山西沉积环境对煤层气盖层叠置类型及分布的控制

赵国飞 ，康天合 ，郭俊庆 ，康官先 ，张 彬

（1.太原理工大学 原位改性采矿教育部重点实验室，山西 太原 030024；2.山西能源学院，山西 晋中 030600）

煤系气资源丰富、类型多样，受到众多学者的高度关注。秦勇对含气地层的叠置进行了定义，认为煤系气系统符合叠置特点[1]。申建对临兴区块划分了叠置含气系统，并探讨其含气系统间的兼容性，为本区煤系气合采提供指导[2]。傅雪海在划分多层叠置含气系统的基础上, 设计了各含气系统递进排采次序及排采压力控制方案[3]。沈玉林基于含煤地层的沉积学和层序地层学分析，探讨了鄂尔多斯盆地东缘上古生界煤系叠置含气系统形成的沉积控制因素，为该区煤层气开采提供地质依据[4]。郭晨对黔西比德-三塘盆地煤岩样品进行了测试实验，分析叠置煤层气系统的分布规律[5]。可见，学者们多在煤系独立含气系统间的叠置关系进行分析研究，忽略了独立含气系统内部岩层的组合叠置关系。煤层气是煤系气中最主要的独立含气系统。煤层气盖层对气体的封闭及各独立含气系统的划分起着至关重要的作用。同时，煤层气盖层层数众多、盖层薄且具有叠置性，不同区域会产生不同叠置类型。山西煤层气资源约为8.3×1012m3，约占全国总量的 1/3[6]，研究此区域的煤层气盖层叠置类型及分布特征对煤层气的赋存与开采均具有重要意义。鉴于此，统计山西125 座煤矿的273 个煤层气盖层地质资料，对山西煤层气盖层叠置类型进行划分，讨论山西各煤田的沉积形成过程，深入分析不同叠置类型在各大煤田的分布特征，为后续煤层气的勘探与开发提供地质依据。

1 地质背景

山西省域地处华北平原西侧，构造上位于华北板块南北挤压变形带之间的中部变形区，是吕梁-太行断块主体组成部分。自北而南有大同煤田、宁武煤田、西山煤田、沁水煤田、霍西煤田和河东煤田，含煤地层主要为石炭-二叠纪的太原组和山西组。山西省域的石炭-二叠纪含煤地层形成后主要经历了印支运动、燕山运动和喜马拉雅运动。燕山期是山西境内构造运动最活跃的时期，其构造形迹以广泛发育的逆冲推覆构造、褶皱和北东、北西向断裂系统为主。河东盆地为弱变形的缓倾斜构造类型，大同、沁水盆地为弱变形的宽缓向斜构造类型，其西翼的霍西构造区为伸展构造断陷-断块类型；宁武盆地为强变形的向斜类型。

随机统计山西125 座煤矿的273 个煤层气盖层地质资料。由于煤层气的强吸附性，在此考虑煤层上覆10 m 范围内顶板地质信息[7-8]。山西煤层气盖层统计位置图如图1，山西煤层气盖层信息见表1。

图1 山西煤层气盖层统计位置图Fig.1 Statistical location map of coalbed methane caprocks in Shanxi Province

表1 山西煤层气盖层信息Table 1 Coalbed methane caprocks information sheet in Shanxi Province

由图1 和表1 可知，125 座矿井基本均匀分布于山西省域内6 大煤田赋煤区。煤层顶板主要岩性为泥岩、砂岩、页岩、石灰岩、粉砂岩和煤岩。地质时代主要属于石炭-二叠系的太原和山西组，少部分属于侏罗系的大同和云岗组。山西组岩性主要以砂质泥岩、炭质泥岩、细砂岩、中砂岩和粉砂岩为主；太原组主要为砂质泥岩、石灰岩、中粒砂岩、细粒砂岩和煤岩。

