鄂尔多斯盆地西缘韦州矿区煤层气富集特征研究

魏向成

（宁夏回族自治区矿产地质调查院（自治区矿产地质研究所），宁夏 银川 750021）

煤层气作为全球范围内重要的非常规地质资源，是传统能源（尤其是天然气资源）的战略补充，受到世界各国的重视。特别是近年来政府关于碳达峰、碳中和等攸关全球环境安全和资源格局的重大倡议公布以来，对煤层气这一清洁能源的研究显得尤为必要。中国有丰富的煤层气资源，鄂尔多斯盆地由于其独特的地质结构和经历的复杂的地质作用而成为我国煤层气的重点开发区块之一[1-7]。作为我国大型的煤聚集型盆地，该盆地拥有晚古生代石炭-二叠纪、中生代三叠纪，以及侏罗纪含煤岩系[8-13]。在鄂尔多斯西缘的宁夏境内，主要分布着4个煤田，即贺兰山煤田、宁东煤田、香山煤田和宁南煤田。其中，宁夏吴忠市韦州矿区位于宁东含煤区的西南部，矿区煤层气富集程度较大，具有较高的勘探开采价值。

前人对韦州矿区的研究较少，仅散见于早期的煤田地质报告，关于煤层气富集成藏的一系列科学问题如生气条件、存储条件、保存条件等尚未得到有效约束[10]。笔者依托宁夏科技厅重点研发计划重点项目（宁东煤田煤层气开发工艺与煤炭安全开采地质保障技术研究），以韦州矿区韦三井田为研究对象，主要从煤层气成藏地质特征、控矿因素和储煤条件等方面进行深入研究，揭示了该井田煤层气的富集成藏机制，评价了其经济价值并进一步指出勘探方向。

1 地质背景

1.1 区域地质

韦州矿区地处黄土高原与内蒙古高原的交界地带（图1a），东有青龙山，西有罗山，两山走向近南北向。韦州矿区属晋冀鲁豫地层区、华北西缘地层分区、桌子山-青龙山地层小区。元古界出露青白口系和震旦系地层；古生界出露寒武系、奥陶系、石炭系、二叠系地层，缺失志留纪和泥盆纪沉积；中生界出露三叠系地层，缺失侏罗纪沉积；新生界发育，出露新近系和第四系地层。古生代地层仅在横城和韦州煤田有零星出露，区域上被广泛发育的中、新生代地层所掩盖，埋藏较深[10,14]。

图1 研究区地理位置及构造纲要图Fig.1 Geographical location and structural outline map of the study area

韦州矿区属华北地台西缘的南北向逆冲构造带之青龙山-云雾山逆冲带，东临鄂尔多斯台拗，西接六盘山弧形构造带，呈一南北向的狭长地带，其南北方向均延至区外。在东西方向为主的应力作用下形成一系列走向NNW 或近SN 向的褶皱群及与之相伴生的断层。青龙山-云雾山逆冲带北部以褶皱为主，断层稀少；向南断层较发育，由近SN 向的大断层（逆冲断裂）派生出一组以NW 或NNW向为主，NE 或NNE 向为次的“X”型断层组，破坏了褶曲的完整性。区域NNW 或近SN 向的褶皱群自西向东发育有井田西部的罗山背斜、井田所在的韦州向斜、井田东部的青龙山不完整背斜。向、背斜的两翼或一翼发育有大型走向断裂，褶皱内部发育有较多次级断层[10,15-19]。

韦州向斜为韦州矿区的主体褶皱构造，该向斜为一向南仰起、轴向北北西、西翼陡（30°～40°）、东翼缓（20°～30°）的不对称向斜构造，轴长大于30 km。向斜核部由三叠系构成，两翼由二叠系、石炭系、奥陶系构成。次级伴生构造主要发育在向斜的东翼，以断裂构造为主，主要发育两组断层，分别为NW、NNW 和NE、NNE 向呈“X”型，以NW 或NNW 向为主，多为逆断层；NE、NNE 向断层为次，多为正断层。次级褶皱构造极少见。该向斜东翼和南部仰起端含煤地层发育较全，西翼被罗山东侧断层和蜗牛山西侧断层破坏，含煤地层发育不全。

