登封煤田新登煤矿水文地质特征及瓦斯赋存规律

2021-01-21黄波乔军好乔晓军郑启明

河南理工大学学报(自然科学版) 2021年2期

黄波，乔军好，乔晓军，郑启明

(1.河南工程学院资源与环境学院,河南郑州 451191；2.中煤新登郑州煤业有限公司,河南郑州 452470)

0 引言

煤矿瓦斯是制约煤矿安全生产的主要因素之一，掌握煤层瓦斯赋存规律是进行煤与瓦斯突出预测、有效综合治理瓦斯的地质保障[1-3]。微观上，煤层瓦斯赋存受煤储层流体压力影响，主要吸附于煤层孔隙表面[4-5]；宏观上，影响煤层瓦斯赋存的因素往往为构造、埋深、围岩性质、工业组分、煤变质程度以及岩浆岩的侵入等[6-9]。事实上，地下水动力场控制着煤储层流体压力、气水成分及分布，地下水动力条件也是煤层瓦斯赋存的关键影响因素[10-16]。地下水动力条件对瓦斯赋存的控制主要体现在2个方面：一是地下水动力场直接控制着瓦斯的运移、散失，对瓦斯赋存的控制分为水力封闭、水力封堵、水力运移3种类型[17-20]；二是通过地层水矿化度、涌水量间接反映水动力场对瓦斯赋存的影响[3,21]。新登煤矿位于典型滑动构造发育的豫西地区，以往对该区瓦斯赋存规律影响的研究中，未考虑地下水动力条件对瓦斯赋存的影响。新登煤矿煤层受滑动构造揉皱作用，煤体结构以靡棱煤为主，煤层松软易突出，煤层瓦斯是制约本区安全生产的主要因素。因此，本文以生产过程中积累的水文地质、瓦斯地质资料为研究基础，综合分析传统因素(构造、沉积)和地下水条件对新登煤层瓦斯赋存的影响，找出影响瓦斯赋存的主控因素，预测矿井深部未采区瓦斯含量，以期为矿井向纵深开采过程中瓦斯安全治理提供参考。

1 地质概况

新登煤矿位于登封煤田箕山勘探区之东北一隅，地层划分属华北地层区豫西分区嵩箕小区(图1)。主要含煤地层为石炭系太原组、二叠系山西组。矿区总体为走向北东、南西的单斜构造，构造组合为—组NE向断裂和NE向褶皱。断层主要分布于煤矿的南北边界附近，其中对煤矿地质条件和生产影响最大的断层为矿区北部的DF14正断层，断层走向NE，倾向SE，倾角约70°，区内最大落差约43 m，延展长度约1 800 m。主要褶皱为南烟庄向斜，与DF14断层平行延伸，轴向NE50°，区内延伸长约1 750 m，向SW倾没，西北翼被DF14断层切割，东南翼完整，地层翼部倾角8°～31°。

图1 新登煤矿构造纲要图及含煤地层综合柱状图

新登煤矿主采二1煤层，煤层倾角一般小于10°，结构简单，顶板之上基岩埋深60～380 m，由东向西南基岩埋深逐渐增加(图1)。煤厚0～16.10 m，生产揭露煤平均厚为3.41 m，煤层厚度不稳定。二1煤层宏观煤岩成分以镜煤、亮煤为主，暗煤次之，丝炭少量，镜质体反射率(Ro)为2.25%～2.34%，煤体结构以碎粒煤-糜棱煤为主，煤体强度低。

新登煤矿目前采取立井、斜井混合多水平开拓方式。煤层赋存标高+230～0 m，以采区上下山的布置方式开拓全井田，设计多水平开拓，第一水平标高+155 m，第二水平标高+90 m。目前井田+100 m水平以浅已基本开采完毕，矿井正进入第二水平开采。2018年新登煤矿瓦斯等级鉴定为低瓦斯矿井，但2019年提交的补充勘探钻孔测试结果表明，二1煤层瓦斯成分中CH4组分为0.70%～90.05%，平均值37.77%。CH4气体含量0.02～7.35 mL/g·daf，平均1.67 mL/g·daf。其中，32采区补勘阶段在补1和3—5孔测定了瓦斯压力，分别为0.5 MPa和0.6 MPa，具有煤与瓦斯突出的危险，因此，亟需厘清矿井深部未采区瓦斯赋存规律，为瓦斯防治提供基础地质资料。

