灵石矿区煤层瓦斯赋存影响因素分析

2023-08-08 10:22陈凤杰赵庆珍
煤炭与化工 2023年6期
关键词:灵石镜质显微组分

陈凤杰,赵庆珍,张 锐

(山西能源学院 地质与测绘工程系,山西 晋中 030600)

1 概 况

灵石矿区属于霍西煤田,位于晋中市南部,矿区大部分在灵石县境内,北端在介休市境内,西接交口县,东以霍山断层为界,北以南同蒲铁路介休-义棠段南侧为界,南与霍州市、汾西县相邻。汾河贯穿矿区,汾河地堑将灵石矿区分为东、西两部分。区内出露沉积岩地层主要为寒武系、奥陶系中统峰峰组;石炭系上统本溪组、太原组;二叠系下统山西组、中统下石盒子组、中统- 上统上石盒子组;新近系上新统和第四系中上更新统[2]。主要含煤地层为太原组(C2t) 和山西组(P1s),现主要开采9、10 号煤层,煤类主要为焦煤、肥煤。

灵石县位于山西台背斜的中部,处于吕梁块隆、沁水块坳、晋中新裂陷与临汾- 运城新裂陷4个Ⅳ级构造单元接壤部位,区内主要发育有祁吕弧形褶带东翼、晋中多字形构造、南北向断裂带、东西向构造形迹四大构造体系(图1)。祁吕弧形褶带东翼表现形式为NNE-NE 向扭性断裂及褶皱构造,褶皱规模大,延伸长,控制着本县的山川水系、地形地貌及矿产资源的分布。晋中多字形构造分布于牛角鞍—乔家山一带及石膏山—仁义—南关等地,为该构造体系西南端。由一系列走向NE-NEE 向断裂构造组成。南北向断裂带分布于西许以东,霍山西麓,东西宽约6 km,南北长约24 km,以走向NW 霍山断裂为主,由石膏山林场逆断层及其派生的数条小型逆断层组成。东西向构造形迹以NE 向背向斜形式产于石膏山一带太岳山群地层中。

图1 灵石县构造纲要图Fig.1 Structural outline of Lingshi County

2 煤层瓦斯含量

此次统计了灵石矿区瓦斯含量数据60 个,详见表1。灵石矿区煤层埋深整体较浅,大多小于300 m。主采煤层大部分位于瓦斯风化带内,煤层瓦斯含量及甲烷浓度均较低,为贫气区。瓦斯成分中CH4占5.95%~87.2%,平均29.34%;CO2占0.07%~56.96%,平均16.79%;N2占11.79%~83.16%,平均53.06%。9、10 号煤层瓦斯含量0.23~5.46 m3/t,平均2.28 m3/t;其中9 号煤层瓦斯含量0.56~4.22 m3/t,平均2.20 m3/t;10 号煤层瓦斯含量0.23~5.46 m3/t,平均2.36 m3/t。

表1 灵石矿区9 号、10 号煤层瓦斯含量Table 1 Gas content of No.9 and No.10 coal seams in Lingshi mining area

3 煤层瓦斯赋存影响因素分析

煤层瓦斯含量的影响因素主要有煤化程度及煤的显微组分、围岩透气性、地质构造、煤层埋藏深度等。

3.1 煤化程度及煤的显微组分

煤层中瓦斯形成首先取决于煤化作用程度和煤的显微组分。一般来说煤化程度增高,产生的气体增多。研究区最大镜质组反射率在1.53%~1.69%,处于焦煤变质阶段,该阶段热降解作用结束,热裂解作用下甲烷开始逐渐生成,由于处于中等变质阶段,此时煤层生烃量较为有限。

煤的显微组分中,壳质组产气能力强,镜质组产气能力中等,惰质组产气能力最低。同时煤的显微组分不同,也影响煤的甲烷吸附能力,在平均含有4~5 m3/t 甲烷的煤层中,壳质组吸附的瓦斯量相当于镜质组的1.5 倍,而惰质组吸附量相当于镜质组的0.6 倍左右。