1.2 井田地质

韦三井田位于韦州矿区中南部（图1b），地理位于大、小罗山东麓，行政隶属于吴忠市同心县韦州镇管辖，井田地理坐标为东经106°25′00″-106°29′15″、北纬37°07′45″-37°14′30″。井田被第四系风成沙，冲积、洪积砂粒层及新近系亚粘土、亚砂土所覆盖，为全隐伏井田。经钻孔揭露井田内地层由老到新依次有石炭系上统羊虎沟组、石炭-二叠系太原组、二叠系下统山西组、中-上统上石盒子组、新近系彰恩堡组和第四系。

韦三井田大地构造位置处于鄂尔多斯西缘青龙山-云雾山南北向褶皱冲断带，东西方向的挤压为主应力场作用，由此形成了区域轴线近南北的褶皱、南北向大断层和在井田范围派生的次一级两组与东西向主压应力方向斜交的“X”共轭断层，井田内断层方向以北西、北北西为主。井田范围内的褶皱构造基本呈北东倾的单斜构造，地层倾角从西向东逐渐变缓，浅部-中深部一般为15°～30°，深部＜10°。断层带出现牵引构造，导致产状急剧变陡，钻探揭露可达70°～80°。

2 成藏特征

2.1 含煤地层

韦三井田含煤地层为石炭-二叠系太原组和二叠系山西组。根据地层层序正常的钻孔资料点数据分析，山西组和太原组煤层累积厚度在平面上均有富煤带展布。山西组赋存在井田东北角，累积煤层厚度一般为7～10 m，煤层累厚呈自西向东增厚的趋势，与韦二井田相邻部位煤层厚度相对较大（图2a）；太原组煤层厚度变化相对较稳定，煤层累积厚度大多在10 m 以上，井田南部因地层剥蚀关系导致煤层累厚变小，大于16 m 的厚煤带位于井田北部中心地段，沿地层走向呈长条形分布，其中局部存在煤层累积厚度大于22 m 的地段（图2b）。

图2 韦三井田煤层累积厚度等值线图Fig.2 Contour map of cumulative thickness of coal seams in Weisan mine field

太原组含煤地层平均厚度547 m，含煤层数40余层，其中编号煤层14 层，自上而下编号为5、6、8、9、10、12、14、15、16、17、18 上、18、19、20 号煤。平均煤层累积厚度17.03 m，含煤系数3.11%。煤层主要集中在太原组一段、二段、三段和四段，主要的为大部可采煤层共4 层（12、15、17、20 号煤），次要的为局部可采煤层共2 层（10、14 号煤）。太原组可采煤层平均厚度13.21 m，可采含煤系数2.41%。

山西组含煤地层平均厚度125 m，编号煤层数4 层，平均煤层累积厚度8.92 m，含煤系数7.13%。其中可采煤层4 层，自上而下编号为0、2、3、4 号煤，可采煤层平均累厚7.45 m，可采含煤系数5.96%。

韦三井田各煤层特征详见表1，太原组各煤层累积厚度等值线如图3 所示。

表1 韦三井田煤层特征Table 1 Characteristics of coal seams in Weishan mine field

图3 韦三井田太原组各煤层累积厚度等值线图Fig.3 Contour map of cumulative thickness of coal seams of Taiyuan Formation in Weisan mine field

2.2 煤层对比

山西组、太原组含煤地层为一套厚度较大的海陆交互相含煤碎屑沉积，其成煤环境为近海的三角洲平原沼泽和海湾泻湖沼泽，在韦三井田形成了上、下两个分别由若干层主要可采煤层构成的煤组，上、下煤组最近一层可采煤层间距离平均约270 m，变化较稳定；上、下煤组中的可采煤层的组合特征，砂岩沉积与成分特征，泥岩颜色和古植物、结核特征等均有明显差别；下煤组12 煤伪顶泥岩与顶板K6 灰岩构成的对比标志层特征明显且具有唯一性；井田含煤地层测井视电阻率曲线反映的特征可划分沉积旋回结构，沉积厚度呈有规律的、较小的、稳定的变化，导致各主要可采煤层间距较稳定；井田各可采煤层的厚度变化规律明显。此次煤层对比工作采用测井曲线对比，结果如下。

