焦作煤田煤储层物性特征及控气因素毕业论文.doc

摘 要煤层气是一种主要以吸附方式赋存于煤层中的清洁能源，我国煤炭资源非常丰富，煤层气资源量也相当可观。研究煤储层的物性特征及含气性，可以为煤层气的开发利用提供借鉴作用，同时也可以减少瓦斯事故的发生。本文利用搜集的资料和实验测试结果，研究了焦作煤田主力煤层二1 煤层的储层结构、渗透性、吸附性等物性特征及分布规律，采用定性与定量相结合的方式，对煤层含气性的变化规律及控制因素进行了探讨。研究认为：焦作煤田二1煤层微孔含量最高，其次是过渡孔，而大中孔含量要低得多，具有很强的吸附能力和较强的扩散能力。但渗流或层流能力很弱，煤层渗透率较低，且随着埋深的增加而减小，但地质构造对煤层渗透性具有一定的影响，并且研究区内煤层压裂处理渗透性可明显改善；煤层顶、底板岩性为煤层气体提供了良好的保存条件，而有效埋深、断裂构造对本区煤层含气性具有重要的控制作用。随着有效埋深的增加，含气量先是急剧增大，到了一定阶段后,增大趋势变缓，之间具有对数正相关关系；向斜轴部煤层气含量高于两翼,而背斜则呈现相反的趋势；区域大断裂带附近以及多组断裂的交会部位,煤层含气量往往较低。关键词：焦作煤田；煤层气；储层物性；含气性；控制因素AbstractCoal bed methane mainly is a kind of clean energy which exists in coal seam in adsorption manner. Coal resources are very abundant in our country, the coalbed methane resources are also considerable. Researching on coal reservoir physical characteristics and gas-bearing, can provide reference for the development and utilization of coalbed methane, at the same time also can reduce the gas accidents. Based on measures on coal samples and the data , the property of fracture and pore structure , permeability and adsorption of the 1 coalbed methane reservoir in the Jiaozuo coalfield were systematically studied. The gas-bearing change law and the influence factors on gas-bearing properties were discussed using qualitative and quantitative analyses. The study shows , micropores are the major pore , transitional pores are the second and macropores are far less in the 1 coal , thus for the kind of coal , the adsorption capacity is very high the diffusibility is a little strong , but the capacity of seepage and laminar flow is very weak. The permeability coefficient is low and decreases with the burial depth of the coalbed , and the permeability also is influenced by the geo-structure and can be improved under hydraulic fracturing. The roof and floor of the 1 coalbed provide favorable gas-preservation conditions , and the effective burial depth and faults structure are also the major factors causing gas-bearing change in the 1 coal . The effective burial depth and gas-content is in positive correlation. The gas content in the