阳泉矿区主要煤层含气性特征及控气地质因素研究

付英娟 吴财芳

(1．中国矿业大学资源与地球科学学院，江苏 221116;2．中国矿业大学煤层气资源与成藏过程教育部重点实验室，江苏 221008)

1 矿区概况

阳泉矿区位于山西省沁水煤田的东北部，太行山背斜的西翼。全区基本上呈单斜构造，走向北北东，向西南方向倾斜。矿区主要的含煤地层为石炭系太原组及二叠系山西组，煤系地层厚度180m，煤层厚度13～15m，上覆地层厚度108～467.8m，倾角一般为5°～10°。矿区共含煤16层，其中主采3#、12#、15#三个煤层;6#、8#、9#煤层为局部可采，煤质均为变质程度较高的无烟煤。

上主采煤层 (3#煤层):位于山西组中上部，K8砂岩下20～30m左右，全区煤层厚度 0～4.75m，煤层不稳定，寿阳矿区西部和阳泉三矿扩区煤层较厚，其它地区煤层变薄，甚至尖灭。结构简单，有时含一层夹矸，顶底板为泥岩、砂质泥岩、粉砂岩，局部为炭质泥岩和细砂岩。下主采煤层 (15#煤层):位于太原组下部，K2下为其直接顶板，煤厚2.00～11.06m，全区稳定可采，煤层顶板为石灰岩，底板为泥岩、砂质泥岩、粉砂岩，局部为炭质泥岩和细砂岩。

主采煤层镜质组最大反射率介于1.78%～3.41%。煤中挥发分产率介于7.96% ～13.64%，在区域上均呈现东南部低，西北部高的总体变化趋势;在层域上上不同煤层表现为由上往下逐渐下降。灰分以8#煤层最高，为21.28% ～43.80%，平均33.12%，属富-高灰分煤;15#煤层最低，为5.27%～23.79%，平均为13.37%，属低灰煤。硫分则以12#煤最高，为0.61% ～9.03%，平均2.72%;15#煤次之，为 1.66% ～3.5%，平均2.33%，2#、3#煤层最低，为0.24% ～1.24%，平均为0.39%。

图1 阳泉矿区3#煤含气量等值线图

2 主采煤层含气性特征

2.1 含气量分布特征

阳泉矿区含气量展布具有两大特点:(1)平面上具有分区性及分片性。总体南部含量高而北部含量低，局部地区如:向斜轴部、两组构造复合部位、小构造发育处以及河流冲蚀强烈地段煤层含气量增高。3#煤层、15#煤层含气量总的分布趋势基本类似 (图1、2)，由东向西、由北向南逐渐增大，变化范围2～16m3/t。但是3#煤层含气量明显高于15#煤层。其含气量高值区位于矿区的西南部，最高值达到16m3/t。15#煤层含气量高值区同样位于矿区的西南部，但其最高值只有10m3/t。两层主采煤层的含气量低值区皆位于研究区东部边缘，最低值不超过2m3/t。究其原因东部地区为煤层埋藏浅，部分地区是煤层露头区，造成煤层气逸散，煤层含气量降低。(2)垂向上具有分段性，即不同层位煤层含气量变化较大，而且规律性不明显。如中部的12#煤，含气量高于上下煤层等。其主要原因可能与12#煤层顶底板围岩的封盖性能密切相关。

2.2 气体组分特征

煤田地质勘探所取煤层气样测试分析表明:3#、8#、12#煤层CH4成分平均值略超过80%，3#煤层最大，平均达到87.72%，6#、15#煤层 CH4成分平均值低于70%;矿井工作面所取煤层气样测试分析表明，煤层气成分中CH4介于86.75%～97.15%，平均为92.74%，CH4含量越高对煤层气选区及开发越有利;CO2含量介于2.34% ～3.67%，平均为2.78%。

图2 阳泉矿山15#煤含气量等值线图

3 含气性影响因素分析

3.1 煤化作用程度

据煤化程度主要指标Ro，max在1.78% ～3.41%之间和Vdaf在7.96% ～13.64%之间来看，矿区煤层属于变质程度稍低的无烟煤，煤层气原始生成量大。同时，煤层的孔隙相对较发育，比表面积较大，所以吸附能力强，3#煤层最大吸附量达25～35cm3/g。矿区西南部较东北部煤化程度高，因此西南部煤层含气量高于东北部。

3.2 地质构造

由于东部太行、北部五台的隆起，该区形成了东北高西南低，沿北西走向倾向南西的规模较大的单斜构造 (图3)。在此基础上发育了次一级的构造，主要为北北东-北东向的短轴背、向斜相间排列，由于受后期次级构造作用影响，其轴线多呈弧形、S型或帚状，平面上有时为盆、穹、鞍状，垂向上表现为上部开阔而下部较紧闭的不协调性。这些构造形态及组合，构成了区内构造主体，控制了煤层的分布和煤层气的赋存。区内构造的另一特点为南北差异性强，其南部主要为上述北北东-北东向构造，较简单，北部则受到了山西地台阳曲-孟县东西褶断带延伸部分的影响，发育了一组近东西向的褶皱构造，轴线多呈弧形或S形，与上述北北东-北东向构造穹隆与盆状褶曲交替出现。不同期次、不同体系的两组构造相互干扰，复合、叠加、归并，使得北部构造表现复杂化，这种情况影响了煤层气的赋存，致使全区主采煤层含气量表现出南高北低的总体趋势。

图3 阳泉矿区构造约要图

3.3 煤层顶板封盖性

该区煤系地层的盖层是二叠系下石盒子组，主要是一套以河流相砂岩，湖泊相泥岩，河漫滩相砂质泥岩为主的陆相碎屑岩系，内夹1～3层煤线;上石盒子组以陆相砂岩、砂砾岩、砂质泥岩和泥岩组成，有时夹一层透镜状锰铁矿层;石干峰组以紫色泥岩、砂质泥岩、砂岩组成，主要发育在西部，东南部由于剥蚀而缺失。这套盖层平均累厚576m(距山西组顶部)，总的来看，西部较厚，平均达450～500m，而东部较薄。盖层中不透气层泥岩占65%，岩层除了在近地表处发育一些风化裂隙外，一般裂隙不发育，整套盖层对下伏煤系提供了良好的封闭条件，从而形成西南部的含气量高值区。

图4 3#煤层含气量与煤层厚度的关系

图5 15#煤层含气量与煤层厚度的关系

3.4 煤厚

通过对比分析3#和15#煤层的煤厚和含气量，可以看出煤厚对含气量具有一定的控制作用 (图4、5)。二者皆表现为随着煤厚的增加，煤层含气量增加，但15#煤层厚度对含气量具有更强的控制作用。

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