哈密三道岭矿区低阶煤层含气性研究

李保国 郭莉

（新疆煤田地质局 乌鲁木齐 830091）

作者简介：李保国，男，汉族，1953年8月生于辽宁省抚顺市，1971年参加工作，1977年7月毕业于西安矿业学院煤田地质专业。现任新疆煤炭学会地测专业委员会委员。教授级地质高级工程师。从事哈密矿区工程地质、区域地质、瓦斯地质、构造地质、煤层气等方面的综合研究。电子信箱：lbg_830@163.com。

摘要 通过对三道岭煤田地质资料的分析，认为三道岭煤田虽属低阶煤，但因含煤面积和煤层厚度大、埋深适中、构造封闭和煤层顶底板岩性对储气层的封盖性好，煤层的渗透性和吸附性强，具有一定的含气性和储气能力。

关键词 煤层气 甲烷 吸附 渗透 含气性 封盖 煤层 哈密 三道岭

Analysis on Gas-bearing Features of Low Rank Coal in Sandaolin Coalmine of Hami Basin

Li Baoguo，Guoli

（Xinjiang Buearu of Coal field Geology，Urumuqi 830091）

Abstract：After throughout analysis of the geological data in Sandaoling coal field，it is concluded that coal seams in Sandaoling coal field have certain gas bearing and storing capacity because the coal-bearing area and thickness are big，the depth is moderate，the structure is sealed，the lithology of roof rock and bottom rock of coal seams is good to sealing of gas，as well as the permeability and adsorption of the coal seams are high although the coal rank is low.

Keywords：CBM；methane；adsorption；permeation；gas bearing；sealing；coal seams；Hami；Sandaolin

引言

煤层气俗称瓦斯，它是在煤形成过程中原地生成，并以吸附状态赋存于煤层中的非常规天然气，是由CH₄、N₂、CO₂以及少量重烃等组成的混合气体，其主要成分 CH₄占90%以上，热值高于8000大卡，它燃烧时无烟和SO₂气体，对大气没污染，是一种高效洁净的新能源。

笔者根据哈密三道岭煤田地质成果和矿井瓦斯地质资料，对煤层气赋存的地质条件做了定性的分析并认真研究了煤层气储集性能和封存条件。

哈密三道岭矿区位于新疆哈密市西北部，处于巴尔库山与觉罗塔格山之间的哈密盆地西北缘，矿区总面积200余km²，主要开采区在矿区南部，后窑、露天、一矿、北泉4个井田，年生产能力300×10⁴t。

哈密三道岭煤田属全覆盖中生界中下侏罗世煤田，共含煤6层，其中4号煤层为全区可采煤层，6号煤层局部可采，可采煤层总厚度10.31m，含煤系数1.58%。

矿区处于西山倾伏背斜的南翼，属单斜构造，缓倾斜煤层，倾角5°左右，没有陷落柱和火成岩侵入，构造类型简单。

1 三道岭煤层气的基础地质特征与含气性

1.1 构造对储层的圈闭作用及含气性

哈密三道岭煤田处于天山地槽褶皱时所形成的山前凹陷盆地—哈密盆地中，在此盆地中沉积侏罗系、白垩系、第三系和第四系地层，厚1500m，在这些地层沉积过程中，又发生了燕山运动和喜马拉雅山运动，使中新生界地层产生了褶皱、伴生褶皱的同时，又产生了各种性质的断裂。由于沉积间断，中新生代地层之间成为不整合面。煤田内构造形态主要受这两次运动的影响。

褶皱构造是以西山倾伏背斜为主，向北为柳树沟向斜，而南部是三道岭向斜，背斜轴与向斜轴间距30～40km。

断裂构造：F₁逆断层，走向东西，倾角70°～80°，倾向北，断距100m左右，是矿区各井田南部边界。F₂逆断层，走向东西到一矿转向南交于F₁断层，倾角16°～18°，倾向南，转弯后倾向西，断距30～50m，纵贯矿区四个井田，长16km，由后窑到露天、一矿、北泉，为一矿井田和北泉井田的自然边界。详见图1。

