煤层气“零点”理论及福建煤层低瓦斯原因研究

林宣明， 谭克龙

(1.福建省能源集团安全技术培训中心，福州 350003； 2.中国煤炭地质总局，北京 100039)

0 引言

福建地处中国东南丘陵地区，赋存晚古生代二叠世海陆交互相含煤地层和中生代晚三叠世陆相含煤地层，煤层普遍为高变质无烟煤(除漳平市晚三叠世煤为高变质烟煤或低变质无烟煤外)。福建煤矿最大的特点是煤层瓦斯含量低，煤矿相对瓦斯含量通常达不到5m3/t，正常通风情况下，井下空气中甲烷含量通常低于0.1%，甚至无法检出。这种与中国其它地区及国外高变质煤层瓦斯含量较高形成了极大的反差。相比之下，福建煤层变质程度也高于中国其它同期形成的煤层，甚至超过了其它地区更早时期形成的煤层。福建煤矿的上述瓦斯含量特点，无论是百多年前煤矿开发初期还是今天，基本上没有变化。也就是说，尚未发现福建煤矿的煤层瓦斯含量呈现梯度规律。这给许多研究煤矿瓦斯或煤层气的专业人员造成了困惑和不解。越来越多的专家学者投入到福建高变质煤层低瓦斯含量原因的探讨中，但并没有获得令人信服的答案。笔者早在1984年即开展了相关研究工作，并发表了“煤层瓦斯赋存的零点模式”相关论文[1-2]。当今，福建各个煤矿已从浅部开采普遍拓展到了深部开采，达到了地下数百米甚至千余米深度，煤矿瓦斯的情况没有明显的变化，佐证了笔者1985年建立的“煤层瓦斯零点模式”的正确性。

1 煤层气“零点”模式的基本思路

1.1 “零点”模式所依据的三个基本事实

1)煤层瓦斯是煤层沉积下来之后，由煤层中有机成分化学反应的产物。因此，煤层瓦斯的生产过程与煤层的变质过程不可分离。

2)煤层的瓦斯含量是历经其地质年代不断向外逃逸后的残留。因此，煤层中瓦斯含量，不仅是煤层有机分子化学反应生成瓦斯量的结果，同时也是逃逸后残留的结果。

3)无论是煤层沉积下来后的变质作用还是煤层瓦斯的逃逸过程，都受到地质构造运动的控制。因而，煤层瓦斯的生成和逃逸便有了一个共同的关联因素，通过地质构造运动，煤层瓦斯的生成与逃逸可以找到两者之间的共时关系。

1.2 煤层气的生成与煤变质的关系

煤的泥炭化和煤化过程始终伴随着煤层气的生成，是业界的共识，也是可以直接观察到的客观现象。

从植物到泥炭再到煤，最后变成石墨，是植物有机大分子到小分子最后到无机单质的一个大跨度的变化。植物的分子是由C、H、O为主的十分复杂的有机大分子构成[3]。其中，C元素构成植物分子中的链状或环状结构的“骨架”，而H元素主要是依附在骨架上构成骨架的“肌肉”，O元素则与部分C、H元素构成了骨架外围的某些特殊结构，称为“含氧基团”[4-5]。通常，由C元素构成的“骨架”其化学稳定性较强，而“含氧基团”相对活泼，容易与外界发生能量和元素交换。植物从活体到遗体堆积之后，即开始所谓泥炭化过程，然后就是煤化过程，都是从有机大分子向小分子分解的过程。在此过程中，分子链断裂、环状分子破裂，“含氧基团”分解，生成更小的有机分子、水和煤层气。对比植物、煤和煤层气三者的元素组成，可发现H元素在其中的比例相差极大，在煤层气中H元素的含量远高于植物分子，更高于煤层[6-7]，说明原植物分子中H元素主要与部分C元素转化了煤层气。即H元素的数量决定了植物或煤生成煤层气的能力。

因此，从植物到煤再到石墨，随着H元素含量的减少，生成煤层气的能力总体上是逐渐下降的。到了高变质无烟煤阶段，H元素含量为极微程度，煤层气的生成能力几近为零[8-9]。

上文所说的煤层气的生成能力，可以定义为单位时间单位质量煤或泥炭的煤层气生成量。为了简化分析过程，只考虑时间参数，不考虑质量参数，那么，生成能力就可以用生成速度来表示，即单位时间内煤层气的产量。

