盤關(guān)向斜火燒鋪井田重?zé)N含量異常的控制因素

王海軍，劉善德，馬 良，舒建生，王相業(yè)，朱玉英

(中煤科工西安研究院(集團(tuán))有限公司，陜西 西安 710077)

素有“江南煤?！敝Q的盤縣煤田作為我國(guó)重要的大型煤炭工業(yè)基地之一，其中的盤江礦區(qū)屬于典型的煤與瓦斯突出礦區(qū)，而火燒鋪煤礦作為礦區(qū)內(nèi)典型的煤與瓦斯突出礦井。同時(shí)也是近年來(lái)我國(guó)煤層氣勘探、開(kāi)發(fā)發(fā)展較快的地區(qū)。井田經(jīng)歷了多次的地質(zhì)勘查、資源潛力評(píng)價(jià)、煤層氣井的參數(shù)測(cè)試，目前的煤層瓦斯開(kāi)發(fā)利用主要依靠礦井瓦斯抽采發(fā)電予以開(kāi)發(fā)利用，地面的煤層氣開(kāi)發(fā)工程雖然進(jìn)行了工業(yè)性試驗(yàn)但是尚未取得突破性的進(jìn)展。

隨著近年來(lái)在盤縣煤田盤關(guān)向斜西翼火燒鋪井田開(kāi)展的地面資源整合補(bǔ)充勘探工程的施工，在地面鉆孔瓦斯、煤層氣樣品采集測(cè)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)區(qū)內(nèi)煤層氣成分中重?zé)N的含量較高，且含量隨著煤層編號(hào)及其埋深的變化具有先增加后降低、再增大之后變小的呈“M”型的變化的規(guī)律，反應(yīng)這種變化隨著地層埋深具有先低后高再到低最后變高的旋回性的特征，且這種旋回性與區(qū)內(nèi)含煤巖系的沉積旋回性、地應(yīng)力等參數(shù)的旋回性變化特征具有高度的耦合性，同時(shí)，這種異常在盤縣煤田的土城向斜、水塘向斜等構(gòu)造部位以及整個(gè)黔西、滇東甚至是織納煤田等均發(fā)現(xiàn)了這一異?，F(xiàn)象，張超在水塘向斜東翼中段的淺部煤田勘探煤層進(jìn)行采樣分析過(guò)程中發(fā)現(xiàn)重?zé)N體積分?jǐn)?shù)大于甲烷的體積分?jǐn)?shù)，重?zé)N的體積分?jǐn)?shù)為16.68%～72.22%，重?zé)N的異常與區(qū)域內(nèi)發(fā)育一系列的斷層構(gòu)造及上覆地層有密切聯(lián)系，同時(shí)與煤層的突出程度、煤的變質(zhì)程度有關(guān)；陳義林等對(duì)黔西織納煤田的無(wú)煙煤中重?zé)N高度異常進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)自然解吸過(guò)程中原生結(jié)構(gòu)煤與糜棱煤的解吸規(guī)律不同，前者呈現(xiàn)2段式變化后者則呈現(xiàn)3段式，糜棱煤的細(xì)頸瓶孔分子篩效應(yīng)限制了煤層氣的流動(dòng)，是導(dǎo)致2者差異的根本原因。蘭鳳娟等在恩洪向斜的研究發(fā)現(xiàn)向斜部分地區(qū)煤層重?zé)N含量高度異常，在垂向上具有“半旋回”特征，在區(qū)域上成片集中分布，地下水頭高度與重?zé)N含量異常區(qū)分布一致等特征。其認(rèn)為重?zé)N體積分?jǐn)?shù)垂向分布特征受沉積序列控制，向斜構(gòu)造對(duì)煤層重?zé)N起到了強(qiáng)烈的封閉作用，地下水活動(dòng)是控制煤層重?zé)N含量高低的一個(gè)重要地質(zhì)因素，重?zé)N氣主要來(lái)源于樹(shù)皮體，異常區(qū)煤中有機(jī)質(zhì)經(jīng)歷了完整的“生油窗”，這可能是其煤層重?zé)N含量顯著較高的一個(gè)重要地質(zhì)原因。同時(shí)文獻(xiàn)[8-13]在天府煤田、北票一、二井、雞西、濮陽(yáng)、下石節(jié)煤礦，戴金星等在國(guó)外俄羅斯的超拉盆地、庫(kù)茲涅茨煤田、沃爾庫(kù)塔斯克煤田、頓巴斯西南部等國(guó)內(nèi)外的多個(gè)地區(qū)的不同煤類中均已發(fā)現(xiàn)這一異常，多數(shù)與油氣異常顯示以及煤油共生相關(guān)；盧雙舫等認(rèn)為重?zé)N異常的成因?yàn)樯鷼饽纲|(zhì)，陶明信等認(rèn)為是微生物作用，郭占謙等認(rèn)為是催化作用，于良臣等認(rèn)為是油氣滲透、接觸變質(zhì)、煤化作用階段、差異吸附、分子篩作用和烴類物質(zhì)驅(qū)替效應(yīng)，曹代勇等認(rèn)為是構(gòu)造作用等。劉明信、田新娟、王啟宇等針對(duì)煤層氣測(cè)試方法、潘尚昆等研究了重?zé)N對(duì)礦井瓦斯爆炸性的影響。此外，易同生、高為、秦勇等對(duì)煤層氣的富集成藏進(jìn)行了研究，認(rèn)為煤層氣的富集受構(gòu)造和水文地質(zhì)條件控制。

