张家口宣东矿辉绿岩床对煤层气赋存的影响_王香会.pdf

第 42 卷 第 5 期 煤田地质与勘探 Vol. 42 No.5 2014 年 10 月 COAL GEOLOGY 2. Zhangjiakou Xuandong Mine of Jizhong Energy Ltd, Xuanhua 075100, China Abstract Zhangjiakou Xuandong mine is a high gassy mine. For finding out the occurrence regularity of coal mine methane and its cause of ation, this paper consults a large number of data exposed by investigation boreholes and roadways, studies intensively the intrusion age, occurrence characteristics and spatial distribution of diabase, analyzes the varying pattern of coal seam, coal quality and coal bed gas, discusses the influence of diabase on coal bed gas. Interrelated analyses conclude that Xuandong Diabase intrudes into Jurassic Xiahuayuan coal measure strata in the of bed rock, resulting in abnormal geothermal fields and regional thermal metamorphism of coal bed in the study area. The thermal metamorphism of coal is the direct cause for the secondary hydrocarbon generation. This kind of hydrocarbon generation is the most important factor for current gas content, playing decisive role on the generation of coalbed gas. The distribution characteristics of coal and coal bed gas in this area are highly consistent with the occurrence characteristics of diabase bed. Diabase bed is a good caprock which blocks the escape route of the gas. The bed rock provides conditions for the protection and enrichment of the gas. Key words diabase bed; coalbed gas; Xuandong mine; thermal evolution; hydrocarbon generation 冀中能源股份有限公司张家口宣东矿以下简称 宣东矿， 2001 年 11 月建成投产， 年产煤炭 150104 t。 2012 年，矿井绝对瓦斯涌出量为 91.43 m3/min，相 对瓦斯涌出量为 42.93 m3/t，是一个高瓦斯突出矿 井。矿井投产后，曾先后发生多起瓦斯突出爆炸事 故。煤矿瓦斯煤层气既是威胁煤矿安全生产的有 害气体，又是可供利用的潜在洁净能源[1]。为综合 利用瓦斯，宣东矿自建有瓦斯发电厂，装有 40 台瓦 斯发电机组，装机 2104 kW。 瓦斯生于煤层、存储于煤层及其围岩之中，其生 成条件、保存条件、赋存和分布规律均受复杂地质因 素作用控制[2]。瓦斯是煤化作用的产物，煤化作用特 征和历史受控于煤层埋藏史、区域构造史、岩浆活动 史和古地热场演化史等地质因素。本文从辉绿岩床赋 存特征及煤层气赋存变化规律入手，利用瓦斯地质理 论，分析辉绿岩床对煤层气赋存的影响，揭示煤层气 赋存的控制因素， 以期为矿井安全生产提供理论依据。 