河南省嵩箕构造区主采煤层瓦斯分布特征研究.docx

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河南省嵩箕构造区主采煤层瓦斯分布特征研究

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摘要

瓦斯是地质作用的产物，瓦斯生成、运移、保存条件受着地质作用的控制。

煤层瓦斯的赋存状态是含煤地层经受复杂地质演化的结果。

在我国约有半数的国有重点煤矿受到煤与瓦斯突出威胁，严重制约着煤矿的安全生产及经济效益的提高。

论文对地质构造对瓦斯分布和对瓦斯含量的影响分别进行分析，结合嵩箕构造区地质特征对瓦斯含量的分布规律进行研究，提出控制嵩箕构造区瓦斯含量的地质因素，制作瓦斯含量等值线图，研究本区中新生代构造应力场对地质构造和煤层变化的控制作用。

对寻找厚煤带、指导地质勘探和矿山开采以及探讨华北板块南缘中新生代构造发展史均具有一定的意义。

关键词：

构造区主采煤层、瓦斯分布特征、地质构造

HenanSongjiconstructionareaMainCoalSeamGasDistributionCharacteristics

Abstract

Methaneisaproductofgeologicalprocesses,gasgeneration,migration,preservationconditionsufferingfromgeologicalcontrols.OccurrenceofCoalSeamcoal-bearingstrataaresubjectedtocomplexgeologicalevolutionresults.InChina,abouthalfofthestate-ownedkeycoalminesbythecoalandgasoutburstthreatseriouslyrestrictingcoalminesafetyproductionandeconomicbenefit.Thesisongasdistributionandgeologicalstructureongascontenttobeanalyzedseparately,thegeologicalcharacteristicsoftheareaSongjiconstructeddistributiongascontentwerestudied,geologicalfactorscontrollingtectoniczoneSongjigascontent,gascontentequivalentproductionchart,LookingforthickcoalbeltguidegeologicalexplorationandminingaswellastoexplorethehistoryoftheCenozoictectonicevolutionofthesouthernmarginoftheNorthChinaPlatehaveacertainsignificance.

Keywords:

constructionfloorareaofthemaincoal,gasdistribution,geologicalstructure

目录

摘要1

Abstract1

第1章绪论3

1.1研究背景3

1.2选题目的与选题意义4

第二章相关内容研究4

2.1国内外研究状况4

2.2地质构造对瓦斯分布的影响5

2.3地质构造对瓦斯含量的影响6

第3章嵩箕构造区地质特征于瓦斯分布的具体分析8

3.1嵩箕构造区地质特征8

3.2嵩箕构造区瓦斯含量分布规律9

3.3控制嵩箕构造区瓦斯含量的地质因素10

第4章结语10

4.1主要研究结论10

4.2研究不足及展望10

参考文献10

致谢12

第1章绪论

1.1研究背景

煤炭是世界上经济最强、分布最广的矿物燃料，从世界范围看，煤炭远景仍然是最重要的能源之一。

在中国，煤炭是我国一次性能源的主体。

随着国民经济的加速发展，对能源的需求量与日俱增。

据统计局统计，2011年我国煤炭产量为35.2亿吨标准煤，尽管国内一些专家和研究单位在对未来我国原煤消费需求量估计可能偏高。

近几年来瓦斯事故频繁发生，这严重威胁了煤矿的安全生产，影响了煤矿的生产效益。

随着产量的大幅度提高，矿井瓦斯涌出量也急剧增加，使得低瓦斯矿井变为高瓦斯矿井，高瓦斯矿井转为突出矿井。

瓦斯是与煤的变质作用相伴形成的，是地质成因的气体地质体；瓦斯生于煤层，储存于煤层和围岩之中。

只有把瓦斯研究与地质研究结合起来，运用板块构造理论揭示瓦斯赋存的机理，才能揭示构造煤的成因与发育规律，才能揭示不同尺度范围的瓦斯地质规律，才能进行准确的瓦斯预测，才能保证煤矿安全高效的生产。

