萍鄉(xiāng)礦區(qū)安源組煤層氣地質(zhì)特征

肖富強(qiáng)

（江西省煤田地質(zhì)勘察研究院，江西 南昌 330001）

1 概述

萍鄉(xiāng)礦區(qū)位于江西省萍鄉(xiāng)市中部，隸屬萍鄉(xiāng)市湘東區(qū)、安源區(qū)、蘆溪縣、上栗縣管轄。 礦區(qū)西起湖南與江西省界，東至高坑煤礦、裴家，北至福田、赤山，南至源泮、林坊，長約42～32.5 km，寬約20 km，面積約665 km2。

據(jù)2010年 《江西省萍鄉(xiāng)礦區(qū)瓦斯地質(zhì)圖說明書》統(tǒng)計(jì)[1]，萍鄉(xiāng)礦區(qū)共有生產(chǎn)礦井69 處，其中省屬煤炭集團(tuán)公司礦井5 處，市屬地方礦井9 處，鄉(xiāng)鎮(zhèn)煤礦55 處。 根據(jù)最新江西省生產(chǎn)煤礦名冊，萍鄉(xiāng)礦區(qū)省煤炭集團(tuán)公司所屬安源煤礦為正常生產(chǎn)礦井，青山、白源、巨源、高坑煤礦已按照相關(guān)產(chǎn)業(yè)政策關(guān)停。此外，尚有部分地方煤礦在生產(chǎn)。按照當(dāng)前產(chǎn)業(yè)政策，在未來幾年內(nèi)，萍鄉(xiāng)礦區(qū)內(nèi)剩余生產(chǎn)礦井大部分將陸續(xù)調(diào)整關(guān)閉。 煤礦關(guān)閉后，在廢棄礦井中仍留存有大量煤炭資源， 在高瓦斯礦井分布區(qū)，礦井廢棄后依然保存并釋放煤層氣，同時(shí)，在煤炭資源量未動用地區(qū)， 其保存的煤層氣資源量潛力較大。 煤層氣是清潔能源的重要組成部分，因此，對萍鄉(xiāng)礦區(qū)煤層氣資源開展研究，使煤系資源最大化利用，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2 礦區(qū)地質(zhì)特征

2.1 礦區(qū)構(gòu)造

萍鄉(xiāng)礦區(qū)大地構(gòu)造位置處于揚(yáng)子地臺東南緣與華南褶皺系東北隅之間部分地域，屬于形成于印支運(yùn)動且受燕山和喜山運(yùn)動進(jìn)一步加劇的萍樂拗陷帶之西段[2]。 萍樂拗陷帶呈反“S”形展布，為一復(fù)式向斜構(gòu)造，以向斜相對寬長、背斜相對窄短的隔檔式構(gòu)造為特點(diǎn)， 構(gòu)造線方向以北東—南西向?yàn)橹?，西端向南偏轉(zhuǎn)為北北東。

由于強(qiáng)烈的水平擠壓，在巨源、青山等處形成飛來峰構(gòu)造。 飛來峰的地質(zhì)體是二疊系中統(tǒng)茅口組灰?guī)r，覆蓋或插入安源煤系地層之上或之內(nèi)。 在安源、高坑、黃塘、大平山等地均發(fā)育有飛來峰構(gòu)造。

本區(qū)褶皺強(qiáng)烈， 背向斜交替出現(xiàn)延伸較長，向背斜緊密，且向斜較寬闊，背斜狹窄，具隔擋式特征，脊線起伏平緩。 南翼傾角一般較北翼傾角稍陡，見圖1。

圖1 萍鄉(xiāng)礦區(qū)構(gòu)造綱要

2.2 煤系地層特征

萍鄉(xiāng)礦區(qū)煤系地層主要為三疊系上統(tǒng)安源組，還有二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M老山段。 其中安源組含煤性最好，為本區(qū)的主要開采對象。 安源組在萍鄉(xiāng)礦區(qū)主要分布于高坑、安源、青山、巨源、白源、上官嶺、黃塘等地，煤系不整合于二疊系茅口組、樂平組或三疊系大冶組地層之上。

