沁水盆地煤与煤层气地质条件

１地质概况华夏系坳陷控制了中上石炭统的沉积，海陆交互相含煤岩系本溪组、太原组平行不整合于中奥陶统之上。

二叠纪阴山构造带隆起，海水退出，转化为过渡相的山西组含煤沉积。

煤系地层平均总厚２００ｍ。

二叠系石盒子组、石千峰组为煤系主要盖层，厚５００～１５００ｍ。

印支运动本区再度隆起，燕山中期成生了太行山、太岳山经向构造体系，与南北端的降县—驾岭、阳曲—盂县纬向构造带联合控制，形成当今的沁水盆地。

喜山期上新世成生晋中、临汾盆地，第三系红土和第四系黄土角度不整合于晚古生代各地层之上，最厚可达４０００ｍ［１］。

沁水盆地现今构造面貌为一近南北向的大型复式向斜，次级褶曲发育。

南部和北部以近南北向褶曲为主，局部为近东西、北东和弧形走向的褶皱；中部则以北北东向褶皱发育为特点。

断裂以北东、北北东和北东东向高角度正断层为主，集中分布于盆地西北部、西南部及东南部边缘。

２煤层气地质条件评价２．１煤层埋深煤层埋深或者上覆地层有效厚度是控制沁水盆地煤层含气量的主要因素之一，其控制作用表现为随上覆有效厚度增大，含气量增高［２］。

区内太原组、山西组煤层埋深受环形向斜构造盆地和局部新生代断陷控制，埋深由边缘露头向盆地中部增大，石炭系底埋深０～５０００ｍ。

其中西北部平遥、祁县、太谷一带的晋中断陷，煤层埋深达２０００～５０００ｍ，是埋深最大的地区；沁县一带是向斜轴部，煤层埋深约２０００ｍ。

埋深小于１０００ｍ区域分布于盆地边部，分布面积１４７５０ｋｍ２，占总含煤面积的５２％，以太原—阳泉、襄垣—长治、沁水—阳城和沁源—安泽四个地区面积较大。

埋深１０００～２０００ｍ含煤带呈环带状分布于前两者之间，面积９９５０ｋｍ２，占总含煤面积的３５％，以中南部和东北部分布面积较大。

２．２煤层厚度石炭系太原组和二叠系山西组是沁水盆地的主含煤组，共含煤６～ｌｌ层，单层厚度大于０．５ｍ，且分布稳定，太原组有八、九、十五煤层，累厚３～ｌ０ｍ，其中北部阳泉、昔阳、太原西山、榆次及东部和顺、左权一带最厚，累厚一般大于７ｍ，中部及南部一般５ｍ左右；山西组有二、三煤层，累厚２～６ｍ，东南部潞安、安泽、高平、屯留和北部清徐、太原西山厚度较大，一般４～６ｍ，其它地区较薄，厚２～４ｍ。

本区太原组十五号和山西组三号煤层是沁水盆地分布最稳定、单层厚度最大的煤层，是煤层气勘探开发的主要目标煤层。

山西组主要可采煤层厚度变化在０～７．５ｍ之间，总体变化趋势为由南向北，煤层厚度变薄，不同地区厚度差异较大。

太原组主要可采煤层厚度０～８ｍ，总体变化趋势为北厚南薄，与山西组主煤层变化趋势相反。

２．３煤级变化特征煤的变质程度控制煤层含气性的分布，表现为随煤级升高含气量增加。

区内石炭系太原组和二叠系山西组煤层除在西山和中部东西两侧狭窄地带为肥、焦、瘦煤外，绝作者简介：冀涛（１９６５—），男，高级工程师，煤田地质勘探专业，从事煤田地质勘探与物探工作，发表论文多篇。

收稿日期：２００７－０６－１６责任编辑：韩德林沁水盆地煤与煤层气地质条件冀涛１，杨德义２（１．太原煤炭气化（集团）有限责任公司，山西太原０３００２４；２．太原理工大学矿业工程学院，山西太原０３００２４）摘要：沁水盆地位于山西省东南部，含煤面积２９５００ｋｍ２，煤炭储量５１００亿ｔ，为特大型含煤盆地。

通过分析沁水盆地煤层埋深、厚度、构造特征、顶底板岩性及煤储层特征，认为该区主要煤层含气量高，煤层割理、裂隙发育，煤变质程度高，煤层厚度大、埋深适度，构造简单，煤层气资源量大，产出条件优良，是我国煤层气勘探开发最有利的地区之一。

