山西沉积环境对煤层气盖层叠置类型及分布的控制_赵国飞.pdf

Vol．51No．2 Feb． 2020 第 51 卷第 2 期 2020 年 2 月 Safety in Coal Mines 山西沉积环境对煤层气盖层叠置类型 及分布的控制 赵国飞 1， 2， 康天合1， 郭俊庆1， 康官先1， 张 彬 1 （1．太原理工大学 原位改性采矿教育部重点实验室， 山西 太原 030024； 2．山西能源学院， 山西 晋中 030600） 摘要 基于山西 125 座煤矿的 273 个煤层气盖层地质数据， 划分了盖层叠置类型， 探讨了不同 叠置类型的分布特征。考虑岩性组合及岩石致密性， 将山西煤层气盖层按岩层结构分为 4 个叠 置大类， 按岩石致密程度分为 11 个叠置亚类。以古沉积环境为理论基础， 分析不同叠置类型的 分布特征 复合型盖层主要分布于大同煤田的西南部、 宁武煤田中北部和沁水煤田东北部； 厚层 整体型盖层广泛分布于大同煤田东北部、 宁武煤田北部、 沁水煤田东缘； 近距离煤层盖层主要分 布于河东煤田中部、 霍西煤田东部和西山煤田东北部； 薄层状盖层仅在沁水煤田东缘部分出现。 关键词 煤层气； 盖层； 叠置类型； 古沉积环境； 分布特征 中图分类号 TD712文献标志码 A文章编号 1003－496X （2020） 02－0159-06 Control of Superimposing Types and Distribution of Coalbed Methane Caprock by Sedimentary Environments in Shanxi Province ZHAO Guofei1,2, KANG Tianhe1, GUO Junqing1, KANG Guanxian1, ZHANG Bin1 （1．Key Laboratory of In-situ Property Improving Mining of Ministry of Education, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024, China;2．Shanxi Institute of Energy, Jinzhong 030600, China） Abstract Based on the geological data of 273 coalbed methane caprocks in 125 coal mines in Shanxi Province, the superimposing types of caprock were divided, and the distribution characteristics of different superimposing types were discussed． Considering the combination of lithology and rock compactness, the coalbed methane caprocks are divided into 4 superimposed types according to the rock ation structure, 11 superimposed subclasses according to the degree of rock compactness． Based on the paleo - sedimentary environment, the distribution characteristics of different superimposing types were analyzed． The composite caprocks were mainly distributed in the southwest Datong Coalfield, the north-central