图1 哈密三道岭矿区地质图

整个区域内构造特征是向背斜相间，断裂构造以逆断层为主，由于压性断层面的密闭，煤层气难以透过断层面而运移散失，同时断层面附近构造应力集中，可加大煤层气的压力，使煤层吸附甲烷量增多，使煤层含气量相对增大，如一矿浅部在F₂断层处3243工作面瓦斯含量11.37m³/t，其中CH₄6.35m³/t，CO₂5.02m³/t，瓦斯含量明显高于其他工作面。

在背斜构造两翼，会使煤层气较好地封存，轴部中合面以下煤层气聚集，而向斜构造两翼与轴部中合面以上表现压应力，为明显的应力集中，形成高压区是有利于煤层气封存和聚集的部位，特别是向斜轴部一般是煤层含气量高异常区。

由此可见，煤层气储层的封盖取决于地质构造性质以及其构造形迹所反映的构造应力特征。

1.2 煤层气储层的封盖特征及含气性

三道岭矿区在哈密沉积盆地北缘，面积约200km²，生产矿井开采深度300m以浅，中生界中下侏罗系煤系地层，总厚度651m，沉积岩相为湖泊相-泥炭沼泽相-河流相沉积岩层，由灰色、灰黑色的砂砾岩、砂岩、粉砂岩、泥岩和煤组成。含煤6层，4号、6号煤为可采煤层，其间距20m，煤层总厚度2.85～42.53m，其中4号煤层为主要可采煤层，厚0.75～26m，平均14.5m，6号煤层厚2m，稳定性好。1号、2号、3号煤层有缺失和分叉，稳定性较差，3号煤层以下岩性较细，多为砂质泥质，粉砂岩和泥炭互层。

4号煤层，伪顶泥岩，厚0.8m，直接顶为粉砂岩和泥岩互层，底板泥岩，遇水膨胀，地鼓现象严重。由于煤层气主要以吸附状态赋存于煤层中，受生烃增压、构造应力、埋深等影响，在成藏过程中煤层气储层常出现超压现象。此时煤层气储层的压力不仅高于上覆地层（即煤层顶板），也高于下伏地层（即煤层底板），因此，煤层顶底板对煤层气的保存都起作用，但一般认为顶板作用更为显著。盖层（煤层顶板）对煤层气的封闭作用由于没有进行足量的测试，这里只能从岩层性质定性的分析认定，煤层气储层封盖层性能也与厚度有关，由于煤层伪顶厚度小，其岩性对煤层气的保存影响较小，煤层气封盖的岩性系指直接顶板的岩性。4号煤顶底板岩性均为粉砂岩和泥岩互层，并有遇水膨胀性，故认为盖层的屏蔽性好。

1.3 水文地质特征

本区气候干燥，常年少雨，据气象资料统计，降水量仅为40mm，而蒸发量则高达4000mm，区内无地表水，又无河川径流，而山前平原的地下水的唯一补给是北部巴尔库山之冰雪融化水和大气降水，山区沟谷常年有水，一般流出沟口2～3km即潜入地下，形成地下水。

1.3.1 第四系潜水

一般第四系地层是不含水的戈壁砾石层，厚0～2m，仅局部有不连续的砂质护地中埋藏有潜水，形成土丘，平均厚 2～9m，潜水埋藏极浅，一般 0.8～2m，水量0.36～0.8m³/h。

1.3.2 第三系自由层间水

第三系厚75m，E₁和E₃为主要含水层，E₁厚3～10m，E₃厚30m，均为砂砾岩层，以自由层间水存在，静水位很浅，E₁静水位距地表6.29m，从CK90孔，E₁抽水水位降深2.3m，涌水量 1.05m³/h，单位涌水量 0.45m³/h，渗透系数0.0000448m³/s，E₃涌水量0.36m³/h。

