煤系地层中瓦斯富集规律的技术探讨

摘 要：在我国煤系地层中的煤层气的研究起步较晚，研究的程度也较浅和较片面。其主要是从煤层气资源的勘探开发、利用方面进行研究，很少系统地对煤系地层中煤层气（瓦斯）富集规律、瓦斯富集区域、瓦斯的分区和瓦斯的富集区域煤炭开采中瓦斯事故的预防进行研究。文章主要是从地质构造、煤的结构构造、变质程度等方面探讨煤系地层中瓦斯的分布规律，为煤炭资源的综合开发利用和预防提供科学依据。
　　关键词：煤系地层；瓦斯；研究
　　1 前沿
　　煤层瓦斯是我国开发和利用的主要能源之一，在我国，瓦斯资源的开发和利用占国民资源开发和利用的比例虽然不高，但它的利用价值却非常可观（杨孟达，2000）。理论上说，大量的煤炭资源，必然会产生大量的瓦斯资源。同时在煤炭资源开采过程中，常常会因为瓦斯的含量过高而引起许多的瓦斯事故，不但造成人类生命财产的损失，同时也造成大量的资源浪费。因此，对于瓦斯的研究就成了当今我国研究领域的一个比较热门的研究点（张新民，2002）。
　　2 煤层的变质程度与瓦斯的关系
　　在煤层的形成演化过程中，当煤进入长烟煤时就开始热解生气作用，从肥煤-瘦煤阶段，煤层生成瓦斯的能力相对较低，而且煤储存瓦斯的能力也相对较低，在这个阶段，煤层瓦斯的生成和富集能力都比较低，在这些地区很难形成煤层气藏富集区。从贫煤-无烟煤阶段，煤的变质程度都相对较高，煤层生成瓦斯的能力达到峰值（张洪林，2004），煤层储存瓦斯的能力也相应增加。在这个阶段，煤层瓦斯的生成和富集能力都很高，在这些地区就很容易形成高瓦斯富集区。从煤层的变质程度分析，在我国许多地区的煤质都较有利于瓦斯的储存，这为瓦斯的大量富集提供有利的储存空间。
　　煤层的生气量和储气量能力都受煤变质程度的控制，所有煤层的变质程度对煤层气藏的形成具有重要的作用。其表现主要有两个方面：第一个方面，煤的变质过程太低，不利于煤层气藏的形成。对于未变质阶段（Rmax>0.5%）的褐煤，为生物化学生气阶段，热解气即将开始生成，因此煤层的含气量不高。同时由于褐煤层和围岩的固结程度较差，透气性能较好，封闭能力差，致使含量很低的煤层气大量逸散。因此褐煤很难形成有价值的煤层气藏。但是，当煤层埋藏较深，厚度很大时，褐煤也可以形成煤层气藏。第一个方面，煤变质程度较高，煤层已经失去储气能力，同样不能形成煤层气藏。超高变质（Rmax>6%）的超无烟煤，对甲烷基本上不吸附，空隙度也很低。因而储气能力十分有限，同样也不属于储集层范畴，所以不能形成煤层气藏。由上述可知，低、中、高变质的烟煤和无烟煤可以形成煤气藏；未变质的褐煤一般不利于形成有价值的煤层气藏；而超高变质的超高无烟煤也不属于储集层，所以不能形成煤层气藏。不同的煤质对瓦斯的吸附能力是不同的，其吸附能力如图1所示（张新民，2002）。
　　从图2可以看出，随着煤层的变质程度的增加，煤层的吸附能力不断增强，但当其Rmax=5%左右的时候，其吸附能力达到最大值，随后随着Rmax的值增加而迅速下降达到零吸附。
　　3 地质构造发展对煤层气藏的影响
　　3.1 褶皱
　　在褶皱隆起的背景下，煤层常以向斜或背斜的构造形态赋存，因此背斜和向斜都可以形成煤层气藏。但以背斜和向斜储存的煤层气藏的储存条件是完全不一样的。当煤盆地或矿区为单一的向斜构造时，在同一水平上，煤层的含气量在褶皱的转折端减少；同时在向斜的内部，如果没有继续生气的条件，向斜轴部埋深最大处的含气量有时会低于埋藏较浅的翼部。造成这种现象的原因可能是轴部位置岩层变形最大，应力最集中，多以生成张力裂隙和轴面劈理所消耗，从而为煤中的气体运移提供了良好的通道，有利于轴部地区的煤层去气作用的进行。
　　3.2 断裂
　　断裂对煤层气藏的形成的影响比较复杂，归结起来有两种不同性质的影响：一种是断裂促使气体沿着断裂向地表运移，造成煤层脱气，从而降低了煤层及其临近的地带的含气性，不利于煤层气藏的形成，这种断层属于导气断层。另一种是致密地层组成的断层阻碍煤中气体的运移，成了气体向地表或别的圈闭中运移路途上的不渗透遮挡，从而提高了煤层及其邻近地带的含气性，这种断层属于阻气断层。同时，断裂作用使煤层裂缝和节理发育，有利于吸附在煤层上的瓦斯解吸，形成高煤层。