axial part of the syncline is greater than that in the wings , and the relation is t he very opposite in t he anticlines. The gas content is of ten low near the regional faults or in the inter section part of t he regional faults.Key words: Jiaozuo coalfield; Coalbed methane (CBM);Coal reservoir properties ; Gas-bearing properties ; Influence factors.II目 录摘 要Abstract1 绪论11.1研究背景及意义11.2研究内容和方法11.3技术路线22 地质概况42.1 地理位置与交通图42.2 地层与含煤地层52.2.1 地层52.2.2 含煤地层62.3 构造和岩浆活动92.3.1 区域构造92.3.2 岩浆活动142.4 水文地质条件142.4.1 含水岩组划分及其水文地质特征142.4.2 地下水的补给、径流和排泄153 煤层赋存及分布特征173.1 煤层厚度及其变化规律173.1.1 煤层厚度统计特征173.1.2 煤层厚度展布特征173.2 主要煤层顶底板的岩性特征183.2.1 顶、底板岩性分布特征183.2.2 顶、底板的物理力学性质184 煤储层特征及含气性204.1 煤岩及煤质204.1.1 煤的岩石学特征204.1.2煤质特征204.2储层特征214.2.1裂隙性214.2.2孔隙性224.3煤的吸附性与含气性特征234.3.1吸附性234.3.2含气性244.3.3煤层含气饱和度254.4 渗透性264.4.1渗透率测试结果分析264.4.2渗透率的实验室测定结果分析275 煤层气富集的地质控制因素295.1 断裂构造对煤层含气量的影响295.2 煤变质作用对含气量的影响315.3 煤层顶底板岩性对煤层气富集的控制325.4 水文地质条件对煤层气富集的控制32致 谢34参考文献351 绪论1.1研究背景及意义 煤层气是一种主要以吸附方式赋存于煤层中的清洁能源，我国煤炭资源非常丰富，煤层气资源量也相当可观1。据2006年国土资源部的新一轮的油气资源评价，我国埋深2000m以浅煤层气地质资源量约36.81012m3(埋深1500米以浅的资源量约27.3 1012m32，可采资源量达10 1012m3。煤层气势必成为常规油气资源的一个强有力的补充，对我国的能源结构及能源战略调整具有重要意义3。开发煤层气资源不仅在能源方面具有重要意义，通过地面抽采煤层气，大大降低了煤层中瓦斯的含量，从根源上解决了煤矿瓦斯突出和瓦斯爆炸等瓦斯事故4；另外，甲烷是一种温室气体，其温室效应是C02的21倍，加大煤层气开采利用会减少甲烷向大气层的排放量，有利于保护人类生存环境5。 焦作煤田地处焦作市东北部，东西长60 km，南北宽15 km，含煤面积为970 km2，是我国优质无烟煤的产出基地之一，累计探明煤炭资源储量为44.7亿t，保有煤炭资源储量为26. 38亿t。煤层气资源蕴藏丰富，据最新的河南省焦作煤田煤层气资源潜力调查报告显示5，研究区在2 000 m以浅、风化带以深、含气量在8 m3/t以上的可采煤层的煤层气资源量为1 583. 82 108 m3，资源丰度为1.27 108m3 /km26 ，具有良好的开发前景。焦作煤田也是我国煤田瓦斯突出严重的煤田之一，现有13对矿井，其中先后有11对矿井发生过煤与瓦斯突出，自1955年以来共发生较大煤与瓦斯突出276次，随着开采深度的增加，煤与瓦斯突出危险性有增大的趋势7。 本文通过对煤田的地质构造及煤储层物性特征分析，系统探讨研究区内煤层含气性变化规律及其主控因素，旨在为研究区的煤层气勘探开发和瓦斯防治提供依据8。1.2研究内容和方法 以在焦作煤田地区地质调查工作进展为基础，以实际可行性为前提，综合应用钻井、录井、测井、地震以及实验数据等资料，开展以下主要工作： (1)开展焦作煤田石炭一二叠系煤层气基本地质条件研究，分析研究沉积背景，后期构造及成煤演化对煤层气成藏与富集的影响9； (2)石炭一二叠系煤层气储层特征研究。煤层发育条件，厚度展布特征，煤岩组成，结构及构造，煤质煤级特征，后期改造特征，顶底板岩性特征及水文地质特征等研究10； (3)煤层含气性特征分析。根据等温吸附一解吸试验结果、实测含气量数据、地层测试及排采数据分析焦作煤田地区煤层含气性特征，结合煤层演化、埋藏深度、顶底板及盖层特征及现今地下地质条件、温压条件的综合研究，明确煤层含气性主要影响因素11； (4)提出下一步有利勘探开发目标区。结合前人地质资料及研究成果和勘探开发动态资料，优选勘探开发的有利目标区12。