江西萍鄉煤層含氣性主控因素分析

陳朝玉

(1.遵義師范學院，貴州 遵義 563006； 2.成都理工大學，四川 成都 618000)

1 地質構造條件對含氣量的影響

1.1 斷裂構造對煤層含氣量的影響

萍鄉青山煤礦西部以密集的小型張性斷裂和張扭性斷層為主。這些斷層切割煤系，并與基底茅口組石灰巖巖溶裂隙相通，斷裂帶就成為煤層氣運移逸散的重要通道，導致煤層氣含量降低，如109孔大槽煤層采樣深度為810.82 m，煤層氣含量僅7.33 m3/t。然而，該礦區東部的569孔大槽煤層的采樣深部為588.93 m，甲烷含量達12.13 m3/t。井田東部多為大斷層，主要分布于井田邊緣，一般為封閉性逆斷層，有利于煤層氣的保存。但滴水巖斷層和彭家源斷層不同，為含水導水斷層，斷層水于巖溶水互補，煤層氣隨水的運移而逸散。硬子槽南翼煤層被滴水斷層切割而與茅口組石灰巖相頂，其煤層氣大量釋放。

巨源煤礦發育一組高角度疊瓦式排列的走向逆斷層，破壞向斜構造的完整性，改變了巖層的隔氣性能，使巖層揉搓破碎，節理裂隙發育，為煤層氣運移、集中構成了通道，對煤層氣保存有利。

1.2 褶皺構造對煤層含氣量的影響

青山煤礦東部以褶皺構造為主，發育一系列緊密褶皺，褶曲在走向上可延伸長400～600 m，傾向上一般延長80～120 m，在向斜、背斜軸部煤層急劇增厚，增厚部分相當于正常煤層厚度的4～5倍，形成多處轉折端，甲烷含量增加，特別是在轉折端，有利于甲烷富集和儲存。經過強烈的褶皺構造，破壞了煤層的原始結構，形成構造煤。巨源煤礦中心地帶，受“飛來峰”構造的影響，煤層受到強烈的擠壓作用，廣泛發育著次級褶皺，顯示了褶皺頻繁性和多樣性，使甲烷較容易形成集中帶。同時也破壞了煤層的原生結構，形成構造煤，是煤層本身受力的強度大大減弱，為煤層氣的開發帶來了困難。

1.3 煤層頂底板和蓋層對含氣量的影響

安源煤系是在印支運動不均衡抬升的基礎上沉積的，古地理沉積環境比較復雜，是一個個孤立的小盆，因此在一個盆地內巖石的透氣性對煤層氣儲集的控制規律反映得比較清楚。其中萍鄉礦區的砂泥巖比值與礦井的瓦斯級別間的關系反映的十分清楚。高沼突出井的青山、巨源礦區分布在砂泥巖比值<0.4的區域內，低沼井的安源、高坑分布在砂泥巖比值>0.4的區域內。從砂泥巖比值反映青山、巨源礦的巖層透氣性比較差，而安源、高坑礦透氣性相對較好，所以，前者為高沼突出井，后者為低沼井。

煤層的頂底板巖性：從巨源礦西含煤1～12層紫家沖厚450 m，巖性以粉砂巖、泥巖為主，間夾砂巖、礫巖、煤和碳質泥巖。各煤組之間一般均有1～3層砂巖，厚度無規律，多為石英砂巖。礫巖多在7煤以下的印支運動的不整合面之上。紫家沖段在巨源東含煤8組(12煤～5煤)，煤層總厚16.56 m。含煤系數為5.73%，地層厚289 m，顯示西厚東薄的沉積特征。含煤段有明顯的旋回結構特征，劃為12個小旋回，每個小旋回以礫巖、砂巖為起點，由砂巖-粉砂巖-泥巖-煤和碳質泥巖-泥巖或粉砂巖組成韻律結構，所含煤層的頂底板均為泥巖和粉砂巖，為河湖相沉積，透氣性較差，封閉性能好。上覆三家沖段泥巖厚387 m，為良好的隔氣層，所以巨源礦為高沼突出礦而巨源東礦區、黃塘及魯板沖礦區為高甲烷煤層的礦區。