1 地质背景 宣东矿位于河北省张家口市宣化县东南，在宣 ChaoXing 第 5 期 王香会等 张家口宣东矿辉绿岩床对煤层气赋存的影响 31 化下花园煤田的西北部。井田地层产状为走向 NE、倾向 SE，地层倾角 515。井田内断层稀少， 褶皱构造不发育，仅煤层有小的波状起伏和小构造 发育，属地质构造简单的区域。井田周围被大的逆 掩断层所切割，北有怀安宣化断裂；西有水泉 洗马林断裂；东有大河南大海坨断裂；南有黄羊 山鸡鸣山断裂图 1。这种区域构造的组合，致使 该区域应力在这些构造面得以释放，井田内处于间 接受力状态，使构造变得简单[3]。 宣东矿含煤地层为侏罗系中、下统下花园组[4-6]， 煤系地层厚度为 120425 m，井田含煤 5 组自上而 下依次为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ 共 50 余层，煤层总 厚 14.73 m，含煤系数为 5.7。其中主要可采煤层 为Ⅲ3和Ⅴ2煤层，平均厚度 2.38 m 及 2.43 m；局部 可采煤层为Ⅳ1、 Ⅳ2及Ⅳ3煤， 平均厚度分别为 1.60 m、 3.08 m 和 1.21 m。 图 1 宣化煤田区域构造示意图 Fig.1 The sketch map of regional structure in Xuanhua coalfield 2 宣东矿矿井瓦斯现状 宣东矿建井之初是按低瓦斯进行设计和施工， 试生产后，历年鉴定均为高瓦斯矿井，矿井相对瓦 斯涌出量最高达到 85 m3/t，根据矿井投产以来的观 测数据，矿井瓦斯涌出量呈逐年增加的趋势表 1。 3 宣东矿辉绿岩床与煤类分布 3.1 辉绿岩床地质特征 3.1.1 辉绿岩床分布特征 辉绿岩床在井田内均有分布。辉绿岩底板标高 由井田东南向西北逐渐增高。 总体产状为倾向南东， 倾角 15图 2。在井田内，大致以 9 勘探线为界将 井田分为东、西两区。东区辉绿岩厚度大于 200 m， 西区辉绿岩厚度为 50200 m 图 3。 3.1.2 辉绿岩床产状 东区辉绿岩以厚层状侵入煤系，而西区辉绿岩 则以薄层状侵入煤系上覆地层。 在辉绿岩侵入前期， 由于区内受 NW-SE 向压应力影响， 形成 NE 向破碎 带和层间滑动，岩浆沿破碎带侵入。在 9 勘探线以 西，岩浆沿软岩层中侵入、分叉，进而形成西区层 数多、单层厚度薄、分布形态不一；而东区岩浆沿 某一层面或节理面贯入煤系之中，因受剥蚀面阻拦 而使辉绿岩厚度增大，以巨厚层200 m岩床形式 侵入到煤系中， 沿Ⅲ3煤层至Ⅱ煤层之间某一煤层或 软岩层将煤系分隔成上、下两部分，靠近岩体上、 下各 10 m 左右的煤系发生接触变质， 并使Ⅱ煤组抬 升 200 m 以上图 4。 表 1 宣东矿瓦斯涌出量统计表 Table 1 The statistics of gas emission in Xuandong mine 瓦斯涌出时间 绝对瓦斯涌出量 /m3min–1 相对瓦斯涌出量 /m3t–1 瓦斯涌出时间 绝对瓦斯涌出量 /m3min–1 相对瓦斯涌出量 /m3t–1 2001年 5.00 23.70 2007年 83.06 26.49 2002年 43.45 32.04 2008年 110.97 49.05 2003年 70.29 43.54 2009年 95.07 49.93 2004年 68.68 40.60 2010年 96.43 35.70 2005年 82.90 35.60 2011年 82.90 35.20 2006年 115.80 42.72 2012年 91.43 42.93 ChaoXing 32 煤田地质与勘探 第 42 卷 图 2 宣东矿辉绿岩床底板等高线图 Fig.2 Contour map of seam floor of diabase in Xuandong mine 3.1.3 辉绿岩床岩性特征 该岩床岩性为浅灰绿灰黑色、全晶质、粗 细粒不等粒结构，块状构造，主要矿物成分为基性 斜长石和普通辉石。基性斜长石占比由深部的 55 到浅部 85；辉石呈他形粒状，由深部的 40到浅 部 15;其他矿物为铁质矿物、橄榄石黑云母等，约 占 310。 3.1.4 辉绿岩床成因 燕山运动后期，宣化煤田进入改造阶段。在区 域南北向挤压力作用下，宣化煤田断陷盆地和下花 园煤田断陷盆地一带出现了逆断层及逆掩断层，这 些逆掩断层倾角缓，切割深，直达地幔，辉绿岩沿 逆掩断层侵入，形成了辉绿岩床。