彝良向斜煤礦區瓦斯賦存特征

彝良向斜煤礦區瓦斯賦存特征

喬軍偉 張光超

（中國煤炭地質總局航測遙感局，陝西西安，710054）

摘要：通過對彝良向斜煤礦區主要可采煤層瓦斯含量的測定，分析了地質構造、埋藏深度、圍岩性質、煤層厚度及煤變質程度對瓦斯賦存的影響作用。研究了該區煤層瓦斯賦存規律，對東部煤層瓦斯含量異常區進行詳細的分析，並對其成因進行了初步探討，其結論對於該區後續煤礦開采具有重要的指導意義。

關鍵詞：彝良向斜；煤層瓦斯；賦存規律；影響因素

中圖分類號：TD712.72 文獻標識碼：A

0 引言

　　彝良向斜煤礦區位於雲南主要含煤區之一的滇東北。滇東北以二疊係含煤地層為主，為陸相沉積型含煤地層，其特點是含煤層數多，可采煤層較少，煤層厚度變化大[1]。受後期構造影響，含煤盆地分散，瓦斯含量變化大。地質勘探成果顯示，彝良向斜煤礦區含煤性較好，整體瓦斯含量較低，但局部瓦斯含量出現異常，為日後的煤炭開采埋下了極大地安全隱患。研究礦區煤層瓦斯的賦存特征對於進行突出區域性預測、防治煤與瓦斯突出具有重要的指導意義。

1 概況

　　在區域上礦區位於揚子地台西南部，川滇古陸核東南緣的滇東台褶帶、滇東北台褶束，屬彝良—洛旺複式向斜南翼。向斜長達120km以上，寬10～20km，軸跡平麵形態呈舒緩的“S”型，總體走向為NEE向。礦區地層傾角較大，沿地層走向呈陡-緩-陡-緩-陡的變化規律，西部一般50°~80°，東部一般20~45°。含煤地層為上二疊統宣威組，層厚度為166.22～227.54m，平均為178.33m，含煤層及煤線3-11層，含煤層數從西向東逐漸增多，單層最大厚度為4.86m，煤層總厚1.73～9.51m，含煤係數0.74～5.72%，含煤係數從西向東逐漸增大。

2 瓦斯含量分布規律

　　在地質普查中，為了查明礦區瓦斯含量的大小及分布規律，對鑽探所遇的可采煤層均采集瓦斯樣進行了現場解吸和實驗室瓦斯含量測定，並依據提鑽時間和煤層深度校正了瓦斯測試結果。為了提高瓦斯含量測定結果的可靠性，對於瓦斯罐密封不嚴的、瓦斯樣灰分大於40%的、水分過高的測試結果均進行了剔除。並依據煤樣工業分析中灰分和水分的含量，把瓦斯測試結果由幹燥無灰基轉換成空氣幹燥基，測試結果見表1。

　　由煤層瓦斯含量測試結果可以看出：整個礦區瓦斯含量一般較低，屬於低瓦斯礦區，但部分地段由於受構造等因素存在瓦斯局部富集區。瓦斯含量為0.92～11.75 m3/t，平均3.07 m3/t，大多低於5 m3/t。瓦斯含量自西向東呈帶狀分布，從西（001孔）向東（1201孔）呈高-低-高-低-高的變化規律，與地層產狀陡-緩-陡-緩-陡的趨勢相一致。礦區西部（802孔以西）瓦斯含量與煤層埋深和地層產狀關係較密切，具有較明顯的規律性變化；礦區東部（802孔以東）瓦斯含量變化較大，瓦斯含量與煤層埋深和地層產狀的關係不明顯，這主要是受礦區東部較多的揉皺和壓性封閉小斷層所影響。



