窑街矿田、辽宁铁法矿区等多个低矿阶矿区高瓦斯矿井，至于部分低矿阶矿区还发生了瓦斯事故[8]。低阶矿游离气含量比例相对较高，以致地勘时期采用常规钻探取芯方法测定甲烷气体含量偏低，最后造成矿产地质类型划分过程中瓦斯类型误判，不利于矿田通风系统合理布设[9]。邵寨井田位于黄陇矿田的中深部，井田内矿物质为不黏矿，属于低阶矿。勘查时期取得的甲烷测试数据总体较低，均未达到工业标准。类比邻近矿区，应引起足够重视，在矿山建设中考虑瓦斯突出问题。

3 结语

（1）影响邵寨井田8层可燃气体赋存的主要因素是地质构造和矿层埋深。8层可燃性气体赋存整体受邵寨背斜和里河向斜的影响，甲烷含量呈现“西北高东南低”的趋势。矿层顶底板岩性致密，有利于甲烷赋存；构造是影响矿区甲烷富集和分布的主控因素，矿层厚度和埋深越大甲烷含量相对越高[6]。

（2）邵寨井田构造简单，矿物的变质程度低，矿层厚度较大。矿层甲烷含量在地勘时期测试数据较低，总体上甲烷压力低，矿层透气性好，甲烷吸附能力较高且不易解吸，甲烷残存比较高，属于可抽放层。矿层中可燃气体类型以中等和复杂类型为主，建矿过程应参考邻近生产矿井，加强易燃爆气体的防治工作。