焦作古汉山井田煤层气赋存特征

(河南理工大学资源与环境学院，河南焦作454000)

作者简介:张晓东，出生于1971，男，河南温县人，博士，讲师。主要从事气体地质学、煤层气地质学等研究。邮箱:zwenfeng @ 163.com

项目支持:河南理工大学博士点基金(编号:648513)，“河南省焦作煤田煤层气资源潜力调查与评价”项目。

以焦作煤田古汉山井田为研究区域，通过定性分析和定量研究，探讨了煤层埋深、顶底板岩性、煤层厚度和地质构造等因素对煤层含气性的控制。通过数理统计的方法，得出了埋深、有效埋深、煤厚和煤层瓦斯含量的回归方程，并对回归方程的显著性进行了检验。研究结果表明，煤层厚度、断层构造和埋深是影响古汉山井田煤层气赋存特征的主要因素。具体表现为:①随着煤层厚度的增加，瓦斯含量线性增加；(2)随着埋深和有效埋深的增加，瓦斯含量先急剧增加，到一定阶段后，增加趋势减缓，两者呈对数正相关关系；③断层尖端含气量大，断裂带含气量小；断层下降盘的含气量大于上升盘的含气量；同一断块中，离断层面越远，含气量越大。煤层顶板岩性对瓦斯含量有一定影响，但不是引起井田煤层瓦斯含量变化的主要控制因素。

关键词:古汉山井田煤层气回归分析影响因素

焦作煤田古汉山煤矿煤层气赋存特征

张晓东、王丽丽

(河南理工大学资源与环境学院，焦作454000)

文摘:通过定性和定量分析，探讨了煤层埋深和厚度、顶底板岩性、地质构造等因素对煤层气含气性的影响。通过数理统计，得出了煤层埋深、有效埋深、煤层厚度与煤层气含量之间的回归方程，并进行了显著性检验。结果显示:1。埋深、煤层厚度和断裂构造是影响古汉山煤矿煤层气赋存特征的主要因素。实际特征是:(1)随着煤层厚度的增加，煤层气含量呈线性增加；(2)埋深、有效埋深与煤层气含量呈对数正相关关系；(3)断层消失端的含气量较高，断层带的含气量较低。断层下盘的含气量高于上盘；随着离断层距离的增加，同一断块内部的瓦斯含量也越来越高；2.顶底板岩石的岩性对瓦斯含量有一定的影响，但不是控制瓦斯含量变化的主要因素。

关键词:古汉山煤矿；CBM回归分析；因素

序

焦作矿区是我国优质无烟煤生产基地之一，煤层气资源丰富。矿区毗邻山西沁水煤层气田，勘探开发取得重大突破，已是国内首个商业化规模开采，具备良好的煤层气勘探开发条件[1]。根据中国煤田地质局煤层气资源调查研究成果，该区浅风化带、深部含气量在4m3/t以上的可采煤层煤层气资源量为165438+2000m 108 m3，资源丰度为2.31×108m3/km2。作为焦作矿区的主要生产矿井之一，古汉山煤矿自开采以来经历了三次煤与瓦斯突出。自建井以来，该矿每年都投入大量的精力和物力防治煤与瓦斯突出。将瓦斯灾害转化为煤层气资源加以利用，不仅能从根本上达到预防该矿煤与瓦斯突出事故的目的，而且对资源的有效利用和当地环境保护具有重要的现实意义。

根据井田煤层瓦斯含量的分布及变化规律，系统论述了地质构造、埋深、煤层厚度及顶底板岩性对煤层气赋存的控制作用，并通过数理统计分析，找出了煤层瓦斯含量的主要控制因素，为古汉山矿瓦斯突出及煤层气资源勘探开发提供了指导。

1井田地质构造特征

焦作煤田位于太行山背斜隆起的东南部，济源-开封坳陷的西北部。本区广泛发育燕山运动以来产生的各种构造形迹，以断裂构造为主，褶皱构造较弱。这个地区的岩浆活动很弱。

古汉山井田位于古汉山断裂和油坊江断裂之间。煤系地层走向为NE40，东南倾角12° ~ 19°。井田内大断层构造分布稀疏，均为高角度正断层，属于构造简单的井田。井田内中小型构造的特征和分布如下:

断层:井田内出露的断层均为正断层，走向多为东西向和北西向，倾角30° ~ 75°。断层附近岩煤层垂直节理发育，顶板多褶皱。

褶皱:褶皱的总体特征是宽缓的构造形态，向斜轴与背斜轴之间的距离约为1.50m，局部出现小褶皱，顶板滑动面发育，影响岩石和煤层的强度，对煤层开采产生不利影响。

2煤层瓦斯含量的分布规律

井田内主要含煤地层为石炭系和二叠系含煤地层，含煤13层，其中仅1煤和一两煤两层达到可采厚度。二叠系山西组底部的第二层1煤层结构简单，平均厚度5.0m，属于较稳定的中厚煤层，是本研究项目的目的层。本次研究共采集了35个瓦斯含量数据，其中包括23个钻孔和取芯测得的瓦斯含量数据，以及12个断层不同部位测得的瓦斯含量数据。埋深158 ~ 951m范围内，含气量在8.08 ~ 32m3/t之间

