盤關向斜火燒鋪井田重烴含量異常的控制因素

王海軍，劉善德，馬 良，舒建生，王相業，朱玉英

(中煤科工西安研究院(集團)有限公司，陜西 西安 710077)

素有“江南煤?！敝Q的盤縣煤田作為我國重要的大型煤炭工業基地之一，其中的盤江礦區屬于典型的煤與瓦斯突出礦區，而火燒鋪煤礦作為礦區內典型的煤與瓦斯突出礦井。同時也是近年來我國煤層氣勘探、開發發展較快的地區。井田經歷了多次的地質勘查、資源潛力評價、煤層氣井的參數測試，目前的煤層瓦斯開發利用主要依靠礦井瓦斯抽采發電予以開發利用，地面的煤層氣開發工程雖然進行了工業性試驗但是尚未取得突破性的進展。

隨著近年來在盤縣煤田盤關向斜西翼火燒鋪井田開展的地面資源整合補充勘探工程的施工，在地面鉆孔瓦斯、煤層氣樣品采集測試過程中發現區內煤層氣成分中重烴的含量較高，且含量隨著煤層編號及其埋深的變化具有先增加后降低、再增大之后變小的呈“M”型的變化的規律，反應這種變化隨著地層埋深具有先低后高再到低最后變高的旋回性的特征，且這種旋回性與區內含煤巖系的沉積旋回性、地應力等參數的旋回性變化特征具有高度的耦合性，同時，這種異常在盤縣煤田的土城向斜、水塘向斜等構造部位以及整個黔西、滇東甚至是織納煤田等均發現了這一異常現象，張超在水塘向斜東翼中段的淺部煤田勘探煤層進行采樣分析過程中發現重烴體積分數大于甲烷的體積分數，重烴的體積分數為16.68%～72.22%，重烴的異常與區域內發育一系列的斷層構造及上覆地層有密切聯系，同時與煤層的突出程度、煤的變質程度有關；陳義林等對黔西織納煤田的無煙煤中重烴高度異常進行了研究，發現自然解吸過程中原生結構煤與糜棱煤的解吸規律不同，前者呈現2段式變化后者則呈現3段式，糜棱煤的細頸瓶孔分子篩效應限制了煤層氣的流動，是導致2者差異的根本原因。蘭鳳娟等在恩洪向斜的研究發現向斜部分地區煤層重烴含量高度異常，在垂向上具有“半旋回”特征，在區域上成片集中分布，地下水頭高度與重烴含量異常區分布一致等特征。其認為重烴體積分數垂向分布特征受沉積序列控制，向斜構造對煤層重烴起到了強烈的封閉作用，地下水活動是控制煤層重烴含量高低的一個重要地質因素，重烴氣主要來源于樹皮體，異常區煤中有機質經歷了完整的“生油窗”，這可能是其煤層重烴含量顯著較高的一個重要地質原因。同時文獻[8-13]在天府煤田、北票一、二井、雞西、濮陽、下石節煤礦，戴金星等在國外俄羅斯的超拉盆地、庫茲涅茨煤田、沃爾庫塔斯克煤田、頓巴斯西南部等國內外的多個地區的不同煤類中均已發現這一異常，多數與油氣異常顯示以及煤油共生相關；盧雙舫等認為重烴異常的成因為生氣母質，陶明信等認為是微生物作用，郭占謙等認為是催化作用，于良臣等認為是油氣滲透、接觸變質、煤化作用階段、差異吸附、分子篩作用和烴類物質驅替效應，曹代勇等認為是構造作用等。劉明信、田新娟、王啟宇等針對煤層氣測試方法、潘尚昆等研究了重烴對礦井瓦斯爆炸性的影響。此外，易同生、高為、秦勇等對煤層氣的富集成藏進行了研究，認為煤層氣的富集受構造和水文地質條件控制。

