鐵法礦區(qū)大興井田煤儲層含氣量影響因素分析

肖富強 桑樹勛 黃華州

(中國礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇 221008)

1 研究區(qū)地質(zhì)背景

大興井田位于鐵法礦區(qū)的西南部，總體呈現(xiàn)北北東向展布，東西向狹窄，井田東部為曉南井田，北與大隆井田相鄰，均以斷層為界，井田面積21.2km2。大興井田位于鐵法煤田西南部盆地中心，總體為一走向南北的不對稱向斜，區(qū)內(nèi)構(gòu)造發(fā)育復(fù)雜，火成巖活動也特別頻繁。大興井田含煤地層分上下兩個含煤層段，其中上煤組含煤地層為2－3、4－2、7－2、8、9煤層，下煤組含煤地層為12、13、14－1、15－2、16煤層，以上10個煤層在整個井田可見，并且均為可采煤層，煤層最大累計的可采厚度可達100m。

2 煤儲層含氣量

煤層含氣量是指單位體積或單位重量的煤體內(nèi)，所含瓦斯的體積。但由于一定質(zhì)量的瓦斯氣體的體積取決于所處的壓力和溫度條件，因此在不同的壓力和溫度條件下測得的瓦斯含量是不同的。目前，測定瓦斯含氣量的方法有直接測定法和間接測定法。

對大興井田新建煤層氣井實測數(shù)據(jù)分析可知，大興井田煤儲層含氣量在區(qū)域及層域上的分布規(guī)律性并不明顯，后期地質(zhì)作用及圈閉環(huán)境對含氣量的控制作用相對明顯?；诖?，對大興井田煤儲層的影響因素進行分析。大興井田主要煤儲層含氣量數(shù)據(jù)如下表 (表1)。

表1 大興井田主要煤層含氣量數(shù)據(jù)

3 煤儲層含氣量影響因素

煤層中瓦斯的含量主要取決于煤層對瓦斯的吸附能力大小。而影響和控制煤層吸附性能的因素有地質(zhì)構(gòu)造、煤變質(zhì)程度、埋藏深度、巖漿巖分布和水文地質(zhì)條件等。

3.1 地質(zhì)構(gòu)造

大興井田位于鐵法礦區(qū)西南部，在地質(zhì)歷史時期中是沉降的中心地帶，井田煤層埋深大，不利于煤層氣的運移和逸散。并且井田內(nèi)，巖漿活動劇烈，在侵入煤層過程中，對煤層進行擠壓使得煤層的孔裂隙系統(tǒng)受影響，從而使瓦斯的運移通道受到阻礙，利于瓦斯的富集。以上因素，使得大興井田成為鐵法礦區(qū)的高瓦斯地區(qū)，利于煤層氣的開發(fā)。

根據(jù)目前已有的勘探成果表明，大興井田總體為一走向南北的不對稱向斜。井田大部分地區(qū)平緩，傾角一般在5～8°之間，南翼和西翼較陡，傾角一般在20～32°之間，井田的南北兩端都向上抬起。井田構(gòu)造與區(qū)域構(gòu)造規(guī)律一致，主要構(gòu)造線呈NNE向。由圖1可以看出，由于向斜軸部中心地帶的煤層埋深大，上部的覆蓋層厚度大，封閉條件好，位于井田軸部的中心地區(qū)的913、918、920、992等鉆孔的15煤煤層氣含量均大于20m3/t，其中最大的918鉆孔高達26.67m3/t。由中心地帶向外延伸，煤層氣含氣量逐漸減小，位于井田南部邊界的948鉆孔的15號煤層，其含氣量只有1.79m3/t。所以，區(qū)內(nèi)煤層氣的賦存受到了褶曲的控制，具體表現(xiàn)在向斜軸部地區(qū)含氣量高，向兩翼逐漸減小。

圖1 15號煤層瓦斯含量等值線圖

井田內(nèi)斷層構(gòu)造較發(fā)育，共發(fā)育大小斷層(落差≥5m)30條，其中十五煤可見約18條，均為張性斷裂。大部分斷層的構(gòu)造線方向為NNE向，其中北部F15、F43等斷層構(gòu)造沿NE向。張性斷裂地區(qū)，斷裂落差大時，溝通煤層的上下圍巖甚至通達地表時，起著排放瓦斯的效果，導(dǎo)致斷裂附近的煤層氣含氣量減小。以圖1中，F(xiàn)38斷層為例，傾角為55°，落差30m，溝通上下巖層，致使附近944、985、993鉆孔的15號煤層偏低，普遍2～3m3/t。可見，區(qū)內(nèi)的張性斷裂對本區(qū)的煤層氣賦存有一定的影響，致使斷層附近含氣量偏低。

