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彝良向斜煤矿区瓦斯赋存特征
乔军伟 张光超
（中国煤炭地质总局航测遥感局，陕西西安，710054）
摘要：通过对彝良向斜煤矿区主要可采煤层瓦斯含量的测定，分析了地质构造、埋藏深度、围岩性质、煤层厚度及煤变质程度对瓦斯赋存的影响作用。研究了该区煤层瓦斯赋存规律，对东部煤层瓦斯含量异常区进行详细的分析，并对其成因进行了初步探讨，其结论对于该区后续煤矿开采具有重要的指导意义。
关键词：彝良向斜；煤层瓦斯；赋存规律；影响因素
中图分类号：TD712.72 文献标识码：A
0 引言
彝良向斜煤矿区位于云南主要含煤区之一的滇东北。滇东北以二叠系含煤地层为主，为陆相沉积型含煤地层，其特点是含煤层数多，可采煤层较少，煤层厚度变化大[1]。受后期构造影响，含煤盆地分散，瓦斯含量变化大。地质勘探成果显示，彝良向斜煤矿区含煤性较好，整体瓦斯含量较低，但局部瓦斯含量出现异常，为日后的煤炭开采埋下了极大地安全隐患。研究矿区煤层瓦斯的赋存特征对于进行突出区域性预测、防治煤与瓦斯突出具有重要的指导意义。
1 概况
在区域上矿区位于扬子地台西南部，川滇古陆核东南缘的滇东台褶带、滇东北台褶束，属彝良—洛旺复式向斜南翼。向斜长达120km以上，宽10～20km，轴迹平面形态呈舒缓的“S”型，总体走向为NEE向。矿区地层倾角较大，沿地层走向呈陡-缓-陡-缓-陡的变化规律，西部一般50°~80°，东部一般20~45°。含煤地层为上二叠统宣威组，层厚度为166.22～227.54m，平均为178.33m，含煤层及煤线3-11层，含煤层数从西向东逐渐增多，单层最大厚度为4.86m，煤层总厚1.73～9.51m，含煤系数0.74～5.72%，含煤系数从西向东逐渐增大。
2 瓦斯含量分布规律
在地质普查中，为了查明矿区瓦斯含量的大小及分布规律，对钻探所遇的可采煤层均采集瓦斯样进行了现场解吸和实验室瓦斯含量测定，并依据提钻时间和煤层深度校正了瓦斯测试结果。为了提高瓦斯含量测定结果的可靠性，对于瓦斯罐密封不严的、瓦斯样灰分大于40%的、水分过高的测试结果均进行了剔除。并依据煤样工业分析中灰分和水分的含量，把瓦斯测试结果由干燥无灰基转换成空气干燥基，测试结果见表1。
由煤层瓦斯含量测试结果可以看出：整个矿区瓦斯含量一般较低，属于低瓦斯矿区，但部分地段由于受构造等因素存在瓦斯局部富集区。瓦斯含量为0.92～11.75 m3/t，平均3.07 m3/t，大多低于5 m3/t。瓦斯含量自西向东呈带状分布，从西（001孔）向东（1201孔）呈高-低-高-低-高的变化规律，与地层产状陡-缓-陡-缓-陡的趋势相一致。矿区西部（802孔以西）瓦斯含量与煤层埋深和地层产状关系较密切，具有较明显的规律性变化；矿区东部（802孔以东）瓦斯含量变化较大，瓦斯含量与煤层埋深和地层产状的关系不明显，这主要是受矿区东部较多的揉皱和压性封闭小断层所影响。
表1 煤层瓦斯含量测试结果
Tab.1 Test result of coal-bed methane content
钻孔号 煤层埋深
/m 气体成分/m3·t-1 瓦斯含量
/m3·t-1 气体浓度/%
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瓦斯组分与风化带关系
矿区构造运动强烈，地层倾角较大，煤层长期遭受风化剥蚀作用，造成大量瓦斯逸散，瓦斯含量较低，埋深600-700m仍属瓦斯风化带。钻孔瓦斯样的解吸测试结果表明，煤层的自然瓦斯成分由甲烷、氮气、二氧化碳、和重烃组成。N2浓度平均为58.45%，CH4浓度平均为33.01%，CO2浓度平均为6.46%，重烃浓度平均为0.96%。受钻孔位置所限，瓦斯样大多分布在煤层埋藏较浅的地区，使得测试结果N2浓度总体较高而CH4浓度总体较低。在平面分布上，煤层瓦斯成分随煤层埋深由浅而深表现较明显的分带性。浅部主要表现为CO2- N2带及CH4- N2带，成分以CO2、N2为主，CH4浓度一般小于50%；深部逐渐过渡为N2-CH4带及CH4带，CH4浓度最高可达82.67%。从矿区中部由浅至深的三个钻孔（1001、802、1102孔）的瓦斯成分分析资料可以看出：N2 和CO2在浅部分别为84.58%和2.49%，中部为63.25%和1.75%，深部降为32.16%和1.12%；而CH4在浅部为12.76%，中部为31.00%，深部升为65.87%，自然瓦斯成分的这一规律在全矿区具有普遍性。
