陽泉礦區(qū)主要煤層含氣性特征及控氣地質(zhì)因素研究

付英娟 吳財芳

(1．中國礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇 221116;2．中國礦業(yè)大學(xué)煤層氣資源與成藏過程教育部重點實驗室，江蘇 221008)

1 礦區(qū)概況

陽泉礦區(qū)位于山西省沁水煤田的東北部，太行山背斜的西翼。全區(qū)基本上呈單斜構(gòu)造，走向北北東，向西南方向傾斜。礦區(qū)主要的含煤地層為石炭系太原組及二疊系山西組，煤系地層厚度180m，煤層厚度13～15m，上覆地層厚度108～467.8m，傾角一般為5°～10°。礦區(qū)共含煤16層，其中主采3#、12#、15#三個煤層;6#、8#、9#煤層為局部可采，煤質(zhì)均為變質(zhì)程度較高的無煙煤。

上主采煤層 (3#煤層):位于山西組中上部，K8砂巖下20～30m左右，全區(qū)煤層厚度 0～4.75m，煤層不穩(wěn)定，壽陽礦區(qū)西部和陽泉三礦擴(kuò)區(qū)煤層較厚，其它地區(qū)煤層變薄，甚至尖滅。結(jié)構(gòu)簡單，有時含一層夾矸，頂?shù)装鍨槟鄮r、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖，局部為炭質(zhì)泥巖和細(xì)砂巖。下主采煤層 (15#煤層):位于太原組下部，K2下為其直接頂板，煤厚2.00～11.06m，全區(qū)穩(wěn)定可采，煤層頂板為石灰?guī)r，底板為泥巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖，局部為炭質(zhì)泥巖和細(xì)砂巖。

主采煤層鏡質(zhì)組最大反射率介于1.78%～3.41%。煤中揮發(fā)分產(chǎn)率介于7.96% ～13.64%，在區(qū)域上均呈現(xiàn)東南部低，西北部高的總體變化趨勢;在層域上上不同煤層表現(xiàn)為由上往下逐漸下降。灰分以8#煤層最高，為21.28% ～43.80%，平均33.12%，屬富-高灰分煤;15#煤層最低，為5.27%～23.79%，平均為13.37%，屬低灰煤。硫分則以12#煤最高，為0.61% ～9.03%，平均2.72%;15#煤次之，為 1.66% ～3.5%，平均2.33%，2#、3#煤層最低，為0.24% ～1.24%，平均為0.39%。

圖1 陽泉礦區(qū)3#煤含氣量等值線圖

2 主采煤層含氣性特征

2.1 含氣量分布特征

陽泉礦區(qū)含氣量展布具有兩大特點:(1)平面上具有分區(qū)性及分片性?？傮w南部含量高而北部含量低，局部地區(qū)如:向斜軸部、兩組構(gòu)造復(fù)合部位、小構(gòu)造發(fā)育處以及河流沖蝕強(qiáng)烈地段煤層含氣量增高。3#煤層、15#煤層含氣量總的分布趨勢基本類似 (圖1、2)，由東向西、由北向南逐漸增大，變化范圍2～16m3/t。但是3#煤層含氣量明顯高于15#煤層。其含氣量高值區(qū)位于礦區(qū)的西南部，最高值達(dá)到16m3/t。15#煤層含氣量高值區(qū)同樣位于礦區(qū)的西南部，但其最高值只有10m3/t。兩層主采煤層的含氣量低值區(qū)皆位于研究區(qū)東部邊緣，最低值不超過2m3/t。究其原因東部地區(qū)為煤層埋藏淺，部分地區(qū)是煤層露頭區(qū)，造成煤層氣逸散，煤層含氣量降低。(2)垂向上具有分段性，即不同層位煤層含氣量變化較大，而且規(guī)律性不明顯。如中部的12#煤，含氣量高于上下煤層等。其主要原因可能與12#煤層頂?shù)装鍑鷰r的封蓋性能密切相關(guān)。