安源組三分性明顯， 自下而上劃分為紫家沖段、三家沖段、三丘田段，各段巖性如下：

（1）紫家沖段：

下部為灰白色厚層狀石英燧石礫巖，最底部有厚約1.3 m 左右的雜色礫巖，局部地區(qū)缺失；中上部以灰色至深灰色細(xì)粒砂巖、粉砂巖、泥巖為主，夾砂礫巖、礫巖、中粒砂巖、粗粒砂巖等，富產(chǎn)植物化石。為主要含煤段，含煤1～17 層，煤層厚度0.38～31.74 m， 可采厚度2.72～10.62 m。 地層厚度20.75～641 m，平均厚度約160 m。

（2）三家沖段

下部為灰白色中厚層狀細(xì)?！辛Ｉ皫r，局部見粗粒砂巖夾少量粉砂巖，地層厚度78 m；中部為灰黑色粉砂巖夾砂巖， 含少量菱鐵礦和白云巖結(jié)核，地層厚124 m；上部為黑色泥巖，其中上部以大量球狀風(fēng)化為特點(diǎn)，富產(chǎn)海相瓣鰓類化石，厚度一般86 m。 本段地層厚度變化不大，層位穩(wěn)定，基本不含煤，以巖性和化石組合作為標(biāo)志層。

（3）三丘田段

下部為灰白色厚層狀細(xì)粒石英砂巖、泥巖及礫巖，局部相變?yōu)榛野咨駥訝钪小至ｉL石石英砂巖、粉砂巖，砂巖層面上有波痕，在安源一帶夾多層礫巖，向東、南相變成砂巖；上部為灰白色中厚- 厚層狀長石石英砂巖、石英砂巖、泥巖、粉砂巖，頂部為厚層狀燧石礫巖。 三丘田段為次要含煤段，含煤2～4 層，可采煤層0～3 層，最大可采累厚15.58 m。產(chǎn)植物和海相瓣鰓類、腹足類化石。地層厚度189～635 m。

安源組的分布呈盆地、盆地群出現(xiàn)，各盆地間之巖性、巖相、地層厚度、含煤性等變化極大。 萍鄉(xiāng)礦區(qū)各井田含煤特證見表1。

表1 萍鄉(xiāng)礦區(qū)各主要井田含煤特征[3]

3 含氣性特征

萍鄉(xiāng)礦區(qū)煤層氣分布具有西強(qiáng)東弱的特征。 西部巨源、青山、上官嶺等地為高瓦斯或煤與瓦斯突出礦井，而東部安源、高坑、白源等地均為低瓦斯礦井。 本次僅介紹萍鄉(xiāng)礦區(qū)西部的高瓦斯地區(qū)含氣性特征。

3.1 青山煤礦

青山煤礦在以往煤炭地質(zhì)勘查過程中，對地表鉆孔中鉆遇大槽煤層進(jìn)行煤層氣含量測定，甲烷含量7.33～18.07 m3/t，平均含量達(dá)到12.84 m3/t。 井下測定的瓦斯含量數(shù)據(jù)， 大槽煤層含氣量最大，最高達(dá)到24.63 m3/t，最低也有7.82 m3/t；硬子槽、管子槽含氣量分別達(dá)到10.75 m3/t、8.79 m3/t。從水平分布來看，井田東部大槽煤層煤層氣含氣量高于西部。 青山礦屬煤與瓦斯突出礦井，歷年瓦斯涌出量均較大，并隨礦井向深部開采呈現(xiàn)增大趨勢。

3.2 巨源煤礦

巨源煤礦可采煤層較多， 各煤層含氣量均較高，7 煤含氣量為7.74 m3/t；9 煤含氣量為5.43～12.70 m3/t， 平均含氣量9.14 m3/t；10 煤鉆孔含氣量為7.28～8.49 m3/t，平均含氣量7.81 m3/t；12 煤實(shí)測含氣量為8.62 m3/t。 另外，在礦井生產(chǎn)過程中測得的井下煤層含氣量8.4～14.68 m3/t，平均含量為10.75 m3/t。 鉆孔與礦井中煤樣含氣量測試結(jié)果較為一致。

