(宿州學(xué)院安徽省煤礦勘探工程技術(shù)研究中心,安徽 宿州 234000)

0 引 言

含煤巖系的沉積環(huán)境研究是目前礦井地質(zhì)學(xué)中的重要課題之一，弄清楚煤層在形成時期所經(jīng)歷的環(huán)境變化對進(jìn)一步研究煤的各項性質(zhì)有著深刻的影響[1]。對于瓦斯的地質(zhì)控制因素國內(nèi)外眾多知名學(xué)者也都已提出了很多的理論，但是結(jié)合沉積環(huán)境的研究還不夠完善，以陽泉礦區(qū)五礦太原組15#煤層為例，開展沉積環(huán)境的研究工作，并找出其與瓦斯含量的關(guān)系對礦井地質(zhì)工作是一項很好的補(bǔ)充。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

陽泉境內(nèi)大部分地區(qū)海拔在698m以上，其中五礦坐落于平定縣內(nèi)，在地圖上由南西至北東方向延伸，總面積約 81.49km2[2]，交通便捷，礦區(qū)位于沁水塊坳東北方向邊緣，整體表現(xiàn)為一個東翹西傾的單斜構(gòu)造，巖層傾向沿南西方向，傾角11°左右[3]，整個礦區(qū)構(gòu)造比較簡單，僅見斷層、褶曲、陷落柱等一些小型的地質(zhì)構(gòu)造，其中褶皺多為一些短軸褶曲且較為平緩，規(guī)模較大的共有十?dāng)?shù)條，走向多沿北東方向。由于區(qū)域內(nèi)某些地方地層層序較為混亂，局部還出露新地層且這些新地層的產(chǎn)狀與圍巖并不相同，這些證據(jù)都表明區(qū)域內(nèi)陷落柱較為發(fā)育，且根據(jù)歷次勘探的結(jié)果顯示該礦區(qū)斷層發(fā)育較少且規(guī)模較小，斷層落差超過20m的只有4條。區(qū)域出露地層在地質(zhì)年代上跨度較大，走向為北西-南東，傾向南西方向，其中太原組地層厚度約在60m-80m之間，下部有一不整合面與本溪組接觸[4]，地層從老到新經(jīng)歷晉祠砂巖、15#煤層以及三套灰?guī)r，一直到該組頂部再次沉積砂巖，完成一次完整的沉積旋回。

2 沉積環(huán)境研究

通過分析巖性標(biāo)志、構(gòu)造標(biāo)志、粒度分析、地球化學(xué)標(biāo)志及古生物及古生態(tài)標(biāo)志的特征，在研究區(qū)目標(biāo)地層中識別出障壁海岸、碳酸鹽臺地兩種沉積相類型，細(xì)分又包含五種沉積亞相，具體如表1所示。

表1 五礦區(qū)域太原組沉積相類型劃分表

2.1 障壁海岸相

該沉積相由障壁島、澙湖以及與澙湖相連的潮汐水道組成，障壁島把澙湖與海岸隔開[5]，一般分為以下三種亞相：

(1)障壁島亞相

平行分布在海岸上且高出水面又窄又長的砂巖體被稱做障壁島。研究區(qū)障壁島沉積特征如下：

陸源碎屑成分中一般石英、燧石巖屑(圖1)含量較多，長石成分較少，細(xì)粒-中粒石英砂巖(圖2)是其主要巖石類型，通常情況下雜基的含量是非常少的，膠結(jié)方式為接觸式膠結(jié)，顆粒支撐，硅質(zhì)、粘土礦物為主要的膠結(jié)物。

圖1 含燧石巖屑(鏡下)

圖2 細(xì)粒-中粒石英砂巖(鏡下)

(2)澙湖亞相

澙湖的水動力條件一般比較弱，以潮汐作用為主，研究區(qū)澙湖沉積主要特征如下： 主要巖石類型為暗灰色粉砂質(zhì)泥巖、鋁質(zhì)泥巖等，該類型沉積環(huán)境中各種層理發(fā)育較多，且剖面上可見菱鐵礦結(jié)核，巖芯中含有黃鐵礦、植物及腕足類化石。

(3)潮坪亞相

潮坪一般發(fā)育在海陸過渡沉積模式的三角洲沉積相中，受潮汐以及澙湖的影響，研究區(qū)潮坪亞相據(jù)其特征可分為泥坪、混合坪和砂坪。潮汐作用是其水動力條件，在該動力下發(fā)育潮汐層理。

2.2 碳酸鹽臺地相

碳酸鹽臺地相一般分為開闊臺地亞相和局限臺地亞相，具體特征分述如下：

(1)開闊臺地亞相

開闊臺地一般指臺地靠外的部分，這部分經(jīng)常與外海連通，地形較為開闊，水動力條件較強(qiáng)[6]，研究區(qū)該亞相特征主要反映在K2、K4灰?guī)r上，這兩種灰?guī)r中發(fā)現(xiàn)有多種生物化石，如常見的三葉蟲、腕足類、介形蟲等，對區(qū)域鉆孔巖芯的構(gòu)造特征進(jìn)行觀察，會發(fā)現(xiàn)有脈狀、波狀等層理，與上述水動力條件吻合。

