官田壩向斜煤層氣資源及賦存影響因素分析

楊劍波

（貴州煤礦地質工程咨詢與地質環境監測中心，貴州　貴陽　550023）

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官田壩向斜煤層氣資源及賦存影響因素分析

楊劍波

（貴州煤礦地質工程咨詢與地質環境監測中心，貴州貴陽550023）

摘要根據大量煤田地質勘查資料，采用體積法估算官田壩向斜勘查區煤層氣資源量，并對區內煤層氣賦存影響因素進行分析。結果表明：該區煤層氣資源量豐富，預測資源量1 200 m以淺為107.91×108m3，具有較好的開采價值。影響研究區煤層氣賦存的主要因素為地質構造、煤層埋深、煤層厚度、圍巖圈閉能力及水文地質條件。其中煤層埋深起主導作用，煤層埋深與煤層氣含量呈正相關關系；其次是地質構造，表現為向斜與斷裂控氣的特征，向斜兩翼煤層氣含量低，軸部高，北部較南部高。

關鍵詞煤層氣賦存影響因素官田壩

0　引言

煤層氣是一種儲存于煤層及其鄰近巖層之中，以自生自儲為主的非常規天然氣［1-3］。根據貴州省煤層氣資源潛力預測與評價資料，金沙礦區（西北部金沙向斜、西南部黔西向斜）、西山礦區（東部養龍場向斜、東南部西山向斜和青山向斜）、官田壩向斜的煤層氣資源量分別為1 059.30×108m3、712.60×108m3、197.01×108m3［4］， 表明研究區的煤層氣資源相對較小，而其外圍礦區資源潛力較大。

官田壩向斜位于黔北煤田東部，屬于貴州省金沙縣官田壩向斜煤炭整裝勘查區。該區面積為393 km2。區內地形以中山為主，地貌類型以侵蝕及溶蝕地貌為主，地表水系較發育。礦區內煤炭保有儲量為16.59×108t，屬高瓦斯區域［5］。煤層氣的開發利用能提高瓦斯事故防范水平，具有安全效應［6］，對賦存影響因素的分析將為該區煤層氣勘探開發利用及煤礦安全生產提供基礎資料。

1　勘查區概況

1.1地層

區內出露地層由老到新為二疊系中統茅口組（P2m）至侏羅系中下統自流井群（J1-2zl）、第四系（Q）。龍潭組（P3l）為區內主要含煤地層，厚87.66～ 140.72 m，平均厚115.90 m。總體上地層厚度自北東向南西，在走向上呈現由薄變厚的趨勢。

1.2構造

勘查區大地構造屬上揚子陸塊南部被動邊緣褶沖帶（Ⅲ級）織金寬緩褶皺區北部（Ⅳ級），地處官田壩向斜兩翼（Ⅴ級），在其南東部發育有次一級銅鼓山背斜、馬場向斜。本區位于區域構造軸向近北東—南西向展布的官田壩向斜兩翼。區內地層傾角變化較大，大致以官田壩向斜軸部為界，向斜北西翼地層相對較緩，地層傾角為10～25°，一般為12°左右；南東翼地層相對較陡，傾角為12～85°，一般為45°左右，局部地層出現倒轉。從北西至南東地層傾角逐步變大趨勢明顯。區內共發現斷層33條，其中正斷層23條，逆斷層10條；落差等于和大于30 m的共23條，落差小于30 m的共10條；地面出露斷層23條，隱伏斷層10條。該區構造復雜程度屬中等類型。

2　煤層及含氣量

2.1煤層特征

龍潭組含煤層6～15層，含煤總厚3.43～14.01 m，平均為6.88 m，含煤系數為5.91%。含可采煤層5層，可采煤層總厚2.70～11.72 m，平均為5.35 m，可采含煤系數為4.60%。

區內煤層發育較穩定，為薄—中厚煤層，結構較簡單。主采煤層9號煤層平均厚度為1.62 m，中厚煤層為主，含0～2層夾矸，全區可采；15號煤層平均厚度為1.38 m，薄—中厚煤層，含0～1層夾矸，大部分可采；4、7、13號煤層平均厚度分別為0.86 m、0.73 m、0.77 m，均為薄煤層，含0～2層夾矸，局部可采。

2.2含氣性

勘查區煤層氣主要成分為甲烷（CH4）和重烴（C2H6），各可采煤層CH4含量為1.54～19.21 m3/t，均值為8.75 m3/t；CH4+C2H6含量為1.59～19.46 m3/t，平均為9.00 m3/t；換算成空氣干燥基含氣量（Cad）均值為8.03～9.05 m3/t。各煤層含氣量較高，均以富甲烷煤層為主（表1）。各煤層CH4、CO2濃度分布變化較大，N2濃度分布變化較小，基本上處于沼氣帶、氮氣—沼氣帶。