　　一般说来，规模较大的张性断裂属于导气断层，它降低煤层的含气性，不利于煤层气藏的形成和保存。挤压作用形成的逆断层多属于阻气断层，这种断层所产生的裂隙通常处于闭合状态，断层面两侧的岩层被紧压；另一方面，断层的位移往往使致密的泥质岩层与煤层的断头相接触，从而阻断了气体沿煤层至下而上的运移。这两种作用结合起来在很大程度上使煤层保存了较高的含气量（郭斌武，2001）。
　　4 地下水的活动与瓦斯的关系
　　煤层气吸附于煤的空隙表面或游离于孔隙中，由煤层裂隙网络中的地下水将其封存，在一般情况下，煤层气与地下水之间是处于动态平衡，只有在一定压力差下，气体才能流动。所以地下水活动对瓦斯的富集影响也是很大的，有许多的矿井，根据煤质、煤层厚度、构造等因素分析，瓦斯的含量应该很高，但是实测矿井瓦斯数据却与预期的结果要低，其结果可能是因为研究区的地下水活动影响造成的结果（张建博，2000）。
　　5 含煤地层的岩性特征与瓦斯的关系
　　煤层之上存在具有一定封闭能力的岩层，可以阻挡和减缓煤层气渗透、扩散、水溶流失等方式发生逸散，所有煤层顶底板岩性特征决定了其封闭能力。煤层顶底板岩性对煤层气的封闭能力主要取决于毛细管力，毛细管力封闭是由于盖层具有较高的毛细管阻力而阻止气体逸散，毛细管力的大小取决于毛细管半径的大小及其分布，而毛细管发育状况主要受盖层岩性、粒度、密度、致密程度等因素的影响。从对煤层气封闭能力大小的角度分析，先将其封闭能力大小顺序排列如下：油页岩-泥岩-砂泥岩-石灰岩-砂岩。油页岩封闭性能极为良好，其分布稳定，延伸范围大，岩性致密坚硬。其孔隙度为3.09-6.37%，但含水和含油率比较高，水和油充满了空隙空间，致使岩层渗透率很低，对下覆煤层中的甲烷起到了很好的封闭作用。泥岩是煤层中最常见的一种围岩，它通常具有很好的封闭性能，具有较高的压力，在裂缝不发育的条件下，泥质含量 大于40%的泥岩或泥质粉砂岩的岩体渗透率变化范围为107～109um2，具有较好的封闭性；煤系中出现的灰岩一般主要是生物碎屑泥晶灰岩、含生物碎屑灰岩及泥灰岩，其孔隙度大多数小于1%，渗透率一般小于0.01×103um2，但是具有裂缝的灰岩其空隙度可达4%，渗透率可达2×103um2-。因此对于灰岩型围岩进一步又可以分为两类：第一类是指在构造运动不强烈的地区的灰岩，其裂缝溶洞均不发育，具有一定的封闭能力。第二类灰岩的裂隙和岩溶较发育，导致其封闭能力大大降低。砂岩型围岩在横向上最不稳定，往往很快相变为砂泥岩和泥岩，该类型的围岩对煤层的封闭能力很差，往往和煤层一起构成储气层。
　　瓦斯在煤层中要受到一定的外应力，在外应力的作用下驱使瓦斯不断的运移和排放，其运移和排放的速度与煤层顶底板岩性的渗透性密切相关。如果煤层顶底板岩性的渗透性大，则瓦斯就不易保存，如果煤层顶底板岩性的渗透性小，则瓦斯就容易保存。煤层中瓦斯高低还与煤层渗透性有关，煤层大量的微裂隙发育，加大了瓦斯的储存空间，同时就增加了瓦斯的储存量，就容易形成高瓦斯煤层。如果煤层顶底板岩性的渗透性虽小，但由于煤层渗透性差，煤层的储存空间小，生成的瓦斯被吸附在煤层内部，瓦斯很难排放出来，也形成不了高瓦斯煤层。
　　6 结束语
　　（1）瓦斯的生成量与煤层的变质程度是成正相关，低、中、高变质的烟煤和无烟煤可以形成煤气藏；未变质的褐煤一般不利于形成有价值的煤层气藏；而超高变质的超高无烟煤也不属于储集层，不能形成煤层气藏。
　　（2）煤层顶底板的岩性几乎都是泥岩、页岩及粘土岩，岩性的结构特征都比较有利于瓦斯的保存；在研究区有很多的地区夹有砂岩层，砂岩也是瓦斯储存的有利空间，其中很有可能找到适合工业开采的煤成气资源。
　　（3）构造应力作用比较强的地区，煤层微裂隙系统发育，为吸附在煤层中的瓦斯提供了很好的运移通道，也是导致煤层中高瓦斯的重要原因。
　　（4）地下水对瓦斯的富集有一定的外界影响。
　　参考文献
　　[1]杨孟达，刘新华，王瑛，等.煤矿地质学[M].北京：煤炭工业出版社，2000.
　　[2]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， 2002，1～10.