煤層氣“零點(diǎn)”理論及福建煤層低瓦斯原因研究

林宣明， 譚克龍

(1.福建省能源集團(tuán)安全技術(shù)培訓(xùn)中心，福州 350003； 2.中國(guó)煤炭地質(zhì)總局，北京 100039)

0 引言

福建地處中國(guó)東南丘陵地區(qū)，賦存晚古生代二疊世海陸交互相含煤地層和中生代晚三疊世陸相含煤地層，煤層普遍為高變質(zhì)無(wú)煙煤(除漳平市晚三疊世煤為高變質(zhì)煙煤或低變質(zhì)無(wú)煙煤外)。福建煤礦最大的特點(diǎn)是煤層瓦斯含量低，煤礦相對(duì)瓦斯含量通常達(dá)不到5m3/t，正常通風(fēng)情況下，井下空氣中甲烷含量通常低于0.1%，甚至無(wú)法檢出。這種與中國(guó)其它地區(qū)及國(guó)外高變質(zhì)煤層瓦斯含量較高形成了極大的反差。相比之下，福建煤層變質(zhì)程度也高于中國(guó)其它同期形成的煤層，甚至超過(guò)了其它地區(qū)更早時(shí)期形成的煤層。福建煤礦的上述瓦斯含量特點(diǎn)，無(wú)論是百多年前煤礦開(kāi)發(fā)初期還是今天，基本上沒(méi)有變化。也就是說(shuō)，尚未發(fā)現(xiàn)福建煤礦的煤層瓦斯含量呈現(xiàn)梯度規(guī)律。這給許多研究煤礦瓦斯或煤層氣的專(zhuān)業(yè)人員造成了困惑和不解。越來(lái)越多的專(zhuān)家學(xué)者投入到福建高變質(zhì)煤層低瓦斯含量原因的探討中，但并沒(méi)有獲得令人信服的答案。筆者早在1984年即開(kāi)展了相關(guān)研究工作，并發(fā)表了“煤層瓦斯賦存的零點(diǎn)模式”相關(guān)論文[1-2]。當(dāng)今，福建各個(gè)煤礦已從淺部開(kāi)采普遍拓展到了深部開(kāi)采，達(dá)到了地下數(shù)百米甚至千余米深度，煤礦瓦斯的情況沒(méi)有明顯的變化，佐證了筆者1985年建立的“煤層瓦斯零點(diǎn)模式”的正確性。

1 煤層氣“零點(diǎn)”模式的基本思路

1.1 “零點(diǎn)”模式所依據(jù)的三個(gè)基本事實(shí)

1)煤層瓦斯是煤層沉積下來(lái)之后，由煤層中有機(jī)成分化學(xué)反應(yīng)的產(chǎn)物。因此，煤層瓦斯的生產(chǎn)過(guò)程與煤層的變質(zhì)過(guò)程不可分離。

2)煤層的瓦斯含量是歷經(jīng)其地質(zhì)年代不斷向外逃逸后的殘留。因此，煤層中瓦斯含量，不僅是煤層有機(jī)分子化學(xué)反應(yīng)生成瓦斯量的結(jié)果，同時(shí)也是逃逸后殘留的結(jié)果。

3)無(wú)論是煤層沉積下來(lái)后的變質(zhì)作用還是煤層瓦斯的逃逸過(guò)程，都受到地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的控制。因而，煤層瓦斯的生成和逃逸便有了一個(gè)共同的關(guān)聯(lián)因素，通過(guò)地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，煤層瓦斯的生成與逃逸可以找到兩者之間的共時(shí)關(guān)系。

1.2 煤層氣的生成與煤變質(zhì)的關(guān)系

煤的泥炭化和煤化過(guò)程始終伴隨著煤層氣的生成，是業(yè)界的共識(shí)，也是可以直接觀察到的客觀現(xiàn)象。

從植物到泥炭再到煤，最后變成石墨，是植物有機(jī)大分子到小分子最后到無(wú)機(jī)單質(zhì)的一個(gè)大跨度的變化。植物的分子是由C、H、O為主的十分復(fù)雜的有機(jī)大分子構(gòu)成[3]。其中，C元素構(gòu)成植物分子中的鏈狀或環(huán)狀結(jié)構(gòu)的“骨架”，而H元素主要是依附在骨架上構(gòu)成骨架的“肌肉”，O元素則與部分C、H元素構(gòu)成了骨架外圍的某些特殊結(jié)構(gòu)，稱(chēng)為“含氧基團(tuán)”[4-5]。通常，由C元素構(gòu)成的“骨架”其化學(xué)穩(wěn)定性較強(qiáng)，而“含氧基團(tuán)”相對(duì)活潑，容易與外界發(fā)生能量和元素交換。植物從活體到遺體堆積之后，即開(kāi)始所謂泥炭化過(guò)程，然后就是煤化過(guò)程，都是從有機(jī)大分子向小分子分解的過(guò)程。在此過(guò)程中，分子鏈斷裂、環(huán)狀分子破裂，“含氧基團(tuán)”分解，生成更小的有機(jī)分子、水和煤層氣。對(duì)比植物、煤和煤層氣三者的元素組成，可發(fā)現(xiàn)H元素在其中的比例相差極大，在煤層氣中H元素的含量遠(yuǎn)高于植物分子，更高于煤層[6-7]，說(shuō)明原植物分子中H元素主要與部分C元素轉(zhuǎn)化了煤層氣。即H元素的數(shù)量決定了植物或煤生成煤層氣的能力。