表1　各可采煤層及含氣量特征表

3　煤層氣資源量

根據《煤層氣資源/儲量規范》（DZ/T0216-2010）［7］，煤層氣資源量計算空氣干燥基含氣量下限為8 m3/t，煤層凈厚度下限為0.70 m。計算范圍以目的煤層最低可采厚度0.70 m、煤層氣含量8 m3/t為界，其余以整裝勘查區范圍為準。總的含氣面積為670.74 km2，主采煤層（9號）含氣面積最大，為288.05 km2。采用體積法計算本區煤層氣預測資源量1 200 m以淺為107.91×108m3，其中主采煤層（9號）最高，為59.05×108m3（表2）。該區煤層氣資源量較大，屬中型氣藏規模，具有較好的開發利用前景。

表2　煤層氣地質儲量估算表

4　煤層氣賦存影響因素分析

4.1地質構造

地質構造因素對煤層氣藏起著重要和綜合性的影響作用，它不僅控制著含煤盆地及含煤地層的形成和演化，而且控制著煤層氣生成、聚集、產出過程的每個環節［8-9］。理論和實踐研究表明，貴州省煤層氣富集總體上具有向斜控氣的構造特征，向斜中含煤地層大多得以保存，造就了煤層含氣量在向斜軸部相對較高，兩翼相對較低。此外，斷層對煤層氣的控制作用主要體現在開放性的正斷層容易形成煤層氣逸散的良好通道，不利于煤層氣的保存；封閉性的逆斷層常形成較好的構造封閉條件，使煤層氣得以富集［10-13］。向斜兩翼地層傾角越大，張性斷裂越發育，煤層氣就越容易擴散；反之，兩翼傾角越緩，斷裂不發育，就有利于煤層氣的保存［14-15］。

研究區主體構造為不對稱向斜，受正斷層F3、F4破壞后向區外延伸，軸部走向近北東—南西向，南東翼地層較陡，北西翼地層較緩。其次一級構造單元銅鼓山背斜和馬場向斜之間有F5逆斷層分布。經統計，區內煤層氣含量由兩翼往向斜軸部增加，總體上呈現“軸部高、兩翼低、北部較南部高”的特點，表現出向斜及斷裂控氣的特征（圖1）。

圖1　9號煤層煤層氣含量分布圖

由于向斜軸部為應力集中的高壓區，此處煤層埋深大，只產生少量開放性裂隙，釋放部分應力，形成相對低壓區，是有利于煤層氣封存和聚集的部位；區內F3、F4、F14為開放性正斷層，斷層面附近構造應力釋放形成低壓區，煤層中甲烷大量解析并從斷層面逸散，導致煤層氣含量低；F1、F5、F13、F15、F23為封閉性的逆斷層，斷面透氣性差，割斷了深部煤層與地表的聯系，促使封閉段的煤層甲烷含量增大。

在不對稱向斜中，由于拉張應力作用，在向斜兩翼有正斷層發育，地層經過早期發生擠壓，晚期拉張的應力場轉換交替過程，因此其陡翼斷層可能具有反轉的性質，斷面透氣性好，此時緩翼含氣性好于陡翼。另外，由于擠壓應力，在向斜陡翼的逆斷層兩盤滑動和陡翼局部壓扭性應力聯合作用下，形成巖石結構致密的剪切帶，其孔半徑小，滲透性差，煤層氣不容易逸散，此時向斜內部含氣量較高。

由此可見，研究區內煤層氣含量總體表現為北部大于南部，其中1205孔煤層氣含量大于1204孔和1404孔，1202孔煤層氣含量大于1401孔、1402孔及1403孔，1002孔煤層氣含量大于1201孔，2902孔煤層氣含量大于2601孔和3001孔，且3001孔小于2601孔。

4.2煤層埋深

煤層上覆蓋層有效厚度不僅通過控制煤層的壓力而影響煤層氣的吸附量，而且控制著游離氣的散失［16］。大量資料研究表明，煤層埋深是控制煤層氣賦存的重要地質因素，煤層含氣量隨埋深的增加而增大［17］。根據官田壩煤層埋深與含氣量之間進行相關性分析，得出煤層氣含量隨底板埋深的增大而增加，呈正相關關系（圖2），可見煤層埋深是控制煤層氣賦存的主要影響因素。這主要是因為隨著煤層埋深的增大，地應力不斷增高，煤層和圍巖的透氣性、滲透性也隨之下降，而封閉性則相應增強，且煤層氣向地表運移的距離也隨之增大，有利于煤層氣的賦存。