关键词：煤层气；含气量；煤层厚度；割理；裂隙；构造特征；沁水盆地中图分类号：Ｐ６１８．１１文献标识码：Ａ文章编号：１００４－９１７７（２００７）０５－００２８－０３中国煤田地质ＣＯＡＬＧＥＯＬＯＧＹＯＦＣＨＩＮＡＶｏｌ．１９Ｎｏ．５Ｏｃｔ．２００７第１９卷５期２００７年１０月５期大部分地区均为高煤级的贫煤和无烟煤（Ｒ０，ｍａｘ９％～４．３％）。

其中，山西组的无烟煤分布面积较小，仅在北部的阳泉和南部晋城—阳城一带分布，太原组无烟煤分布面积较山西组明显扩大，但仍分布于盆地南北两端。

煤变质程度高，高煤级煤分布面积广是本区最明显的特征。

２．４构造２．４．１褶曲构成盆地主体构造的沁水向斜为一轴向ＮＮＥ的复式向斜，其两翼不对称，西翼地层倾角相对稍陡，一般为１０°～２０°，东翼相对平缓，一般ｌ０°左右。

在复式向斜的两翼发育有一系列次一级褶曲，褶曲轴走向以ＮＮＥ向和ＮＥ向为主，局部地区受后期构造运动的改造，轴向改变，如阳泉—寿阳一带褶曲轴走向近ＥＷ，西山煤田的西山向斜轴呈“Ｓ”型。

从褶曲分布的密度看，在盆地中部的左权—来远以南、襄垣—沁源以北地区、南部的安泽以南地区相对较高。

一般说来，褶曲规模较小，延伸范围有限。

２．４．２断裂断裂性质以正断层居多，断层走向从几百米到数十公里不等，断距从几米到４０００余ｍ，有的可能是导致岩浆上升的通道，断层延伸方向以ＮＥ向为主，局部呈近ＥＷ向和ＮＷ向延伸。

断层主要分布在盆地西北部的西山—汾西—霍州一带和盆地东南边缘的襄垣—长治—高平一带。

从物探资料看，深部似乎有断层减少、断距变小的趋势；从井下采煤揭露的情况看，断层的密度比较稀少。

位于晋中断陷西侧的断裂可能是太原期就己存在的同沉积断层，它的存在导致西山煤田与周边地区的地层、岩性、岩相和含煤性的差异。

晋中断陷与临汾断陷为两个新生代形成的断陷盆地，新生代地层厚度逾公里，石炭二叠纪煤系埋藏深度在数公里，断陷盆地周边的断层的断距一般较大。

２．４．３岩浆岩及陷落柱岩浆岩对其附近的煤层煤级影响较大。

已有资料证实，在太原西山煤田西部和临汾到侯马一带有二长斑岩和闪长岩类出露，物探资料推测在太谷—平遥间有一闪长岩侵入体，昔阳地区有玄武岩出露。

这些燕山期和喜山期的产物，对石炭二叠纪煤系的影响各异。

在沁水盆地北部的清徐、榆次、阳泉等地存在正磁异常，南部阳城、高平、陵川、晋城等地也有正磁异常分布，这预示着在这两个地区可能存在隐伏体，且具有岩基规模。

与吕梁山己知花岗岩异常对比，推测北部隐伏体的埋藏深度２５００～３０００ｍ，南部隐伏体的深度５００～１５００ｍ。

另据煤田勘探资料，清徐施工的Ｋ７孔在中奥陶统峰峰组灰岩中打到花岗闪长斑岩，阳泉二矿２－６９号孔在九煤顶板见到蚀变闪长岩脉，这也为推侧隐伏体的存在提供了有利的佐证。

陷落柱对煤层气的逸散、运移和聚集起着一定制约作用。

陷落柱主要在西山、汾西地区及阳泉、寿阳地区比较发育，南部地区也有发现。

如阳泉三矿生产中已揭露出２５８个，五矿９０个，西山杜儿坪矿己发现５７３个，局部地区陷落柱密度可达２８个／ｋｍ２。

２．５顶底板岩性受成煤环境控制，沁水盆地石炭、二叠系煤层顶、底板岩性基本是稳定的。

太原组主要可采煤层和局部可采煤层的顶板岩性多为灰岩，这是由于整个聚煤作用均发生在海退期，海侵作用才导致了成煤作用的结束。

局部地区煤层顶板相变为泥岩或粉砂质泥岩。

从钻孔统计资料分析，顶板为生物灰岩的占大部分，为泥岩的较少，灰岩多呈连续分布，而泥岩呈零散分布。

太原组主煤层底板岩性有９５％的钻孔揭示为根土泥岩或粉砂质泥岩，分布比较稳定，厚度一般３～５ｍ，局部地区底板泥岩含铝质较高，Ａｌ２Ｏ３含量可达３０％，对煤层气保存十分有利。