上述研究成果為本次研究提供了研究思路,也奠定了理論基礎，針對火燒鋪井田的重烴異常現象，從地質構造、煤層埋深、煤巖煤質、頂板巖層結構、含水層水文地質特征等方面探究重烴異常在平面、層域上的分布規律，揭示重烴異常的控制因素，構建重烴異常富集模式及機制，為井田內的煤礦瓦斯災害防治提供參考。

1 井田地質特征

1.1 地層及煤層特征

火燒鋪井田位于貴州省盤縣煤田盤關向斜西翼南段，地層區劃隸屬揚子地區的揚子地層分區、西北地層小區的貴州省盤縣煤田盤關向斜，總體上構造形態為向東傾斜的單斜構造，地層傾角18°～40°，斷裂構造發育，主要發育正斷層有火5、火6、火7，局部發育逆斷層如濫9和走滑斷層如F5-1等(圖1)。

圖1 區域構造及其地層綜合柱狀

井田內發育有二疊系峨眉山玄武巖組、龍潭組、三疊紀飛仙關組、永寧鎮組和新近系紅土層。其中峨眉山玄武巖組是煤系的基底，在此基礎上沉積了龍潭組、飛仙關組、永寧鎮組等蓋層。二疊系上統龍潭組為含煤地層，地層厚度179.54～309.69 m，平均255.07 m；目前鉆孔揭露的煤層埋深0～1 500 m，按照地層的巖性組合劃分為一、二、三3個巖性段。

井田屬于典型的近距離的煤層群組發育區，發育煤層24～80層，其中可采煤層14～20層，編號煤層22層，可采編號煤層14～17層，可采煤層的穩定性屬于穩定～較穩定。煤類以焦煤為主，氣煤、肥煤和貧煤次之，局部發育無煙煤，區域上煤的變質程度主要受構造控制，但是在井田小范圍內受埋深控制，表現為淺部以氣煤、肥煤，中、深部為焦煤、1/3焦煤，深部及構造轉折端為無煙煤；煤系受盆地構造演化過程中多個期次構造運動的影響，在煤系地層內發育一系列產狀、屬性不同的褶皺、斷裂構造；因此在煤系的中、上段發育構造煤、滑脫構造、牽引褶皺以及雁列式斷裂組合形態，導致煤體結構多呈粉狀、鱗片狀，煤中裂隙發育。

含煤地層形成于海陸過渡相的三角洲沉積環境，上段以細粒砂巖為主、向下粒度逐漸變細相變為粉砂巖、泥巖，煤層頂板以泥巖為主、局部地段發育粉砂巖、細粒砂巖頂板，煤層頂底板綜合評價為完整～較完整的巖體?？v向上上段、下段頂板穩定性優于中段，中段中的14，17煤層的頂板巖層完整性差、多發育破碎帶，穩定性屬于差，是典型的“三軟”煤層段。

通過礦井揭露、地質調查、鉆孔抽水試驗和水文測井、水地球化學分析等綜合評價井田的水文地質條件，地表水徑流條件好，而地下水相對較差；地下水類型以碎屑巖裂隙水為主，第四系松散巖類孔隙水、石灰巖巖溶水次之，富水性弱～強。地下水的賦存規律受區盤關向斜的控制。因此，地下水、地表水徑流方向為由西向東即首先由向斜的翼部向核部匯流，之后在核部由南向北徑流，最終地表水在亦資孔、沙陀村、董家橋等地區流出井田，匯入拖長江；地下水在拖長江+1 680 m侵蝕溝谷排泄。