　　表1 煤層瓦斯含量測試結果

Tab.1 Test result of coal-bed methane content

鑽孔號 煤層埋深

/m 氣體成分/m3·t-1 瓦斯含量

/m3·t-1 氣體濃度/%

N2 CO2 CH4 C2-C3 N2 CO2 CH4 C2-C3

001 1020.6 4.46 0.15 4.96 0.05 5.01 46.36 1.56 51.56 0.52

101 358.7 6.34 0.25 1.99 0.01 2.00 73.81 2.91 23.17 0.12

301 369.6 3.43 0.43 1.43 0.09 1.52 63.75 7.99 26.58 1.67

401 135.8 2.61 0.24 1.21 0.01 1.22 64.13 5.90 29.73 0.25

501-1 277.1 6.18 0.17 4.18 0.07 4.25 58.30 1.60 39.43 0.66

601 472.5 7.11 0.67 4.35 0.01 4.36 58.57 5.52 35.83 0.08

802 699.8 5.06 0.14 2.48 0.32 2.80 63.25 1.75 31.00 4.00

1001 450.1 6.34 0.32 0.90 0.02 0.92 83.64 4.22 11.87 0.26

446.9 6.16 0.12 1.00 0.01 1.01 84.50 1.65 13.72 0.14

475.1 9.03 0.17 1.34 0.01 1.35 85.59 1.61 12.70 0.09

1102 935.7 2.29 0.08 4.69 0.06 4.75 32.16 1.12 65.87 0.84

1201 502.5 2.56 0.75 1.01 0.08 1.09 58.18 17.05 22.95 1.82

513.0 2.20 0.13 11.64 0.11 11.75 15.63 0.92 82.67 0.78

517.2 2.52 2.00 0.82 0.12 0.94 46.15 36.63 15.02 2.20

3瓦斯組分與風化帶關係

　　礦區構造運動強烈，地層傾角較大，煤層長期遭受風化剝蝕作用，造成大量瓦斯逸散，瓦斯含量較低，埋深600-700m仍屬瓦斯風化帶。鑽孔瓦斯樣的解吸測試結果表明，煤層的自然瓦斯成分由甲烷、氮氣、二氧化碳、和重烴組成。N2濃度平均為58.45%，CH4濃度平均為33.01%，CO2濃度平均為6.46%，重烴濃度平均為0.96%。受鑽孔位置所限，瓦斯樣大多分布在煤層埋藏較淺的地區，使得測試結果N2濃度總體較高而CH4濃度總體較低。在平麵分布上，煤層瓦斯成分隨煤層埋深由淺而深表現較明顯的分帶性。淺部主要表現為CO2- N2帶及CH4- N2帶，成分以CO2、N2為主，CH4濃度一般小於50%；深部逐漸過渡為N2-CH4帶及CH4帶，CH4濃度最高可達82.67%。從礦區中部由淺至深的三個鑽孔（1001、802、1102孔）的瓦斯成分分析資料可以看出：N2 和CO2在淺部分別為84.58%和2.49%，中部為63.25%和1.75%，深部降為32.16%和1.12%；而CH4在淺部為12.76%，中部為31.00%，深部升為65.87%，自然瓦斯成分的這一規律在全礦區具有普遍性。

4 賦存條件

　　瓦斯的形成與成煤物質和成煤過程有著密切聯係，成煤作用本身就是各種地質作用的綜合結果。瓦斯是各種地質因素綜合作用的產物，其賦存和分布受地質條件的影響和製約[2-3]。

4.1地質構造

　　地質構造是所有地質因素中最為重要而直接的控氣因素。地質構造既可改變煤層賦存形態及煤體結構，又可改變煤層圍岩透氣性能[4-5]。褶曲使煤層在背斜、向斜軸部增厚，翼部變薄，褶曲發育部位多為厚煤層區段，同時也呈小斷裂發育。煤厚發生變化使瓦斯釋放運移、集聚條件相應改變，褶曲軸部煤層瓦斯含量成倍增長，瓦斯壓力增大，瓦斯湧出量增高。斷裂構造對瓦斯形成後的運移、賦存與分布起著直接控製作用。

