焦作矿区冯营矿二_1煤瓦斯赋存的主控因素

第２１卷第１１期　２０１２年１１月中　国　矿　业ＣＨＩＮＡ　ＭＩＮＩＮＧ　ＭＡＧＡＺＩＮＥ　Ｖｏｌ．２１，Ｎｏ．１１Ｎｏｖ．　２０１２　矿业纵横　焦作矿区冯营矿二１煤瓦斯赋存的主控因素研究冯　斌１，张小东２，李文前１，郭新体１（１．河南省地质矿产勘查开发局第十一地质队，河南商丘４７６０００；２．河南理工大学能源科学与工程学院，河南焦作４５４０００） 摘　要：基于定性分析与定量研究相结合，探讨了焦作矿区冯营矿的井田构造地质条件、水文地质条件和围岩岩性，以及煤层厚度、埋深和顶底板岩性等因素对瓦斯赋存的影响。

通过数理统计的方法，获得了上覆基岩厚度、煤厚与瓦斯含量的回归方程，并对回归方程进行了显著性检验。

研究结果表明，水文地质条件对矿井瓦斯总体分布具有控制作用，而地质构造、煤厚、上覆基岩厚度和顶底板岩性是冯营井田瓦斯含量的局部性差异的主控因素。

关键词：冯营矿；瓦斯；回归分析；控气因素 中图分类号：Ｐ６１８．１１；ＴＤ７１２＋．２ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００４－４０５１（２０１２）１１－０１１６－０５Ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｆａｃｔｏｒｓ　ｉｎ　ｇａｓ　ｏｃｃｕｒｒｅｎｃｅ　ｏｆ　Ｎｏ．Ⅱ１ｃｏａｌ　ｓｅａｍ　ｉｎＦｅｎｇｙｉｎｇ　ｃｏａｌｍｉｎｅ　ｏｆ　Ｊｉａｏｚｕｏ　ｍｉｎｅ　ａｒｅａＦＥＮＧ　Ｂｉｎ１，ＺＨＡＮＧ　Ｘｉａｏ－ｄｏｎｇ２，ＬＩ　Ｗｅｎ－ｑｉａｎ１，ＧＵＯ　Ｘｉｎ－ｔｉ　１（１．Ｔｈｅ　Ｅｌｅｖｅｎｔｈ　Ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ　Ｔｅａｍ　ｏｆ　Ｈｅｎａｎ　Ｇｅｏｌｏｇｙ　ａｎｄ　Ｍｉｎｅｒａｌ　Ｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎａｎｄ　Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　Ｂｕｒｅａｕ，Ｓｈａｎｇｑｉｕ　４７６０００，Ｃｈｉｎａ；２．Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｅｎｅｒｇｙ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈｅｎａｎ　Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｊｉａｏｚｕｏ　４５４０００，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｑｕａｌｉｔａｔｉｖｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ａｎｄ　ｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅ　ｒｅｓｅａｒｃｈ，ｔｈｅ　ｆａｃｔｏｒｓ　ａｆｆｅｃｔｉｎｇ　ｇａｓ　ｏｃｃｕｒｒｅｎｃｅ，ｗｈｉｃｈ　ｉｎｃｌｕｄｅｄ　ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ，ｈｙｄｒｏｌｏｇｉｃａｌ　ｇｅｏｌｏｇｙ，ｂｕｒｉａｌ　ｄｅｐｔｈ　ａｎｄ　ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ　ｏｆ　ｃｏａｌ　ｓｅａｍｓ，ｌｉｔｈｏｌｏｇｙ　ｏｆ　ｒｏｏｆ　ａｎｄ　ｆｌｏｏｒ　ｒｏｃｋｓ，ｈａｄ　ｂｅｅｎ　ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ｂｙ　ｕｓｉｎｇ　ｓｔａｔｉｓｔｉｃａｌ　ｍｅｔｈｏｄｓ，ｔｈｅ　ｒｅｇｒｅｓｓｉｏｎ　ｅｑｕａｔｉｏｎｓ　ｏｆｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ　ａｍｏｎｇ　ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ　ｏｆ　ｃｏａｌ　ｓｅａｍｓ，ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ　ｏｆ　ｏｖｅｒｌｙｉｎｇ　ｂｅｄｒｏｃｋ　ａｎｄ　ｇａｓ　ｃｏｎｔｅｎｔ　ｗｅｒｅ　ｇａｉｎｅｄ　ａｎｄｔｈｅ　ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｒｅｇｒｅｓｓｉｏｎ　ｅｑｕａｔｉｏｎｓ　ｗｅｒｅ　ｔｅｓｔｅｄ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈｅ　ｈｙｄｒｏｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ　ｉｓｔｈｅ　ｍａｉｎ　ｆａｃｔｏｒ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｒｅｇｉｏｎａｌ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ｇａｓ　ｏｃｃｕｅｒｅｎｃｅ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｏｔｈｅｒ　ｆａｃｔｏｒｓ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ　ｏｆ　ｃｏａｌ　ｓｅａｍｓ　ａｎｄ　ｏｖｅｒｌｙｉｎｇ　ｂｅｄｒｏｃｋ，ａｎｄ　ｌｉｔｈｏｌｏｇｙ　ｏｆ　ｒｏｏｆ　ａｎｄ　ｆｌｏｏｒ　ｒｏｃｋｓ，ｈａｖｅ　ｇｒｅａｔｅｒ　ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｏｎ　ｌｏｃａｌ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　ｏｆ　ｃｏａｌ　ｓｅａｍ　ｇａｓ　ｉｎ　ｓｔｕｄｙ　ａｒｅａ． Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：Ｆｅｎｇｙｉｎｇ　ｍｉｎｅ；ｇａｓ；ｒｅｇｒｅｓｓｉｏｎ　ａｎａｌｙｓｉｓ；ｃｏｎｔｒｏｌ　ｆａｃｔｏｒｓ　ｉｎ　ｇａｓ收稿日期：２０１２－０６－１７基金项目：国家自然科学基金项目资助（编号：４１０７２１１３），中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室开放基金项目资助（编号：ＳＫＬＣＲＳＭ１０ＫＦＢ０１）作者简介：冯斌（１９７５－），男，江西临川人，高级工程师，河南省地质矿产勘查开发局第十一地质队总工程师，长期从事地质勘查、水工环工作。