上述研究成果為本次研究提供了研究思路,也奠定了理論基礎(chǔ)，針對(duì)火燒鋪井田的重?zé)N異?，F(xiàn)象，從地質(zhì)構(gòu)造、煤層埋深、煤巖煤質(zhì)、頂板巖層結(jié)構(gòu)、含水層水文地質(zhì)特征等方面探究重?zé)N異常在平面、層域上的分布規(guī)律，揭示重?zé)N異常的控制因素，構(gòu)建重?zé)N異常富集模式及機(jī)制，為井田內(nèi)的煤礦瓦斯災(zāi)害防治提供參考。

1 井田地質(zhì)特征

1.1 地層及煤層特征

火燒鋪井田位于貴州省盤縣煤田盤關(guān)向斜西翼南段，地層區(qū)劃隸屬揚(yáng)子地區(qū)的揚(yáng)子地層分區(qū)、西北地層小區(qū)的貴州省盤縣煤田盤關(guān)向斜，總體上構(gòu)造形態(tài)為向東傾斜的單斜構(gòu)造，地層傾角18°～40°，斷裂構(gòu)造發(fā)育，主要發(fā)育正斷層有火5、火6、火7，局部發(fā)育逆斷層如濫9和走滑斷層如F5-1等(圖1)。

圖1 區(qū)域構(gòu)造及其地層綜合柱狀

井田內(nèi)發(fā)育有二疊系峨眉山玄武巖組、龍?zhí)督M、三疊紀(jì)飛仙關(guān)組、永寧鎮(zhèn)組和新近系紅土層。其中峨眉山玄武巖組是煤系的基底，在此基礎(chǔ)上沉積了龍?zhí)督M、飛仙關(guān)組、永寧鎮(zhèn)組等蓋層。二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M為含煤地層，地層厚度179.54～309.69 m，平均255.07 m；目前鉆孔揭露的煤層埋深0～1 500 m，按照地層的巖性組合劃分為一、二、三3個(gè)巖性段。