綜上所述，大興井田向斜的兩翼和軸部中和面以上是有利于煤層氣封存和聚集的部位，特別是向斜的軸部是煤層氣含量高異常區(qū)。區(qū)內(nèi)的斷層均為正斷層，屬張性斷裂，利于瓦斯的排放而不利于瓦斯的聚集。

3.2 巖漿巖分布

鐵法煤田的巖漿活動，主要分布在該盆地的東西部兩緣，尤其以西南部的大興井田最為發(fā)育。其巖漿活動可分為三期，第一期巖漿活動在煤層形成前發(fā)育，后兩期在井田煤層形成后發(fā)育，并且與井田的斷裂有明顯的關(guān)聯(lián)。大興井田巖漿活動方式與區(qū)域巖漿活動一致，有噴發(fā)和侵入兩種，其中噴發(fā)巖主要為玄武巖，侵入巖主要為輝綠巖。噴發(fā)巖對煤層一般無較大影響，而侵入巖對煤系地層有較大的破壞作用，并且對煤層氣的生成和賦存有巨大影響。

大興井田輝綠巖侵入體的活動一般受到斷裂構(gòu)造和巖層產(chǎn)狀的控制，井田內(nèi)主要侵入體多沿F49、F47號斷層兩端不規(guī)則分布，或者沿主要煤層以平行于煤層產(chǎn)狀的方向侵入，還有少部分穿插煤層和圍巖侵入。本次研究的主要煤層均受巖漿侵入作用，其中上煤組4號煤層和7號煤層的侵入體多出現(xiàn)在頂板或煤層中間，而下煤組12號煤層和15號煤層的侵入體則多出現(xiàn)在煤層頂部或底部。圖1中，15號煤層的巖漿巖多分布在DF1斷層和F47斷層附近，煤層受巖漿巖的影響較大。煤儲層含氣量受巖漿影響，主要表現(xiàn)在:(1)巖漿侵入吞噬部分煤層，使其變質(zhì)程度大幅度提高，甚至形成天然焦，伴隨煤層氣的大量生成。如表2所示，鉆孔918和920，兩個煤層相距均在80m左右，15號煤層由于受巖漿作用，含氣量急劇升高，均大于20m3/t，12號煤層含氣量正常，不受巖漿作用影響。(2)巖漿順層侵入后，對煤層有烘烤作用，使煤層大量產(chǎn)生煤層氣，并且煤變質(zhì)程度也會有所提高。例如圖1中，911和913鉆孔，其地質(zhì)條件相近，913由于受巖漿烘烤作用，煤層氣含氣量明顯增加，達到24.8m3/t。(3)巖漿穿插侵入煤層及圍巖，形成的巖墻和巖床是有利遮擋和封蓋，對煤層氣的賦存有利。

表2 含氣量對比

3.3 埋藏深度

大興井田主采煤層埋深普遍較深，從上煤組頂部至下煤組底部深度400～1200m不等。根據(jù)井田4、7、12、15號煤層的含氣量和埋深數(shù)據(jù)，繪制了兩者關(guān)系圖 (圖2)。根據(jù)圖中各煤層的數(shù)據(jù)分布，可以看出煤層含氣量隨埋藏深度的增加有增大的趨勢。主要是由于上覆地層厚度越大，埋深越深，煤層的變質(zhì)程度就越高，受到的地層壓力越大，而且越深瓦斯氣體就越難透過覆蓋層逸散流失，因而含氣量就越大。但是，埋深越深，煤層的滲透率越低，開采難度越大，開發(fā)成本隨之增加，不利于煤層氣經(jīng)濟開發(fā)。

圖2 大興井田各煤層含氣量與埋深關(guān)系圖

各煤層趨勢線方程為:

4號煤層趨勢線方程:y=0.01x+1.736

7號煤層趨勢線方程:y=0.024x－7.395

12號煤層趨勢線方程:y=0.008x+2.644

15號煤層趨勢線方程:y=0.038x－22.47

其中:y—瓦斯含氣量，m3/t;

x—埋藏深度，m。

根據(jù)趨勢線方程可以看出，埋藏深度與瓦斯含氣量具有正相關(guān)性，其中4號煤層、12號煤層相關(guān)性較弱，可以猜測其他因素對這兩個煤層含氣量的甚大。7號煤層、15號煤層的含氣量隨埋藏深度的增加而增加的趨勢很明顯?；谕咚购瑲饬颗c埋深這一關(guān)系，礦井開采時可根據(jù)這一規(guī)律預(yù)測瓦斯含量，對預(yù)防煤與瓦斯突出有一定指導(dǎo)意義。