part of Ningwu Coalfield and the northeast Qinshui Coalfield; the thick integral caprocks were widely distributed in the northeast of Datong Coalfield, the northern part of Ningwu Coalfield, and the eastern edge of Qinshui Coalfield; the close coal seams caprocks were mainly distributed in the middle of Hedong Coalfield, east of Huoxi Coalfield and northeast of Xishan Coalfield; the thin-layer caprocks appeared only in the eastern edge of the Qinshui coal field． Key words coalbed methane; caprock; superimposing types; ancient sedimentary environment; distribution characteristics 煤系气资源丰富、 类型多样， 受到众多学者的高 度关注。秦勇对含气地层的叠置进行了定义，认为 煤系气系统符合叠置特点[1]。申建对临兴区块划分 了叠置含气系统，并探讨其含气系统间的兼容性， 为本区煤系气合采提供指导[2]。傅雪海在划分多层 叠置含气系统的基础上, 设计了各含气系统递进排 采次序及排采压力控制方案[3]。沈玉林基于含煤地 层的沉积学和层序地层学分析，探讨了鄂尔多斯盆 DOI10．13347/j．cnki．mkaq．2020．02．037 赵国飞， 康天合， 郭俊庆， 等．山西沉积环境对煤层气盖层叠置类型及分布的控制 ［J］ ．煤矿 安全， 2020， 51 （2） 159-164． ZHAO Guofei, KANG Tianhe, GUO Junqing, et al．Control of Superimposing Types and Distribution of Coalbed Methane Caprock by Sedimentary Environments in Shanxi Province ［J］ ． Safety in Coal Mines, 2020, 51 （2） 159-164． 基金项目 NSFC- 山西煤基低碳联合基金资助项目 （U1810102） ； 国家自然科学基金资助项目 （51174141， 50974093） 移动扫码阅读 分析 探讨 159 ChaoXing 第 51 卷第 2 期 2020 年 2 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.2 Feb. 2020 盖层 岩性 泥岩砂岩页岩 石灰岩粉砂岩煤岩 砂质泥岩炭质泥岩细砂岩中砂岩粗砂岩砂质页岩炭质页岩 地质时代 太原组/ 山西组/ 大同组 太原组/ 山西组 太原组/ 山西组/ 大同组 太原组/ 山西组/ 大同组 太原组/ 山西组/ 大同组 太原组 太原组/ 云岗组 太原组/ 山西组/ 大同组 太原组/ 山西组/ 大同组 太原组/ 山西组/ 大同组 层数/总数 27/47/2 76 8/19 27 14/34/6 54 15/23/4 42 4/4/1 9 2/1/1 4 2 2 16/1 17 6/5/8 19 12/10/1 23 厚度/m 0.40～7.12 X 3.60 σ2.06 0.37～8.43 X 3.29 σ2.23 0.10～9.75 X 4.41 σ2.30 0.81～8.63 X 5.06 σ2.58 2.00～8.90 X 4.75 