在区域上，辉绿 岩侵入到晚侏罗世张家口组，可见辉绿岩侵入时代 在晚侏罗世张家口组地层发育之后。据此判定，辉 绿岩床形成于燕山运动中、晚期，其绝对年龄为 100135 Ma[7] 。 3.2 辉绿岩床与煤类分布 Ⅲ3煤层离辉绿岩近，受辉绿岩体影响较大。东 区煤质主要为弱粘煤，西区主要为气煤，其煤类界 线基本与岩体等厚线及煤层与辉绿岩间距相一致 图 5。 V2煤层则与Ⅲ3煤层之间有约 130 m 的泥岩、 粉砂岩和煤层。岩石的孔隙率低，导热性差，形成 了 V2煤层隔热层， 由于岩浆活动提高了本区的地温 梯度，V2煤层上部的隔热层又恰恰成了其良好的储 热盖层， 使得 V2煤层在储热系统中进行较长时间的 热变质作用[3]，再加上其上覆压力也比Ⅲ3煤层大， 故在深部形成了 1/3 焦煤图 6。 宣东矿煤层的煤质有气煤、弱粘煤和 1/3 焦煤， 变质程度处于肥气煤和肥煤阶段。 据列文斯汀资料， 由长焰煤演化成气煤的温度约为 7090℃，气煤演 ChaoXing 第 5 期 王香会等 张家口宣东矿辉绿岩床对煤层气赋存的影响 33 图 3 宣东矿辉绿岩床等厚线图 Fig.3 Isopachous map of diabase in Xuandong mine 图 4 辉绿岩床产状示意图 Fig.4 The sketch map of the attitude of the diabase bed ChaoXing 34 煤田地质与勘探 第 42 卷 图 5 Ⅲ3煤层至辉绿岩床间距等值线及煤类分布图 Fig.5 Distance isogram of Ⅲ3 coal bed to diabase bed and coal types distribution map 化成肥煤的温度约为 100120℃；根据井田内测温 资料，地温梯度最大为 3.7/hm℃，按其埋深 2 000 m 计算，其温度最高达 70℃，这个温度难以使本区煤 变质为气煤及 1/3 焦煤。因此，可以推测是辉绿岩 床的侵入形成了高热古地热场，在异常古地热场的 作用下，提高了煤的变质程度[8]。 4 辉绿岩床与煤层气的关系 煤层气是煤化作用的产物，煤化作用特征和历 史受控于煤层埋藏史、区域构造史、岩浆活动史、 古地热场演化史等地质因素。煤的热演化作用是其 生烃演化的直接原因，烃类生成则是热演化的最终 归宿，二者密切相关，互不可分，并共同受控于区 域构造史、煤层埋藏史和古地热场发展史。煤化作 用的速度随受热温度的增高而增大。以“时–温互补 效应”为理论基础的烃源岩热模拟实验[9-10]，通过快 速升温方式来模拟再现了烃源岩的生气过程[11-12]。 研究表明烃类的生成具有阶段性，在煤的再 次演化过程中，由于辉绿岩床的侵入，煤层受热温 度高于前期的最高古地温，在足够的时间内，将产 生二次生烃作用[13-14] 。实际上，在漫长的地质历史 过程中，煤系有机质往往发生多次生气作用，其中 最近一次生气作用对煤层气的保存和分布有重要意 义[15]，将其称之为有效生气阶段[16]。 燕山中、晚期，宣东矿辉绿岩以岩床的形式侵 入到侏罗纪下花园煤系后，其构造岩浆热事件将强 大的附加热流叠加于正常大地热流之上，导致本区 异常高热古地热场的形成，致使煤发生区域岩浆热 变质作用[17]。另外，在很大程度上对煤层气的现今 赋存状况产生影响[13,18-19]。进一步来说，燕山中、 晚期出现了二次煤化作用，这必然导致沉积有机质 的二次生烃，使得本区煤类及煤层气的分布特征与 辉绿岩床的赋存特征具有完全一致性。 本区辉绿岩床基本特征为东区厚，西区薄；东 ChaoXing 第 5 期 王香会等 张家口宣东矿辉绿岩床对煤层气赋存的影响 35 图 6 V2煤层至辉绿岩间距等值线及煤类分布图 Fig.6 Distance isogram of V2 coal bed to diabase bed and coal types distribution map 区距煤层近，西区抬起距煤层远，且大面积覆盖于Ⅲ3 煤层之上。 由于主要可采煤层Ⅲ3离辉绿岩近， 且其间 岩性以砂岩为主，岩石孔隙率高，导热性好，得到岩 浆热能较快，温度也较高，使得煤层的芳香族稠环缩 合程度加大，非芳香馏分减少[3]，提高了煤的变质程 度，导致煤的生气能力增强，生气量增大。宣东矿多 年来的瓦斯观测数据显示自西北向东南，瓦斯含量 逐渐增高，并且东区瓦斯突出的频率明显高于西区， 其分布规律与辉绿岩分布特征一致图 7。 