上文从物质来源上来分析了煤层气的生成速度，但是仅仅从物质来源来考虑是不够的，生成速度不仅与参与化学反应的质量相关，还与化学反应的能量条件相关。根据煤、植物、泥炭和煤层气的热值，可知植物变成泥炭前期热值在减少，是一个放热反应；但是从泥炭后期至最后变成高变质煤，热值是不断增加的[10-11]。说明植物变成泥炭是放热过程，而泥炭变成煤是一个吸能的过程。这与分子的变化情况完全吻合，从植物变成泥炭，由高度结构化的活体有机大分子变成无序化有机小分子，系统的熵值增加，必然是能量的逸出；而从泥炭到高变质无烟煤，又从无序化有机分子变成了相对有序的有机分子，系统的熵值减小，必然是吸能过程。因此，植物变成高变质无烟煤，尤其是煤化作用阶段，外部能量的供给至关重要。即煤层气的生成速度还受到外部能量供给的制约。

从煤炭形成的环境条件来看，热量和机械能是煤层气生成必需的两大主要能量来源。深埋于地下的泥炭或煤层能够得到的外部能量，无非是地下热能(地热或岩浆热)，此外就是地压弹性能量对煤层的强力压实，部分弹性能量转化为分子内能[12]。

无论是泥炭化过程还是煤化过程，都属于不可逆化学反应。因此，如果需要反应继续，温度和压力需要不断增加，否则反应就将中止。讨论两种类型的煤变质过程，第一种是区域变质，第二种是岩浆热变质。

第一种类型，煤的变质是地壳下降沉降所致，能量源是正常地热和地压。在地壳下降过程中，由于地温和地压不断升高，煤化过程得以持续。但是，一旦地壳下沉停止，地温和地压不再增加，煤层分子的有序化就不能进入到更高的层次，煤的变质过程就会中止，煤层气的生成也随之停止。因此，当地壳从降转为升，煤层气的生成速度就变成零了(图1)。

图1 区域变质煤层气生成速度曲线Figure 1 The generation velocity curve of regional metamorphic coalbed methane

第二种类型，煤的变质是由煤田下伏或周围的岩浆侵入热源导致，这种热源提供的能量巨大、迅猛，煤层迅速变质，煤层气的生成速度巨大但时间短暂。同样，当岩浆活动减弱或停止之后，煤的变质也将中止，煤层气的生成速度也将随之迅速降为零(图2)。

图2 岩浆热变质的煤层气生成速度曲线Figure 2 The curve of coalbed methane generation rate of magmatic thermal metamorphism

1.3 煤层气逸散与煤层气生成、地质构造的关系

煤层气的逸散，是指煤层气从煤层中向外逃逸。与煤层气的生成速度相对应，定义煤层气的逸散速度为单位时间单位煤层质量的气体散失质量。

煤层气的逸散取决于两个因素，第一是煤层气的饱和度(即煤层中气体的含量)，第二是煤层的开放程度。两者都呈正比关系。根据前者，煤层气的逸散速度在一开始，总是小于生成速度的，因为不可能无中生有；但是，当煤层气中的气体含量长时间积累后，有了相当的存量，这时逸散速度就不必受生成速度的控制，在开放条件具备时则有可能超过生成速度。根据后者，即煤层的开放性，即取决于煤层的圈闭程度，包括煤层埋藏的深度、煤层上覆及下伏岩层的透气性、煤田的断裂构造发育程度等。粗碎屑岩围岩、埋藏浅、断裂构造发育，其开放性就强，有利于煤层气的逃逸，反之则反之。

同样讨论两种煤变质类型的开放性问题。

第一种，即区域变质煤田。泥炭化过程虽然开放性极强，但泥炭中气体的量积累并不多，气体的逸散速度受到生成速度的限制，总是小于生成速度。随着地壳下降，开放性持续下降，煤层气的逸散速度也持续下降。当地壳下降到最底部，地壳开始回升时，开放性开始增强，逸散速度反转上升。事实上，地壳的上升往往伴随着剧烈的构造活动，褶曲和断裂同时开始出现，煤层从封闭迅速转为开放。因此，地壳开始上升后，煤层的开放性增加速度往往比地壳下降时它的下降速度来得更快(曲线更加陡峭)(图3)。

