天津西南部靜海研究區煤層地質特征及煤層氣評述

摘要：研究區位于于華北斷坳之中的滄縣斷隆中部的大城凸起內，區內含煤地層為石炭系中統本溪組、上統太原組、二疊系下統山西組，煤系地層總厚度為284.90m，含煤18層，煤層總厚32.85m，含煤系數11.53%。在收集區內及周邊大城勘查區鉆孔及地質資料的基礎上，對區內含煤地層地質特征、煤質特征及煤層氣含量分布特征進行了評述。

關鍵詞：天津西南部；靜海；含煤地層；煤質特征；煤層氣

1.位置概況

研究區位于天津市靜海區，隸屬王口鎮、子牙鎮，與河北省大城縣相鄰。東距天津市區40km、靜海區政府15km；西距河北省大城縣城30km。西部邊界進莊—東高莊—流莊，南部邊界到當灘頭，東至東禪房—西柳木，北至小瓦頭；呈南北向的階梯狀，東西寬約9.0km，南北長約14.0km，面積約105.8km2。

2.區域地質背景

天津地區煤系地層大部分被新生界所覆蓋，新生界地層在寶坻斷裂以北較薄，一般100m～300m，以南較厚，一般大于1000m。基巖地層只在薊縣北部山區出露。除缺失古生界上奧陶統—下石炭統和新生界古近系古新統外，其余地層均有發育，從老至新分別為：太古界（Ar）；中、新元古界（Pt2+3）的長城系、薊縣系和青白口系；古生界（Pz）的寒武系、奧陶系和石炭—二疊系；中生界（Mz）的侏羅系、白堊系；新生界（Kz）的古近系、新近系和第四系。

天津地處以寧河—寶坻斷裂為界分為北區和南區。北區為基巖出露及淺埋區，屬于薊寶隆褶。斷裂以東西（EW）向為主。南區為廣闊平原，屬于華北斷坳區的東北部，自西向東劃分為冀中坳陷、滄縣隆起和黃驊坳陷。其間分別以古近系尖滅線和滄東斷裂為界。區內斷層主要有北北東（NNE）向的滄東斷裂、天津斷裂、白塘口西斷裂、白塘口斷裂、白塘口東斷裂，北西（EW）向的海河斷裂、漢沽斷裂和寧河斷裂等。

3.研究區地質特征

研究區為第四系覆蓋，區內基巖未出露。

3.1構造

研究區在區域構造上處于華北斷坳（Ⅱ）之中的滄縣斷隆（Ⅲ）中部的大城凸起（Ⅳ）。周邊發育有靜海—大城斷裂、北蘆莊—西九吉斷裂和里坦向斜、臥佛堂向斜等（圖1）。

臥佛堂向斜：位于靜海—大城斷裂及北蘆莊—西九吉正斷層之間，向斜長度大于80km，寬約35km，向斜軸沿西告至阜安一線延伸、為北東向，向北東方向傾伏，軸面傾向南東；兩翼地層平緩，傾角一般小于10°，東南翼較西北翼陡。

向斜由古生代及中生代地層組成，中生代地層主要分布于向斜中、北部的軸部。向斜南部兩翼、轉折端及軸部發育三組正斷層，以北西—北北西走向斷層為主，北東走向的斷層次之。該向斜被新生界覆蓋，其厚度從東北至西南由800m到2000m。臥佛堂向斜為石炭—二疊系煤層連續分布的地區。

里坦向斜：位于靜海—大城斷裂東部，向斜長大于80km，寬約40km，向斜軸為北東向，向北東方向傾伏，軸面傾向北西，兩翼地層傾角一般小于10°，西北翼較東南翼陡。該向斜由古生代及中生代地層組成，中生代地層主要分布于向斜中北部軸部，從西北至東南新生界厚度增大。

靜海—大城斷裂：位于里坦向斜西翼，北起靜海徐莊子，向南經靜海鎮東河頭村、三呼莊東、往南進入河北省，走向近由北部的北東東（NEE）向往南轉為北北東向（NNE），傾向南南東（SE）—南東東（SEE），傾角約70°，基巖斷距約500m，為西北盤相對上升的正斷層，該斷裂西北石炭—二疊系比東南側薄，西約500m左右，東側約700m左右。