1.3技术路线本论文的总体研究思路是：以焦作煤田煤储层为储层研究对象，以综合运用野外资料、钻井资料、录井资料、测试资料、煤田地质资料、测井资料以及地震资料为研手段，综合对比周围各区块的地质条件，充分分析该地区的储层特征，从而进行储层含气性分析、确定该地区的含气性主控因素，在此基础上，确定焦作煤田煤层气资源分布及有利勘探目标。具体研究路线如图所示13。图1-1 技术路线图2 地质概况2.1 地理位置与交通图图2-1 研究区交通位置图工作区位于河南省焦作市南部及东部地区，行政区划隶属焦作、修武、获嘉、辉县、新乡等县（市）管辖。工作区东距京广铁路新乡站63km，西至陇海铁路洛阳站140km，新（乡）焦（作）铁路、焦（作）太（原）铁路和焦（作）柳（州）铁路横贯区内，不同等级的公路交织成网，四通八达，交通十分便利（见图2-1）。2.2 地层与含煤地层2.2.1 地层焦作煤田位于华北晚古生代聚煤盆地的南部，处于华北板块板内太行构造区太行断隆的南段，其地层属于华北地层区山西分区太行山小区和华北平原分区豫北小区内，区内地层由老到新有太古界、中元古界蓟县系、下古生界寒武系和奥陶系、上古生界石炭系和二叠系、中生界三叠系、新生界新近系和第四系14。现由老到新简述如下：（1）太古界（Ar）主要由一套经受中等区域变质作用而形成的黑云斜长片麻岩、黑云角闪斜长片麻岩及少量斜长角闪变粒岩、角闪片岩、角闪岩和浅粒岩等组成，厚度大于2900m。（2）中元古界蓟县系云梦山组（Pt2y）主要为浅紫、浅黄色中厚巨厚层状中粗粒石英砂岩。中上部夹两层紫红色页岩，厚22.0175.0m，平均70m。与下伏太古界地层为角度不整合接触。（3）下古生界（Pz1）寒武系（）：自下而上可分为三个统，各统之间均为整合接触。总体特征为自下而上陆源碎屑物质逐渐减少，碳酸盐岩比例增大。与下伏中元古界蓟县系云梦山组为平行不整合接触。下统（1）：底部为砾岩，下部为灰黄色泥灰岩、泥质灰岩、紫红色页岩，上部为浅灰色石灰岩、鲕状石灰岩、泥岩、砂岩、粉砂岩、页岩等，厚度112.0177.0m，平均140.0m。中统（2）：下部为紫红色页岩与中厚层状鲕状石灰岩互层、间夹薄层灰岩、砂岩和黄绿色页岩，上部为石灰岩、鲕状石灰岩、白云质灰岩、鲕状白云质石灰岩组成，夹薄层黄绿色页岩。厚度291.0349.0m，平均310.0m15。上统（3）：由白云岩、石灰岩（具燧石结核及条带）组成，含大量动物化石。厚度52.078.0m，平均70.0m。奥陶系（O）：本区发育有下统的冶里组和上统的马家沟组，主要出露于本区北部。与下伏寒武系整合接触。下统冶里组（O1）：为中厚巨厚层状层状白云岩，含燧石结核及条带状白云岩，底部为泥质条带白云岩及灰岩。厚143.0166.0m，平均150.0m。中统马家沟组（O2）：上部为青灰、灰色中厚层状石灰岩及薄层状白云质灰岩；下部为灰色中厚层状石灰岩，夹少量角砾状灰岩及黄绿色泥灰岩、泥岩和透镜状石英砂岩。厚413.0500.0m，平均450.0m。由于缺失下统上部的亮甲山组，而与下统的冶里组平行不整合接触。（4）上古生界（Pz2）发育有石炭系中统至二叠系地层，为本区主要含煤地层。与下伏马家沟组平行不整合接触。石炭系（C）：下起奥陶系马家沟石灰岩顶，上至太原组L9石灰岩顶，下为中统的本溪组，上为上统的太原组。二叠系（P）：由太原组L9石灰岩顶至三叠系二马营统底部砂岩，自下而上为下统的山西组和下石盒子组，上统的上石盒子组和石千峰组。山西组底部的二1煤为煤层气赋存的主要储层。（5）中生界（Mz）工作区内仅有三叠系二马营统。自上而下为黄绿、肉红色厚层细粒长石砂岩与紫灰色紫红色粉砂质泥岩互层，底部见有透镜状灰质砾岩，厚度60余m。与下伏上二叠统石千峰组为整合接触。（6）新生界（Kz）由新生界新近系、第四系地层组成，下部为紫红色土夹砾岩；上部黄土、黄土夹砾石。区内钻孔揭露最大厚度厚960m，煤田煤田北部薄壁预测区物探推测最厚达1600m左右。与下伏其它各系地层均呈角度不整合接触。2.2.2 含煤地层本区含煤地层包括有石炭系中统本溪组、石炭系上统太原组、二叠系下统山西组和下石盒子组、二叠系上统上石盒子组。（1）本溪组（C2b）下起奥陶系中统马家沟组顶，上至太原组一1煤底板，厚8.045m，平均20.0m。煤田西南部厚度较大，一般20m；东北部较薄，一般11m左右。与下伏马家沟组平行不整合接触。该组底部为灰灰白色铝土质泥岩，局部含有大量菱铁质鲕粒及星点状或结核状黄铁矿；中部为石英砂岩、砂质泥岩、泥岩，局部夹透镜状石灰岩及煤线，横向上由西南往东北逐渐变薄；上部为铝土质泥岩，呈青灰色，局部有黄铁矿结核及条带，横向上由东北向西南逐渐尖灭。（2）太原组（C3t）下起一1煤层底板，上至L9石灰岩（或菱铁质泥岩）顶，厚40.0110.0，平均90.0m，与下伏本溪组整合接触。为一套海陆交互相含煤建造，主要为灰岩砂岩粉砂岩泥岩煤层交替出现。含煤912层。