铁法矿区大兴井田煤储层含气量影响因素分析

肖富强 桑树勋 黄华州

(中国矿业大学资源与地球科学学院，江苏 221008)

1 研究区地质背景

大兴井田位于铁法矿区的西南部，总体呈现北北东向展布，东西向狭窄，井田东部为晓南井田，北与大隆井田相邻，均以断层为界，井田面积21.2km2。大兴井田位于铁法煤田西南部盆地中心，总体为一走向南北的不对称向斜，区内构造发育复杂，火成岩活动也特别频繁。大兴井田含煤地层分上下两个含煤层段，其中上煤组含煤地层为2－3、4－2、7－2、8、9煤层，下煤组含煤地层为12、13、14－1、15－2、16煤层，以上10个煤层在整个井田可见，并且均为可采煤层，煤层最大累计的可采厚度可达100m。

2 煤储层含气量

煤层含气量是指单位体积或单位重量的煤体内，所含瓦斯的体积。但由于一定质量的瓦斯气体的体积取决于所处的压力和温度条件，因此在不同的压力和温度条件下测得的瓦斯含量是不同的。目前，测定瓦斯含气量的方法有直接测定法和间接测定法。

对大兴井田新建煤层气井实测数据分析可知，大兴井田煤储层含气量在区域及层域上的分布规律性并不明显，后期地质作用及圈闭环境对含气量的控制作用相对明显。基于此，对大兴井田煤储层的影响因素进行分析。大兴井田主要煤储层含气量数据如下表 (表1)。

表1 大兴井田主要煤层含气量数据

3 煤储层含气量影响因素

煤层中瓦斯的含量主要取决于煤层对瓦斯的吸附能力大小。而影响和控制煤层吸附性能的因素有地质构造、煤变质程度、埋藏深度、岩浆岩分布和水文地质条件等。

3.1 地质构造

大兴井田位于铁法矿区西南部，在地质历史时期中是沉降的中心地带，井田煤层埋深大，不利于煤层气的运移和逸散。并且井田内，岩浆活动剧烈，在侵入煤层过程中，对煤层进行挤压使得煤层的孔裂隙系统受影响，从而使瓦斯的运移通道受到阻碍，利于瓦斯的富集。以上因素，使得大兴井田成为铁法矿区的高瓦斯地区，利于煤层气的开发。

根据目前已有的勘探成果表明，大兴井田总体为一走向南北的不对称向斜。井田大部分地区平缓，倾角一般在5～8°之间，南翼和西翼较陡，倾角一般在20～32°之间，井田的南北两端都向上抬起。井田构造与区域构造规律一致，主要构造线呈NNE向。由图1可以看出，由于向斜轴部中心地带的煤层埋深大，上部的覆盖层厚度大，封闭条件好，位于井田轴部的中心地区的913、918、920、992等钻孔的15煤煤层气含量均大于20m3/t，其中最大的918钻孔高达26.67m3/t。由中心地带向外延伸，煤层气含气量逐渐减小，位于井田南部边界的948钻孔的15号煤层，其含气量只有1.79m3/t。所以，区内煤层气的赋存受到了褶曲的控制，具体表现在向斜轴部地区含气量高，向两翼逐渐减小。

图1 15号煤层瓦斯含量等值线图

井田内断层构造较发育，共发育大小断层(落差≥5m)30条，其中十五煤可见约18条，均为张性断裂。大部分断层的构造线方向为NNE向，其中北部F15、F43等断层构造沿NE向。张性断裂地区，断裂落差大时，沟通煤层的上下围岩甚至通达地表时，起着排放瓦斯的效果，导致断裂附近的煤层气含气量减小。以图1中，F38断层为例，倾角为55°，落差30m，沟通上下岩层，致使附近944、985、993钻孔的15号煤层偏低，普遍2～3m3/t。可见，区内的张性断裂对本区的煤层气赋存有一定的影响，致使断层附近含气量偏低。

综上所述，大兴井田向斜的两翼和轴部中和面以上是有利于煤层气封存和聚集的部位，特别是向斜的轴部是煤层气含量高异常区。区内的断层均为正断层，属张性断裂，利于瓦斯的排放而不利于瓦斯的聚集。

3.2 岩浆岩分布

铁法煤田的岩浆活动，主要分布在该盆地的东西部两缘，尤其以西南部的大兴井田最为发育。其岩浆活动可分为三期，第一期岩浆活动在煤层形成前发育，后两期在井田煤层形成后发育，并且与井田的断裂有明显的关联。大兴井田岩浆活动方式与区域岩浆活动一致，有喷发和侵入两种，其中喷发岩主要为玄武岩，侵入岩主要为辉绿岩。喷发岩对煤层一般无较大影响，而侵入岩对煤系地层有较大的破坏作用，并且对煤层气的生成和赋存有巨大影响。

大兴井田辉绿岩侵入体的活动一般受到断裂构造和岩层产状的控制，井田内主要侵入体多沿F49、F47号断层两端不规则分布，或者沿主要煤层以平行于煤层产状的方向侵入，还有少部分穿插煤层和围岩侵入。本次研究的主要煤层均受岩浆侵入作用，其中上煤组4号煤层和7号煤层的侵入体多出现在顶板或煤层中间，而下煤组12号煤层和15号煤层的侵入体则多出现在煤层顶部或底部。图1中，15号煤层的岩浆岩多分布在DF1断层和F47断层附近，煤层受岩浆岩的影响较大。煤储层含气量受岩浆影响，主要表现在:(1)岩浆侵入吞噬部分煤层，使其变质程度大幅度提高，甚至形成天然焦，伴随煤层气的大量生成。如表2所示，钻孔918和920，两个煤层相距均在80m左右，15号煤层由于受岩浆作用，含气量急剧升高，均大于20m3/t，12号煤层含气量正常，不受岩浆作用影响。(2)岩浆顺层侵入后，对煤层有烘烤作用，使煤层大量产生煤层气，并且煤变质程度也会有所提高。例如图1中，911和913钻孔，其地质条件相近，913由于受岩浆烘烤作用，煤层气含气量明显增加，达到24.8m3/t。(3)岩浆穿插侵入煤层及围岩，形成的岩墙和岩床是有利遮挡和封盖，对煤层气的赋存有利。