因此，從植物到煤再到石墨，隨著H元素含量的減少，生成煤層氣的能力總體上是逐漸下降的。到了高變質(zhì)無(wú)煙煤階段，H元素含量為極微程度，煤層氣的生成能力幾近為零[8-9]。

上文所說(shuō)的煤層氣的生成能力，可以定義為單位時(shí)間單位質(zhì)量煤或泥炭的煤層氣生成量。為了簡(jiǎn)化分析過(guò)程，只考慮時(shí)間參數(shù)，不考慮質(zhì)量參數(shù)，那么，生成能力就可以用生成速度來(lái)表示，即單位時(shí)間內(nèi)煤層氣的產(chǎn)量。

上文從物質(zhì)來(lái)源上來(lái)分析了煤層氣的生成速度，但是僅僅從物質(zhì)來(lái)源來(lái)考慮是不夠的，生成速度不僅與參與化學(xué)反應(yīng)的質(zhì)量相關(guān)，還與化學(xué)反應(yīng)的能量條件相關(guān)。根據(jù)煤、植物、泥炭和煤層氣的熱值，可知植物變成泥炭前期熱值在減少，是一個(gè)放熱反應(yīng)；但是從泥炭后期至最后變成高變質(zhì)煤，熱值是不斷增加的[10-11]。說(shuō)明植物變成泥炭是放熱過(guò)程，而泥炭變成煤是一個(gè)吸能的過(guò)程。這與分子的變化情況完全吻合，從植物變成泥炭，由高度結(jié)構(gòu)化的活體有機(jī)大分子變成無(wú)序化有機(jī)小分子，系統(tǒng)的熵值增加，必然是能量的逸出；而從泥炭到高變質(zhì)無(wú)煙煤，又從無(wú)序化有機(jī)分子變成了相對(duì)有序的有機(jī)分子，系統(tǒng)的熵值減小，必然是吸能過(guò)程。因此，植物變成高變質(zhì)無(wú)煙煤，尤其是煤化作用階段，外部能量的供給至關(guān)重要。即煤層氣的生成速度還受到外部能量供給的制約。

從煤炭形成的環(huán)境條件來(lái)看，熱量和機(jī)械能是煤層氣生成必需的兩大主要能量來(lái)源。深埋于地下的泥炭或煤層能夠得到的外部能量，無(wú)非是地下熱能(地?zé)峄驇r漿熱)，此外就是地壓彈性能量對(duì)煤層的強(qiáng)力壓實(shí)，部分彈性能量轉(zhuǎn)化為分子內(nèi)能[12]。

無(wú)論是泥炭化過(guò)程還是煤化過(guò)程，都屬于不可逆化學(xué)反應(yīng)。因此，如果需要反應(yīng)繼續(xù)，溫度和壓力需要不斷增加，否則反應(yīng)就將中止。討論兩種類(lèi)型的煤變質(zhì)過(guò)程，第一種是區(qū)域變質(zhì)，第二種是巖漿熱變質(zhì)。

第一種類(lèi)型，煤的變質(zhì)是地殼下降沉降所致，能量源是正常地?zé)岷偷貕骸Ｔ诘貧は陆颠^(guò)程中，由于地溫和地壓不斷升高，煤化過(guò)程得以持續(xù)。但是，一旦地殼下沉停止，地溫和地壓不再增加，煤層分子的有序化就不能進(jìn)入到更高的層次，煤的變質(zhì)過(guò)程就會(huì)中止，煤層氣的生成也隨之停止。因此，當(dāng)?shù)貧慕缔D(zhuǎn)為升，煤層氣的生成速度就變成零了(圖1)。

圖1 區(qū)域變質(zhì)煤層氣生成速度曲線Figure 1 The generation velocity curve of regional metamorphic coalbed methane

