盘关向斜火烧铺井田重烃含量异常的控制因素

王海军，刘善德，马 良，舒建生，王相业，朱玉英

(中煤科工西安研究院(集团)有限公司，陕西 西安 710077)

素有“江南煤海”之称的盘县煤田作为我国重要的大型煤炭工业基地之一，其中的盘江矿区属于典型的煤与瓦斯突出矿区，而火烧铺煤矿作为矿区内典型的煤与瓦斯突出矿井。同时也是近年来我国煤层气勘探、开发发展较快的地区。井田经历了多次的地质勘查、资源潜力评价、煤层气井的参数测试，目前的煤层瓦斯开发利用主要依靠矿井瓦斯抽采发电予以开发利用，地面的煤层气开发工程虽然进行了工业性试验但是尚未取得突破性的进展。

随着近年来在盘县煤田盘关向斜西翼火烧铺井田开展的地面资源整合补充勘探工程的施工，在地面钻孔瓦斯、煤层气样品采集测试过程中发现区内煤层气成分中重烃的含量较高，且含量随着煤层编号及其埋深的变化具有先增加后降低、再增大之后变小的呈“M”型的变化的规律，反应这种变化随着地层埋深具有先低后高再到低最后变高的旋回性的特征，且这种旋回性与区内含煤岩系的沉积旋回性、地应力等参数的旋回性变化特征具有高度的耦合性，同时，这种异常在盘县煤田的土城向斜、水塘向斜等构造部位以及整个黔西、滇东甚至是织纳煤田等均发现了这一异常现象，张超在水塘向斜东翼中段的浅部煤田勘探煤层进行采样分析过程中发现重烃体积分数大于甲烷的体积分数，重烃的体积分数为16.68%～72.22%，重烃的异常与区域内发育一系列的断层构造及上覆地层有密切联系，同时与煤层的突出程度、煤的变质程度有关；陈义林等对黔西织纳煤田的无烟煤中重烃高度异常进行了研究，发现自然解吸过程中原生结构煤与糜棱煤的解吸规律不同，前者呈现2段式变化后者则呈现3段式，糜棱煤的细颈瓶孔分子筛效应限制了煤层气的流动，是导致2者差异的根本原因。兰凤娟等在恩洪向斜的研究发现向斜部分地区煤层重烃含量高度异常，在垂向上具有“半旋回”特征，在区域上成片集中分布，地下水头高度与重烃含量异常区分布一致等特征。其认为重烃体积分数垂向分布特征受沉积序列控制，向斜构造对煤层重烃起到了强烈的封闭作用，地下水活动是控制煤层重烃含量高低的一个重要地质因素，重烃气主要来源于树皮体，异常区煤中有机质经历了完整的“生油窗”，这可能是其煤层重烃含量显著较高的一个重要地质原因。同时文献[8-13]在天府煤田、北票一、二井、鸡西、濮阳、下石节煤矿，戴金星等在国外俄罗斯的超拉盆地、库兹涅茨煤田、沃尔库塔斯克煤田、顿巴斯西南部等国内外的多个地区的不同煤类中均已发现这一异常，多数与油气异常显示以及煤油共生相关；卢双舫等认为重烃异常的成因为生气母质，陶明信等认为是微生物作用，郭占谦等认为是催化作用，于良臣等认为是油气渗透、接触变质、煤化作用阶段、差异吸附、分子筛作用和烃类物质驱替效应，曹代勇等认为是构造作用等。刘明信、田新娟、王启宇等针对煤层气测试方法、潘尚昆等研究了重烃对矿井瓦斯爆炸性的影响。此外，易同生、高为、秦勇等对煤层气的富集成藏进行了研究，认为煤层气的富集受构造和水文地质条件控制。

上述研究成果为本次研究提供了研究思路,也奠定了理论基础，针对火烧铺井田的重烃异常现象，从地质构造、煤层埋深、煤岩煤质、顶板岩层结构、含水层水文地质特征等方面探究重烃异常在平面、层域上的分布规律，揭示重烃异常的控制因素，构建重烃异常富集模式及机制，为井田内的煤矿瓦斯灾害防治提供参考。

1 井田地质特征

1.1 地层及煤层特征

火烧铺井田位于贵州省盘县煤田盘关向斜西翼南段，地层区划隶属扬子地区的扬子地层分区、西北地层小区的贵州省盘县煤田盘关向斜，总体上构造形态为向东倾斜的单斜构造，地层倾角18°～40°，断裂构造发育，主要发育正断层有火5、火6、火7，局部发育逆断层如滥9和走滑断层如F5-1等(图1)。