2.2 氣體組分特征

煤田地質(zhì)勘探所取煤層氣樣測試分析表明:3#、8#、12#煤層CH4成分平均值略超過80%，3#煤層最大，平均達(dá)到87.72%，6#、15#煤層 CH4成分平均值低于70%;礦井工作面所取煤層氣樣測試分析表明，煤層氣成分中CH4介于86.75%～97.15%，平均為92.74%，CH4含量越高對煤層氣選區(qū)及開發(fā)越有利;CO2含量介于2.34% ～3.67%，平均為2.78%。

圖2 陽泉礦山15#煤含氣量等值線圖

3 含氣性影響因素分析

3.1 煤化作用程度

據(jù)煤化程度主要指標(biāo)Ro，max在1.78% ～3.41%之間和Vdaf在7.96% ～13.64%之間來看，礦區(qū)煤層屬于變質(zhì)程度稍低的無煙煤，煤層氣原始生成量大。同時，煤層的孔隙相對較發(fā)育，比表面積較大，所以吸附能力強(qiáng)，3#煤層最大吸附量達(dá)25～35cm3/g。礦區(qū)西南部較東北部煤化程度高，因此西南部煤層含氣量高于東北部。

3.2 地質(zhì)構(gòu)造

由于東部太行、北部五臺的隆起，該區(qū)形成了東北高西南低，沿北西走向傾向南西的規(guī)模較大的單斜構(gòu)造 (圖3)。在此基礎(chǔ)上發(fā)育了次一級的構(gòu)造，主要為北北東-北東向的短軸背、向斜相間排列，由于受后期次級構(gòu)造作用影響，其軸線多呈弧形、S型或帚狀，平面上有時為盆、穹、鞍狀，垂向上表現(xiàn)為上部開闊而下部較緊閉的不協(xié)調(diào)性。這些構(gòu)造形態(tài)及組合，構(gòu)成了區(qū)內(nèi)構(gòu)造主體，控制了煤層的分布和煤層氣的賦存。區(qū)內(nèi)構(gòu)造的另一特點為南北差異性強(qiáng)，其南部主要為上述北北東-北東向構(gòu)造，較簡單，北部則受到了山西地臺陽曲-孟縣東西褶斷帶延伸部分的影響，發(fā)育了一組近東西向的褶皺構(gòu)造，軸線多呈弧形或S形，與上述北北東-北東向構(gòu)造穹隆與盆狀褶曲交替出現(xiàn)。不同期次、不同體系的兩組構(gòu)造相互干擾，復(fù)合、疊加、歸并，使得北部構(gòu)造表現(xiàn)復(fù)雜化，這種情況影響了煤層氣的賦存，致使全區(qū)主采煤層含氣量表現(xiàn)出南高北低的總體趨勢。

圖3 陽泉礦區(qū)構(gòu)造約要圖

3.3 煤層頂板封蓋性

該區(qū)煤系地層的蓋層是二疊系下石盒子組，主要是一套以河流相砂巖，湖泊相泥巖，河漫灘相砂質(zhì)泥巖為主的陸相碎屑巖系，內(nèi)夾1～3層煤線;上石盒子組以陸相砂巖、砂礫巖、砂質(zhì)泥巖和泥巖組成，有時夾一層透鏡狀錳鐵礦層;石干峰組以紫色泥巖、砂質(zhì)泥巖、砂巖組成，主要發(fā)育在西部，東南部由于剝蝕而缺失。這套蓋層平均累厚576m(距山西組頂部)，總的來看，西部較厚，平均達(dá)450～500m，而東部較薄。蓋層中不透氣層泥巖占65%，巖層除了在近地表處發(fā)育一些風(fēng)化裂隙外，一般裂隙不發(fā)育，整套蓋層對下伏煤系提供了良好的封閉條件，從而形成西南部的含氣量高值區(qū)。

圖4 3#煤層含氣量與煤層厚度的關(guān)系

圖5 15#煤層含氣量與煤層厚度的關(guān)系

3.4 煤厚

通過對比分析3#和15#煤層的煤厚和含氣量，可以看出煤厚對含氣量具有一定的控制作用 (圖4、5)。二者皆表現(xiàn)為隨著煤厚的增加，煤層含氣量增加，但15#煤層厚度對含氣量具有更強(qiáng)的控制作用。

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