1.2 煤層氣地質特征

歷次勘查成果與本次施工的15個鉆孔采集的295個樣品測試成果以及煤礦井下宏觀煤巖類型描述結果表明：各煤層的煤的破壞類型Ⅱ-Ⅳ型，煤的堅固性系數0.15～1.21；煤層中氣體成分以CH為主，N和重烴次之，含有少量的CO；存在重烴或N異常富集區(表1)；其中空氣干燥基CH含量0.70～7.63 m/t，CH的體積分數0～95.97%，平均65.44%；重烴的體積分數0.43%～46.93%，平均18.42%；N的體積分數0.25%～83.43%，平均13.03%；CO的體積分數0.96%～9.61%，平均3.10%(圖2)；CH與重烴含量之和為0～14.37 m/t，平均4.69 m/t。干燥無灰基CH與重烴含量之和為0.43～21.05 m/t，平均8.39 m/t。在平面上煤層煤層氣成分分布具有明顯的分帶性，在西部露頭區為N或N-CO帶，向深部延伸漸變為N-CH，CH帶，且不同編號煤層的分帶深度各不相同。

表1 煤層氣成分特征

續表

圖2 井田煤層氣成分特征[34]

生產礦井工作面揭露的8個動用煤層(1，3，5，7，10，12，14，17煤)和石門揭露的所有可采煤層的煤層氣含量、壓力、煤的吸附常數和，以及煤層氣放散初速度Δ等相關參數的測試結果(表1，2)表明：各煤層的煤層氣含量、壓力與煤層埋深呈線性相關性，而與煤層底板標高相關性差(圖2)；各煤層中12煤的煤層氣含量、壓力在相同埋深條件下明顯高于其他煤層，17煤次之，5煤最??；煤層氣含量、壓力與煤層埋深呈線性相關關系，相關性顯著，相關系數>96%。

據礦井煤層煤層氣體積分數，地面鉆孔煤層氣補充勘探、井下石門、工作面對煤層在不同標高、埋深條件下的煤層氣含量、壓力、煤體堅固性系數、孔隙率、放散初速度、和等相關參數的系統測試成果(表1，2)，采用單項指標煤體結構類型、煤層氣壓力、、Δ和綜合評價指標和等井下綜合評價，單項指標顯示淺部為開采的中、下組煤和深部礦井各煤層具有突出危險性；綜合評價指標顯示上述各煤層均具有煤與瓦斯突出危險性。

2 重烴異常特征

2.1 重烴成分的異常特征

從重烴的成分統計分析結果顯示：重烴含量0.02～7.78 m/t，重烴體積分數0.43%～46.93%，平均18.42%；成分以CH為主，占比>90%，CH次之，約10%，不含其他烴類成分。

2.2 重烴的層域分布特征

通過對比不同煤層中重烴含量、體積分數的變化及其所賦存巖性段的平均值的變化規律，具有如下特征：

(1)各煤層中重烴含量的變化特征由上向下由淺變深具有隨著煤層埋深的增加“先低—后升高—再變低—之后升高—然后變低”的“M”型變化特征(圖3)；

(2)通過對比各旋回重烴平均含量，其變化特征具有上低、中高、下低的特征，呈倒“V”型變化規律(圖4(a))；

(3)14煤層中的重烴含量和體積分數最高，3煤重烴含量最低、5煤的體積分數最低；上段中各煤層相差不大，中段14煤最高、20煤層含量最低、22煤層體積分數最低；下段中24煤層最高，27煤層最低(圖3)；

圖3 各煤層重烴含量對比

(4)按照沉積的地層旋回性重烴的含量第2旋回大于第3旋回，其中上部的半個旋回的含量最??；按照巖性段統計由上向下含量逐漸增大；重烴的體積分數與煤層的埋深呈冪含數關系，相關性顯著相關系數為0.77，重烴的體積分數與煤層埋深呈冪函數關系，相關性顯著，相關系數為0.68(圖4(c)，(d))。

(5)各煤層中重烴含量與體積分數的變化特征在垂向上的變化規律是基本一致的(圖4(e))。

圖4 重烴含量在層域上分布特征

2.3 重烴平面上分布特征

通過對區內13層可采煤層的樣品氣體成分和含量測試結果在平面上分布分析，分析不同煤層重烴含量在平面上分布規律性和差異性特征，結果發現：

(1)在平面上重烴異常區的分布具有一致性特征，顯示出明顯的“煙囪效應”，重烴高異常區分布在井田中部、東北部、西南部的鉆孔周圍，而重烴低異常區域主要分布在斷層帶附近和北部煤層淺埋區，且具有一定的繼承性(圖5)；