1.2选题目的与选题意义

我国一次性能源消费结构中,煤炭占70%左右,预计2050年仍将占50%以上,煤炭资源的年消费量将保持在2.SGt以上,煤炭工业的重要性不会降低,在相当长的一段时间内煤炭将一直是我国居支配地位的主要能源。

国家《能源中长期发展规划纲要（2004一2020）》确定了“坚持以煤炭为主体、电力为中心、油、气和新能源全面发展的能源战略”,因此,煤炭工业是我国的基础产业,其健康、稳定、持续发展是关系到国家能源安全的重大问题，河南省嵩箕地区是河南省主要煤产地之一。

研究本区中新生代构造应力场对地质构造和煤层变化的控制作用。

对认识本区地质构造的形成与发展。

寻找厚煤带、指导地质勘探和矿山开采以及探讨华北板块南缘中新生代构造发展史均具有一定的意义。

第二章相关内容研究

2.1国内外研究状况

前苏联从50年代就开始了瓦斯地质方面的研究,1951年设立了“防止煤和瓦斯突出中央委员会”,研究表明瓦斯的分布受地质因素控制,且具有不均匀分布的规律性,瓦斯含量与构造复杂程度、煤层围岩、煤变质程度等因素有关。

法国在1914年开始从地质的角度研究瓦斯的分布规律。

英国的研究人员菲利普提出在煤系地层中地质构造对瓦斯的赋存状态和分布情况的影响起主导因素,建议加强地质构造的演化与瓦斯地质规律的研究。

FredshamK等认为地质构造对煤层的影响是在构造挤压、剪切作用下形成发育广泛的构造煤,为瓦斯的富集提供了载体。

Bible等学者在研究全球范围的瓦斯涌出现象时,指出矿区构造运动不仅影响煤层瓦斯的生成条件,英国的爱德森提出在煤系地层中地质构造对瓦斯的赋存状态和分布情况的影响起主导因素,建议加强地质构造的演化与瓦斯赋存规律的研究。

澳大利亚的Jshherd对地质构造与瓦斯突出的关系也作了广泛的研究。

我国于20世纪50年代开始瓦斯地质研究,著名安全专家杨力生教授提出治理瓦斯必须走瓦斯地质的道路,并于70年代创立了瓦斯地质学科,为瓦斯涌出预测提供了新思路。

杨力生与张子敏等人（2013）建立了“编制全国煤矿瓦斯地质图”煤炭工业部重大项目:

张祖银完成了《1:

