瓦斯是一种自生自储型的非常规天然气,主要以吸附态赋存于煤层孔隙的表面[1]。瓦斯的生产、运移、赋存和富集受煤层及其围岩所构成的储层系统及其经受的各种地质作用的控制。瓦斯以吸附态、游离态和溶解态赋存于煤储层中[2-3],三者相互作用并处于动态平衡,其中以吸附态为主。影响瓦斯赋存的主要因素有:煤层埋深、煤层与围岩透气性、煤层倾角、煤层厚度、煤的变质程度、地质构造、水文地质条件及人为开采活动[4]。瓦斯气藏的形成除了与气源和储集等自身条件有关外,主要受后期的封存条件控制[5]。深入研究地质构造及水动力条件对瓦斯赋存的控制作用,这对矿井瓦斯灾害防治具有重要指导意义。
国内外学者在地质构造和水文地质条件对瓦斯赋存的影响方面做了大量研究。20世纪九十年代末,英国的DAVID P[6]提出在煤系地层中地质构造对瓦斯的分布和赋存起主控作用。澳大利亚Bibles CJ等[7]学者在研究全球范围的瓦斯涌出现象时,指出矿区构造运动影响着煤层瓦斯的生成与保存条件,文献[8]指出地质条件控制着煤储层应力环境及煤层产状,并绘制全国瓦斯地质图。近年来,文献[9]研究了不同层次构造运动对瓦斯生产及保存条件的影响;文献[10-11]分别研究了地质构造形态及其封闭性对瓦斯赋存的影响规律。另一方面,文献[12-13]讨论不同含水层及其水动力条件对瓦斯成藏条件的影响;文献[14]将水动力条件对瓦斯赋存的控制作用划分为水力封堵、水力运移和水力封闭三类,秦胜飞等[15]提出了滞留水控气理论,并指出其有利于瓦斯封存。综上所述,前人研究多集中于二者对煤层气成藏后期条件的影响,针对成煤时期生气、富集过程的控制作用研究较少。
笔者以唐家河煤矿为例,系统地分析了地质构造和水动力条件对煤层瓦斯的生气、富集及其后期保存全过程的控制作用,得出了该矿的瓦斯赋存规律,总结出有利于煤层瓦斯富集的地质构造和水动力条件,以期为矿井的瓦斯抽采与防治工作提供依据。
在含煤地层不同的演化阶段,构造活动分别对瓦斯赋存的物质基础、有机质生气、运移、储存有重要影响。
在泥炭化阶段,构造活动引起的含煤地层的升降振荡直接影响着聚煤环境中泥炭形成的沉积相带的空间展布,决定了煤层的分布特征和厚度变化,它们直接控制着瓦斯成藏的物质基础[9]。
在煤化作用阶段,构造活动决定了煤层的埋藏深度,进而控制着煤层所受的地热作用和上覆岩层的静压力作用,而温度和压力分别影响着煤化过程的热致因成气阶段和瓦斯的储藏压力。此外,构造活动还是引起煤变质作用的动力,而煤的变质程度影响着煤层生气量与吸附量。Bustin等[16]提出了在构造活动中煤体间发生机械位移产生摩擦热,促进了煤化作用。曹运兴等[17]认为构造应力的应变能或动能提供煤变质作用中所需的能量。张玉贵等[18]认为地质构造应力是煤发生力化学作用的能量来源,加速了煤的变质过程和烃的转化,有利于瓦斯的产生。
在含煤地层中瓦斯赋存初期状态形成以后,构造活动引起的地壳抬升回返造成其盖层被剥蚀,上覆岩层压力减小,瓦斯发生解吸进而导致瓦斯的逸散,不利于瓦斯的保存[19]。煤层抬升回返的时间的早晚和长短,直接控制着瓦斯富集程度。例如我国华北西部地区相对东部地区含煤盆地的抬升回返时间较晚且短,受剥蚀影响小,故华北西部的鄂尔多斯盆地瓦斯较为富集[20]。
含煤盆地所处的构造应力场及构造形态,不仅影响着煤层及围岩的渗透率,决定了含煤盆地的高渗区,还控制着瓦斯的封盖条件。张胜利等[21]提出煤层裂隙主要可分为割理、节理和构造裂隙,认为煤层裂隙和有效地应力决定了煤层渗透率,进而决定了瓦斯的开采性。桑树勋等[11]根据不同的地质构造类型和封盖层条件,划分出瓦斯的9种构造封盖层岩性组合。
