焦作煤田煤储层物特征及控气因素

37/41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AbsｔractCoalｂedmethanemaｉnlyisaｋindofclｅaneｎergｙwhichｅxiｓtsinｃｏalseaminaｄsｏrｐtionmaｎｎeｒ.Coａlｒesｏuｒcｅsaｒevｅryabundaｎtinoｕrcｏuntry,tｈeｃoaｌbedmeｔhａnｅreｓourｃｅsaｒｅaｌsoｃonsiｄerable.Ｒesearchiｎｇoncoａlresｅｒvoiｒｐhysｉｃalcharａｃｔerｉｓticsａndgas—beａrinｇ，caｎprovｉderefereｎcefｏｒthedeｖｅlopmentandｕtilｉｚａｔiｏnofｃoalbeｄmｅthａne，ａtｔheｓameｔiｍealsoｃaｎrｅｄucetheｇasacｃidenｔs。Baseｄｏnmeasuresoncoalsamplｅsandｔhedaｔa,tｈeｐrｏpertyoffractureaｎｄｐoｒｅｓtructure，ｐerｍeabilｉtyaｎｄadsoｒptｉｏnｏfｔｈeⅡ1coalbｅdｍethanｅreservｏiｒinｔheJｉａozuｏcoalfｉeldｗerｅsystematicallｙstuｄied．Tｈegａs-bearingcｈangelawａndｔheinfｌueｎcｅｆacｔｏrsongas—bｅariｎgpｒoｐertieswereｄiｓcｕｓsedｕｓｉngqualｉtativｅandｑuantitativeanalｙses.Tｈｅsｔｕｄyshoｗs,ｍiｃroｐoresarｅthemａjorpore，tｒansｉｔionａlporｅsaretheseconｄａndmacroporｅsarefarｌessintheⅡ1coaｌ，tｈuｓforthekｉndｏfcｏａl,theａdｓｏrptionｃapａcityisveryhighthｅｄiｆｆｕsibｉlityｉｓａlｉttlｅstrｏnｇ，ｂutｔｈeｃapacitｙoｆseｅｐageanｄlａｍiｎaｒflowiｓverｙweak。Theｐermeａbiｌitｙｃoeffiｃientislｏｗanddｅcｒｅａseｓｗiｔhtheｂｕriａldepthofthecoalbｅd,aｎdthepｅｒmeabilitｙalsｏisiｎｆlｕeｎceｄｂｙｔheｇeo-strucｔureandｃanbｅｉmprovedｕnderhｙdrauｌiｃfracｔuring。ＴheroofaｎｄｆｌｏｏrｏｆｔｈｅⅡ1coalbedprovidｅfavorablegaｓ-preservatｉonconｄitions，andｔｈeeｆfｅctivebｕriaｌdepthandfaultssｔructureareaｌｓoｔｈemajoｒfactｏrｓcausｉｎggas-ｂeaｒiｎgcｈａngｅiｎthｅⅡ１coaｌ.Theeｆfeｃtiveburｉalｄepｔhａndgａs—ｃoｎteｎtisinpｏsitiｖｅｃorrelation．Ｔhｅgasｃｏnｔeｎtinｔhｅａxiaｌｐartoｆthesynclineｉsgｒｅaterthanｔhａtｉnｔhｅwiｎgｓ，andthｅrelatｉonｉsthｅｖeｒyoｐpｏｓiteiｎtheanticｌineｓ。Thｅgascoｎtｅｎｔisoftenlowneａrtherｅgionａlfaultsｏriｎtheinｔerｓｅctｉonpａrtoftｈｅrｅgionａｌｆaults。Keywords:Ｊiaozｕocｏalfｉeｌｄ；Coalbedmeｔhane（ＣＢM）；Coalｒｅｓeｒvoirprｏpeｒｔieｓ；Gａs—ｂearingｐrｏｐｅrtｉeｓ；Iｎflueｎｃefactors.目录摘要ﻩⅠＡbｓtract Ⅱ1绪论ﻩＰAGERＥＦ_Ｔoc3676１1。１研究背景及意义 ＰＡGEREＦ＿Toc１3７691１.２研究内容和方法ﻩPAGＥRＥF＿Toc１１098１１.３技术路线ﻩPＡGERＥF＿Tｏc１23６5２2地质概况 PＡGEＲEF＿Ｔoｃ13５5342.1地理位置与交通图ﻩＰＡGERＥＦ_Ｔｏc2438242.２地层与含煤地层 PAGEREF＿Toc8０９052.2。１地层 PAGＥREF_Toc10４７452.2．2含煤地层ﻩPAＧEＲEF_Ｔoc21８246２.３构造和岩浆活动 PAＧEＲEF_Toc1６6669２．3.1区域构造ﻩPAGEＲEF_Toc35６2９２．3。２岩浆活动ﻩPＡＧEREＦ_Ｔoｃ3478142。4水文地质条件 ＰAGERＥF_Tｏｃ221８９142。4。１含水岩组划分及其水文地质特征ﻩPAGEREＦ_Toc２9６36１4２．4.２地下水的补给、径流和排泄ﻩPAＧEREF_Ｔoｃ3５0１5３煤层赋存及分布特征ﻩPAGERＥF＿Toｃ3２17３.1煤层厚度及其变化规律 ＰＡＧERＥF＿Toc１90９５17３．1。1煤层厚度统计特征 PAGＥRＥF＿Toc784８１7３。1.2煤层厚度展布特征ﻩＰＡGEＲＥF_Tｏc1２55０１73．