2 盖层叠置类型

对煤层气盖层岩性及厚度数据进行分析，将山西煤层气盖层按岩层结构分为4 个叠置大类，按岩石致密程度分为11 个叠置亚类。山西煤层气盖层叠置类型见表2。

分析可知，第1 大类为复合型盖层，其特征为：在煤层之上有1 层或几层薄岩层（总厚度＜2.5 m），薄岩层上部赋存 1 层厚岩层（厚度＞3.5 m）；此类盖层占比24.8 %。第2 大类为厚层整体型盖层，其特征为：在煤层之上直接赋存1 层厚度较大（＞3.5 m）的整体性岩层；此类盖层占比52.8 %。第3 大类为近距离煤层盖层，特征为：煤层之上相近距离（＜5 m）上覆另1 层煤体；此类盖层占比16.8%。第4 大类为薄层状盖层，其特征为：由2 层或2 层以上的多层薄岩层（单层厚度＜2.5 m）组成；此类盖层占比5.6%。大类下属亚类是按不同致密程度岩石的不同组合进行分类，共11 亚类，分别为：致密-致密型、致密-疏松型、疏松-致密型等。山西煤层气盖层典型叠置亚类柱状图如图2。复合型盖层中疏松-致密型盖层（Ⅲ型）有 19 座矿井，最为常见（图2（a））；厚层整体型盖层中致密型盖层（Ⅴ型）有50 座矿井，最为常见（图2（b））；近距离煤层盖层中煤-致密型盖层（Ⅶ型）有 18 座矿井，最为常见（图2（c））；薄层状盖层中疏松-致密型盖层（Ⅹ型）有5 座矿井，最为常见（图2（d））。

表2 山西煤层气盖层叠置类型Table 2 The superimposing types of coalbed methane caprocks in Shanxi Province

3 不同叠置类型分布特征

将山西省域内 125 座矿井的盖层叠置类型分布区域进行分析，山西煤层气盖层叠置类型分布如图3。大同煤田统计16 座矿井，其中厚层整体型盖层7 座（占比44%），集中分布于大同煤田的东北部。宁武煤田统计8 座矿井，其中厚层整体型盖层4座（占比50%），主要分布于煤田的北部；复合型盖层4 座（占比50%），在煤田中部、北部均有分布。河东煤田统计18 座矿井，其中近距离煤层盖层7 座（占比39%），集中位于河东煤田中部地区；厚层整体型盖层8 座（占比44%），河东煤田北、中、南部均有分布。霍西煤田统计13 座矿井，其中近距离煤层盖层6 座（占比46%），集中位于霍西煤田东部地区。西山煤田统计12 座矿井，其中近距离煤层盖层6 座（占比50%），集中位于西山煤田东北部地区。沁水煤田统计58 座矿井，其中厚层整体型盖层38 座（占比65%），分布于沁水煤田东缘，集中于东南部。

图2 山西煤层气盖层典型叠置亚类柱状图Fig.2 Typical superimposed subclass columnar diagram of coalbed methane caprocks in Shanxi Province

图3 山西煤层气盖层叠置类型分布图Fig.3 The superimposing types distribution map of coalbed methane caprocks in Shanxi Province

4 不同叠置类型与沉积体系

1）大同煤田。大同煤田大同组属于中侏罗纪早期地层。由于潮湿气候曲流河泛滥平原上形成局部沼泽环境，导致此部分煤层极为发育。之后云岗组形成过程中，鄂尔多斯盆地的构造由西部挤压为主转化为东部挤压为主，从而引起大同地区东北部的区域抬升，使得地面坡降增大；同时气候条件变为半干旱-干旱，使原来适宜于曲流河和沼泽湿地发育的条件发生了根本变化，曲流河逐渐转变为辫状河，形成砂质辫状河沉积[9]。不同期次的河道被泛滥平原泥岩分隔开来，由于辫状河道沿河流向下的迁移摆动，垂向上砂体之间互相切割叠置[10]，所以大同煤田北部大同组煤层上方易形成厚层整体型盖层，而复合型盖层逐渐有南移趋势。河道冲刷作用，构型界面附近保存下来的泥岩沉积厚度较薄、规模较小，导致此区域大同组煤层顶板极少出现泥岩顶板，形成了以粒度较粗的砂岩为主的盖层。

2）宁武煤田。宁武煤田中部主采煤层位于石炭系太原组上段，属于三角洲平原水下沉积体系[11]。其上为山西组底部，山西组底部为砾质沉积的滞留相，向上为边滩，天然堤环境的粗中细粒砂岩，再向上为泛滥盆地沉积，顶部为煤层，为典型的分流河道沉积序列[12]。其主要物源为北侧古陆，植物生长茂盛，泥炭堆积厚度大，形成本区主要可采煤层，同时也形成宁武煤田北部厚层整体型盖层。分流河道自北向南，在煤田中部及南部区域水动力条件以及河道下切、侧向冲刷切割作用强，导致中南部区域煤层多被河道冲刷缺失或分叉减薄，同时煤层上方也多形成了复合类型盖层顶板。