井田屬于典型的近距離的煤層群組發(fā)育區(qū)，發(fā)育煤層24～80層，其中可采煤層14～20層，編號(hào)煤層22層，可采編號(hào)煤層14～17層，可采煤層的穩(wěn)定性屬于穩(wěn)定～較穩(wěn)定。煤類以焦煤為主，氣煤、肥煤和貧煤次之，局部發(fā)育無(wú)煙煤，區(qū)域上煤的變質(zhì)程度主要受構(gòu)造控制，但是在井田小范圍內(nèi)受埋深控制，表現(xiàn)為淺部以氣煤、肥煤，中、深部為焦煤、1/3焦煤，深部及構(gòu)造轉(zhuǎn)折端為無(wú)煙煤；煤系受盆地構(gòu)造演化過(guò)程中多個(gè)期次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響，在煤系地層內(nèi)發(fā)育一系列產(chǎn)狀、屬性不同的褶皺、斷裂構(gòu)造；因此在煤系的中、上段發(fā)育構(gòu)造煤、滑脫構(gòu)造、牽引褶皺以及雁列式斷裂組合形態(tài)，導(dǎo)致煤體結(jié)構(gòu)多呈粉狀、鱗片狀，煤中裂隙發(fā)育。

含煤地層形成于海陸過(guò)渡相的三角洲沉積環(huán)境，上段以細(xì)粒砂巖為主、向下粒度逐漸變細(xì)相變?yōu)榉凵皫r、泥巖，煤層頂板以泥巖為主、局部地段發(fā)育粉砂巖、細(xì)粒砂巖頂板，煤層頂?shù)装寰C合評(píng)價(jià)為完整～較完整的巖體?？v向上上段、下段頂板穩(wěn)定性優(yōu)于中段，中段中的14，17煤層的頂板巖層完整性差、多發(fā)育破碎帶，穩(wěn)定性屬于差，是典型的“三軟”煤層段。

通過(guò)礦井揭露、地質(zhì)調(diào)查、鉆孔抽水試驗(yàn)和水文測(cè)井、水地球化學(xué)分析等綜合評(píng)價(jià)井田的水文地質(zhì)條件，地表水徑流條件好，而地下水相對(duì)較差；地下水類型以碎屑巖裂隙水為主，第四系松散巖類孔隙水、石灰?guī)r巖溶水次之，富水性弱～強(qiáng)。地下水的賦存規(guī)律受區(qū)盤關(guān)向斜的控制。因此，地下水、地表水徑流方向?yàn)橛晌飨驏|即首先由向斜的翼部向核部匯流，之后在核部由南向北徑流，最終地表水在亦資孔、沙陀村、董家橋等地區(qū)流出井田，匯入拖長(zhǎng)江；地下水在拖長(zhǎng)江+1 680 m侵蝕溝谷排泄。

1.2 煤層氣地質(zhì)特征

歷次勘查成果與本次施工的15個(gè)鉆孔采集的295個(gè)樣品測(cè)試成果以及煤礦井下宏觀煤巖類型描述結(jié)果表明：各煤層的煤的破壞類型Ⅱ-Ⅳ型，煤的堅(jiān)固性系數(shù)0.15～1.21；煤層中氣體成分以CH為主，N和重?zé)N次之，含有少量的CO；存在重?zé)N或N異常富集區(qū)(表1)；其中空氣干燥基CH含量0.70～7.63 m/t，CH的體積分?jǐn)?shù)0～95.97%，平均65.44%；重?zé)N的體積分?jǐn)?shù)0.43%～46.93%，平均18.42%；N的體積分?jǐn)?shù)0.25%～83.43%，平均13.03%；CO的體積分?jǐn)?shù)0.96%～9.61%，平均3.10%(圖2)；CH與重?zé)N含量之和為0～14.37 m/t，平均4.69 m/t。干燥無(wú)灰基CH與重?zé)N含量之和為0.43～21.05 m/t，平均8.39 m/t。在平面上煤層煤層氣成分分布具有明顯的分帶性，在西部露頭區(qū)為N或N-CO帶，向深部延伸漸變?yōu)镹-CH，CH帶，且不同編號(hào)煤層的分帶深度各不相同。

表1 煤層氣成分特征

續(xù)表

圖2 井田煤層氣成分特征[34]

