新疆五宮煤礦煤層氣賦存及影響因素研究

孫凡星 趙鈞儒 李元敏

（1.山東省煤田地質規劃勘察研究院，山東 濟南 250104；2.山東省煤田地質局物探測量隊，山東 濟南 250104；3.山東泰山資源勘查有限公司，山東 濟南 250104）

1 賦存地質概況

1.1 地層

礦井位于中新生代烏魯木齊山前拗陷的東段、博格達復背斜弧形推覆體北側。基巖出露較好，地表出露了八道灣組二段上部、三段、四段和三工河組。地層由老至新依次為三疊系上統郝家溝組(T3hj)、下侏羅統八道灣組(J1b)、三工河組(J1s)和第四系(Q)。下侏羅統八道灣組(J1b)是主要含煤地層。

1.2 構造

礦井位于阜康向斜和南阜康背斜兩翼，受區域構造控制，總體構造特征以NEE-SWW向的向、背斜和逆斷層構造為主，發育少量NW-SE和SW-NE向正斷層，次一級褶曲較發育，褶曲軸向呈近EW向。下侏羅統八道灣組(J1b)賦存于南陡北緩的不對稱阜康向斜和南阜康背斜南翼地層中，整體構造形態為伴有斷層的向斜和背斜構造。總體上礦井構造復雜程度屬中等類型，即二類。

1.3 生氣層基礎條件

八道灣組含煤地層分4個含煤段，共含煤約61層，累計平均厚度162.73m，含煤系數為19.87%。可采煤層灰分多以低灰煤為主，少量中灰煤；煤類主要為氣煤、1/3焦煤，各煤層鏡質組最大反射率介于0.40%～4.62%之間，其變質階段相應為0～Ⅹ階段，因此，礦井賦存了具有一定厚度的多層煤層，煤質條件為煤層氣的生成、儲集、富集提供了良好的物質基礎。

2 煤層儲層物性特征

2.1 煤的孔隙率

煤的孔隙率通過所測真密度和視密度值計算所得(見表1)，兩者差值愈大，孔隙率也愈大，煤層孔隙率變化在0.00～6.12%之間。其中孔隙率小于2% 的煤層：A21、A28、A29、A30、A31、A41、A48；孔隙率在2%～3%的煤層：A16、A20、A26、A47；孔隙率在3%～4%的煤層：A23、A43、A46、A50、A51；孔隙率在4%～5%的煤層：A8、A27、A42、A44、A45；孔隙率大于5%的煤層：A7、A32、A49。孔隙率大的煤，其吸附能力和反應性都比較好，但抗碎強度就差些，由于孔隙率大小影響著煤的吸附性能，所以孔隙率是研究煤層氣儲層必須考慮的一個指標。

表1 各煤層孔隙率試驗結果一覽表

2.2 煤的吸附性

通過用煤的吸附等溫試驗，可以測定在特定煤儲層壓力條件下的煤儲層吸附能力。測試的煤的吸附等溫線試驗表明：（1）煤的吸附性與煤中水分有一定關系，煤中水分含量高時，煤吸附氣體量明顯減小。（2）煤的吸附性與煤的變質程度存在一定關系，在相同瓦斯壓力下，煤的變質程度越高，即揮發分產率越小，煤吸附的氣體量越大。

3 煤層氣賦存

3.1 氣體成分

氣體成分主要以甲烷為主，少量重烴。各煤層甲烷兩極值0.00～94.51%，平均值22.03%～62.32%，屬氮氣～甲烷帶范圍；煤層重烴兩極值0.00～12.39%，平均值0.01%～2.57%。

3.2 氣體含量

氣體(甲烷+重烴)含量兩極值0.00～20.13m3/t，平均值0.640～6.247m3/t，煤層富氣性等級屬貧甲烷～含甲烷煤層；雖然平均氣體含量不大于8m3/t，但是A16、A45、A50等煤層的氣體含量均有大于8m3/t的點，因此，局部地段具有富甲烷分布范圍。

4 煤層氣影響因素分析

4.1 煤層傾角和露頭

煤層傾角：從圖1中可以看出，ZK102鉆孔煤層幾乎直立，上部的A45、A44煤層氣體含量非常低，已幾乎全部排放掉了；下部的A43煤層傾角變小，保存了部分氣體，但含量仍很低。

煤層露頭：本井田由于煤層露頭范圍廣，且發生自燃，致使淺部煤層大多被燒為灰燼。氣體沿煤層露頭排放到地面及火燒區，造成煤層氣含量小，且煤層露頭連續，更有利于氣體的排放。煤層露頭的存在是造成煤層氣體含量小的一個主要原因。

圖1 煤層傾角及露頭瓦斯含量的影響

4.2 煤層厚度

煤層厚度是決定煤層生氣量和吸附量的內在因素，煤層越厚，吸附氣體能力越強，含氣量越高。在已施工的ZK508鉆孔中，A45煤層雖然有一層薄夾矸，但厚度大，氣體含量仍然高；A46煤層相對A45煤層厚度小了近半，氣體含量就略低了一些；A47煤層上下分層厚度相差不大，但下分層煤層結構簡單、氣體含量略高一些，上分層煤層結構復雜，兩層夾矸，厚度也小，因此，氣體含量相對偏小。煤層氣賦存受煤層厚度影響，煤層越厚，含氣量越高；煤層越薄，含氣量越低。

4.3 地質構造

礦井整體構造形態為伴有斷層的向斜和背斜構造，F4逆斷層位于南阜康背斜的核部，區內走向長度約4.30km，斷面南傾或東南傾，傾角為66°～87°之間，為高角度逆斷層，阻斷了煤層氣的運輸通道，有利于煤層氣體的儲存。背斜頂部，受構造擠壓裂隙發育，雖然增加了煤層儲氣空間，但是也增加了煤層的滲透性，不利于煤層氣體儲存。因此，構造對煤層氣體的賦存具有復雜性和不確定性。

4.4 水文地質條件

煤層中的流動水會對煤層產生沖洗作用，導致了煤層氣的散失；水動力條件較差區域，有利于煤層氣保存。本礦井涌水量在+763m水平為240m3/d，+698m水平時為360m3/d，最大可達1700m3/d，屬弱的地下水補給，補給量有限，形成了一個半封閉型水文地質塊段，地下水補給不良，徑流不暢，以靜儲量為主，有利于煤層中氣體的保存[1]。半封閉型水文地質塊段是本礦井煤層氣體含量局部保存較好的原因之一。

5 結論

影響煤層氣賦存的因素是多方面的，在分析各種因素對五宮煤礦煤層氣賦存的影響后，可以得到如下結論：

（1）該礦煤層傾角較大且煤層露頭連續，造成淺部煤層氣含量低；

（2）該礦總體煤層條件良好，為煤層氣的生成、儲集、富集提供了良好的物質基礎，煤層氣賦存受煤層厚度影響；

（3）該礦其構造對煤層氣的賦存具有復雜性和不確定性；

（4）該礦屬一個半封閉型水文地質塊段，有利于煤層氣的賦存。