第３９卷第４期 ２０１１年８月 煤田地质与勘探 Ｃ０ＡＬＧＥ０１０ＧＹ＆ＥＸＰ１ ０Ｒ １１０Ｎ ＶｂＩ＿３９ＮＯ．４ Ａｕｇ．２０１１ 文章编号：１００１．１９８６（２０１１）０４．００１３．０３ ‘ 豫西新安煤田煤层厚度变化规律及其控制因素 高荣斌 ，一，贺志强 ，来争武 ，吕保民 ，张俊伟 ，刘世忠 ，王恩营 （１．义煤集团股份有限公司，河南新安４７１８４２；２．中国矿业大学，江苏徐州２２１１１６； ３．河南理工大学资源环境学院，河南焦作４５４０００） 摘要：豫西新安煤田煤层厚度及其变化对煤与瓦斯突出具有控制作用。采用统计、沉积环境和构 造分析相结合的方法，研究了煤田内煤层厚度变化规律及成因。研究表明：新安煤田煤层厚度大（平 均３．８７ ｍ），且煤厚变化大，煤层变异系数０．８７，可采指数０．８５，两个相邻的最薄与最厚煤厚点间 的距离为２５～ｌ８５ ｒｌｌ。煤层平均厚度主要受成煤初期基底不平和成煤期后古河流冲蚀作用控制；煤 厚变化主要受顺层剪切滑动构造作用控制。根据煤厚变化规律和成因，可对局部煤厚变化进行预测。 关键词：新安煤田；煤层厚度；变化规律；成因 文献标识码：Ａ ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１．１９８６．２０１１．０４．００４ 中图分类号：Ｐ６１８．１１ Ｖａｒｉａｔｉｏｎ ｏｆ ｃｏａｌ ｓｅａｍ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｆａｃｔｏｒｓ ｉｎ Ｘｉｎ’ａｎ ｃｏａｌ ｆｉｅｌｄ ｉｎ ｗｅｓｔｅｒｎ Ｈｅｎａｎ ＧＡＯ Ｒｏｎｇｂｉｎ ，ＨＥ Ｚｈｉｑｉａｎｇ ，ＬＡＩ Ｚｈｅｎｇｗｕ ，ＬＵ Ｂａｏｍｉｎ ，ＺＨＡＮＧ Ｊｕｎｗｅｉ ， ＬＩＵ Ｓｈｉｚｈｏｎｇ ，ＷＡＮＧ Ｅｎｙｉｎｇ （１．Ｘｉｎ＂ａｎ ＭｉｎｅｏｆＨｍａ Ｃｏａｌ Ｇｒｏｕｐ Ｃｏ．Ｌｔｄ．，Ｘｉｎ＇ａｎ ４７１８４２，Ｃｈｉｎａ；２．Ｃｈｉｎａ ＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＭｉｎｉｎｇ ａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｘｕｚｈｏｕ ２２１１１６，Ｃｈｉｎａ；３．ＳｃｈｏｏｌｏｆＲｅｓｏｕｒｃｅｓａｎｄＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， ＨｅｎａｎＰｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｙｔ，ｄｉａｏｚｕｏ４５４０００，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｖａｒｉａｔｉｏｎ ｏｆ ｃｏａｌ ｓｅａｍ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｏｆ Ｘｉｎ’ａｎ ｃｏａｌｆｉｅｌｄ ｉｎ ｗｅｓｔｅｒｎ Ｈｅｎａｎ ｈａｓ ｅｆｆｅｃｔ ｏｎ ｃｏａｌ ａｎｄ ｇａｓ ｏｕｔｂｕｒｓｔ． Ｉｎ ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ ｗｉｔｈ ｓｔａｔｉｓｔｉｃａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ，ｓｅｄｉｍｅｎｔａｒｙ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ，ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｓｔｕｄｉｅｄ ｔｈｅ ｒｅｇｕｌａｒｉｔｉｅｓ ａｎｄ ｃａｕｓｅｓ ｏｆ ｖａｒｉａｔｉｏｎ ｏｆ ｃｏａｌ ｓｅａｍ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｏｆ ｃｏａｌ ｓｅａｍ ｉｓ ｍａｉｎｌｙ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｉｎｉｔｉａｌ ｓｕｂｓｔｒａｔｅ ａｎｄ ｔｈｅ ａｎｃｉｅｎｔ ｒｉｖｅｒ ｅｒｏｓｉｏｎ ｉｎ ｃｏａｌ－ｆｏｒｍｉｎｇ ｐｅｒｉｏｄ ａｓ ｗｅｌｌ ａｓ ｇｌｉｄｉｎｇ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｒｅｇｕｌａｒｉｔｉｅｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｃａｕｓｅｓ ｏｆ ｃｏａｌ ｓｅａｍ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｖａｒｉａｔｉｏｎ，ｉｔ ｉｓ ｐｏｓｓｉｂｌｅ ｔｏ ｐｒｅｄｉｃｔ ｃｏａｌ ｓｅａｍ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｖａｒｉａｔｉｏｎ ｌｏｃａｌｌｙ，ｃｏａｌ ｓｅａｍ，ｂｕｔ ｄｉｉｃｕｌｔｆ ｔｏ ｐｒｅｄｉｃｔ ｃｏａｌ ｓｅａｍ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｖａｒｉａｔｉｏｎ ｒｅｇｉｏｎａｌｌｙ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｘｉｎ＇ａｎ ｃｏａｌ ｆｉｅｌｄ；ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｏｆｃｏａｌ ｓｅａｍ；ｖａｒｉａｔｉｏｎ ｒｅｇｕｌａｒｉｔｉｅｓ；ｃａｕｓｅ 新安煤田位于华北板块南缘豫西构造区。煤田主 采煤层为二叠系山西组二 煤。总体看来，二 煤厚度 出的防治奠定基础。 及其变化幅度均较大，且全层为构造煤，这对矿井煤 与瓦斯突出具有一定影响。因此，掌握煤厚变化规律 １煤层厚度变化规律 通过对新安煤田２７７个钻孑Ｌ和５７个回采工作面实 及其控制因素，对防止煤与瓦斯突出具有重要意义。 以往研究表明，煤层厚度的区域变化主要受沉积 际资料统计，煤层厚度及其变化情况表现出一定规律。 １．１煤层厚度大 新安煤田煤层极值厚度为Ｏ～ｌ８．８８１ＴＩ，平均 ３．８７ ｍ，主要煤厚区间分布在１．３～８．０ ｒｎ；煤田西部 厚度较大，平均厚４．１５～４．８１ １ＴＩ，东部厚度较小，平 均２．０８ ｍ（图１）。 环境控制，构造主要引起煤层厚度的局部变化［１ 】。目 前研究存在的主要问题是：ａ．煤厚变化的沉积环境 分析研究的较多，构造控制的研究相对较少；ｂ．沉 积环境分析和传统意义上的构造分析不能合理地解 释煤田内煤厚的变化情况。本文采用统计、沉积环 １．２煤厚变化大 境和构造综合分析的方法，研究新安煤田煤厚变化 规律及其控制因素，从而为煤矿生产和煤与瓦斯突 收稿日期：２０１０．０８ １７ ａ．煤层整体上似鸡窝状，厚薄相问，分布规律不 明显（图２），煤层变异系数（ ０．８７，可采指数（ ）０．８５。 基金项目：中国煤炭协会科学技术研究指导性计划项Ｈ（ＭＴＫＪ２００９—２９５、ＭＴＫＪ２００９．２９６）；河南省教育厅自然科学研究计 划项目（２００９Ｂ６２００２） 作者简介：高荣斌（１９６４－－），男，河南偃师人，高级工程师，从事煤矿地质研究和煤矿安全生产管理工作． ・１４・ 煤田地质与勘探 第３９卷 图１ 新安井田煤层厚度等值线图 Ｆｉｇ．１ Ｉｓｏｌｉｎｅ ｏｆ ｃｏａｌ ｓｅａｍ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｉｎ Ｘｉｎ ａｎ ｃｏａｌ ｆｉｅｌｄ ＼ 丑 ∞ 如 加 ｌ ０ ０ ５ ２．０ ２．５ ８．５ ９０ ．Ｏ ５ １００ ２．０ ４．０ １０ ５ ｌ４１５１下 Ｙ１ 。＿＿＿＿－—■－－—．．．————．－＿－＿－＿＿－－－＿＿＿－－＿．