贵州省六盘水地区瓦斯富集因素分析定稿.doc

贵州省六盘水地区瓦斯富集因素分析收稿日期：2010-04-21基金项目：贵州省科技基金项目 项目编号：2007196作者简介：鲍淼（1978），男，贵州省安顺市人，硕士，地质工程师，研究方向：矿产探勘与开发研究。Email: bao_鲍淼1 杨,瑞东2 刘玲1 林渊1（1贵州省有色金属和核工业地质勘查局，贵州 贵阳，550005 2贵州大学研究生院，贵州 贵阳，550003）摘要:瓦斯是一种高能而无污染的能源之一，现也成为科学界研究的重点方向。在收集研究区大部分矿井瓦斯含量的基础上，从煤层的变质程度、顶底板的岩性、煤层厚度、地质构造等因素综合分析了贵州西部重要产煤区六盘水地区影响瓦斯富集的主要因素，综合分析结果认为瓦斯的富集的因素必须同时具有生、储、密3个条件，在研究区的煤层变质程度、煤层顶底板岩性特征、煤层厚度和构造特征具备生、储、密3个条件的区域很可能就是瓦斯富集的远景区，而且在这些区域可能也是瓦斯灾害防治的重点区域。 关键词: 瓦斯含量；高瓦斯富集区；六盘水； 贵州中图分类号：TK01煤层瓦斯（煤层气）是我国开发和利用的主要能源之一，贵州省的煤炭资源丰富，其资源储量位居全国第五位，煤炭是瓦斯产生的物资基础，丰富的煤炭资源，必然会产生大量的瓦斯资源。事实证明，贵州省的瓦斯储量居全国第二位，约为31 511亿m3，仅次于山西。在我省，每年在煤炭资源开采过程中，常常会因为瓦斯的含量过高而引起许多的瓦斯事故，不但造成人类生命财产的损失，同时也造成大量的资源浪费。因此，对于瓦斯的研究就成了我省面临的一个比较紧迫且热门的课题。 煤层气又称煤层甲烷，它是一种储存于煤层中及邻近岩层中的以自生自储的非常规天然气1，它的分布规律主要与构造、煤层厚度、煤层变质程度、顶底板岩性和水文地质条件等因素有关2。为了研究贵州六盘水地区晚二叠世煤系地层中煤层气（瓦斯）富集的因素，作者收集了研究区大量矿井的瓦斯含量，绘制了瓦斯含量等值线图，从地质构造、煤层厚度、变质程度、顶底板岩性和水文地质条件等因素结合矿井和钻孔瓦斯的含量等值线图，探讨贵州六盘水地区晚二叠世煤系地层中瓦斯富集主要因素，并划分出煤层气开发有利区域和煤炭开采中瓦斯预防重点区域，为煤层中瓦斯利用和煤炭开采中瓦斯预防提供重要的科学依据。1瓦斯含量与瓦斯富集王国司等认为六盘水地区的岩脚、格木底、郎岱、六枝、青山等盆地是煤层气的远景区3。2007年鲍淼等人根据收集和测试的瓦斯含量绘制了瓦斯含量等值线图4，其依据数据：在研究区按每个村镇作为基本的单元格，以村镇为基本单位，将收集到的每一个村镇的矿井瓦斯数据相加，然后取其平均值作为该村镇矿井瓦斯平均含量值，将瓦斯含量相等的地区用等值线连接起来，编制了研究区矿井瓦斯含量等值线图1。从图1可以得知：研究区从西往东，从南往北，瓦斯的含量均呈渐增的递变。根据瓦斯等级划分的原则，相对瓦斯含量大约10 m3/t和绝对瓦斯含量大约1m3/min的矿区划为高瓦斯区，结合区内地质构造、变质程度、煤层厚度、矿井和钻孔瓦斯的含量以及地层的叠置结构等综合分析，可在研究区圈定了3个高瓦斯富集区和一个低瓦斯区， 即：民主镇羊场镇松河镇高瓦斯区（）；都格勺米玉舍镇高瓦斯区（）; 郎岱箐口新窑镇高瓦斯区（）；一个低瓦斯区，即：发耳低瓦斯区（）。在圈定的3个高瓦斯区是瓦斯开采的远景区，同时也是瓦斯灾害防治的重点区域。 