绿水洞煤矿煤层(成)气赋存与地质条件的关系

2005/9/12 14:29:19

　摘要　依据绿水洞矿井地质构造和煤层构造变形特征，对该矿煤层(成)气赋存运移规律进行了系统的分析，就该矿生产中煤层(成)气涌出及可能产生的动力现象进行了地质评价，认为在矿井深部仍存在沿岩层裂隙和溶洞发生煤层(成)气涌出的可能，田湾向斜东翼为全井田煤层(成)气突出危险程度最高的区域。
　　关键词　煤层气　瓦斯赋存　瓦斯涌出　矿井地质条件

THE RELATIONSHIP BETWEEN COALBED GAS OCCURRENCE AND
GEOLOGICAL CHARACTERISTICS IN LUSHUIDONG MINE
　　Wang Hongtu　Xuan Xuefu　Wang Changxian　He Jianming
　　(Department of Mining Engineering,Chongqing University)
　　Wu Houyun　Xiong Daoyu　Chen Wanguo　Xiong Shouxian　(Lushuidong mine,Sichuan)

　　Abstract　According to the in-situ observation and study of the mine geological structure and tectonic deformation of coal seam in Lushuidong mine,the occurrence and migration laws of coalbed gas in this mine are analyzed systematically,and the geological evaluation to the coalbed gas emission and possibility of dynamic phenomenon taking place in mine production is carried out.It is considered that the possibility of coalbed gas emission from cracks and cave of rockmass in depth of mine is stll existed,and the eastern flank of Tianwan syncline is the area with the highest hazard in burst of coalbed gas in whole mine field.
　　Keywords　coalbed gas;gas occurrence;gas discharge geological condition of coal mine

1　引言

　　绿水洞井田地处华蓥山复式背斜中段，南北长7 350 m，东西宽3 400 m，面积约25 km²。井田内可采煤层为K₁煤层，厚0.87～7.76 m，平均3.53 m，常发生分岔现象。至今矿井生产中虽尚未发生煤与瓦斯突出事故，但煤层(成)气涌出量相当大，被划为高瓦斯矿井。该矿煤层(成)气给生产带来的不利影响主要表现在煤层气从布置在煤层老底茅口组顶部灰岩中的运输系统巷道中大量涌出，迫使掘进工作不得不停止。因此弄清该矿地质条件与煤层(成)气的赋存关系对进一步认识和掌握煤层(成)气的运移、富集和涌出规律以及对该矿煤层(成)气的开发利用都具有重要意义。

2　地层条件与煤层(成)气赋存的关系

2.1　地层发育条件
　　井田内地表出露三叠系和二叠系，从新到老为：
　　雷口坡组(T₂l)、嘉陵江组(T₁j)、飞仙关组(T₁f)、长兴组(P₂c)、龙潭组(P₂l)、茅口组(P₁m)。龙潭组下部的K₁煤层上分层称K²₁煤层，下分层称K¹₁煤层，煤层分岔现象在井田东部较为常见。K₁煤层伪顶为灰色泥岩、炭质泥岩，厚0.05～0.35 m。直接顶板为灰色泥岩、砂质泥岩及钙质泥岩，平均厚度4.04 m。煤层直接底板为泥岩、细砂岩、铝土质泥岩，厚度7 m左右。老底为茅口灰岩，顶、底板岩层透气性差。
　　井田内岩溶陷落柱发育，且集中分布在F₁大断层的东盘。陷落柱内为泥、沙、砾石等充填物。目前发现陷落柱54个，其面积最小者为64 m²，最大者为6 000 m²，平均面积1 200 m²。陷落柱有利于邻近地段煤层气排放。
2.2　地层演变与煤层(成)气赋存的关系
　　龙潭煤组是在茅口组灰岩的古侵蚀面上沉积形成的，属海陆交互相含煤岩系。晚二叠世晚期，井田处于海相环境，沉积了一百多米厚的长兴组灰岩。
　　二叠纪末至三叠纪初，地壳上升遭受剥蚀，长兴组与飞仙关组呈假整合接触。由于侵蚀面距下伏K₁煤层远，因此对煤层中煤层气的自然排放无直接促进作用。
　　中生代期间，地壳稳定下降，仍以接受沉积为主。早、中三叠世，沉积了飞仙关组、嘉陵江组和雷口坡组，厚度上千米，以碳酸盐岩为主。井田内无上三叠统和侏罗系分布，但从区域地层发育情况可知，这些地层原是存在的，只是由于新生代强烈剥蚀而消失。另外，雷口坡组沉积之后，井田及其周围地区曾发生垂直上升运动，使雷口坡组遭受风化剥蚀，只是因为煤系上覆岩层厚度大，才对煤层中煤层气的排放没有影响。
　　按过去的观点，井田及整个川东地区的盖层变形发生于晚燕山期。现在有不少人认为，这次强烈的构造运动可能主要发生在喜山早期。无论发生在何时，这次构造运动结束了井田及其周围地区长期以来相对稳定和以沉积为主的地质历史，产生了以北北东向为主的褶皱、断裂格局。此后地壳运动主要表现为间歇性上升，导致井田在褶皱、断裂变形的基础上，煤系上覆岩层大量遭受风化剥蚀，井田南部煤层直接出露地表，给煤层气排放创造了条件。

