傅雪海，陳振勝，宋 儒，張慶輝

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)煤層氣資源與成藏過(guò)程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116； 2.山西省煤炭地質(zhì)勘查研究院，山西 太原 030031)

0 引言

煤系是一套含有煤層并有成因聯(lián)系的沉積巖系[1]。我國(guó)九個(gè)主要聚煤期—C1、C2、P2、P3、T3、J1+2、K1、N、E中只有石炭—二疊紀(jì)煤系中存在石灰?guī)r層，其中太原組普遍發(fā)育多層、厚層(厚度大于3 m)石灰?guī)r。前人對(duì)煤系上覆、下伏碳酸鹽的油氣資源進(jìn)行了大量研究，就煤系中石灰?guī)r的油氣資源評(píng)價(jià)尚鮮見(jiàn)報(bào)道。義棠煤礦開(kāi)采太原組下組煤—9#、10#煤層，煤層瓦斯含量低于1.40m3/t，甲烷濃度低于15%，而近年來(lái)，礦井局部瓦斯涌出量突然增大，造成回采工作面瓦斯超限。井下觀察表明異常涌出的瓦斯來(lái)源于其上覆石灰?guī)r裂隙/縫發(fā)育地段。本次以霍西煤田義棠煤礦為例，闡述煤系中太原組灰?guī)r氣的發(fā)現(xiàn)及意義。

1 瓦斯地質(zhì)背景

義棠煤礦位于山西介休市西南義棠鎮(zhèn)劉屯溝，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力1.80 Mt/a， 采用斜井—立井開(kāi)拓，兩翼對(duì)角式通風(fēng)方式，機(jī)械抽出式通風(fēng)方法，歷年瓦斯等級(jí)鑒定為低瓦斯礦井[2]。構(gòu)造位處霍西煤田，位于汾孝礦區(qū)東南部，地處宜興曹村詳查勘探區(qū)東部邊緣，為師屯井田精查區(qū)一部分。礦井總體構(gòu)造形態(tài)為大西莊背斜，其樞紐呈向西南凸出的弧形，由北西-南東逐漸過(guò)渡為近東西方向，兩翼傾角5°～15°，總體向北西方向傾伏(圖1)。井下巷道揭露區(qū)內(nèi)發(fā)育12條隱伏小型正斷層，總體呈NE-SW向展布，斷層落差小，對(duì)煤層開(kāi)采影響不大。

礦井主要開(kāi)采9#、10#煤層，9#煤位于太原組下部，與10#煤相距平均0.84m，平均厚度1.27m，頂板為K2石灰?guī)r，底板為泥巖(圖1中柱狀圖)；10#煤位于太原組底部，平均厚度4.32m，頂板和底板均為泥巖。煤類(lèi)為瘦煤。

2 瓦斯異常涌出

袁軍偉按照《瓦斯含量井下直接測(cè)定方法(AQ1066—2008)》，實(shí)測(cè)9#、10#煤層瓦斯含量介于1.19～1.36 m3/t[2]，平均為1.27m3/t，CH4濃度為3.75%～11.60%，平均為6.39%(表1)。

圖1 義棠煤礦構(gòu)造綱要圖及太原組柱狀圖Figure 1 Structural outline map of Yitang coalmine and Taiyuan Formation stratigraphic column

測(cè)定地點(diǎn)煤層埋深/m氣體組分/%CH4CO2N2含量/m3·t-1西翼專(zhuān)用回風(fēng)巷掘進(jìn)頭946211.6013.3574.761.22100503—5號(hào)巷道60 m處104632.8922.5474.571.29軌道大巷距6號(hào)巷道聯(lián)巷60 m處104726.4723.1770.361.27100403工作面距下巷道25 m處103907.1329.7063.171.19安益礦100101工作面切眼處104433.7518.9377.291.36

