天津西南部静海研究区煤层地质特征及煤层气评述

摘要：研究区位于于华北断坳之中的沧县断隆中部的大城凸起内，区内含煤地层为石炭系中统本溪组、上统太原组、二叠系下统山西组，煤系地层总厚度为284.90m，含煤18层，煤层总厚32.85m，含煤系数11.53%。在收集区内及周边大城勘查区钻孔及地质资料的基础上，对区内含煤地层地质特征、煤质特征及煤层气含量分布特征进行了评述。

关键词：天津西南部；静海；含煤地层；煤质特征；煤层气

1.位置概况

研究区位于天津市静海区，隶属王口镇、子牙镇，与河北省大城县相邻。东距天津市区40km、静海区政府15km；西距河北省大城县城30km。西部边界进庄—东高庄—流庄，南部边界到当滩头，东至东禅房—西柳木，北至小瓦头；呈南北向的阶梯状，东西宽约9.0km，南北长约14.0km，面积约105.8km2。

2.区域地质背景

天津地区煤系地层大部分被新生界所覆盖，新生界地层在宝坻断裂以北较薄，一般100m～300m，以南较厚，一般大于1000m。基岩地层只在蓟县北部山区出露。除缺失古生界上奥陶统—下石炭统和新生界古近系古新统外，其余地层均有发育，从老至新分别为：太古界（Ar）；中、新元古界（Pt2+3）的长城系、蓟县系和青白口系；古生界（Pz）的寒武系、奥陶系和石炭—二叠系；中生界（Mz）的侏罗系、白垩系；新生界（Kz）的古近系、新近系和第四系。

天津地處以宁河—宝坻断裂为界分为北区和南区。北区为基岩出露及浅埋区，属于蓟宝隆褶。断裂以东西（EW）向为主。南区为广阔平原，属于华北断坳区的东北部，自西向东划分为冀中坳陷、沧县隆起和黄骅坳陷。其间分别以古近系尖灭线和沧东断裂为界。区内断层主要有北北东（NNE）向的沧东断裂、天津断裂、白塘口西断裂、白塘口断裂、白塘口东断裂，北西（EW）向的海河断裂、汉沽断裂和宁河断裂等。

3.研究区地质特征

研究区为第四系覆盖，区内基岩未出露。

3.1构造

研究区在区域构造上处于华北断坳（Ⅱ）之中的沧县断隆（Ⅲ）中部的大城凸起（Ⅳ）。周边发育有静海—大城断裂、北芦庄—西九吉断裂和里坦向斜、卧佛堂向斜等（图1）。

卧佛堂向斜：位于静海—大城断裂及北芦庄—西九吉正断层之间，向斜长度大于80km，宽约35km，向斜轴沿西告至阜安一线延伸、为北东向，向北东方向倾伏，轴面倾向南东；两翼地层平缓，倾角一般小于10°，东南翼较西北翼陡。

向斜由古生代及中生代地层组成，中生代地层主要分布于向斜中、北部的轴部。向斜南部两翼、转折端及轴部发育三组正断层，以北西—北北西走向断层为主，北东走向的断层次之。该向斜被新生界覆盖，其厚度从东北至西南由800m到2000m。卧佛堂向斜为石炭—二叠系煤层连续分布的地区。

里坦向斜：位于静海—大城断裂东部，向斜长大于80km，宽约40km，向斜轴为北东向，向北东方向倾伏，轴面倾向北西，两翼地层倾角一般小于10°，西北翼较东南翼陡。该向斜由古生代及中生代地层组成，中生代地层主要分布于向斜中北部轴部，从西北至东南新生界厚度增大。

静海—大城断裂：位于里坦向斜西翼，北起静海徐庄子，向南经静海镇东河头村、三呼庄东、往南进入河北省，走向近由北部的北东东（NEE）向往南转为北北东向（NNE），倾向南南东（SE）—南东东（SEE），倾角约70°，基岩断距约500m，为西北盘相对上升的正断层，该断裂西北石炭—二叠系比东南侧薄，西约500m左右，东侧约700m左右。