山西组主煤层直接顶板为泥岩、粉砂岩的钻孔占统计钻孔总数的６５％；为砂岩的钻孔占３５％，其中顶板为砂岩的钻孔主要分布于汾西—襄垣一线以北地区，这是因为该区古地理环境为上三角洲平原，分流河道发育，局部煤层受冲刷，形成砂岩为煤层的直接顶，这一现象在阳泉和西山地区出现的几率高于其它地区。

盆地南部为三角洲前缘环境，冲刷作用发生的较少，所以煤层顶板多为泥岩或粉砂岩，煤层直接底板为根土岩的占９２％，砂岩占８％。

泥岩厚度一般在３～５ｍ，泥岩底板对气体的保存较为有利。

２．６煤储层特征２．６．１煤的孔隙度据西安煤科院的研究成果，沁水盆地石炭—二叠系主要煤层的有效孔隙度变化在１．１５％～７．６９％间，一般多在５％以下。

煤的孔隙发育情况与煤化程度有关，其中肥煤、焦煤的孔隙度最低，瘦煤以后又有所增高。

从其它一些盆地的孔隙度测试资料看，低煤阶煤有更高的孔隙度。

综合这些结果可以得出，沁水盆地煤的孔隙度随煤化程度的增高，呈现出两头高、中间低的特点。

此外，煤孔隙的大小多参差不齐，不同煤化程度的煤，孔隙体积分布有差别，各种煤微孔都很发育。

相对而言，中等变质程度煤的大孔和中孔比较发育，高变质煤的过渡孔较多。

冀涛，等：沁水盆地煤与煤层气地质条件２９第１９卷中国煤田地质２．６．２煤的渗透率煤层渗透率的大小决定于煤层孔隙和裂缝（包括内、外生裂缝）的发育程度，虽然沁水盆地石炭、二叠系煤层演化程度较深，以高变质的贫煤～无烟煤为主，但煤层中的割理并没有完全闭合，加之构造裂缝的叠加，使部分地区煤层的裂缝十分发育，从而预示着煤层有较高的渗透性。

本区的煤层渗透率具有如下几个现象。

①煤层渗透率变化范围大，测试最大值为８２．８４ｍｄ，最小仅为０．０００３３４ｍｄ。

②盆地南北部有差异，总的看，盆地北部（寿阳地区）的渗透率值（范围值为０．００２～８２．８４ｍｄ，平均１９．４９ｍｄ）高于南部的长治—晋城地区（范围值为０．０００３４４～２．００ｍｄ，平均０．４６８ｍｄ）。

③盆地北部太原组煤层渗透率（平均值为３４．８７６ｍｄ）大于山西组煤层渗透率（平均值０．２６８ｍｄ）；而盆地南部的长治—晋城地区则表现为山西组煤层渗透率（平均值为０．５３３ｍｄ）高于太原组（平均值为０．３７５ｍｄ）。

２．６．３煤储层压力沁水盆地地层压力在垂向上和横向上，均有较大差异。

上二叠统上石盒子组是区域上的接近正常—微超压层，地层压力梯度在０．０ｌＭＰａ／ｍ左右。

在钻井钻进过程常常出现涌水现象，地层水水头常达地表以上数米。

二叠系上石盒子组至奥陶系马家沟组，地层压力梯度逐渐降低的趋势较明显，据阳城、阳泉和潞安地区资料计算结果，上石盒子组地层压力梯度平均值为０．００９３９ＭＰａ／ｍ，山西组和太原组为０．００７６７～０．００７７２ＭＰａ／ｍ，而奥陶系峰峰组至马家沟组仅０．００６８１ＭＰａ／ｍ。

地层压力在横向分布上也存在着非均衡性，如盆地南部阳城—端氏地区、盆地东部长治—潞安及盆地北部寿阳—阳泉地区煤层气钻井测试获得的山西组和太原组煤层压力梯度普遍较低，平均值０．００４３～０．００７５ＭＰａ／ｍ，地层欠压严重。

靠近盆地中部的沁参１井二叠系山西组煤层，深度１０２１．９ｍ，地层压力９．６３５ＭＰａ，地层压力梯度０．００９４ＭＰａ／ｍ，表明盆地中部附近地层属微欠压或基本接近正常压力。

２．６．４煤的天然裂隙煤中的天然裂缝依据其成因分为割理（内生裂隙）和外生裂隙两大类［３］。

割理是煤变质作用的产物，其发育程度与地应力强弱和变质作用类型密切相关。