鄂爾多斯盆地西緣韋州礦區煤層氣富集特征研究

魏向成

（寧夏回族自治區礦產地質調查院（自治區礦產地質研究所），寧夏 銀川 750021）

煤層氣作為全球范圍內重要的非常規地質資源，是傳統能源（尤其是天然氣資源）的戰略補充，受到世界各國的重視。特別是近年來政府關于碳達峰、碳中和等攸關全球環境安全和資源格局的重大倡議公布以來，對煤層氣這一清潔能源的研究顯得尤為必要。中國有豐富的煤層氣資源，鄂爾多斯盆地由于其獨特的地質結構和經歷的復雜的地質作用而成為我國煤層氣的重點開發區塊之一[1-7]。作為我國大型的煤聚集型盆地，該盆地擁有晚古生代石炭-二疊紀、中生代三疊紀，以及侏羅紀含煤巖系[8-13]。在鄂爾多斯西緣的寧夏境內，主要分布著4個煤田，即賀蘭山煤田、寧東煤田、香山煤田和寧南煤田。其中，寧夏吳忠市韋州礦區位于寧東含煤區的西南部，礦區煤層氣富集程度較大，具有較高的勘探開采價值。

前人對韋州礦區的研究較少，僅散見于早期的煤田地質報告，關于煤層氣富集成藏的一系列科學問題如生氣條件、存儲條件、保存條件等尚未得到有效約束[10]。筆者依托寧夏科技廳重點研發計劃重點項目（寧東煤田煤層氣開發工藝與煤炭安全開采地質保障技術研究），以韋州礦區韋三井田為研究對象，主要從煤層氣成藏地質特征、控礦因素和儲煤條件等方面進行深入研究，揭示了該井田煤層氣的富集成藏機制，評價了其經濟價值并進一步指出勘探方向。

1 地質背景

1.1 區域地質

韋州礦區地處黃土高原與內蒙古高原的交界地帶（圖1a），東有青龍山，西有羅山，兩山走向近南北向。韋州礦區屬晉冀魯豫地層區、華北西緣地層分區、桌子山-青龍山地層小區。元古界出露青白口系和震旦系地層；古生界出露寒武系、奧陶系、石炭系、二疊系地層，缺失志留紀和泥盆紀沉積；中生界出露三疊系地層，缺失侏羅紀沉積；新生界發育，出露新近系和第四系地層。古生代地層僅在橫城和韋州煤田有零星出露，區域上被廣泛發育的中、新生代地層所掩蓋，埋藏較深[10,14]。

圖1 研究區地理位置及構造綱要圖Fig.1 Geographical location and structural outline map of the study area

韋州礦區屬華北地臺西緣的南北向逆沖構造帶之青龍山-云霧山逆沖帶，東臨鄂爾多斯臺拗，西接六盤山弧形構造帶，呈一南北向的狹長地帶，其南北方向均延至區外。在東西方向為主的應力作用下形成一系列走向NNW 或近SN 向的褶皺群及與之相伴生的斷層。青龍山-云霧山逆沖帶北部以褶皺為主，斷層稀少；向南斷層較發育，由近SN 向的大斷層（逆沖斷裂）派生出一組以NW 或NNW向為主，NE 或NNE 向為次的“X”型斷層組，破壞了褶曲的完整性。區域NNW 或近SN 向的褶皺群自西向東發育有井田西部的羅山背斜、井田所在的韋州向斜、井田東部的青龍山不完整背斜。向、背斜的兩翼或一翼發育有大型走向斷裂，褶皺內部發育有較多次級斷層[10,15-19]。

韋州向斜為韋州礦區的主體褶皺構造，該向斜為一向南仰起、軸向北北西、西翼陡（30°～40°）、東翼緩（20°～30°）的不對稱向斜構造，軸長大于30 km。向斜核部由三疊系構成，兩翼由二疊系、石炭系、奧陶系構成。次級伴生構造主要發育在向斜的東翼，以斷裂構造為主，主要發育兩組斷層，分別為NW、NNW 和NE、NNE 向呈“X”型，以NW 或NNW 向為主，多為逆斷層；NE、NNE 向斷層為次，多為正斷層。次級褶皺構造極少見。該向斜東翼和南部仰起端含煤地層發育較全，西翼被羅山東側斷層和蝸牛山西側斷層破壞，含煤地層發育不全。