北蘆莊—西九吉正斷層：位于臥佛堂向斜西北翼，長約60km，南、北部被一組北西西走向的邵洪店—高官斷層和安新—鄚州所截；斷層走向北東，傾向南東，傾角70°；該斷層被古近系覆蓋，下盤基巖為下古生界及中—上元古界，上盤基巖為古生界及中生界，落差大于200m。

3.2含煤地層

本區為石炭—二疊系含煤區。煤系地層為石炭系中統本溪組、上統太原組、二疊系下統山西組；上覆地層為二疊系下統下石盒子組、上統上石盒子組及新生界新近系、第四系；基底為奧陶系中統峰峰組。揭露地層與區域地層相比，缺少新生界古近系（E）和中生界（MZ）地層（表1）。煤系地層總厚度為284.90m，含煤18層，煤層總厚32.85m，含煤系數11.53%。

本溪組（C2b）：早古生代末遭受剝蝕，至中石炭世晚期，開始接受沉積，沉積環境以濱岸陸棚沉積為主，形成一定厚度的海相石灰巖及海相泥巖，泥炭沼澤存在時期短且局限。由于沉積早期地殼升降頻繁，導致海水進退變化“較快”，故煤層的聚煤不穩定，所形成厚度薄而且不連續，本組含煤4層。

太原組（C3t）：上石炭世時地殼間歇性升降，海進與海退相互交替，沉積環境以潮坪—瀉湖沉積為主，而煤層形成于瀉湖沉積環境占主導的瀉湖泥炭沼澤中。由于此時期多次形成瀉湖泥炭沼澤，故而聚煤層數較多，煤層厚度變化大，為本區的主要含煤層段。本組含煤7層，其中10號煤為主要可采煤層。

山西組（P1S）：從早二疊世起，海岸線開始向東南方向逐漸退移，沉積環境由潮坪—瀉湖沉積體系轉變為三角洲沉積體系。早二疊世早期在三角洲沉積體系中形成的泥炭沼澤較穩定，所形成的5煤全區連續發育，但煤層厚度及結構變化較大。后期沉積環境向河流沉積體系過渡，分流河道多，并帶來了大量的無機碎屑物，加之地殼緩慢、振蕩抬升，聚煤環境變差，形成了斷續分布的3、2、1煤等煤層。本組含煤7層，其中5上、5煤為主要可采煤層。

3.3可采煤層特征

研究區內鉆孔揭露可采煤層9層，即1、3、5上、5、6、7、8、9、10煤，總厚度為29.37m。各可采煤層厚度、間距、結構及穩定性見表2。

3.4煤質特征

3.4.1物理性質及煤巖特征

研究區各可采、局部可采煤層顏色以黑色為主，條痕為褐黑色，玻璃或瀝青光澤，條帶狀、粒狀、均一狀結構，粉狀、細小碎塊狀或塊狀構造，污手。內生裂隙發育，脆度較大，松散易碎，棱角狀、貝殼狀斷口，含黃鐵礦散晶、結核或薄膜。宏觀煤巖類型以亮煤為主，鏡煤和暗煤次之，夾絲炭條帶或薄層，宏觀煤巖類型以半亮型煤為主、光亮型煤及半暗型煤次之。其顯微煤巖組分主要為有機組分，含少量無機組分。煤層中的鏡質組分以基質鏡質體為主，均質鏡質體次之，含少量結構鏡質體及膠質鏡質體。惰質組以碎屑惰質體為主，絲質體次之，含少量粗粒體、粗粒體及微粒體。殼質組分以小孢子體為主，角質體次之，含少量樹脂體。無機組分中以黏土類為主，次為硫化鐵類、碳酸鹽類和氧化硅類。黏土類礦物多為分散狀黏土礦物，細胞充填狀黏土次之；硫化鐵類以分散粒狀為主，大小不一，分布不均，含少量裂隙充填狀及細胞充填狀黃鐵礦；碳酸鹽類為方解石以裂隙充填狀為主，細胞充填狀次之；氧化硅類為石英呈粒狀，大小不一，分布不均。

3.4.2化學性質

水分（Mad）：研究區各可采、局部可采煤層原煤空氣干燥基水分值總體上在0.53%～1.22%之間，浮煤空氣干燥基水分值在0.51%～0.98%之間，個別采樣點浮煤水分與原煤相當。各煤層水分含量較低，從1煤到10煤，水分總體上呈現逐漸降低的趨勢。其變化趨勢符合區域變質作用隨著埋深加深，煤的變質程度增高而水分含量降低的特點。