σ2.18 1.70～6.87 X 4.19 σ2.18 0.48～1.44 X 0.96 σ0.48 1.25～9.20 X 4.72 σ2.84 0.25～8.28 X 2.98 σ1.89 0.34～7.27 X 1.92 σ1.80 图 1山西煤层气盖层统计位置图 Fig.1Statistical location map of coalbed methane caprocks in Shanxi Province 表 1山西煤层气盖层信息 Table 1Coalbed methane caprocks ination sheet in Shanxi Province 注 X 是岩层平均厚度； σ 是岩层厚度的标准差。 地东缘上古生界煤系叠置含气系统形成的沉积控制 因素， 为该区煤层气开采提供地质依据[4]。郭晨对黔 西比德-三塘盆地煤岩样品进行了测试实验，分析 叠置煤层气系统的分布规律[5]。可见， 学者们多在煤 系独立含气系统间的叠置关系进行分析研究，忽略 了独立含气系统内部岩层的组合叠置关系。煤层气 是煤系气中最主要的独立含气系统。煤层气盖层对 气体的封闭及各独立含气系统的划分起着至关重要 的作用。同时， 煤层气盖层层数众多、 盖层薄且具有 叠置性，不同区域会产生不同叠置类型。山西煤层 气资源约为 8.31012m3， 约占全国总量的 1/3[6]， 研究 此区域的煤层气盖层叠置类型及分布特征对煤层气 的赋存与开采均具有重要意义。鉴于此，统计山西 125 座煤矿的 273 个煤层气盖层地质资料， 对山西煤 层气盖层叠置类型进行划分， 讨论山西各煤田的沉积 形成过程， 深入分析不同叠置类型在各大煤田的分布 特征， 为后续煤层气的勘探与开发提供地质依据。 1地质背景 山西省域地处华北平原西侧，构造上位于华北 板块南北挤压变形带之间的中部变形区，是吕梁- 太行断块主体组成部分。自北而南有大同煤田、 宁 武煤田、西山煤田、沁水煤田、霍西煤田和河东煤 田，含煤地层主要为石炭-二叠纪的太原组和山西 组。山西省域的石炭-二叠纪含煤地层形成后主要 经历了印支运动、燕山运动和喜马拉雅运动。燕山 期是山西境内构造运动最活跃的时期，其构造形迹 以广泛发育的逆冲推覆构造、 褶皱和北东、 北西向断 裂系统为主。河东盆地为弱变形的缓倾斜构造类 型， 大同、 沁水盆地为弱变形的宽缓向斜构造类型， 其西翼的霍西构造区为伸展构造断陷-断块类型； 宁武盆地为强变形的向斜类型。 随机统计山西 125 座煤矿的 273 个煤层气盖层 地质资料。由于煤层气的强吸附性，在此考虑煤层 上覆 10 m 范围内顶板地质信息[7-8]。山西煤层气盖 层统计位置图如图 1， 山西煤层气盖层信息见表 1。 由图 1 和表 1 可知， 125 座矿井基本均匀分布于 山西省域内 6 大煤田赋煤区。 煤层顶板主要岩性为泥 岩、 砂岩、 页岩、 石灰岩、 粉砂岩和煤岩。 地质时代主要 属于石炭-二叠系的太原和山西组，少部分属于侏罗 系的大同和云岗组。山西组岩性主要以砂质泥岩、 炭 质泥岩、 细砂岩、 中砂岩和粉砂岩为主； 太原组主要为 砂质泥岩、 石灰岩、 中粒砂岩、 细粒砂岩和煤岩。 2盖层叠置类型 对煤层气盖层岩性及厚度数据进行分析，将山 160 ChaoXing Vol．51No．2 Feb． 2020 第 51 卷第 2 期 2020 年 2 月 Safety in Coal Mines 在煤层之上有 1 层或几层薄岩层（总厚度＜2．5 m） ， 薄岩层上部赋存 1 层厚岩层 （厚度＞3．5 m） ； 此类盖 层占比 24．8 。第 2 大类为厚层整体型盖层， 其特 征为 在煤层之上直接赋存 1 层厚度较大 （＞3．5 m） 的整体性岩层； 此类盖层占比 52．8 。第 3 大类为 近距离煤层盖层，特征为煤层之上相近距离 （＜5 m） 上覆另 1 层煤体； 此类盖层占比 16．8。第 4 大 类为薄层状盖层， 其特征为 由 2 层或 2 层以上的多 层薄岩层（单层厚度＜2．