3　地质构造条件与煤层(成)气赋存的关系

3.1　井田内地质构造
　　井田地质构造主体表现为北北东向(N30°～40°E)延伸的褶皱和断裂。褶皱为两个背斜和一个向斜，自东向西为：龙王洞背斜、田湾向斜、打锣湾背斜。它们均为倾伏斜歪褶曲，枢纽倾向北北东，轴面倾向南东东(表1)。

表1　褶曲两翼岩层产状

褶曲名称	东翼产状		西翼产状
褶曲名称	倾向	倾角	倾向	倾角
龙王洞背斜	SEE	13°～17°	NWW	50°～84°
田湾向斜	NWW	50°～84°	SEE	10°～40°
打锣湾背斜	SEE	10°～40°	NWW	15°～55°

　　井田内，褶曲形态与地势起伏一致，其中，龙王洞背斜核部地势最高，是井田东、西的分水蛉。
　　与褶曲轴平行延伸的走向断裂主要为逆断层，它们是F₁、F₂、F₁₃、F₁₈、F₁₄、F₁₅、F₁₆、F₁₉、F₂₀、矿F₃、矿F₄等。断面多朝NWW方向倾斜。龙王洞背斜西翼地层倾角最大，断层也最为发育，其落差一般几十米，其中以F₁规模最大，纵贯井田南北，落差达470～700 m。
　　走向断裂中，亦有部分正断层，如F₁₂、矿F₁、矿F₂等，但延伸较短，落差较小，很少超过20 m，在构造格局中居于次要地位。此外，井田内还有一组NNW(330°)向的断裂，如F₅、F₆延伸3 000 m左右，断面倾角大，近于直立，斜切龙王洞背斜和F₁断层等，并左行错动诸地质界线，最大水平错距在200 m左右。
3.2　构造的力学成因及其与煤层(成)气赋存的关系
　　井田构造变形表现为轴向NNE延伸的褶皱和三组不同运动学特征的断裂，从力学角度分析^［1］，这些构造变形主要反映了SEE—NWW方向的水平挤压应力场作用(σ₁近于水平，方位125°—305°左右；σ₂近于直立；σ₃近于水平，方位35°—215°左右)。背、向斜枢纽向NNE方向倾伏，表明挤压力在井田南部可能比在井田北部大。北北西走向的左行平移断层是由左行剪切破裂面进一步发展形成，其形成时间应较褶皱和走向断层稍晚，但仍属同一构造应力场作用的产物。至于走向正断层，规模甚小，可视为在背斜轴部纵张裂隙发展的产物，或后期地壳垂直上升运动的产物。
　　井田内的走向逆断层、左行平移断层、走向正断层分别属压性、扭性和张性结构面。一般认为^［2］，压性结构面构造封闭性好，有利于煤层气聚集；扭性结构面次之；张性结构面开放程度高，利于煤层气逸散。根据绿水洞井田的地质勘探资料，沿F₆左行平移断层破碎带附近地表有泉水成排分布，说明该断层是地下水循环运动的通道。这对附近煤层中煤层气的自然排放很有利。另外，在掘进茅口大巷时，常遇压性构造裂隙喷出煤层(成)气的现象，表明并非所有的压性结构面都具有构造封闭性好的特点。