2 矿井水文地质条件

新登煤矿二1煤层直接充水水源主要为煤层露头接受的大气降水、地表水下渗补给、煤层顶部山西组砂岩裂隙含水和下部太原组灰岩岩溶裂隙承压水。受边界断层郜F2、煤层底板裂隙的影响，二1煤层与顶部山西组砂岩裂隙含水层、底部太原组L7—L8灰岩岩溶裂隙承压水均有一定的水力联系[22]。另外，矿井DF14断层补充勘探结果表明DF14断层为一导水断层，垂向上太原组含水层与煤层有一定水力联系。其中，顶部山西组砂岩裂隙含水层抽水钻孔涌水量 0.000 49 L/(s·m)，富水性弱；底部太原组灰岩岩溶裂隙含水层抽水钻孔涌水量0.019 4 L/(s·m)，富水性中等。因此，太原组灰岩含水层是影响煤层的主要含水层。含煤地层的水文地质条件是控制瓦斯赋存、抽采的关键因素[10]。本文在分析矿井水文地质资料基础上，主要对太原组含水层动力场、化学场进行研究。

2.1 水动力特征

新登煤业位于登封煤田的西南部，水文地质分区属颖阳-登封水文地质区的Ⅱ水文地质分区的Ⅱ2水文地质亚区[22]。通过收集的新登煤矿水文孔20余口，其中山西组含水层抽水试验孔4口，太原组含水层抽水试验孔12口,进行水动力特征研究。

在综合分析地形、地貌、地层、构造与地下水动力配置的基础上，结合前人研究成果，将新登煤矿划分为独立的地下水流动系统。新登煤矿含煤地层向南、南西倾斜，东部、东北部为含煤层地层及煤层露头或者隐伏露头区，太原组含水层静水位受含煤地层产状的影响，亦向南、西变低。因此，地下水流动系统以东部煤层露头线为界接受补给，北部以边界断层为界，地下水由东、北向西，北东向南西流动，通过径流排泄到矿区外(图2)。此外，矿井疏排，机井和供水井也是地下水排泄途径之一。

图2 新登煤矿太原组水位及矿化度等值线图

2.2 水化学特征

基于矿井生产过程中的水质化验和抽水试验孔水质化验结果，绘制了山西组和太原组含水层水质Piper图(图3～4)。

除了地层水水质化验结果外，地下水矿化度也是衡量地下水动力强弱的指标[12]。依据新登煤矿水质取样点位置，绘制了新登煤矿太原组灰岩含水层矿化度等值线(图2)。新登煤矿深部发育有南烟庄向斜和DF14断层，太原组灰岩含水层矿化度明显受含煤地层产状和断层控制。矿化度等值线表明，在南烟庄向斜南翼矿化度明显增加，矿化度一般高于500 mg/L，说明水动力较弱；在DF14导水断层附近和北部边界断层之间，矿化度小于400 mg/L，水动力较强(图2)。矿化度规律性较强，随着煤层埋深增加、远离地下水补给区矿化度明显增加。在矿井东部、东北部边缘矿化度甚至低于350 mg/L，矿化度低，水动力强。

3 瓦斯赋存特征及模式

矿井瓦斯的赋存受生成和保存条件的影响。中国煤层含气量为3.50 ～30.00 m3/t，远小于煤自身生气量，大部分气体逸散，而保存气量的多少主要取决于保存条件[6]。

3.1 构造-沉积对瓦斯赋存控制

区域上，受构造运动的影响，尤其是喜山期形成的典型重力滑动构造，使全区煤体结构遭受破坏，瓦斯大量逸散，统计矿井瓦斯等级鉴定实测数据表明，煤层瓦斯含量为1.81～7.35 m3/t·daf，瓦斯分布非均质性强。瓦斯含量与煤层埋深、煤层厚度、灰分产率、直接顶板厚度散点图表明，总体上煤层埋深越大，地应力增加，煤层透气性差，瓦斯含量越高(图5(a)；煤层厚度影响着瓦斯生成量，煤层直接顶板厚度对瓦斯保存影响较大，煤层、煤层直接顶板厚度越大，瓦斯含量越高(图5(b)(c))，但在图5(a)(b)(c)散点图的下方均存在一系列瓦斯含量异常点。瓦斯含量异常点具有瓦斯含量低，与瓦斯赋存构造因素不相关的特点。另外，灰分产率越高，煤岩吸附瓦斯的能力越弱[23]，瓦斯含量随着灰分产率的增加而降低，相关性较好(图5(d))，而与煤层直接顶板岩性相关性较差(图6)。因此，煤层瓦斯含量与煤层构造、沉积环境等保存条件关系较为复杂，而与煤层灰分等自身属性呈线性相关关系。