(2)局限臺地亞相

局限臺地與開闊臺地對比，是臺地靠內(nèi)的部分，連接的是澙湖，其水循環(huán)受到限制，水動力條件較弱[7]，各種類型的碎屑灰?guī)r為局限臺地亞相的主要巖性，在研究區(qū)該沉積亞相具有代表性的巖石是K3錢石灰?guī)r，該灰?guī)r最大的特點就是其中含有生物化石-海百合的莖，構(gòu)造特征主要發(fā)現(xiàn)有水平或者塊狀層理。

圖3 陽泉五礦15#煤層在600-650m埋深內(nèi)

煤層厚度和瓦斯含量的關(guān)系

3 沉積環(huán)境與瓦斯賦存關(guān)系

不同的沉積環(huán)境中瓦斯的賦存狀態(tài)是不同的，影響其含量的因素有很多如構(gòu)造因素、煤的變質(zhì)作用、水文地質(zhì)條件等[8]，但要研究瓦斯與沉積環(huán)境之間的關(guān)系，需剔除沉積環(huán)境以外的因素，具體從以下四個方面進(jìn)行分析。

圖4 陽泉五礦15#煤層埋深在570m-610m底板泥巖

厚度和瓦斯含量關(guān)系圖

3.1 煤質(zhì)對瓦斯含量的影響

沉積物的物理化學(xué)性質(zhì)會隨著沉積環(huán)境的改變而改變，因此特定沉積環(huán)境中沉積的煤層具有特定的煤質(zhì)，瓦斯含量也有一定的規(guī)律。研究區(qū)15#煤層是典型的陸表海沉積環(huán)境中的海侵成煤，以該煤層為例，采取煤巖樣品進(jìn)行煤質(zhì)分析后知研究區(qū)15#煤灰分(Ad)為5.38%-37.28%，平均16.38%，可定義為低灰-中灰煤；原煤揮發(fā)分(Vdaf)為3.08%-14.36%，平均8.3%，具有特低揮發(fā)分煤的性質(zhì)；原煤硫分(St,d)為0.78%-6.93%，平均1.65%；浮煤硫分(St,d)為0.15%-1.48%，平均0.87%，為低硫-高硫煤。綜合以上煤質(zhì)化驗結(jié)果可知研究區(qū)內(nèi)目標(biāo)煤層為無煙煤，并且變質(zhì)程度較高。由于變質(zhì)作用進(jìn)行的越徹底煤的孔隙越大，而瓦斯在生成后會賦存在煤的孔隙之中，因此孔隙直徑越大其比表面積越大從而賦存瓦斯的含量越高[9～10]。結(jié)合五礦區(qū)域內(nèi)瓦斯資料分析后發(fā)現(xiàn)整個礦區(qū)地下瓦斯含量高且瓦斯含量整體分布不均，該值在礦區(qū)內(nèi)最大達(dá)到38.17m3/t，最小為3.16m3/t，平均10.39m3/t。

和頂板灰?guī)r厚度關(guān)系圖

3.2 煤層厚度對瓦斯的影響

沉積環(huán)境影響著巖層形成時的物源以及可容納空間的變化，因此不同沉積環(huán)境中形成的煤層厚度也不同。在一定的壓力下煤層厚度越大，瓦斯從煤內(nèi)所處位置擴(kuò)散到煤層以外所經(jīng)過的路徑越長，因此煤層厚度越大越不利于瓦斯的運移。

以陽泉五礦15#煤層為例，采用控制變量的理念，固定同種煤層，保證埋深范圍一致的情況下探討煤層厚度和瓦斯含量的關(guān)系，統(tǒng)計了該煤層在600m-650m埋深處上述兩個變量的數(shù)據(jù)，如表2所示，為求直觀表達(dá)兩者之間的關(guān)系，又根據(jù)這些數(shù)據(jù)在Excel中繪制了散點圖(圖3)。

如圖3所示，通過擬合回歸曲線觀察，相關(guān)系數(shù)R2為0.136，該值與1相差較多，說明陽泉五礦15#煤層在600m-650m埋深內(nèi)，煤層厚度不斷增大的過程中，瓦斯含量變化與之并不成線性關(guān)系，由此也說明煤層厚度對瓦斯含量的影響程度并不大。在前面已經(jīng)提到理論上瓦斯含量應(yīng)該與煤層厚度成正比關(guān)系，分析出現(xiàn)這種情況的原因如下：選取同一深度范圍內(nèi)鉆孔點揭露煤層厚度，厚度值在5.8m-8.5m之間，變化范圍并不大，由此導(dǎo)致每個點對應(yīng)的瓦斯含量在橫向上變化也不是太大，致使實際與理論有差距。