1.2 井田地質

韋三井田位于韋州礦區中南部（圖1b），地理位于大、小羅山東麓，行政隸屬于吳忠市同心縣韋州鎮管轄，井田地理坐標為東經106°25′00″-106°29′15″、北緯37°07′45″-37°14′30″。井田被第四系風成沙，沖積、洪積砂粒層及新近系亞粘土、亞砂土所覆蓋，為全隱伏井田。經鉆孔揭露井田內地層由老到新依次有石炭系上統羊虎溝組、石炭-二疊系太原組、二疊系下統山西組、中-上統上石盒子組、新近系彰恩堡組和第四系。

韋三井田大地構造位置處于鄂爾多斯西緣青龍山-云霧山南北向褶皺沖斷帶，東西方向的擠壓為主應力場作用，由此形成了區域軸線近南北的褶皺、南北向大斷層和在井田范圍派生的次一級兩組與東西向主壓應力方向斜交的“X”共軛斷層，井田內斷層方向以北西、北北西為主。井田范圍內的褶皺構造基本呈北東傾的單斜構造，地層傾角從西向東逐漸變緩，淺部-中深部一般為15°～30°，深部＜10°。斷層帶出現牽引構造，導致產狀急劇變陡，鉆探揭露可達70°～80°。

2 成藏特征

2.1 含煤地層

韋三井田含煤地層為石炭-二疊系太原組和二疊系山西組。根據地層層序正常的鉆孔資料點數據分析，山西組和太原組煤層累積厚度在平面上均有富煤帶展布。山西組賦存在井田東北角，累積煤層厚度一般為7～10 m，煤層累厚呈自西向東增厚的趨勢，與韋二井田相鄰部位煤層厚度相對較大（圖2a）；太原組煤層厚度變化相對較穩定，煤層累積厚度大多在10 m 以上，井田南部因地層剝蝕關系導致煤層累厚變小，大于16 m 的厚煤帶位于井田北部中心地段，沿地層走向呈長條形分布，其中局部存在煤層累積厚度大于22 m 的地段（圖2b）。

圖2 韋三井田煤層累積厚度等值線圖Fig.2 Contour map of cumulative thickness of coal seams in Weisan mine field

太原組含煤地層平均厚度547 m，含煤層數40余層，其中編號煤層14 層，自上而下編號為5、6、8、9、10、12、14、15、16、17、18 上、18、19、20 號煤。平均煤層累積厚度17.03 m，含煤系數3.11%。煤層主要集中在太原組一段、二段、三段和四段，主要的為大部可采煤層共4 層（12、15、17、20 號煤），次要的為局部可采煤層共2 層（10、14 號煤）。太原組可采煤層平均厚度13.21 m，可采含煤系數2.41%。

山西組含煤地層平均厚度125 m，編號煤層數4 層，平均煤層累積厚度8.92 m，含煤系數7.13%。其中可采煤層4 層，自上而下編號為0、2、3、4 號煤，可采煤層平均累厚7.45 m，可采含煤系數5.96%。

韋三井田各煤層特征詳見表1，太原組各煤層累積厚度等值線如圖3 所示。

表1 韋三井田煤層特征Table 1 Characteristics of coal seams in Weishan mine field

圖3 韋三井田太原組各煤層累積厚度等值線圖Fig.3 Contour map of cumulative thickness of coal seams of Taiyuan Formation in Weisan mine field

2.2 煤層對比

山西組、太原組含煤地層為一套厚度較大的海陸交互相含煤碎屑沉積，其成煤環境為近海的三角洲平原沼澤和海灣瀉湖沼澤，在韋三井田形成了上、下兩個分別由若干層主要可采煤層構成的煤組，上、下煤組最近一層可采煤層間距離平均約270 m，變化較穩定；上、下煤組中的可采煤層的組合特征，砂巖沉積與成分特征，泥巖顏色和古植物、結核特征等均有明顯差別；下煤組12 煤偽頂泥巖與頂板K6 灰巖構成的對比標志層特征明顯且具有唯一性；井田含煤地層測井視電阻率曲線反映的特征可劃分沉積旋回結構，沉積厚度呈有規律的、較小的、穩定的變化，導致各主要可采煤層間距較穩定；井田各可采煤層的厚度變化規律明顯。此次煤層對比工作采用測井曲線對比，結果如下。