　　礦區以褶皺構造為主，斷裂構造次之。以細沙河一道角為界，以西屬彝良向斜，以東則處於洛旺向斜的西部揚起端。礦區西部主體控煤構造為北傾南翹的單斜構造，地層傾角較大，一般50~80°，裂隙發育，岩石較為破碎；東部主體控煤構造為向斜構造，主體應力為近南北向的擠壓，地層傾角相對較小，一般為20~45°，岩石較完整，主要發育壓性封閉小斷層。主要控煤斷裂分布於礦區東部細沙河一帶，處於彝良向斜南翼和洛旺向斜轉折端的交接部位，對煤層的破壞較大。

　　壓性封閉小斷層有利於煤層瓦斯的儲存，小斷層附近往往是瓦斯局部富集的區域。據調查，位於主控斷裂附近的多個小煤礦（已關閉）均發生過瓦斯爆炸事故。在地質普查工作中，1102、1201鑽孔中均有隱伏逆斷層出現，這兩孔的瓦斯含量均明顯高於其他孔。這表明：礦區東部受近南北向的擠壓，逆斷層發育，煤層在剪切破壞作用下使得微孔隙、微裂隙發育，大大增加了煤的比表麵積，使煤對瓦斯的吸附能力大大增強；同時由於斷距小，延伸短，不容易與地表連通，裂隙的連通差，形成良好的瓦斯儲存環境。即構造擠壓活動使煤層同時具有高吸附瓦斯能力和封存瓦斯能力，故極易使逆斷層部位出現瓦斯富集。

4.2 煤層埋深

　　埋深與煤層瓦斯含量關係密切。煤層埋藏越深，地層壓力越大，使得煤層中的瓦斯更容易吸附到煤孔隙的表麵上，相應的煤孔隙中能賦存更多的瓦斯。由於地層壓力增大，使煤層與岩孔隙度減小，孔隙的連通性和滲透率降低，加大了瓦斯向地表運移的難度，有利於瓦斯的富集。對礦區瓦斯含量和煤層埋深進行相關性分析，結果如下：

圖1 瓦斯含量與煤層埋深的關係

Fig.1 The relationship between coal-bed methane content and burial depth

　　埋深與煤層瓦斯含量關係密切相關，該區200m以淺煤層瓦斯基本沒有分布，200m-500m為煤層瓦斯富集帶，深部煤層瓦斯含量明顯減少。200m以淺由於接近煤層露頭，瓦斯大量逸出，瓦斯含量維持在一個很低的水平。在不受地質構造影響的區域，埋深500m以淺瓦斯含量大多為1~4m3/t，煤層的瓦斯含量隨深度基本呈線性增加。中深部煤層瓦斯含量的遞增梯度變化較大，由於煤層間多為致密泥岩間隔，瓦斯含量差異較大。另外，瓦斯含量隨埋深增加而增加的梯度逐漸減小，當埋深到達一定深度後，由於地層壓力增大，地溫增高，煤的吸附能力相對變差，瓦斯含量與埋深的線性關係又趨不明顯，乃至趨於穩定，即瓦斯含量在一定儲層壓力條件下處於含氣飽和狀態。

4.3 煤層圍岩

　　煤層圍岩主要指煤層直接頂、老頂和直接底板等在內的一定厚度範圍的層段。圍岩對煤層區域瓦斯賦存的影響，決定於頂底板岩性及其透氣性的強弱。頂板岩層越疏鬆、顆粒及孔隙度越大，越利於瓦斯運移逸散[6]。反之，瓦斯易於保存，煤層瓦斯含量就越大。

　　據鑽孔揭露資料，C5煤層直接頂均為泥岩或者炭質泥岩，老頂以粉砂質泥岩、泥質粉砂岩為主，局部為粉砂岩、細粒砂岩。直接底板以泥岩、炭質泥岩為主，局部為泥質粉砂岩、粉砂質。泥岩及炭質泥岩的透氣性能較差，阻斷了煤層中裂隙的延伸，不利於瓦斯的滲透和運移，相應地有利於瓦斯的儲存和富集，這也是造成區內瓦斯含量局部出現異常的重要原因之一。