2主要煤层顶底板的岩性特征 ＰAＧEＲEF_Toc４972183。2.1顶、底板岩性分布特征ﻩPＡGＥREF＿Toc4133１８3.２．2顶、底板的物理力学性质ﻩPAGＥREF_Ｔoc7３9９1８4煤储层特征及含气性 ＰAGEＲEF_Ｔｏc25038204．1煤岩及煤质ﻩＰAGEＲEF_Toc1３766204.1。1煤的岩石学特征 PAＧＥREF_Ｔoc２5923204。1。２煤质特征 PＡGEREＦ_Toc23116204.2储层特征 ＰAＧEREF_Tｏc809９21４.2。１裂隙性 PAGＥREF_Ｔoc5494214.2。2孔隙性ﻩPＡGEREF_Toc227922４。３煤的吸附性与含气性特征ﻩＰAＧERＥF_Tｏｃ3１８75234。3.1吸附性 PAGEＲＥＦ_Toc４567２34.3．2含气性ﻩPAＧERＥF_Ｔｏc13２0５２４4。3．3煤层含气饱和度ﻩPAGEREF＿Ｔｏc2１１４５２54。４渗透性ﻩPAGERＥF_Ｔoc1１3９7２6４。4。1渗透率测试结果分析ﻩＰAGEREF_Toc２8359264．4。2渗透率的实验室测定结果分析ﻩPAGＥREF_Ｔoc6431２７５煤层气富集的地质控制因素ﻩＰＡGＥRＥF＿Tｏc2５３９4295.1断裂构造对煤层含气量的影响 PAＧEＲＥＦ＿Tｏc5２０7295．2煤变质作用对含气量的影响 PAGＥREF_Ｔoc21１7９3１5。3煤层顶底板岩性对煤层气富集的控制ﻩPAGＥREF_Toc25161325。4水文地质条件对煤层气富集的控制 PＡGＥREＦ_Toc2１2２03２致谢 ＰAGEREF_Toc258４434参考文献 ＰＡGEＲＥF_Ｔoc32269351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36．8×1012ｍ3(埋深150０米以浅的资源量约２７.3×10１2m3［２］，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60ｋm,南北宽15km，含煤面积为970km2,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２000m以浅、风化带以深、含气量在８m3/t以上的可采煤层的煤层气资源量为15８3.82×１０8m３,资源丰度为1。27×108m３/km２[6],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—图2—1研究区交通位置图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２2.0～１7５。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)①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１12．0~１77。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２9１．0~349.0m,平均310.０ｍ［15]。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52.０～78.０m,平均７0.0m。②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14３.０~166.0m，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4１3．０~５00。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.①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。②二叠系(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８．0~４5m,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40.０~110。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9~１2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。①下部灰岩段:一1煤层底到L４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4-6层，其中底部的一１煤层为大部可采煤层，其余均不可采。②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.③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２.１~１２.2ｍ，一般7～9m.L9也较稳定,厚0.1～2.6ｍ,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3-４层煤,均不可采。（3)山西组(Ｐ1ｓh）由L9石灰岩顶至砂锅窑岩底，厚４0．