200万的中国煤层瓦斯地质图和说明书》的编制并出版,大大推动了瓦斯地质学科的发展。

《煤矿安全规程》（2005）第一百八十一条突出矿井必须及时编制矿井瓦斯地质图,使瓦斯研究成果更容易纳入到生产管理。

2009年6月,作为大型油气田及煤层气开发国家科技重大专项“煤层气与煤炭协调开发关键技术”课题主要内容之一,全国煤矿瓦斯地质图编制工作正式启动。

2.2地质构造对瓦斯分布的影响

首先，煤的变质程度对瓦斯分布特性的影响方面，煤化作用过程中会不断地产生瓦斯,煤化程度越高,生成的瓦斯量越多。

即在其他因素恒定的条件下,煤的变质程度越高,煤层瓦斯含量越大。

煤的变质程度不仅影响瓦斯的生成量,还在很大程度上决定着煤对瓦斯的吸附能力。

在成煤初期,褐煤的结构疏松,孔隙率大,瓦斯分子能渗入煤体内部,因而褐煤具有很强的吸附能力。

但该阶段瓦斯生成量较少,且不易保存,煤中实际所含的瓦斯量是很小的。

在无烟煤时内表面积达到最大,与之相应,煤的吸附能力最强。

当由无烟煤向超无烟煤过渡时,到石墨时吸附瓦斯能力消失。

不同变质程度的煤,在区域分布上常呈带状分布,形成不同的变质带，在一定程度上控制着瓦斯的赋存和区域性分布。

衡量煤的变质程度的指标是挥发份,区内煤变质程度较高。

煤层厚度对瓦斯分布特性的影响方面。

瓦斯生于煤层,储于煤层,煤层是生成瓦斯的物质基础,煤层厚度及其变化与瓦斯涌出量大小有很大关系。

瓦斯的逸散以扩散方式为主,空间两点之间的浓度差是其扩散的主要动力。

煤储层本身是一种高度致密的低渗透性岩层,上部分层和下部分层对中部分层有强烈的封盖作用,煤储层厚度越大,对瓦斯的保存就越有利。

瓦斯生成的物质基础越充沛,生成的瓦斯量就大,当具有良好的瓦斯保存条件。

并且煤是天然的吸附体,煤的煤化程度越高,其储存瓦斯的能力越强。

煤层埋藏深度对瓦斯分布特性的影响方面。

在影响煤层瓦斯含量的众多地质因素中,煤层埋深和煤层上覆基岩厚度被认为是最具普遍性的因素,同时也反映了构造运动对瓦斯分布特性的影响。

一般出露于地表的煤层,瓦斯容易逸散,并且空气也向煤层渗透,导致煤层中的瓦斯含量小。

随着煤层埋藏深度的增加围岩的透气性降低,瓦斯向地表运移的距离相应也增大,瓦斯压力主要随煤层埋藏深度增加而变大。

煤层上覆基岩厚度为煤层埋藏深度减去第四系地层沉积厚度。

第四系地层主要为黄土层,,容易释放瓦斯。

由于第四系松散沉积物易于搬运,这就造成煤层上覆地层垂向上变化较大。

在第四纪松散沉积厚度较小、埋藏深度对瓦斯的影响基本上相当。

当地质构造运动复杂的情况下,第四纪变化较大,埋深与上浮基岩厚度变化很大,这时应分开考虑埋深与上浮基岩厚度分别对瓦斯分布特性的影响。

2.3地质构造对瓦斯含量的影响

首先在断层对瓦斯含量的影响方面。

断层对瓦斯含量的影响是多方面的,它不仅对煤层的完整性和瓦斯的封闭条件,而且对煤体结构、煤岩显微特征及煤的渗透率均有不同程度的影响。

此外,大量实际资料表明,断裂构造对煤层瓦斯含量也有重要的影响。

断层对瓦斯含量的影响程度与断层性质及规模有关。

从断层性质与瓦斯含量的关系来看,压性断层面为密闭性,断层面附近成为构造应力集中带,,使煤层吸附瓦斯量增多,煤层瓦斯含量相对增高,同时由于瓦斯不易透过断层面运移散失而有利于瓦斯的保存。

断层面为开放性,断层面附近由于构造应力释放而成为低压区,使煤层含气量急剧下降。

但在远离断层面的两侧一般形成两个平行断层呈对称的条带状构造应力高压区,成为阻止煤层瓦斯进一步向断层运移的天然屏障。

在水文地质条件对瓦斯含量的影响方面。

煤系中的水文地质条件对煤层气的保存、破坏影响很大,含气量差别很大。

煤中全部的空隙通常被水充满。

瓦斯在煤中的流动,除了受压力的影响外煤层脱水或煤层中水的流动,必然会导致甲烷气体部分或逐步解吸。

关于水动力条件对煤层气的控制作用,前人提出了水动力对煤层气的封堵作用和水力封闭作用等理论。

在煤层板岩性对瓦斯含量的影响方面，煤层围岩的透气性好坏,直接影响着煤层瓦斯的赋存、运移或富集,透气性好的砂岩顶板,有利于煤层瓦斯的逸散,煤层瓦斯含量相对较低，含量则相对较高。