分析瓦斯赋存影响因素表明，除煤层自身属性因素外，煤层瓦斯赋存并非完全受构造、沉积环境控制，而是多因素叠加控制的结果。图5中瓦斯含量异常点一般位于水动力条件活跃的DF14断层断面及南烟庄向斜北翼附近区域，究其异常原因为，DF14是一开放性导水正断层，断层上盘下降至南烟庄向斜核部附近，虽然煤层埋深增加，但是断层面附近水动力条件增强，有利于瓦斯冲洗逸散，同时断层面也是瓦斯逸散的良好通道，使此处瓦斯大量逸散，瓦斯含量低于正常值。因此，新登煤矿瓦斯赋存受构造和水文地质双重控制。

3.2 构造-水文地质对瓦斯赋存控制及模式

新登煤矿煤层埋藏浅，地下水水动力对瓦斯的控制作用主要为侧向水动力封堵作用和水力冲洗作用。在分析水位变化趋势和矿化度变化规律的基础上，借鉴文献[11-12]划分方法，结合新登煤矿实际地质情况，将水位大于220 m、矿化度小于450 mg/L划分为径流带，水位190～220 m、矿化度450～500 mg/L划分为中等径流带，水位小于190 m、矿化度大于500 mg/L划分为滞留-弱径流带，其中滞留-弱径流水动力条件对瓦斯赋存最为有利。

为研究构造-水位地质对瓦斯的控制作用，绘制新登煤层水文地质及瓦斯含量剖面图(A—A′)，刻画瓦斯赋存与地下水动力场的关系(图7)。可以看出，瓦斯赋存分区与地下水水动力条件变化协同一致，矿井深部位于水动力处于滞留-弱径流带内，水动力对瓦斯形成侧向封堵作用(图7)，煤层瓦斯含量高，在(A—A′)剖面中的3-4、4-2钻孔瓦斯含量分别为4.25，3.64 m3/t，明显高于径流带、中等径流带的瓦斯含量。

图7 新登煤矿水文地质及含气量剖面(A—A′)

再结合地下水化学场特征分析，地下水矿化度从煤层露头处(补给区)向深部滞留-弱径流带逐渐增加。在煤层露头附近，地下水运移距离短、交替循环作用强，地下水矿化度低，瓦斯含量低。随着地下水沿着地层斜坡向深部长距离运移，矿化度升高，水动力弱甚至滞留，对瓦斯的赋存影响趋于有利(图7)。统计发现，新登煤矿地下水矿化度低于450 mg /L的径流带，形成瓦斯逸散区，瓦斯含量低；矿化度为450～500 mg /L的中等径流带，形成瓦斯较为富集的过渡区；矿化度大于500 mg /L的滞留-弱径流带，有利瓦斯赋存，瓦斯含量最高，形成瓦斯富集区。另外，在径流区、滞留区水质类型也不相同，在滞留区水化学类型一般为重碳酸钠型。

地下水的运移离不开构造的作用，综合构造来看，矿井西部的DF14断层与浅部的滑动构造相互切割，补充勘探证明该断层为一导水断层。一方面断层释放了构造应力；另一方面断层导致地下水与地表水、大气降水频繁交替，使本区虽然煤层埋深较大，但是瓦斯得以逸散，瓦斯含量低。在南烟庄向斜轴部以南，由两翼沿着斜坡向下运移的地下水对瓦斯保存形成了两侧封堵，有利于瓦斯的保存。在矿井东部的单斜地层斜坡上，随着运移距离的减小，对瓦斯赋存的影响逐渐不利(图7)。分析构造和地下水的配置关系，得出3种瓦斯赋存控制模式(图8)。

图8 构造-水动力控气模式剖面(B—B′)