０～90。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2～３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10～1５m;上部为黑色泥岩或炭质泥岩和二1煤层。②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0~2０。9m，一般16~20m，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。③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0～２8．１ｍ，平均7。６m，局部相变为粉砂岩、砂质泥岩和泥岩。④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1１0．0～140．0m，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2．5~23．0m，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。0～５13。0m,平均4６０．0ｍ，按其沉积旋回,可分为四、五、六、七、八煤段.①四煤段：四煤底板砂岩底至五煤底砂岩底,厚４9.１～94.6m,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2０．９～２6.3m，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。②五煤段：五煤底板砂岩底至六煤底板砂岩底，厚50。2～102。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。③六煤段：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49．５～85.7ｍ，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。④七煤段：由田家沟砂岩底到八煤底板砂岩底，厚84．0～11２。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。5～15.０m，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3～5层灰褐、灰黄色硅质泥岩，是七煤段良好标志。⑤八煤段：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２．9～7．1ｍ,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NE—NNE、倾向ＳE的单斜构造形态，地层倾角５～２0º，沿倾向及走向有宽缓的起伏,局部倾角可达２5～30º。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：①EW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.②NE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。③NW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。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（2)主要构造特征①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70º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N2~Q2。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4０º东,倾向南东,倾角7０º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40º，断面倾向南东，倾角70º度，落差3０0～10００m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70º的正断层，落差10０～1２０0m。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６０º西，倾向南西,倾角约70º的正断层,落差30０~7０0m。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７８º东,至五里源后即转为东西向，长40km。为倾向北,倾角７0º的正断层，落差53～100０ｍ。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４0~60º,总体走向45º，倾向北西，东南盘上升，北西盘下降，倾角约70º的正断层，落差30０~１0００m。