3.4 煤變質(zhì)程度

根據(jù)煤層的生氣和儲氣的原理，煤的變質(zhì)程度一方面決定了煤層演化過程中煤層氣的生成量的多少，另一方面還在一定程度上決定了煤層的孔裂隙系統(tǒng)發(fā)育程度，這直接影響了煤層吸附性能的強弱。變質(zhì)程度越高，產(chǎn)氣數(shù)量則越多，煤內(nèi)微孔隙越發(fā)育，煤層吸附能力與強，瓦斯含量越大。大興井田各煤層發(fā)育有長焰煤、氣煤、貧煤、天然焦等煤種，其中上煤組主要為長焰煤，氣煤少量分布，下煤組主要為氣煤，長焰煤零星分布，貧煤和天然焦則主要分布在各煤層巖漿巖發(fā)育地區(qū)附近。長焰煤、氣煤屬低變質(zhì)程度煤，生氣和儲氣能力較低，而貧煤和天然焦變質(zhì)程度較高，對應(yīng)含氣量較高。大興井田煤階與含氣量對比數(shù)據(jù)顯示 (表3)，隨著樣品的變質(zhì)程度的加深，含氣量有加大的趨勢，例如樣品1反色率對應(yīng)煤階為長焰煤，其含氣量為3.83m3/t，樣品3對應(yīng)煤階為氣煤，含氣量增加到4.1m3/t，而樣品 7為貧煤，其含氣量高達15.36m3/t。

表3 大興井田煤階與含氣量對比

3.5 水文地質(zhì)條件

存在于煤層孔隙和裂隙中的地下水，不僅占據(jù)煤層氣的儲存空間，排擠掉游離于孔隙和裂隙的氣體，而且還削弱煤儲層對煤層氣的吸附能力。在水力運移比較旺盛的礦區(qū)，煤層中的煤層氣會逐漸被流水攜帶走，因此造成地下水活動強烈的地區(qū)煤層氣含氣量小，地下水活動較弱的地區(qū)則煤層氣含氣量大。大興井田共有三個主要含水層，第四紀承壓含水層、白堊系玄武巖及砂巖裂隙弱承壓含水層和白堊系含煤組弱含水層。其中第四紀承壓含水層埋深淺，直接地表水補給，對煤層氣影響小。而后兩個含水層通過上部微弱的滲流補給，徑流條件差，對煤層氣的賦存甚至起水力封閉控氣的作用。大興井田有三個廣泛發(fā)育的隔水層，隔絕地下水的上下運移。井田內(nèi)發(fā)育有大量斷層，但斷層受擠壓而閉合，各斷層的導(dǎo)水性和含水性都很微弱。以上論述表明，大興井田的地下水活動并不活躍，水利條件較差，對煤層氣的富集影響較小，甚至還起到一定程度的促進作用。

4 結(jié)論

從上述分析可知，大興井田的含氣量特征是各種因素共同作用的結(jié)果，本文有如下結(jié)論:

(1)大興井田總體為以北北東走向的向斜，使得區(qū)內(nèi)向斜核部含氣量高于周邊地區(qū)，并且斷層的發(fā)育不利于煤層氣的富集;區(qū)內(nèi)巖漿活動劇烈，大量巖漿巖侵入煤層，對煤層有烘烤和吞噬等作用，促進含氣量的增長，導(dǎo)致巖漿巖發(fā)育區(qū)往往成為瓦斯富集區(qū)。因而，大興井田是鐵法礦區(qū)的高瓦斯礦井，利于煤層氣開發(fā)。

(2)根據(jù)含氣量和埋深的擬合關(guān)系，隨著埋深的增大，含氣量有增加的趨勢，可以據(jù)此預(yù)測定性預(yù)測一定深度內(nèi)的含氣量;井田內(nèi)主要煤種為長焰煤、氣煤，少量貧煤和天然焦，含氣量隨煤階的增高而增大，氣煤含氣量大于長焰煤，貧煤則更高。

(3)大興井田主要含水層對煤層氣影響較小，并且普遍發(fā)育的隔水層阻礙上下水力聯(lián)系，對煤層氣起水力封閉控氣作用;區(qū)內(nèi)大量發(fā)育的斷層含水性和導(dǎo)水性都很微弱。所以，大興井田的水文地質(zhì)條件利于煤層氣的開發(fā)。

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