根据其岩性、岩相组合特征，自下而上可分为下部灰岩段、中部砂泥岩段和上部灰岩段。下部灰岩段：一1煤层底到4石灰岩顶。发育L1、L2、L3、L4四层石灰岩，各层石灰岩之间一般为砂岩砂质泥岩煤层的沉积特征。L1和L2多合并为L1+2石灰岩，为深灰色厚层状石灰岩，夹燧石团块及条带，具风暴层理，厚2.1 16.4m，自西南往东北逐渐增厚，为本区重要标志层。发育煤层46层，其中底部的一1煤层为大部可采煤层，其余均不可采。中部砂泥岩段：L4石灰岩顶到L7石灰岩底。主要为泥岩、砂质泥岩、煤层和石灰岩，夹砂岩透镜体。胡石砂岩位于本段底部，普遍发育，为灰灰白色中细粒石英砂岩，泥岩、砂质泥岩为灰黑色，具水平层理。发育煤层2层，均不可采。上部灰岩段：L7至L9（或菱铁质泥岩）顶。发育三层灰岩，其中L8是本区重要的标志层之一，为深灰色中厚层状泥晶灰岩，顶部有不规则的遂石团块和丘状交错层理，厚2.112.2m，一般79m。 L9也较稳定，厚0.12.6m，局部相变为菱铁质泥岩，石灰岩之间为砂岩及泥岩，局部发育34层煤，均不可采。（3）山西组（P1sh）由L9石灰岩顶至砂锅窑岩底，厚40.090.0m，平均80.0m，与下伏石炭系太原组整合接触。为一套碎屑岩含煤沉积,发育6层煤，其中二1煤为全区主要可采煤层。根据其岩性组合特征，自下而上可分为二1煤段、大占砂岩段、香炭砂岩段和小紫泥岩段。 二1煤段：由L9石灰岩顶到大占砂岩底。底部为深灰灰黑色泥岩、砂质泥岩，局部夹二1煤；中下部发育23层菱铁质泥岩，局部夹煤线，在古汉山井田发育一层灰、深灰色中细粒岩屑石英砂岩，呈透镜状，厚1015m；上部为黑色泥岩或炭质泥岩和二1煤层。大占砂岩段：由大占砂岩底到香炭砂岩底。下部大占砂岩为灰深灰色厚层状中细粒石英砂岩，富含白云母片及炭屑，局部见小型交错层理，厚020.9m，一般1620m，但厚度在横向上变化较大，局部夹有二2煤；上部为灰色泥岩。香炭砂岩段：自香炭砂岩底到冯家沟砂岩底，由香炭砂岩和黑色深灰色泥岩、砂质泥岩组成。香炭砂岩为灰色中细粒（局部为粗粒）石英砂岩，厚028.1m，平均7.6m，局部相变为粉砂岩、砂质泥岩和泥岩。小紫泥岩段：位于山西组顶部，由冯家沟砂岩底到砂锅窑砂岩底。下部冯家沟砂岩为灰灰绿色中细粒砂岩，主要成份为石英，含菱铁矿及炭屑；上部为灰灰黑色泥岩、砂质泥岩，具白云母碎片及植物化石，中夹一层灰色具紫斑含鲕粒铝土质泥岩（小紫泥岩），全区稳定，为山西组的重要标志层。（4）下石盒子组（P1X）由砂锅窑砂岩底至四煤底板砂岩底，厚110.0140.0m，平均120.0m，与下伏山西组整合接触。底部砂锅窑砂岩为灰绿色岩屑石英砂岩，含砾石及泥质包体，厚度2.523.0m，平均12.2m；中部为灰、浅灰色鲕状铝土质泥岩（大紫泥岩），具紫斑，富含菱铁质鲕粒，是本区重要标志层之一；中上部为中细粒砂岩、粉砂岩、砂质泥岩及泥岩。该组为本区的三煤段。（5）上石盒子组（P2S）由四煤底板砂岩底到平顶山砂岩底，厚420.0513.0m，平均460.0m，按其沉积旋回，可分为四、五、六、七、八煤段。四煤段：四煤底板砂岩底至五煤底砂岩底，厚49.194.6m，平均87.5m。底部四煤底板砂岩为灰白灰绿色细粒砂岩，具泥质包体，厚20.926.3m，平均11.0m，为本区的辅助标志层；中上部为一套紫红、灰深灰色泥岩、砂质泥岩，夹多层砂岩透镜体。五煤段：五煤底板砂岩底至六煤底板砂岩底，厚50.2102.7m，平均62.1m。五煤底板砂岩为灰白色中厚层状中粗粒砂岩，具泥质团块，平均厚8.8m；中上部为一套深灰灰紫红色泥岩、粉砂质泥岩，局部夹有砂岩透镜体。六煤段：仅在焦南、恩村井田有保留。六煤底板砂岩底至田家沟砂岩底，厚49.585.7m，平均73.1m。六煤底板砂岩为灰白色中厚层状中粗粒砂岩，其上为灰色、深灰、紫红色泥岩、砂质泥岩及粉砂岩，夹数层砂岩透镜体。七煤段：由田家沟砂岩底到八煤底板砂岩底，厚84.0112.0m，平均99.5m。田家沟砂岩为灰白灰绿色中细粒砂岩，局部相变为粗粒甚至含砾，厚4.515.0m，平均7.9m；其上为灰灰白色砂岩、灰紫红色泥岩、砂质泥岩，局部发育35层灰褐、灰黄色硅质泥岩，是七煤段良好标志。八煤段：由八煤底板砂岩底到平顶山砂岩底，平均厚142.0m。八煤底板砂岩为灰、灰绿色中细粒砂岩，厚2.97.1m，平均5.5m。中上部为灰、青灰、紫红色泥岩、砂质泥岩、夹砂岩透镜体，产植物化石及黄铁质结核。2.3 构造和岩浆活动2.3.1 区域构造（1）区域构造背景焦作煤田大地构造位置位于华北地台山西台隆太行山断隆南段与华北凹陷汤阴断陷、济源开封凹陷接合部位，新华夏系东西向构造体系及其复合联合，是本区构造的主要格架16。区内地层总体为一走向NENNE、倾向SE的单斜构造形态，地层倾角520，沿倾向及走向有宽缓的起伏，局部倾角可达2530。区内广泛发育自燕山运动以来所生成的各种构造形迹，构造相对复杂。主要以断裂构造为主，褶皱构造表现微弱。