實(shí)測(cè)義棠煤礦9#、10#煤層均處于瓦斯風(fēng)氧化帶內(nèi)，自建礦以來(lái)，礦井及采掘工作面瓦斯涌出量一直較低。但近年來(lái)礦井局部瓦斯涌出量突然增大(表2)，造成回采工作面上隅角瓦斯超限[3-5]。這些異常涌出的瓦斯不可能來(lái)源于低瓦斯的煤層本身，應(yīng)該存在另外的瓦斯源。2014年100402回采工作面在前600 m范圍內(nèi)回采時(shí)瓦斯涌出量最大僅為1.2 m3/min，工作面推進(jìn)600 m后瓦斯涌出量急劇增大，最大瓦斯涌出量達(dá)到4.36 m3/min[2-4]?？疾彀l(fā)現(xiàn)在該工作面前600 m區(qū)域K2灰?guī)r賦存穩(wěn)定，裂隙不發(fā)育；在工作面推過(guò)600 m后的區(qū)域K2灰?guī)r裂隙非常發(fā)育，裂隙寬度從幾毫米到10 cm以上不等，且裂隙相互連通，在這些裂隙發(fā)育區(qū)域有大量瓦斯從裂隙中涌出。2015年，全礦井的絕對(duì)瓦斯涌出量達(dá)到了105.55 m3/min，相對(duì)涌出量為31.41 m3/min[5]。根據(jù)采掘工作面瓦斯涌出情況，判定這些異常涌出的瓦斯來(lái)源于9#、10#煤層頂板K2灰?guī)r。

導(dǎo)致K2灰?guī)r瓦斯從裂隙發(fā)育區(qū)異常涌出的一個(gè)重要原因是K2灰?guī)r水頭高度急劇降低。經(jīng)周邊礦井調(diào)查發(fā)現(xiàn)，由于受北部相鄰萬(wàn)峰煤礦疏排太灰水影響，太灰水位已持續(xù)下降近300 m， 2014年6月太灰水位觀測(cè)孔實(shí)測(cè)標(biāo)高為253.283～278.493 m*中國(guó)煤炭地質(zhì)總局華盛水文地質(zhì)勘察工程公司山西金暉萬(wàn)峰煤礦有限公司井田水文地質(zhì)補(bǔ)充勘探報(bào)告，2014年。

表2 礦井瓦斯涌出量

3 煤系灰?guī)r瓦斯賦存方式

3.1 K2灰?guī)r埋深、厚度及取心率、漏失量

K2灰?guī)r受大西莊背斜影響，總體走向?yàn)闁|西向，傾向北(圖2)，底板標(biāo)高介于180～620 m，南部高北部底，呈單斜構(gòu)造，中西部較平緩，傾角在5°～15°，東北部?jī)A角稍大，約18°。

K2灰?guī)r厚度介于2.0～10.5m，平均為8.14m。中部灰?guī)r厚度在6 m以上，西北部與東部存在2個(gè)灰?guī)r減薄區(qū)域(圖3)。

礦井位于汾河西岸，屬黃土地貌，地形復(fù)雜，沖溝發(fā)育。野外觀測(cè)，最大溝谷見(jiàn)下石盒子出露，太原組灰?guī)r和煤層沒(méi)有露頭。井下觀察，K2灰?guī)r呈灰黑色，中厚層狀構(gòu)造，晶粒結(jié)構(gòu)，局部可見(jiàn)方解石脈，裂隙發(fā)育，長(zhǎng)5～35 cm，且在裂隙末端出現(xiàn)密集的微裂隙。溶蝕凹槽、溶洞發(fā)育，溶蝕孔洞相對(duì)較小，深1～5 mm，寬2～5 mm。

圖2 K2灰?guī)r底板等高線圖Figure 2 Limestone K2 floor depth contour

圖3 K2灰?guī)r等厚線圖Figure 3 Limestone K2 isopach

K2灰?guī)r層巖心采取率介于11%～81%，平均為57%。在北部巖心采取率較高，平均約為74%；在東北角及南部大部分地區(qū)巖心采取率相對(duì)較低，平均約為50%；在西北角，K2灰?guī)r的巖心采取率最低，平均約為20%(圖4)。

K2灰?guī)r層鉆井漏失速率較大，各鉆孔均值0.16～20.33 m3/h，平均為2.655 m3/h(表3)。煤田勘探鉆孔資料分析，研究區(qū)因斷層引起的漏失量驟然增加的區(qū)域并不存在，故排除斷層對(duì)漏失量的影響，研究區(qū)也未見(jiàn)陷落柱，故也排除陷落柱對(duì)漏失量的影響。因此，灰?guī)r層巖心采取率低、鉆井液的漏失量大，主要是巖層中裂隙/縫及溶洞空間所導(dǎo)致。