孔隙透气系数非常大,一般比致密而裂隙不发育的页岩、泥岩等岩石透气系数高出千倍以上。

最后是褶皱对瓦斯含量的影响方面，是构造运动的具体表现形式。

褶皱对瓦斯的运移与聚集具有显著的控制作用。

一般来说,褶皱作用有利于瓦斯的解吸而使其呈游离状态保存在储层中。

这是因为褶皱作用一方面使煤层抬升,使瓦斯易于解吸;另一方面,褶皱作用的局部区域,特别是在向斜轴部受力较强,储层压力升高,煤层渗透率降低,有利于瓦斯的吸附和富集。

第3章嵩箕构造区地质特征于瓦斯分布的具体分析

3.1嵩箕构造区地质特征

嵩箕地区位于华北板块南缘,属秦岭东西向构造带的东段。

本区震旦系一三叠系组成的沉积盖层中,构造形式以断裂为主,。

轴向近东西的宽缓褶皱和区域性西向断裂系，成了本区盖层构造的基本格架。

按其走向可划分为:

近东西向断裂系、北西向断裂系和北东向断裂系。

此外,本区盖层中北西向褶皱亦较发育,煤田或井田多分布在北西向褶皱中。

北西向褶皱大多位于北西向断裂的旁翻,一般在断层上盘发育背斜,下盘发育向斜。

嵩箕地区构造图如图1所示。

图1　嵩箕地区构造图

嵩箕地区自印支运动以来.至少经历了三期不同方向的挤压构造应力场作用.第I期（印支期）为近南北向水平挤压应力场;第n期（燕山中期）为北东东一南西西向水平挤压应力场;第1期为北西一南东向水平挤压应力场.新生代本区属华北裂谷系的一部分,处于伸展应力场作用下。

嵩箕地区盖层构造的形成与发展受不同期次构造应力场的制约。

在第I期挤压构造应力场作用下,在盖层中形成了近东西向主体构造及相应的断裂系统，破坏了煤田构造格局的基本面貌,形成了断块构造格局,使本区晚古生代含煤区被分割成若干个煤田。

破坏了煤层的赋存条件,使之更加复杂化。

新生代伸展应力场,使断块格局进一步加强。

新生代挤压构造应力场的形成是上述诸板块俯冲。

成煤后受后期构造作用形成的地质构造对矿区或矿井总体的瓦斯赋存起控制作用,尤其是断层和褶皱,往往对煤层的瓦斯赋存条件具有显著的控制作用,且对煤与瓦斯突出危险程度也有明显的区别。

整个井田由浅部至深部煤层瓦斯含量不断增大,受断层带影响近煤层瓦斯会有或大或小的差别,会加剧使煤层瓦斯积聚和集中涌出程度。

煤田主体构造为北西向,中生代晚侏罗-早白垩和新生代第三纪发生了大规模的裂陷活动,尤其是晚白垩世至早第三纪,北北东向构造应力场反转,使得煤层大范围地剪切滑移,煤层厚度剧变,这是导致禹州煤田构造煤发育区的主要原因。

高能瓦斯的存在加之构造煤的成层发育也是此区煤田存在煤与瓦斯突出危险性的主要原因。

3.2嵩箕构造区瓦斯含量分布规律

构造煤是指煤层中分布的软弱分层,是煤层在构造应力作用下发生破碎甚至强烈的韧塑性变形和流变迁移的产物,是煤层经受挤压、剪切作用的结果。

研究表明,所有发生煤与瓦斯突出的煤层都发育有一定厚度的构造煤。

煤矿构造煤成层发育,高解吸,加之高能瓦斯作用决定了井田的煤与瓦斯突出区,随着煤层向深部的开采,瓦斯压力会不断增大,剪切部位更有利于瓦斯的富集和构造煤的形成,剪切作用控制着煤层中的构造煤分布,尤其是地质构造的控制。