4　井田内构造裂隙与煤层变形的现场考察

4.1　构造裂隙的现场观察
　　打锣湾背斜轴部563水平茅口运输主大巷规模较大的裂隙有5条，且多表现为裂隙破碎带。破碎带宽度大者可达1.5 m。各裂隙延伸方向大致与背斜轴线平行，平均走向39°；裂隙面倾向SE或NW，倾角较大，一般在70°左右。从岩石劈理化等特征分析，这类构造裂隙多属压性破裂结构面。在裂隙破碎带中，可见到黄泥充填物、岩溶和岩石风化褪色等现象。
　　由于裂隙中涌出煤层(成)气，说明这些裂隙交错贯通使煤层中的煤层气有了排放通道。至于过去采样测定，反映煤层(成)气中某些组分似与灰岩有一定成生联系，这可能是由于组分混杂的缘故。
4.2　煤层变形的现场观察
　　现场工作期间，对井下煤层出露点基本都作了观察，现简介如下：
4.2.1　在5631机巷的观察
　　该巷位于打锣湾背斜东翼靠近轴部。观察段长约50 m，可见煤层厚2.2 m，原生结构构造清楚，煤质坚硬，即便是在小断层处，煤层亦仅受轻微影响，层面产状82°∠18°。在No.1机巷碛头，遇小逆断层，导致顶板泥岩、炭质泥岩重复。主断面下盘煤层产生小褶曲，小褶曲核部煤层仍清楚保留层理特征，但煤中裂隙发育，较易碎。翼部煤层仍完整坚硬。在No.2机巷西帮，见煤层中有小逆断层，错断夹矸，断面旁侧构造牵引明显，断层对煤变形影响甚微，仅邻近断面2 cm左右，煤层呈片理构造；稍远，煤层就不再受断层影响，完整坚硬。
4.2.2　在5632工作面和机巷的观察
　　5632工作面位于打锣湾背斜西翼靠近轴部，构造简单。工作面斜长约140 m，顶板层面平直，出露煤层厚约3 m(未见底)，煤层结构完整、坚硬，夹矸有厚薄变化，仅一处见煤层为构造裂隙切割，但无明显错动，裂隙面两侧煤层无破碎变形。
4.2.3　在6113上分层风巷的观察
　　该风巷位于龙王洞背斜东翼靠近轴部附近。在No.1风巷东帮小断层点，见小型走向正断层，断层面产状109°∠39°～49°，走向延伸与巷道近于平行(图1)。剖面北端，上盘K²₁与直接底板——互层状薄层细砂岩、泥岩接触，断面发育5～10 cm宽的破碎煤层，煤呈片状或碎裂状；剖面南端，上盘顶板泥岩与下盘底板细砂岩、泥岩相接触，K²₁煤层断失。在No.2风巷碛头，K²₁厚80 cm左右，煤层中裂隙较发育，煤体坚硬。

1101.gif (5293 bytes)

图1　小型走向正断层

4.2.4　在6251工作面底部的观察
　　该工作面底部位于田湾向斜东翼，靠近F₁大断层。这里煤、岩层向西陡倾，倾角80°左右，是井田构造变形强烈地段。于工作面底部观察K₁煤层，厚约1.5 m左右。下部为落煤覆盖，所见部分煤松散易碎，大部分呈鳞片状，鳞片面为凹凸起伏的摩擦滑面。局部依稀可见煤层原生层理构造。
4.2.5　在6253机巷碛头的观察
　　6253工作面位于6251工作面下方。观察点构造仍处于田湾向斜东翼，但距F₁大断层较远。在碛头处见煤层近于直立，但煤体本身较为完整、坚硬，未发生明显构造变形，煤的原生条带状结构和层理构造清晰可见。
　　根据上述考察，整个井田K₁煤层构造变形程度较低，一般煤层原生结构、构造保留清楚，煤体较完整、坚硬。仅在靠近F₁大断层附近才有小范围较强烈的构造变形。