（1）山西組3 號煤。井田較穩定的局部可采煤層，測井厚度0.52～2.14 m。長源距伽瑪、三側向電阻率曲線呈現界面清晰的中高—高幅值的山峰形態，長源距伽瑪值6 500～12 000 CPS，三側向電阻率值在130～320 Ω·M，自然伽瑪曲線呈界面清晰的低幅值單底形態；自然伽瑪值0.9～1.1 Pa/kg（圖4a）。

圖4 韋三井田山西組和太原組各煤層測井曲線形態特征Fig.4 Morphological characteristics of logging curves of coal seams of Shanxi and Taiyuan formations in Weisan mine field

（2）山西組4 號煤。井田較穩定的局部可采煤層，復合結構，含1 層夾矸。測井厚度1.15～1.88 m。伽瑪曲線高異常，8 100～11 000 CPS，形態為不規則的雙峰頂；電阻率曲線高異常，120～500 Ω·m，形態鋸齒狀；自然伽瑪曲線低異常，1.1～1.4 Pa/kg，形態為不規則雙谷底（圖4b）。

（3）太原組12 號煤。井田較穩定的大部可采煤層，單一結構。長源距伽瑪，伽瑪曲線高異常，5 000～7 800 CPS，形態門狀頂；電阻率曲線高異常，100～450 Ω·m，形態不規則山峰頂；自然伽瑪曲線低異常，0.16～0.91 Pa/kg，形態門形底（圖4c）。另外，12 煤頂板附近為一套灰巖，物性特征顯著，伽瑪曲線低異常，電阻率曲線明顯高異常。

（4）太原組14 號煤。井田不穩定的局部可采煤層，測井厚度0.35～4.45 m。長源距伽瑪曲線高異常，4 500～8 300 CPS，形態為鋸齒頂狀；電阻率曲線高異常，260～390 Ω·m，形態指形頂；自然伽瑪曲線低異常，0.2～0.88 Pa/kg，形態鋸齒底（圖4d）。

（5）太原組15 號煤。井田較穩定的大部可采煤層，測井厚度0.6～5.5 m。伽瑪高異常，6 500～8 000 CPS，形態為鋸齒頂；電阻率曲線中高異常，90～440 Ω·m，形態不規則山峰頂；自然伽瑪曲線低異常，0.38～0.67 Pa/kg，形態鋸齒底（圖4e）。

（6）太原組17 號煤。井田較穩定大部可采煤層，測井厚度0.3～6.78 m。長源距伽瑪，伽瑪曲線中高異常，5 000～7 500 CPS，形態為指形頂；電阻率曲線高異常，100～450 Ω·m，形態為不規則駝峰頂；自然伽瑪曲線低異常，0.43～0.61 Pa/kg，形態劍形底（圖4f）。

（7）太原組20 號煤。井田較穩定大部可采煤層，測井厚度0.45～2.38 m，長源距伽瑪，伽瑪曲線中高異常，5 000～9 500 CPS，形態不規則鋸齒頂；電阻率曲線高異常，280～480 Ω·m，形態上高下低雙峰頂；自然伽瑪曲線低異常，0.36～0.86 Pa/kg，形態鋸齒底（圖4g）。

3 煤層化學性質

3.1 灰分特征

各可采煤層原煤灰分（Ad）產率平均為22.34%～34.94%，按GB/T15224.1-2004 分級，韋三井田參與資源儲量估算的煤層中，為中灰煤和高灰煤（Ad在10.79%～39.17%）。各可采煤層浮煤（1.4 比重液浮選）灰分產率平均為6.30%～15.04%，總平均值為9.06%，脫灰率平均為60.81%～70.11%。浮煤回收率平均為9.53%～37.52%，總平均值為27.93%。韋三井田各煤層灰分特征見表2，詳述如下。