构造通过控制构造煤和瓦斯分布进而控制煤与瓦斯突出区带,也控制着瓦斯灾害的发生和瓦斯治理技术的选择，在各期次构造应力场作用之下形成的,相互间具有改造和新生效应,从而形成了嵩箕区独特的构造组合。

（1）弧形构造

后期构造线切割了早期构造线并在其旁侧牵引褶曲,使原来构造线在平面上呈弧形、∽形或反∽形展布,这种构造组合称为弧形构造。

断面平直陡立,剪切力强,使北部嵩山背斜自西向东节节北移,且南部禹/州煤田内的南关断层、张堂断层等延伸到箕山背斜时也多弯曲。

这些平移断层在箕山背斜处表现为韧性和扭性,从而使颖阳—芦店向斜、箕山背斜和石淙河—龟山断层等形成向凸起的弧形，弧形构造成为嵩箕地区一种基本的构造组合。

弧形构造对煤层具有重要影响作用。

①该弧形构造改造和控制了赋煤带的走向,使赋煤带与构造带走向一致。

②对煤层赋存状态也有控制。

如弧顶处于挤压状态,煤层埋深变浅,而凹部则相反。

③对煤体结构和煤质也有影响。

因弧形处应力集中且应力场复杂,揉皱或拉伸流动形成各种构造煤,或围岩被挤入煤层中使灰分增高。

（2）伸展构造

伸展构造是在区域性引张应力作用下形成的一套以正断层为主的线状或面状构造组合。

伸展构造一般有地堑、阶梯状断层、断陷盆地等具体组合形式。

在断陷区往往伴随巨厚的中,在隆起区往往伴随重力滑动构造。

嵩箕地区伸展构造是在隆起背景下形成的,往往呈面状;张性正断层一般紧密排列。

如新密煤田东部在箕山背斜至新密向斜轴之间,从南到北依次发育有断面倾向Ｎ的新庄断层、浮山寨断层等,共同构成一组阶梯状断层（图2）。

再如嵩山背斜南部边界断层月湾断层在登封市以西断距达3000ｍ,属于一条深层断裂,且见新近系地层直接覆盖在其断面上。

说明该断层在新近纪有大规模继承性活动,地层倾向Ｎ,送表断层等则倾向Ｓ。

这说明地层倾向与断面倾向有相一致的。

伸展构造是嵩箕地区一种主要构造组合形式。

伸展构造赋煤性较好,一般能较好保存原始沉积煤层,但煤层连续性较差,常被各向断层分割成很多断块,形成地堑、地垒、阶梯状断块等具体组合形式,不利于大型井田的划分。

（3）重力滑动构造

重力滑动构造是指岩层、岩体在重力作用下向下滑动形成的构造变形,属表皮构造,多为层间滑动。

嵩箕地区的滑动构造非常典型,分布密,规模大滑面浅,与煤层赋存关系密切。

在垂向上,从上到下一般分为上浮系统（也称滑动系统或滑体）、主滑面和下伏系统3部分构成。

沿滑动方向又存在后缘拉伸带。

按其运动方向可分下滑式和上冲式,且普遍伴有“犁”式断层和反向断层的构造组合（图3）。

嵩箕地区重力滑动构造对煤层、煤质和煤体结构都有非常明显的影响。

重力滑动构造具正断层性质,会造成地层缺失,,从而使煤层埋深变浅。

但也因煤层底板和主滑面起伏不平而使煤层局部挤压增厚,重力滑动构造因动力作用还对煤的原生结构产生破坏,成为各种类型构造煤;也因动力变质作用,常使煤挥发分降低、变质程度增高;另一方面,也因煤层顶板多为滑动构造破碎带而增加顶板支护的难度,或因无煤带的大量存在而给采区布置带来困难。