第二種類(lèi)型，煤的變質(zhì)是由煤田下伏或周?chē)膸r漿侵入熱源導(dǎo)致，這種熱源提供的能量巨大、迅猛，煤層迅速變質(zhì)，煤層氣的生成速度巨大但時(shí)間短暫。同樣，當(dāng)巖漿活動(dòng)減弱或停止之后，煤的變質(zhì)也將中止，煤層氣的生成速度也將隨之迅速降為零(圖2)。

圖2 巖漿熱變質(zhì)的煤層氣生成速度曲線Figure 2 The curve of coalbed methane generation rate of magmatic thermal metamorphism

1.3 煤層氣逸散與煤層氣生成、地質(zhì)構(gòu)造的關(guān)系

煤層氣的逸散，是指煤層氣從煤層中向外逃逸。與煤層氣的生成速度相對(duì)應(yīng)，定義煤層氣的逸散速度為單位時(shí)間單位煤層質(zhì)量的氣體散失質(zhì)量。

煤層氣的逸散取決于兩個(gè)因素，第一是煤層氣的飽和度(即煤層中氣體的含量)，第二是煤層的開(kāi)放程度。兩者都呈正比關(guān)系。根據(jù)前者，煤層氣的逸散速度在一開(kāi)始，總是小于生成速度的，因?yàn)椴豢赡軣o(wú)中生有；但是，當(dāng)煤層氣中的氣體含量長(zhǎng)時(shí)間積累后，有了相當(dāng)?shù)拇媪?，這時(shí)逸散速度就不必受生成速度的控制，在開(kāi)放條件具備時(shí)則有可能超過(guò)生成速度。根據(jù)后者，即煤層的開(kāi)放性，即取決于煤層的圈閉程度，包括煤層埋藏的深度、煤層上覆及下伏巖層的透氣性、煤田的斷裂構(gòu)造發(fā)育程度等。粗碎屑巖圍巖、埋藏淺、斷裂構(gòu)造發(fā)育，其開(kāi)放性就強(qiáng)，有利于煤層氣的逃逸，反之則反之。

同樣討論兩種煤變質(zhì)類(lèi)型的開(kāi)放性問(wèn)題。

第一種，即區(qū)域變質(zhì)煤田。泥炭化過(guò)程雖然開(kāi)放性極強(qiáng)，但泥炭中氣體的量積累并不多，氣體的逸散速度受到生成速度的限制，總是小于生成速度。隨著地殼下降，開(kāi)放性持續(xù)下降，煤層氣的逸散速度也持續(xù)下降。當(dāng)?shù)貧は陆档阶畹撞?，地殼開(kāi)始回升時(shí)，開(kāi)放性開(kāi)始增強(qiáng)，逸散速度反轉(zhuǎn)上升。事實(shí)上，地殼的上升往往伴隨著劇烈的構(gòu)造活動(dòng)，褶曲和斷裂同時(shí)開(kāi)始出現(xiàn)，煤層從封閉迅速轉(zhuǎn)為開(kāi)放。因此，地殼開(kāi)始上升后，煤層的開(kāi)放性增加速度往往比地殼下降時(shí)它的下降速度來(lái)得更快(曲線更加陡峭)(圖3)。

第二種，即巖漿熱變質(zhì)的煤田。地殼的巖漿活動(dòng)總是伴隨著劇烈的構(gòu)造活動(dòng)。一旦巖漿侵入或噴發(fā)，斷裂也同時(shí)出現(xiàn)。這意味著，在巖漿活動(dòng)時(shí)期，煤層變質(zhì)加速，煤層氣生成速度出現(xiàn)高峰，煤層的開(kāi)放性也發(fā)生突變，從相對(duì)封閉變成高度開(kāi)放，煤層氣的逃逸速度也急劇上升。一旦巖漿活動(dòng)趨于平靜，當(dāng)溫度開(kāi)始下降時(shí)，煤層變質(zhì)過(guò)程中止，煤層氣的生成速度即降至零，但此時(shí)煤層的開(kāi)放性仍然保持不變，煤層氣的逸散速度依然保持在高位(圖4)。

1.4 煤層氣“零點(diǎn)”模式

綜上，煤層的變質(zhì)、煤層氣的生成、煤層氣的逃逸，三者之間具備共時(shí)相關(guān)性，即它們都受到地質(zhì)構(gòu)造活動(dòng)的控制，具有共時(shí)性。如果將生成速度曲線與逃逸速度曲線疊合在一起，就構(gòu)成了煤層氣含量動(dòng)態(tài)圖(圖3、圖4)，從動(dòng)態(tài)圖上，可以了解地質(zhì)歷史時(shí)期中不同時(shí)點(diǎn)煤層氣的含量狀況。

