水動力條件對煤層氣賦存的控制作用研究

夏　朋　趙　凱　李照陽　王　俊

[摘要]煤層氣的賦存受到多種地質因素的綜合控制，水文地質條件作為其中的影響因素之一主要從運移逸散、水力封堵、水力封閉等方面對煤層氣的賦存進行控制。基于地下水動力模式與煤層氣的儲存、運移、富集和逸散之間的密切聯系，較為全面的分析不同水動力條件對煤層氣的控氣作用過程，以闡釋水動力條件對煤層氣賦存的作用機理。

[關鍵詞]煤層氣 水動力條件 水動力模式 控氣作用

中圖分類號：TK7文獻標識碼：A文章編號：1671－7597（2009）0120105－01

煤層氣主要以吸附狀態賦存在煤的孔隙中，其富集成藏受到多種地質因素的綜合控制作用。煤層氣的保存是巖性封存、構造封存、水動力封存共同作用的結果，而富集則由其生成、儲集、封蓋、保存等方面條件決定。水文地質條件作為煤層氣地質控制因素之一，對煤層氣的富集成藏有著重要的影響，尤其在影響低煤階煤層氣富集成藏的因素中，更扮演著非常重要的角色。以下筆者從水動力條件對煤層氣控氣作用的差異性研究闡釋水文地質條件對煤層氣富集的重要影響。

一、水動力的控氣作用機理

煤層氣的控氣作用機理分為水力運移逸散控氣、水力封閉控氣和水力封堵控氣，其中，第一種作用導致煤層氣散失，后兩種作用有利于煤層氣保存。

（一）水力運移逸散控氣

水力運移逸散控氣作用主要見于斷層發育地區。斷層為開放斷層呈導水性質，導水斷層或斷裂帶裂隙溝通煤層與含水層，完整的補、徑、排系統。若含水層富水性、水動力強、含水層與煤層水力聯系較好，則地下水在運動過程中攜帶煤層中氣體運移而逸散。與煤層有水力聯系的含水層，包括煤系下伏灰巖巖溶裂隙含水層、煤系中灰巖巖溶裂隙含水層、砂巖孔裂隙含水層、基巖孔裂隙含水層和第四系松散孔隙含水層。

（二）水力封閉控氣

水力封閉控氣作用常發生在構造簡單的寬緩向斜中。斷裂不甚發育且斷裂構造多為壓性斷裂，具有擠壓、逆掩性質，導水能力差。煤層頂、底板均有良好的隔水層，區域水文地質條件簡單。

煤系中砂巖裂隙含水層為煤層中直接充水含水層。其含水性微弱，滲透系數低，地下水徑流緩慢甚至停滯。含水層補給局限于淺部露頭的少量大氣降水補給。地下水在靜水壓力、重力驅動方式下流動。地下水呈封閉狀態，對煤層氣有封隔作用。煤層氣受水力封閉作用而富集，煤層氣含量較高。

（三）水力封堵控氣

水力封堵控氣作用常見于不對稱向斜或單斜中。當煤儲層和煤系圍巖含水層地下水流向與煤層氣運移方向相反時，地下水的流動一方面可以對煤層甲烷在靜壓力作用下順層向淺部的運移產生一定的阻力，減緩煤層氣的運移速度。另一方面又可攜帶在流動過程中溶解的部分煤層氣向深部聚集，因而有利于煤層氣富集。含水層從露頭接受補給，地下水沿煤層由淺部向深部運動，將煤層中解吸的氣體封堵，致使煤層氣聚集。

二、地下水動力模式對煤層氣的成藏作用

（一）單斜區水動力模式

單斜區水動力模式的地下水補給、徑流、排泄區的分布與地下水的流向一致。這種模式往往與補排方向一致的斷裂構造形成地下水強徑流帶，有利于煤層氣的溶解、運移和逸散；地下水由淺部向深部運動過程中，速度逐漸趨緩，在局部地段可能出現滯留區并造成煤層氣的富集，也可能在阻水斷層一側或頂板裂隙地段富集起來。補給區通常位于礦區之上的山區，排泄區穿過礦區，地下水徑流長度一般10-30km。（以下以晉城礦區為例加以說明）。

晉城礦區的東區和西區均屬于單斜水動力模式類型。東區煤田分布區處于地下水徑流區，存在兩條徑流帶，地下水力梯度小，含水層滲透系數大，地下水運動速度快，形成負壓，煤層氣隨水的流動解吸流出；深部主要煤層與頂板含水層直接接觸，部分煤層氣逸散進入鄰近巖層與水共存。根據以上水文地質特征可推斷，本區煤層氣在淺部易逸散，深部受地下水驅動和溶解，隨泉水排泄。所以本區水文地質條件不利于煤層氣的保存，煤層氣含量低，但在晉獲斷裂帶東側煤層其可能有所保存。

