河南焦作发表论文

张小东 王利丽

（河南理工大学资源环境学院 河南焦作 454000）

作者简介：张小东，1971年生，男，河南温县人，博士，讲师。主要从事瓦斯地质、煤层气地质等方面的研究。电子邮箱：z 。

项目资助：河南理工大学博士基金（编号648513），“河南省焦作煤田煤层气资源潜力调查评价”等项目的资助。

摘要 本文以焦作煤田古汉山井田为研究区，通过定性分析与定量研究，探讨了煤层埋深、顶底板岩性、煤层厚度以及地质构造等因素对煤层含气性的控制。通过数理统计的方法，得出了埋深、有效埋藏深度以及煤厚与煤层含气量的回归方程，并对回归方程进行了显著性检验。研究结果表明：煤厚、断裂构造以及埋深是影响古汉山井田煤层气赋存特征的主要因素。具体表现为：①随着煤厚的增加，含气量线形增大；②随着埋深和有效埋藏深度的增加，含气量先是急剧增大，到了一定阶段后，增大趋势变慢，之间具有对数正相关关系；③在断层尖灭端，含气量大，断裂带内含气量小；断层的下降盘的含气量大于上升盘；同一断块中，距离断层面越远，含气量越大。煤层的顶板岩性对含气量有一定的影响，但不是引起井田内煤层含气量变化的主控因素。

关键词 古汉山井田 煤层气 回归分析 影响因素

Existence Characteristic of CBM in Guhanshan Coalmine of Jiaozuo Coalfield

Zhang Xiaodong，Wang Lili

（College of Resources ＆ Environment，Henan Polytechnic University，Jiaozuo 454000）

Abstract：Used qualitative and quantitative analysis，the influences of the factors such as burial depth and thickness of coal seams，lithology of the roof and floor rocks，and geology structures on CBM-bearing properties had been discussed.By the mathematical statistics，the regression equations about the relationship among the burial depth，the effective burial depth，the thickness of coal seams and CBMcontent had been gained and the test of significance of the equations was done.The results showed：1.Burial depth，seam thickness and fault structures are the main factors to influence on the existence characteristic of CBM in Guhanshan coalmine.The actual features are：（1）With the increase of seam thickness，CBM-content increases in a linearity；（2）The relationship among burial depth，the effective burial depth and CBM-content is positive correlation in a logarithm；（3）the gas-content at the vanishing end of faults is higher and is low with the zones of faults.Gas content in down-thrown side of fault is higher than that in up-thrown side；with increase of the distance from fault，the gas content becomes higher insider the same fault block；2.The lithology of the roof and the floor rocks has certain influence on gas content，but not the main factor to control the change of gas content.

Keywords：Guhanshan coalmine；CBM；regression analysis；factors

前言

焦作矿区是我国优质无烟煤的产出基地之一，蕴藏着丰富的煤层气资源，矿区与已经取得勘探开发重大突破，并作为我国第一个已商业化规模开采的山西省沁水煤层气田紧邻，具有较好的煤层气勘探开发条件[1]。根据中国煤田地质总局的煤层气资源调查研究结果，该区在2000m以浅、风化带以深、含气量4m3/t以上的可采煤层的煤层气资源量为1100×108m3，资源丰度为2.31×108m3/km2，并被划分为煤层气较为有利的目标区[2]。作为目前焦作矿区的主要生产矿井之一，古汉山煤矿自开采至今，已发生3次煤与瓦斯突出。自建井以来，该矿每年要投入大量的入力和物力用于防治煤与瓦斯突出。将瓦斯灾害转化为煤层气资源加以利用，不仅可从根本上达到防治该矿煤与瓦斯突出事故发生的目的，也对资源的有效利用和当地环境保护具有重要的现实意义。

本文根据井田煤层含气量的分布变化规律，系统探讨了地质构造、埋深、煤厚以及顶底板岩性对煤层气赋存的控制作用，借助于数理统计分析方法，找出煤层含气量的主控因素，为古汉山矿的瓦斯突出和煤层气资源的勘探开发提供指导作用。

1 井田地质构造特征

焦作煤田位于太行山复背斜隆起的东南侧，处于济源-开封凹陷的西北部，区内广泛发育自燕山运动以来所生成的各种构造形迹，主要以断裂构造为主，褶皱构造表现微弱。区内岩浆活动较弱。

古汉山井田介于古汉山断层和油房蒋断层之间。煤系地层走向为NE40°，倾向SE，倾角12°～19°。井田内较大的断裂构造分布稀疏，且均为高角度正断层，属于构造简单井田。井田内中小构造特征及分布规律如下：

断层：井田内已揭露断层均为正断层，走向多为EW及NW，倾角从30°～75°不等，断层附近岩、煤层垂直节理发育，顶板多有揉皱现象。

褶曲：褶曲总体特征表现为宽缓的构造形态，向、背斜轴间距150m左右，局部出现小褶曲，顶板滑动面发育，岩、煤层强度受到影响，给煤层开采带来负面影响。

2 煤层含气量的分布规律

井田内主要含煤建造为石炭、二叠系含煤地层，共计含煤13层，其中，只有二1煤和一2煤两层达到可采厚度。二叠系山西组底部二1煤层结构简单，煤层均厚为5.0m，属较稳定型中厚煤层，为本研究项目的目的层。本次研究收集到的含气量资料共计35个，其中，通过钻孔取心测得的含气量数据23个，断层不同部位的实测含气量数据12个。在埋深158～951m的范围内，含气量分布在8.08～32m3/t之间。