巨源煤礦為煤與瓦斯突出礦井，歷年來礦井瓦斯相對涌出量居高不下。 根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)，礦井相對瓦斯涌出量最低為31.14 m3/t，最高為57.57 m3/t，歷年礦井相對瓦斯涌出量平均值為44.63 m3/t。

3.3 煤層氣資源量

表2 萍鄉(xiāng)礦區(qū)安源組煤層氣資源量統(tǒng)計(jì)

根據(jù)前述的青山、 巨源煤礦各煤層含氣量，經(jīng)換算后的空氣干燥基含氣量分別為11.34 m3/t 和6.3 m3/t。 結(jié)合煤炭保有資源量，經(jīng)計(jì)算，煤層氣總資源量預(yù)測為5.69 億m3， 其中青山煤礦預(yù)測煤層氣資源量為2.3 億m3，巨源煤礦預(yù)測煤層氣資源量為3.39 億m3，見表2。

4 煤層氣成藏控制因素

煤層氣的富集成藏受多種因素控制，煤層氣的生氣、儲集、保存是構(gòu)成煤層氣成藏的主要要素，而其成藏過程受到煤變質(zhì)程度、埋藏深度、圍巖條件、巖漿發(fā)育情況等各類地質(zhì)條件的綜合影響。

4.1 煤變質(zhì)程度

從萍鄉(xiāng)礦區(qū)主要礦井瓦斯涌出量來看 （見表3），西部青山、巨源為煤與瓦斯突出礦井，而東部安源、高坑、白源均為低瓦斯礦井。 單從煤質(zhì)分析，青山礦各煤層主要為無煙煤，巨源礦各煤層介于瘦煤至貧煤階段，而安源、高坑、白源為肥煤至焦煤階段。 萍鄉(xiāng)礦區(qū)高瓦斯礦井均為高煤階煙煤或無煙煤，中低變質(zhì)煤礦井多為低瓦斯礦井。

表3 萍鄉(xiāng)礦區(qū)各煤礦瓦斯涌出量與煤階數(shù)據(jù)

巨源礦鉆孔煤層氣含量的平均值為8.38 m3/t，而青山礦各煤樣的含氣量平均值為12.84 m3/t，可見煤的變質(zhì)程度對煤層瓦斯含量之影響，在一定變質(zhì)程度上， 煤層瓦斯含氣量隨變質(zhì)程度增加而增大。

4.2 煤層埋深

含煤地層在構(gòu)造運(yùn)動的影響下， 產(chǎn)生形變，使煤層的埋藏深度發(fā)生變化。 隨著埋藏深度的增加，煤層甲烷壓力增大，封閉條件也相對變好，煤層對甲烷的吸附量在一定的壓力值范圍內(nèi)，在同等儲集條件下或同等構(gòu)造條件下，深部煤層甲烷含量大于淺部， 隨著煤層埋深的增加甲烷含量也隨之增加，呈正相關(guān)關(guān)系。 據(jù)此，分析青山、巨源等礦區(qū)一般煤層的埋藏（h）與煤層瓦斯含量（Q）之關(guān)系，二者多呈正相關(guān)，見圖2。

圖2 煤層瓦斯含量（Q）與煤層埋深（h）關(guān)系

煤層埋深大，煤巖熱演化程度高，生氣量大，含氣量亦大，向上逸散量小，保存條件優(yōu)越；但隨著煤層埋深的增大，煤巖的儲集物性變差，增大了煤層氣開采的難度，使經(jīng)濟(jì)效益降低。

4.3 圍巖蓋層條件

煤層氣屬于自生自儲式聚集，不像常規(guī)天然氣需要初次運(yùn)移。 煤層氣自生成開始，要有良好的封蓋條件，以使盡可能多的煤層氣得以保存。 蓋層對煤層氣的作用主要在于維持吸附與解吸的平衡，通過不同的圍巖類型或巖石類型組合來減少游離氣的逸散，并減弱交替地層水的影響，從而達(dá)到有效地阻止煤層氣的垂向滲流或擴(kuò)散。

煤層頂、底板的封閉性能是控制煤層甲烷含量的主要因素之一。 但絕對封閉的頂?shù)装迨遣淮嬖诘模谟袣怏w壓力差和濃度差的情況下，煤層甲烷仍會以一定速度向周圍擴(kuò)散。 賦存于煤層中的甲烷，在一定的條件下，可在煤體內(nèi)或通過頂、底板及圍巖而產(chǎn)生運(yùn)移，所以頂、底板及圍巖的透氣性，會直接影響甲烷含量的大小。