断裂构造主要为高角度的正断层，整个煤田依近EW向的凤凰岭断层为界分为两个构造带：以南为纬向构造带，构造形迹以轴向近EW的褶曲和走向近EW的断裂为主；以北为新华夏系构造带，构造形迹以走向NE的断裂为主，另有NW向断裂和罕见的NNE断裂。依其展布方向可分为近东西向、北东向和北西向三组：EW向断层：构成了本区和区内断块边界，控制着煤田范围。主要有朱村断层（F8）、凤凰岭断层、南张门断层、前董村断层和平陵断层等，它们对北东向断层起限制作用。NE向断层：该组断裂区域分布普遍，相当发育，但规模和表现形态变化较大，将煤田切割若干成条带状或透镜状断块，致使地质、水文及开采条件复杂化，形成井田划分的构造边界。西部多组成地堑和地垒，断层密度较大；中部和东部则表现为阶梯状构造，断层密度较小。该组断层主要有：王封断层、三十九号断层、李庄断层、九里山断层、薄壁断层和耿黄断层等。NW向断层：基本和东北向断层垂直，多为张性断裂，数量不多，但成对出现，多形成地堑构造。如方庄断层和北碑村断层、峪河口断层和赤庄断层。焦作煤田的分布基本受太行山隆起和武陟隆起所控制。但煤层埋藏的深浅、井田的大小主要与近东西向或北北西向和北东向或北北东向两组断层切割破坏有关。这些断裂构造相互交织，形成了大小不一的断块格局，也成为井田布置的主要边界。在煤田东部和南部有较大的向斜构造，形成了控制区内煤层图2-2煤田构造纲要示意图1.煤层露头；2.井田边界；3.正断层；4.向斜产出的基本构造轮廓（图2-2）。（2）主要构造特征断层朱村断层：为焦作煤田西南部自然边界，西段为山前断裂，东段转向东南与耿黄断层相交，南翼为济源凹陷区，覆盖层达千米以上。区内长度60km，为一走向近东西，整体倾向南，倾角约70的正断层，落差大于1000m。属新华夏系构造体系，力学性质为压扭性。地质资料证实，该断层活动时代为N2Q2。自柏山至修武大高村，断裂隐伏于第四系下。耿黄断层：为本区东南部边界，南起大召营，经陈召、庙口，沿京广铁路往东北延展与鹤壁煤田的青羊口断层相当，长约40km。区内被新生界底层所覆盖，走向北40东，倾向南东，倾角70的正断层，落差大于1000m。属新华夏系构造体系，力学性质为压扭性。薄壁断层：为本区东北部边界，两端进入山区，是区内的一条基底断裂，南西起自方庄断层，北东到羊圈村附近，全长约30km。为一走向北东40，断面倾向南东，倾角70度，落差3001000m的正断层。西北盘出露太古界、中元古界和下古生界地层，东南盘为上古生界和新生界地层。在晚第三纪进活动比较强烈，近期仍有微活动的迹象。1973年10月辉县2级地震和11月修武的2.2级地震与该断裂活动有关。凤凰岭断层：位于煤田中南部，从焦作、修武县城北止于耿黄断层，区内长60km，为走向东西，倾向南，倾角约70的正断层，落差1001200m。凤凰岭断裂沿走向大致分为三段，各段活动性略有差异。西石河以西，由近于平行的五条东西向断层组成，断层错断古生界地层，断距小于100m。上新世以来断层落差约为250m，局部见有断裂错断晚上更新世早中更新世地层，表明中更新世前断曾有过活动。西石河以西至焦作市北，断裂沿山前向东延伸，在地貌上构成山区和平原自然分界。在焦作市以东的平原区，断层隐伏于新生界地层之下。峪河口断层：位于煤田东北部，北西起于铁匠庄，经峪河村，东止耿黄断层，长35km。为走向北60西，倾向南西，倾角约70的正断层，落差300700m。南张门断层：位于照镜预测区北部，西起演马庄井田南部，经招民庄北至于耿黄断层，在演马庄井田走向北78东，至五里源后即转为东西向，长40km。为倾向北，倾角70的正断层，落差531000m。九里山断层：位于煤田西北部，为一隐伏正断层，断层由北部进入煤田，向西南交于董村断层，中间被凤凰岭断层所切，断层总长约60km，在煤田内长度20余km，为走向北东40 60，总体走向45，倾向北西，东南盘上升，北西盘下降，倾角约70的正断层，落差3001000m。从展布方向来看与太行山背斜轴向近似，分析其应属于新华夏系一级压性或压扭性断裂。九里山断层与薄壁断层组成地堑，其间沉积了巨厚的第三系和第四系地层。有关资料显示，该断裂在第三纪晚期和第四纪早新世时活动强烈。其它主要断层详见(表2-1)。表2-1 焦作煤田主要断层一览表断 层 名 称长度（km）走 向倾 向落差（m）马方泉断层1560SE170630方庄正断层10150SW200北碑村正断层10150NE200赤庄正断层15100120NNE200李河正断层56070SE0300油坊蒋正断层106070NW0200前董村断层168090N600平陵断层1390120N500褶皱本区褶皱构造较少，主要有位于煤田南部的墙南向斜、武陟背斜，东部的朱营背斜、招民庄背斜以及褚丘向斜等。墙南向斜：西起焦南井田于村，东至修武县城，轴向近东西，轴长25km，两翼宽6 km。南翼较低陡，地层倾角14左右，北翼较缓，地层倾角26，为一不对称宽缓向斜，向东倾伏，轴部倾角23。