5 m） 组成；此类盖层占比 5．6。大类下属亚类是按不同致密程度岩石的不同 组合进行分类， 共 11 亚类， 分别为 致密-致密型、 致密-疏松型、 疏松-致密型等。山西煤层气盖层典 型叠置亚类柱状图如图 2。 复合型盖层中疏松-致密 型盖层 （Ⅲ型） 有 19 座矿井， 最为常见 （图 2 （a） ） ； 厚 层整体型盖层中致密型盖层 （Ⅴ型） 有 50 座矿井， 最 为常见 （图 2 （b ） ） ； 近距离煤层盖层中煤-致密型盖 层 （Ⅶ型） 有 18 座矿井， 最为常见 （图 2 （c） ） ； 薄层状 盖层中疏松-致密型盖层 （Ⅹ型） 有 5 座矿井， 最为 常见 （图 2 （d） ） 。 3不同叠置类型分布特征 将山西省域内 125 座矿井的盖层叠置类型分 布区域进行分析，山西煤层气盖层叠置类型分布如 图 3。大同煤田统计 16 座矿井， 其中厚层整体型盖 层 7 座（占比 44） ，集中分布于大同煤田的东北 部。 宁武煤田统计 8 座矿井， 其中厚层整体型盖层 4 座 （占比 50） ， 主要分布于煤田的北部； 复合型盖 层 4 座 （占比 50） ， 在煤田中部、 北部均有分布。河 东煤田统计 18 座矿井，其中近距离煤层盖层 7 座 （占比 39） ， 集中位于河东煤田中部地区； 厚层整 体型盖层 8 座 （占比 44） ， 河东煤田北、 中、 南部均 有分布。霍西煤田统计 13 座矿井， 其中近距离煤层 盖层 6 座（占比 46） ，集中位于霍西煤田东部地 区。西山煤田统计 12 座矿井， 其中近距离煤层盖层 6 座 （占比 50） ， 集中位于西山煤田东北部地区。 沁 水煤田统计 58 座矿井，其中厚层整体型盖层 38 座 表 2山西煤层气盖层叠置类型 Table 2The superimposing types of coalbed methane caprocks in Shanxi Province 大类特征亚类特征实例个数比例/ 复合型 盖层 在煤层之上有 1 层 或几层薄岩层 （总厚 度＜2．5 m ） ， 薄岩层 上部赋存 1 层厚岩 层 （厚度＞3．5 m ） 。 致密-致密型 （Ⅰ型 ） 在煤层之上有 1 层或几层致密薄岩层， 薄岩层上部赋存 1 层致密厚岩层。 页-泥-煤、 灰-泥-煤、 灰-页-煤等。 4 24．8 致密-疏松型 （Ⅱ型 ） 在煤层之上有 1 层或几层致密薄岩层， 薄岩层上部赋存 1 层疏松厚岩层。 灰-砂-煤、 泥-砂-煤2 疏松-致密型 （Ⅲ型 ） 在煤层之上有 1 层或几层疏松薄岩层， 薄岩层上部赋存 1 层致密厚岩层。 砂-泥-煤、 砂-灰-煤等。19 疏松-疏松型 （Ⅳ型 ） 在煤层之上有 1 层或几层疏松薄岩层， 薄岩层上部赋存 1 层疏松厚岩层。 中砂-粉砂-煤、 中砂-细砂- 煤、 粉砂-细砂-煤、 粗砂-中 砂-煤等。 6 厚层 整体型 盖层 在煤层之上直接 赋存 1 层厚度较大 （＞3．5 m ） 的整体性 岩层。 致密型 （Ⅴ型 ） 在煤层之上直接赋存 1 层致密厚岩层。泥-煤、 页-煤、 灰-煤等。50 52．8 疏松型 （Ⅵ型 ） 在煤层之上直接赋存 1 层疏松厚岩层。 粉砂-煤、 细砂-煤、 中砂-煤、 粗砂-煤等。 16 近距离 煤层 盖层 煤层之上相近距离 （＜5 m ） 上覆另一层 煤体。 煤-致密型 （Ⅶ型 ） 煤层之上相近距离上覆另一层煤体， 2 煤层之间夹致密岩层。 煤-泥-煤、 煤-页-煤等。18 16．8 煤-疏松型 （Ⅷ型 ） 煤层之上相近距离上覆另一层煤体， 2 煤层之间夹疏松岩层。 煤-细砂-煤、 煤-粉砂-煤等。3 薄层状 盖层 由 2 层或 2 层以上 的多层薄岩层 （单层 厚度＜2．5 m， 薄层总 厚度＜5 m ） 组成。 致密-致密型 （Ⅸ型 ） 由 2 层或 2 层以上的多层致密薄岩层组成。灰-泥-煤等。1 5．