(2)各煤層中重烴含量與體積分數的呈正相關性(圖5(e))，因此，各煤層的重烴體積分數在平面上的分布特征與含量應具有相似性和繼承性特征；

圖5 各煤層重烴含量平面分布特征

(3)各煤層的重烴含量與煤層的孔隙率呈正相關性，相關系數為0.55和0.66(表2、圖4(f))。

表2 各煤層中重烴含量特征統計

3 煤層重烴異常的控制因素分析

在前人研究的基礎上，為了探究各煤層中重烴異常與地質構造、煤層埋深、水文地質條件、煤層頂板工程地質特征、地層沉積巖性組合、煤巖煤質以及井田地應力、儲層壓力等相關性的關系，分析上述研究區重烴異常的控制因素。采用測試化驗、相關性分析等方法對上述地質因素與各煤層重烴異常的關系(表3)。

表3 各煤層重烴含量、體積分數與埋深相關性統計

3.1 重烴與斷裂構造的關系

通過對不同采區、工作面及其巷道內揭露斷層的測量、數據統計，分析同一煤層中斷層發育密度、斷層不同位置如上、下盤重烴含量和體積分數的變化；分析在不同煤層內發育的斷裂破碎帶以及滑脫構造層的展布特征對重烴異常的影響，結果表明：

(1)各煤層中斷層發育中段煤層的斷層密度較上段和下段高，其中14煤層最高，10，17煤層次之(圖6(a))；而重烴含量與體積分數與斷層的密度呈多項式關系，相關性顯著(圖6(b))。表明隨著斷層密度的增大重烴的含量增大。

圖6 各煤層斷層與重烴含量關系

(2)在12煤層底至17煤層底板之間是盤關向斜區域性的滑脫構造層的發育位置，該層位斷裂構造發育、滑脫構造發育，因此，該層位的煤層中重烴的含量是較高位置，2者具有耦合性。

3.2 重烴與煤層埋深的關系

通過統計不同編號煤層中的重烴含量與煤層的埋深的相關性分析發現：

(1)各煤層中重烴的含量與體積分數與煤層的埋深呈冪數關系，相關性顯著(圖7)，而與煤層的標高相關性不顯著，結果表明：區內煤層中重烴含量主要受煤層埋深控制。

圖7 各煤層重烴含量分布特征

(2)各煤層中重烴的體積分數與含量呈正相關系，且相關性顯著(圖7(d)，(e))。

3.3 重烴與水文地質條件關系

通過對井田內19個地面水文鉆孔的抽水試驗，獲取的不同巖性段含水層的水文地質參數，分析富水性系數、滲透率、水位標高、水化學類型、礦化度與各段煤層中重烴含量的關系；4個鉆孔的煤系地層斷層破碎帶水位觀測及其抽水試驗分析斷層導水性與重烴的關系及其氣密性(表4，5)，研究結果表明：

表4 含水層水文地質參數

(1)煤層頂板富水性(圖8(a))、滲透率(圖8(b))與煤層內重烴的含量、體積分數呈現線性負相關性，相關性顯著；與地層水礦化度、地下水位標高、煤層埋深呈正線性相關性，相關性顯著(圖8(c)，(d))。

圖8 重烴含量與水文地質特征相關性

(2)井田內地下水化學類型、礦化度、含水層的富水性、含水層的滲透系數總體受向斜構造形態的控制，即受地層埋深的控制。3個巖性段的含水層水文地質參數的變化特征與各段中煤層中重烴的含量的變化規律相吻合。