图1 六盘水地区瓦斯含量等值线图 Fig1 Contour of gas content in Liupanshui 2煤层的变质程度对瓦斯的影响煤层对瓦斯的吸附能力具有下列特征：当煤层的变质程度增加时，煤层的吸附能力不断增强，在其Rmax=5%左右的时候，其吸附能力达到最大值，之后随着Rmax的值增加而迅速图2 不同煤质对瓦斯吸附能力的影响示意图 图3 六盘水地区煤层镜煤反射率等值线图Fig2 The sketch map show that influence of absorbgas Fig.3 The map show that contour of the albedo of ability in the different metamorphism degree coalbed coalbed anthraxylon in Liupanshui County下降达到零吸附，当Rmax6%时，基本上就不发生吸附5（图2）。在研究区西部及其北部地区煤层变质程不高，从西向东，从北到南，煤的变质程度逐渐增高（图3）。在该区煤层的镜煤反射率一般都比较高，从上图2我们可以看出在研究区，从北西往南东方向，煤层的镜煤反射率逐渐增高，其变化范围一般在0.8%3.0%之间。在研究区的相当一部分地区的镜煤反射率都是在1.9%2.5%之间，即是贫煤无烟煤阶段，在这个阶段，煤层埋藏较深，厚度较大，煤系地层或煤层已经具有较高的生气条件和煤层气储存条件。同时根据上述分析，在贫煤无烟煤阶段，煤的变质程度相对较高，煤层生成瓦斯的能力达到峰值6，煤层储存瓦斯的能力也相应增加。煤阶、煤层反射率及煤层对瓦斯的吸附能力对照如（图4）。在这个阶段，煤层瓦斯的生成和富集能力都很高，在这些地区就很容易形成高瓦斯富集区。从煤层的变质程度角度而言，在该研究区一部分地区（如：研究区的响水镇、发耳镇等等）的煤质都较有利于瓦斯的产生和储存，所以该区的煤层变质程度特征有利于瓦斯的储存，也为瓦斯的产生提供充足的物质来源，该煤质瓦斯的生成和储气提供有利条件。 图4 煤阶、煤层反射率及瓦斯最大含量对照图 图5六盘水地区洒箐三官营剖面柱状图Fig4 Coal steps, the albedo of coalbed anthraxylon Fig5 The log show that Upper Permian section from and gas most large content contrast picture Saqing to Sanguanyun in Liupanshui County3 煤层顶底板岩性对瓦斯的影响 煤层顶底板岩性对煤层气的封闭能力主要取决于毛细管力，毛细管力封闭是由于盖层具有较高的毛细管阻力而阻止气体逸散，毛细管力的大小取决于毛细管半径的大小及其分布，而毛细管发育状况主要受盖层岩性、粒度、密度、致密程度等因素的影响。现将其封闭能力大小顺序排列如下：油页岩泥岩砂泥岩石灰岩砂岩7（张新民，1991）。油页岩封闭性能极为良好，其分布稳定，延伸范围大，岩性致密坚硬；泥岩是煤层中最常见的一种围岩，它通常具有很好的封闭性能；煤系中出现的灰岩一般主要是生物碎屑泥晶灰岩、含生物碎屑灰岩及泥灰岩，其孔隙度大多数小于1%，渗透率一般小于0.01103m2，但是具有裂缝的灰岩其空隙度可达4%，渗透率可达2103m2。因此对于灰岩型围岩进一步又可以分为两类：第一类是指在构造运动不强烈的地区的灰岩，其裂缝溶洞均不发育，具有一定的封闭能力。第二类灰岩的裂隙和岩溶较发育，导致其封闭能力大大降低。