就整个井田而言，瓦斯含量由东向西呈上升趋势，由南向北呈下降趋势。在同一个断块中，越靠近断层带，含气量越小，但断层尖附近的含气量往往越大。深断块的含气量高于浅断块。

3煤层瓦斯含量的控制因素

在讨论相关因素与瓦斯含量的关系之前，有必要对收集到的瓦斯含量数据进行适用性分析。23个钻孔取芯资料中，甲烷含量小于80%，属于甲烷风化带。在本研究中，不考虑这些数据(* * * 5)；断层不同部位有15个实测瓦斯含量数据，瓦斯含量受断层构造影响较大。因此，在讨论煤厚、埋深等因素对瓦斯含量的影响时，这部分数据只能作为参考。

3.1煤层厚度对瓦斯含量的影响

根据现有瓦斯含量数据，煤层厚度与瓦斯含量的关系如图1所示。

从图1可以看出，煤层厚度与瓦斯含量呈正相关，相关方程为:

w = 6.9178 * h-14.262(R = 0.62)

式中:w——气体含量(m3/t)；H——煤层厚度(米)。

回归方程的显著性检验表明，对于给定的显著性水平α=0.05，T 0.025(11)= 2.2010，而从数据点计算，t=2.6200，T > T0.025 (165438)，进而可以得出，煤厚是影响古汉山井田煤层瓦斯含量的主要因素之一。

图1煤层厚度(H)与瓦斯含量(W)的关系

图2埋深(h)与含气量(w)的关系

3.2埋深与含气量的关系

煤化过程中产生的大量气体能否被很好地保存，取决于煤层的埋深，即上覆岩层的厚度。一般认为，随着埋深的增加，煤层气的储存量也在增加。根据现有瓦斯含量数据，煤层埋深与瓦斯含量的关系如图2所示。

从图2可以看出，随着埋深的增加，瓦斯含量有增加的趋势，两者存在一定的正相关关系。数理统计分析结果表明，它们之间的相关方程为:

w = 12.55 ln(H)-56.873(R = 0.69)

式中:w——气体含量(m3/t)；H——煤层埋深(米)。

回归方程的显著性检验表明，计算的t=3.1951，T > T 0.025(11)= 2.2010，上述回归方程显著。因此，可以认为埋深是影响古汉山井田煤层瓦斯含量的主要因素之一。

根据埋深与瓦斯含量的趋势线分布，当埋深小于400m时，瓦斯含量随埋深的增加而迅速增加；当埋深超过400m时，瓦斯含量随埋深的增加而缓慢增加。

3.3有效埋深与含气量的关系

煤储层有效覆盖层厚度是指在含煤盆地或区域的地层剖面中，控制煤层含气性能的煤层覆盖层厚度[3]。可以用大量生气后从煤层到第一个不整合面的地层厚度来表示，真实地反映了大量生气后的构造运动及其引起的地层抬升和剥蚀对煤层气保存条件的影响[4]。一般来说，上覆岩层的有效厚度越大，保存条件越好；有效地层厚度越薄，构造运动引起的抬升剥蚀作用越强，地层压力越低，气体越容易解吸消散。

三叠纪末，该区地层抬升剥蚀，可能使煤层含气量降低。Er1煤层顶板与新生界地层基底之间的厚度反映了不整合面形成后剩余盖层的厚度，即基岩的厚度，也反映了Er1煤层含气性的有效埋深[4]。本次研究的统计结果表明，煤层瓦斯含量随着有效埋深的增加而增加，两者之间存在一定的对数关系(图3)。相关等式为:

w = 9.86 ln(h 1)-34.87(R = 0.60)

式中:w——气体含量(m3/t)；h 1-煤层埋深(米)。

回归方程的显著性检验表明，计算的t=2.4876，T > T 0.025(11)= 2.2010，上述回归方程显著。因此，还认为有效埋深也是影响古汉山井田煤层瓦斯含量的主要因素之一。

图3有效埋深(H1)与含气量(W)的关系

根据有效埋深H1与瓦斯含量的趋势线分布可以看出，当H1 < 250 m时，瓦斯含量随着H1的增加而迅速增加；当h 1 > 250 m时，随着有效埋深的增加，瓦斯含量缓慢增加。

3.4断层构造对煤层瓦斯含量的影响

不同类型的地质构造在其形成过程中具有不同的构造应力场和内应力分布特征，会导致煤储层和盖层的产状、结构、物性、裂缝发育和地下水径流条件的差异，进而影响煤储层的含气特征[2]。一般来说，正断层是开放性的，封闭性差有利于气体的逸出，而逆断层是压性的或压扭性的，封闭性好，有利于气体的保存。此外，同一构造的不同部位对煤层气的富集和运移有不同的影响。