朱营背斜：位于照镜预测区内，西起演马庄井田东南部，经朱营延至南张门断层，轴长18km，东部轴向北35东，西部渐变为东西向，向北东倾伏，两翼基本对称，地层倾角11左右。招民庄背斜：位于照镜预测区内，西起狮子营北，经招民庄村北延至南张门断层，全长4.0km，轴向北35东，向南西倾伏，轴部倾角4，两翼基本对称，地层倾角8，轴面近于直立。褚丘向斜：位于薄壁预测区，轴向北65西，轴长5km，向南东倾伏，轴部倾角5，南西翼倾角12左右，北东翼倾角8左右，轴面略向南倾斜。（3）构造演化史及力学特征焦作煤田处于太行山南麓差异运动应力多变区，纬向、华夏系、新华夏系和北西向构造的复合部位，多期次、不同构造应力场的构造运动的叠加，形成了目前较为复杂的构造形态和应力状态。本区新构造活动比较活跃，主要表现形式有：差异性升降运动。即山区强烈上升，平原区不断下降。基岩山区由于强烈上升，基岩裸露，沟谷深切，山坡陡峭，河床堆积物很少，河谷断面多呈“V”字型。平原区由于长期下降，相继沉积了中更新统、上更新统，其中上更新统厚度就达500700m，最厚达1000m以上。现代的地壳变形资料表明，不均匀升降活动仍在继续。老构造继承性活动。挽近期以来，在新地应力场作用下，区内一些断裂，如凤凰岭断层、盘古寺新乡断层、薄壁断层、九里山断层等均继承性活动或复合性活动，物探、地震卫星照片等方面的资料均明显地显示出断层活动迹象17。根据区域构造背景以及煤田内构造之间的切割关系，可以认为本区含煤地层形成后，至少经历了海西印支、燕山和喜山三期主要不同方向的构造应力场作用，形成了不同类型、不同产状的构造形迹18：晚古生代的海西（P）印支运动（T）的SN向挤压应力场作用，形成了轴向近东西向的褶皱构造和近东西向的压扭性断裂；中生代的燕山运动（J-K）的NWSE向主压应力作用，产生一系列近南北向的压扭性的左旋剪切断裂和一组近东西向的压扭性右旋剪切断裂，以及一组北西向的张性断裂，在区域挤压应力的持续作用下，形成了轴向北东的太行山复背斜隆起，同时在背斜轴部和翼部形成了一系列的北东向纵张断裂，这些断裂的差异升降运动，进而形成了区内的阶梯状、地堑、地垒状断块构造；新生代的喜马拉雅运动（Q+R）的NEESWW向主压应力作用，对早期形成的构造不同程度的改造和复合，使得断裂构造结构面力学性质展布方向发生了转化，并产生了一些新的构造形迹，一组为NNE向和一组NWW向的剪切断裂及一组NNE向的张性断裂，使煤田成为一系列菱形破碎小断块。根据新构造运动特点，本区地应力状态可分为两种类型，即太行山区为大地动力型；山前平原区在宏观上为大地静力型，但在缺乏第四系沉积或沉积较薄的断块上升区，可能出现应力变异带19。南部断块以水平地应力为主，自重地应力处于劣势，地应力较大；北部断块地应力以自重地应力为主，水平地应力处于劣势，地应力较小。另外，在深大断裂的上升盘，构造应力较大。（4）构造运动对煤层气的影响煤及伴生的煤层气的生成和保存与构造演化具有密切的关系，地壳构造运动是煤层埋藏-古地热场-生烃史演化过程中，是煤层气富集的重要动力学基础。煤化过程中起主导作用的深成变质作用实质上是指在地壳热场作用下，有机质在一定温度下发生长期而连续的变化过程。这种变化过程在褶皱前和褶皱后，煤层随地质条件的改变发生有规律的变化20。因此，在分析构造运动对本区煤层气生成的影响时，可从以下三个阶段来进行分析：褶皱前阶段：在晚古生代的石炭纪末期、二叠纪初期，焦作煤田的构造运动微弱，地壳不断地缓慢下降，形成该区聚煤环境，并在温度、压力以及微生物的作用下，形成煤。此时的构造运动主要对煤层的形成起到控制作用。当煤层埋深至35005000m深处，由于古地热场的影响，发生第一次深成变质作用，煤的最大镜质组反射率达1.21.5%，相当于肥焦煤21。在生物降解和热解作用下，起初大量气体和液态烃生成，并随变质作用的进一步增强，在后期进入生气阶段。三叠纪末期的印支运动，使得本区地壳整体抬升广泛接受剥蚀，生气阶段终止，煤层气有一定的逸散。褶皱期阶段：中生代的燕山运动中晚期，在局部强大的热力场作用下，煤层变质程度进一步增高，达到无烟煤。期间大分子结构在高温高压作用下发生裂解并生成大量裂解气，达到第二期生气高峰期，此时的气体组分以CH4为主。该阶段由于高温高压作用下，煤体内部产生了大量变质气孔和因干馏作用而生成的微气孔隙，为烃类气体贮存提供了较大的空间，使得烃类气体得以大量保存。褶皱期后：新生代的喜马拉雅运动，使得该区虽然发生了断陷沉积，但由于前两个阶段煤变质程度甚高，新生界厚度尚未达到补偿古温度所需的厚度，煤的变质作用减缓或停止，生烃量急剧下降或停止。由于断块间的差异升降作用，使局部煤层处于不断抬升、埋藏变浅，以及大量张性裂隙的生成，煤层气有一定程度的逸散，煤层气含量减少。