（1）山西组3 号煤。井田较稳定的局部可采煤层，测井厚度0.52～2.14 m。长源距伽玛、三侧向电阻率曲线呈现界面清晰的中高—高幅值的山峰形态，长源距伽玛值6 500～12 000 CPS，三侧向电阻率值在130～320 Ω·M，自然伽玛曲线呈界面清晰的低幅值单底形态；自然伽玛值0.9～1.1 Pa/kg（图4a）。

图4 韦三井田山西组和太原组各煤层测井曲线形态特征Fig.4 Morphological characteristics of logging curves of coal seams of Shanxi and Taiyuan formations in Weisan mine field

（2）山西组4 号煤。井田较稳定的局部可采煤层，复合结构，含1 层夹矸。测井厚度1.15～1.88 m。伽玛曲线高异常，8 100～11 000 CPS，形态为不规则的双峰顶；电阻率曲线高异常，120～500 Ω·m，形态锯齿状；自然伽玛曲线低异常，1.1～1.4 Pa/kg，形态为不规则双谷底（图4b）。

（3）太原组12 号煤。井田较稳定的大部可采煤层，单一结构。长源距伽玛，伽玛曲线高异常，5 000～7 800 CPS，形态门状顶；电阻率曲线高异常，100～450 Ω·m，形态不规则山峰顶；自然伽玛曲线低异常，0.16～0.91 Pa/kg，形态门形底（图4c）。另外，12 煤顶板附近为一套灰岩，物性特征显著，伽玛曲线低异常，电阻率曲线明显高异常。

（4）太原组14 号煤。井田不稳定的局部可采煤层，测井厚度0.35～4.45 m。长源距伽玛曲线高异常，4 500～8 300 CPS，形态为锯齿顶状；电阻率曲线高异常，260～390 Ω·m，形态指形顶；自然伽玛曲线低异常，0.2～0.88 Pa/kg，形态锯齿底（图4d）。

（5）太原组15 号煤。井田较稳定的大部可采煤层，测井厚度0.6～5.5 m。伽玛高异常，6 500～8 000 CPS，形态为锯齿顶；电阻率曲线中高异常，90～440 Ω·m，形态不规则山峰顶；自然伽玛曲线低异常，0.38～0.67 Pa/kg，形态锯齿底（图4e）。

（6）太原组17 号煤。井田较稳定大部可采煤层，测井厚度0.3～6.78 m。长源距伽玛，伽玛曲线中高异常，5 000～7 500 CPS，形态为指形顶；电阻率曲线高异常，100～450 Ω·m，形态为不规则驼峰顶；自然伽玛曲线低异常，0.43～0.61 Pa/kg，形态剑形底（图4f）。

（7）太原组20 号煤。井田较稳定大部可采煤层，测井厚度0.45～2.38 m，长源距伽玛，伽玛曲线中高异常，5 000～9 500 CPS，形态不规则锯齿顶；电阻率曲线高异常，280～480 Ω·m，形态上高下低双峰顶；自然伽玛曲线低异常，0.36～0.86 Pa/kg，形态锯齿底（图4g）。

3 煤层化学性质

3.1 灰分特征

各可采煤层原煤灰分（Ad）产率平均为22.34%～34.94%，按GB/T15224.1-2004 分级，韦三井田参与资源储量估算的煤层中，为中灰煤和高灰煤（Ad在10.79%～39.17%）。各可采煤层浮煤（1.4 比重液浮选）灰分产率平均为6.30%～15.04%，总平均值为9.06%，脱灰率平均为60.81%～70.11%。浮煤回收率平均为9.53%～37.52%，总平均值为27.93%。韦三井田各煤层灰分特征见表2，详述如下。