表2 韋三井田各煤層煤灰分及其分級Table 2 Coal ash and its classification in Weisan mine field

垂向上，從上至下各煤層灰分總體變化較小；水平方向上，各煤層絕大部分地段原煤的灰分含量在20%左右，以中灰煤為主，2、3、4、10、12、14、20 號煤等7 層煤層的局部地段有灰分含量高于30%的高灰煤。

2 號煤：原煤灰分產率為31.15%～39.17%，平均為34.94%，屬灰分產率變化小的高灰煤；浮煤灰分產率為13.47%～18.12%，平均為15.04%，脫灰率為56.95%。

3 號煤：原煤灰分產率為16.43%～32.18%，平均為33.34%，屬灰分產率變化較大的高灰煤；浮煤灰分產率為1.95%～13.36%，平均為7.56%，脫灰率為77.32%。

4 號煤：原煤灰分產率為13.96%～36.51%，平均為23.54%，屬灰分產率變化大的中灰煤；浮煤灰分產率為1.95%～13.36%，平均為7.00%，脫灰率為70.26%。

10 號煤：原煤灰分產率為12.51%～38.43%，平均為25.17%，屬灰分產率變化較大的中灰煤；浮煤灰分產率為2.97%～16.88%，平均為8.49%，脫灰率為66.27%。

12 號煤：原煤灰分產率為12.09%～33.34%，平均為25.79%，屬灰分產率變化較大的中灰煤；浮煤灰分產率為2.28%～16.38%，平均為6.30%，脫灰率為75.57%（圖5a）。

圖5 韋三井田各煤層煤灰分等值線圖Fig.5 Contour map of coal ash content of each coal seam in Weisan mine field

14 號煤：原煤灰分產率為11.35%～35.47%，平均為28.35%，屬灰分產率變化較大的中灰煤；浮煤灰分產率為4.19%～18.61%，平均為10.26%，脫灰率為63.81%。

15 號煤：原煤灰分產率為10.79%～29.10%，平均為24.30%，屬灰分產率變化中等的中灰煤；浮煤灰分產率為2.96%～13.34%，平均為7.18%，脫灰率為70.45%（圖5b）。

17 號煤：原煤灰分產率為12.01%～30.97%，平均為26.27%，屬灰分產率變化較大的中灰煤；浮煤灰分產率為2.52%～16.52%，平均為8.05%，脫灰率為69.36%（圖5c）。

20 號煤：原煤灰分產率為13.51%～33.32%，平均為22.34%，屬灰分產率變化較大的中灰煤；浮煤灰分產率為3.09%～24.55%，平均為11.64%，脫灰率為47.90%（圖5d）。

3.2 瓦斯含量

此次研究依據（MT/T77-1994）標準對韋三井田各煤層瓦斯含量進行了大量測定（表3），各主要煤層采樣點0.5 個點/km2（20 號煤層）～1.17 個點/km2（12 號煤），達到DZ/T 0215-2002《煤、泥炭地質勘查規范》的要求。

表3 研究區各可采煤層瓦斯含量及成分一覽Table 3 List of gas content and composition of each minable coal seam in the study area

瓦斯分帶以煤層自然瓦斯成分為分帶依據，研究區內（下組煤）各可采煤層均為氮氣—沼氣帶。煤層瓦斯成份大部分為N2，成分7.44%～98.99%；CH4成分次之，占0～87.12%；CO2成分占0.50%～12.92%；重烴成分低于1%。

12 號煤瓦斯含量為1.24～15.44 m3/t，總平均值3.88 m3/t。此次對20 件樣品分析發現，平面上12 號煤瓦斯含量呈現北高南低，向深部增大的特點，在研究區201、202 鉆孔以東、以北范圍最高（圖6a）。瓦斯中的甲烷含量較低，僅202 鉆孔單點達12.53 m3/t，其余為0.00～3.46 m3/t。

圖6 韋三井田各煤層瓦斯含量等值線圖Fig.6 Contour map of gas content of each coal seam in Weisan mine field