2.3.2 岩浆活动区域内岩浆活动主要在太古代，太古代以后未见有大的岩浆活动，太古代岩浆活动主要表现为规模不等的中基性中酸性火山喷发和规模较小的中基性、花岗岩侵入，由于区域变质作用及强烈的混合作用，使其演变为花岗岩、混合片麻岩、变质中基性岩等岩石类型。该期岩浆活动为幔源性岩浆活动，中基性岩浆富含铜铁矿质成份，经过壳幔物质重熔和漫长的地质演化成为重要的矿源岩。2.4 水文地质条件焦作煤田地处属于太行山前冲积平原，地势西北高东南低，地形相对高差200300m。北部太行山高+500+1500m，寒武系、奥陶系巨厚灰岩出露，总厚8001000m，构成深山峡谷，这些石灰岩形成溶沟、溶槽及落水洞等岩溶地貌以及地下溶洞、裂隙的发育，大量接受大气降水，为地下水提供了良好的储运空间和径流通道，是地下水的补给区，汇水口宽40km左右，汇水面积约1800km2，渗入补给量14.16m3/s22。地下水自北、西北部分水岭分别向南、东南方向流动，在山前受朱村断层、凤凰岭断层阻隔而富集，形成岩溶富水区。地下水总体流向受构造控制，如峪河断裂以北为SE、SW向，以南为SE向，局部受断层阻隔流向稍有变化。在断裂带附近岩溶裂隙相对发育，常形成强富水区、导水带，如凤凰岭断层强劲流带、朱村断层强劲流带、方庄断层强劲流带、马坊泉断层强劲流带和百泉断层强劲流带等，成为焦作煤田内煤田、勘探区的补给边界23。区内地表水较为发育，横跨黄河、海河两个流域，由东向西主要有沧河、百泉河、黄水河、石门河、峪河、纸坊河、山门河、沙河、卫河等，均为海河水系；丹河、沁河等属黄河水系。除卫河、丹河、沁河长年流水外，其余均为季节性河流，对浅层地下水起着补给作用24。 2.4.1 含水岩组划分及其水文地质特征按岩性、岩溶发育程度、水力性质和富水程度，区域内含水岩组自下而上可分为以下几组。（1）碳酸盐岩岩溶裂隙含水岩组主要为寒武、奥陶系的厚层状石灰岩、泥质灰岩，总厚度8001000m。广泛出露于北、西部太行山区，煤田内仅九里山、古汉山有零星出露，总厚度8001000m。裸露区或断裂带附近常有大泉出露，泉流量0.017m3/s，水化学类型为HCO3Ca（Mg），矿化度0.30.4g/l，北部双头泉水位标高为+850m，山前为+110m，水头梯度1361%；煤田内为掩埋型，岩溶裂隙发育不均匀，单井出水量10005000m3/d，单位涌水量0.01333 l/s.m，渗透系数0.003348m/d。水位标高+100+78m，为强富水含水层，水化学类型为HCO3Ca.Mg，矿化度0.3g/l。浅部该含水岩组与太原组灰岩含水层水力联系密切，受矿井疏排水影响，整体水位有一定程度的下降，在田门井田形成降深10 m的漏斗，王封、焦西矿井附近也有13 m。（2）碎屑岩夹碳酸岩盐岩岩溶裂隙含水层组由太原组石灰岩与砂岩互层组成，其中灰岩含水层9层，以上段L8、下段L2 、L3灰岩发育，厚度分别为68m和821m，L8灰岩为二1煤层底板直接充水含水层，L2 、L3灰岩为一1煤层直接顶板充水含水层。岩溶裂隙较发育，渗透系数115m/d，浅部富水性中等，深部逐渐减弱，在上、下段灰岩含水层之间有分布连续稳定的中段砂泥岩隔水层。上段灰岩岩溶含水层水位标高+60+80 m，生产矿井附近（如冯营、李封、韩王等矿井）常形成较深的降落漏斗，水位标高在0以下；下段灰岩岩溶含水层在韩王、朱村、焦西等矿井附近，受矿井疏排影响，也形成降幅不大的漏斗，水位标高最低+74+80 m，一般水位标高+75+90 m。（3）碎屑岩类砂岩裂隙水含水岩组主要由山西组砂岩组成，其中顶部风化岩层厚30m左右，渗透系数0.21.0m/d；未风化砂岩含水层单位涌水量0.011.31L/s.m，渗透系数0.010.5m/d，该组砂岩含水层与泥岩、砂质泥岩隔水层相间沉积，为弱含水层组。（4）新生界松散层水文地质特征由新生界地层中的砂、砾石层组成，500m以深呈半胶结状态。近山前地带第四系以砾、卵石层为主，其顶板埋深2040m，富水程度由北向南递减，单井出水量由大于5000m3/d，渐变为5001000m3/d，渗透系数15557m/d；南部冲积平原以中细砂含水层为主，厚度2030 m，单井出水量10003000 m3/d，渗透系数5080m/d。在冲积扇前缘常有泉群出现，目前多已干涸。新第三系多以半固结为主，富水性较弱25。2.4.2 地下水的补给、径流和排泄大气降水为焦作煤田岩溶裂隙水的主要补给来源，西部、北部裸露山区广泛出露的石灰岩是岩溶地下水良好的补给场所，属九里山岩溶水系统，补给面积约4900km2，天然资源量为38541万m3/a26。其中灰岩裸露补给区面积1395 km2，大气降水补给量1015m3/s、河流及水库渗入补给量26.28 m3/s。在天然状态下，补给区地下水水力坡度为11，径流区为5，进入煤田后为20.44。以东井交断层至黄水河断层北侧的分水岭和纸坊沟以北的夺火乡至峪河口地下分水岭将本区九里山岩溶水系统分为北部百泉岩溶水子系统、中部十里河岩溶水子系统和南部的双头泉岩溶水子系统。