1.3.3 侏罗系承压含水层

Ⅰ号含水层：下含煤组岩层，即4号煤层以上老顶砂岩，层厚138m，含水层厚度20～40m，埋藏深度40～253m，具有承压性。

Ⅱ号含水层，上含煤组岩层，即K1、K2 标志层内的砂砾岩层，厚157m，含水层厚10～60m，埋深30～240m，CK90孔水位距地表2～14m。

Ⅲ号含水层：上灰绿层，即K3-K5标志层内的砂砾岩层，厚157m，含水层厚26～67m，埋深16～151m，水位距地表8.20m。

由于补给源距矿区较远，加之F2逆断层的隔水性，煤田内地下水径流十分微弱，可谓弱充水矿床。

弱充水矿床，对煤层气开采有一定抑制作用，因为煤层气的开发中，从解吸、扩散渗流到产水、产气主要通过疏排降压和压力传导实现的，水压低、渗透性差、补给范围远造成疏排效果差，产生动力小，对采气有一定影响。

2 储层特征与含气性

2.1 煤岩类型对煤层含气性的影响

根据三道岭一矿井田精查资料的区内4号煤层的宏观煤岩类型以暗淡型为主，煤层上部以半亮型为主，夹有光亮型煤，中部以暗淡型为主，其中夹有半暗型煤，下部以半亮型煤为主，其中部夹有0.02～0.1m厚的鲕状铁矿泥岩夹矸，其上覆半光亮型煤并含镜煤条带薄泥岩，下部为沥青光泽，质脆的“沥青煤”属半光亮型。

4号煤岩特征为：凝胶化物质占28.94%，半凝胶化物质占29.74%，丝炭化物质39.87%，稳定物质占1.41%，矿物质占3.51%，煤岩类型为丝炭、亮暗煤型。

4号煤的物理性质，暗淡光泽的沥青光泽，水平构造，条带状结构和粒状结构，充填物为盐酸盐类粘土，菱铁矿结核。

4号煤灰分2.20%～21%，平均9.86%，属低灰煤，属不粘结煤，煤级较低，低阶煤的煤层气在国外已有开发先例。其特点是孔隙内比表面积大，有利于煤层气的吸附作用，渗透性好，在压力的作用下储气能力大。

2.2 裂隙与渗透性对含气性的影响

煤层气储层裂隙发育程度是反映煤层中气水等流体的渗透性能的重要参数，决定着煤层气的运移和产出，它主要是通过裂隙网络才能被有效的采出，由内生裂隙（割理）在煤化作用过程中产生的收缩内应力和高孔隙流体压力作用生成。因此，不同的煤岩组成割理的发育程度就不同，从矿区煤岩组成来看，以暗淡型煤为主，煤层的割理密度较小，而煤层的上部和下部以光亮型和半光亮煤为主，割理的密度也相应增加。由于镜煤条带的增加，割理密度也增高，在煤矿开采中半光亮型煤易碎，而暗淡型煤致密、块度较大。由于镜煤灰分低，物理性质均一，内生裂隙发育均匀和在个别煤层中的矿物质对割理的发育有阻碍作用，井下观察中发现小割理一般均止于灰分较高的条带边缘。

从煤层变质程度来看，低煤级不粘结煤—长焰煤割理发育密度较低。从一矿井下观察，在煤层中普遍有充填或半充填现象，充填物多为方解石薄膜，其次为粘土或黄铁矿。充填物表明割理曾经为张开状态，并发生过流体运移，主要是地下热液携带的挥发物热流体，经岩层裂隙到达煤体中冷却而沉淀出方解石脉或薄膜。

另外，构造裂隙或小断层有追踪大型割理发育形成共轭节理，在顶板回风道内，割理走向方位与裂隙和小断层走向几乎一致，说明了这一追踪特征。

由于内生裂隙割理和外生裂隙节理的组合使煤层水的渗透性良好，在开拓上山巷道和石门接近煤层时就开始滴水，掘进底采区运输巷道煤层淋水较大，对施工有一定的影响，这说明煤层的渗透性好，为煤层气储存、解吸后运移形成了良好的通道。