圖3 區(qū)域變質(zhì)煤層氣“零點(diǎn)”圖Figure 3 “Zero-Point” map of reginal metamorphic coalbed methane

圖4 巖漿熱變質(zhì)煤層氣“零點(diǎn)”圖Figure 4 “Zero-Point” map of magma thermal metamorphic coalbed methane

當(dāng)生成速度曲線與逸散速度曲線相交時(shí)，生成速度與逸散速度相等，兩者的差值為零，這個(gè)時(shí)點(diǎn)即煤層氣的“零點(diǎn)”。它是一個(gè)質(zhì)變點(diǎn)，“零點(diǎn)”之前，煤層中的氣體不斷增加，“零點(diǎn)”以后，不斷減少。所以，尋找煤層氣的“零點(diǎn)”是分析煤礦煤層氣基本狀況的關(guān)鍵?！傲泓c(diǎn)”離現(xiàn)在越早，即意味著煤層氣含量越小。

由此，本人將上述關(guān)于煤層氣含量的研究定義為“煤層氣零點(diǎn)模式”或“煤層氣零點(diǎn)理論”。

2 用煤層氣“零點(diǎn)”模式分析福建煤礦低瓦斯的原因

2.1 福建下二疊統(tǒng)童子巖組煤層的煤層氣“零點(diǎn)”

2.1.1 地質(zhì)構(gòu)造史及煤變質(zhì)歷史

根據(jù)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、巖漿活動(dòng)和煤層變質(zhì)的共時(shí)性關(guān)系，可以清晰地尋找到地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、巖漿活動(dòng)與煤變質(zhì)及煤層氣生成與逃逸之間的內(nèi)在邏輯和歷史軌跡(表1)[13]。

表1 福建下二疊統(tǒng)童子巖組煤變質(zhì)及煤層氣歷史

2.1.2 煤層氣的“零點(diǎn)”

福建下二疊統(tǒng)童子巖組煤層氣生成期距今121Ma，逸散期距今256Ma，“零點(diǎn)”距今135Ma；含量?jī)粼銎诰嘟?21Ma，凈減少距今135Ma，損益比達(dá)2.12(損益比為氣體逸散期與生成期的比值)(圖5)。

圖5 福建下二疊統(tǒng)童子巖組煤層氣“零點(diǎn)”圖Figure 5 “Zero-Point”map of coalbed methane in the lower Permian Tongziyan Formation in Fujian

2.2 福建上三疊統(tǒng)煤層氣“零點(diǎn)”

福建上三疊統(tǒng)煤層氣生成期距今91Ma，逸散期距今226Ma，“零點(diǎn)”距今135Ma；含量?jī)粼銎诰嘟?1Ma，凈減少期為距今135Ma，損益比接近2.5(表2、圖6)。

表2 福建上三疊統(tǒng)煤層變質(zhì)及煤層氣歷史

圖6 福建上三疊統(tǒng)焦坑組煤層氣“零點(diǎn)”圖Figure 6 “Zero-Point” map of coal-bed methane of the upper Triassic Jiaokeng Formation in Fujian

3 結(jié)論

煤層氣“零點(diǎn)”理論，發(fā)現(xiàn)了煤層氣生成與逸散兩者之間共同關(guān)聯(lián)的地質(zhì)構(gòu)造和巖漿活動(dòng)因素，通過(guò)建立它們之間共時(shí)關(guān)系，找到了煤層氣生成速度線與逃逸速度線的交叉點(diǎn)，即“零點(diǎn)”。確定“零點(diǎn)”是判斷煤層氣含量或煤礦瓦斯高低的關(guān)鍵。與其它各種解釋最大的不同在于煤層氣“零點(diǎn)”理論是從煤層氣的生成與逸散兩個(gè)方面綜合考慮煤層氣的賦存原因的。

對(duì)于具備一定研究程度的地質(zhì)勘查報(bào)告的煤田或煤礦，如果基本明確了其煤層沉積年代、地質(zhì)構(gòu)造歷史、煤質(zhì)、巖漿巖活動(dòng)歷史等，就可以依據(jù)“零點(diǎn)”理論，構(gòu)筑出該煤田或煤礦的煤層氣“零點(diǎn)”圖，從而對(duì)煤層的煤層氣含量高低、煤礦瓦斯的高低做出判斷。

福建省煤層雖然變質(zhì)程度極高，但煤層變質(zhì)主要源于燕山期巖漿活動(dòng)，“零點(diǎn)”出現(xiàn)的時(shí)間較早，煤層氣生成時(shí)間短、逃逸時(shí)間長(zhǎng)，或者說(shuō)煤層氣凈增期短、凈減期長(zhǎng)，損益比高，導(dǎo)致煤層氣含量低、煤礦低瓦斯。