研究区9 号、10 号煤的显微组分均以镜质组为主,主要为无结构镜质组;9 号煤中镜质组占57.7%~71.8%,平均66.79%;10 号煤中镜质组占62.7%~71.2%,平均67.78%;惰质组以丝质体和半丝质体为主,9 号煤中惰质组占23.9%~32.8%,平均28.3%;10 号煤中惰质组占19.3%~31.8%,平均26.16%。较多的镜质组,极少的壳质组,从显微组分角度来看,研究区煤层在产气能力和吸附气体量方面都没有明显优势。

3.2 围岩透气性

煤层顶、底板透气性对煤层瓦斯保存和逸散起着重要作用,透气性好的围岩如砂岩,有利于瓦斯的逸散;透气性差的围岩如泥岩、灰岩,则对煤层瓦斯起到很好的封闭作用。研究区9 号煤层主要为K2 石灰岩,致密、坚硬,稳定性好,底板为泥岩、砂质泥岩,节理裂隙不发育,较稳定;10 号煤层顶板主要为泥岩、砂质泥岩(即9 号煤层之底板),节理裂隙不发育,不稳定;底板为泥岩、砂质泥岩,较稳定。9、10 号煤层围岩主要为透气性较差的泥岩、灰岩,封闭性能较好,有利于瓦斯保存。

3.3 煤层埋藏深度

在影响煤层瓦斯含量的地质因素中,埋藏深度与瓦斯含量关系也较为密切。当煤系地层出露地表或被新的地层掩盖,煤层内的气体往往沿煤层向外逸散,造成由深至浅煤层瓦斯含量降低。对煤层瓦斯含量与埋藏深度进行分析,9 号煤层瓦斯含量受埋藏深度影响(图2),整体埋藏深度大,瓦斯含量较大,但其相关性不明显,可能是由于整体处于瓦斯风化带内,煤层埋藏深度不是煤层瓦斯赋存的主控因素;10 号煤层瓦斯含量随着埋藏加深呈现明显的逐渐变大的趋势(图3),相关性较好,埋藏深度是10 号煤层瓦斯赋存的主控因素。

图2 9 号煤层瓦斯含量与埋藏深度关系Fig.2 Relationship between gas content and burial depth of No.9 coal seam

图3 10 号煤层瓦斯含量与埋藏深度关系Fig.3 Relationship between gas content and burial depth of No.10 coal seam

3.4 地质构造

研究区构造体系中发育有较多断层构造,如祁吕弧形褶带东翼构造体系中的灵石断层、张家庄断层,晋中多字形构造中的郑家山断层、牛角鞍断层等均为正断层,逆断层则主要发育在矿区东南角,以石膏山林场逆断层为主要代表。整体而言,矿区断裂构造以正断层为主。研究区经历了快速埋藏、稳定埋藏、隆升、剥蚀、沉陷5 个阶段,晚侏罗世至早白垩世的快速隆升使得地层埋藏深度迅速减小,地层温压明显降低,生烃作用减弱;上覆地层遭受风化剥蚀,强烈的构造运动作用下断层大量形成,地层中节理裂隙发育,煤层中瓦斯在骤减的压力作用下发生解吸,并沿着断层、裂隙等通道发生逸散。

4 结 论

(1) 灵石矿区主采煤层大部分位于瓦斯风化带内,煤层瓦斯含量0.56~5.46 m3/t,平均2.48 m3/t;甲烷浓度5.95%~87.2%,平均29.41%;瓦斯含量及甲烷浓度均较低,为贫气区。

(2) 地质构造为灵石矿区煤层瓦斯赋存的主控因素,生烃后的构造抬升及张性断层的发育,造成煤层瓦斯大量逸散。

(3) 灵石矿区煤层煤化程度中等,生气量较为有限;较为致密的顶、底板有利于煤层瓦斯的保存。埋藏深度是灵石矿区瓦斯赋存的重要影响因素,10 号煤层瓦斯含量与埋藏深度呈现明显正相关。

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