贵州红砖煤矿瓦斯赋存规律分析

荣 伟

(贵州省煤田地质局142队，贵州 贵阳 550000)

0 引言

煤层气俗称瓦斯，是以甲烷(CH4)为主要成分，以吸附在煤基体颗粒表面为主，部分解离在煤孔隙中或部分溶解于煤层水中的烃类气体[1-4]。瓦斯引起的煤与瓦斯突出、爆炸等灾害是煤矿比较严重灾害。近年来，随着我国对煤炭资源需求增加，煤炭开采中瓦斯问题比较突出。因此，研究煤层瓦斯的赋存规律可以比较直观地反映煤层中瓦斯流动以及由此引发的灾害危险性高低。

一般而言，煤层瓦斯是煤炭地质演化产物，其生成、保存、迁移和聚集受地质条件影响[1-4]。在不同因素影响下，煤层瓦斯的赋存和分布特征的也不尽相同[5]。对煤层瓦斯赋存规律的研究，可以找出瓦斯赋存与煤矿地质条件间联系，为煤与瓦斯突出的瓦斯灾害提供防制依据。红砖煤矿近几年瓦斯等级鉴定均为高瓦斯煤层，因此，研究煤层瓦斯赋存规律对于红砖煤矿进行瓦斯灾害的防控及煤矿安全生产具有重要意义[6]。

1 井田概况

红砖煤矿位于贵州省黔西县东南约17 km，属黔西县谷里镇管辖。井田内含煤地层为晚二叠系龙潭组，系海陆交互相含煤地层。厚度173～237 m，一般196 m。可采煤层5层(1、4、6、9、15号煤层)，总厚度6～14 m，平均11 m。井田内煤属中灰、中高硫、特低挥发分、高煤级煤Ⅰ的无烟煤(WY1)。

井田位于扬子准地台黔北隆起毕节北东向构造变形区。构造单元位于黔北煤田西南部，格老寨背斜南东翼及谷里向斜南端。井田地层大体为北东—南西走向，井田内大部分区域倾角较缓，西北区域及外围倾角较陡。井田位于格老寨背斜南东翼及谷里向斜南端间，总体为一向斜构造，该向斜发育次一级背斜(麻窝寨背斜)构造；主体向斜为谷里向斜，轴向北东向，两翼不对称；次一级轴向北西向，两翼不对称。井田及周边共发现断层4条，其中F4和F8分别从井田西北部和中部切断煤系地层。井田总体构造复杂程度属中等类型，如图1所示。

图1 红砖煤矿构造简图

2 瓦斯特征

2.1 瓦斯成分分布特征

氮(N2)含量5.72%～64.13%，平均30.75%；二氧化碳(CO2)含量为0.04%～7.42%，平均2.39%；可采煤层甲烷(CH4)含量28.35%～91.50%，平均64.65%；(CH4+重烃)含量为28.64%～92.23%，平均65.56%。根据煤炭资源地质勘探规范煤层沼气带为CH4>80%，CO2<20%。红砖井田沼气带主要集中在井田向斜轴部，见表1。

2.2 瓦斯含量分布特征

可采煤层氮含量为1.67～18.02 mL/g·daf，平均7.12 mL/g·daf；二氧化碳(CO2)含量为0.01～1.29 mL/g·daf，平均0.50 mL/g·daf；甲烷含量为2.83～23.21 mL/g·daf，平均10.09 mL/g·daf；(CH4+重烃)·daf含量2.88～23.38 mL/g·daf，平均10.22 mL/g·daf；(CH4+重烃)·ad含量为2.38～16.97 mL/g·ad，平均7.72 mL/g·ad。各可采煤层甲烷平均含量均大于8 mL/g·ad，属于富甲烷煤层。红砖井田富甲烷区域主要集中在井田向斜轴部以及断层F8两侧。详见表1。

表1 红砖煤矿可采煤层瓦斯基础资料统计

总体来说，从红砖煤矿资料的瓦斯成分分布图以及含量分布图可以看出，该矿的瓦斯赋存规律为，在井田内麻涡寨向斜、谷里向斜、断层F8两旁富集。

3 瓦斯赋存影响因素分析

3.1 煤层煤质

煤层是瓦斯生成和聚集的基础，煤质变化会影响瓦斯含量。运用线性回归分析方法[7]得出煤层中水分、挥发分、灰分、硫分与瓦斯含量关系如图2～5所示。

图2 水分与瓦斯含量关系

依图所示，煤层瓦斯含量与煤层水分、挥发分、硫分间存在较弱相关性，与灰分呈现正相关。受煤岩显微组组成影响，瓦斯含量与水分一般不存在相关性。煤化程度与有机质增加有利于瓦斯含量增加，就会呈现挥发分(Vdaf)和灰分(Aad)降低，瓦斯含量有增大趋势，但是，进入无烟煤阶段后(Vdaf>10%，Aad<30%)会出现相反值[8]；本井田为中灰煤、无烟煤，挥发分(Vdaf)和灰分(Aad)与瓦斯含量呈正相关。总体来说，煤层煤质影响瓦斯含量初始值，揭示井田内煤层瓦斯生成和聚集区域，但不是影响瓦斯赋存的主要因素。

