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(zhì)規(guī)劃勘察研究院，山東 濟(jì)南 250104；2.山東省煤田地質(zhì)局物探測(cè)量隊(duì)，山東 濟(jì)南 250104；3.山東泰山資源勘查有限公司，山東 濟(jì)南 250104）

1 賦存地質(zhì)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(dá)復(fù)背斜弧形推覆體北側(cè)。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(tǒng)郝家溝組(T3hj)、下侏羅統(tǒng)八道灣組(J1b)、三工河組(J1s)和第四系(Q)。下侏羅統(tǒng)八道灣組(J1b)是主要含煤地層。

1.2 構(gòu)造

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

1.3 生氣層基礎(chǔ)條件

八道灣組含煤地層分4個(gè)含煤段，共含煤約61層，累計(jì)平均厚度162.73m，含煤系數(shù)為19.87%。可采煤層灰分多以低灰煤為主，少量中灰煤；煤類(lèi)主要為氣煤、1/3焦煤，各煤層鏡質(zhì)組最大反射率介于0.40%～4.62%之間，其變質(zhì)階段相應(yīng)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(zhì)條件為煤層氣的生成、儲(chǔ)集、富集提供了良好的物質(zhì)基礎(chǔ)。

2 煤層儲(chǔ)層物性特征

2.1 煤的孔隙率

煤的孔隙率通過(guò)所測(cè)真密度和視密度值計(jì)算所得(見(jiàn)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(yīng)性都比較好，但抗碎強(qiáng)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(chǔ)層必須考慮的一個(gè)指標(biāo)。

表1 各煤層孔隙率試驗(yàn)結(jié)果一覽表

2.2 煤的吸附性

通過(guò)用煤的吸附等溫試驗(yàn)，可以測(cè)定在特定煤儲(chǔ)層壓力條件下的煤儲(chǔ)層吸附能力。測(cè)試的煤的吸附等溫線試驗(yàn)表明：（1）煤的吸附性與煤中水分有一定關(guān)系，煤中水分含量高時(shí)，煤吸附氣體量明顯減小。（2）煤的吸附性與煤的變質(zhì)程度存在一定關(guān)系，在相同瓦斯壓力下，煤的變質(zhì)程度越高，即揮發(fā)分產(chǎn)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?zé)N。各煤層甲烷兩極值0.00～94.51%，平均值22.03%～62.32%，屬氮?dú)狻淄閹Х秶幻簩又責(zé)N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?zé)N)含量?jī)蓸O值0.00～20.13m3/t，平均值0.640～6.247m3/t，煤層富氣性等級(jí)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(diǎn)，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(fā)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(qū)，造成煤層氣含量小，且煤層露頭連續(xù)，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(gè)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(nèi)在因素，煤層越厚，吸附氣體能力越強(qiáng)，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(duì)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(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、氣體含量略高一些，上分層煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，兩層夾矸，厚度也小，因此，氣體含量相對(duì)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(zhì)構(gòu)造

礦井整體構(gòu)造形態(tài)為伴有斷層的向斜和背斜構(gòu)造，F(xiàn)4逆斷層位于南阜康背斜的核部，區(qū)內(nèi)走向長(zhǎng)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(yùn)輸通道，有利于煤層氣體的儲(chǔ)存。背斜頂部，受構(gòu)造擠壓裂隙發(fā)育，雖然增加了煤層儲(chǔ)氣空間，但是也增加了煤層的滲透性，不利于煤層氣體儲(chǔ)存。因此，構(gòu)造對(duì)煤層氣體的賦存具有復(fù)雜性和不確定性。

4.4 水文地質(zhì)條件

煤層中的流動(dòng)水會(huì)對(duì)煤層產(chǎn)生沖洗作用，導(dǎo)致了煤層氣的散失；水動(dòng)力條件較差區(qū)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(shí)為360m3/d，最大可達(dá)1700m3/d，屬弱的地下水補(bǔ)給，補(bǔ)給量有限，形成了一個(gè)半封閉型水文地質(zhì)塊段，地下水補(bǔ)給不良，徑流不暢，以靜儲(chǔ)量為主，有利于煤層中氣體的保存[1]。半封閉型水文地質(zhì)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(jié)論

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

（1）該礦煤層傾角較大且煤層露頭連續(xù)，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(chǔ)集、富集提供了良好的物質(zhì)基礎(chǔ)，煤層氣賦存受煤層厚度影響；

（3）該礦其構(gòu)造對(duì)煤層氣的賦存具有復(fù)雜性和不確定性；

（4）該礦屬一個(gè)半封閉型水文地質(zhì)塊段，有利于煤層氣的賦存。