2.3 储层的吸附性与压力作用

煤层气是以吸附方式储集在煤层中，煤层对甲烷的吸附能力，决定了煤层气单位储集量，根据煤炭科学研究院西安分院对哈密4号煤层的吸附性的测定，原煤饱和吸附量V₁为12.92～22.62m³/t，平均17.06m³/t，说明该区煤层变质程度虽低，但煤层对甲烷仍有较强的吸附能力。而煤层压力P₁为5.77～13.12MPa，平均8.51MPa，明显偏高，压力的作用有使煤层吸附甲烷能力增强。

该地区F₁断层以南三道岭向斜煤层埋深较大，约在1000m 以深，若按静水压力推算地层压力可以达到10MPa 以上，而压力高，有利于排水降压、解吸、采气。但随着深度增加，压力加大使煤层的渗透率降低，对气体的流动产生一定的影响。

3 煤层气资源量的估测

3.1 储层含气量

该区的含气量主要根据瓦斯地质编图，从矿井通风部门的瓦斯测定数据分析，4号煤层含气量变化较大，规律不明显，只有在F₂断附近有明显增高的迹象，一矿工作面瓦斯含量测定0.89～11.37m³/t，平均6.319m³/t，矿井瓦斯涌出量平均3.5m³/t（在总回风道测定）。

3.2 资源量

根据哈密地区上表探明储量164.4×10⁸t，矿井瓦斯平均涌出量3.5m³/t，估算煤层气储量预计在575×10⁸m³，若按第三次煤田预测储量2000m 以浅是2527.5×10⁸t。煤层气储藏量预计可达到8846.25×10⁸m³，资源量也非常可观。

4 结论

（1）哈密矿区属低阶煤，但储层厚度大，面积广，稳定性好，埋深适中，煤层的吸附性强，孔隙内比表面积大，孔隙发育渗透性好，具有较强的储气能力。

（2）构造与封盖层组合性好，构造以向斜和逆断层为主，构造应力大，盖层岩性以粉砂岩泥岩为主，屏蔽性强，压性构造与屏蔽性封盖属Ⅰ型组合，煤层的含气性属最好型，煤层气的储量丰厚，有一定的开发前景。

（3）西部大开发中的西气东输工程途经哈密，为煤层气的开发利用奠定了基础，解决了煤层气开采中的输运和用气市场的问题，可做补充气源。

（4）由于该区水补给源远、气候干旱少雨、矿床充水性弱，水头压力小对煤层气开采工艺（排水、降压、解吸、产气）有一定的影响。

（5）瓦斯在矿井开采中是三大自然灾害之一（水、火、瓦斯）。瓦斯爆炸事故可导致矿毁入亡，煤层气的采气过程就是提前排放瓦斯，可降低煤层中的瓦斯含量，减少煤矿重大事故的发生。

（6）煤炭开采过程中要排放甲烷到大气中，不但造成大气污染，也是资源的极大浪费。因甲烷的温室效应是二氧化碳的20倍，对臭氧层的破坏是二氧化碳的7倍，对入类生存环境危害极大，随着科技的发展，入们对煤层气利用价值认识的提高，它可由害变宝，为入类带来效益。

总之，煤层气作为新的洁净能源，已受到世界各大产煤国家的重视，“发展煤层气，造福入类”，对推动我国煤层气研究开发具有重大而深远的意义。

参考文献

[1]王洪林，唐书恒，林建法主编.2000.华北煤层气储层研究与评价.徐州，中国矿业大学出版杜

[2]李建武，白虹等.2001.煤田地质与勘探.吐哈盆地煤层吸咐性及影响因素.第2期

[3]新疆煤田地质局.1994.新疆维吾尔自治区第三次煤炭资源预测与评价

[4]新疆煤田地质局161队编.1965.哈密三道岭一矿北泉、砂枣泉井田精查地质报告