（二）大型盆地水動力模式

大型盆地的地下水補給和排泄均位于盆地的邊緣，盆地的邊沿為地下水的強烈循環帶。地下水沿補給區向排泄區運動，在排泄區以泉水的形式流出。在盆地邊沿，水力梯度較大，地下水流速較快，促使吸附態的煤層氣解吸，并驅動煤層中甲烷隨水沿煤層流動，因此在盆地邊沿煤層氣受到水力運移，不利于煤層氣的富集；隨著煤層埋深的增加，水流速度逐漸減緩，在盆地深部形成滯留區，利于煤層氣的富集。（以下以潞安礦區為例加以說明）。

潞安礦區東部為地下水補給區，排泄區在盆地的邊緣，與補給區重合。地下水由補給區以兩條南北方向的徑流向泉水處排泄。在盆地淺部地下水循環較快，為強徑流帶，至深部地下水循環逐漸變緩，形成地下水滯留區，利于煤層氣的保存。

（三）小向斜水動力模式

小向斜地區地下水的排泄區可能存在于向斜的軸部，其煤層位于地下水的徑流區。相對而言，它的強徑流帶比較發育，地下水的流速較快，水流距離一般在10km左右，而滯留區的范圍小，主要通過水力運移逸散的方式對煤層氣作用，從而不利于煤層氣的富集和保存。（以下以六盤水地區為例說明）。

六盤水地區的大部分礦區的水動力模式以小向斜為主。本區地下水主要接受降水的補給，之后以暗河的形式在灰巖分布區以泉水出露，地下水由向斜的斜翼部向軸部和傾伏方向徑流，最終以泉水形式排泄。該區淺部含水層的徑流較好，不利于煤層氣的富集，越往深部，徑流緩慢或處于滯流狀態，對煤層氣的保存較有利，但由于大量的氣體在淺部已逸散掉，深部的氣體量較少。總體來說，小向斜地區對煤層氣的保存較差。

（四）斷塊區水動力模式

斷塊區水動力模式的地下水運動和交替條件較差，煤層氣在水力運移、驅趕下隨地下水流動直至斷裂帶附近。若斷層為開放斷層，則水流在斷層處排泄，煤層氣在斷層處逸散；若斷層為壓性斷層，則水流在斷層附近受阻，煤層氣在斷層處富集。

（五）厚沖積層覆蓋區水動力模式

厚沖積層覆蓋區水動力模式較為簡單，基巖被厚度較大的松散的第四系沖積層覆蓋。地下水受降水補給后，以垂直滲入的形式向下運動，垂直運動路徑較長。由于阻力的作用以及沖積層內水的逐漸飽和，進入煤層后水的流動速度逐漸放慢，交替緩慢，有利于煤層氣的富集。

（六）多級排泄水動力模式

多級排泄水動力模式中，地下水沿地層的走向流動。在淺部煤層段，水力梯度較大，水流運動較迅速，發育強徑流帶，淺部煤層在水流的驅動下發生煤層氣的大量溶解、負壓驅動，并隨水運移在不同深度的煤層段排泄而逸散，利于煤層氣的保存。隨著水逐漸向深部流動，水流速度逐漸變緩，交替緩慢，并在深部形成滯流區，在較大的地下水壓力下，有利于煤層氣的保存，煤層氣相對富集。

三、結語

水文地質條件是影響煤層氣賦存的一個重要因素，對煤層氣的保存、運移影響很大，對煤層的開采也至關重要，而水動力條件則是影響水文地質條件控氣作用的主要因素。水動力條件對于煤層氣既具有保存聚集煤層氣的作用，也可導致煤層氣的運移和逸散。水動力活躍與否直接影響這煤層氣的保存和富集。對地下水的循環特點，含水層的補、徑、排系統，徑流區與滯留區分布，排泄區與補給區的相對位置，地形特征等進行研究，劃分出勘探區的地下水動力模式，對于推斷煤層氣的賦存狀況，有利勘探區的評價以及開采選區具有重要的意義。

參考文獻：

[1]傅雪海、秦勇、韋重韜，煤層氣地質學[M].徐州：中國礦業大學出版社，2007.

[2]張新民、莊軍、張遂安，中國煤層氣地質與資源評價[M].北京：科學出版社，2002.

[3]桑樹勛、秦勇、傅雪海等編著，陸相盆地煤層氣地質[M].徐州：中國礦業大學出版社，2001.

[4]葉建平、武強、王子和，水文地質條件對煤層氣賦存的控制作用研究[J].煤炭學報，2001.10(5):459-462.

作者簡介：

夏朋，男，漢族，江蘇淮安人，中國礦業大學本科在讀，研究方向為礦產資源普查與勘探；趙凱，男，漢族，陜西咸陽人，中國礦業大學本科在讀，研究方向為礦產資源普查與勘探；李照陽，男，漢族，河北唐山人，中國礦業大學本科在讀，研究方向為礦產資源普查與勘探；尹超，男，漢族，河南鄭州人，中國礦業大學本科在讀，研究方向為礦產資源普查與勘探。