6 疏松-致密型 （Ⅹ型 ） 在煤层之上直接赋存 1 层致密薄岩层， 薄岩层之上赋存 1 层或多层疏松薄岩层。 粉砂-泥-煤、 砂-泥-煤等。5 疏松-疏松型 （Ⅺ型 ） 由 2 层或 2 层以上的多层疏松薄岩层组成。砂-粉砂-煤等。1 西煤层气盖层按岩层结构分为 4 个叠置大类，按岩 石致密程度分为 11 个叠置亚类。 山西煤层气盖层叠 置类型见表 2。 分析可知， 第 1 大类为复合型盖层， 其特征为 161 ChaoXing 第 51 卷第 2 期 2020 年 2 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.2 Feb. 2020 图 3山西煤层气盖层叠置类型分布图 Fig.3The superimposing types distribution map of coalbed methane caprocks in Shanxi Province （占比 65） ， 分布于沁水煤田东缘， 集中于东南部。 4不同叠置类型与沉积体系 1） 大同煤田。大同煤田大同组属于中侏罗纪早 期地层。由于潮湿气候曲流河泛滥平原上形成局部 沼泽环境，导致此部分煤层极为发育。之后云岗组 形成过程中，鄂尔多斯盆地的构造由西部挤压为主 转化为东部挤压为主，从而引起大同地区东北部的 区域抬升，使得地面坡降增大；同时气候条件变为 半干旱-干旱，使原来适宜于曲流河和沼泽湿地发 育的条件发生了根本变化，曲流河逐渐转变为辫状 河， 形成砂质辫状河沉积[9]。不同期次的河道被泛滥 平原泥岩分隔开来，由于辫状河道沿河流向下的迁 移摆动， 垂向上砂体之间互相切割叠置[10]， 所以大同 煤田北部大同组煤层上方易形成厚层整体型盖层， 而复合型盖层逐渐有南移趋势。河道冲刷作用， 构 型界面附近保存下来的泥岩沉积厚度较薄、规模较 小，导致此区域大同组煤层顶板极少出现泥岩顶 板， 形成了以粒度较粗的砂岩为主的盖层。 2） 宁武煤田。宁武煤田中部主采煤层位于石炭 系太原组上段， 属于三角洲平原水下沉积体系[11]。 其 上为山西组底部， 山西组底部为砾质沉积的滞留相， 向上为边滩， 天然堤环境的粗中细粒砂岩， 再向上为 泛滥盆地沉积， 顶部为煤层， 为典型的分流河道沉积 序列[12]。其主要物源为北侧古陆， 植物生长茂盛， 泥 炭堆积厚度大， 形成本区主要可采煤层， 同时也形成 宁武煤田北部厚层整体型盖层。分流河道自北向 南，在煤田中部及南部区域水动力条件以及河道下 切、 侧向冲刷切割作用强， 导致中南部区域煤层多被 河道冲刷缺失或分叉减薄，同时煤层上方也多形成 了复合类型盖层顶板。 3） 河东煤田。河东煤田中部主采煤层位于山西 组下部， 属三角洲沉积体系[13]。山西组下部沉积时， 森林和沼泽广泛发育，造就泥炭层开始形成。但在 沉积过程中，因河流改道而被粗碎屑沉积替代或者 泥炭暴露发生氧化分解甚至遭受剥蚀，而成煤作用 被中断， 之后又开始形成稳定成煤环境[14]， 造就此处 近距离煤层盖层类型。 4） 霍西煤田。霍西煤田东部主采煤层位于山西 组的中上部， 属于三角洲平原沉积体系[15]。 在三角洲 平原的分流河道两侧如果条件不利（如气候较干燥 或地下水位较低等） ， 则不具备沼泽化条件。但如果 在比较潮湿的废弃分流河道内形成分流河道改道则 可具备短暂的沼泽化条件，不过泥炭沼泽不久将被 图 2山西煤层气盖层典型叠置亚类柱状图 Fig.2Typical superimposed subclass columnar diagram of coalbed methane caprocks in Shanxi Province 162 ChaoXing Vol．51No．2 Feb． 2020 第 51 卷第 2 期 2020 年 2 月 Safety in Coal Mines （a）太原组（b）山西组 图 4沁水盆地太原组和山西组砂岩/泥岩比值等值线图[19] Fig．