图1 区域构造及其地层综合柱状

井田内发育有二叠系峨眉山玄武岩组、龙潭组、三叠纪飞仙关组、永宁镇组和新近系红土层。其中峨眉山玄武岩组是煤系的基底，在此基础上沉积了龙潭组、飞仙关组、永宁镇组等盖层。二叠系上统龙潭组为含煤地层，地层厚度179.54～309.69 m，平均255.07 m；目前钻孔揭露的煤层埋深0～1 500 m，按照地层的岩性组合划分为一、二、三3个岩性段。

井田属于典型的近距离的煤层群组发育区，发育煤层24～80层，其中可采煤层14～20层，编号煤层22层，可采编号煤层14～17层，可采煤层的稳定性属于稳定～较稳定。煤类以焦煤为主，气煤、肥煤和贫煤次之，局部发育无烟煤，区域上煤的变质程度主要受构造控制，但是在井田小范围内受埋深控制，表现为浅部以气煤、肥煤，中、深部为焦煤、1/3焦煤，深部及构造转折端为无烟煤；煤系受盆地构造演化过程中多个期次构造运动的影响，在煤系地层内发育一系列产状、属性不同的褶皱、断裂构造；因此在煤系的中、上段发育构造煤、滑脱构造、牵引褶皱以及雁列式断裂组合形态，导致煤体结构多呈粉状、鳞片状，煤中裂隙发育。

含煤地层形成于海陆过渡相的三角洲沉积环境，上段以细粒砂岩为主、向下粒度逐渐变细相变为粉砂岩、泥岩，煤层顶板以泥岩为主、局部地段发育粉砂岩、细粒砂岩顶板，煤层顶底板综合评价为完整～较完整的岩体。纵向上上段、下段顶板稳定性优于中段，中段中的14，17煤层的顶板岩层完整性差、多发育破碎带，稳定性属于差，是典型的“三软”煤层段。

通过矿井揭露、地质调查、钻孔抽水试验和水文测井、水地球化学分析等综合评价井田的水文地质条件，地表水径流条件好，而地下水相对较差；地下水类型以碎屑岩裂隙水为主，第四系松散岩类孔隙水、石灰岩岩溶水次之，富水性弱～强。地下水的赋存规律受区盘关向斜的控制。因此，地下水、地表水径流方向为由西向东即首先由向斜的翼部向核部汇流，之后在核部由南向北径流，最终地表水在亦资孔、沙陀村、董家桥等地区流出井田，汇入拖长江；地下水在拖长江+1 680 m侵蚀沟谷排泄。

1.2 煤层气地质特征

历次勘查成果与本次施工的15个钻孔采集的295个样品测试成果以及煤矿井下宏观煤岩类型描述结果表明：各煤层的煤的破坏类型Ⅱ-Ⅳ型，煤的坚固性系数0.15～1.21；煤层中气体成分以CH为主，N和重烃次之，含有少量的CO；存在重烃或N异常富集区(表1)；其中空气干燥基CH含量0.70～7.63 m/t，CH的体积分数0～95.97%，平均65.44%；重烃的体积分数0.43%～46.93%，平均18.42%；N的体积分数0.25%～83.43%，平均13.03%；CO的体积分数0.96%～9.61%，平均3.10%(图2)；CH与重烃含量之和为0～14.37 m/t，平均4.69 m/t。干燥无灰基CH与重烃含量之和为0.43～21.05 m/t，平均8.39 m/t。在平面上煤层煤层气成分分布具有明显的分带性，在西部露头区为N或N-CO带，向深部延伸渐变为N-CH，CH带，且不同编号煤层的分带深度各不相同。

表1 煤层气成分特征

续表

图2 井田煤层气成分特征[34]

生产矿井工作面揭露的8个动用煤层(1，3，5，7，10，12，14，17煤)和石门揭露的所有可采煤层的煤层气含量、压力、煤的吸附常数和，以及煤层气放散初速度Δ等相关参数的测试结果(表1，2)表明：各煤层的煤层气含量、压力与煤层埋深呈线性相关性，而与煤层底板标高相关性差(图2)；各煤层中12煤的煤层气含量、压力在相同埋深条件下明显高于其他煤层，17煤次之，5煤最小；煤层气含量、压力与煤层埋深呈线性相关关系，相关性显著，相关系数>96%。