不同的地质构造类型,由于构造应力场的不同,对瓦斯的封存和聚集的控制作用也明显不同,但从其构造应力场状态可分为挤压剪切型构造和拉张裂陷型构造。
1.2.1 挤压剪切型构造
挤压剪切型构造的应力场多表现为应力集中,形成封闭式或半封闭式高压区,有利于瓦斯的封存和富集。挤压剪切构造可形成挤压应力作用和剪切应力作用。煤储层在挤压应力的作用下会出现明显的应力集中区,改变其原有的裂隙-孔隙系统,渗透率降低,有利于瓦斯的封存和聚集[22];而煤体受剪切应力场的剪切和揉搓作用会变碎变软,破碎煤体的比表面积增大,能够吸附更多的瓦斯。常见的挤压剪切型构造有背斜构造的两翼、向斜构造的轴部、逆断层和压性走滑断层等。
1.2.2 拉张裂陷型构造
拉张裂陷构造可形成拉张应力场,形成开放式低压区,不利于瓦斯的存储和富集。煤储层在其作用下产生张性裂隙,应力得到释放,形成了低压区[23],便于煤层瓦斯的逸散。常见的属于拉张裂陷构造:背斜构造的轴部、向斜构造的两翼、正断层和张性走滑断层。
成煤时期生气过程的微生物所需水源、温压条件以及瓦斯后期封存环境均受水动力条件控制。
1)煤层生气过程按照其成因类型依次可划分为原生生物致因成气→热致因成气→次生生物致因成气3个阶段。在早期,原始水力环境可为微生物厌氧发酵过程提供必需水源、微量矿物质和温度条件[12];在中期,井下水系统的强富水性及长时间流动作用可降低热致因成气过程的煤储层温度[13],直接影响煤体变质程度,进而控制着煤体含气量。在后期,受地质运动的抬升回返作用,浅埋含水层易受大气降水补给并导入微生物菌群,进而在其邻近煤层发生厌氧发酵活动产生甲烷。
2)水动力环境的封闭性及其流动性对瓦斯吸附-解吸平衡及其储存、运移、富集都有重要影响,主要表现为水力封闭、水力运移、水力封堵3种作用。水力封闭控气作用一般发生在矿井深部静水条件,且甲烷难溶于水,故而形成瓦斯的圈闭空间,瓦斯相对富集瓦斯含量较高[14];水力运移逸散和水力封堵控气分别为地下水流、瓦斯二者运移同向和异向的外在表现形式,前者多发生于导水性强的断层构造带,后者多发生于不对称向斜和背斜中。
在煤层产状、埋深、顶底板岩性等因素一定的条件下,煤层瓦斯赋存主要受控于地质构造和水动力条件。在高储藏压力和弱水动力活动的控制作用下,易形成瓦斯富集区;而在低储藏压力和强水动力活动作用下,易形成瓦斯逸散区[24]。
唐家河煤矿地处广旺市旺苍县西北部嘉川镇,井田沿东—西走向长7.6 km,沿倾向长1.43 km,主采18号和8号煤层,平均厚度分别为0.6、0.8 m,煤质属焦煤,煤层倾角东陡西缓。该矿井分+150、+350、+574 m三个水平开拓,采用走向长壁式采煤方法,设计生产能力为0.36 Mt/a,采用中央并列式通风。
该矿井属于高瓦斯矿井,相对瓦斯涌出量为38.41 m3/t,井田以区内唐家河为界划分为东、西两翼。据统计,8号煤层瓦斯基础参数见表1,东翼煤层埋深为312~610 m、瓦斯含量为3.12~7.57 m3/t、煤样水分为0.38%~1.16%;西翼煤层埋深为226~498 m、瓦斯含量为2.01~4.17 m3/t,相应水分为0.25%~0.52%,瓦斯含量分布呈现明显的分区性。初步分析其原因,一方面,井田受控于大两会背斜,井田埋深东深西浅;另一方面,由于区内唐家河水流量大且向西南向流动,井田东、西翼采区涌水量分别为20~115 m3/h和101~405 m3/h,西翼比东翼多3倍。因此,初步判断该矿井8号煤层瓦斯空间分布主要受控于地质构造和水动力条件,但其控制机理还需要进一步深入分析。
表1 8号煤层瓦斯参数测定结果