青山礦的地層主要有紫家沖段，含煤18層，上覆地層三家沖段海相泥巖厚210 m，該區含煤層數多，巖性變化大，并有巖漿巖分布等特點。主要可采煤層大槽煤是在淺水湖盆成煤環境下，在盆地底部礫巖填平補齊之后形成的，大槽之上又沉積了淺水湖泊相沉積的泥巖和粉砂巖互層；其次硬子槽的底板為峨眉山玄武巖，煤系地層內以粉砂巖和泥巖互層，局部夾有薄層砂巖(表1)。

從表1反映青山主采的五層煤層的頂底板巖性均為泥巖和粉砂巖等，硬子槽的頂底板，管子槽的底板均為峨眉山玄武巖。同時各煤組除頂底板巖性透氣性差除外，在紫家沖段的上部三家沖段有10～150 m，平均90 m的灰黑色泥巖，間夾粉砂巖，泥巖致密，顯水平層理，局部具微波狀層理，同時局部泥巖含菱鐵礦及黃鐵礦結核，風化后呈同心圓珠狀。

表1 萍鄉青山主采煤層頂底板巖性特征

另外，在煤系地層上覆地層為“飛來峰”石灰巖，分布在6～7線以東，為小江邊石灰巖。據鉆孔揭露，均不含水，為良好的隔氣層。在煤系的底部為底部礫巖，為灰綠色礫巖，常夾粉砂巖和砂巖，厚度不穩定為0～120 m，為弱含水層。局部地區煤系底部與茅口灰巖接觸，有溶洞和裂隙被充填時成為良好的隔水層。

總之，萍鄉評價區的巨源、青山礦區由于煤層頂底板巖性為泥巖和粉砂巖，互為隔氣層，三家沖泥巖和煤系上覆的“飛來峰”石灰巖對煤層(煤組)起到三層阻隔作用，有利于煤層氣的保存，煤層氣含量較高。并且該區成煤盆地都受到海水頻繁進退的影響，所以煤層層數多、厚度大；煤層頂底板大多為泥巖和粉砂巖，青山煤層底板為峨眉山玄武巖，煤層之間互為頂底板，透氣性差，互為隔氣層。同時，上覆地層又有三家沖泥巖作為區域性的隔氣層，所以，煤層頂底板物性條件封閉好，為煤層氣藏的儲存創造了有利條件。

1.4 水文地質條件對含氣量的影響

水動力對煤層氣具有水力封閉和水力驅替、運移的雙重作用。水力封閉作用有利于煤層氣的保存，而水力驅替、運移作用則引起煤層氣的逸散及在新條件下的聚集(常規圈閉)。一般講，地下水壓力大，煤層氣含量高，反之則低；地下水的強徑流帶煤層氣含量低，而滯流區則含量高。因此應掌握煤層地下水的壓力、滲透速度、水力梯度、補徑排關系等水文地質參數和條件，以便從宏觀上分析煤層氣含量的變化趨勢。

萍鄉礦區水文地質條件一般比較復雜，一方面，由于安源煤系地層中砂礫巖比較發育，煤系地層本身富水性較強；另一方面，含水層比較復雜：a、基底水視其煤系地層基底時代和巖性而定，茅口組石灰巖和長興組灰巖富水性強，作為煤系基底條件要復雜一些，大冶組泥質成分較高，富水性較差；b、煤系地層底礫巖、層間礫巖、被白堊系(紅層)覆蓋的安源系礦區，紅層砂礫巖一般富水性較強；c、部分礦區發育“飛來峰”構造，茅口組石灰巖滑覆于煤系地層之上，造成水文地質條件復雜化。水文地質條件復雜、地下水活動比較強的礦區或礦井煤層氣含量較低。在同一礦區或礦井各地段水文地質條件不同，東部發育小江邊泥質灰巖“飛來峰”插入體，含水性差，透氣性差，煤層氣含量高；西部煤系基底為茅口組石灰巖，富水性強，煤層氣含量較東部低。

