潞安礦區(qū)煤儲層特征及瓦斯含量分布規(guī)律研究

1、第卷第期煤炭科學(xué)技術(shù) 年月.潞安礦區(qū)煤儲層特征及瓦斯含量分布規(guī)律研究李陽張浪舒龍勇唐文杰摘要:為了掌握潞安礦區(qū)號煤層儲層特征及瓦斯賦存規(guī)律從煤層埋深煤變質(zhì)程度煤層滲透性煤的吸附特性煤體結(jié)構(gòu)等方面系統(tǒng)分析了煤儲層特征在此基礎(chǔ)上著重對煤層瓦斯含量與煤層埋深煤變質(zhì)程度煤層水分和灰分的定量關(guān)系進行分析建立了煤層瓦斯含量模型得到了煤層瓦斯含量的分布規(guī)律結(jié)果表明:潞安礦區(qū)號煤層厚度大賦存穩(wěn)定埋藏深度大變質(zhì)程度高體積較大壓力較小有利于瓦斯在煤層中富集成藏礦區(qū)內(nèi)多發(fā)育碎裂煤和碎粒煤局部存在糜棱煤煤體結(jié)構(gòu)破碎煤層滲透性較差瓦斯抽采利用難度大各區(qū)塊在相同煤層埋深條件下南部長治區(qū)塊瓦斯含量最大北部襄垣區(qū)塊瓦斯含量次

2、之中部潞安區(qū)塊瓦斯含量最小關(guān)鍵詞:煤儲層特征煤層埋深煤變質(zhì)程度瓦斯含量中圖分類號:文獻標(biāo)志碼:文章編號:(.(.:基金項目:國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(計劃資助項目(國家科技重大專項資助項目(作者簡介:李陽( 男河南焦作人碩士:.引用格式:李陽張浪舒龍勇等.潞安礦區(qū)煤儲層特征及瓦斯含量分布規(guī)律研究.煤炭科學(xué)技術(shù)(:.(:.引言潞安礦區(qū)位于山西省沁水盆地東部中段煤質(zhì)好儲量豐富目前主要開采號煤層雖然礦區(qū)內(nèi)煤炭儲量非常豐富但受理論上高階煤不適合瓦斯商業(yè)開發(fā)認識的限制針對潞安礦區(qū)煤儲層特性瓦斯賦存及瓦斯開發(fā)利用的研究總體比較薄弱對潞安礦區(qū)的研究主要集中在常村煤礦余吾煤礦漳村年第期煤炭科學(xué)技術(shù)第卷煤礦等屯

3、留境內(nèi)的礦井多是利用某一區(qū)域內(nèi)少部分礦井的資料來推測整個礦區(qū)的儲層特征瓦斯賦存規(guī)律和瓦斯資源量缺乏面向整個潞安礦區(qū)的系統(tǒng)研究存在煤儲層特征研究不夠全面瓦斯分布預(yù)測不準(zhǔn)確等問題同時前人大都將煤層物性參數(shù)煤層賦存特征瓦斯賦存規(guī)律等分開研究對各參數(shù)之間相互關(guān)系的系統(tǒng)分析較少而煤儲層參數(shù)對瓦斯賦存和瓦斯抽采利用的影響通常又是密切相關(guān)相互影響共同作用的綜合過程因此針對潞安礦區(qū)煤儲層特征和瓦斯分布規(guī)律的研究具有較大的局限性筆者針對整個潞安礦區(qū)的煤儲層參數(shù)進行了系統(tǒng)統(tǒng)計從研究煤儲層特征出發(fā)系統(tǒng)分析了煤層埋深煤變質(zhì)程度煤層滲透性煤的吸附特性煤體結(jié)構(gòu)等對瓦斯抽采利用和瓦斯賦存的影響在此基礎(chǔ)上著重對煤層瓦斯含量與