构造-水动力冲洗模式，地层水在侧向上与瓦斯运移方向相反，将沿着斜坡向上运移的瓦斯冲刷至断层破碎带，沿着断层面方向向上逸散，造成本区为瓦斯含量最低(图8)。单斜-水动力封堵模式，由B—B′构造-水动力控气模式剖面可知，南烟庄向斜属于不对称向斜，南翼地层水流向深部，北翼受DF14断层导水的影响，DF14断层附近水位高于南翼，地层水流向南翼，南、北翼地层水运移方向与瓦斯顺层逸散方向相反。因此，在南烟庄向斜南翼瓦斯受构造-水动力双重影响而富集，在向斜南翼的3-4钻孔瓦斯含量达到4.25 m3/t，新登煤矿目前开采的31011综放面即位于此处，测试的瓦斯含量为4.49～5.79 m3/t，明显高于矿井其他区域瓦斯含量。在矿井东部为单斜-水动力冲洗模式，地层水随着大气降水向单斜地层深部流动，地层水与大气降水、地表水交替较为频繁，对瓦斯保存不利，瓦斯含量普遍较低(图8)。

4 煤层瓦斯分布及预测

4.1 瓦斯富集区识别

在矿井实际生产中绘制瓦斯地质等值线图时，往往采用拟合瓦斯含量与其影响因素之间的数值关系来进行瓦斯含量的预测。而采用剖面的形式来刻画构造、水文地质条件对瓦斯赋存的双重控制，直观反映了瓦斯赋存的地质控制因素配置关系。依据其配置关系，将登煤矿分为瓦斯富集区、过渡区和瓦斯逸散区3个分区(表1)。富集区瓦斯含量高，过渡区次之，瓦斯破坏、逸散区最低。对瓦斯富集识别发现，新登煤矿由东边缘至深部，水动力由径流、中等径流、弱径流至滞留变化，构造-地下水因素配置关系趋好，瓦斯赋存条件逐渐有利(表1)，瓦斯含量增高(图9)；由深部至西北部边界，水动力又由滞留带过渡至径流带，构造-地下水因素配置关系趋于不利，瓦斯赋存条件逐渐变差(表1)，瓦斯含量降低(图9)。因此，在新登煤矿南烟庄向斜南翼的斜坡部位水动力条件弱，对瓦斯形成侧向封堵，为矿井煤层瓦斯富集区，瓦斯含量高(图10)。

不同瓦斯分区瓦斯赋存主控因素不同。对于瓦斯富集区和过渡区，构造性质、位置为地下水运移提供了势能，决定水动力变化特征，地下水动力变化特征主要反映在矿化度的变化上。但瓦斯富集区水位变化小，而过渡区水位变化较大，因此，瓦斯富集区、过渡区的主控因素分别为矿化度、矿化度和水位(表1)；瓦斯破坏逸散区主要位于构造及煤层露头附近，瓦斯富集条件复杂，构造除了提供地下水运移的势能外，构造自身直接影响着瓦斯的逸散，例如开放性DF14断层断面也是瓦斯运移的良好通道，因此，其主控因素较为复杂，归纳起来主要为矿化度、水位和构造(表1)。

表1 瓦斯赋存分区构造-水文地质参数指标

4.2 矿井深部瓦斯预测

目前新登煤矿东北部100 m以浅煤炭资源基本采完。随着矿井开采向西部深埋区至西北构造复杂的浅部区域延伸，瓦斯含量变化先增加后减小，分别对应瓦斯富集区和瓦斯破坏、逸散区。识别的瓦斯富集区位于矿井西部构造缓坡至南烟庄向斜南翼，瓦斯破坏区位于西北的DF14开放断层以北至矿井边界，瓦斯含量受构造-水文地质双重控制。目前矿井未采区主要位于瓦斯富集区，由前述可知，地下水矿化度是影响该区瓦斯赋存的主控因素(表1)。将瓦斯含量测试点投到矿井二1煤层底板灰岩水矿化度等值线上，采用插值法求得新登煤矿已采区煤层(浅部瓦斯风氧化带未参入统计)瓦斯含量测试点对应的水样的矿化度(表2)。通过矿化度和瓦斯含量拟合数值模拟来预测矿井未采区瓦斯含量(图9)。

表2 新登煤矿已采区瓦斯含量与矿化度

续表2

如图9所示，煤层瓦斯含量与矿井底板灰岩水矿化度拟合相关性好，煤层瓦斯含量随着灰岩水矿化度的增加而增加。依据矿井中生产过程中积累大量的矿井水化验数据和识别的瓦斯富集区，将矿井深部煤层底板灰岩水矿化度代入图(9)拟合公式中，预测了新登矿二1煤层未采区瓦斯含量，见图10。预测结果表明，未采区埋深介于260～462 m，对应的瓦斯含量介于5～7.5 m3/(t·daf)，主要位于矿井西北部的南烟庄向斜南翼附近(图10)。