十里河岩溶水子系统与百泉岩溶水系统的石灰岩裸露区是峪河断裂以北的各区的补给区；双头泉岩溶水子系统的石灰岩裸露区为焦作煤田岩溶水的直接补给区，演马庄井田即处于该区的径流排泄区内。岩溶水一部分沿山前冲洪积扇形成泉群排泄，总排泄量为3.1414.3 m3/s，其中九里山泉群流量9.2 m3/s，陨城塞间歇泉流量2.4 m3/s，百泉最大流量2.32 m3/s；另一部分向深部循环径流或由人工排泄。由于焦作煤田补给面积大，岩溶裂隙发育，因此九里山岩溶水系统具有巨大调蓄功能，储存资源约为88.73亿m327。六十年代以后，随着矿井排水和城市供水、工业用水等排水量增加，地下水以人工排泄为主，西部、北部泉群相继出现干涸现象。近几年随着环境保护意识加强和降水的丰水期，岩溶地下水位出现了回升现象。本区为大气降水入渗型兼有地表渗漏，地下水动态直接受大气降水支配，雨季地下水出现峰值，岩溶埋藏区地下水位的峰值多出现在910月，滞后降水一个月左右，每年69月水位上升速度0.11.0m/d，10月至次年5月份水位缓慢下降，速度为0.020.03m/d，无明显的滞后现象28。3 煤层赋存及分布特征3.1 煤层厚度及其变化规律3.1.1 煤层厚度统计特征本区井田、勘探区和普查区的地质工作程度较高，控制钻孔较多，根据钻孔统计得到的煤层厚度可信程度较大，而东部预查区控制钻孔较少，其厚度值可以靠推测而知，所以，本次工作对焦作煤田各井田勘探钻孔揭露的煤层厚度资料的统计结果在一定程度上可以客观反映全区的情况。现有钻孔资料表明，本区煤层最多15层，其中太原组9层，山西组6层。可采和局部可采者35层，可采煤层厚9m左右。其中，二1煤层全区稳定可采，煤厚019.64m，平均5.36m29。3.1.2 煤层厚度展布特征根据焦作煤层厚度的变化趋势以及成煤前后岩相古地理的分布格局，绘制了主要煤层二1煤煤煤厚等值线图，并对不同区块的二1煤层厚度进行了统计，统计结果见表3-1。表3-1 不同区块煤厚情况统计区块焦西停采区焦南未采区焦东采区北部焦东采区南部焦东未采区二1煤煤厚0.7112.69012.15012.931.246.93平均5.704.975.225.43（1）二1煤层二1 煤层位于山西组下部，上距砂锅窑砂岩47.089m，一般为60m左右，下距太原组L8石灰岩平均25.0 m，全区发育，属较稳定厚煤层，煤层结构较简单，局部有分岔现象，一般不含夹矸，局部含12层夹矸。不同的井田其厚度变化幅度不同，根据平面上展布形态，由东向西主要变化如下：煤田东北部赵固勘探区二1煤层厚度较稳定，平均在5.9m左右。在该区西部煤层厚度较小，一般在1.214.15m，其余区段煤层稳定，厚度变化较小，多在5.506.93m之间。煤田中部的煤厚变化较为复杂，方庄井田、古汉山井田、白庄井田有东北部薄南部厚的变化趋势；而吴村井田表现为北厚南薄的变化形态；冯营井田、中马井田煤层由于受到断层挤压及冲刷侵蚀影响，厚度变化沿倾向呈条带状，厚薄相间，绝大部分为中厚煤稳定带，在井田西部出现无煤带、薄煤带；位于该区段南部的演马庄井田煤厚变化呈现西部薄南部、东部后的趋势，在东部部分地段煤厚大于9m。煤田南部的焦南、墙南、恩村井田煤厚变化受墙南向斜的影响，地质剖面图上煤厚呈波浪型变化，有厚薄相间的特点，总体表现为向斜轴部两侧厚而翼部薄、东南厚西南、北部较薄的趋势，在向斜轴部附近煤厚超过10m，在西北、西南局部出现薄煤带或无煤带。煤田西部煤层厚度，总体表现为西北部薄东部、东南部厚的趋势，该趋势主要与成煤前基底的形态有关30。3.2 主要煤层顶底板的岩性特征3.2.1 顶、底板岩性分布特征根据钻孔资料和井下实际观测，本次研究过程中编制了主要煤层顶板岩性分布图。 （1）二1煤顶、底板分布特征本区二1煤层顶板岩性分布相对稳定，主要为泥岩、砂质泥岩和粉砂岩，其中以泥岩分布最广，局部零星分布有细中粗粒砂岩。泥岩多分布于恩村井田、墙南详查区和赵固普查区，厚度0.3017.67m，一般厚13m，平均厚3.97m；砂质泥岩、粉砂岩主要分布于煤田中部的演马庄、九里山、冯营井田和赵固勘探区，厚度0.3026.84m，一般17m，平均6.69m；砂岩（细、中、粗粒砂岩）零星分布于煤田各处，以中马村井田最多，主要分布在井田的东南部，呈条带状分布，厚度0.8033.49m，一般69m，平均9.75m。另外，在古汉山井田与五里源预测区交界处，煤层顶板为不规则条带状的砂岩，厚度1.8319.20m，平均5.35m。二1煤层底板岩性多为泥岩、砂质泥岩和粉砂岩，直接底板主要为泥岩，局部为炭质泥岩。3.2.2 顶、底板的物理力学性质根据以往资料以及本次对施工钻孔的煤层顶底板岩石力学试验结果（见表3-2），煤田主要煤层的顶、底板的岩石物理、力学特征性质见(表3-3)。表3-2 本次钻孔煤层及顶底板岩石力学性质测定结果表岩 性层 位抗压强度/MPa软化系数天然抗剪抗拉强度/MPa变形指数干燥饱和C/MPa/度弹模/104MPa泊松比泥 岩二1