北芦庄—西九吉正断层：位于卧佛堂向斜西北翼，长约60km，南、北部被一组北西西走向的邵洪店—高官断层和安新—鄚州所截；断层走向北东，倾向南东，倾角70°；该断层被古近系覆盖，下盘基岩为下古生界及中—上元古界，上盘基岩为古生界及中生界，落差大于200m。

3.2含煤地层

本区为石炭—二叠系含煤区。煤系地层为石炭系中统本溪组、上统太原组、二叠系下统山西组；上覆地层为二叠系下统下石盒子组、上统上石盒子组及新生界新近系、第四系；基底为奥陶系中统峰峰组。揭露地层与区域地层相比，缺少新生界古近系（E）和中生界（MZ）地层（表1）。煤系地层总厚度为284.90m，含煤18层，煤层总厚32.85m，含煤系数11.53%。

本溪组（C2b）：早古生代末遭受剥蚀，至中石炭世晚期，开始接受沉积，沉积环境以滨岸陆棚沉积为主，形成一定厚度的海相石灰岩及海相泥岩，泥炭沼泽存在时期短且局限。由于沉积早期地壳升降频繁，导致海水进退变化“较快”，故煤层的聚煤不稳定，所形成厚度薄而且不连续，本组含煤4层。

太原组（C3t）：上石炭世时地壳间歇性升降，海进与海退相互交替，沉积环境以潮坪—泻湖沉积为主，而煤层形成于泻湖沉积环境占主导的泻湖泥炭沼泽中。由于此时期多次形成泻湖泥炭沼泽，故而聚煤层数较多，煤层厚度变化大，为本区的主要含煤层段。本组含煤7层，其中10号煤为主要可采煤层。

山西组（P1S）：从早二叠世起，海岸线开始向东南方向逐渐退移，沉积环境由潮坪—泻湖沉积体系转变为三角洲沉积体系。早二叠世早期在三角洲沉积体系中形成的泥炭沼泽较稳定，所形成的5煤全区连续发育，但煤层厚度及结构变化较大。后期沉积环境向河流沉积体系过渡，分流河道多，并带来了大量的无机碎屑物，加之地壳缓慢、振荡抬升，聚煤环境变差，形成了断续分布的3、2、1煤等煤层。本组含煤7层，其中5上、5煤为主要可采煤层。

3.3可采煤层特征

研究区内钻孔揭露可采煤层9层，即1、3、5上、5、6、7、8、9、10煤，总厚度为29.37m。各可采煤层厚度、间距、结构及稳定性见表2。

3.4煤质特征

3.4.1物理性质及煤岩特征

研究区各可采、局部可采煤层颜色以黑色为主，条痕为褐黑色，玻璃或沥青光泽，条带状、粒状、均一状结构，粉状、细小碎块状或块状构造，污手。内生裂隙发育，脆度较大，松散易碎，棱角状、贝壳状断口，含黄铁矿散晶、结核或薄膜。宏观煤岩类型以亮煤為主，镜煤和暗煤次之，夹丝炭条带或薄层，宏观煤岩类型以半亮型煤为主、光亮型煤及半暗型煤次之。其显微煤岩组分主要为有机组分，含少量无机组分。煤层中的镜质组分以基质镜质体为主，均质镜质体次之，含少量结构镜质体及胶质镜质体。惰质组以碎屑惰质体为主，丝质体次之，含少量粗粒体、粗粒体及微粒体。壳质组分以小孢子体为主，角质体次之，含少量树脂体。无机组分中以黏土类为主，次为硫化铁类、碳酸盐类和氧化硅类。黏土类矿物多为分散状黏土矿物，细胞充填状黏土次之；硫化铁类以分散粒状为主，大小不一，分布不均，含少量裂隙充填状及细胞充填状黄铁矿；碳酸盐类为方解石以裂隙充填状为主，细胞充填状次之；氧化硅类为石英呈粒状，大小不一，分布不均。

3.4.2化学性质

水分（Mad）：研究区各可采、局部可采煤层原煤空气干燥基水分值总体上在0.53%～1.22%之间，浮煤空气干燥基水分值在0.51%～0.98%之间，个别采样点浮煤水分与原煤相当。各煤层水分含量较低，从1煤到10煤，水分总体上呈现逐渐降低的趋势。其变化趋势符合区域变质作用随着埋深加深，煤的变质程度增高而水分含量降低的特点。