4.4 煤層厚度

　　煤層既是瓦斯生成的物質基礎，又是瓦斯賦存的重要介質條件，煤層越厚，產生的氣體總量越大，二者呈正比例關係；由菲克定律和質量平衡原理建立的煤層甲烷擴散的數學模型可知，在初始條件相似的情況下，煤儲層厚度越大，達到中值濃度或擴散終止所需時間就越長，即越有利於瓦斯的保存。

　　礦區內主采煤層分布較穩定，煤厚變化較大，主要表現為厚薄煤帶相間分布。西部煤層厚度沿走向表現較為明顯，東部煤層厚度沿傾向尤其明顯。整體來看，礦區西部含煤2~9層，可采煤層1層，煤層總厚1.73m~4.43m，平均2.68m，含煤係數0.74%~2.39%；東部含煤3~9層，可采煤層1~3層，煤層總厚3.13m~9.51m，平均5.76m，含煤係數1.50%~5.72%。瓦斯含量與煤層厚度的變化呈現相對應的規律性變化（見圖2），東部煤層瓦斯含量明顯高於西部。由於東部存在局部厚煤帶，造成瓦斯含量相對較高，如1201鑽孔煤層總厚9.51m，C5煤層厚3.73m，瓦斯含量高達11.75 m3/t，煤層厚度和瓦斯含量均遠高於礦區的平均值。

圖2 瓦斯含量與煤層厚度的關係

Fig.2 The relationship between coal-bed methane content and coal seam thickness

4.5 煤變質程度

　　煤變質程度越高，煤在形成過程中瓦斯的生成量越大，煤中微孔和小孔所占的比例越大。由於瓦斯主要吸附於微孔的內表麵中，煤變質程度的增高使得煤對瓦斯的吸附能力增強，因此，變質程度高是瓦斯生成和富集的有利條件。在煤化作用過程中，不同顯微組分的生氣曆史及生氣貢獻有所不同，殼質組、鏡質組、惰質組最終成烴效率比約為3.3:1.0:0.8，即相同演化條件下惰質組產氣率最低，鏡質組居中，殼質組最高。貧煤階段瓦斯的累積生成量為295~ 330m3/t[7]。

　　經采樣測試，礦區主采煤層鏡質組含量48.3%～68.6%，平均56.05%；鏡質組平均最大反射率Romax為2.18~2.30，其變質程度相當於貧煤變質階段；受煤變質程度加深的影響，殼質組已無法辨認。因此，礦區煤化作用過程中生成了大量的瓦斯，理論上瓦斯含量應當較高，但在煤係的後期改造過程中，由於煤層產狀較陡，運移條件好，大部分瓦斯已逸散。煤層瓦斯含量和分布的差異，主要取決於瓦斯生成後的保存條件。

　　　5 賦存規律

　　煤層厚度、煤變質程度對瓦斯生成量具有決定性作用，礦區內高變質程度的貧煤為大量瓦斯的形成提供了條件。在後期地質演化過程中造成礦區地層傾角較大，含煤地層受構造的破壞使瓦斯大量散逸，現階段瓦斯的賦存和分布特征受地質構造、圍岩及埋深等條件的控製。彝良向斜煤礦區為低瓦斯礦區，主要原因是後期的構造運動造成了瓦斯的大量散逸，但是由於受壓性封閉小斷層和圍岩的影響存在瓦斯局部富集區。彝良向斜煤礦區整體的瓦斯賦存規律如下：