萍鄉(xiāng)礦區(qū)巨源、青山等含煤地層安源組下部紫家沖段含數(shù)層中粗粒砂巖， 其上為厚層砂礫巖；而三家沖段地層中則多為泥巖、 粉砂巖和細(xì)砂巖，其滲透性能較差， 為各煤層提供較好的隔氣條件，有利于甲烷氣體的保存。

青山礦紫家沖段煤層頂、 底板50 m 以內(nèi)砂泥巖比值低，砂礫巖以硅質(zhì)膠結(jié)為主，致密堅(jiān)硬，孔隙度低，含煤段主要為瀉湖坪環(huán)境，沉積較穩(wěn)定；上覆三家沖段為海灣瀉湖相，巖性較細(xì)，隔氣條件好，煤系中沒有明顯的沖刷現(xiàn)象，煤層頂、底沒有透氣性較好的砂巖或礫巖，這些條件都有利于瓦斯保存。

4.4 水文地質(zhì)條件

青山煤礦東部和西部水文地質(zhì)條件不同： 東部發(fā)育小江邊泥質(zhì)灰?guī)r“飛來峰”插入體，含水性差，透氣性差，瓦斯賦存高；西部煤系基底為茅口組灰?guī)r，富水性強(qiáng)，煤層氣賦存較東部低。

巨源煤礦，煤系地層之上形成“飛來峰”構(gòu)造，致使礦區(qū)內(nèi)水文地質(zhì)條件更加復(fù)雜。 礦區(qū)主要含水層為煤系地層頂部 “飛來峰”茅口灰?guī)r巖溶水和底部正常茅口灰?guī)r含水層，富水性較強(qiáng)；但主要含煤段（紫家沖段中上部），上覆厚度為350 m 的薄—中厚層狀泥巖、粉砂巖隔水層，下伏厚度為60 m 的致密泥巖隔水層。 因此，灰?guī)r巖溶水對煤層充水活動微弱，故而礦區(qū)煤層氣含量高。

4.5 巖漿熱力作用

巖漿活動的主要作用是影響煤的變質(zhì)，巖漿侵入煤系或接觸煤層而帶來的高溫、揮發(fā)性氣體和壓力使煤層發(fā)生變質(zhì)作用，這種快速高溫能使煤層產(chǎn)生急劇變化。

巖漿的熱力烘烤， 使煤中大量的揮發(fā)物質(zhì)析出，留下很多密集成群的氣孔，使孔隙增多。 同時(shí)，由于有機(jī)質(zhì)在短時(shí)間內(nèi)熱解或裂解生成大量的烴類氣體逸出煤體，留下了大量與裂隙相連通的氣孔構(gòu)造，對于煤層氣的保存也是有利的。

青山礦在成煤過程中， 經(jīng)歷過多次巖漿活動，有三層比較穩(wěn)定的玄武巖產(chǎn)于煤系地層中，分別構(gòu)成了硬子槽、珠子槽、管子槽的底板。 由于巖漿活動，以及同沉積構(gòu)造影響，青山礦區(qū)煤的變質(zhì)程度明顯偏高，達(dá)到無煙煤階段，煤層氣含氣量也明顯高于巨源礦區(qū)的瘦煤—貧煤類。

5 結(jié)語

根據(jù)以上分析，萍鄉(xiāng)礦區(qū)煤層氣富集區(qū)主要集中在礦區(qū)西部的青山、巨源等地，含煤性較好，含氣量大，預(yù)測煤層氣資源量為5.69 億m3。

通過對煤變質(zhì)程度、煤層埋深、圍巖條件、水文地質(zhì)條件、巖漿熱力作用等方面分析研究，青山、巨源煤礦具備較好的煤層氣成藏條件，其煤變質(zhì)程度高，水文地質(zhì)條件適宜，有一定的巖漿熱力作用，在煤層埋深及圍巖條件相對較好的區(qū)域，具備煤層氣資源開發(fā)潛力。