4、煤層埋深煤變質(zhì)程度煤層水分和灰分的定量關(guān)系進行分析篩選出影響煤層瓦斯含量的主控因素建立了煤層瓦斯含量模型全面總結(jié)了潞安礦區(qū)煤儲層特征與瓦斯分布規(guī)律為潞安礦區(qū)今后煤層瓦斯防治及開發(fā)利用提供了可靠的基礎(chǔ)區(qū)域構(gòu)造特征潞安礦區(qū)被太行山斷裂帶(晉獲褶斷帶和武鄉(xiāng)陽城坳褶帶東西夾持礦區(qū)整體為向西傾斜的單斜構(gòu)造并伴隨發(fā)育寬緩褶曲及小型斷層區(qū)域性的文王山斷褶帶和二崗山斷褶帶將礦區(qū)分割成北中南三部分自北向南依次為襄垣區(qū)塊潞安區(qū)塊以及長治區(qū)塊襄垣區(qū)塊多發(fā)育寬緩褶曲以及大型斷層潞安區(qū)塊內(nèi)西部主要發(fā)育大型褶曲部分被斷層切割東部發(fā)育小型褶曲區(qū)內(nèi)斷裂多為正斷層和少量逆斷層長治區(qū)塊主要構(gòu)造形跡為寬緩褶曲伴隨發(fā)育少量正斷層及逆

5、斷層各區(qū)塊詳細構(gòu)造特征如下:襄垣區(qū)塊主體為走向北東向西傾伏的向斜伴生有多條北東東北東向次級褶曲和大斷裂寬緩褶曲普遍發(fā)育并伴有小型斷裂較多波狀起伏煤層傾向整體較平緩構(gòu)造較簡單潞安區(qū)塊西部總體為走向北北東傾向北西的單斜構(gòu)造褶曲規(guī)模較大沿南北方向貫穿整個單元多發(fā)育近南北走向的寬緩褶曲和逆斷層并伴有北東向正斷層切割將煤層切割成塊煤層傾向局部起伏較大構(gòu)造較復(fù)雜潞安區(qū)塊東部總體為走向北北東向西緩傾的單斜構(gòu)造褶皺多為近東西的寬緩波狀起伏且規(guī)模較小在北部較為緊密斷層走向主要為北東東向及北西西向煤層傾向變化局部起伏較大構(gòu)造較簡單長治區(qū)塊總體構(gòu)造形態(tài)為寬緩的向背斜褶曲走向近南北北北東南北向褶曲發(fā)育向斜較緊密背斜較

6、開闊斷裂發(fā)育較少多為北東向正斷層部分與褶曲近于平行或斜交煤層傾向整體較平緩構(gòu)造較復(fù)雜煤儲層特征 煤層空間展布特征礦區(qū)內(nèi)發(fā)育有上石炭統(tǒng)本溪組太原組以及下二疊統(tǒng)山西組下石盒子組含煤地層可采煤層主要賦存在石炭系太原組和二疊系山西組地層中其中山西組號煤層最為發(fā)育分布穩(wěn)定全區(qū)可采為礦區(qū)內(nèi)主采煤層研究區(qū)內(nèi)號煤層平均厚度礦區(qū)中部及南部煤層厚度一般均在以上整體上研究區(qū)內(nèi)煤層厚度大穩(wěn)定性好分布面積廣有利于瓦斯富集研究區(qū)內(nèi)號煤層埋深隨地層走勢由礦區(qū)東部邊緣向西緩傾埋深總體上呈東高西低的變化趨勢多在整體上在以淺埋深適中有利于瓦斯積聚成藏 煤變質(zhì)程度瓦斯是伴隨著煤的沉積演化而生成的煤層作為生氣層其變質(zhì)程度對瓦斯的生成

7、量具有顯著影響同時煤層又是儲氣層不同變質(zhì)程度的煤吸附瓦斯量不同因此煤層的變質(zhì)程度在一定程度上影響著煤層瓦斯含量的大小研究區(qū)內(nèi)號煤層鏡質(zhì)組最大反射率在 主要賦存高變質(zhì)程度的煙煤以貧瘦煤貧煤和少量瘦煤為主在個別深部區(qū)域存在無煙煤除了煤的鏡質(zhì)組最大反射率外煤的揮發(fā)分在很大程度上可以體現(xiàn)煤層的變質(zhì)程度對研究區(qū)部分礦井煤樣進行揮發(fā)分測試并結(jié)合收集整理的數(shù)據(jù)對研究區(qū)煤的變質(zhì)程度進行了分析(表表研究區(qū)號煤層原煤煤質(zhì)參數(shù)區(qū)塊/襄垣 潞安 長治 研究區(qū)北部的襄垣區(qū)塊和南部的長治區(qū)塊煤層揮發(fā)分較接近平均值分別為 和 中部的潞安區(qū)塊煤層揮發(fā)分最大平均值為 這說明潞安區(qū)塊煤的變質(zhì)程度相對較低李陽等:潞安礦區(qū)煤儲層特征

