煤矿瓦斯地质特征及瓦斯类型评价

张 勃，周海涛，邢莞东

(河北省地质矿产勘查开发局第八地质大队，河北 秦皇岛 066000)

柳江煤田开发历史悠久，矿权分布广泛，开采工作由来已久，区内地层、构造、煤层、瓦斯、水文地质及其他开采技术条件等复杂多样，系统总结区内瓦斯地质特征，可为今后开展地质工作，为煤矿安全生产，制定生产计划、发展规划等提供更充分可靠的地质资料。

1 勘查区概况

柳江盆地地处河北省秦皇岛市石门寨地区，其地质研究程度较高，煤炭开采历史悠久。其位于华北板块东北缘，燕山褶皱带东段之三级构造单元—山海关台隆区，构造演化基本与华北地台一致[1-4]。

1.1 地层

柳江盆地的地层出露较为齐全、地层界限清晰可见、生物化石丰富多样，且多具有代表性。发育的地层从上至下主要有：新生界第四系；中生界侏罗系；古生界二叠系、石炭系、奥陶系和寒武系；新元古界青白口系和新太古界山海关变质花岗岩(图1，表1)。

图1 柳江盆地大地构造位置Fig.1 Earth structure position diagram of Liujiang Basin

1.2 构造

柳江盆地处于燕山台褶带东段，山海关台拱中部，主要构造线方向为近南北向。自古生代以来，本区经历了华力西—印支运动和燕山运动的改造，形成了一系列褶皱构造与断裂构造(图1、图2)。

表1 柳江盆地地层Tab.1 Stratigraphy of Liujiang Basin

1.2.1 褶皱构造

西部柳观峪—秋子峪背斜：该背斜分布在柳观峪以东，秋子峪以南，呈北北东向延伸，出露长度达1.8 km，宽度0.3 km。

中部—东部地区，早期认为是不完整的开阔的不对称大向斜，但通过地表勘查及深部钻探工程，发现以往认识的柳江向斜并非完整的向斜构造，向斜东翼完整存在，而西翼受到构造破坏。

1.2.2 断层构造

(1)南北向逆冲断层带。发育在山羊寨到吴庄一线以西到响山岩体，断层带宽为200～300 m，南北长十余千米。

(2)北东向柳观峪东断层。为右旋剪切兼逆冲断层，以剪切分量为主，断层面走向为NE45°左右，向北西倾斜，倾角较大，地层直立倒转，它切割了柳观峪—秋子峪背斜。

图2 柳江盆地构造纲要Fig.2 Structural outline diagram of Liujiang Basin

(3)北西向花场峪—王庄断层。为左旋走滑断层，走向北西。

(4)南刁部落—南林子—上平山逆断层。该断层从南刁部落向西延伸到南林子、石龙山和上平山，在图幅内出露长达十余千米。

(5)北林子—潮水峪逆断层。该断层从潮水峪向南延伸到浅水营北村、北林子西侧，长达8 km。在潮水峪，断层面倾向东，倾角近直立(85°)。

1.3 岩浆岩

柳江盆地的形成主要受燕山期构造活动的影响。区域内燕山期岩浆活动频繁，多期次侵入和喷发形成了区内复杂的岩石类型。岩体展布方向受区域构造的控制。燕山期侵入体多集中分布在柳江盆地外缘地区。代表性岩体有后石湖山、响山花岗岩体等。岩浆活动由早至晚，从基性—中性—酸性—碱性的演化趋势。响山、后石湖山两岩体岩石均为碱性特征，所含矿物具有很大的一致性，很可能具有相同的物源区[5-8]。

2 瓦斯成分及含量

柳江煤矿地区，全井田共采集瓦斯煤样15个，全部用解吸罐采取。野外解析无气体溢出，据室内分析结果显示，本区煤层中CH4含量为0.17～1.26 m3/t，平均0.64 m3/t，占16.02%～73.61%。甲烷含量较低，2煤层瓦斯含量0.64～1.20 m3/t，3煤层瓦斯含量0.22～1.02 m3/t。5煤层较3煤层瓦斯含量略高，为0.37～1.26 m3/t(去除ZK4203)。一般情况下瓦斯含量受地质构造影响较明显，随着埋深的增加，瓦斯含量均有增大趋势。在断层、褶皱及岩浆岩附近，瓦斯含量明显增大。

表2 可采煤层瓦斯含量、瓦斯成分Tab.2 Gas content and gas composition of minable coal seams

3 瓦斯分布变化规律

3.1 褶皱、断层对瓦斯赋存的影响

3.1.1 褶皱构造

从以往资料中对于瓦斯分布及瓦斯突出分布规律得出，瓦斯分布与褶皱的分布联系紧密。如果围岩封闭条件严密，背斜则会有利于瓦斯保存，为储气构造，若围岩透气性好，则背斜中的瓦斯就会易于逃离。而由于燕山多期运动，使柳江煤田形成多个褶皱，柳江煤矿地区向斜深部，各煤层的瓦斯含量和涌出量出现增加趋势。