生產(chǎn)礦井工作面揭露的8個(gè)動(dòng)用煤層(1，3，5，7，10，12，14，17煤)和石門揭露的所有可采煤層的煤層氣含量、壓力、煤的吸附常數(shù)和，以及煤層氣放散初速度Δ等相關(guān)參數(shù)的測(cè)試結(jié)果(表1，2)表明：各煤層的煤層氣含量、壓力與煤層埋深呈線性相關(guān)性，而與煤層底板標(biāo)高相關(guān)性差(圖2)；各煤層中12煤的煤層氣含量、壓力在相同埋深條件下明顯高于其他煤層，17煤次之，5煤最??；煤層氣含量、壓力與煤層埋深呈線性相關(guān)關(guān)系，相關(guān)性顯著，相關(guān)系數(shù)>96%。

據(jù)礦井煤層煤層氣體積分?jǐn)?shù)，地面鉆孔煤層氣補(bǔ)充勘探、井下石門、工作面對(duì)煤層在不同標(biāo)高、埋深條件下的煤層氣含量、壓力、煤體堅(jiān)固性系數(shù)、孔隙率、放散初速度、和等相關(guān)參數(shù)的系統(tǒng)測(cè)試成果(表1，2)，采用單項(xiàng)指標(biāo)煤體結(jié)構(gòu)類型、煤層氣壓力、、Δ和綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)和等井下綜合評(píng)價(jià)，單項(xiàng)指標(biāo)顯示淺部為開(kāi)采的中、下組煤和深部礦井各煤層具有突出危險(xiǎn)性；綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)顯示上述各煤層均具有煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性。

2 重?zé)N異常特征

2.1 重?zé)N成分的異常特征

從重?zé)N的成分統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果顯示：重?zé)N含量0.02～7.78 m/t，重?zé)N體積分?jǐn)?shù)0.43%～46.93%，平均18.42%；成分以CH為主，占比>90%，CH次之，約10%，不含其他烴類成分。

2.2 重?zé)N的層域分布特征

通過(guò)對(duì)比不同煤層中重?zé)N含量、體積分?jǐn)?shù)的變化及其所賦存巖性段的平均值的變化規(guī)律，具有如下特征：

(1)各煤層中重?zé)N含量的變化特征由上向下由淺變深具有隨著煤層埋深的增加“先低—后升高—再變低—之后升高—然后變低”的“M”型變化特征(圖3)；

(2)通過(guò)對(duì)比各旋回重?zé)N平均含量，其變化特征具有上低、中高、下低的特征，呈倒“V”型變化規(guī)律(圖4(a))；

(3)14煤層中的重?zé)N含量和體積分?jǐn)?shù)最高，3煤重?zé)N含量最低、5煤的體積分?jǐn)?shù)最低；上段中各煤層相差不大，中段14煤最高、20煤層含量最低、22煤層體積分?jǐn)?shù)最低；下段中24煤層最高，27煤層最低(圖3)；

圖3 各煤層重?zé)N含量對(duì)比

(4)按照沉積的地層旋回性重?zé)N的含量第2旋回大于第3旋回，其中上部的半個(gè)旋回的含量最??；按照巖性段統(tǒng)計(jì)由上向下含量逐漸增大；重?zé)N的體積分?jǐn)?shù)與煤層的埋深呈冪含數(shù)關(guān)系，相關(guān)性顯著相關(guān)系數(shù)為0.77，重?zé)N的體積分?jǐn)?shù)與煤層埋深呈冪函數(shù)關(guān)系，相關(guān)性顯著，相關(guān)系數(shù)為0.68(圖4(c)，(d))。

(5)各煤層中重?zé)N含量與體積分?jǐn)?shù)的變化特征在垂向上的變化規(guī)律是基本一致的(圖4(e))。

圖4 重?zé)N含量在層域上分布特征

2.3 重?zé)N平面上分布特征

通過(guò)對(duì)區(qū)內(nèi)13層可采煤層的樣品氣體成分和含量測(cè)試結(jié)果在平面上分布分析，分析不同煤層重?zé)N含量在平面上分布規(guī)律性和差異性特征，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：

(1)在平面上重?zé)N異常區(qū)的分布具有一致性特征，顯示出明顯的“煙囪效應(yīng)”，重?zé)N高異常區(qū)分布在井田中部、東北部、西南部的鉆孔周圍，而重?zé)N低異常區(qū)域主要分布在斷層帶附近和北部煤層淺埋區(qū)，且具有一定的繼承性(圖5)；

