灵石矿区煤层瓦斯赋存影响因素分析

2023-08-08陈凤杰赵庆珍

煤炭与化工 2023年6期

陈凤杰，赵庆珍，张锐

（山西能源学院地质与测绘工程系，山西晋中 030600）

1 概况

灵石矿区属于霍西煤田，位于晋中市南部，矿区大部分在灵石县境内，北端在介休市境内，西接交口县，东以霍山断层为界，北以南同蒲铁路介休－义棠段南侧为界，南与霍州市、汾西县相邻。汾河贯穿矿区，汾河地堑将灵石矿区分为东、西两部分。区内出露沉积岩地层主要为寒武系、奥陶系中统峰峰组；石炭系上统本溪组、太原组；二叠系下统山西组、中统下石盒子组、中统- 上统上石盒子组；新近系上新统和第四系中上更新统[2]。主要含煤地层为太原组（C2t）和山西组（P1s），现主要开采9、10 号煤层，煤类主要为焦煤、肥煤。

灵石县位于山西台背斜的中部，处于吕梁块隆、沁水块坳、晋中新裂陷与临汾- 运城新裂陷4个Ⅳ级构造单元接壤部位，区内主要发育有祁吕弧形褶带东翼、晋中多字形构造、南北向断裂带、东西向构造形迹四大构造体系（图1）。祁吕弧形褶带东翼表现形式为NNE-NE 向扭性断裂及褶皱构造，褶皱规模大，延伸长，控制着本县的山川水系、地形地貌及矿产资源的分布。晋中多字形构造分布于牛角鞍—乔家山一带及石膏山—仁义—南关等地，为该构造体系西南端。由一系列走向NE-NEE 向断裂构造组成。南北向断裂带分布于西许以东，霍山西麓，东西宽约6 km，南北长约24 km，以走向NW 霍山断裂为主，由石膏山林场逆断层及其派生的数条小型逆断层组成。东西向构造形迹以NE 向背向斜形式产于石膏山一带太岳山群地层中。

图1 灵石县构造纲要图Fig.1 Structural outline of Lingshi County

2 煤层瓦斯含量

此次统计了灵石矿区瓦斯含量数据60 个，详见表1。灵石矿区煤层埋深整体较浅，大多小于300 m。主采煤层大部分位于瓦斯风化带内，煤层瓦斯含量及甲烷浓度均较低，为贫气区。瓦斯成分中CH4占5.95%～87.2%，平均29.34%；CO2占0.07%～56.96%，平均16.79%；N2占11.79%～83.16%，平均53.06%。9、10 号煤层瓦斯含量0.23～5.46 m3/t，平均2.28 m3/t；其中9 号煤层瓦斯含量0.56～4.22 m3/t，平均2.20 m3/t；10 号煤层瓦斯含量0.23～5.46 m3/t，平均2.36 m3/t。

表1 灵石矿区9 号、10 号煤层瓦斯含量Table 1 Gas content of No.9 and No.10 coal seams in Lingshi mining area

3 煤层瓦斯赋存影响因素分析

煤层瓦斯含量的影响因素主要有煤化程度及煤的显微组分、围岩透气性、地质构造、煤层埋藏深度等。

3.1 煤化程度及煤的显微组分

煤层中瓦斯形成首先取决于煤化作用程度和煤的显微组分。一般来说煤化程度增高，产生的气体增多。研究区最大镜质组反射率在1.53%～1.69%，处于焦煤变质阶段，该阶段热降解作用结束，热裂解作用下甲烷开始逐渐生成，由于处于中等变质阶段，此时煤层生烃量较为有限。

煤的显微组分中，壳质组产气能力强，镜质组产气能力中等，惰质组产气能力最低。同时煤的显微组分不同，也影响煤的甲烷吸附能力，在平均含有4～5 m3/t 甲烷的煤层中，壳质组吸附的瓦斯量相当于镜质组的1.5 倍，而惰质组吸附量相当于镜质组的0.6 倍左右。

研究区9 号、10 号煤的显微组分均以镜质组为主，主要为无结构镜质组；9 号煤中镜质组占57.7%～71.8%，平均66.79%；10 号煤中镜质组占62.7%～71.2%，平均67.78%；惰质组以丝质体和半丝质体为主，9 号煤中惰质组占23.9%～32.8%，平均28.3%；10 号煤中惰质组占19.3%～31.8%，平均26.16%。较多的镜质组，极少的壳质组，从显微组分角度来看，研究区煤层在产气能力和吸附气体量方面都没有明显优势。

3.2 围岩透气性

煤层顶、底板透气性对煤层瓦斯保存和逸散起着重要作用，透气性好的围岩如砂岩，有利于瓦斯的逸散；透气性差的围岩如泥岩、灰岩，则对煤层瓦斯起到很好的封闭作用。研究区9 号煤层主要为K2 石灰岩，致密、坚硬，稳定性好，底板为泥岩、砂质泥岩，节理裂隙不发育，较稳定；10 号煤层顶板主要为泥岩、砂质泥岩（即9 号煤层之底板），节理裂隙不发育，不稳定；底板为泥岩、砂质泥岩，较稳定。9、10 号煤层围岩主要为透气性较差的泥岩、灰岩，封闭性能较好，有利于瓦斯保存。

3.3 煤层埋藏深度

在影响煤层瓦斯含量的地质因素中，埋藏深度与瓦斯含量关系也较为密切。当煤系地层出露地表或被新的地层掩盖，煤层内的气体往往沿煤层向外逸散，造成由深至浅煤层瓦斯含量降低。对煤层瓦斯含量与埋藏深度进行分析，9 号煤层瓦斯含量受埋藏深度影响（图2），整体埋藏深度大，瓦斯含量较大，但其相关性不明显，可能是由于整体处于瓦斯风化带内，煤层埋藏深度不是煤层瓦斯赋存的主控因素；10 号煤层瓦斯含量随着埋藏加深呈现明显的逐渐变大的趋势（图3），相关性较好，埋藏深度是10 号煤层瓦斯赋存的主控因素。

图2 9 号煤层瓦斯含量与埋藏深度关系Fig.2 Relationship between gas content and burial depth of No.9 coal seam

图3 10 号煤层瓦斯含量与埋藏深度关系Fig.3 Relationship between gas content and burial depth of No.10 coal seam

3.4 地质构造

研究区构造体系中发育有较多断层构造，如祁吕弧形褶带东翼构造体系中的灵石断层、张家庄断层，晋中多字形构造中的郑家山断层、牛角鞍断层等均为正断层，逆断层则主要发育在矿区东南角，以石膏山林场逆断层为主要代表。整体而言，矿区断裂构造以正断层为主。研究区经历了快速埋藏、稳定埋藏、隆升、剥蚀、沉陷5 个阶段，晚侏罗世至早白垩世的快速隆升使得地层埋藏深度迅速减小，地层温压明显降低，生烃作用减弱；上覆地层遭受风化剥蚀，强烈的构造运动作用下断层大量形成，地层中节理裂隙发育，煤层中瓦斯在骤减的压力作用下发生解吸，并沿着断层、裂隙等通道发生逸散。