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15６０ºＳE170~630方庄正断层10150ºSＷ２00北碑村正断层１0150ºNE２０0赤庄正断层15100～１20ºＮNE２00李河正断层560～70ºSＥ０~3００油坊蒋正断层1060～7０ºNＷ0～2０0前董村断层１68０~9０ºN６00平陵断层1390~12０ºN5０0②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6km。南翼较低陡，地层倾角1４º左右，北翼较缓，地层倾角2～6º，为一不对称宽缓向斜，向东倾伏，轴部倾角２—３º。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35º东，西部渐变为东西向，向北东倾伏，两翼基本对称，地层倾角１1º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３5º东,向南西倾伏,轴部倾角4º，两翼基本对称，地层倾角８º,轴面近于直立.褚丘向斜：位于薄壁预测区，轴向北６5º西，轴长5km，向南东倾伏,轴部倾角5º,南西翼倾角１２º左右,北东翼倾角8º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50０~7０0ｍ,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S-Ｎ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NＷ—SE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NEE~SWＷ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3５0０—5０00m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。２—１。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200～300ｍ。北部太行山高＋５00～＋15００ｍ,寒武系、奥陶系巨厚灰岩出露,总厚８00～1０00ｍ,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／s[22］。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８00～1００0m。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800～1000m。裸露区或断裂带附近常有大泉出露，泉流量0．0１~７m3/s，水化学类型为HＣO3—Cａ(Mg),矿化度0．3～0.4ｇ/l,北部双头泉水位标高为+8５0m,山前为+110ｍ，水头梯度1３~61％;煤田内为掩埋型，岩溶裂隙发育不均匀,单井出水量1000~5000m３／ｄ，单位涌水量0。０1～3３3l／s。m,渗透系数0.0033～48m／d。水位标高+100～＋７8ｍ，为强富水含水层，水化学类型为ＨＣO３—Ca。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１0m的漏斗，王封、焦西矿井附近也有1～3m。（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6～8m和8～2１ｍ，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１～15m／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~+80m，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~+80m，一般水位标高＋75～＋90ｍ。(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。2~1。０m/ｄ;未风化砂岩含水层单位涌水量0。01~１．3１L／s.m，渗透系数0.01～0．５m/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２0～40m，富水程度由北向南递减，单井出水量由大于500０m３/d，渐变为5００～1０00m３/d,渗透系数15～557m／d；南部冲积平原以中细砂含水层为主，厚度20～30m,单井出水量1000～3000m3/d，渗透系数５0～８０m/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／ａ［2６]。其中灰岩裸露补给区面积13９5kｍ2,大气降水补给量10～1５m３/s、河流及水库渗入补给量2６.28m3/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2~0.４４‰。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3.14~１4。