(2)各煤層中重?zé)N含量與體積分?jǐn)?shù)的呈正相關(guān)性(圖5(e))，因此，各煤層的重?zé)N體積分?jǐn)?shù)在平面上的分布特征與含量應(yīng)具有相似性和繼承性特征；

圖5 各煤層重?zé)N含量平面分布特征

(3)各煤層的重?zé)N含量與煤層的孔隙率呈正相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)為0.55和0.66(表2、圖4(f))。

表2 各煤層中重?zé)N含量特征統(tǒng)計(jì)

3 煤層重?zé)N異常的控制因素分析

在前人研究的基礎(chǔ)上，為了探究各煤層中重?zé)N異常與地質(zhì)構(gòu)造、煤層埋深、水文地質(zhì)條件、煤層頂板工程地質(zhì)特征、地層沉積巖性組合、煤巖煤質(zhì)以及井田地應(yīng)力、儲(chǔ)層壓力等相關(guān)性的關(guān)系，分析上述研究區(qū)重?zé)N異常的控制因素。采用測(cè)試化驗(yàn)、相關(guān)性分析等方法對(duì)上述地質(zhì)因素與各煤層重?zé)N異常的關(guān)系(表3)。

表3 各煤層重?zé)N含量、體積分?jǐn)?shù)與埋深相關(guān)性統(tǒng)計(jì)

3.1 重?zé)N與斷裂構(gòu)造的關(guān)系

通過(guò)對(duì)不同采區(qū)、工作面及其巷道內(nèi)揭露斷層的測(cè)量、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，分析同一煤層中斷層發(fā)育密度、斷層不同位置如上、下盤重?zé)N含量和體積分?jǐn)?shù)的變化；分析在不同煤層內(nèi)發(fā)育的斷裂破碎帶以及滑脫構(gòu)造層的展布特征對(duì)重?zé)N異常的影響，結(jié)果表明：

(1)各煤層中斷層發(fā)育中段煤層的斷層密度較上段和下段高，其中14煤層最高，10，17煤層次之(圖6(a))；而重?zé)N含量與體積分?jǐn)?shù)與斷層的密度呈多項(xiàng)式關(guān)系，相關(guān)性顯著(圖6(b))。表明隨著斷層密度的增大重?zé)N的含量增大。

圖6 各煤層斷層與重?zé)N含量關(guān)系

(2)在12煤層底至17煤層底板之間是盤關(guān)向斜區(qū)域性的滑脫構(gòu)造層的發(fā)育位置，該層位斷裂構(gòu)造發(fā)育、滑脫構(gòu)造發(fā)育，因此，該層位的煤層中重?zé)N的含量是較高位置，2者具有耦合性。

3.2 重?zé)N與煤層埋深的關(guān)系

通過(guò)統(tǒng)計(jì)不同編號(hào)煤層中的重?zé)N含量與煤層的埋深的相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)：

(1)各煤層中重?zé)N的含量與體積分?jǐn)?shù)與煤層的埋深呈冪數(shù)關(guān)系，相關(guān)性顯著(圖7)，而與煤層的標(biāo)高相關(guān)性不顯著，結(jié)果表明：區(qū)內(nèi)煤層中重?zé)N含量主要受煤層埋深控制。

圖7 各煤層重?zé)N含量分布特征

(2)各煤層中重?zé)N的體積分?jǐn)?shù)與含量呈正相關(guān)系，且相關(guān)性顯著(圖7(d)，(e))。

3.3 重?zé)N與水文地質(zhì)條件關(guān)系

通過(guò)對(duì)井田內(nèi)19個(gè)地面水文鉆孔的抽水試驗(yàn)，獲取的不同巖性段含水層的水文地質(zhì)參數(shù)，分析富水性系數(shù)、滲透率、水位標(biāo)高、水化學(xué)類型、礦化度與各段煤層中重?zé)N含量的關(guān)系；4個(gè)鉆孔的煤系地層斷層破碎帶水位觀測(cè)及其抽水試驗(yàn)分析斷層導(dǎo)水性與重?zé)N的關(guān)系及其氣密性(表4，5)，研究結(jié)果表明：