（4）逆冲推覆构造

逆冲推覆构造主要是在水平挤压应力作用下产生的一系列逆断层及其上盘推覆体组成的一种构造组合。

逆冲推覆构造在逆冲方向存在外缘、峰带、中带、根带和后缘五带。

按其不同构造几何形态组合又可细分为冲断褶隆。

在箕山背斜弧形构造向凸起的弧形一侧不远处的新密煤田中（图4）。

北部形成3个叠瓦状推覆体,南部是一反冲断层,反映出由Ｓ向Ｎ的主冲方向。

图2煤田伸展构造剖面图

图3中立华东构造剖面图

图4逆冲推覆构造图

3.3控制嵩箕构造区瓦斯含量的地质因素

（1）煤质对嵩箕构造区瓦斯含量的作用

嵩箕构造区煤层中灰分含量总体较大，变化范围在9.46%～41.5%之间，瓦斯含量可靠数据与煤层水分相关关系图，瓦斯含量随灰分的增大而增大。

正常情况下，煤层中的灰分是不吸附瓦斯的，灰分对煤层瓦斯含量的影响是煤层中灰分增大。

煤层中水分含量总体较小，变化范围在0.24%～1.78%之间，瓦斯含量随水分的增大而减小，水分不是影响煤层瓦斯含量的主要因素。

（1）煤厚对嵩箕构造区瓦斯含量的作用

煤层是研究区主采煤层，本煤层具有层位稳定，但是煤厚变化大，从实际采掘揭露的情况来看，煤厚变化远比勘探揭露的煤厚变化复杂的多，认为煤厚对瓦斯含量有一定的影响作用，煤层厚的区域瓦斯含量也较大。

但同时也说明还有其他的因素影响着煤层瓦斯含量。

根据分析，煤层变厚瓦斯增大只是一个趋势，煤层瓦斯吸附常数以及煤质指标等参数分析测试数据受影响小，能够比较真实的反映煤层瓦斯情况。

（1）围岩对嵩箕构造区瓦斯含量的作用

岩层距煤层越近影响越大，随着远离煤层，其影响越来越小。

因此，在研究

围岩对瓦斯赋存的影响中，岩层的岩性厚度及组合控制了煤层瓦斯的赋存，该范围之外的岩层对瓦斯赋存的影响可以忽略不计，不论岩体结构差异多大都以50m或30m等作为岩性效应厚度范围进行瓦斯赋存的研究显然是不合适的，应当根据研究区岩性结构的具体情况综合确定。

（4）埋深对嵩箕构造区瓦斯含量的作用

地质单元内煤层盖层包括两部分：

基岩和新生界地层。

新生界地层包括第三、第四系地层，在第Ⅰ地质单元内厚度一般小于10m，相对于基岩厚度新生界地层厚度可以忽略不计，因此对煤层瓦斯赋存起保存作用的是上覆基岩。

第4章结语

4.1主要研究结论

在对嵩箕地区基本构造特征进行宏观把握和组合的基础上,区分出构造组合类型和控煤模式:

弧形构造、伸展构造、重力滑动构造和逆冲推覆构造。

这4种构造组合是多期构造应力场叠加作用的结果,是地质构造运动的产物。

不同的构造组合对煤层、煤质的空间展布起不同的控制作用,既有有利的一面,又有不利的影响。

总之,对庞杂的各构造样式进行合理组合,对其控煤模式进一步认识和把握,对煤田勘探和煤矿开采具有重要的指导意义。

4.2研究不足及展望

由于知识水平和时间有限，论文难免存在一些问题，我将会在以后工作或学习中更进一步的完善和提高。

不同构造对瓦斯涌出量的研究及煤与瓦斯突出的控制研究的还不够充分，尤其是对构造破坏带内构造煤对瓦斯的控制还需要进一步研究。

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致谢

论文完成之际，回顾一路走来有幸结识这么多的良师益友,心中满是感激。

在此对所有给予我关心、帮助与照顾的