表2 含气量对比

3.3 埋藏深度

大兴井田主采煤层埋深普遍较深，从上煤组顶部至下煤组底部深度400～1200m不等。根据井田4、7、12、15号煤层的含气量和埋深数据，绘制了两者关系图 (图2)。根据图中各煤层的数据分布，可以看出煤层含气量随埋藏深度的增加有增大的趋势。主要是由于上覆地层厚度越大，埋深越深，煤层的变质程度就越高，受到的地层压力越大，而且越深瓦斯气体就越难透过覆盖层逸散流失，因而含气量就越大。但是，埋深越深，煤层的渗透率越低，开采难度越大，开发成本随之增加，不利于煤层气经济开发。

图2 大兴井田各煤层含气量与埋深关系图

各煤层趋势线方程为:

4号煤层趋势线方程:y=0.01x+1.736

7号煤层趋势线方程:y=0.024x－7.395

12号煤层趋势线方程:y=0.008x+2.644

15号煤层趋势线方程:y=0.038x－22.47

其中:y—瓦斯含气量，m3/t;

x—埋藏深度，m。

根据趋势线方程可以看出，埋藏深度与瓦斯含气量具有正相关性，其中4号煤层、12号煤层相关性较弱，可以猜测其他因素对这两个煤层含气量的甚大。7号煤层、15号煤层的含气量随埋藏深度的增加而增加的趋势很明显。基于瓦斯含气量与埋深这一关系，矿井开采时可根据这一规律预测瓦斯含量，对预防煤与瓦斯突出有一定指导意义。

3.4 煤变质程度

根据煤层的生气和储气的原理，煤的变质程度一方面决定了煤层演化过程中煤层气的生成量的多少，另一方面还在一定程度上决定了煤层的孔裂隙系统发育程度，这直接影响了煤层吸附性能的强弱。变质程度越高，产气数量则越多，煤内微孔隙越发育，煤层吸附能力与强，瓦斯含量越大。大兴井田各煤层发育有长焰煤、气煤、贫煤、天然焦等煤种，其中上煤组主要为长焰煤，气煤少量分布，下煤组主要为气煤，长焰煤零星分布，贫煤和天然焦则主要分布在各煤层岩浆岩发育地区附近。长焰煤、气煤属低变质程度煤，生气和储气能力较低，而贫煤和天然焦变质程度较高，对应含气量较高。大兴井田煤阶与含气量对比数据显示 (表3)，随着样品的变质程度的加深，含气量有加大的趋势，例如样品1反色率对应煤阶为长焰煤，其含气量为3.83m3/t，样品3对应煤阶为气煤，含气量增加到4.1m3/t，而样品 7为贫煤，其含气量高达15.36m3/t。

表3 大兴井田煤阶与含气量对比

3.5 水文地质条件

存在于煤层孔隙和裂隙中的地下水，不仅占据煤层气的储存空间，排挤掉游离于孔隙和裂隙的气体，而且还削弱煤储层对煤层气的吸附能力。在水力运移比较旺盛的矿区，煤层中的煤层气会逐渐被流水携带走，因此造成地下水活动强烈的地区煤层气含气量小，地下水活动较弱的地区则煤层气含气量大。大兴井田共有三个主要含水层，第四纪承压含水层、白垩系玄武岩及砂岩裂隙弱承压含水层和白垩系含煤组弱含水层。其中第四纪承压含水层埋深浅，直接地表水补给，对煤层气影响小。而后两个含水层通过上部微弱的渗流补给，径流条件差，对煤层气的赋存甚至起水力封闭控气的作用。大兴井田有三个广泛发育的隔水层，隔绝地下水的上下运移。井田内发育有大量断层，但断层受挤压而闭合，各断层的导水性和含水性都很微弱。以上论述表明，大兴井田的地下水活动并不活跃，水利条件较差，对煤层气的富集影响较小，甚至还起到一定程度的促进作用。

4 结论

从上述分析可知，大兴井田的含气量特征是各种因素共同作用的结果，本文有如下结论:

(1)大兴井田总体为以北北东走向的向斜，使得区内向斜核部含气量高于周边地区，并且断层的发育不利于煤层气的富集;区内岩浆活动剧烈，大量岩浆岩侵入煤层，对煤层有烘烤和吞噬等作用，促进含气量的增长，导致岩浆岩发育区往往成为瓦斯富集区。因而，大兴井田是铁法矿区的高瓦斯矿井，利于煤层气开发。

(2)根据含气量和埋深的拟合关系，随着埋深的增大，含气量有增加的趋势，可以据此预测定性预测一定深度内的含气量;井田内主要煤种为长焰煤、气煤，少量贫煤和天然焦，含气量随煤阶的增高而增大，气煤含气量大于长焰煤，贫煤则更高。

(3)大兴井田主要含水层对煤层气影响较小，并且普遍发育的隔水层阻碍上下水力联系，对煤层气起水力封闭控气作用;区内大量发育的断层含水性和导水性都很微弱。所以，大兴井田的水文地质条件利于煤层气的开发。

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