　　（1）瓦斯含量自西向東呈高-低-高-低-高的變化規律，西部瓦斯含量低於東部；

　　（2） 煤層由淺至深，N2、CO2濃度逐漸降低，CH4逐漸升高，深部CH4濃度可達82.67%；

　　（3）西部瓦斯含量主要受煤層埋深的控製，東部主要受壓性封閉小斷層的控製；

　　（4）煤層厚度越大瓦斯含量越高，東部厚煤帶為礦區瓦斯含量的最高區。

6 結論

　　整體來看，礦區的瓦斯含量隨埋深的增加而增加，煤層瓦斯成分隨煤層埋深由淺而深表現為較明顯的分帶性。受地質構造及煤層厚度等因素的影響，西部煤層瓦斯含量整體低於東部，但隨埋深增加而增加的趨勢較明顯；東部受較多壓性封閉小斷層的影響，瓦斯含量沿走向、傾向變化均較大，受圍岩滲透性的影響，相鄰僅隔數米的不同煤層的瓦斯含量出現較大差異，特別是礦區東部1201孔C5煤層的瓦斯含量遠高於礦區瓦斯含量的平均值。因此，在下一步的地質工作中，應加強礦區西部煤層深部及礦區東部斷層附近及厚煤帶地段的瓦斯含量測試，為以後地勘項目工作提供建議，對滇東北地區煤炭資源開發提供安全保障。

參考文獻 References

[1] 王朝棟．雲南煤層氣資源分布及勘探開發前景[J]．中國工程科學，2005，09（7）：275-277

Wang Chaodong. Distribution and Perspective of Exploration and Exploitation of Yunnan's Coal Bed Methane resource[J]. Engineering Science,2005,09(7):275-277

[2] 張子敏，張玉貴．瓦斯地質規律與瓦斯預測[M]．北京：煤炭工業出版社，2005．

Zhang Zimin, Zhang Yugui. The Gas-geology Law and Gas Forecasting[M].beijing: Coal Industry Press, 2005.

[3] 吳基文，趙誌根，程新明．影響海孜煤礦煤層瓦斯賦存特征的地質因素分析[J]．西安科技大學學報，2003，9（3）：264-266

Wu Jiwen, Zhao Zhigen, Cheng Xinming. Analysis of geologic influence factor of coal seam gas hosting in Haizi Coal Mine[J]. Journal of Xi’an University of Science and Technology, 2003, 9(3):264-266

[4] 李鵬，趙延湘，周繼禎．鄂莊煤礦瓦斯地質規律研究及治理措施[J]．煤礦安全，2004，35（2）：8-10．

Li Peng, Zhao Yanxiang,Zhou Jizhen. Ezhuang Coal Mine Gas Geological Law and Treatments[J]. Safety In Coal Mines, 2004,35(2):8-10

[5]徐滿貴，馬正恒，鄒憬．焦坪礦區南部瓦斯構造控製規律[J]．西安科技大學學報，2010，9（5）：513-517

Xu Mangui, Ma Zhengheng, Zou Jing. Gas structure controlling laws in Jiaoping southern mining area[J]. Journal of Xi’an University of Science and Technology, 2010,9(5):513-517

[6] 湯友誼，王言劍．煤層瓦斯含量預測方法研究[J]．焦作工學院學報，1997，16（2）：68-72．

Tang Youyi, Wang Yanjian.A Prediction Method of Gas Content in Coal Seams[J], Journal of Jiaozuo Institute of Technology,1997,16(2):68-72.

[7] 韓德馨．中國煤岩學[M]，徐州：中國礦業大學出版社，1996．

Han Dexin. China's coal petrology[M],Xuzhou: Journal of China University of Mining,1996.

The coal bed methane deposit law in Yiliang syncline coal mining

Qiao-junwei, Zhang-guangchao

(Aerial Photogrammetry and Remote Sensing Bureau, Xi'an 710054, China)

Abstract: Though testing the coal-bed methane content of main coal bed in Yiliang syncline coal mining, obtained the factors influencing the coal-bed methane content is geological structures, burial depth, the nature of rock, coal seam thickness, coal rank. Analyzed the coal-bed methane occurrence regularity and coal-bed methane abnormal area on the eastern section, and investigated the causes of formation. The conclusion is a great guiding significance for the follow-up coal mining.

Key words: Yiliang syncline, coal-bed methane, occurrence regularity, influence factors