表5 斷層的密閉型抽水試驗成果

(3)重烴異常的分布受地下水的富水性分布、水化學類型、水位標高、斷層的導水性等水文地質因素的影響。

3.4 重烴與煤層頂板巖性特征的關系

通過對井田內鉆孔煤層頂板巖性統計、頂板巖石的完整性即工程地質編錄、煤層頂板巖石力學參數測試等，分析與煤中重烴含量、體積分數的關系，結果表明(表6、圖9，10)：

表6 煤層頂板巖性、RQD及其巖石力學參數特征

(1)總體上井田內的煤層屬于完整性差-中等巖體，在縱向上各煤層的巖體的完整性上段優于下段，中段最差，其中12，14，17煤層屬于破碎巖體(圖9(a))；這一特征在煤層的堅固性系數中也得以驗證(圖9(b))。

(2)各煤層頂板巖性以泥巖、粉砂巖為主，煤層頂板厚度0.50～27.90 m，平均4.14 m；不同巖性煤層頂板的煤層中泥巖頂板的重烴含量最大，粉砂巖頂板最低；各煤層中氣體含量與頂板巖性粒度呈負相關性(圖9(c)～(e)，圖10(a))。

(3)煤層中重烴的含量、體積分數與煤層頂板巖石的粒級呈負相關性(圖9(e))，表現為頂板砂巖粒度越小煤層中重烴含量越高(圖10(d))；與頂板巖層的完整性呈正相關性(圖10(b))，與煤層頂板巖石的飽和抗壓強度(圖10(c))、孔隙度等呈冪函數關系(表2、圖4(f))。

圖9 頂板巖性分布及其含量特征相關性

圖10 頂板巖性分布及其含量特征相關性

(4)煤層中重烴與煤層頂板巖性、巖石完整性、巖石力學參數的關系反應了煤層頂板的封閉性、氣密性特征與重烴的相關性特征。

3.5 重烴與沉積環境的關系

火燒鋪井田含煤巖系巖性組合特征以砂泥巖巖、煤層位置，上段、中段以正旋回性為主，而下段以返旋回性為主，在分流河道發育部位以正旋回性為主；通過對層序界面與沉積旋回性的分析將井田內沉積的旋回系性劃分為3個3級旋回和半個3級旋回，每一個3級旋回進一步劃分為4～8個4級旋回以及若干個亞旋回(圖11)。通過對比地層的旋回性特征與煤層中重烴含量的變化特征發現：

圖11 研究區煤系地層的沉積旋回性特征

(1)研究區內地層的沉積旋回性變化特征反應了研究區海平面的變化，各旋回的頂部位于24煤、18煤、6煤層頂部，同時反映了高、低位體系域的變化，進而將其劃分為2個完整的高、中、低位體系域的完整旋回與半個高位體系域旋回。

(2)地層的沉積旋回性與煤層中重烴含量變化的旋回性具有高度的耦合性，表現為高、低位體系域的轉換處、每一個三級、亞旋回的頂部是重烴含量異常高值分布層位。

3.6 重烴與煤巖煤質的關系

為了分析不同煤層內重烴分布特征與煤巖、煤質的關系(表7，8)，從各煤層的宏觀煤巖類型、顯微煤巖類型、顯微煤巖組合如鏡質體、惰質組等含量、煤中黏土礦物含量、煤層中裂隙發育程度，煤變質程度、煤中灰分、稀散元素(圖12(d)～(j))等煤質特征方面綜合分析發現：

表7 煤層顯微煤巖組分特征(質量分數)

表8 煤質特征

續表

圖12 煤質與重烴含量相關性分析

(1)宏觀煤巖類型與煤層中重烴含量呈正相關性，龍潭組上段和下段的原生結構煤層明顯小于中段糜棱結構煤的含量，且中段的14，17煤層的碎粒煤明顯高于12，18煤層的碎裂煤層(圖13，圖12(j))。