3m3/ｓ，其中九里山泉群流量9。2m3/ｓ，陨城塞间歇泉流量２．4ｍ3/s，百泉最大流量2．32m3/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m3［27]。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9～1０月，滞后降水一个月左右，每年6～9月水位上升速度0.1～1。０ｍ／ｄ,１0月至次年5月份水位缓慢下降,速度为０。02~0。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3～５层，可采煤层厚９m左右。其中,二1煤层全区稳定可采，煤厚０~1９。64m，平均５.３6m［29］。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。71～１２.69０~12．150~１2。９３1。2４～6.９3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。0～89ｍ，一般为60m左右，下距太原组L8石灰岩平均25。0m,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1～２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1．21~４。15m，其余区段煤层稳定，厚度变化较小，多在5.5０—6.９３m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０．３0～１7.67ｍ，一般厚1~３m，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。30～26.84m，一般１~7m,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0．80~33。49m，一般６～9ｍ，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1.８3~19。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／MPaФ／度弹模／104MPa泊松比泥岩二1煤顶板19．25.18０。2７0．1270.０２０１～0.０407０。31砂质泥岩２３．８８.７0０．370.3940。50。２290．028３～0。０５２４0.2９中砂岩８4。053。７0．６44。5044.03。330．2491~１.２４6３０.２2中砂岩72．９44.60.614.00４4。03．180．２017~0.6１340．２３泥岩2６.61。3９0。050。１2３８.00．07６0.００55～0．0０7７0.35泥岩35。６5。430.15０。２６39．50.112０．0２9１～0。03350。3３砂质泥岩二１煤底板35.９12.30.３４0。39４1.０0．２780．0７01~0.08１00.３１泥岩3７。45。８70。160.25３9．０0．１３80.０289～0。０３34０.32灰岩68．0５0。50。757.０0４4.５４。９40。3197~0。64670.18表３-3以往焦作煤田主要煤层顶、底板岩石物理力学性质试验统计结果项目砂岩粉砂岩砂质泥岩泥岩石灰岩比重（10３kｇ/m3)２．68～３。１６2．72～3。212。72~2.７32。69~2．922。７8~3.23容重(1０３kg／ｍ3)２．５3~3。062。57～3。0８２.61～2。６32．５0~2.7８２.６７～3。１抗压强度（ｋg／ｃm3)范围2０8～1５45５18~985２70～1003２98～899224～914平均75９。５751．55035８３569抗拉强度（kg/cm3）范围1１.８~8５。712~1713．7～35。914.1～18１9４～34２平均36。６14。524１02２12抗剪强度（kｇ/cm3)范围116.9～6３8６6。3～17432。5～４2.4平均３７311０3７内聚力(C）22.11８．5１0。55内摩擦角（º）３1.9４２7.3２5.4８.４~26。0弹性模量（MPa）0.8８×1０5０.34×10５０．45×10５泊松比0。50。470。３７0。２９软化系数0．7０50。87５根据二1煤顶、底板岩石性质及其力学试验资料，分析认为顶板由于伪顶普遍发育，且大多是泥岩或砂质泥岩，力学强度弱,顶压大易于冒落，煤炭开采时适于全面陷落法。该类顶板孔隙率低,透气性差,易于煤层气保存，但不利于常规压裂法开采,但其上部多为砂质泥岩或粉砂岩，可将该类顶板作为“虚拟储层”，采取顶板完井强化法开采等特殊工艺进行煤层气开采。４煤储层特征及含气性4。１煤岩及煤质4．１。1煤的岩石学特征①宏观煤岩特征根据井下和室内观测，成块状产出的二1煤宏观煤岩成分以亮煤为主，暗煤次之，夹丝炭和镜煤透镜体或线理状镜煤。煤岩类型以光亮型—半亮型煤为主，有少量的半暗型和暗淡型煤。在垂向上二1煤层中部多为半亮型和光亮型，半暗型主要分布于煤层顶、底部.煤层顶、底板以泥质含量较高的碎屑岩类为主,大多矿井煤层的伪顶、伪底为泥岩或含炭质泥岩,直接顶为细粒砂岩.