5　矿井煤层(成)气涌出及可能产生的动力现象的地质评价

　　绿水洞矿投产多年，现行开采区域内K₁煤层埋深多在400 m以上。到目前为止，该矿尚未发生过煤与瓦斯突出，瓦斯仅在掘进大巷穿过裂隙岩体时，才有大量涌出。从地质角度评价，这主要是由于K₁煤层构造变形弱，煤岩坚硬的缘故。一般认为^［3，4］，丙类或乙类软煤分层厚度大于15～20 cm时，才有突出危险，且软煤分层厚度越大，突出的危险性也就越大，完整坚硬、强度高的煤层，不易孕育突出。另外，从地层和井田地质构造特征看，由于煤层气具有一定排放条件，容易逸散到地表或集聚在围岩的裂隙或溶洞中，可能不易在K₁煤层中形成大的瓦斯压力梯度，这也是突出不易发生的原因。该矿建井初期遇见的大量裂隙煤层(成)气涌出现象，已从一个侧面反映了井田内地层与构造对煤层(成)气排放和聚集的影响。
　　绿水洞矿今后煤层(成)气的涌出及突出的危险性如何，这是深部开采需研究的一个重要课题。从地质角度看，本井田K₁煤层普遍变形程度低，煤层气有一定排放条件，现有开采水平附近，突出灾害不会很严重，但在局部地区和深部仍可发生大量煤层(成)气涌出，它可能仍来源于岩层裂隙和溶洞。
　　从观察的煤变形情况分析，今后矿井生产中若发生煤层(成)气突出，可能性最大的是在落差较大的断层(特别是走向逆断层)附近。这些地段由于煤层受断层影响，煤的变形程度可能较高，强度低，就成了突出相对易发生的地段。至于断距1 m以下的小断层，对煤的变形和强度影响不大，故一般突出危险性也不大。
　　就区域看，田湾向斜东翼为全井田突出危险程度最高的区域。因为该翼地层产状陡立，切割煤层的走向逆断层发育，为全井田构造变形强烈地段。这里煤体变形的厚薄变化相对井田的其它地段大，因而突出危险性也要相对大些。

6　结论

　　a.　由于本井田K₁煤层普遍变形程度低，煤层气有一定排放条件，就井田总体情况而言，预计煤与瓦斯突出灾害不会很严重。今后矿井生产中若发生突出，最可能突出的区域是在落差较大的断层，特别是走向逆断层附近。就区域来看，田湾向斜东翼为全井田突出危险程度最高的区域。并且随着矿井生产向深部发展，这种危险程度将加大。
　　b.　由于本井田存在围岩裂隙煤层(成)气，今后矿井生产中仍有可能发生来源于岩层裂隙和溶洞的大量煤层(成)气涌出。

　^*四川省“八五”重点科研项目研究内容
　　中国图书资料分类法分类号　TD712.2
　　作者简介　王宏图　男　38岁　博士　副教授　煤矿安全

作者单位：王宏图　鲜学福　王昌贤　贺建明　(重庆大学采矿工程系　400044)
　　　　　伍厚云　熊道渝　陈万国　熊守祥　(四川省华蓥市绿水洞煤矿　638651)

　　
参考文献
　[1]　陈瑞端.煤层瓦斯涌出规律及其深部开采预测的研究.重庆大学博士论文，1995：36～40
　[2]　俞启香.矿井瓦斯防治.徐州：中国矿业大学出版社，1992：15～17
　[3]　姚宝魁等.矿山岩体工程地质力学研究.北京：中国科学技术出版社，1993：195～200
　[4]　中国矿业学院瓦斯组.煤和瓦斯突出的防治.北京：煤炭工业出版社，1979：61～64

煤炭网版权与免责声明：

凡本网注明"来源：煤炭网www.coal.com.cn "的所有文字、图片和音视频稿件，版权均为"煤炭网www.coal.com.cn "独家所有，任何媒体、网站或个人在转载使用时必须注明"来源：煤炭网www.coal.com.cn "，违反者本网将依法追究责任。

本网转载并注明其他来源的稿件，是本着为读者传递更多信息的目的，并不意味着本网赞同其观点或证实其内容的真实性。其他媒体、网站或个人从本网转载使用时，必须保留本网注明的稿件来源，禁止擅自篡改稿件来源，并自负版权等法律责任。违反者本网也将依法追究责任。如本网转载稿件涉及版权等问题，请作者在两周内尽快来电或来函联系。