Table 1 Measurement results of gas parameters in No.8 coal seam
区域测定地点埋深/m瓦斯含量/(m3·t-1)井田东翼350东翼运输大巷距开口110 m4554.29350东翼运输大巷距开口197 m4324.27350东翼运输大巷距开口310 m4123.62184轨道下山距起坡点300 m3123.12184轨道下山距揭煤处30 m6107.50184轨道下山距揭煤处125 m6227.57184轨道下山揭煤处207 m5936.41184轨道下山揭煤处315 m5976.42+150 m东翼运输大巷2号钻场5875.23+150 m东翼运输大巷5号钻场4984.26井田西翼350西翼运输大巷4552.953851工作面进风巷距开口97 m2262.011814工作面进风巷距开口325 m3413.21+150 m西翼运输大巷4984.17
为探明唐家河井田瓦斯赋存规律,统计分析该井田东、西翼所属工作面瓦斯涌出量与煤层埋深、顶板岩性、煤层产状(倾角及厚度)的量变特征,进而研究井田东、西翼瓦斯赋存的差异性。
3.2.1 埋深
绘制井田东、西翼工作面瓦斯涌出量随埋深变化趋势(图1)可知,东翼煤层埋深较深,其瓦斯涌出量与煤层埋深线性相关性较好,主要原因为井田东翼位于大两会背斜,埋深较大,煤层瓦斯易保存,井田西翼受控于单一向斜构造,埋深较浅,且存在煤层露头。
图1 井田东西翼瓦斯涌出量随8号煤层埋深变化
Fig.1 Amount of gas emission in east and west wing of minefield varies with No.8 coal seam’s depth
3.2.2 顶板岩性
统计分析井田东、西翼工作面瓦斯涌出量与8号煤层顶板30 m内泥、砂岩比例关系可知(图2),东翼煤层顶板岩性变化较大,且在泥岩占比高的条件下瓦斯易保存,瓦斯涌出量相对较大;西翼煤层顶板岩性主要以泥岩为主,但其瓦斯涌出量整体处于较低水平(<1 m3/min),说明顶板岩性对西翼瓦斯赋存规律影响较小。
图2 井田东西翼瓦斯涌出量与其顶板岩性关系
Fig.2 Relationship between the amount of gas emission from east and west wing of minefield and the roof lithology
3.2.3 煤层厚度
统计分析井田东、西翼工作面瓦斯涌出量与煤厚关系可知(图3),东翼煤层厚度集中在1~2 m,变化相对较小,整体较稳定,为瓦斯提供良好的储存基础,瓦斯涌出量相对较大;西翼煤层厚度0.35~3.70 m,整体性较差,且其瓦斯涌出量较小,间接说明西翼煤层受地下水冲刷作用及后期地层隆起风化剥蚀,瓦斯易逸散。
图3 井田东西翼瓦斯涌出量与煤厚关系
Fig.3 Relationship between gas emission and coal thickness in east and west wing of minefield
3.2.4 煤层倾角
统计分析井田东、西翼工作面瓦斯涌出量与煤层倾角关系可知(图4),东翼煤层倾角为19°~28°,相对较平缓,与瓦斯涌出量线性相关性较差;西翼煤层倾角集中在30°~42°,相对较陡,但其瓦斯涌出量普遍偏低,说明在同一埋深下,煤层倾角越小,越不利于瓦斯逸散,煤层瓦斯含量越大,故西翼瓦斯涌出量小于东翼。
图4 井田东西翼瓦斯涌出量与煤层倾角关系
Fig.4 Relationship between amount of gas emission from east and west wing of minefield and dip angle of coal seam