表4 含水層水文地質(zhì)參數(shù)

(1)煤層頂板富水性(圖8(a))、滲透率(圖8(b))與煤層內(nèi)重?zé)N的含量、體積分?jǐn)?shù)呈現(xiàn)線性負(fù)相關(guān)性，相關(guān)性顯著；與地層水礦化度、地下水位標(biāo)高、煤層埋深呈正線性相關(guān)性，相關(guān)性顯著(圖8(c)，(d))。

圖8 重?zé)N含量與水文地質(zhì)特征相關(guān)性

(2)井田內(nèi)地下水化學(xué)類型、礦化度、含水層的富水性、含水層的滲透系數(shù)總體受向斜構(gòu)造形態(tài)的控制，即受地層埋深的控制。3個(gè)巖性段的含水層水文地質(zhì)參數(shù)的變化特征與各段中煤層中重?zé)N的含量的變化規(guī)律相吻合。

表5 斷層的密閉型抽水試驗(yàn)成果

(3)重?zé)N異常的分布受地下水的富水性分布、水化學(xué)類型、水位標(biāo)高、斷層的導(dǎo)水性等水文地質(zhì)因素的影響。

3.4 重?zé)N與煤層頂板巖性特征的關(guān)系

通過(guò)對(duì)井田內(nèi)鉆孔煤層頂板巖性統(tǒng)計(jì)、頂板巖石的完整性即工程地質(zhì)編錄、煤層頂板巖石力學(xué)參數(shù)測(cè)試等，分析與煤中重?zé)N含量、體積分?jǐn)?shù)的關(guān)系，結(jié)果表明(表6、圖9，10)：

表6 煤層頂板巖性、RQD及其巖石力學(xué)參數(shù)特征

(1)總體上井田內(nèi)的煤層屬于完整性差-中等巖體，在縱向上各煤層的巖體的完整性上段優(yōu)于下段，中段最差，其中12，14，17煤層屬于破碎巖體(圖9(a))；這一特征在煤層的堅(jiān)固性系數(shù)中也得以驗(yàn)證(圖9(b))。

(2)各煤層頂板巖性以泥巖、粉砂巖為主，煤層頂板厚度0.50～27.90 m，平均4.14 m；不同巖性煤層頂板的煤層中泥巖頂板的重?zé)N含量最大，粉砂巖頂板最低；各煤層中氣體含量與頂板巖性粒度呈負(fù)相關(guān)性(圖9(c)～(e)，圖10(a))。

(3)煤層中重?zé)N的含量、體積分?jǐn)?shù)與煤層頂板巖石的粒級(jí)呈負(fù)相關(guān)性(圖9(e))，表現(xiàn)為頂板砂巖粒度越小煤層中重?zé)N含量越高(圖10(d))；與頂板巖層的完整性呈正相關(guān)性(圖10(b))，與煤層頂板巖石的飽和抗壓強(qiáng)度(圖10(c))、孔隙度等呈冪函數(shù)關(guān)系(表2、圖4(f))。

圖9 頂板巖性分布及其含量特征相關(guān)性

圖10 頂板巖性分布及其含量特征相關(guān)性

(4)煤層中重?zé)N與煤層頂板巖性、巖石完整性、巖石力學(xué)參數(shù)的關(guān)系反應(yīng)了煤層頂板的封閉性、氣密性特征與重?zé)N的相關(guān)性特征。

3.5 重?zé)N與沉積環(huán)境的關(guān)系

火燒鋪井田含煤巖系巖性組合特征以砂泥巖巖、煤層位置，上段、中段以正旋回性為主，而下段以返旋回性為主，在分流河道發(fā)育部位以正旋回性為主；通過(guò)對(duì)層序界面與沉積旋回性的分析將井田內(nèi)沉積的旋回系性劃分為3個(gè)3級(jí)旋回和半個(gè)3級(jí)旋回，每一個(gè)3級(jí)旋回進(jìn)一步劃分為4～8個(gè)4級(jí)旋回以及若干個(gè)亞旋回(圖11)。通過(guò)對(duì)比地層的旋回性特征與煤層中重?zé)N含量的變化特征發(fā)現(xiàn)：