古汉山井田属单斜构造，区内主要构造类型为正断层，未发现逆断层，仅局部出现褶皱。区内主要断层不同部位瓦斯含量分布见表1，与构造密切相关的钻孔瓦斯含量数据见表2。

表1同一断层构造不同部位瓦斯含量数据

表2与断层结构相关的钻孔气体含量数据

根据不同断层的上、下盘瓦斯含量实测数据(见表1)，可以发现断层上升盘瓦斯含量明显小于下降盘瓦斯含量。究其原因，一是在下降板块下降过程中，构造活动比较强烈，煤层揉压过程中温度升高，导致更多煤层大分子结构和侧链或支链热解，导致局部生烃增加；二是与下盘伴生的次级断层较为发育，破坏了煤层气的逸出通道，构造的揉压增强了煤体结构的破坏程度，削弱了煤层的渗透性，形成聚气阻气构造，不利于瓦斯逸出，使煤层气相对富集。

从表2可以看出，断层尖端附近的2308个钻孔的含气量可达32m3/t..主要是由于断层尖端附近的应力集中和煤块破碎，降低了煤层的渗透性，从而形成瓦斯聚集结构，增加了瓦斯含量。断层带附近的关4钻孔含气量较小，仅为9.1.6m3/t，32-10钻孔虽然煤突破深度很大(约950m)，但由于煤突破点靠近丛状断层，其含气量仅为12.53m3/t。还发现离断层面越远，含气量越大，主要是因为区域内较大的断裂构造都是张性正断层，这些断层往往形成导气构造，离断层面越近，渗透性越好，生成的煤层气越容易逸出，从而降低煤层气含量。

3.5顶底板岩性对瓦斯含量的影响

焦作煤田21煤层顶板多为粉砂岩、细砂岩互层，粉砂岩致密，胶结良好。顶板与煤层之间发育0.12 ~ 1.0m的致密炭质泥岩。煤层底板普遍发育11.2 ~ 21.5m厚的泥岩，使煤层处于较好的封闭环境，对煤层气的保存非常有利，这是焦作矿区能够富集丰富煤层气资源的主要原因之一。

古汉山井田煤层顶板为灰色、深灰色细-中粒砂岩，一般厚度为23.0米，有时变为砂质泥岩。煤层假顶和直接顶岩样孔隙度测试结果见表3。

对比煤样和顶板岩样的孔隙结构参数可以发现，顶板岩的孔隙体积和比表面积远小于煤，中值孔径也是如此。结合井田顶板分布相对稳定的特点，可以推断古汉山井田顶板岩石孔隙含量远小于煤样，顶板岩石大孔隙含量远小于煤样，以小孔隙为主。井田煤层底板岩石为相对稳定的泥岩和砂质泥岩，渗透性差，有利于煤层气的保存，具有相对稳定的分布特征。

表3煤样和煤层顶板岩样孔隙结构参数

可以看出，古汉山井田煤层顶底板岩性有利于煤层气的保存，但由于其相对稳定的分布特征，可以推测井田煤层顶底板岩性不是引起瓦斯含量变化的主要因素。

4结论

古汉山井田(1)煤层厚度对煤层瓦斯含量影响较大。厚度越大，含气量越大，两者呈线性正相关关系。

(2)煤层埋深和有效埋深也有很大影响。在埋深和有效埋深较小的区域，瓦斯含量随深度的增加而迅速增加；当埋深为400米，有效埋深为250米左右时，瓦斯含量随深度增加，增加趋势减缓。

(3)地质构造对瓦斯含量的影响表现为:断层尖端附近瓦斯含量大，而断裂带内瓦斯含量小；断层下降盘的含气量明显大于上升盘；同一断块中，离断层面越远，含气量越大；而且离断层面越远，含气量越大。

(4)古汉山井田煤层顶底板岩性有利于煤层气的富集，但不是影响该井田煤层瓦斯含量变化的主要原因。

鸣谢:在本论文研究过程中，焦作矿务局水文地质勘探公司总工程师、焦作煤业集团古汉山矿地质科科长金发贵先生、安检科副科长杨先生提供了相关资料。在高级工程师张静和中国矿业大学测试中心工程师唐家祥的帮助下，对孔隙结构参数进行了测试。

参考

[1]强三强，田。2005.河南焦作二矿1储层特征及煤层气资源潜力评价[J].中国煤田地质，17 (6): 13 ~ 16。

叶建平，泰莉和林大洋。1998.中国煤层气资源[M]。徐州:中国矿业大学出版，124 ~ 184，208 ~ 217。

王、李、许德宏。2003.华北地区煤层含气性影响因素的探讨[J].焦作工学院学报，22 (2): 88 ~ 90

宋志敏，孟昭平。2002.焦作矿区山西组二煤层瓦斯含量控制因素探讨[J].中国矿业大学学报，31(2):179 ~ 181。