3.2 K2灰?guī)r瓦斯賦存方式

據(jù)劉煥杰等對(duì)山西南部構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的研究[6]，推測(cè)大西莊背斜為印支期近南北向擠壓(軸向近東西部分)和喜瑪拉雅早期NE-SW向擠壓(軸向NW-SE部分)兩期構(gòu)造疊加的產(chǎn)物。燕山中期是華北最主要的巖漿熱事件，此次異常高熱古地溫場(chǎng)使蓋層地溫梯度升至5.88～8.08 ℃/100 m[7]，煤層受熱溫度可達(dá)182～263 ℃，煤級(jí)急劇增高，發(fā)生大規(guī)模二次生烴作用[8]。9#、10#煤層中的瓦斯由于壓力差、濃度差的作用逐漸向上運(yùn)移至上覆K2灰?guī)r，由于K2灰?guī)r具有豐富的體腔空隙、裂隙、溶縫和溶洞，且裂隙連通性強(qiáng)，連通了K2灰?guī)r與下伏9#、10#煤層，絕大部分煤層瓦斯運(yùn)移賦存于上覆K2灰?guī)r裂隙、溶隙或溶洞中(圖5)。

煤田地質(zhì)勘探實(shí)測(cè)K2灰?guī)r含水層水位標(biāo)高介于552.0～553.8 m(圖6)，K2灰?guī)r底板標(biāo)高介于180～620 m(圖2)，可計(jì)算出研究區(qū)北部K2灰?guī)r水頭高度可達(dá)374m，北部水頭高， 南部低， 即K2灰?guī)r地下水由北向南方向流動(dòng)，地下水?dāng)y帶或水溶的瓦斯，向西南、南部大西莊背斜軸部方向—先成構(gòu)造圈閉中聚集。

表3 K2灰?guī)r鉆井漏失量

K2灰?guī)r是含水層，通過(guò)孔裂隙向上運(yùn)移的瓦斯游離或溶解于灰?guī)r水中，因灰?guī)r內(nèi)孔裂隙連通性好，地下水在灰?guī)r內(nèi)的運(yùn)移條件良好，地下水從北東向南西緩慢流動(dòng)過(guò)程中，埋深逐漸減小，溫度和壓力隨之降低，溶解度變小，地下水中溶解的瓦斯和攜帶的瓦斯逐漸析出， 并繼續(xù)向瓦斯?jié)舛鹊颓也缓拇笪髑f背斜軸部灰?guī)r空隙聚集。而K2灰?guī)r頂部發(fā)育巨厚的暗色泥巖阻止了瓦斯繼續(xù)向上逸散。

圖4 K2灰?guī)r巖心采取率等值線圖Figure 4 Limestone K2 core recovery isogram

圖5 煤系灰?guī)r瓦斯賦存方式圖Figure 5 Coal measures limestone gas hosting mode

圖6 K2灰?guī)r水位等值線圖Figure 6 Limestone K2 groundwater level isogram

2015年開(kāi)始義棠煤礦在井下針對(duì)K2灰?guī)r布置扇形鉆孔進(jìn)行瓦斯抽采，抽采瓦斯?jié)舛雀哌_(dá)90%，用于發(fā)電。增加了新的資源，杜絕了瓦斯超限，避免了排放對(duì)環(huán)境的影響，同時(shí)取得了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)論

(1)K2灰?guī)r厚度大，橫向連續(xù)性好，發(fā)育較多裂隙/縫、溶隙，甚至溶洞，空隙連通性較好，是良好的儲(chǔ)集巖。

(2)大西莊背斜為印支期近南北向擠壓和喜瑪拉雅早期NE-SW向擠壓兩期構(gòu)造疊加的產(chǎn)物，為灰?guī)r瓦斯聚集提供了構(gòu)造圈閉條件，燕山中期異常熱事件使9#、10#煤層發(fā)生大規(guī)模二次生烴作用，為圈閉提供了瓦斯氣源。

(3)K2灰?guī)r地下水具有北部、東北部水勢(shì)高，南部、西南部水勢(shì)低的特點(diǎn)，使地下水?dāng)y帶或水溶瓦斯向大西莊背斜軸部方向運(yùn)移聚集，并被地下水封堵。加上K2灰?guī)r頂部巨厚的暗色泥巖阻止了瓦斯繼續(xù)向上逸散，使煤系灰?guī)r裂隙/縫-溶洞型常規(guī)天然氣藏得以保存。

參考文獻(xiàn):

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