8、及瓦斯含量分布規(guī)律研究年第期 煤的吸附特性現(xiàn)今絕大多數(shù)瓦斯以吸附態(tài)賦存于未受采動影響的煤層中因此煤對瓦斯的吸附能力直接影響著瓦斯的區(qū)域分布與富集目前對煤吸附特性的研究多通過等溫吸附試驗來進行在試驗中可以獲得煤的吸附常數(shù)根據(jù)資料結(jié)合研究區(qū)內(nèi)的煤層特征選擇作為試驗溫度使用體積分數(shù)為的作為氣源采取研究區(qū)內(nèi)部分煤樣進行等溫吸附試驗結(jié)合以往數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析其中襄垣區(qū)塊原煤體積為 /平均 /潞安區(qū)塊原煤體積為 /平均 /長治區(qū)塊原煤體積為 /平均 /根據(jù)體積可知研究區(qū)內(nèi)煤層極限瓦斯吸附量整體較高同時壓力相對較小有利于瓦斯富集但不同區(qū)塊間也存在一定差異其中襄垣區(qū)塊極限瓦斯吸附量明顯高于其他區(qū)塊煤的壓力也可以

9、直接反映煤層瓦斯解吸的難易程度壓力越高煤層瓦斯在采動中越難以隨著壓力的降低解吸出來由統(tǒng)計知研究區(qū)內(nèi)各區(qū)塊壓力較為接近其平均值小于我國其他地區(qū)同樣變質(zhì)程度煤的壓力有利于瓦斯抽采 煤體結(jié)構(gòu)特征及煤層滲透性研究區(qū)內(nèi)號煤層碎裂煤較為發(fā)育根據(jù)地質(zhì)勘探資料結(jié)合井下揭露煤層的實際觀察與編錄通過分析各區(qū)塊地質(zhì)構(gòu)造特征歸納總結(jié)研究區(qū)內(nèi)煤層的煤體結(jié)構(gòu)特征如下:襄垣區(qū)塊煤體結(jié)構(gòu)較為完整以原生結(jié)構(gòu)煤和碎裂煤為主局部地區(qū)存在碎粒煤潞安區(qū)塊西部煤層多為碎裂煤和碎粒煤局部地區(qū)為糜棱煤潞安區(qū)塊東部煤層多為原生結(jié)構(gòu)煤與碎裂煤局部地區(qū)存在碎粒煤長治區(qū)塊煤層破碎嚴重多為碎裂煤和碎粒煤局部地區(qū)為糜棱煤結(jié)果表明襄垣區(qū)塊和潞安區(qū)塊東部煤

10、層以原生結(jié)構(gòu)煤和碎裂煤為主局部地區(qū)存在碎粒煤有利于煤層瓦斯的抽采利用潞安區(qū)塊西部和長治區(qū)塊原生結(jié)構(gòu)煤破壞嚴重煤層多為碎裂煤和碎粒煤局部地區(qū)為糜棱煤對煤層瓦斯抽采有較大的負面影響由于研究區(qū)內(nèi)號煤層為典型的高變質(zhì)程度煤煤體結(jié)構(gòu)相對致密受構(gòu)造作用影響多發(fā)育碎裂煤和碎粒煤局部存在糜棱煤煤體破碎嚴重同時號煤層內(nèi)裂隙多被礦物填充這些不利因素對煤層滲透性具有較大負面影響根據(jù)資料潞安礦區(qū)滲透率小于 與國內(nèi)平均水平相比滲透性相對較小不利于瓦斯抽采利用煤層瓦斯含量分布規(guī)律 煤層瓦斯含量主控因素篩選現(xiàn)今煤層中保存的瓦斯大多歷經(jīng)生氣與儲氣過程瓦斯含量受多種影響因素的控制是生氣量和儲氣量綜合作用的結(jié)果在大量影響因素中成