Ｅ－ｍａｉｌ：１３７００７０９２７６＠１６３．ｃｏｍ。

焦作矿区位于河南省西北部，是我国优质无烟煤的产出基地之一。

同时，焦作矿区也是我国煤与瓦斯突出最为严重的矿区之一［１］。

经过百余年的开采，焦作矿区许多老矿井井田内的煤炭资源已枯竭或近于枯竭。

冯营煤矿作为一个资源近于枯竭的矿井，于２００１年２月实行政策性破产重新组建，目前主要以开采原矿井剩余煤炭资源为主。

该矿自１９６２年２月投产至今，已发生３次煤与瓦斯突出，单次突出煤量最小２４ｔ，最大２６０ｔ。

自建井至今，该矿每年要投入大量的人力和物力用于防治瓦斯灾害事故的发生。

本文在分析冯营井田煤层产出的地质构造背景的基础上，探讨了地质构造、埋深、煤厚以及顶底板岩性对瓦斯赋存的影响规律。

采用定性与定量相结合的分析方法，对研究区瓦斯含量的主控因素进行了分析，以期为冯营矿的瓦斯灾害防治提供指导和借鉴。

第１１期冯　斌，等：焦作矿区冯营矿二１煤瓦斯赋存的主控因素研究１　井田地质构造特征焦作煤田位于太行山隆起带的东南缘。

地层走向ＮＥ～ＳＷ，倾向ＳＥ，倾角１０°～２５°，一般为１２°。

区内以断裂构造为主，褶皱构造不发育，总体为一倾向南东的单斜构造，仅在矿区南部见有小型宽缓向斜。

断裂构造主要以高角度正断层为主，按走向主要有ＮＥ、近ＥＷ、ＮＷ向三组，尤以ＮＥ向最发育。

断裂构造的切割，使得整个煤田被划分为多个大小不等的块段，不仅控制着煤层的分布与赋存特征，而且形成了矿区或井田的自然边界。

冯营井田位于焦作煤田东部，其南部的九里山断层、东部的冯营断层形成井田的自然边界。

受两大断层的影响，井田内大中型断裂构造较发育，且依次派生、伴生的小断层也特别发育，均为高角度的正断层。

井田总体为一向南偏东倾斜的单斜构造，大中型褶皱构造不发育，局部小褶曲的发育及揉搓作用，使得煤层顶板滑动面发育，煤体强度减弱，煤层的原有的层理构造与孔裂隙系统遭到破坏，增大了瓦斯在煤体中运移的难度，进而影响了井下瓦斯抽采。

２　煤层及瓦斯分布特征２．１　煤层区内含煤地层为二叠系下统山西组和石炭系上统太原组，煤系地层总厚１８７．２ｍ，共含煤１０～１１层，煤层总厚１４．１５ｍ，含煤系数３．０４％。