4Contour maps of the sandstone/mudstone ratio of the Taiyuan and Shanxi ation in the Qinshui Basin[19] 后来的碎屑沉积所覆盖，因此煤层顶板常为碎屑 岩，同时形成的煤层常薄而不稳定，较易形成近距 离煤层盖层类型[16]。 5） 西山煤田。西山煤田东部主采煤层位于太原 组下部。随着地块的逆时针旋转，海侵方向变为由 东倾入， 共发育庙沟、 毛儿沟、 斜道、 东大窑四期海 侵。西山区域海平面升降随之发生规律性变化， 发 育碳酸盐台地、壁砂坝-泻湖-潮坪和三角洲沉积， 海相沉积物与陆相沉积物整体呈西-东相展布[17]。 受 此影响煤田的东部 8煤层分叉为 8上煤和 8下 煤， 夹矸 1～4 层， 夹矸岩性为泥岩或炭质泥岩， 厚度 变化于 1．0～5．63 m 之间[18]。东部形成了近距离煤层 盖层的类型， 而厚层整体型盖层有西移的趋势。 6） 沁水煤田。沁水盆地太原组和山西组砂岩/ 泥岩比值等值线图如图 4[19]。研究表明[20] 沁水煤田 北部太原组为砂岩富集区 （图 4 （a） ） 。富砂岩带主 要位于沁县北部， 包括寿阳、 阳泉、 西阳等地区。该 区的砂泥岩比值普遍高于 0．4，寿阳地区的砂泥岩 比值最大可达 1．0。从图 4 （b） 可以看出， 山西组砂 泥岩比值在 0～2．2 之间， 平均 0．6。东南部长子-高 平地区最低。以上砂泥岩比值说明， 沁水盆地太原 组北部寿阳-阳泉地区为低三角洲平原环境；沁水 盆地山西组东南部以三角洲前缘环境为主[20-21]。沁 水煤田北部主采煤层以太原组 15煤层为主，东缘 主采煤层则以山西组 3煤层为主。 因此， 沁水煤田 北部研究区域形成了以砂岩、 泥岩交互的复合型盖 层，东南缘研究区域形成了以泥岩为主的厚层整体 型盖层。 5结论 1） 将山西煤层气盖层按岩层结构分为 4 个叠置 大类， 分别为复合型盖层、 厚层整体型盖层、 近距离 煤层盖层和薄层状盖层； 按岩石致密程度分为 11 个 叠置亚类， 分别为致密-致密型复合盖层、 致密-疏 松型复合盖层、 疏松-致密型复合盖层、 疏松-疏松 型复合盖层、致密型厚层整体盖层、疏松型厚层整 体盖层、煤-致密型近距离煤层盖层、煤-疏松型近 距离煤层盖层、 致密-致密型薄层状盖层、 疏松-致 密型薄层状盖层、 疏松-疏松型薄层状盖层。 2） 分析了盖层组合类型的分布特征。复合型盖 层主要分布于大同煤田的西南部、宁武煤田中北部 和沁水煤田东北部；厚层整体型盖层广泛分布于大 同煤田东北部、 宁武煤田北部、 沁水煤田东缘； 近距 离煤层盖层主要分布于河东煤田中部、霍西煤田东 部和西山煤田东北部；薄层状盖层仅在沁水煤田东 缘部分出现。 3） 大同煤田云岗组砂质辫状河沉积是形成东北 部厚层整体型盖层的基础；宁武煤田的分流河道沉 163 ChaoXing 第 51 卷第 2 期 2020 年 2 月 Safety in Coal Mines Vol．51No．2 Feb． 2020 积序列，由北向南强烈的冲刷，形成了中北部的复 合类型盖层；河东煤田和霍西煤田的山西组属于三 角洲沉积体系，沉积过程中成煤作用部分中断， 使 河东煤田中部和霍西煤田东部形成了近距离煤层盖 层； 西山煤田的东部海侵作用， 使 8煤层形成夹矸， 造成东北部的近距离煤层盖层；沁水煤田山西组东 南部的三角洲前缘环境形成了以泥岩为主的厚层整 体型盖层。 参考文献 ［1］ 秦勇， 熊孟辉， 易同生， 等．论多层叠置独立含煤层气 系统－以贵州织金－纳雍煤田水公河向斜为例 ［J］ ．地 质论评， 2008， 54 （1） 65－70． ［2］ 申建， 秦勇， 张兵， 等．鄂尔多斯盆地东缘临兴区块煤 系叠置含气系统及其兼容性 ［J］ ．煤炭学报， 2018， 43 （6） 1614－1619． 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