这说明宣东 矿煤层气分布主要受辉绿岩体热变质作用的影响[20]， 辉绿岩床的侵入导致本区异常高热古地热场的形成， 造成地史上的地热异常，提高了煤的变质程度。煤层 在快速增温的高温作用下， 煤层气再次发生， 即“叠加 生烃”或“叠加成气”[21]， 区域岩浆热变质的生气时间晚 而利于煤层气保存。表明辉绿岩厚度越大，且距煤层 越近， 则煤层的煤化程度就越高， 煤层气含量也越大。 5 辉绿岩床对煤层气的保护作用 5.1 辉绿岩床的盖层作用封闭了煤层气逃逸通道 煤层气藏的形成受控于多种地质因素，其中盖 层的封闭能力是煤层气田形成的一个重要条件。煤 层之上存在具有一定封闭能力的盖层，可以阻挡和减 缓煤层气通过渗滤、扩散、水溶流失等发生逸散[17]。 宣东矿辉绿岩床的侵入发生二次生烃作用是本区侏罗 纪煤的主要生烃时期[22]，在本区生烃历史上为有效生 气阶段。 这一生烃期若与埋藏条件之间形成良好配置， 则有利于煤层气的保存与聚集[16,19]。 宣东矿辉绿岩产状以岩床形式侵入，以顺层贯 入为明显特征图 8，辉绿岩厚度 200250 m，具有 结构致密，厚度大的岩性特点，大面积覆盖于煤层 之上[3]。从纵剖面上看在西南方向的 11-4 和 9-4 孔，可见辉绿岩零星侵入地层；从 9-3 孔开始到井 田东北方向的 3-5 孔，辉绿岩呈岩床状，厚度自 9-3 孔处的 216.8 m 加厚到 3-5 孔处的 256.81 m。在横 剖面上，从西部区域的 7-1 孔开始到 7-5 孔结束， 辉绿岩呈岩床状态侵入到各地层中，其厚度在 211.55225.7 m，而且距离Ⅲ3煤层越来越近。由于 辉绿岩的侵入形成了良好的盖层，致使该区整体岩 层透气性差，封闭了煤层气的逃逸通道，使煤层气 得到保存和滞留，对煤层气的后期保护和富集起着 ChaoXing 36 煤田地质与勘探 第 42 卷 图 7 宣东矿瓦斯含量等值线图 Fig.7 Gas content isogram of Xuandong mine 图 8 二采区Ⅲ3煤层辉绿岩顺层侵入示意图 Fig.8 The sketch map of diabase intrusion into coal bed Ⅲ3 in No.2 mining district 决定性作用[19,23]。 5.2 辉绿岩床完整性对煤层气保存起决定性作用 宣东矿自 2001 年投产至今，井巷共揭露断层 15 条表 2，其中，逆断层 5 条，正断层 10 条。这 些断层落差均小于 10 m，落差 5 m 以内断层 10 条。 综合分析表明，宣东矿辉绿岩床形成后，井田 内部没有再发生大规模的构造运动。但是，宣东矿 周围的一些大规模断裂改变了宣东矿块体周围作用 力的边界条件，力的作用在这些已经存在的界面上 得到了分解转化和释放[3]，从而使辉绿岩床形成后 的构造运动，在井田内部受力小，未遭到构造应力 的破坏，只产生小的断层和挠曲。这些小断层和挠 曲，规模小，破坏力差，不足以破坏煤系中厚层的 辉绿岩床。完整的辉绿岩床形成了良好的盖层，使 形成的煤层气得以很好保存[17,23]。对煤层气的后期 保护和富集提供了重要条件。 ChaoXing 第 5 期 王香会等 张家口宣东矿辉绿岩床对煤层气赋存的影响 37 表 2 煤炭生产过程中揭露断层统计表 Table 2 The statistics of faults exposed during coal production 断层编号 断层性质 位置 产状/ 落差/m 延展长度/m 影响程度 f1 正 201胶带顺槽220 m 处 18870∠ 1.0 ＜5 影响不大 f2 正 201胶带巷660 m 20248∠ 5.7 ＞50 有一定影响 f3 逆 201胶带巷750 m 处 16430∠ 3.6 ＞50 有一定影响 f4 正 208轨道巷下部 12555∠ ＞7.0 ＞150 有一定影响 f5 逆 208胶带巷下部1 119 m 处 18051∠ ＞8.0 ＞150 有一定影响 f6 逆 204轨道顺槽 17327∠ 4.0 ＞10 有一定影响 f7 正 102开切眼 7080∠ 7.0 ＞5 影响不大 f8 正 102轨道顺槽 1205∠ 0 2.5 ＞10 影响不大 f9 正 207胶带巷 13943∠ 4.0 ＞150 有一定影响 f10 正 208轨道巷开口处 22065∠78 1.5 ＜5 影响不大 f11 逆 201轨道巷新640 m 20335∠ 3.6 ＜3.6 影响不大 f12 逆 201轨道巷新720 m 13025∠ 5.0 ＞5 影响不大 f13 正 –230轨道大巷1 340 m 处 6745∠ 2.4 ＞5 影响不大 f14 正 201轨道巷945 m 处新 14042∠ ＞3.0 ＞100 有一定影响 f15 正 2013轨道巷68.6 m 处 13075∠ 9.8 ＞100 有一定影响 6 结 论 a. 