表2 韦三井田各煤层煤灰分及其分级Table 2 Coal ash and its classification in Weisan mine field

垂向上，从上至下各煤层灰分总体变化较小；水平方向上，各煤层绝大部分地段原煤的灰分含量在20%左右，以中灰煤为主，2、3、4、10、12、14、20 号煤等7 层煤层的局部地段有灰分含量高于30%的高灰煤。

2 号煤：原煤灰分产率为31.15%～39.17%，平均为34.94%，属灰分产率变化小的高灰煤；浮煤灰分产率为13.47%～18.12%，平均为15.04%，脱灰率为56.95%。

3 号煤：原煤灰分产率为16.43%～32.18%，平均为33.34%，属灰分产率变化较大的高灰煤；浮煤灰分产率为1.95%～13.36%，平均为7.56%，脱灰率为77.32%。

4 号煤：原煤灰分产率为13.96%～36.51%，平均为23.54%，属灰分产率变化大的中灰煤；浮煤灰分产率为1.95%～13.36%，平均为7.00%，脱灰率为70.26%。

10 号煤：原煤灰分产率为12.51%～38.43%，平均为25.17%，属灰分产率变化较大的中灰煤；浮煤灰分产率为2.97%～16.88%，平均为8.49%，脱灰率为66.27%。

12 号煤：原煤灰分产率为12.09%～33.34%，平均为25.79%，属灰分产率变化较大的中灰煤；浮煤灰分产率为2.28%～16.38%，平均为6.30%，脱灰率为75.57%（图5a）。

图5 韦三井田各煤层煤灰分等值线图Fig.5 Contour map of coal ash content of each coal seam in Weisan mine field

14 号煤：原煤灰分产率为11.35%～35.47%，平均为28.35%，属灰分产率变化较大的中灰煤；浮煤灰分产率为4.19%～18.61%，平均为10.26%，脱灰率为63.81%。

15 号煤：原煤灰分产率为10.79%～29.10%，平均为24.30%，属灰分产率变化中等的中灰煤；浮煤灰分产率为2.96%～13.34%，平均为7.18%，脱灰率为70.45%（图5b）。

17 号煤：原煤灰分产率为12.01%～30.97%，平均为26.27%，属灰分产率变化较大的中灰煤；浮煤灰分产率为2.52%～16.52%，平均为8.05%，脱灰率为69.36%（图5c）。

20 号煤：原煤灰分产率为13.51%～33.32%，平均为22.34%，属灰分产率变化较大的中灰煤；浮煤灰分产率为3.09%～24.55%，平均为11.64%，脱灰率为47.90%（图5d）。

3.2 瓦斯含量

此次研究依据（MT/T77-1994）标准对韦三井田各煤层瓦斯含量进行了大量测定（表3），各主要煤层采样点0.5 个点/km2（20 号煤层）～1.17 个点/km2（12 号煤），达到DZ/T 0215-2002《煤、泥炭地质勘查规范》的要求。

表3 研究区各可采煤层瓦斯含量及成分一览Table 3 List of gas content and composition of each minable coal seam in the study area

瓦斯分带以煤层自然瓦斯成分为分带依据，研究区内（下组煤）各可采煤层均为氮气—沼气带。煤层瓦斯成份大部分为N2，成分7.44%～98.99%；CH4成分次之，占0～87.12%；CO2成分占0.50%～12.92%；重烃成分低于1%。

12 号煤瓦斯含量为1.24～15.44 m3/t，总平均值3.88 m3/t。此次对20 件样品分析发现，平面上12 号煤瓦斯含量呈现北高南低，向深部增大的特点，在研究区201、202 钻孔以东、以北范围最高（图6a）。瓦斯中的甲烷含量较低，仅202 钻孔单点达12.53 m3/t，其余为0.00～3.46 m3/t。

图6 韦三井田各煤层瓦斯含量等值线图Fig.6 Contour map of gas content of each coal seam in Weisan mine field