4 赋存条件
瓦斯的形成与成煤物质和成煤过程有着密切联系，成煤作用本身就是各种地质作用的综合结果。瓦斯是各种地质因素综合作用的产物，其赋存和分布受地质条件的影响和制约[2-3]。
4.1地质构造
地质构造是所有地质因素中最为重要而直接的控气因素。地质构造既可改变煤层赋存形态及煤体结构，又可改变煤层围岩透气性能[4-5]。褶曲使煤层在背斜、向斜轴部增厚，翼部变薄，褶曲发育部位多为厚煤层区段，同时也呈小断裂发育。煤厚发生变化使瓦斯释放运移、集聚条件相应改变，褶曲轴部煤层瓦斯含量成倍增长，瓦斯压力增大，瓦斯涌出量增高。断裂构造对瓦斯形成后的运移、赋存与分布起着直接控制作用。
矿区以褶皱构造为主，断裂构造次之。以细沙河一道角为界，以西属彝良向斜，以东则处于洛旺向斜的西部扬起端。矿区西部主体控煤构造为北倾南翘的单斜构造，地层倾角较大，一般50~80°，裂隙发育，岩石较为破碎；东部主体控煤构造为向斜构造，主体应力为近南北向的挤压，地层倾角相对较小，一般为20~45°，岩石较完整，主要发育压性封闭小断层。主要控煤断裂分布于矿区东部细沙河一带，处于彝良向斜南翼和洛旺向斜转折端的交接部位，对煤层的破坏较大。
压性封闭小断层有利于煤层瓦斯的储存，小断层附近往往是瓦斯局部富集的区域。据调查，位于主控断裂附近的多个小煤矿（已关闭）均发生过瓦斯爆炸事故。在地质普查工作中，1102、1201钻孔中均有隐伏逆断层出现，这两孔的瓦斯含量均明显高于其他孔。这表明：矿区东部受近南北向的挤压，逆断层发育，煤层在剪切破坏作用下使得微孔隙、微裂隙发育，大大增加了煤的比表面积，使煤对瓦斯的吸附能力大大增强；同时由于断距小，延伸短，不容易与地表连通，裂隙的连通差，形成良好的瓦斯储存环境。即构造挤压活动使煤层同时具有高吸附瓦斯能力和封存瓦斯能力，故极易使逆断层部位出现瓦斯富集。
4.2 煤层埋深
埋深与煤层瓦斯含量关系密切。煤层埋藏越深，地层压力越大，使得煤层中的瓦斯更容易吸附到煤孔隙的表面上，相应的煤孔隙中能赋存更多的瓦斯。由于地层压力增大，使煤层与岩孔隙度减小，孔隙的连通性和渗透率降低，加大了瓦斯向地表运移的难度，有利于瓦斯的富集。对矿区瓦斯含量和煤层埋深进行相关性分析，结果如下：
图1 瓦斯含量与煤层埋深的关系
Fig.1 The relationship between coal-bed methane content and burial depth
埋深与煤层瓦斯含量关系密切相关，该区200m以浅煤层瓦斯基本没有分布，200m-500m为煤层瓦斯富集带，深部煤层瓦斯含量明显减少。200m以浅由于接近煤层露头，瓦斯大量逸出，瓦斯含量维持在一个很低的水平。在不受地质构造影响的区域，埋深500m以浅瓦斯含量大多为1~4m3/t，煤层的瓦斯含量随深度基本呈线性增加。中深部煤层瓦斯含量的递增梯度变化较大，由于煤层间多为致密泥岩间隔，瓦斯含量差异较大。另外，瓦斯含量随埋深增加而增加的梯度逐渐减小，当埋深到达一定深度后，由于地层压力增大，地温增高，煤的吸附能力相对变差，瓦斯含量与埋深的线性关系又趋不明显，乃至趋于稳定，即瓦斯含量在一定储层压力条件下处于含气饱和状态。
4.3 煤层围岩
煤层围岩主要指煤层直接顶、老顶和直接底板等在内的一定厚度范围的层段。围岩对煤层区域瓦斯赋存的影响，决定于顶底板岩性及其透气性的强弱。顶板岩层越疏松、颗粒及孔隙度越大，越利于瓦斯运移逸散[6]。反之，瓦斯易于保存，煤层瓦斯含量就越大。
据钻孔揭露资料，C5煤层直接顶均为泥岩或者炭质泥岩，老顶以粉砂质泥岩、泥质粉砂岩为主，局部为粉砂岩、细粒砂岩。直接底板以泥岩、炭质泥岩为主，局部为泥质粉砂岩、粉砂质。泥岩及炭质泥岩的透气性能较差，阻断了煤层中裂隙的延伸，不利于瓦斯的渗透和运移，相应地有利于瓦斯的储存和富集，这也是造成区内瓦斯含量局部出现异常的重要原因之一。
4.4 煤层厚度