15 煤瓦斯含量為1.06～12.32 m3/t，總平均值5.82 m3/t。此次對21 件樣品分析發現，平面上煤層瓦斯含量由淺而深增大，研究區瓦斯含量在編號101、201、303 鉆孔處最高，為10.01～12.32 m3/t（圖6b）。瓦斯中的甲烷含量較低，井田北段深部略高，有6 個點達5.23～7.93 m3/t，其余15 個點為0.01～3.82 m3/t。

17 煤瓦斯含量為1.49～9.67 m3/t 總平均值4.81 m3/t。此次分析樣品14 件，結果顯示，瓦斯含量在井田北段局部略高，含量趨勢變化不明顯（圖6c）。甲烷含量普遍較低，僅在井田北段編號303、304 鉆孔2 個點略高，為7.10～7.14 m3/t，其余12個點為0.00～3.20 m3/t。

20 煤瓦斯含量為3.07～9.95 m3/t，總平均值7.79 m3/t。此次研究對12 件樣品分析結果為，20煤瓦斯含量較高，平面上變化不大，僅在編號1003 鉆孔高達14.66 m3/t（圖6d）。甲烷含量僅1003 鉆孔1 個點較高，為8.54 m3/t，其余有8 個點為5.17～7.43 m3/t，3 個點較低為0～0.84 m3/t。

通過此次研究，查明了研究區各煤層瓦斯分帶為氮氣—沼氣帶，位于瓦斯風化帶范圍之內。各煤層的瓦斯含量均存在＞5 m3/t 的局部較高地段，但總體瓦斯含量低-中等，一般＜5 m3/t。煤層瓦斯中的甲烷含量普遍較低，甲烷含量＞8 m3/t 的點僅有202 鉆孔（12 煤）、1003 鉆孔（20 煤）2 個孤立點。韋三井田內各可采煤層甲烷總體平均含量為0～4.17 m3/t，煤層噸瓦斯平均含量為0～7.79 m3/t。整體數據分析結果顯示，韋三井田甲烷、瓦斯含量均較低，但局部具有較高利用價值。

4 煤層氣氣源特征

研究區山西組各煤層賦存面積較小，故此次主要對太原組各主要可采的煤層甲烷賦存情況進行研究。煤層甲烷含量＜4 m3/t 為貧氣區；4～8 m3/t 為低氣區；8～12 m3/t 為中氣區；12～16 m3/t 為中高氣區；＞16 m3/t 為高氣區。研究區上組煤中0、1、2、3、4、10 煤為貧氣區；下組煤12、15、17、20煤大部分地段為低氣區，局部地段為中氣區。各煤層詳細情況如下。

太原組12 煤空氣干燥基甲烷含量為0.00～12.53 m3/t，平均值為1.23 m3/t，大部地段均低于4 m3/t，僅北部分布有小面積甲烷含量4～8 m3/t 與大于8 m3/t 的孤點（圖7a）。

圖7 韋三井田各層位煤層氣甲烷等值線圖Fig.7 Contour map of coalbed methane in each layer of Weisan mine field

太原組15 煤甲烷含量為0.01～7.93 m3/t，平均值為2.84 m3/t，大部地段均低于4 m3/t，北部與南部分布有甲烷含量4～8 m3/t 的地段，北部有小面積大于8 m3/t 的內插點（圖7b）。

太原組17 煤甲烷含量為0.00～7.14 m3/t，平均值為1.65 m3/t，僅在井田北部出現含量4～8 m3/t 的局部地段，整體甲烷含量值較低（圖7c）。

太原組20 煤甲烷含量為0～7.43 m3/t，平均值為3.87 m3/t，井田南部有大面積的甲烷含量4～8 m3/t 的地段，整體甲烷含量值較低（圖7d）。

5 勘探開發潛力評價

研究區區域水文地質區劃屬于陶（樂）靈（武）鹽（池）臺地地下水分區中的西部低丘臺地裂隙孔隙水，亞區地形特征為山丘地帶。區域水文地質邊界東、西以青龍山、大羅山分水嶺為界，南起下馬關東西一線，北抵臥牛山—太陽山，為一向斜構造盆地。盆地南端收斂，向北逐漸撒開，呈半封閉式洼地。在多期構造作用下，產生不均衡的升降運動，石炭系、二疊系和三疊系巖層褶皺隆起，地形波浪起伏，氣候干旱少雨，蒸發量是降水量的7～9 倍，暴雨時易形成表流流失，入滲量甚微，補給條件差，地下水貧乏，嚴格受構造、地質地貌、氣象水文等因素影響。