15 煤瓦斯含量为1.06～12.32 m3/t，总平均值5.82 m3/t。此次对21 件样品分析发现，平面上煤层瓦斯含量由浅而深增大，研究区瓦斯含量在编号101、201、303 钻孔处最高，为10.01～12.32 m3/t（图6b）。瓦斯中的甲烷含量较低，井田北段深部略高，有6 个点达5.23～7.93 m3/t，其余15 个点为0.01～3.82 m3/t。

17 煤瓦斯含量为1.49～9.67 m3/t 总平均值4.81 m3/t。此次分析样品14 件，结果显示，瓦斯含量在井田北段局部略高，含量趋势变化不明显（图6c）。甲烷含量普遍较低，仅在井田北段编号303、304 钻孔2 个点略高，为7.10～7.14 m3/t，其余12个点为0.00～3.20 m3/t。

20 煤瓦斯含量为3.07～9.95 m3/t，总平均值7.79 m3/t。此次研究对12 件样品分析结果为，20煤瓦斯含量较高，平面上变化不大，仅在编号1003 钻孔高达14.66 m3/t（图6d）。甲烷含量仅1003 钻孔1 个点较高，为8.54 m3/t，其余有8 个点为5.17～7.43 m3/t，3 个点较低为0～0.84 m3/t。

通过此次研究，查明了研究区各煤层瓦斯分带为氮气—沼气带，位于瓦斯风化带范围之内。各煤层的瓦斯含量均存在＞5 m3/t 的局部较高地段，但总体瓦斯含量低-中等，一般＜5 m3/t。煤层瓦斯中的甲烷含量普遍较低，甲烷含量＞8 m3/t 的点仅有202 钻孔（12 煤）、1003 钻孔（20 煤）2 个孤立点。韦三井田内各可采煤层甲烷总体平均含量为0～4.17 m3/t，煤层吨瓦斯平均含量为0～7.79 m3/t。整体数据分析结果显示，韦三井田甲烷、瓦斯含量均较低，但局部具有较高利用价值。

4 煤层气气源特征

研究区山西组各煤层赋存面积较小，故此次主要对太原组各主要可采的煤层甲烷赋存情况进行研究。煤层甲烷含量＜4 m3/t 为贫气区；4～8 m3/t 为低气区；8～12 m3/t 为中气区；12～16 m3/t 为中高气区；＞16 m3/t 为高气区。研究区上组煤中0、1、2、3、4、10 煤为贫气区；下组煤12、15、17、20煤大部分地段为低气区，局部地段为中气区。各煤层详细情况如下。

太原组12 煤空气干燥基甲烷含量为0.00～12.53 m3/t，平均值为1.23 m3/t，大部地段均低于4 m3/t，仅北部分布有小面积甲烷含量4～8 m3/t 与大于8 m3/t 的孤点（图7a）。

图7 韦三井田各层位煤层气甲烷等值线图Fig.7 Contour map of coalbed methane in each layer of Weisan mine field

太原组15 煤甲烷含量为0.01～7.93 m3/t，平均值为2.84 m3/t，大部地段均低于4 m3/t，北部与南部分布有甲烷含量4～8 m3/t 的地段，北部有小面积大于8 m3/t 的内插点（图7b）。

太原组17 煤甲烷含量为0.00～7.14 m3/t，平均值为1.65 m3/t，仅在井田北部出现含量4～8 m3/t 的局部地段，整体甲烷含量值较低（图7c）。

太原组20 煤甲烷含量为0～7.43 m3/t，平均值为3.87 m3/t，井田南部有大面积的甲烷含量4～8 m3/t 的地段，整体甲烷含量值较低（图7d）。

5 勘探开发潜力评价

研究区区域水文地质区划属于陶（乐）灵（武）盐（池）台地地下水分区中的西部低丘台地裂隙孔隙水，亚区地形特征为山丘地带。区域水文地质边界东、西以青龙山、大罗山分水岭为界，南起下马关东西一线，北抵卧牛山—太阳山，为一向斜构造盆地。盆地南端收敛，向北逐渐撒开，呈半封闭式洼地。在多期构造作用下，产生不均衡的升降运动，石炭系、二叠系和三叠系岩层褶皱隆起，地形波浪起伏，气候干旱少雨，蒸发量是降水量的7～9 倍，暴雨时易形成表流流失，入渗量甚微，补给条件差，地下水贫乏，严格受构造、地质地貌、气象水文等因素影响。