東部青山煤礦，主要含水層為煤系基底茅口灰巖含水層。煤層與含水層間分布穩定的泥巖及致密堅硬、孔隙度小的砂巖等組成的隔水層，基底灰巖水與煤層水力聯系差，有利于煤層氣賦存。

1.5 煤層埋深對含氣量的影響

萍鄉礦區煤層氣的化學組成與埋深關系復雜，從數據主體來看，盤江地區大部分井田煤層甲烷濃度極低，主要表現在高坑與安源井田，甲烷濃度均不到1%，但這一特點總體上與煤層氮氣濃度的分布特點呈“鏡像”關系，說明甲烷濃度的大小主要取決于氮氣濃度，即大氣混入的程度(圖1)。而巨源、青山和黃塘井田甲烷濃度較高，甲烷濃度主頻率在70%以上，但數據相對離散(圖2)。在埋深100 m以下，無論深度如何變化，甲烷濃度分布的主頻率均超過70%，表明萍鄉礦區煤層氣保存條件總體較差。

圖1 萍鄉礦區煤層氣甲烷濃度與埋深之間關系圖

圖2 萍鄉礦區煤層甲烷含氣量與埋深之間關系圖

萍鄉礦區煤層含氣量與埋深的對應關系都十分離散，但仍表現出一定的分布規律。高坑與安源井田的煤層含氣量均低于5 m3/t，而在巨源、黃塘和青山井田隨著煤層埋深的增加，煤層氣含量呈現出先降低后增加的變化趨勢，轉折點在煤層埋深約400 m左右。但該礦區總體含氣量不及盤江地區，出現此現象的原因可能是煤層受隱伏斷層的影響，煤層氣大量逸散，導致煤層埋深在400 m時煤層含氣量達到最低。

1.6 煤巖煤質對含氣量的影響

萍鄉礦區煤層含氣量與煤質參數之間具有明顯的相關性(圖3)。其中揮發分產率減小，煤層含氣量具有增高的變化趨勢，表明煤化作用程度有利于煤層氣的富集，與傳統認識一致。全硫含量增高，煤層含氣量降低的趨勢相對明顯，指示海水影響程度越弱越有利于煤層氣的吸附，原因可能在于受微生物強烈降解的沉積有機質(如基質鏡質體)影響到煤中儲氣空間的發育。而與內在水分、灰分產率關系不明顯。

從煤巖參數分析，萍鄉礦區煤層含氣量與鏡質組最大反射率呈正相關關系，隨鏡質組最大反射率的增大而增大，但隨鏡質組含量增高而增大，隨惰質組含量和無機組分含量的增高而降低(圖4)。這一現象指示，煤巖顯微組分組成和總含量成為了主要控制因素，鏡質組和惰質組化學結構和孔隙性的相對關系盡管發生了變化，但鏡質組仍然具有較強的吸附能力，是吸附態煤層氣賦存需要載體。

圖3 萍鄉礦區煤層含氣量與煤質參數之間關系

圖4 萍鄉礦區煤層含氣量與煤巖組分之間關系

1.7 煤層厚度對含氣量的影響

江西萍鄉礦區煤儲層厚度與其含氣性之間的相關性如圖5所示。可以看出，兩者之間具有明顯的正相關性。比如，青山煤礦煤層厚度分別為7.3 m、8.2 m、6.0 m、2.5 m和4.5 m，煤層含氣量分別為11.3 m3/t、12.5 m3/t、12.7 m3/t、13.6 m3/t和4.1 m3/t，煤層含氣量具有隨煤層厚度增大而增高的明顯趨勢，因此，說明萍鄉礦區煤層厚度是影響煤層含氣量的主要控制因素。

圖5 萍鄉礦區煤層厚度與含氣量之間關系

2 結論

(1)研究區構造條件和蓋層條件越好，則煤層含氣性越好；研究區煤層含氣性水文條件越好(煤層含水、通水條件)，含氣性越好；(2)研究區煤層含氣性與煤質關系及埋深關系呈比較離散的狀態；(3)研究區煤層含氣性與煤層厚度及煤階成正相關關系。