就整个井田而言，自东向西，含气量有增大的趋势，而由南向北，含气量呈现减小的趋势；在同一断块内，距离断裂带越近，含气量较小，但在断层尖灭端附近，含气量往往较大；深部断块的含气量高于浅部。

3 控制煤层含气量的因素

在相关因素对含气量的影响关系探讨前，需要对所搜集到的含气量数据进行可适性分析。钻孔取心数据23个中，甲烷成分含量小于80%，属于甲烷风化带以上，在本次研究中，这些数据不予考虑（共5个）；断层不同部位的实测含气量数据15个，含气量受断层构造的影响较大，因此，在探讨煤厚、埋深等因素对含气量影响时，这部分数据仅可作为参考。

3.1 煤厚对含气量的影响

根据可使用的含气量数据，得到的煤层厚度与含气量的关系见图1。

由图1，可以看出，煤层厚度与含气量之间存在正相关关系，相关方程式为：

W=6.9178*h-14.262（R=0.62）

式中：W——含气量（m3/t）；h——煤层厚度（m）。

该回归方程的显著性检验表明，对于给定的显著性水平α=0.05，查得t0.025（11）=2.2010，而根据数据点计算得到的 t=2.6200，t ＞t0.025（11），所以在显著性水平 α=0.05下，上述回归方程是显著的。进而可以得出，煤厚是影响古汉山井田煤层含气量的主要因素之一。

图1 煤厚（h）与含气量（W）关系

图2 埋深（H）与含气量（W）的关系

3.2 埋深与含气量的关系

煤化作用过程中产生的大量气体能否得到较好的保存，还有赖于煤层埋藏深度即上覆地层厚度。一般认为，随着埋深的增加，煤层气的保存能力不断增大。根据可使用的含气量数据，得到的煤层埋深与含气量的关系见图2。

由图2看出，随着埋深的增加，含气量有增加的趋势，两者间具有一定的正相关关系，数理统计分析结果表明，两者间的相关方程式为：

W=12.55ln（H）-56.873（R=0.69）

式中：W——含气量（m3/t）；H——煤层埋深（m）。

该回归方程的显著性检验表明，计算得到的t=3.1951，t＞t0.025（11）=2.2010，上述回归方程是显著的。由此可以认为，埋深是影响古汉山井田煤层含气量的主要因素之一。

根据埋深与含气量的趋势线分布可以看出，在埋深小于400m 时，随着埋深的增加，含气量快速增大；当埋深超过400m后，随着埋深的增加，含气量缓慢增大。

3.3 有效埋藏深度与含气量的关系

煤储层上覆有效地层厚度指的是含煤盆地或地区的地层剖面中对煤层含气性能起控制作用的煤层上覆地层厚度[3]。可以用煤层到气体大量生成后第一个不整合面的地层厚度表示，它真实地反映了煤层气大量生成后构造运动及其造成的地层抬升、剥蚀等作用对煤层气保存条件的影响[4]。一般说来上覆地层有效厚度越大，保存条件越好；有效地层厚度越薄，表明构造运动造成抬升、剥蚀强烈，地层压力降低，气体越易发生解吸散失。

三叠纪末，本区的地层抬升剥蚀作用可能会降低煤层含气量。二1煤层顶板至新生界地层基底之间的厚度反映了不整合面形成后残存的盖层厚度即基岩厚度，也反映了二1煤层含气性的有效埋藏深度[4]。本次研究统计结果表明，煤层含气量随着有效埋藏深度的增加而增大，两者间具有一定的对数关系（图 3），相关方程式为：

W=9.86ln（H1）-34.87（R=0.60）

式中：W——含气量（m3/t）；H1——煤层埋深（m）。

该回归方程的显著性检验表明，计算得到的 t=2.4876，t＞t0.025（11）=2.2010，上述回归方程是显著的。由此同样认为，有效埋藏深度也是影响古汉山井田煤层含气量的主要因素之一。

图3 有效埋藏深度（H1）与含气量（W）的关系

根据有效埋藏深度H1与含气量的趋势线分布可以看出，在H1＜250m 时，随着H1的增加，含气量快速增大；当H1＞250m后，含气量随有效埋藏深度的增大缓慢增加。

3.4 断裂构造对煤层含气量的影响

不同类型的地质构造，在其形成过程中构造应力场特征及其内部应力分布的不同，均会导致煤储层和封盖层的产状、结构、物性、裂隙发育状况及地下水径流条件等出现差异，并进而影响到煤储层的含气特性[2]。一般来说，正断层属于开放型，封闭性较差有利于气体的逸散，而逆断层属于压性或压扭性，具有较好的封闭性，有利于气体的保存。另外，同一构造的不同部位对煤层气的富集和运移的作用关系也是有差异的。