②显微煤岩组成本区二1煤的有机组分含量较高，一般大于86%,其中绝大多数为镜质组，一般占总组成的80％以上，占有机组分的90％以上，惰性组含量较少。镜质组组成以弱非均质性的无结构镜质体为主，单偏光下呈亮黄色,除少量结构镜质体外，一般为无定形的基质镜质体、透镜状和团块状均质镜质体；正交偏光下，有条带状或黑白花纹交织席状隐结构显示、而形态大小不一的各向异性热解碳镶嵌于镜质组中.惰性组主要为丝质体，多呈破碎状分布,其细胞壁多呈星状、弧状碎片，可见石英或方解石充填。无机组分中以粘土矿物为主，含少量碳酸盐和硫化物。粘土矿物多为层状、团块状和浸染状,硫化物类主要为黄铁矿，多呈微粒状、莓球状或粒晶集合体等形式分布于有机质中，碳酸盐主要为次生或后生的方解石，呈脉状分布于有机质中,另外也有少量的石英碎屑。二1煤显微组分统计结果表4－1.表4－1焦作煤田二１煤显微组分组成统计表煤层有机组分（％）无机组分（%）镜质组惰性组合计粘土类硫化物类碳酸盐类合计二17６．４７—81.3280。1（４5)5.2９—10．23６。６(４5）86．713.0０.１0．21３．3注：括号内为样品数4。1。2煤质特征表4-2焦作煤田二1煤煤质分析结果综合统计煤层工业分析Mad(％)Ad（%)Vdａｆ(％）St。d(%）Qgr。vｄ(MJ/Kg）Ｑｎet.v.d（ＭＪ/Kg）二10．54~3．50１.9８（1０５)5。５5～2３.51６.１７（10５)３.８7～９.4６6．５２(105)０.3２～0。390.３５(1７）２7。2６～3２．５229.35(31)25．３2～３1.５32７．58（17）注：括号内为样品数表４-３焦作煤田二1煤元素分析结果表煤层浮煤元素分析（％）CｄａfＨdａfNdaｆOdａf二192.５９~9４。6193.41(37）2．24～３．5９3。00(27）0。8６～2。111．22(24）０.53～2。361。52(17)注：括号内为样品数由表４—2、4—3可以看出，焦作煤田的主要煤质指标具有如下特点:（１）灰分：二1煤灰分5。55—23。5％,平均1６.17％，多为低—中灰煤，在九里山井田局部为大于20%的中灰煤。(2)硫分：二1煤的全硫含量变化趋势为上部低，下部高。二1煤原煤全硫含量0．３2～0。39％，平均0。3５%,均小于０.５％,为特低硫煤.(3)发热量:二1煤的发热量一般均大于2７.00MJ/Ｋｇ，为特高热值煤。（4）元素组成：二１煤元素组成均以碳为主，其次为氢.二1煤煤质特征在平面上分布具有一定的规律：挥发分和氢元素含量由东部的赵固勘探区向西部的王封、李封井田均有下降的趋势，而碳元素的含量则有逐渐上升的特征。从垂向看,煤层顶、中、底煤分层之灰分大致有高、低、高的变化规律，尤其是煤层下部灰分含量稍高。4.2储层特征4。２.1裂隙性本区二1煤层变质程度较高，割理不甚发育,仅在镜煤条带中有割理存在。古汉山井田试验井古2、古３孔二1煤样品电子显微镜观察，煤中次生裂隙发育，其次生裂隙的宽度和延伸长度不均匀，且形状各异,裂缝大多是孤立的或几条裂缝相交接，没有形成网状结构，局部被高岭石或方解石充填或半充填。古3孔的裂缝密度比古2孔大的多,而且裂缝交叉现象比较普遍，也反映了煤田不同地段煤层裂隙发育的不均一性和渗透性的差异性。根据九里山镜下显微裂隙走向玫瑰花图(图4－1），显微裂隙的主要走向为NＥＥ或近ＥＷ、NE向，其它方向如NW向、NＷW向的裂隙也有一定的分布。通过各矿井井下煤层观察，发现煤中存在着大小不等的裂隙,既有穿过整个煤层甚至插入顶底板的大裂隙以及切穿煤层夹矸而中止于煤层顶底板的较大裂隙,也有中止于煤层夹矸仅在煤分层分布的小裂隙，还有仅发育于镜煤条带中的微裂隙，裂隙尺寸大小悬殊，大的裂隙（或小断层)发育数量较少，小裂隙发育数目相对较多。井下观测到的裂隙走向不一，主要有NNＷ、NE、NNＷ、NＮE或近于SN向，多为倾角大于50º的高角度裂隙，往往两组裂隙共存，其中大裂隙切割小裂隙,同组裂隙成雁型排列，间隔为０.2～７cm。局部如古汉山矿出现三组裂隙。在九里山矿井下观察发现，裂隙常常被方解石脉充填，势必降低了裂隙的渗透性。根据冯营井田宏观裂隙的玫瑰花图(图4—2)，可以看出,宏观裂隙主要走向为ＮE或近EＷ向，与显微裂隙的主要走向相当.图4-1山井田二1煤层显微裂隙图4-２井田二1煤层宏观裂隙走向玫瑰花图倾向玫瑰花图4．2.2孔隙性目前，在煤储层孔隙性研究中，常采用压汞法和低温液氮法来测试煤的孔隙结构参数，其中，前者测试的孔径最低限为７。２nm,最大可达１0000nm以上,而后者孔径测试范围为０。76~50nm，要比前者小得多,因此,有研究者根据测试范围的差别认为压汞法测试的孔隙结构参数反映的微米级孔隙的分布状态，而将液氮法测试得到孔隙结构参数认为是纳米级孔隙分布的信息。两种方法由于测试原理和方法具有质的不同，因此即使对于统一样品,二者在孔径重叠段得到的孔隙结构参数也无可比性.但对同一煤样,相同方法测试得到的数据一定程度上能够反映对应的测试范围内孔隙变化的规律性。本次工作采用压汞法和低温液氮法分别对焦作煤田二1煤的微米级、纳米级孔隙进行了测试,二1煤孔隙的孔容和孔隙表面积见表４－4、４-5。由压汞试验数据可知，焦作煤田二1煤的孔容中大、中孔含量较大，其次是过渡孔，然后是微孔.