4.1.1 不同时期地质构造活动的影响
在唐家河井田的成煤期到后期演化中,受地质构造活动影响,经历了多次沉降-抬升-沉降的过程,具有早埋藏、晚生烃的特点,如图5所示。在成煤前期,煤层中有机质经过生物化学作用会生成瓦斯;在成煤中后期,煤层埋深在白垩纪晚期达到最大值5 800 m,在地层的高温作用下,煤在经受煤化变质作用后形成瘦—贫煤(煤样的镜质组反射率为1.5%~2.0%),此阶段也会产生瓦斯,一部分瓦斯逸散到围岩中,另一部分以吸附态赋存于煤层中。燕山晚期和喜山早期,井田受抬升隆起作用,造成井田东、西部埋藏深度存在高差,瓦斯自井田东翼向西翼运移、逸散。
图5 唐家河煤矿8号煤层的埋藏与成气史
Fig.5 Burial-generation history of No.8 coal seam in Tangjiahe coal mine
4.1.2 构造应力场
唐家河井田属于广旺矿区,该矿区位于龙门山经向构造带与米仓山纬向构造带交汇处,东、西翼分别受米仓山复背斜和龙门山褶皱带的地质构造活动控制。相关研究表明[25-26]:该区煤层的后期储盖层条件的演化,主要受控于燕山期和喜山期的地质构造活动。在燕山运动的早、中期,米仓山区南缘受秦岭造山带的逆冲推覆作用,发育并形成了大两会背斜,而矿区东翼位于背斜的翼部,其构造应力场表现为南北向的挤压作用;在此时期,龙门山褶皱造山带活动相对较弱,而矿区西翼位于龙门山地区东缘,为稳定的平缓段,故该矿区受龙门山造山带的影响不大,如图6a所示。
图6 广旺矿区区域构造应力场示意
Fig.6 Schematic of tectonic stress in Guangwang mining area
在喜山运动的中、晚期,米仓山和龙门山都受到抬升隆起作用,这对米仓山已形成的褶皱起到了叠加作用,整体表现为东强西弱。矿区东翼受南北向的较强挤压作用,使得早期形成的断层性质发生改变,表现为一些正断层变为逆断层。矿区西翼位于变形相对较弱的龙门山地区的东缘,发育有少量的褶皱和断层,其构造应力场为相对较弱的东南—西北向的挤压作用,如图6b所示。
4.1.3 地质构造的逐级控制作用
由于唐家河井田处于米仓山纬向构造带和龙门山经向构造带及其交汇处,导致井田东西翼地质构造条件差别很大,具有明显的构造分区性。井田东翼褶皱和断层较发育,西翼地质构造相对较少,如图7所示。
图7 唐家河井田地质构造示意
Fig.7 Geological structure diagram of Tangjiahe mine field
1)西翼:西翼为小褶皱和次级正断层的弱变形带,煤层空间倾角为25°~35°。区域地质构造受基底冲断作用的控制,该区处于冲断隆起带的尾部,局部受力作用为东西向拉张应力,形成2条小型正断层,由表2可知,该区煤体破坏类型属于Ⅱ类,坚固性系数f的平均值为0.54,煤体较硬,说明所遭受的构造应力破坏较小。瓦斯放散初速度ΔP平均值为10.21,相对较小,间接反映出煤体孔隙率相对较大,利于瓦斯的逸散。此外,受早期区域地质构造演化影响,该区在成煤期的地质环境遭受多次强烈冲刷,煤层盖层厚度薄于东部,且透气性好[27](煤层顶板多为粗粒碎屑砾岩)。西翼8号煤层瓦斯含量最大值为4.17 m3/t,平均2.57 m3/t,整体偏低。
表2 煤体破坏类型及结构参数
Table 2 Destruction of coal types and structure parameters