－－■ 图２新安矿１４１５１工作面上下顺槽煤厚变化实测剖面图 Ｆｉｇ・２ Ｍｅａｓｕｒｅｄ ｓｅｃｔｉｏｎ ｏｆｃｏａｌ ｓｅａｍ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｖａｒｉａｔｉｏｎ ｉｎ １４１５１ ｗｏｒｋｉｎｇ ｆａｃｅ ｉｎ Ｘｉｎ・ａｎ ｃｏａｌ ｍｉｎｅ 注：图中横向数据为煤层厚度，ｍ；纵向数据为煤层标高，ｍ。 ｂ．两个相邻的最薄与最厚煤厚点间的距离为 ２５－１８５ ｍ，分布区间随距离增大呈递减趋势（图３ 。 ｃ．单位距离内煤厚变化幅度一般在０．５ ｍ／ｄａｍ 以下，占７５％，少数在０．５～１．０ ｍ／ｄａｍ之间，占２０％， 超过１ ｍ／ｄａｍ的煤厚突变情况较少，占５％（图４ 。 煤厚变化的特点表明，即便是勘探中２５０ ｍｘ ２５０ ｍ的最密网度和生产中采掘工作面上下顺槽 １３０￣１５０ ｍ的间距，对煤厚变化也难以控制。 ０ ３Ｏ ０．２ ＿＿ 一 。 上 １１ ０．４ ０．６ ０８ ．１．０ １ ２ １．４ １６ ．煤厚变化幅度／ｍ・ｄａｍ 图４单位距离内煤厚变化分布直方图 Ｆｉｇ．４ Ｈｉｓｔｏｇｒａｍ ｏｆ ｃｏａｌ ｓｅａｍ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｖａｒｉａｔｉｏｎ ｉｎ ｕｎｉｔ ｒａｎｇｅ Ｏ ２５ ＼ｑ ０ ２０ ０．１５ ２层滑构造对煤厚变化的控制 控制煤厚变化的因素不外乎沉积环境和地质构造 丑 Ｏ１Ｏ Ｏ．Ｏ５ Ｏ 两个方面。根据研究，煤田内煤厚变化的控制特点是： 至 事 ８ 罾 琴 誉 ａ．区域煤厚变化主要决定于成煤期初始古地理 ０ ０ 警 亳ｔｏ 波长／ｍ ２ ７ 条件和成煤期后古河流后生冲蚀，其他环境要素的影 响居次要地位。反映在煤岩结构中，当煤层顶底板有 一吕 图３新安矿已采区煤厚变化波长直方图 Ｆｉｇ．３ Ｈｉｓｔｏｇｒａｍ ｏｆ ｃｏａｌ ｓｅａｍ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｖａｒｉａｔｉｏｎ ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ｉｎ ｍｉｎｅｄ ｄｉｓｔｒｉｃｔ ｏｆ Ｘｉｎ ａｌｌ ｃｏａｌ ｍｉｎｅ 面为砂岩或都是砂岩时，说明初始成煤条件差，或 有古河流后生冲蚀，煤厚明显减薄，平均厚度约３．５ ｍ： 当煤层顶底板都是泥岩时，说明成煤条件好，成煤期 簟 第４期 高荣斌等：豫西萱安煤田煤层厚度变化规律及其控制因素 ・１５・ 后保存条件也好，因此，煤厚最大，平均４．５ ｍＯ 砂岩时，底板平整，顶板凸起煤厚增大，顶板凹下 ｂ．局部煤厚变化主要是由煤层顶底板顺层剪 煤厚减薄；当煤层顶板为砂岩底板为泥岩时，顶板 切滑动造成的，断层、褶皱对煤厚变化的控制居 平整，底板凸起煤厚减小，底板凹下煤厚增大。 要地位。煤层及其顶底板软岩在顺层剪切应力作用 图５中显示的４种组合模式在煤田中分别占 下，形成层间小褶皱，煤层在褶皱过程中主要通过 ９％、４２％、３２％和１７％，也就是说，顶底板都是泥 厚度变化被动地调整褶皱变形。当顶底板岩性厚度 岩、或顶板为砂岩、底板为泥岩是最常见的，这与 相似时，煤厚变化不大；当煤层顶板为泥岩底板为 生产中常见顶板平整、底板起伏的规律是对应的。 大 与砂岩 二ｌ煤 老君堂砂岩 Ｌ 灰岩 Ｌ 灰岩 Ｌ，灰岩 Ｌ 灰岩 图５新安煤田煤厚变化示意图 Ｆｉｇ．５ Ｓｋｅｔｃｈ ｏｆ ｃｏａｌ ｓｅａｍ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｖａｒｉａｔｉｏｎ ｉｎ Ｘｉｎ ａｎ ｃｏａｌ ｆｉｅｌｄ 的缺点是不能确定煤厚变化的拐点位置，但其他煤厚 ３新安煤田煤厚变化预测 点预测却准确可靠，按照平均煤厚变化距离１００ ｍ计 从煤厚变化规律及成因分析可以看出，煤厚变 算，点预测准确率可达８０％以上，可以满足生产需要。 化往往不是单一因素造成的，但顺层剪切构造作用 研究中，对新安矿１４１５Ｉ工作面上下顺槽煤厚 是主要的。