灰分（Ad）：各可采煤層灰分以低中灰煤為主，個別煤層為特低灰煤。經1.4比重液洗選后的精煤灰分多數小于10%，表明本區煤層灰分易選除。

揮發分（Vdaf）：原煤：24.19%～34.55%，浮煤23.24%～31.14%，確定本區煤層屬于中高揮發分煤，各煤層揮發分產率變化不大。

各可采煤層中有機質元素組成以碳為主，其次是氧加硫，氮含量最少。碳含量經浮選后明顯增高，在垂向上變化不明顯。氫含量在原、浮煤之間的變化不大。氧加硫含量經浮選后有所降低。

全硫（St.d）：各可采煤層原煤全硫變化較大，其中1煤最低，為0.32%，為特低硫煤，8煤最高，為4.40%，為高硫煤，全區易采的3煤、5煤、7煤為低硫煤。

各種硫：各可采煤層原煤干燥基各種硫中以有機硫（Sp，d）為主，硫鐵礦硫（So，d）次之，硫酸鹽硫（Ss，d）則極少。以有機硫為主，即以黃鐵礦（FeS2）形式存在。

發熱量：各煤層發熱量（Qgr.d）指數較高，為28.30MJ/ Kg—34.32MJ/Kg，屬于高—特高發熱量煤。

粘結性：本區可采煤層均為強粘結煤。

灰成分及灰熔融性：可采煤層的灰成分主要由酸性礦物組成。其中以SiO2和Al2O3為主，兩者總和在54.12～90.01%之間。1、5、10煤原煤軟化溫度>1500℃，為高軟化溫度灰；3、6、9煤原煤軟化溫度分別為1360℃、1480℃、1400℃，為較高軟化溫度灰；5上煤原煤軟化溫度為1310℃，為中等軟化溫度灰；7、8煤原煤軟化溫度分別為1250℃、1150℃，為較低軟化溫度灰。

4.煤層氣評述

研究區沒有設專門的煤層氣參數井，在鉆孔施工時采用集氣式簡易瓦斯罐做了瓦斯樣采集，并送實驗室分析化驗，煤樣瓦斯成分以CH4為主，其次為N2、CO2。其中CH4最高含量為11.24m3/t。各煤層瓦斯含量無明顯變化規律，按其成分及含量可分為沼氣帶、氮氣—沼氣帶，通過瓦斯測量計算，并結合研究區儲量，采用體積法對區內煤層氣（甲烷）進行評價，從一定程度上反映了瓦斯豐度及煤層氣地質儲量。

區內全區可采的5上煤層的煤層氣（甲烷）儲量豐度平均值為0.31m3/km2×108m3/km2，含量較高的區域位于研究區中部，5煤層的煤層氣（甲烷）儲量豐度平均值0.74m3/km2×108m3/km2，含量較高的區域位于研究區中部及南西部；10煤層的煤層氣（甲烷）儲量豐度平均值為1.10m3/km2×108m3/km2，豐度較高的區域位于研究區的中部；三層可采煤層的煤層氣豐度在區域分布上相差懸殊，這與瓦斯分布的不均衡性一致。煤層氣（甲烷）儲量豐度平均值見表3。

可采煤層的煤層氣地質儲量為222.38m3×108m3，從儲量規模來講，屬中型煤層氣田；地質儲量豐度平均值為0.72m3/km2×108m3/km2，按儲量豐度分類，屬低豐度氣田；煤層埋深1261m～1425m。綜合評價研究區為埋深深等、低豐度值的中型煤層氣田。煤層氣開發前景較好。

5.結論

研究區內可采煤層層位穩定，厚度變化不大，結構簡單，產狀平緩，埋深1261m～1425m之間，地質構造簡單。

5上煤層屬穩定可采煤層，平均厚度為2.75m，結構簡單，可采系數為1，為特低灰、中高揮發份，中硫，特高發熱量肥煤；5煤層屬穩定可采煤層，平均厚度為6.50m，結構簡單，可采系數為1，為低中灰、中高揮發份，特低硫，中高發熱量肥煤；10煤層屬穩定可采煤層，平均厚度為8.80m，結構簡單，局部含數層夾矸，可采系數為1，為低中灰、中高揮發份，低硫，高發熱量肥煤；區內可采煤層主要可作動力用煤。研究區為埋深深等、低豐度值的中型煤層氣田，煤層氣開發前景較好。

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