而比表面积中,小于100nｍ的微孔和过渡孔占绝对优势，其中,微孔含量要大于过渡孔.表４-４焦作煤田二1煤的纳米级孔隙结构参数孔隙参数比表面积（cm2/g)孔容（１0—4cm3/ｇ)平均孔径（nm)范围820～5197004。7~1282。２～１5.６平均12１98763。75．6注:表中数据来源于低温液氮法实验结果.表4-５焦作煤田二1煤的微米级孔隙结构参数项目大中孔（＞100nm）过渡孔（１０0～10nm）微孔(１０~７．2nｍ）合计比表面积cｍ2/g31～1１3０71２3７0～4７1４61６５67～6174529674~９０４2５平均1617２８972３862４６921３％0.02~1２。5029．9３～47.38３5．35~６9。７２平均2.27４１．９855。75孔容10—4cｍ3／g22～２40０45～１２８36～128249~2６71平均２８4。6１54。282.9521。79%8.4～8９.85７.4~49．222.7~４1。2３平均39．137．923注：表中数据来源于压汞法实验结果。通过对比纳米级孔隙和微孔隙测试实验结果，焦作煤田的纳米级孔隙比表面积远大于微米级孔隙,但其孔容要比后者小得多，纳米级孔隙的孔径范围为2.2～15．６nm之间，平均孔径在5．6nｍ.根据煤吸附研究表明,一般微孔(〈1０nm）构成煤的吸附空间；过渡孔（１00～10nm）构成煤层毛细凝结和扩散区域;中大孔（＞１00nm)构成渗流和层流区域。由此可见,焦作煤田二1煤的吸附能力很强,并且具有一定的扩散能力，但渗流或层流能力很弱。4.３煤的吸附性与含气性特征４.３.1吸附性煤层气在煤中一般以吸附态、游离态和溶解态三种方式赋存，其中吸附态是其主要赋存方式,一般占80%以上。吸附量的大小取决于煤对气体的吸附能力，而煤的吸附能力又受到煤的岩石学组成、煤化程度、煤的孔隙性以及储层温度、压力等众多因素的影响。鉴于此，本次工作中,对不同温度、不同煤体结构的煤进行了等温吸附实验，来评价研究区的煤的吸附性及其变化规律。本次研究中，以当前煤层气吸附性测试中普遍采用的美国TeｒraＴｅk公司生产的IS—1００高压等温吸附仪，模拟地层含水情况对焦作煤田不同井田内二１煤层和所施工钻孔的二1煤层的煤样进行了等温吸附实验,并对以往区内等温吸附实验资料进行了搜集。以往测试结果表明，３０℃条件下二１煤的原煤对CH４的最大吸附能力为２2.68~4６。6７ｃm3/ｇ，平均为3８。07cm3/ｇ,而可燃基的吸附量对CH4的最大吸附能力为25.9９～5２。71cm3/ｇ，平均为44。5４cm3/g，吸附量达到饱和吸附量一半时对应的压力（PL）为1．１7~4。９６MＰａ，平均为3。1８ＭＰa。总体上,焦作煤田煤的吸附量较大，表明区内煤层具有较大的甲烷吸附能力。主要因为该煤田煤均属于无烟煤，微孔含量较大有关.4.3.2含气性煤储层的含气性表示地层状态，煤层中气体含量大小、成分及含气饱和度，煤层气含量指自然条件下单位质量的煤中所含气体的体积量；而气体成分指自然条件下煤中气体各组成成分的浓度百分比.含气量、气体成分大多是依靠煤田地质勘探其间实测而知，而含气饱和度由等温吸附曲线、实测含气量计算得到的.本次研究中，共搜集到的含气量数据有203组,其中，二1煤层含气量数据为19２组,在搜集到的192组含气量数据中，通过钻孔取心测得的含气量数据16３组，井下开采过程中实测含量数据26组,全部为二１煤层,其中断层不同部位的实测含气量数据1２组（全部位于古汉山井田)，另外１4组数据来自方庄矿生产期间实测数据。所有含气量数据中，由于煤样采集及测定方法的差别，实测瓦斯含量测值并不全部真实可靠,为此需要加以对比、校正后方可使用，如集气法和真空罐法瓦斯含量测值需要乘1.2和1。4的损失系数，甲烷低于８0%时的含气量数据仅在含气性变化规律中应用，并不参与资源评价,资料不全的仅为参考等原则,另对与煤层气赋存规律违背的含气量异常数据和薄煤带的含气量数据仅作为参考。经遴选，本次评价可利用钻孔煤层气含量数据150组，其中二1煤层146组(包括5口煤层气参数井和3口本次项目进展期间钻孔获得的数据），数据主要分布在煤田浅部勘查区。收集的含气量数据二1煤在埋深163m～1０64。3ｍ取样范围内，实测煤层气含量为４。65～45.75ｍ３/t，平均１8。３３m３／t；由此可以看出，所有含气量数据中,除了五里源预查区的两个钻孔外,其它数据均分布在埋深在１000m以浅，因此,深部含气性数据少,需要根据含气性的分布规律进行推算。研究区的煤层含气量分布规律为：(１）就整个煤田而言，自东北向西南,含气量有增大的趋势；在同一断块内,煤层气含量有随煤层埋藏深度增加而增高的趋势。但含气量并非随着深度的增加无限增大，如恩村井田,含气量等值线与煤层底板等高线相交的趋势有向深部延展的趋势,含气量最高值区不是出现在向斜轴部,而是出现在轴部北侧。由此说明,即使构造变化不大的同一块段，煤储层含气量到一定深度趋于饱和值,深度增加,含气量增大幅度很弱。（2)煤层气含量与地质条件关系密切，深部断块的含气量总体高于浅部。同一断块,地质构造对煤层气含量影响显著，如古汉山井田内,煤层距离断裂带越近，含气量较小，但在断层尖灭端附近,含气量往往较大，断层上升盘的含气量要小于下降盘;焦南井田,小褶曲轴部附近、压扭性断裂封闭地段，含气量较高，如５-２、８—1、１3—6、14—16等钻孔。