古汉山井田属于一单斜构造，区内的主要构造类型为正断层，逆断层尚未发现，而褶曲仅在局部出现。区内主要断层的不同部位的含气量分布见表1，与构造关系较为密切的钻孔含气量数据见表2。

表1 同一断裂构造不同部位的含气量数据

表2 与断裂构造相关的钻孔含气量数据

根据不同断层上、下盘的实测含气量数据（见表1），可以发现，断层上升盘的含气量明显要小于下降盘。其原因在于：一是由于下降盘下降过程中，构造活动相对较强，其对煤层揉搓作用期间，温度增加，使得更多的煤层大分子结构及侧链或支链发生热解，从而造成局部生烃量的增大；二是由于下降盘伴生次级断裂较为发育，破坏了煤层气的逸散通道，以及构造的揉搓使得煤体结构的破坏程度增强，减弱了煤层的透气性，形成了聚气和阻气构造，不利于气体逸散，使得煤层气相对富集。

由表2可以看出，断层尖灭端附近的2308孔，含气量可达到32m3/t。主要是由于断层尖灭端附近，应力集聚，煤体破碎，降低了煤层的透气性，从而形成了聚气构造，使得气含量增大。在断裂带附近的官4钻孔，含气量较小，仅为9.16m3/t。钻孔32-10的见煤深度尽管很大（950m左右），但由于见煤点距离团相断层较近，其含气量仅为12.53m3/t。研究也发现，距离断裂面越远，含气量越大，主要是由于区域内的较大断裂构造全部为张性正断层，这些断裂往往会形成导气构造，并且距离断裂面越近，透气性越好，生成的煤层气更易逸散，从而降低了煤层气含量。

3.5 顶底板岩性对含气量的影响

焦作煤田的二1煤层顶板多为粉砂岩和细砂岩互层，粉砂岩致密，胶结良好；顶板和煤层之间发育一层0.12～1.0m的致密炭质泥岩；煤层底板普遍发育厚11.2～21.5m的泥岩，使煤层处在一个封闭条件较好的环境中，对煤层气的保存十分有利，这也是焦作矿区能够富集丰富的煤层气资源的主要原因之一。

古汉山井田的煤层顶板为灰色，深灰色细-中粒砂岩，一般厚度为23.0m，有时相变为砂质泥岩。煤层伪顶和直接顶岩样的孔隙性测试结果见表3。

比较煤样和顶板岩样的孔隙结构参数，可以发现，顶板岩石的孔容和比表面积远小于煤，且其中值孔径也是如此，结合井田范围内顶板分布的相对稳定特征，可以推断，古汉山井田的顶板岩石的孔隙含量远小于煤，并且在顶板岩石中，大孔含量要比煤样小得多，主要是以小孔为主。井田煤层底板岩为较为稳定的泥岩和砂质泥岩，透气性很差，有利于煤层气的保存，并且具有比较稳定的分布特征。

表3 煤样及煤层顶板岩样的孔隙结构参数

由此可以看出，古汉山井田煤层的顶、底板岩性均有利于煤层气的保存，但由于其相对稳定的分布特征，可以推测，井田煤层顶、底板岩性对不是引起含气量变化的主要因素。

4 结论

（1）煤层厚度对古汉山井田煤层含气量的影响较大，厚度越大，含气量就越大，两者呈线性正相关关系。

（2）煤层埋深和有效埋藏深度也有较大影响。在埋深和有效埋藏深度较小的区域，随着深度的增加，含气量快速增大；当埋深到400m，有效埋深在250m左右时，含气量随着深度增加，其增大趋势减缓。

（3）地质构造对含气量的影响表现为：断层尖灭端附近，含气量大，而断裂带内含气量小；断层的下降盘的含气量明显大于上升盘；同一断块中，距离断层面越远，含气量越大；并且距断层面越远的煤层，含气量越大。

（4）古汉山井田煤层顶、底板岩性有利于煤层气的富集，但不是影响该井田煤层含气量变化的主要原因。

致谢：论文研究过程中，焦作矿务局水文地质勘探公司总工刑会安，焦作煤业集团古汉山矿地质科靳发贵科长、安检科杨学俊副科长提供了有关资料。孔隙结构参数测试得到了中国矿业大学测试中心的张井高级工程师和唐家祥工程师的帮助，在此一并表示感谢。

参考文献

[1]贠三强，田张丽.2005.河南焦作矿区二1煤储层特征及煤层气资源潜力评价[J].中国煤田地质，17（6）：13～16

[2]叶建平，秦勇，林大杨.1998.中国煤层气资源[M].徐州：中国矿业大学出版杜，124～184，208～217

[3]王凤国，李兰杰，徐德红.2003.华北地区煤层含气性影响因素探讨[J].焦作工学院学报，22（2）：88～90

[4]宋志敏，孟召平.2002.焦作矿区山西组二1煤层含气量的控制因素探讨[J].中国矿业大学学报，31（2）：179～181