灰分（Ad）：各可采煤层灰分以低中灰煤为主，个别煤层为特低灰煤。经1.4比重液洗选后的精煤灰分多数小于10%，表明本区煤层灰分易选除。

挥发分（Vdaf）：原煤：24.19%～34.55%，浮煤23.24%～31.14%，确定本区煤层属于中高挥发分煤，各煤层挥发分产率变化不大。

各可采煤层中有机质元素组成以碳为主，其次是氧加硫，氮含量最少。碳含量经浮选后明显增高，在垂向上变化不明显。氢含量在原、浮煤之间的变化不大。氧加硫含量经浮选后有所降低。

全硫（St.d）：各可采煤层原煤全硫变化较大，其中1煤最低，为0.32%，为特低硫煤，8煤最高，为4.40%，为高硫煤，全区易采的3煤、5煤、7煤为低硫煤。

各种硫：各可采煤层原煤干燥基各种硫中以有机硫（Sp，d）为主，硫铁矿硫（So，d）次之，硫酸盐硫（Ss，d）则极少。以有机硫为主，即以黄铁矿（FeS2）形式存在。

发热量：各煤层发热量（Qgr.d）指数较高，为28.30MJ/ Kg—34.32MJ/Kg，属于高—特高发热量煤。

粘结性：本区可采煤层均为强粘结煤。

灰成分及灰熔融性：可采煤层的灰成分主要由酸性矿物组成。其中以SiO2和Al2O3为主，两者总和在54.12～90.01%之间。1、5、10煤原煤软化温度>1500℃，为高软化温度灰；3、6、9煤原煤软化温度分别为1360℃、1480℃、1400℃，为较高软化温度灰；5上煤原煤软化温度为1310℃，为中等软化温度灰；7、8煤原煤软化温度分别为1250℃、1150℃，为较低软化温度灰。

4.煤层气评述

研究区没有设专门的煤层气参数井，在钻孔施工时采用集气式简易瓦斯罐做了瓦斯样采集，并送实验室分析化验，煤样瓦斯成分以CH4为主，其次为N2、CO2。其中CH4最高含量为11.24m3/t。各煤层瓦斯含量无明显变化规律，按其成分及含量可分为沼气带、氮气—沼气带，通过瓦斯测量计算，并结合研究区储量，采用体积法对区内煤层气（甲烷）进行评价，从一定程度上反映了瓦斯丰度及煤层气地质储量。

区内全区可采的5上煤层的煤层气（甲烷）储量丰度平均值为0.31m3/km2×108m3/km2，含量较高的区域位于研究区中部，5煤层的煤层气（甲烷）储量丰度平均值0.74m3/km2×108m3/km2，含量较高的区域位于研究区中部及南西部；10煤层的煤层气（甲烷）储量丰度平均值为1.10m3/km2×108m3/km2，丰度较高的区域位于研究区的中部；三层可采煤层的煤层气丰度在区域分布上相差悬殊，这与瓦斯分布的不均衡性一致。煤层气（甲烷）储量丰度平均值见表3。

可采煤层的煤层气地质储量为222.38m3×108m3，从储量规模来讲，属中型煤层气田；地质储量丰度平均值为0.72m3/km2×108m3/km2，按储量丰度分类，属低丰度气田；煤层埋深1261m～1425m。综合评价研究区为埋深深等、低丰度值的中型煤层气田。煤层气开发前景较好。

5.结论

研究区内可采煤层层位稳定，厚度变化不大，结构简单，产状平缓，埋深1261m～1425m之间，地质构造简单。

5上煤层属稳定可采煤层，平均厚度为2.75m，结构简单，可采系数为1，为特低灰、中高挥发份，中硫，特高发热量肥煤；5煤层属稳定可采煤层，平均厚度为6.50m，结构简单，可采系数为1，为低中灰、中高挥发份，特低硫，中高发热量肥煤；10煤层属稳定可采煤层，平均厚度为8.80m，结构简单，局部含数层夹矸，可采系数为1，为低中灰、中高挥发份，低硫，高发热量肥煤；区内可采煤层主要可作动力用煤。研究区为埋深深等、低丰度值的中型煤层气田，煤层气开发前景较好。

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