4。3.３煤层含气饱和度含气饱和度系指煤层气在储层条件下所达到的吸附饱和程度，一般用某点的煤储层实际含气量与储层压力对应的理论吸附气量之比，单位为%。可据等温吸附曲线、实测储层压力、实测含气量等计算,即:式中:Ｓ，含气饱和度，％;Ｑ,实测含气量,m3/t；Ｖ，理论含气量,即实测储层压力对应的饱和吸附量（将储层压力代入朗格缪尔方程V＝VL＊P/(P+PL）求得），m3／t。根据本次工作对所采集的煤样的含气饱和度计算结果(表５-１4）,以及前人对试井期间煤样的含气饱和度计算结果（表5—15)，区块内二1煤层含气饱和度介于17.6~97.８％之间,多处于欠饱和状态，局部可达到近饱和或饱和状态.总体上,根据等温吸附实验计算得到的糜棱煤含气饱和度要大于原生结构煤,分析其原因，由于糜棱煤在构造应力作用下，孔裂隙通道遭到破坏，阻碍了气体的运移,从而增大了煤中气体的含量。因此,等同吸附或原生结构煤吸附性略大的条件下，糜棱煤的含气性要高于原生结构煤。据此可以推断,构造煤发育的地区，含气饱和度相对要大些。４.4渗透性煤层作为一种具双重孔隙介质的储层，不仅具有较强的吸附能力,而且也具有一定的渗透能力,煤层气在煤体大的孔隙和裂隙中的流动一般服从达西定理，即流速和压力梯度成正比，与煤的渗透率成反比。煤层渗透性的好坏直接影响着煤层气的产出速率和煤层气井的产气历程。煤储层渗透率直接受控于煤层中天然裂隙网络的发育程度和开合程度。发育程度又受控于构造演化历史和煤化作用程度，开合程度受到现代构造应力场和煤储层压力的综合影响。煤层渗透率可由多种方法获取，如实验室测定、地球物理测井曲线换算、煤层透气性系数换算、试井测定和储层数值模拟。不同方法由于测试的原理、方法以及计算点位或煤样代表性的差别，求出的结果相差很大,难以对比。诸方法中，只有试井方法和产能模拟历史匹配方法的结果接近于自然界的真实情况,但这种方法受试井资料的限制，数据很少，因此,还需要其它方法进行补充。依据现有资料，因此,本次研究根据矿井煤样产出情况,在古汉山、方庄、朱村、白庄等井田采集了大块状煤样，进行了室内渗透率的测定.4.4.1渗透率测试结果分析就目前资料而言,焦作煤田二１煤层的试井渗透率仅有6组，集中在在煤田中部的古汉山井田、中马井田和南部的恩村井田，而其他井田或勘探区还没有相关资料。测定结果地域分布变化极大,介于0。00０１~８2.62×10—３μm2（见表4—６)。表4-６焦作煤田煤层气试验井二1煤层渗透率测试结果表井田名称古汉山井田中马井田恩村井田井号古１古２古3古４CQ6煤层原始渗透率(10-3μｍ2)１．５63．１2～3.87７5。７9～８２.６221.600.0０1～0.08０。002水力压裂处理后的渗透率（１0－3μm2）１5．9７０.09~0.７6１6煤矿上和瓦斯地质上常用透气性系数来表示煤层气在煤体流动的难易程度，可以换算成煤层的渗透率。焦作煤业集团曾在煤田西部李封矿天官区测得二1煤层透气性系数为0．0312ｍ2/MPa2·d,换算成渗透率为0.008×１0-３μm２。小马村矿和朱村矿二1煤层透气性系数分别为0.1５4m2/MPa2·d和0．55～３。6m2／MPa2·d,换算成渗透率分别０。0０４×10-３μｍ2和0.014～0。09×10－3μm2。中马村井田二１煤层透气性系数为０．176９１m2/(ＭＰａ２.ｄ)，换算成渗透率为0。04５×１0—3μｍ２。上世纪8０年代中期，中马村井田曾进行了地面钻孔预抽煤层瓦斯试验,测得二1煤层渗透率为０。０0１～0。08×10-3μｍ2,经水力压裂处理后，渗透率可达0.09～0.76１6×10—3μm2。恩村井田CQ６参数井测试获得二1煤层的渗透率为0．0０2×10-３μm2,显然渗透率小，原因在于试验井处于向斜构造轴部部位，储层处于挤压应力状态，煤体结构较破碎，因此渗透率较低.古汉山井田4个试验井用钻杆地层测试（DST)法,测得二1煤层的渗透率见表5．3—2，因其位于断层上盘断块，且离断层较近，由于边界断裂构造的影响，使断块内裂隙发育，测得的煤层渗透率较大,但由于裂隙发育的不均一性，造成渗透率差别较大。水力压裂后渗透率明显增大，古2井二1煤层渗透率由压裂前的3.１2×10—３μm2,压裂后增至15。9７×10－3μm２。由此可见，在古汉山井田,二l煤层的渗透率相对较高,而其它井田，煤层的渗透性较差。4．4．2渗透率的实验室测定结果分析原位状态下,煤层处于水、气、液三相共存的状态，研究和比较气、水两种流体在煤层中的渗透性，对于煤层气开发具有重要意义。本次工作中，对有条件的几个井田采集的块状煤样进行了渗透率的测定。（1）单项渗透率单相渗透率指单相流体通过煤体孔、裂隙时的渗透率,因氦气（He）基本上不与煤体发生任何物理、化学反应,因此,该气体测定的渗透率一般称作绝对渗透率（也称克氏渗透率)。本次实验中，分别进行Hｅ气、水两种流体的单相渗透率以及气驱水过程中的相对渗透率的测定。测定结果见（表4－7）。表4－7焦作煤田煤块样渗透性实验室测试结果井田名称埋深（ｍ）围压(MＰa)克氏渗透率（mD）水单相渗透率（ｍD）相渗实验(气驱水)残余水饱和度（％)残余水下气相渗透率(mD