区域破坏类型坚固性系数f瓦斯放散初速度ΔP井田东翼Ⅱ、Ⅲ0.21~0.640.438.6~18.512.66井田西翼Ⅱ0.32~0.760.546.1~13.710.21
2)东翼:东翼为大、中褶皱和逆冲、压扭性断层较发育的强变形带,煤层陡峭,倾角为45°~55°。区域地质构造受逆冲推覆作用形成了不对称的大两会背斜构造(图8),该区处于大两会背斜的翼部,受南北向的挤压应力,发育了一系列逆断层,煤层顶、底板裂隙系统在压扭性作用下趋于闭合,而且未形成相互连通的裂隙一般会被钙质所充填,有利于瓦斯封存。该区煤体破坏类型属于Ⅱ、Ⅲ类,见表2,煤层中间发育有0.2~0.4 m厚的构造煤,坚固性系数f的平均值为0.43,低于突出危险性f值的临界值,说明区内煤层受构造应力破坏作用影响较大,煤体偏软。瓦斯放散初速度ΔP平均值为12.66,反映出煤体孔隙率较低,利于瓦斯保存。东翼的煤体破坏类型和ΔP值均高于西翼,f值低于西翼,说明该区内逆冲推覆活动剧烈,煤层稳定性遭到破坏,并且致使局部逆断层和构造煤发育,且其盖层条件主要为封闭式,瓦斯易富集。东翼8号煤层瓦斯含量最大值为7.08 m3/t,平均为5.06 m3/t,均大于西翼。
图8 唐家河井田东翼地质构造剖面
Fig.8 Geological section drawing of east wing in Tangjiahe Mine Field
4.2.1 地下水形成条件及径流特征
唐家河井田8号煤层主要位于三叠系须家河组第5段和白田坝组第1段内,区内含水层为白田坝组第1组(J1-2b1)和须家河第5段第3亚段(T3XJ5-3),二者单位钻孔涌水量分别为0.62 L/(s·m)和0.04 L/(s·m),富水性较强。由于含水层中砂岩节理裂隙和钙质砂岩溶洞较发育,故其导水性强,可直接与煤层发生水力联系,故该区内水文地质条件整体为封闭型,利于瓦斯储存。唐家河井田因受大两会背斜的控制作用,8号煤层含水层由东北部露头接受大气降水补给并流向井田西南方向,而煤层瓦斯逐渐由深向浅运移。
4.2.2 水动力对热变质作用阶段温度的影响
基于矿井8号煤层不同区域煤样工业分析结果可知(表3),东翼煤体挥发分(19.45%~22.3%)<西翼(21.67%~25.15%),且西翼煤体镜质组平均最大反射率Rm(1.42%)<东翼(1.43%),由于煤体挥发分和镜质组最大反射率可反映煤体变质程度,故得出井田西翼煤体变质程度略低于东翼。随着煤体变质程度越高,一方面,在其变质过程会不断产生气体;另一方面,煤体渗透率会随之降低,瓦斯沿煤层向地表方向逸散相应变慢;此外,煤体微孔隙会随之增加,相应吸附能力增加,导致煤层中滞留更多瓦斯。综上,煤体变质程度越高,相应煤层含气量越大,由此可说明东翼煤层瓦斯含量高于西翼。
表3 8号煤层煤样工业分析结果
Table 3 Coal sample industry analysis results of No.8 coal seam
区域工业分析/%MadAdVdafRo,max/%井田东翼0.38~1.160.6612.69~33.6125.4219.45~22.3021.081.43井田西翼0.24~0.640.4316.72~27.0221.8721.67~25.1523.411.42
针对同一煤层出现西翼煤体变质程度略低于东翼现象,可从水力作用造成其热致因成气阶段温度的差异性来解释。根据1983年Barker研究发现,有机质形成所需温度T与镜质组最大反射率Ro,max呈指数函数关系[28]:
Ro,max=0.435e0.006 83T
(1)