3）河东煤田。河东煤田中部主采煤层位于山西组下部，属三角洲沉积体系[13]。山西组下部沉积时，森林和沼泽广泛发育，造就泥炭层开始形成。但在沉积过程中，因河流改道而被粗碎屑沉积替代或者泥炭暴露发生氧化分解甚至遭受剥蚀，而成煤作用被中断，之后又开始形成稳定成煤环境[14]，造就此处近距离煤层盖层类型。

4）霍西煤田。霍西煤田东部主采煤层位于山西组的中上部，属于三角洲平原沉积体系[15]。在三角洲平原的分流河道两侧如果条件不利（如气候较干燥或地下水位较低等），则不具备沼泽化条件。但如果在比较潮湿的废弃分流河道内形成分流河道改道则可具备短暂的沼泽化条件，不过泥炭沼泽不久将被后来的碎屑沉积所覆盖，因此煤层顶板常为碎屑岩，同时形成的煤层常薄而不稳定，较易形成近距离煤层盖层类型[16]。

5）西山煤田。西山煤田东部主采煤层位于太原组下部。随着地块的逆时针旋转，海侵方向变为由东倾入，共发育庙沟、毛儿沟、斜道、东大窑四期海侵。西山区域海平面升降随之发生规律性变化，发育碳酸盐台地、壁砂坝-泻湖-潮坪和三角洲沉积，海相沉积物与陆相沉积物整体呈西-东相展布[17]。受此影响煤田的东部8#煤层分叉为8#上煤和8#下煤，夹矸1～4 层，夹矸岩性为泥岩或炭质泥岩，厚度变化于 1.0～5.63 m 之间[18]。东部形成了近距离煤层盖层的类型，而厚层整体型盖层有西移的趋势。

6）沁水煤田。沁水盆地太原组和山西组砂岩/泥岩比值等值线图如图4[19]。研究表明[20]：沁水煤田北部太原组为砂岩富集区（图4（a））。富砂岩带主要位于沁县北部，包括寿阳、阳泉、西阳等地区。该区的砂泥岩比值普遍高于0.4，寿阳地区的砂泥岩比值最大可达1.0。从图4（b）可以看出，山西组砂泥岩比值在 0～2.2 之间，平均 0.6。东南部长子-高平地区最低。以上砂泥岩比值说明，沁水盆地太原组北部寿阳-阳泉地区为低三角洲平原环境；沁水盆地山西组东南部以三角洲前缘环境为主[20-21]。沁水煤田北部主采煤层以太原组15#煤层为主，东缘主采煤层则以山西组3#煤层为主。因此，沁水煤田北部研究区域形成了以砂岩、泥岩交互的复合型盖层，东南缘研究区域形成了以泥岩为主的厚层整体型盖层。

图4 沁水盆地太原组和山西组砂岩/泥岩比值等值线图[19]Fig.4 Contour maps of the sandstone/mudstone ratio of the Taiyuan and Shanxi Formation in the Qinshui Basin[19]

5 结 论

1）将山西煤层气盖层按岩层结构分为4 个叠置大类，分别为复合型盖层、厚层整体型盖层、近距离煤层盖层和薄层状盖层；按岩石致密程度分为11 个叠置亚类，分别为致密-致密型复合盖层、致密-疏松型复合盖层、疏松-致密型复合盖层、疏松-疏松型复合盖层、致密型厚层整体盖层、疏松型厚层整体盖层、煤-致密型近距离煤层盖层、煤-疏松型近距离煤层盖层、致密-致密型薄层状盖层、疏松-致密型薄层状盖层、疏松-疏松型薄层状盖层。

2）分析了盖层组合类型的分布特征。复合型盖层主要分布于大同煤田的西南部、宁武煤田中北部和沁水煤田东北部；厚层整体型盖层广泛分布于大同煤田东北部、宁武煤田北部、沁水煤田东缘；近距离煤层盖层主要分布于河东煤田中部、霍西煤田东部和西山煤田东北部；薄层状盖层仅在沁水煤田东缘部分出现。

3）大同煤田云岗组砂质辫状河沉积是形成东北部厚层整体型盖层的基础；宁武煤田的分流河道沉积序列，由北向南强烈的冲刷，形成了中北部的复合类型盖层；河东煤田和霍西煤田的山西组属于三角洲沉积体系，沉积过程中成煤作用部分中断，使河东煤田中部和霍西煤田东部形成了近距离煤层盖层；西山煤田的东部海侵作用，使8#煤层形成夹矸，造成东北部的近距离煤层盖层；沁水煤田山西组东南部的三角洲前缘环境形成了以泥岩为主的厚层整体型盖层。