燕山中、晚期，辉绿岩以岩床形式侵入侏罗 纪下花园煤系之中， 导致本区异常高热古地热场的形 成，致使煤发生区域热变质作用。 b. 辉绿岩床对煤层气的赋存产生了重大影响， 辉绿岩床使本区发生了二次生烃作用， 促进了煤层气 的形成， 且本区煤类及煤层气的分布特征与辉绿岩床 的赋存特征相吻合。 c. 辉绿岩床形成了良好盖层，封闭了煤层气的 逃逸通道，对煤层气的保护和富集起着决定性作用。 参考文献 [1] 李英超. 河北省煤层气资源的勘查与开发[J]. 华北地质矿产杂 志，1998，133291–292. [2] 张子敏. 瓦斯地质学[M]. 徐州中国矿业大学出版社，2009. [3] 张军， 秦勇， 赵本肖， 等. 河北省煤层气资源及其开发潜力[M]. 徐州中国矿业大学出版社，2009. [4] 陈顺，赵西蓉. 张家口地区北部侏罗纪含煤地层的时代归属[J]. 煤田地质与勘探，1988，16510–11. [5] 张路锁，尚洪田，于宏业，等. 冀西北中新生代聚煤盆地演化 及赋煤规律认识[J]. 中国煤炭地质，2012，2497–11. [6] 王相会. 冀北侏罗纪煤系沉积规律与找煤方向[J]. 中国煤田地 质，1988增刊 147–48. [7] 乔康存，赵玉明. 安林煤矿岩浆岩侵入对煤层瓦斯赋存的影 响[J]. 煤矿安全，2004311–13. [8] 吴传荣. 煤的岩浆热变质作用[J]. 煤田地质与勘探，1992， 20423–25. [9] LOPATAN N V. Temperature and geologic time as factors in coalification[J]. IZV Akad Nauk SSSR Ser Geol Izvestiya， 1971395–106. [10] WAPLES D W. Tine and temoerature in petroleum exploration[J]. AAPG Bulletin，1980，64916–926. [11] 米敬奎，戴金星，张水昌，等. 煤在 2 种不同体系的生气能力 研究[J]. 天然气地球学，2007，182245–248. [12] 王治朝，米敬奎，李贤庆，等. 生烃模拟实验方法现状与存在 问题[J]. 天然气地球学，2009，204592–597. [13] 冉起贵. 华北地区古生界煤岩成烃及二次成烃研究[J]. 石油勘 探与开发，1995，22增刊 16–9. [14] 张有生，秦勇，刘焕杰，等. 沉积有机质二次生烃有机岩石学 特征[J]. 地质科学，2003，384437–446. [15] 史训知. 联邦德国的煤成气勘探与开发[J]. 石油与天然气地 质，19843336–339. [16] 秦勇，桑树勋，李贵中，等. 煤层气生产与煤层气富集Ⅱ，有效生 气阶段生气量的估算[J]. 煤田地质与勘探，1998，26219–22. [17] 张新民， 庄军， 张遂安. 中国煤层气地质与资源评价[M]. 北京 科学出版社，2003. [18] 程克明，王兆云，钟宁宁，等. 碳酸盐岩油气生成理论与实 践[M]. 北京石油工业出版社，1996. [19] 秦勇，宋党育，王超. 山西南部晚古生代煤的煤化作用及其控 气特征[J]. 煤炭学报，19973287–288. [20] 杨起，吴冲龙，汤达祯，等. 中国煤变质作用[M]. 北京煤炭 工业出版社，1996. [21] 杨起，汤达祯. 华北煤变质作用对煤含气量和渗透率的影响[J]. 地球科学中国地质大学学报，2000，253273–274. [22] 桑树勋，刘焕杰，李贵中，等. 煤层气生成与煤层气富集 I，有 效阶段生气量与煤层气富集[J]. 煤田地质与勘探， 1997， 256 14–17. [23] 房德权，宋岩. 中国主要煤层气试验区地质特征对比[J]. 天然 气工业，1997，17615–18. ChaoXing