研究區地質構造為中等復雜類型，地層巖性較單一，巖體結構多為層狀，可采煤層的直接頂板，巖性以互層層狀為主，屬軟弱類～中硬類的層狀巖類，中等穩定。根據《礦區水文地質工程地質勘探規范》有關規定，韋三井田工程地質勘查類型可劃分為三類二型，即層狀巖類中等型礦床。

依據GB12719-91《礦區水文地質工程地質勘探規范》，韋三礦區地質環境質量為中等類型。即采礦可產生局部地表變形，但對地質環境破壞不大；區內無重大污染源、無熱害，礦坑排水對附近水體有一定污染；礦石和廢石化學成分基本穩定，無其它環境地質隱患，唯地表水、地下水水質現狀較差，需在以后礦山開發中加以改善，但總體地質環境可評為中等。該區地質環境脆弱，水化學環境差，礦井建設面對的重要環境地質問題是環境污染、土地沙化和水土流失的加劇，造成地質環境的進一步惡化。因此在礦井建設開發過程中，礦山建設與環境保護必須實行統籌兼顧、協調發展、同步建設的原則。

可從以下方面考慮：從制定煤礦總體規劃開始，貫徹節能減排和循環經濟方針，從指導思想上重視環境保護，以綠色礦山作為建設目標；研究和開發采礦的新技術和新工藝，推行采礦的清潔生產技術，把礦產資源開發對環境的污染和破壞降低到最低程度。具體方法有：采用新的開采方法減少土地的塌陷，對破壞的土地資源進行土地復墾和生態重建；煤矸石的綜合利用，提高礦山固體廢棄物的利用率；降低用水總量，礦井外排水的資源化、提高水循環利用率、實現選煤礦廠用水的閉路循環利用；煤矸石山的綜合治理、預防煤矸石山的自燃；提高礦井瓦斯的利用率、減輕礦區的大氣污染；積極植樹種草、防止礦區的沙漠化和水土流失等。

基于上述關于韋三井田水文地質、工程地質、環境地質及其它開采技術條件的分析，并結合韋三井田的地質、構造、煤層、煤質、煤層氣含量等客觀條件，認為該井田及其周邊地區具有一定的資源開發潛力。

6 結論

（1）韋三井田受控于東西向擠壓的韋州向斜，含煤地層石炭-二疊系太原組和二疊系山西組為一套厚度較大的海陸交互相碎屑沉積，成煤環境為近海的三角洲平原沼澤和海灣瀉湖沼澤。

（2）山西組賦存于井田東北角，累積煤層厚度為7～10 m，煤層累厚呈自西向東增厚的趨勢，可采煤層自上而下編號依次0、2、3、4 號煤，可采煤層平均累厚7.45 m，可采含煤系數5.96%；太原組煤層厚度變化相對較穩定，煤層累積厚度大多在10 m 以上，含煤系數3.11%，主要可采煤為12、15、17、20 號煤。

（3）韋三井田各可采煤層原煤灰分均為中灰煤和高灰煤（Ad在10.79%～39.17%），煤層瓦斯成分依次為N2（7.44%～98.99%）、CH4（0～87.12%）、CO2（0.50%～12.92%）、重烴（＜1%）。太原組煤中0、1、2、3、4、10 號煤為貧氣區，下組煤12、15、17、20 號煤大部分地段為低氣區，局部地段為中氣區。

（4）韋三井田具有良好的煤層氣成藏條件和保存條件，含煤面積分布較廣，煤層氣較為豐富但勘探程度較低。結合開采技術條件，認為該井田及其周邊地區具有一定的煤層氣開采潛力和經濟價值。