煤层既是瓦斯生成的物质基础，又是瓦斯赋存的重要介质条件，煤层越厚，产生的气体总量越大，二者呈正比例关系；由菲克定律和质量平衡原理建立的煤层甲烷扩散的数学模型可知，在初始条件相似的情况下，煤储层厚度越大，达到中值浓度或扩散终止所需时间就越长，即越有利于瓦斯的保存。
矿区内主采煤层分布较稳定，煤厚变化较大，主要表现为厚薄煤带相间分布。西部煤层厚度沿走向表现较为明显，东部煤层厚度沿倾向尤其明显。整体来看，矿区西部含煤2~9层，可采煤层1层，煤层总厚1.73m~4.43m，平均2.68m，含煤系数0.74%~2.39%；东部含煤3~9层，可采煤层1~3层，煤层总厚3.13m~9.51m，平均5.76m，含煤系数1.50%~5.72%。瓦斯含量与煤层厚度的变化呈现相对应的规律性变化（见图2），东部煤层瓦斯含量明显高于西部。由于东部存在局部厚煤带，造成瓦斯含量相对较高，如1201钻孔煤层总厚9.51m，C5煤层厚3.73m，瓦斯含量高达11.75 m3/t，煤层厚度和瓦斯含量均远高于矿区的平均值。
图2 瓦斯含量与煤层厚度的关系
Fig.2 The relationship between coal-bed methane content and coal seam thickness
4.5 煤变质程度
煤变质程度越高，煤在形成过程中瓦斯的生成量越大，煤中微孔和小孔所占的比例越大。由于瓦斯主要吸附于微孔的内表面中，煤变质程度的增高使得煤对瓦斯的吸附能力增强，因此，变质程度高是瓦斯生成和富集的有利条件。在煤化作用过程中，不同显微组分的生气历史及生气贡献有所不同，壳质组、镜质组、惰质组最终成烃效率比约为3.3:1.0:0.8，即相同演化条件下惰质组产气率最低，镜质组居中，壳质组最高。贫煤阶段瓦斯的累积生成量为295~ 330m3/t[7]。
经采样测试，矿区主采煤层镜质组含量48.3%～68.6%，平均56.05%；镜质组平均最大反射率Romax为2.18~2.30，其变质程度相当于贫煤变质阶段；受煤变质程度加深的影响，壳质组已无法辨认。因此，矿区煤化作用过程中生成了大量的瓦斯，理论上瓦斯含量应当较高，但在煤系的后期改造过程中，由于煤层产状较陡，运移条件好，大部分瓦斯已逸散。煤层瓦斯含量和分布的差异，主要取决于瓦斯生成后的保存条件。
5 赋存规律
煤层厚度、煤变质程度对瓦斯生成量具有决定性作用，矿区内高变质程度的贫煤为大量瓦斯的形成提供了条件。在后期地质演化过程中造成矿区地层倾角较大，含煤地层受构造的破坏使瓦斯大量散逸，现阶段瓦斯的赋存和分布特征受地质构造、围岩及埋深等条件的控制。彝良向斜煤矿区为低瓦斯矿区，主要原因是后期的构造运动造成了瓦斯的大量散逸，但是由于受压性封闭小断层和围岩的影响存在瓦斯局部富集区。彝良向斜煤矿区整体的瓦斯赋存规律如下：
（1）瓦斯含量自西向东呈高-低-高-低-高的变化规律，西部瓦斯含量低于东部；
（2） 煤层由浅至深，N2、CO2浓度逐渐降低，CH4逐渐升高，深部CH4浓度可达82.67%；
（3）西部瓦斯含量主要受煤层埋深的控制，东部主要受压性封闭小断层的控制；
（4）煤层厚度越大瓦斯含量越高，东部厚煤带为矿区瓦斯含量的最高区。
6 结论
整体来看，矿区的瓦斯含量随埋深的增加而增加，煤层瓦斯成分随煤层埋深由浅而深表现为较明显的分带性。受地质构造及煤层厚度等因素的影响，西部煤层瓦斯含量整体低于东部，但随埋深增加而增加的趋势较明显；东部受较多压性封闭小断层的影响，瓦斯含量沿走向、倾向变化均较大，受围岩渗透性的影响，相邻仅隔数米的不同煤层的瓦斯含量出现较大差异，特别是矿区东部1201孔C5煤层的瓦斯含量远高于矿区瓦斯含量的平均值。因此，在下一步的地质工作中，应加强矿区西部煤层深部及矿区东部断层附近及厚煤带地段的瓦斯含量测试，为以后地勘项目工作提供建议，对滇东北地区煤炭资源开发提供安全保障。
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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
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