第二种，即岩浆热变质的煤田。地壳的岩浆活动总是伴随着剧烈的构造活动。一旦岩浆侵入或喷发，断裂也同时出现。这意味着，在岩浆活动时期，煤层变质加速，煤层气生成速度出现高峰，煤层的开放性也发生突变，从相对封闭变成高度开放，煤层气的逃逸速度也急剧上升。一旦岩浆活动趋于平静，当温度开始下降时，煤层变质过程中止，煤层气的生成速度即降至零，但此时煤层的开放性仍然保持不变，煤层气的逸散速度依然保持在高位(图4)。

1.4 煤层气“零点”模式

综上，煤层的变质、煤层气的生成、煤层气的逃逸，三者之间具备共时相关性，即它们都受到地质构造活动的控制，具有共时性。如果将生成速度曲线与逃逸速度曲线叠合在一起，就构成了煤层气含量动态图(图3、图4)，从动态图上，可以了解地质历史时期中不同时点煤层气的含量状况。

图3 区域变质煤层气“零点”图Figure 3 “Zero-Point” map of reginal metamorphic coalbed methane

图4 岩浆热变质煤层气“零点”图Figure 4 “Zero-Point” map of magma thermal metamorphic coalbed methane

当生成速度曲线与逸散速度曲线相交时，生成速度与逸散速度相等，两者的差值为零，这个时点即煤层气的“零点”。它是一个质变点，“零点”之前，煤层中的气体不断增加，“零点”以后，不断减少。所以，寻找煤层气的“零点”是分析煤矿煤层气基本状况的关键。“零点”离现在越早，即意味着煤层气含量越小。

由此，本人将上述关于煤层气含量的研究定义为“煤层气零点模式”或“煤层气零点理论”。

2 用煤层气“零点”模式分析福建煤矿低瓦斯的原因

2.1 福建下二叠统童子岩组煤层的煤层气“零点”

2.1.1 地质构造史及煤变质历史

根据构造运动、岩浆活动和煤层变质的共时性关系，可以清晰地寻找到地质构造运动、岩浆活动与煤变质及煤层气生成与逃逸之间的内在逻辑和历史轨迹(表1)[13]。

表1 福建下二叠统童子岩组煤变质及煤层气历史

2.1.2 煤层气的“零点”

福建下二叠统童子岩组煤层气生成期距今121Ma，逸散期距今256Ma，“零点”距今135Ma；含量净增期距今121Ma，净减少距今135Ma，损益比达2.12(损益比为气体逸散期与生成期的比值)(图5)。

图5 福建下二叠统童子岩组煤层气“零点”图Figure 5 “Zero-Point”map of coalbed methane in the lower Permian Tongziyan Formation in Fujian

2.2 福建上三叠统煤层气“零点”

福建上三叠统煤层气生成期距今91Ma，逸散期距今226Ma，“零点”距今135Ma；含量净增期距今91Ma，净减少期为距今135Ma，损益比接近2.5(表2、图6)。

表2 福建上三叠统煤层变质及煤层气历史

图6 福建上三叠统焦坑组煤层气“零点”图Figure 6 “Zero-Point” map of coal-bed methane of the upper Triassic Jiaokeng Formation in Fujian

3 结论

煤层气“零点”理论，发现了煤层气生成与逸散两者之间共同关联的地质构造和岩浆活动因素，通过建立它们之间共时关系，找到了煤层气生成速度线与逃逸速度线的交叉点，即“零点”。确定“零点”是判断煤层气含量或煤矿瓦斯高低的关键。与其它各种解释最大的不同在于煤层气“零点”理论是从煤层气的生成与逸散两个方面综合考虑煤层气的赋存原因的。

对于具备一定研究程度的地质勘查报告的煤田或煤矿，如果基本明确了其煤层沉积年代、地质构造历史、煤质、岩浆岩活动历史等，就可以依据“零点”理论，构筑出该煤田或煤矿的煤层气“零点”图，从而对煤层的煤层气含量高低、煤矿瓦斯的高低做出判断。

福建省煤层虽然变质程度极高，但煤层变质主要源于燕山期岩浆活动，“零点”出现的时间较早，煤层气生成时间短、逃逸时间长，或者说煤层气净增期短、净减期长，损益比高，导致煤层气含量低、煤矿低瓦斯。