圖2　9號煤層含氣量與埋深關系圖

4.3煤層厚度

一般煤層越厚，煤層甲烷向上運移的距離就越大，越有利于甲烷的保存。勘查區-100～0 m標高1202鉆孔9號煤層厚0.72 m，煤層氣含量為12.12 m3/t，1802鉆孔9號煤層厚1.74 m，煤層氣含量為13.44 m3/t。0～+100 m標高1204鉆孔9號煤層厚1.12 m，煤層氣含量為3.13 m3/t，2902鉆孔9號煤層厚6.19 m，煤層氣含量為14.67 m3/t。從9號煤層厚度與煤層氣含量關系圖可知（圖3），煤層氣含量與煤層厚度呈正相關關系，隨著煤層厚度的增大，煤層氣含量也呈上升趨勢。

4.4圍巖圈閉能力

圍巖致密完整、不透氣時，煤層瓦斯易于保存；反之，瓦斯易于逸散［18］。區內可采煤層頂板巖性以泥巖為主，其次是泥質粉砂巖，少數粉砂質泥巖、粉砂巖，巖石完整、致密，裂隙不發育，封閉性較好；底板以泥巖為主，其次是粉砂質泥巖，少數細砂巖，結構致密，阻氣性較好（表1）。研究區煤層頂底板孔隙率為2.61%～6.82%，平均為5.00%；自然抗拉強度為4.3～74.5 MPa，平均為45.1 MPa；自然抗壓強度為0.3～12.1 MPa，平均為7.0 MPa，煤層底板巖組穩定性中等—較好，有利于煤層氣的封閉儲存。

圖3　9號煤層厚度與煤層氣含量關系圖

4.5水文地質條件

大量研究表明，水文地質條件對煤層氣的保存、運移影響很大，對煤層氣的開采至關重要［19］。滯流水條件下對煤層氣的保存有利，較強的水動力條件對煤層氣有較強的破壞作用。流動的地下水是通過對煤層甲烷的溶解作用把甲烷帶出煤體，使煤層氣含量降低［20］。

研究區4、7、9、13號煤層礦床以碎屑巖裂隙含水層充水為主，15號煤層礦床以碳酸鹽巖巖溶含水層底板充水為主，水文地質條件中等—復雜。官田壩向斜位于向斜構造單元內，兩翼均接受大氣降水補給，地下水徑流方向為兩翼向軸部流動，地表水在煤層露頭區進入煤層，溶解煤層甲烷向煤層深部即向斜軸部運移，煤層氣向上擴散被阻礙，具封堵作用。

區內北東翼F3斷層傾角為55～70°，落差為50～230 m，地表切割P2m-T2s地層，地下切割T2s-P2m地層；F4斷層傾角為56～65°，落差為50～80 m，地表切割T1m1-T1m2地層，地下切割T1m2-P2m地層。南西翼F14斷層傾角為69～79°，落差為100～150 m，地表切割T1y1+2-T1m1地層。其正斷層傾角較大，切割較深，切割了各強弱含水層及含煤地層，使各強弱含水層與含煤地層發生水力聯系，地表水由煤層露頭向中部向斜軸流動，導致兩斷層區域煤層氣含量較低，使煤層氣由吸附狀態轉化為游離狀態，通過溶解甲烷運移散失，煤層氣含量降低。

5　結論

1）官田壩勘查區可采煤層5層，各可采煤層含氣量為1.59～19.46 m3/t，平均為9.00 m3/t，含氣量較高，均以富甲烷煤層為主，1 200 m以淺為107.91×108m3，煤層氣資源量較大，具有較好的開采價值。

2）影響研究區煤層氣賦存的主要因素為地質構造、煤層埋深、煤層厚度、圍巖圈閉能力及水文地質條件。其中煤層埋深起主導作用，煤層氣含量隨煤層埋深的增大而增加，呈正相關關系；其次是地質構造，表現為向斜與斷裂控氣的特征，向斜兩翼煤層氣含量低，軸部高，北部較南部高。

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（編輯：盧櫟羽）

修訂回稿日期：2016-05-03

文獻標志碼：B

文章編號：2095-1132（2016）03-0031-04

doi：10.3969/j.issn.2095-1132.2016.03.008 10.3969/j.issn.2095-1132.2016.03.009

基金項目：貴州省第二批省級地質勘查基金（周轉金）整裝勘查項目（項目編號：ZZKC2013-03）。

作者簡介：楊劍波（1981-），碩士，工程師，從事煤田地質勘查與煤炭煤質、煤層氣研究工作。E-mail：41513684@qq.com。