圖11 研究區(qū)煤系地層的沉積旋回性特征

(1)研究區(qū)內(nèi)地層的沉積旋回性變化特征反應(yīng)了研究區(qū)海平面的變化，各旋回的頂部位于24煤、18煤、6煤層頂部，同時(shí)反映了高、低位體系域的變化，進(jìn)而將其劃分為2個(gè)完整的高、中、低位體系域的完整旋回與半個(gè)高位體系域旋回。

(2)地層的沉積旋回性與煤層中重?zé)N含量變化的旋回性具有高度的耦合性，表現(xiàn)為高、低位體系域的轉(zhuǎn)換處、每一個(gè)三級(jí)、亞旋回的頂部是重?zé)N含量異常高值分布層位。

3.6 重?zé)N與煤巖煤質(zhì)的關(guān)系

為了分析不同煤層內(nèi)重?zé)N分布特征與煤巖、煤質(zhì)的關(guān)系(表7，8)，從各煤層的宏觀煤巖類型、顯微煤巖類型、顯微煤巖組合如鏡質(zhì)體、惰質(zhì)組等含量、煤中黏土礦物含量、煤層中裂隙發(fā)育程度，煤變質(zhì)程度、煤中灰分、稀散元素(圖12(d)～(j))等煤質(zhì)特征方面綜合分析發(fā)現(xiàn)：

表7 煤層顯微煤巖組分特征(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

表8 煤質(zhì)特征

續(xù)表

圖12 煤質(zhì)與重?zé)N含量相關(guān)性分析

(1)宏觀煤巖類型與煤層中重?zé)N含量呈正相關(guān)性，龍?zhí)督M上段和下段的原生結(jié)構(gòu)煤層明顯小于中段糜棱結(jié)構(gòu)煤的含量，且中段的14，17煤層的碎粒煤明顯高于12，18煤層的碎裂煤層(圖13，圖12(j))。

圖13 顯微煤巖組分特征

(2)反應(yīng)煤變質(zhì)程度的鏡質(zhì)體最大反射率與煤層中重?zé)N的含量存在一定的關(guān)系，總體變化趨勢(shì)是在煙煤階段隨著煤變質(zhì)程度的增高煤中重?zé)N含量增大(圖12(d))。

(3)煤的顯微煤巖組分中樹(shù)皮體的體積分?jǐn)?shù)與重?zé)N含量呈正相關(guān)性，表現(xiàn)為12,14,17煤層中含量高的樹(shù)皮組分重?zé)N含量明顯高于其他煤層(圖12)。

(4)煤中有機(jī)組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈先降低后升高的規(guī)律(圖12(a))、與黏土礦物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈正相關(guān)性(圖12(b))。

(5)煤中重?zé)N含量的變化與煤質(zhì)灰分(圖12(e))、揮發(fā)分呈正相關(guān)性(圖12(f))，同時(shí)與煤中固定碳(圖12(g))、稀散元素如釩(V)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈正相關(guān)關(guān)系(圖12(h))。

3.7 重?zé)N與地應(yīng)力、儲(chǔ)層壓力的關(guān)系

為了探究井田內(nèi)煤層中重?zé)N異常分布特征與井田現(xiàn)今構(gòu)造地應(yīng)力場(chǎng)的關(guān)系，通過(guò)對(duì)地面鉆孔水力壓裂測(cè)試的煤、巖儲(chǔ)層的破裂壓力、閉合壓力(圖14)和收集整理以往研究成果，分析地應(yīng)力場(chǎng)與重?zé)N關(guān)系發(fā)現(xiàn)：