据矿井煤层煤层气体积分数，地面钻孔煤层气补充勘探、井下石门、工作面对煤层在不同标高、埋深条件下的煤层气含量、压力、煤体坚固性系数、孔隙率、放散初速度、和等相关参数的系统测试成果(表1，2)，采用单项指标煤体结构类型、煤层气压力、、Δ和综合评价指标和等井下综合评价，单项指标显示浅部为开采的中、下组煤和深部矿井各煤层具有突出危险性；综合评价指标显示上述各煤层均具有煤与瓦斯突出危险性。

2 重烃异常特征

2.1 重烃成分的异常特征

从重烃的成分统计分析结果显示：重烃含量0.02～7.78 m/t，重烃体积分数0.43%～46.93%，平均18.42%；成分以CH为主，占比>90%，CH次之，约10%，不含其他烃类成分。

2.2 重烃的层域分布特征

通过对比不同煤层中重烃含量、体积分数的变化及其所赋存岩性段的平均值的变化规律，具有如下特征：

(1)各煤层中重烃含量的变化特征由上向下由浅变深具有随着煤层埋深的增加“先低—后升高—再变低—之后升高—然后变低”的“M”型变化特征(图3)；

(2)通过对比各旋回重烃平均含量，其变化特征具有上低、中高、下低的特征，呈倒“V”型变化规律(图4(a))；

(3)14煤层中的重烃含量和体积分数最高，3煤重烃含量最低、5煤的体积分数最低；上段中各煤层相差不大，中段14煤最高、20煤层含量最低、22煤层体积分数最低；下段中24煤层最高，27煤层最低(图3)；

图3 各煤层重烃含量对比

(4)按照沉积的地层旋回性重烃的含量第2旋回大于第3旋回，其中上部的半个旋回的含量最小；按照岩性段统计由上向下含量逐渐增大；重烃的体积分数与煤层的埋深呈幂含数关系，相关性显著相关系数为0.77，重烃的体积分数与煤层埋深呈幂函数关系，相关性显著，相关系数为0.68(图4(c)，(d))。

(5)各煤层中重烃含量与体积分数的变化特征在垂向上的变化规律是基本一致的(图4(e))。

图4 重烃含量在层域上分布特征

2.3 重烃平面上分布特征

通过对区内13层可采煤层的样品气体成分和含量测试结果在平面上分布分析，分析不同煤层重烃含量在平面上分布规律性和差异性特征，结果发现：

(1)在平面上重烃异常区的分布具有一致性特征，显示出明显的“烟囱效应”，重烃高异常区分布在井田中部、东北部、西南部的钻孔周围，而重烃低异常区域主要分布在断层带附近和北部煤层浅埋区，且具有一定的继承性(图5)；

(2)各煤层中重烃含量与体积分数的呈正相关性(图5(e))，因此，各煤层的重烃体积分数在平面上的分布特征与含量应具有相似性和继承性特征；

图5 各煤层重烃含量平面分布特征

(3)各煤层的重烃含量与煤层的孔隙率呈正相关性，相关系数为0.55和0.66(表2、图4(f))。

表2 各煤层中重烃含量特征统计

3 煤层重烃异常的控制因素分析

在前人研究的基础上，为了探究各煤层中重烃异常与地质构造、煤层埋深、水文地质条件、煤层顶板工程地质特征、地层沉积岩性组合、煤岩煤质以及井田地应力、储层压力等相关性的关系，分析上述研究区重烃异常的控制因素。采用测试化验、相关性分析等方法对上述地质因素与各煤层重烃异常的关系(表3)。

表3 各煤层重烃含量、体积分数与埋深相关性统计

3.1 重烃与断裂构造的关系

通过对不同采区、工作面及其巷道内揭露断层的测量、数据统计，分析同一煤层中断层发育密度、断层不同位置如上、下盘重烃含量和体积分数的变化；分析在不同煤层内发育的断裂破碎带以及滑脱构造层的展布特征对重烃异常的影响，结果表明：

(1)各煤层中断层发育中段煤层的断层密度较上段和下段高，其中14煤层最高，10，17煤层次之(图6(a))；而重烃含量与体积分数与断层的密度呈多项式关系，相关性显著(图6(b))。表明随着断层密度的增大重烃的含量增大。

图6 各煤层断层与重烃含量关系

(2)在12煤层底至17煤层底板之间是盘关向斜区域性的滑脱构造层的发育位置，该层位断裂构造发育、滑脱构造发育，因此，该层位的煤层中重烃的含量是较高位置，2者具有耦合性。