其中，含可采与局部可采煤层３层。

山西组的二１煤为区内主要可采煤层，也是本次研究的主要目的层；太原组的一２、一５煤局部可采。

二１煤厚度变化较大，以中厚～厚煤层为主，均厚４．２０ｍ。

在井田西部，受成煤过程中的沉积基底沉积基底凹凸不平，以及沉积期后的水流冲刷和构造挤压等作用，可见薄煤带或无煤带。

二１煤煤层结构大部分地段较简单，仅在１５～１７勘探线，因受成煤过程中的聚煤坳陷基底不均衡沉降影响，煤层结构复杂，常出现分岔现象。

２．２　煤岩、煤质二１煤的宏观煤岩成分以亮煤为主，暗煤次之，夹丝炭和镜煤透镜体或线理状镜煤。

宏观煤岩类型以光亮－半亮型煤为主，有少量的半暗型和暗淡型煤。

显微组成中，有机组分含量较高，一般大于８６％，其中绝大多数为镜质组，一般占总组成的８０％以上，占有机组分的９０％以上，其中主要是无结构镜质体。

惰性组含量较少，一般小于有机显微组分的１０％，主要为丝质体。

无机组分中以黏土矿物为主，含少量碳酸盐和硫化物。

镜煤最大反射率３．４６％，为无烟煤二～三号。

二１煤岩煤质一览情况见表１。

表１　二１煤煤岩煤质一览表产出层位Ｒｏ，ｍａｘ／％宏观煤岩类型煤岩显微组分组成／％工业分析镜质组壳质组惰质组矿物ＭｔＭａｄＡｄＶｄａｆＰ１Ｓ３．４６光亮－半亮型８０．１　６．６　１３．３　４．０５　２．０３　９．６１　７．１５ 二１煤属于低水、低灰、特低硫、低磷、抗碎强度高、可选性好、热稳定性能好、高灰熔性、中高发热量的无烟煤。

２．３　瓦斯分布特征本次研究收集到的含气量资料共计３３组，其中：通过煤田勘探钻孔取芯测得的含气量数据２１组，井下钻孔煤芯取样测得的瓦斯含量９组。

另外，根据瓦斯压力换算得到的瓦斯含量有３组（瓦斯含量与压力的关系见图１）。

在埋深１８０～５７５ｍ的范围内，含气量分布在３．８３～２５．９６ｍ３／ｔ之间。

就整个井田而言，自西北向东南，瓦斯含量有增大的趋势。

同一断块内，距离断裂带越近，含气量越小；在断层尖灭端附近，含气量往往较大．深部断块的含气量高于浅部。

在断层的薄煤带、煤层分岔带的瓦斯含量往往较低，瓦斯的气体组成中，甲烷浓度较低。

根据瓦斯含量和井下瓦斯压力的测试结果，发现在断层延展方向上，瓦斯含量和瓦斯压力呈带状分布：沿煤层走向，靠近矿井东部的ＮＷ向倾向断层，瓦斯减小，瓦斯压力由０．９ＭＰａ降低到０．５ＭＰａ以下，瓦斯含量由１６～２０ｍ３／ｔ·ｒ降低到１５ｍ３／ｔ·ｒ以下。

图１　瓦斯压力与瓦斯含量的关系７１１中国矿业第２１卷３　瓦斯赋存的影响因素影响瓦斯赋存的因素很多，不同的井田其主控因素不同。

所有含气量数据中，ＣＨ４气体浓度小于８０％的或瓦斯含量小于５．０～７．０ｍ３／ｔ·ｒ（研究区为无烟煤），属于瓦斯风化带以上，本研究中不予考虑（共９个）。

另外，在探讨相关因素对瓦斯含量的影响时，也要对瓦斯含量测试点的构造条件、煤厚是否异常、顶底板岩性的封闭性优劣程度等进行可适性分析。

３．１　断裂构造对瓦斯富集的影响区域构造背景对瓦斯区域性分布特征具有重要的控制作用，而井田构造断裂构造的分布及其力学性质是控制瓦斯赋存及运移的重要地质因素［２］。

一般而言，压性断裂构造的封闭性及其形成过程中的挤压揉搓作用，使得煤体结构遭到破坏，原始的裂隙系统发生破坏，造成了瓦斯逸散的难度，从而有利于瓦斯的聚集；而张性断裂构造的开放性，有利于增大煤岩体的透气性，使得瓦斯沿着断裂面运移，不利于瓦斯富集。

另外，同一构造的不同部位对煤层气的富集和运移的作用关系也是有差异的［３］。

冯营井田总体属于一单斜构造，大中型褶皱构造不发育，仅可见次级小型褶皱，形成一系列小型宽缓的背斜和向斜。

井田中大型断裂构造发育，均为高角度正断层。

区内主要断层的不同部位的钻孔含气量分布见表２。

由表２可知，断裂带尖灭断的瓦斯含量往往较高，断层上盘含气量一般小于下盘。

其中，距离断层的上盘越近，含气量越低，并且气体组成中的甲烷浓度下降，距离断裂的下盘越近，含气量越高。