砂岩型围岩在横向上最不稳定，往往很快相变为砂泥岩和泥岩，该类型的围岩封闭能力很差，往往和煤层一起构成储气层。瓦斯在煤层中要受到一定的外应力，在外应力的作用下驱使瓦斯不断的运移和排放，其运移和排放的速度与煤层顶底板岩性的渗透性密切相关。如果煤层顶底板岩性的渗透性大，则瓦斯不易保存，如果煤层顶底板岩性的渗透性小，则瓦斯就容易保存。煤层中瓦斯含量高低还与煤层渗透性有关，煤层大量的微裂隙发育，加大了瓦斯的储存空间，同时也增加了瓦斯的储存量，就容易形成高瓦斯煤层。如果煤层顶底板岩性的渗透性小，但由于煤层渗透性差，煤层的储存空间小，生成的瓦斯被吸附在煤层内部，瓦斯很难排放出来，也不能形成高瓦斯煤层。在研究区，对于不同的沉积环境的地层，其岩性特征是不相同的。现以研究区盘县特区的洒箐三官营剖面位典型研究剖面为例，该剖面主要出露的地层为晚二叠世龙潭组和底部的峨眉山玄武岩组。龙潭组地层的厚度大约为367m，底部主要为灰黄色粘土岩、黄色薄层泥岩、灰紫色薄层铝土质页岩和灰色厚层砂岩；中部主要为含煤地层，含煤层11层，煤层的顶板主要岩性为泥岩、砂岩，底板主要岩性为渗透性较差的页岩、泥岩等；上部主要为厚层、块状细砂岩、砂质泥岩、页岩；而底部是一套峨眉山玄武岩，其厚度151732m。从洒箐三官营剖面（图5）可以看出，研究区煤层的顶底板几乎都是泥岩、页岩或粘土岩，根据第三章的岩性分析可知，这些岩层的空隙度都比较小，厚度较大，而且层数多，在这种封闭性能好的多层岩层封闭条件下，煤层在变质过程中所生成的大量瓦斯，是很难逸散出这种封闭较好的储存空间的很难从这种封闭较好的储存空间中逸散出，所有大部分从煤层中生成的瓦斯就被密闭在煤层中，经过常年的聚集而在煤层中形成煤层气藏。另外，从图5得知，剖面上还有很多的砂岩层，这些岩层的空隙度都较大，而且这些砂岩层的顶面都有密闭条件较好的泥岩，因此从煤层中产生的瓦斯，一部分在外应力的驱动下可能会发生运移到这些岩层中，在这些封闭条件较好的沙岩层中同样很有可能形成煤成气藏。所以在研究区，除了煤层这一储存瓦斯空间外，瓦斯还可能储存在砂岩中，该岩性为瓦斯的储存提供了有利的密闭储存空间。4 煤层厚度对瓦斯分布的影响瓦斯的总量可以用下面的公式计算而得8：G=G1+ G2+ G3+Gn。Gn=AnhnDnCn，Gn为第n块煤层气储量；An为第n块煤层含气面积km2；hn为第n块煤层的加权平均厚度m；Dn为第n块煤层的平均密度t/ m3；Cn为第n块煤层的平均含气t/ m3；G为煤层气田的瓦斯总量。根据以上公式可知：煤层的瓦斯总含量与煤层的厚度成正相关关系。在研究区可采煤层累计厚度一般在20-40 m之间，有些地区的煤层可采厚度大于40 m。从图5中可知， 在一些地区的累计厚度大于40 m，煤层的累计厚度越厚，则煤层的资源量就越大。所以在研究区，丰富的煤炭资源在地质作用的过程中提供了大量的瓦斯。同时煤层是瓦斯富集的空间，煤层的厚度越大，则瓦斯的圈闭储存空间就越大，储存的空间越大，则瓦斯的量就越多，所以在该研究区，从煤层的厚度分析，非常有利于瓦斯的富集。如在该区六枝的堕却镇、箐口镇等地区和水城的发耳镇、啊嘎乡、勺米镇等等地区，煤层的累积厚度都大于40m，在这些区域瓦斯含量较高，同时厚层的煤层为瓦斯提供了充足的瓦斯物源，为瓦斯的富集提供有利的生气条件。 