圖13 顯微煤巖組分特征

(2)反應煤變質程度的鏡質體最大反射率與煤層中重烴的含量存在一定的關系，總體變化趨勢是在煙煤階段隨著煤變質程度的增高煤中重烴含量增大(圖12(d))。

(3)煤的顯微煤巖組分中樹皮體的體積分數與重烴含量呈正相關性，表現為12,14,17煤層中含量高的樹皮組分重烴含量明顯高于其他煤層(圖12)。

(4)煤中有機組分質量分數呈先降低后升高的規律(圖12(a))、與黏土礦物的質量分數呈正相關性(圖12(b))。

(5)煤中重烴含量的變化與煤質灰分(圖12(e))、揮發分呈正相關性(圖12(f))，同時與煤中固定碳(圖12(g))、稀散元素如釩(V)的質量分數呈正相關關系(圖12(h))。

3.7 重烴與地應力、儲層壓力的關系

為了探究井田內煤層中重烴異常分布特征與井田現今構造地應力場的關系，通過對地面鉆孔水力壓裂測試的煤、巖儲層的破裂壓力、閉合壓力(圖14)和收集整理以往研究成果，分析地應力場與重烴關系發現：

(1)井田內的地應力隨著埋深的變化特征與黔西地區的地應力場變化規律一致，最大、最小水平主應力的大小隨著埋深的增加具有先增高后降低再增高的旋回性變化的特征，地應力場的這種旋回性變化規律與煤層中煤層氣含量、重烴含量、重烴體積分數的變化具有耦合性(圖14(a)，(b))。

(2)研究表明，地應力場的旋回性變化控制了煤巖儲層滲透率的旋回性變化，同時儲層壓力的旋回性變化與煤層中重烴的變化亦具有耦合性。

(3)研究區重烴含量的“M”型旋回性變化特征，與地應力、煤層氣含量、稀散元素(V)、煤層氣壓力、顯微煤巖組分、、煤中含礦物基有機組分質量分數、黏土礦物質量分數等的旋回性變化具有一定的耦合性(圖14)。

圖14 煤層氣及其顯微煤巖組分與重烴含量相關性分析

4 重烴異常富集模式

通過對火燒鋪井田范圍內不同編號煤層、巖性段的重烴含量、體積分數在平面、縱向上的分布特征以及其分布特征與相關性因素綜合分析，認為火燒鋪井田內重烴異常總體上受地質構造控制，水文地質控制，其中構造方面主要受頂板封閉性、完整性以及煤層的宏觀煤巖類型的影響。

根據前述結合盤關向斜的構造特征、地下水徑流、各地層巖性、斷裂構造、煤巖煤質、煤層頂板完整性等控制因素，宏觀上構建了盤關向斜煤層中重烴異常富集的模式(圖15)，其具有以下特點：

圖15 重烴異常成因模式

(1)在層域上盤關向斜的重烴異常區分布在向斜軸部，隨著煤層埋深增加煤層變質程度增加、地下水徑流緩慢，容易形成各煤層重烴的異常富集。

(2)在各煤層之中重烴的異常分布在含煤地層的中部和下部，多為巖性段或沉積旋回、沉積體系域的轉換區域，中部和下部泥巖較發育，同時中部受地質構造的影響煤體的完整性差、煤體破壞程度高以及層間的滑脫構造、斷裂構造較發育，可能容易造CH的逸散或重烴的富集。

5 結 論

(1)盤縣煤田火燒鋪井田煤層氣成分中含有一定量的重烴，重烴含量隨著煤層埋深呈正相關性。

(2)煤層氣重烴異常主要受區域構造和生烴母質的控制，其次受到地下水文地質條件、沉積環境、煤巖煤質、頂板巖性組合及其地應力、儲層滲透率等地質因素的控制。

(3)井田內煤層氣中重烴異常，在井下瓦斯含量測試、礦井瓦斯突出危險性鑒定中應該加強對重烴成分、含量的測試分析，同時應該深入研究重烴異常對礦井瓦斯突出危險性評價等方面的影響研究。

(4)重烴異常在整個黔西、滇東地區存在普遍的性，因此，今后的地質勘查、煤層氣勘查以及井下瓦斯采樣過程中應加強對重烴的研究。