(1)井田內(nèi)的地應(yīng)力隨著埋深的變化特征與黔西地區(qū)的地應(yīng)力場(chǎng)變化規(guī)律一致，最大、最小水平主應(yīng)力的大小隨著埋深的增加具有先增高后降低再增高的旋回性變化的特征，地應(yīng)力場(chǎng)的這種旋回性變化規(guī)律與煤層中煤層氣含量、重?zé)N含量、重?zé)N體積分?jǐn)?shù)的變化具有耦合性(圖14(a)，(b))。

(2)研究表明，地應(yīng)力場(chǎng)的旋回性變化控制了煤巖儲(chǔ)層滲透率的旋回性變化，同時(shí)儲(chǔ)層壓力的旋回性變化與煤層中重?zé)N的變化亦具有耦合性。

(3)研究區(qū)重?zé)N含量的“M”型旋回性變化特征，與地應(yīng)力、煤層氣含量、稀散元素(V)、煤層氣壓力、顯微煤巖組分、、煤中含礦物基有機(jī)組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)、黏土礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)等的旋回性變化具有一定的耦合性(圖14)。

圖14 煤層氣及其顯微煤巖組分與重?zé)N含量相關(guān)性分析

4 重?zé)N異常富集模式

通過(guò)對(duì)火燒鋪井田范圍內(nèi)不同編號(hào)煤層、巖性段的重?zé)N含量、體積分?jǐn)?shù)在平面、縱向上的分布特征以及其分布特征與相關(guān)性因素綜合分析，認(rèn)為火燒鋪井田內(nèi)重?zé)N異?？傮w上受地質(zhì)構(gòu)造控制，水文地質(zhì)控制，其中構(gòu)造方面主要受頂板封閉性、完整性以及煤層的宏觀煤巖類型的影響。

根據(jù)前述結(jié)合盤關(guān)向斜的構(gòu)造特征、地下水徑流、各地層巖性、斷裂構(gòu)造、煤巖煤質(zhì)、煤層頂板完整性等控制因素，宏觀上構(gòu)建了盤關(guān)向斜煤層中重?zé)N異常富集的模式(圖15)，其具有以下特點(diǎn)：

圖15 重?zé)N異常成因模式

(1)在層域上盤關(guān)向斜的重?zé)N異常區(qū)分布在向斜軸部，隨著煤層埋深增加煤層變質(zhì)程度增加、地下水徑流緩慢，容易形成各煤層重?zé)N的異常富集。

(2)在各煤層之中重?zé)N的異常分布在含煤地層的中部和下部，多為巖性段或沉積旋回、沉積體系域的轉(zhuǎn)換區(qū)域，中部和下部泥巖較發(fā)育，同時(shí)中部受地質(zhì)構(gòu)造的影響煤體的完整性差、煤體破壞程度高以及層間的滑脫構(gòu)造、斷裂構(gòu)造較發(fā)育，可能容易造CH的逸散或重?zé)N的富集。

5 結(jié) 論

(1)盤縣煤田火燒鋪井田煤層氣成分中含有一定量的重?zé)N，重?zé)N含量隨著煤層埋深呈正相關(guān)性。

(2)煤層氣重?zé)N異常主要受區(qū)域構(gòu)造和生烴母質(zhì)的控制，其次受到地下水文地質(zhì)條件、沉積環(huán)境、煤巖煤質(zhì)、頂板巖性組合及其地應(yīng)力、儲(chǔ)層滲透率等地質(zhì)因素的控制。

(3)井田內(nèi)煤層氣中重?zé)N異常，在井下瓦斯含量測(cè)試、礦井瓦斯突出危險(xiǎn)性鑒定中應(yīng)該加強(qiáng)對(duì)重?zé)N成分、含量的測(cè)試分析，同時(shí)應(yīng)該深入研究重?zé)N異常對(duì)礦井瓦斯突出危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)等方面的影響研究。

(4)重?zé)N異常在整個(gè)黔西、滇東地區(qū)存在普遍的性，因此，今后的地質(zhì)勘查、煤層氣勘查以及井下瓦斯采樣過(guò)程中應(yīng)加強(qiáng)對(duì)重?zé)N的研究。