其中:T为煤在距今104至106年间曾经历最高储层温度,将表3中东、西翼煤体镜质组最大反射率平均值代入式(1),计算可知对应的古地温TE=174.3 ℃>TW=173.1 ℃(TE、TW分别为东、西翼储层温度),均大于导致煤发生热变质作用的最低温度50 ℃。
究其原因,在唐家河井田区域早期地质构造运动过程中,井田西翼在热变质阶段的煤岩储层受到多次强烈水力冲刷,东翼则相对较弱,在该特征水动力条件的长期作用下,导致井田西翼的热变质过程温度(古地温)略低于东翼。故最终呈现出8号煤层东、西翼变质程度的细微差异性特征。
4.2.3 水动力对瓦斯后期储存的影响
经过后期抬升隆起地质运动,广旺矿区逐渐形成大两会背斜,受其影响,8号煤层在东部露头比西翼高,导致大气降水补给的地下水自东北流向西南,由图9可知,处于该背斜翼部的井田东翼埋深大,且水流方向与瓦斯方向相反,表征为水力封堵作用,使该区瓦斯整体处于半封闭空间且埋深大,瓦斯不易逸散;而井田西翼水流方向与瓦斯流动方向相同,表征为水力逸散作用,由于含水层富水性和流动性较强,致使瓦斯逸散量相对较大。
图9 大两会背斜地下水和瓦斯流动示意
Fig.9 Schematic of groundwater and gas flow of Dalianghui anticline
据统计,位于该矿井8号煤层东翼的+350 m水平的六采区(包含3864、3867、3869工作面)涌水量为22~125 m3/h、西翼的+350 m水平的五采区(包含3853、3854、3856工作面)涌水量为200~410 m3/h;进一步统计2个采区各工作面的瓦斯涌出量数据,并绘制采区瓦斯涌水量与瓦斯涌出量变化曲线(图10、图11)。可以得出井田东、西翼采区涌水量与区内各工作面瓦斯涌出量之间满足对数函数关系y=aln x+b,且拟合度较好,但井田西翼二者关系曲线斜率绝对值大于东翼,说明井田内水动力活动对西翼影响程度更甚。
图10 西翼五采区涌水量与各工作面瓦斯涌出量曲线
Fig.10 Curves of water inflow in No.5 mining area of west wing and gas emission from each working face
图11 东翼六采区涌水量与各工作面瓦斯涌出量曲线
Fig.11 Curves of water inflow in No.6 mining area of east wing and gas emission from each working face
1)唐家河井田8号煤层东、西翼瓦斯赋存规律呈现明显差异性:东翼瓦斯含量为西翼的1.7倍,西翼煤层埋深相对东翼较浅,且与埋深的线性相关性较好;东翼煤层顶板岩性变化较大,西翼以泥岩为主;东翼煤层倾角19°~28°、煤层厚度集中在1~2 m,西翼分别为30°~42°、0.35~3.7 m。
2)井田地质构造呈现明显的分区性:西翼地质构造为拉张构造,褶皱断层少,受控于早期区域构造演化过程中的水力冲刷作用,上覆岩层透气性好,瓦斯易逸散;东翼受控于大两会背斜,煤层埋深较大,且受挤压应力场作用,利于瓦斯保存。
3)井田东翼地下水动力方向与瓦斯运移方向相反,表征为水力封堵作用,利于瓦斯保存,西翼水动力方向与瓦斯运移方向相同,表征为水力运移作用,瓦斯易逸散。此外,成煤时期西翼地下水富水性及动力性较强,导致其煤储层温度略低于东翼,对应煤化程度也略低于东翼。
4)通过绘制+350 m开采水平的东、西翼采区涌水量与区内各工作面瓦斯涌出量的散点图,通过拟合得出二者间满足对数函数关系式,且井田内水动力活动对西翼影响程度更甚。
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