11、煤物質(zhì)成煤環(huán)境煤的變質(zhì)程度等因素控制煤層瓦斯生成量煤巖成分煤層埋深地質(zhì)構(gòu)造等因素影響瓦斯在煤層中的儲存量這些因素一方面影響煤層瓦斯的生成與儲存控制著瓦斯含量另一方面各因素之間也存在著相互影響同時不同因素對瓦斯含量的控制程度也不同造成各因素對瓦斯含量影響的復(fù)雜性因此在研究煤層瓦斯含量分布規(guī)律前應(yīng)該對各影響因素進行分析篩選出對煤層瓦斯含量影響程度最大的主控因素煤的灰分和水分對瓦斯含量的影響一般瓦斯以游離態(tài)和吸附態(tài)賦存于未受采動影響的煤層中其中又以吸附態(tài)瓦斯為主因此在瓦斯生成量一定的情況下煤吸附瓦斯量的多少將直接影響煤層中的瓦斯含量瓦斯在煤層中主要吸附于有機物質(zhì)的表面而煤的灰分反映的是煤層中無機物的

12、數(shù)量因此煤層中煤的灰分越多反映煤層中有機物質(zhì)越少則煤吸附瓦斯的能力越弱原始煤層一般均含有水當(dāng)煤層中水處于欠飽和狀態(tài)時水比甲烷更容易吸附于煤層中因此煤層中水分對瓦斯賦存具有不利影響綜合來看煤的灰分和水分均會對煤層瓦斯的保存產(chǎn)生負面影響因此綜合考慮個因素以數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果為基礎(chǔ)分析灰分和水分對煤層瓦斯含量的影響(圖從整體上看隨著煤中水分灰分的增高煤層瓦斯含量趨于減小煤變質(zhì)程度對瓦斯含量的影響煤層作為一種特殊的儲層兼顧生氣與儲氣雙重功能在漫長的沉積演化過程中其變質(zhì)程度既影響著煤層中瓦斯的生成又通過影響煤孔隙性煤體結(jié)構(gòu)吸附性等控制著瓦斯在煤層中的儲存是影響煤層瓦斯含量分布的重要因素根據(jù)一般規(guī)律煤的變質(zhì)程度

13、越高則其生成瓦斯與吸附瓦斯的能力越強煤的揮發(fā)分在一定程度上可以反映煤的變質(zhì)程度揮發(fā)分越大則煤的變質(zhì)程度越低潞安礦區(qū)各區(qū)年第期煤炭科學(xué)技術(shù)第卷塊煤的揮發(fā)分與瓦斯含量的關(guān)系如圖所示由圖可知隨著煤揮發(fā)分的增加煤層瓦斯含量逐漸減少也就是說隨著煤的變質(zhì)程度降低煤層瓦斯含量也趨于減小 圖煤的水分和灰分與瓦斯含量的關(guān)系 圖煤的揮發(fā)分與瓦斯含量的關(guān)系煤層埋藏深度對瓦斯含量的影響煤層埋藏深度是控制瓦斯賦存的重要影響因素煤層埋藏深度一方面影響煤化過程影響瓦斯的生成另一方面隨著煤層埋藏深度的變化煤儲層壓力也會產(chǎn)生相應(yīng)的變化影響煤吸附瓦斯的能力同時煤層埋藏深度越大則瓦斯與煤層外連通的裂隙越少瓦斯越難以從煤層中向外逸散

14、潞安礦區(qū)煤層瓦斯含量與埋深的關(guān)系如圖所示由圖可知在同一區(qū)塊內(nèi)煤層瓦斯含量隨埋深增加而增大圖煤層埋深與瓦斯含量的關(guān)系 煤層瓦斯含量影響因素綜合分析通過分析各因素對瓦斯含量的影響可以建立表示不同影響因素與瓦斯含量之間關(guān)系的回歸方程(表表各影響因素與瓦斯含量回歸分析區(qū)塊煤的揮發(fā)分回歸方程相關(guān)系數(shù)水分與灰分回歸方程相關(guān)系數(shù)煤層埋深回歸方程相關(guān)系數(shù)襄垣 ( 潞安 ( 長治 ( 從回歸方程的相關(guān)系數(shù)可以看出各區(qū)塊內(nèi)煤層埋深與瓦斯含量的相關(guān)性最好相關(guān)性系數(shù)均在 以上而煤的變質(zhì)程度灰分水分等因素與瓦斯含量的回歸方程相關(guān)性系數(shù)均在 以下相關(guān)李陽等:潞安礦區(qū)煤儲層特征及瓦斯含量分布規(guī)律研究年第期性較差因此在研究各