3.2 重烃与煤层埋深的关系

通过统计不同编号煤层中的重烃含量与煤层的埋深的相关性分析发现：

(1)各煤层中重烃的含量与体积分数与煤层的埋深呈幂数关系，相关性显著(图7)，而与煤层的标高相关性不显著，结果表明：区内煤层中重烃含量主要受煤层埋深控制。

图7 各煤层重烃含量分布特征

(2)各煤层中重烃的体积分数与含量呈正相关系，且相关性显著(图7(d)，(e))。

3.3 重烃与水文地质条件关系

通过对井田内19个地面水文钻孔的抽水试验，获取的不同岩性段含水层的水文地质参数，分析富水性系数、渗透率、水位标高、水化学类型、矿化度与各段煤层中重烃含量的关系；4个钻孔的煤系地层断层破碎带水位观测及其抽水试验分析断层导水性与重烃的关系及其气密性(表4，5)，研究结果表明：

表4 含水层水文地质参数

(1)煤层顶板富水性(图8(a))、渗透率(图8(b))与煤层内重烃的含量、体积分数呈现线性负相关性，相关性显著；与地层水矿化度、地下水位标高、煤层埋深呈正线性相关性，相关性显著(图8(c)，(d))。

图8 重烃含量与水文地质特征相关性

(2)井田内地下水化学类型、矿化度、含水层的富水性、含水层的渗透系数总体受向斜构造形态的控制，即受地层埋深的控制。3个岩性段的含水层水文地质参数的变化特征与各段中煤层中重烃的含量的变化规律相吻合。

表5 断层的密闭型抽水试验成果

(3)重烃异常的分布受地下水的富水性分布、水化学类型、水位标高、断层的导水性等水文地质因素的影响。

3.4 重烃与煤层顶板岩性特征的关系

通过对井田内钻孔煤层顶板岩性统计、顶板岩石的完整性即工程地质编录、煤层顶板岩石力学参数测试等，分析与煤中重烃含量、体积分数的关系，结果表明(表6、图9，10)：

表6 煤层顶板岩性、RQD及其岩石力学参数特征

(1)总体上井田内的煤层属于完整性差-中等岩体，在纵向上各煤层的岩体的完整性上段优于下段，中段最差，其中12，14，17煤层属于破碎岩体(图9(a))；这一特征在煤层的坚固性系数中也得以验证(图9(b))。

(2)各煤层顶板岩性以泥岩、粉砂岩为主，煤层顶板厚度0.50～27.90 m，平均4.14 m；不同岩性煤层顶板的煤层中泥岩顶板的重烃含量最大，粉砂岩顶板最低；各煤层中气体含量与顶板岩性粒度呈负相关性(图9(c)～(e)，图10(a))。

(3)煤层中重烃的含量、体积分数与煤层顶板岩石的粒级呈负相关性(图9(e))，表现为顶板砂岩粒度越小煤层中重烃含量越高(图10(d))；与顶板岩层的完整性呈正相关性(图10(b))，与煤层顶板岩石的饱和抗压强度(图10(c))、孔隙度等呈幂函数关系(表2、图4(f))。

图9 顶板岩性分布及其含量特征相关性

图10 顶板岩性分布及其含量特征相关性

(4)煤层中重烃与煤层顶板岩性、岩石完整性、岩石力学参数的关系反应了煤层顶板的封闭性、气密性特征与重烃的相关性特征。

3.5 重烃与沉积环境的关系

火烧铺井田含煤岩系岩性组合特征以砂泥岩岩、煤层位置，上段、中段以正旋回性为主，而下段以返旋回性为主，在分流河道发育部位以正旋回性为主；通过对层序界面与沉积旋回性的分析将井田内沉积的旋回系性划分为3个3级旋回和半个3级旋回，每一个3级旋回进一步划分为4～8个4级旋回以及若干个亚旋回(图11)。通过对比地层的旋回性特征与煤层中重烃含量的变化特征发现：

图11 研究区煤系地层的沉积旋回性特征

(1)研究区内地层的沉积旋回性变化特征反应了研究区海平面的变化，各旋回的顶部位于24煤、18煤、6煤层顶部，同时反映了高、低位体系域的变化，进而将其划分为2个完整的高、中、低位体系域的完整旋回与半个高位体系域旋回。

(2)地层的沉积旋回性与煤层中重烃含量变化的旋回性具有高度的耦合性，表现为高、低位体系域的转换处、每一个三级、亚旋回的顶部是重烃含量异常高值分布层位。

3.6 重烃与煤岩煤质的关系

为了分析不同煤层内重烃分布特征与煤岩、煤质的关系(表7，8)，从各煤层的宏观煤岩类型、显微煤岩类型、显微煤岩组合如镜质体、惰质组等含量、煤中黏土矿物含量、煤层中裂隙发育程度，煤变质程度、煤中灰分、稀散元素(图12(d)～(j))等煤质特征方面综合分析发现：