图3 灰分与瓦斯含量关系

图4 挥发分与瓦斯含量关系

图5 全硫与瓦斯含量关系

3.2 煤层埋深及厚度

煤层埋深和厚度影响煤层瓦斯含量，一般来说，瓦斯含量随着煤层埋深和厚度的增加而增大。井田内煤层的埋深、厚度与瓦斯含量的相互关系如图6和图7所示，由图可知煤层埋深与瓦斯含量呈负相关性，煤层厚度与瓦斯含量无相关性。

图6 煤层埋深与瓦斯含量关系

图7 煤层厚度与瓦斯含量关系

由于井田埋深属于浅层埋深(低于1 000 m)，煤层瓦斯受井田断层发育以及向斜构造影响，出现了向上扩散现象，煤层埋深增加而瓦斯含量减小也符合本井田地质规律[8]。

煤层厚度和稳定性影响瓦斯生成量和含量。井田内煤层厚度与煤层瓦斯含量关系，表明煤层厚度不是影响瓦斯赋存的主要因素，其厚度的变化仅局部影响煤层瓦斯含量的变化。

3.3 地质构造

地质构造对瓦斯的影响，一是造成瓦斯分布不均匀，二是形成瓦斯储存或瓦斯迁移的条件[9]。以4号煤层为例，如图8所示。

图8 4号煤层瓦斯含量等值线图

断层：井田断层主要发育于井田的中部及西北部，多为高角度开放性断层，其存在促进瓦斯向外运移。其中位于井田南部走向东北—西南正断层F8贯穿井田，为瓦斯提供迁移通道的同时，在一定程度上阻止瓦斯深部瓦斯涌向地表，断层上盘也就成为瓦斯聚集区域。

褶皱：井田位于格老寨背斜南东翼及谷里向斜南端之间，总体为一向斜构造，该向斜发育次一级背斜(麻窝寨背斜)构造。依据报告上瓦斯成分分布图以及含量分布图上可以看出瓦斯含量由背斜轴部，向、背斜翼部结果，向斜轴部逐渐增大趋势。向斜轴部因其处于应力挤压状态以及断层F8切割形成的通道，造成谷里向斜轴部区域瓦斯聚集。

3.4 围岩岩性

围岩主要指煤层顶底板，其岩性影响瓦斯存储。一般来说，围岩的封盖能力随碎屑含量减少、颗粒变细和泥质含量增高而增强[10]。井田内含煤沉积地层为海陆交互相碎屑岩夹碳酸盐岩地层，煤层直接顶底板多为碳质泥岩、粉砂质泥岩等封闭性较好的岩层；间接顶板多为灰岩、细砂岩、粉砂岩等对下伏岩层有较好压实作用的岩层。这样围岩岩性组合对煤层瓦斯有较好封闭作用，为瓦斯聚集提供条件。

3.5 水文地质条件

水文地质条件对煤层瓦斯影响主要在于水力运移、逸散作用及水力封堵作用[11]。

井田内含煤地层为龙潭组(弱富水性)，下伏地层统峨嵋山玄武岩组(弱富水性)，茅口组(强富水性)，上覆地层长兴组、夜郎组(中等富水性)[12]。故下伏地层玄武岩组可以作为相对隔水层，格挡地下水进入煤系地层，有利于瓦斯聚集；上覆地层虽为中等富水性，厚度较大，渗透到弱富水性煤系地层影响有限，但对煤层有较好的水力封堵作用，有利于瓦斯聚集。

同时井田内地表有断层3条切割煤系地层至茅口组，断层的导水性使得煤系地层与强富水性含水地层有较好联系，地下水运移过程中会带走煤层瓦斯使之逸散。同时由于谷里向斜的挤压作用，瓦斯从高压区向低压区渗流由深部向浅部至煤层露头逸散，遇到地表以及深部含水层同时补充，使得逸散的瓦斯被封堵，有利于瓦斯聚集。

4 结论

(1)对比红砖煤矿煤层水分、灰分、硫分、挥发分与煤层瓦斯含量关系，煤层煤质影响瓦斯含量初始值，但不是影响瓦斯赋存的主要因素。

(2)煤层瓦斯受井田断层发育以及向斜构造影响，煤层埋深增加而瓦斯含量减小。煤层厚度的变化仅局部影响煤层瓦斯含量的变化，但不是影响瓦斯赋存的主要因素。

(3)井田内主要构造类型为断层、褶曲，煤层瓦斯在谷里向斜轴部区域聚集。

(4)井田内煤层围岩岩性整体稳定，对煤层瓦斯有较好封闭作用，为瓦斯聚集提供条件。

(5)井田内地下水活动受地层富水性以及断层影响，促进瓦斯在断层以及谷里向斜区域聚集。

(6)井田内煤层瓦斯赋存在相对独立向斜以及开放性断层，谷里向斜轴部区域瓦斯含量高，是断层通道运移，地层压力，地下水活动综合作用的结果，瓦斯赋存表现出埋深-水文-构造条件耦合特点。