图6 六盘水地区煤层厚度分区图（据王国司等，2001）Fig6 Map of the dividing area of the thickness of coalbed in Lupanshui area(WangGuoSi 2001)5 地质构造特征对瓦斯分布的影响 影响瓦斯分布的地质构造特征主要有地质演化史、褶皱、断裂3个方面：1）地质演化史研究区位于扬子盆地聚煤区，该盆地沉积了早石炭世测水组、晚二叠龙潭组含煤岩系，研究区是该盆地聚煤作用最强烈的地区，其煤炭储量和煤层气资源量都位于该盆地之冠。在晚二叠世研究区主要断裂呈现明显的的继承性同沉积活动，使断裂两侧的地层厚度、岩相及含煤性均有明显差异。本期内主要经历了海西、印支、燕山和喜马拉雅运动，经过上述运动后，研究区被改变为现在的面貌。该区大部分的背斜轴部的晚二叠世煤层多被剥蚀殆尽，煤层仅保留在向斜和个别背斜构造之中。经过印支运动后，该区地壳抬升，大部分地区缺失中生代地层。燕山运动是区内最明显的一次构造运动，形成了一系列的短轴状褶皱和逆冲断层，主要有三组，尤其以NE向和NW向断裂发育时间从古生代到新生代，控制了区内含煤岩系的沉积和构造面貌。形成了数十个规模不等的NE向和NW向背斜和向斜构造，在背斜处煤层多被剥蚀，煤层彼此孤立的仅仅存在于向斜中，同时也是煤层气藏的储存场所。2）褶皱在研究区位于康滇古陆东部的边缘地带，在漫长的地质变化过程中经历了许多大的地质构造作用，在这些大的地质构造作用过程中，发育了大量的褶皱、断裂构造。在研究区发育的褶皱构造主要以短轴状的向斜或背斜为主，在成煤作用后期的漫长地质作用过程中，由于受到古特提斯海板块向东的俯冲作用，研究区长时间处于提升和下降的波动状态，在抬升作用的过程中，由成煤后期地质作用而形成的大量含煤层的背斜构造被剥蚀夷平，在研究区现在就形成了许多孤立的向斜构造煤田。从贵州省1:50万的地质构造图可以看出，在该研究区主要发育了汪家寨向斜、滥坝向斜、玉舍向斜、六枝向斜等等，在这些向斜地层中，煤层保存的比较完整，完整的煤层为瓦斯的富集提供了有利的物质条件和储存空间。3）断层该区山于受南部边缘加里东褶皱带的影响，发育有一系列北东向断槽，这些断槽对煤的富集起着一定的控制作用。研究区构造主要为以下四种构造型式：水城-紫云北西向斜列式构造、发耳构造断裂带、郎岱三角形构造和盘县三角洲构造带。（1）水城-紫云北西向斜列式构造：该区的断裂构造为水城-紫云北西向斜列式构造，该构造带斜贯贵州西部，西北段伸入云南，东南段延入广西。这一构造带有两重意义:作为深层构造，它切入基底，甚至部分切入上地慢，是一种长期发展的古断裂；作为表层构造，它主要是在中生代晚期形成的压剪性褶皱断裂带，具有雁行式或斜列式组合，表层褶皱断裂带卷入了古生界及三叠系和侏罗系，表层主干断裂以威宁、水城至关岭一线最为发育，为一组压性和压剪性断裂，与褶皱伴随，变形较强；其北，在赫章南，娅都、蟒洞一带，压性和压剪性断裂也较密集，变位显著。两断裂带之间，发育一组褶皱，呈右型斜列。从紫云附近至威宁、赫章间，组成斜列式的主要褶皱有火烘背斜、纳银背斜、三圣水背斜、堕却背斜，七股水背斜、珠市河背斜等。（2）郎岱三角形构造带：该带位于水城一紫云北西带的西南侧，由三条边框背斜带围成近于等边三角形，顶点分别在滥坝、黄果树和罐子窑附近。三角形的东北缘为堕却一三圣水背斜带，是与水城一紫云北西向斜构造带共有的构造成分。轴部出露泥盆系，走向逆断层和次级褶皱也较发育，以上三条边框背斜带均略成弧形，向三角形中心凸出，两端都向三角形顶点部位逐渐弯曲和收敛。三角形内部，沿各顶角平分线发育三条向斜带。此外，从各边框背斜带的中段各伸出一个鼻状构造。