15、區(qū)塊煤層瓦斯分布規(guī)律時應(yīng)該以煤層埋深D作為影響瓦斯賦存的主控因素 煤層瓦斯分布規(guī)律以煤層埋深作為影響瓦斯含量的主控因素根據(jù)各區(qū)塊埋深與瓦斯含量的回歸公式研究區(qū)南部的長治區(qū)塊瓦斯含量梯度最大為 /( 北部的襄垣區(qū)塊次之其瓦斯含量梯度為 /( 中部的潞安區(qū)塊瓦斯含量梯度最小為 /( 依據(jù)瓦斯含量與其主控因素煤層埋深之間的關(guān)系推測各區(qū)塊內(nèi)不同煤層埋深(區(qū)內(nèi)煤層埋深一般為所對應(yīng)的瓦斯含量(表根據(jù)推測結(jié)果在相同煤層埋深條件下南部的長治區(qū)塊瓦斯含量最大北部的襄垣區(qū)塊瓦斯含量次之中部的潞安區(qū)塊瓦斯含量最小因此潞安礦區(qū)號煤層瓦斯含量存在中部低南北部高的趨勢其中南部瓦斯含量略高于北部表各區(qū)塊瓦斯含量和煤層埋深的

16、對應(yīng)關(guān)系煤層埋深/煤層瓦斯含量/( 襄垣區(qū)塊潞安區(qū)塊長治區(qū)塊 在研究區(qū)內(nèi)隨著煤層埋深的增加瓦斯含量趨于增高同時區(qū)內(nèi)煤層埋深存在東淺西深的特點因此潞安礦區(qū)號煤層瓦斯含量具有南高北低西高東低的總體分布趨勢結(jié)論潞安礦區(qū)號煤層厚度大埋藏深度適中各區(qū)塊內(nèi)煤層變質(zhì)程度較高體積平均值較大有利于瓦斯在號煤層中富集成藏雖然各區(qū)塊內(nèi)煤層壓力平均值較小瓦斯容易隨煤層卸壓解吸出來但構(gòu)造煤較為發(fā)育多為碎裂煤和碎粒煤煤體結(jié)構(gòu)破碎煤層滲透性較差瓦斯抽采利用難度大潞安礦區(qū)內(nèi)號煤層瓦斯含量具有如下分布規(guī)律:各區(qū)塊間在同一煤層埋深條件下南部的長治區(qū)塊瓦斯含量最大北部的襄垣區(qū)塊瓦斯含量次之中部的潞安區(qū)塊瓦斯含量最小即各區(qū)塊間煤層瓦

17、斯含量存在中部低南北部高的趨勢同時各區(qū)塊內(nèi)部瓦斯含量受煤層埋藏東淺西深的影響存在西高東低的趨勢參考文獻:周心權(quán).基于瓦斯爆炸事故剖析突發(fā)事件應(yīng)急處置的重要性.煤炭科學(xué)技術(shù)(:.:.:.琚宜文李清光顏志豐等.煤層氣成因類型及其地球化學(xué)研究進展.煤炭學(xué)報(:.張子敏.瓦斯地質(zhì)學(xué).徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社. 琚宜文李清光譚鋒奇.煤礦瓦斯防治與利用及碳排放關(guān)鍵問題研究.煤炭科學(xué)技術(shù)(:. 琚宜文衛(wèi)明明侯泉林等.華北含煤盆地構(gòu)造分異與深部煤炭資源就位模式.煤炭學(xué)報(:. 劉世奇桑樹勛李夢溪等.樊莊區(qū)塊煤層氣開發(fā)地質(zhì)類型與開發(fā)技術(shù)模式.煤炭科學(xué)技術(shù)(:. 張書林孫喜貴陳杰.常村井田構(gòu)造成因及對瓦斯賦存的影響.煤炭科學(xué)技術(shù)(:. 冀敏俊.潞安礦區(qū)高河井田煤層氣地面抽采有利區(qū)段評價.煤田地質(zhì)與勘探(:.劉正傅雪海王可新等.潞安礦區(qū)屯留井田煤層氣儲層物性特征/煤層氣勘探開發(fā)理論與實踐.北京:石油工業(yè)出版社:.姚艷斌劉大錳.華北重點礦區(qū)煤儲層吸附特征及其影響因素.中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(:.蔚遠江.準(zhǔn)噶爾盆地低煤級煤儲層及煤層氣成藏初步研究.北京:中國地質(zhì)大學(xué)(北京:.黃廣林.潞安礦區(qū)煤儲層特征及地質(zhì)控制因素分析.中國煤層氣(:.范俊佳琚宜文侯泉林等.不同變質(zhì)變形煤儲層孔隙特征與