研究区地质构造为中等复杂类型，地层岩性较单一，岩体结构多为层状，可采煤层的直接顶板，岩性以互层层状为主，属软弱类～中硬类的层状岩类，中等稳定。根据《矿区水文地质工程地质勘探规范》有关规定，韦三井田工程地质勘查类型可划分为三类二型，即层状岩类中等型矿床。

依据GB12719-91《矿区水文地质工程地质勘探规范》，韦三矿区地质环境质量为中等类型。即采矿可产生局部地表变形，但对地质环境破坏不大；区内无重大污染源、无热害，矿坑排水对附近水体有一定污染；矿石和废石化学成分基本稳定，无其它环境地质隐患，唯地表水、地下水水质现状较差，需在以后矿山开发中加以改善，但总体地质环境可评为中等。该区地质环境脆弱，水化学环境差，矿井建设面对的重要环境地质问题是环境污染、土地沙化和水土流失的加剧，造成地质环境的进一步恶化。因此在矿井建设开发过程中，矿山建设与环境保护必须实行统筹兼顾、协调发展、同步建设的原则。

可从以下方面考虑：从制定煤矿总体规划开始，贯彻节能减排和循环经济方针，从指导思想上重视环境保护，以绿色矿山作为建设目标；研究和开发采矿的新技术和新工艺，推行采矿的清洁生产技术，把矿产资源开发对环境的污染和破坏降低到最低程度。具体方法有：采用新的开采方法减少土地的塌陷，对破坏的土地资源进行土地复垦和生态重建；煤矸石的综合利用，提高矿山固体废弃物的利用率；降低用水总量，矿井外排水的资源化、提高水循环利用率、实现选煤矿厂用水的闭路循环利用；煤矸石山的综合治理、预防煤矸石山的自燃；提高矿井瓦斯的利用率、减轻矿区的大气污染；积极植树种草、防止矿区的沙漠化和水土流失等。

基于上述关于韦三井田水文地质、工程地质、环境地质及其它开采技术条件的分析，并结合韦三井田的地质、构造、煤层、煤质、煤层气含量等客观条件，认为该井田及其周边地区具有一定的资源开发潜力。

6 结论

（1）韦三井田受控于东西向挤压的韦州向斜，含煤地层石炭-二叠系太原组和二叠系山西组为一套厚度较大的海陆交互相碎屑沉积，成煤环境为近海的三角洲平原沼泽和海湾泻湖沼泽。

（2）山西组赋存于井田东北角，累积煤层厚度为7～10 m，煤层累厚呈自西向东增厚的趋势，可采煤层自上而下编号依次0、2、3、4 号煤，可采煤层平均累厚7.45 m，可采含煤系数5.96%；太原组煤层厚度变化相对较稳定，煤层累积厚度大多在10 m 以上，含煤系数3.11%，主要可采煤为12、15、17、20 号煤。

（3）韦三井田各可采煤层原煤灰分均为中灰煤和高灰煤（Ad在10.79%～39.17%），煤层瓦斯成分依次为N2（7.44%～98.99%）、CH4（0～87.12%）、CO2（0.50%～12.92%）、重烃（＜1%）。太原组煤中0、1、2、3、4、10 号煤为贫气区，下组煤12、15、17、20 号煤大部分地段为低气区，局部地段为中气区。

（4）韦三井田具有良好的煤层气成藏条件和保存条件，含煤面积分布较广，煤层气较为丰富但勘探程度较低。结合开采技术条件，认为该井田及其周边地区具有一定的煤层气开采潜力和经济价值。