从宏观上看，郎岱三角形构造的周边都是高陡背斜带，出露泥盆石炭系；三角形内部为向斜盆地，分布三叠系和部分侏罗系；由于3条鼻突的交汇，三角形中心又复隆起，并把内部盆地分隔成3条独立的向斜，郎岱三角形构造的变形强度以各顶点及边框最强，内部较弱。（3）盘县三角洲形构造带：该区的构造组合具有明显的三角形轮廓，其规模与郎岱三角形构造相近，两者东西并立，相互呼应。盘县三角形构造的周边隆起，总体上形成一块三角形盆地。盆地的东北部为土城弧形构造带，具有复式向斜形态，由一系列较紧闭的褶皱和压性、压剪性走向断裂构成。盘县三角形构造的东南部为莲花山弧形构造带，亦由褶皱和压性、压剪性断裂构成。莲花山弧的西段走向南西北东，东段走向东西，弧顶凸向北西。土城弧与连花山弧汇合，延伸30多公里的东西向褶皱。若把盆地西侧，沿滇黔边境延伸，轴向北北东的杨梅村背斜带也算在内，那么，它与“八字形双弧”一起，组合为三角形弧系，即盘县三角形构造。（4）发耳菱形构造 在盘县三角形和郎岱三角形构造带之间为一菱形或矩形块体，主要出露二叠系; 块体成桌状上隆，周边被三叠系构成的盘县盆地、郎岱盆地和沟目底向斜等构造围绕。桌状隆起的中部又下拗成构造盆地，即发耳盆地，这样就构成总体上隆，周边及中央下拗的“礼帽式构造”。菱形桌状隆起上的褶皱一般比较开阔，按方向分为北北东和北西西两组，层层环绕在发耳盆地的周围。这种构造组合属于一种特殊的菱形构造。综上所述，六盘水地区的构造变形格局以三角形和菱形块体控制的多组构造带，特别是弧形构造带的发育为特征。该区除发耳地区外的构造特征为瓦斯的储存提供了有利的密闭空间和瓦斯运用通道，使瓦斯得以富集保存。而发耳地区的地势比较高，高出周围的地层，很难为瓦斯的富集提供封闭储存空间。 6讨论该区大部分地区的煤层厚度大于40 m，煤层镜煤反射率在1.9%2.5%之间，这两个因素都有利于瓦斯的富集。但在该区从收集到的瓦斯含量数据显示，瓦斯含量不高，多数矿井属于低瓦斯矿井。作者认为可能是下列原因造成：一种可能是该区位于发耳构造带上，由上面的构造分析可以知道，该区的古构造地貌为周边被三叠系构成的盘县盆地、郎岱盆地和格目底向斜等构造围绕，中间形成一桌状上隆块体，桌状隆起的中部又下拗成构造盆地，即发耳盆地，这样就构成总体上隆，周边及中央下拗的“礼帽式构造”。由构造特征不难发现，在该区的地貌较高，所以潜水面也比周围高，大气降水很难保存下来，而流失到周围低洼的地区，在煤层漫长的生气过程中，产生的瓦斯气体很容易溶解在水中被带走，因此瓦斯很难保存下来形成瓦斯富集区。另一种可能是该区断裂构造不发育，煤层的破碎程度较差，节理不发育，煤层产生的大量瓦斯被封存在煤层中很难释放出来。该区具有生气条件和储存空间两个条件，但储存空间不具备密闭条件，所以该区很难形成高瓦斯富集区。综上所述：瓦斯的富集的因素必须具有生、储、密3个条件，缺一不可：所谓生就是要有充足的生气煤层；储就是要有有利的存气空间；密就是要有封闭的储气层。所以研究区的煤层变质程度、煤层顶地板岩性特征、煤层厚度和构造特征是瓦斯富集必不可少的重要条件。在研究区的煤层变质程度、煤层顶地板岩性特征、煤层厚度和构造特征具备生、储、密3个条件的区域很可能就是瓦斯富集的远景区，而且在这些区域可能也是瓦斯灾害防治的重点区域。致谢：感谢贵州省煤炭设计研究院龙祖根研究员和贵州大学余照阳讲师提供贵州省的瓦斯数据。参考文献1 张新民，张遂安.中国的煤层甲烷. 太原：山西科学技术出版社, 1991. 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