3.1.2 断层构造

矿区断层的发育程度及类型对瓦斯的涌出和赋存有一定影响，从以往规律来看，张性断层一般有利于瓦斯的排放，压性断层则不利于瓦斯排放。断层密集程度也是重要影响因素，小断层越密集，煤体结构破坏越大，瓦斯涌出量就会越大。柳江煤矿浅部断层发育较多，有利于瓦斯的逸散，使得整个矿井瓦斯含量降低。此外，从构造应力分布角度来分析，断层尖灭端应力局部集中，瓦斯则相对集中。

3.2 顶底板岩性对瓦斯赋存的影响

煤层上下围岩的隔气和透气性密切关乎瓦斯的保存。瓦斯如若出现集中分布并导致局部涌出异常，应该与其围岩透气性低有关。当围岩中出现较多砂岩地层时，砂岩占比越大，层厚度越大，越有利于煤层中瓦斯的逸散。柳江煤矿煤层主要赋存在上石炭系和下二叠系，其中3煤以粉砂岩为主，局部为细砂岩，局部发育炭质粉砂岩伪顶；底板主要为炭质粉砂岩、细砂岩及石英砂岩。但受火成岩破坏后，多孔可见山闪长玢岩形成煤层的顶底板。粉砂岩对煤层的瓦斯封堵较好，不利于瓦斯的逸散。5煤原始沉积的煤层直接顶板以粉砂岩为主，局部为细砂岩，发育炭质粉砂岩伪顶；底板主要为黏土岩、粉砂岩和炭质粉砂岩。受火成岩破坏后，多孔可见山闪长玢岩形成煤层的顶底板。粉砂岩对煤层的瓦斯封堵较好，不利于瓦斯的逸散[9-10]。

3.3 岩浆岩分布对瓦斯赋存的影响

岩浆岩对矿区瓦斯含量的增加具有重要的控制作用。矿区岩浆岩发育会使煤得变质程度增加，加速瓦斯的形成；岩浆的烘烤作用、挤压作用会破坏了煤的原始裂隙系统，形成了“构造煤”带，岩浆侵入时作用得不均匀，会使煤层结构构造发生明显得带状变化，导致煤层渗透率也随之改变，从而达到控制了瓦斯的储存和运移的效果。例如在一个块段内，在岩浆岩体的两侧依次出现天然焦—高变质碎裂煤—构造煤—正常煤的分带现象，越靠近岩浆岩体，煤的变质程度越高。而低变质煤层，岩浆侵入会增加煤层的孔隙度，造成游离的瓦斯量增加，则煤层瓦斯涌出量会明显增大。

柳江煤矿地区岩浆岩侵入较发育，侵入岩体形态多呈岩墙、岩床状，并有分枝和岩瘤零星分散镶入围岩中，穿透能力强，切穿各可采煤层，使煤层局部被侵蚀破坏，靠近火成岩边缘煤层变质，形成天然焦，煤层变质呈天然焦状[11-13]。矿井已采区的瓦斯涌出量资料显示，凡是有岩浆岩侵入的区域，瓦斯涌出量也都相对增大。如老柳江矿3煤层，在岩浆岩附近，局部瓦斯涌出量达到2.2 m3/min，大于没有火成岩影响的正常值1.5 m3/min。

3.4 煤层埋深及上覆基岩厚度对瓦斯赋存的影响

煤层埋藏深度与瓦斯涌出量也是密切相关得。因为煤化作用的程度与煤层埋藏深度有直接联系，有成岩过程中瓦斯的生成和逸散也与煤层埋藏深度也相关。煤层随着埋藏深度的增加，透气性会逐渐降低，逸散减弱。而瓦斯压力则会随着埋深增大而增加。柳江煤矿煤层开采标高+124 m～-1 020 m，煤层瓦斯涌出量及瓦斯含量随埋深的增加将有增大趋势。

4 矿井瓦斯类型评价

柳江煤矿区瓦斯矿井，各煤层瓦斯含量均较低，瓦斯含量受地质构造影响较明显，在断层、褶皱及岩浆岩附近瓦斯含量明显增大，随着埋深的增加，瓦斯含量均有增大趋势，但均在4 m3/t以下。总体来说，各煤层瓦斯含量均在4.0 m3/t以下，根据《煤矿地质工作规定》中瓦斯类型划分标准，瓦斯类型为简单。

5 结论

柳江煤矿矿区总体来说，各煤层瓦斯含量均在4.0 m3/t以下瓦斯类型为简单，煤层中CH4含量为0.17～1.26 m3/t，平均0.64 m3/t，占16.02%～73.61%。甲烷含量较低，2煤层瓦斯含量0.64～1.20 m3/t，3煤层瓦斯含量0.22～1.02 m3/t。5煤层较3煤层瓦斯含量略高，为0.37～1.26m3/t。瓦斯含量受地质构造影响较明显，随着埋深的增加，瓦斯含量均有增大趋势。在断层、褶皱及岩浆岩附近，瓦斯含量明显增大。各煤层瓦斯含量最大1.26 m3/t，小于4 m3/t。

瓦斯是影响煤矿开采的重要因素。柳江煤矿地区瓦斯类型较简单，含量低，对于安全生产比较有利，但安全问题不可忽视，开采过程中应注意结合地质特征及分布规律的研究，合理施工，保证煤矿生产和矿工生命安全，合理利用瓦斯。