表2陽泉五礦15#煤層在600m-650m埋深內(nèi)煤層厚度和瓦斯含量數(shù)據(jù)

孔號xy樣品深度/m煤層厚度/m瓦斯含量(m3/t)3-141100142.483959.5630.36.813.583-145101535.184157.8616.67.44.893-157102265.284160.5628.27.610.963-158101847.984093.7623.85.38.133-159101484.683712.3632.58.50.563-163101276.283079.2648.86.59.943-148103012.285032.3625.36.24.65

圖6 陽泉五礦15#煤層埋深在610m-640m煤層埋藏

深度和瓦斯含量關(guān)系圖

3.3 頂?shù)装鍘r性對瓦斯含量的影響

除出露地表的煤層外，一般的煤層都有各類不同巖性的巖石作為頂板和底板。從瓦斯的賦存角度上看，主要還是巖石的孔隙比和厚度對瓦斯賦存影響比較大。厚度小，粒度大，磨圓和分選不好并且孔隙多的巖石組成的頂?shù)装宀焕谕咚乖诿簩又匈x存，反之厚度大，粒度均勻，分選和磨圓比較好并且孔隙小的巖石組成的巖層作為頂?shù)装鍟r瓦斯賦存效果更好。

還是以上述煤層為例，固定埋深范圍，其頂板主要由各類灰?guī)r組成，厚度也有一定大小的差異，范圍在3m-8m之間，底板主要由泥巖構(gòu)成，具體實測數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 陽泉五礦15#煤層埋深在570m-610m底板泥巖厚度和頂板灰?guī)r厚度含量表

分析圖4，陽泉五礦15#煤層在一定的埋深范圍內(nèi)，瓦斯含量與底板泥巖厚度這兩個變量成線性關(guān)系，并且相關(guān)系數(shù)R2值為0.9，同理在圖5中分析該煤層在固定埋深時瓦斯含量與頂板灰?guī)r厚度這兩個變量的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)其相關(guān)性較圖4中更好，相關(guān)系數(shù)R2值達(dá)到0.963，說明瓦斯含量和底板泥巖厚度及頂板灰?guī)r厚度都成正比。分析原因如下：由于泥巖顆粒較小，形成巖石后整體孔隙比也就小，因此底板泥巖厚度大不利于瓦斯逸散，而頂板主要由灰?guī)r組成，灰?guī)r是在碎屑物質(zhì)供應(yīng)不足的海相環(huán)境中形成的，且瓦斯的密度小于空氣，在巖石中應(yīng)呈現(xiàn)出向上運動的趨勢，因此灰?guī)r中的孔隙和裂隙起到到賦存瓦斯的作用，其厚度越大瓦斯含量也越高。

3.4 埋藏深度對瓦斯的影響

一般情況下，隨著埋藏深度增大，巖層沉積的年代就越早，受到地?zé)岽呋磻?yīng)作用的時間也越久，生物化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行得更徹底[11]，并且隨著深度不斷增大，地壓不斷增大，瓦斯含量由此也越大，下面依然以陽泉五礦15#煤層為例，統(tǒng)計了該煤層埋藏深度在610m-640m范圍內(nèi)瓦斯含量的數(shù)據(jù)如表4所示來找出兩者之間的聯(lián)系。

表4陽泉五礦15#煤層埋深在610m-640m煤層埋藏深度和瓦斯含量統(tǒng)計表

孔號xy樣品深度/m 瓦斯含量(m3/t)3-141100142.183959.4630.313.673-145101536.284157.5617.24.763-157102266.184160.3627.110.963-158101849.884093.7621.68.133-169104085.784610.6617.32.653-153104031.685015.2625.79.15

分析表4和圖6，目標(biāo)煤層的埋藏深度在610m-640m 范圍內(nèi)時，埋藏深度與瓦斯含量這兩個變量很清晰地顯示出正相關(guān)的關(guān)系，相關(guān)系數(shù)R2為0.935，相關(guān)關(guān)系明顯，因此說明該煤層埋深范圍一定時，瓦斯含量隨埋藏深度的增大不斷升高，且兩者的正比關(guān)系非常明顯。

4 結(jié) 論

(1)研究區(qū)沉積模式為海陸過渡相沉積，具有陸表海的沉積特點，根據(jù)一系列沉積標(biāo)志將研究區(qū)分為障壁海岸相和碳酸鹽臺地相兩種沉積相，再細(xì)分為五種沉積亞相。

(2)從沉積環(huán)境與瓦斯含量之間的關(guān)系這個角度分析，發(fā)現(xiàn)煤層變質(zhì)程度越高，瓦斯含量就越大，且瓦斯含量與埋藏深度、底板泥巖厚度、頂板灰?guī)r厚度都呈正相關(guān)關(guān)系，但與煤層厚度關(guān)聯(lián)性不大。

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