表7 煤层显微煤岩组分特征(质量分数)

表8 煤质特征

续表

图12 煤质与重烃含量相关性分析

(1)宏观煤岩类型与煤层中重烃含量呈正相关性，龙潭组上段和下段的原生结构煤层明显小于中段糜棱结构煤的含量，且中段的14，17煤层的碎粒煤明显高于12，18煤层的碎裂煤层(图13，图12(j))。

图13 显微煤岩组分特征

(2)反应煤变质程度的镜质体最大反射率与煤层中重烃的含量存在一定的关系，总体变化趋势是在烟煤阶段随着煤变质程度的增高煤中重烃含量增大(图12(d))。

(3)煤的显微煤岩组分中树皮体的体积分数与重烃含量呈正相关性，表现为12,14,17煤层中含量高的树皮组分重烃含量明显高于其他煤层(图12)。

(4)煤中有机组分质量分数呈先降低后升高的规律(图12(a))、与黏土矿物的质量分数呈正相关性(图12(b))。

(5)煤中重烃含量的变化与煤质灰分(图12(e))、挥发分呈正相关性(图12(f))，同时与煤中固定碳(图12(g))、稀散元素如钒(V)的质量分数呈正相关关系(图12(h))。

3.7 重烃与地应力、储层压力的关系

为了探究井田内煤层中重烃异常分布特征与井田现今构造地应力场的关系，通过对地面钻孔水力压裂测试的煤、岩储层的破裂压力、闭合压力(图14)和收集整理以往研究成果，分析地应力场与重烃关系发现：

(1)井田内的地应力随着埋深的变化特征与黔西地区的地应力场变化规律一致，最大、最小水平主应力的大小随着埋深的增加具有先增高后降低再增高的旋回性变化的特征，地应力场的这种旋回性变化规律与煤层中煤层气含量、重烃含量、重烃体积分数的变化具有耦合性(图14(a)，(b))。

(2)研究表明，地应力场的旋回性变化控制了煤岩储层渗透率的旋回性变化，同时储层压力的旋回性变化与煤层中重烃的变化亦具有耦合性。

(3)研究区重烃含量的“M”型旋回性变化特征，与地应力、煤层气含量、稀散元素(V)、煤层气压力、显微煤岩组分、、煤中含矿物基有机组分质量分数、黏土矿物质量分数等的旋回性变化具有一定的耦合性(图14)。

图14 煤层气及其显微煤岩组分与重烃含量相关性分析

4 重烃异常富集模式

通过对火烧铺井田范围内不同编号煤层、岩性段的重烃含量、体积分数在平面、纵向上的分布特征以及其分布特征与相关性因素综合分析，认为火烧铺井田内重烃异常总体上受地质构造控制，水文地质控制，其中构造方面主要受顶板封闭性、完整性以及煤层的宏观煤岩类型的影响。

根据前述结合盘关向斜的构造特征、地下水径流、各地层岩性、断裂构造、煤岩煤质、煤层顶板完整性等控制因素，宏观上构建了盘关向斜煤层中重烃异常富集的模式(图15)，其具有以下特点：

图15 重烃异常成因模式

(1)在层域上盘关向斜的重烃异常区分布在向斜轴部，随着煤层埋深增加煤层变质程度增加、地下水径流缓慢，容易形成各煤层重烃的异常富集。

(2)在各煤层之中重烃的异常分布在含煤地层的中部和下部，多为岩性段或沉积旋回、沉积体系域的转换区域，中部和下部泥岩较发育，同时中部受地质构造的影响煤体的完整性差、煤体破坏程度高以及层间的滑脱构造、断裂构造较发育，可能容易造CH的逸散或重烃的富集。

5 结 论

(1)盘县煤田火烧铺井田煤层气成分中含有一定量的重烃，重烃含量随着煤层埋深呈正相关性。

(2)煤层气重烃异常主要受区域构造和生烃母质的控制，其次受到地下水文地质条件、沉积环境、煤岩煤质、顶板岩性组合及其地应力、储层渗透率等地质因素的控制。

(3)井田内煤层气中重烃异常，在井下瓦斯含量测试、矿井瓦斯突出危险性鉴定中应该加强对重烃成分、含量的测试分析，同时应该深入研究重烃异常对矿井瓦斯突出危险性评价等方面的影响研究。

(4)重烃异常在整个黔西、滇东地区存在普遍的性，因此，今后的地质勘查、煤层气勘查以及井下瓦斯采样过程中应加强对重烃的研究。