在实践中，尽管区域煤厚变化可通过沉 变化进行了模拟预测，预测点每１０ｍ布置１个，预 积环境分析进行预测，如基于数学期望的煤厚预测 测依据为前１０ｍ的已知煤厚变化率，由已知１０ｍ段 方法［６】，但煤矿生产过程中更关注的是煤厚的局部 开始向前预测，当煤厚出现相反变化时，判断有煤厚 变化。 拐点存在，确定拐点的位置，至此，一个预测循环结 研究表明，煤厚的局部变化主要受顺层剪切应 束，该拐点成为下一个循环的起点，依次类推。实际 力、煤岩层岩性、结构和厚度控制。其中，顺层剪 预测煤厚点１３０个，与揭露煤厚相比，其中，预测可 切应力是已知条件，煤岩层岩性、结构可根据勘探 靠点１０７个，不可靠点２３个，预测准确率８２＿３％。根 钻孔资料研究获得，但煤田内褶皱岩层的厚度变化 据分析，不可靠预测点７０％以上是正常煤厚变化拐点 很大，即使２５０ ｍｘ２５０ ｍ的勘探网度也不能控制， 引起的，其他属于煤层形成过程中的同生冲蚀或煤层 其变化类似于煤厚。因此，从成因上预测煤厚是行 形成后的后生冲刷等局部原因造成的；另外，预测的 不通的，煤厚的局部变化可通过统计预测的方法实 可靠性还决定于预测的点距，点距越大，预测越不可 现，这对于煤田内煤厚变化剧烈这种情况可能更直 靠，沉积、构造等各种原因引起的煤厚变化越大，预 接、更可靠。 测的准确率也越低。因此，为了能够达到满足生产的 目前，新安煤田煤矿生产中，煤巷掘进是沿煤 预测准确率，根据煤厚变化程度，选择合理的预测点 层顶板进行的，工作面回采工艺是放顶煤开采，煤 距，这是煤厚变化预测的关键。 厚探测密度一般是１０ ｍｘ１０ ｍ。因此，可依据煤厚 总之，煤田内煤厚变化剧烈，不能实现区域预 单位距离内实际变化幅度来预测采掘前方的煤厚变 测，只能开展局部预测。 化，绘制煤厚变化曲线图。用该方法预测煤厚变化 （下转第１９页） 第４期 徐兵祥等：考虑压裂裂缝的煤层气藏井网井距确定方法 ・１９・ 形对角线长度大致为图５中井距的２倍，范围选择 ３００－７００ ｒｎ，不同的组合为７００ ｍ￣７００ ｎｌ、７００ ｍｘ ６００ｍ、７００ｍ￣５００ｍ、７００ｍｘ４００ｍ、７００ｍ×３００ｍ。 影响显著，尤其在低渗透煤层。裂缝改变了煤层气 藏渗流特征，进而影响煤层气井产量及采出程度。 ｂ．研究表明，煤层含气饱和度为７０％、裂隙渗 透率为１．５ ｍＤ时，当裂缝穿透比超过０．６时，裂缝 穿透比每增加０．１，采出程度增加值低于０．５％；当 裂缝导流能力超过０．２ Ｄ・ｍ时，导流能力每增加 ０．１ Ｄ・ｍ，采出程度增加值低于５％。 评价指标采用１５ ａ采出程度、采出程度增加值 （随井距缩小，采出程度增加的值）、单位面积生产 成本（按每ｔＳｌ井生产成本２００万元计算），模拟结果 见表１。由表１可以看出：矩形井网３５０ ｍ×３００ ｍ 时，采出程度为５２．１５％，而采出程度增加值（６．９４％） 较高，相对而言，其单位面积生产成本较低（１９元）， 矩形井网时该井距较合适；菱形井网７００ｍ×４００ＩＴＩ ｃ．矩形井网与菱形井网体现了裂缝方向井距 与垂直裂缝方向井距的优化特征，属于推荐井网。 以韩城矿区储层参数为例，模拟结果显示，在给定 优化指标下，宜选择矩形井网３５０ ｍ×３００ ｎｌ，或菱 形井网７００ｍ×４００ｍ。 参考文献 ［１】张遂安．选区煤层气开发利用规划编制方法探讨【Ｊ】．中国煤 层气，１９９６（１）：１６－２０． 【２】张俊虎，刘君．煤层气井网布置优化设计的探讨【Ｊ】．科技情 报开发与经济，２００８，１８（１０）：２１０－２１１． 【３】ＺＵＢＥＲ Ｍ Ｄ，ＫＵＵＳＫＲＡＡ Ｖ Ａ，ＳＡＷＹＥＲ Ｗ Ｋ．Ｏｐｔｉｍｉｚｉｎｇ ｗｅｌｌ ｓｐａｃｉｎｇ ａｎｄ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ・－ｆｒａｃｔｕｒｅ ｄｅｓｉｇｎ ｆｏｒ ｅｃｏｎｏｍｉｃ ｒｅｃｏｖ－－ 时，采出程度为５１．０３％，采出程度增加值（８．８２％） 较高，相对该井网而言，其单位面积生产成本较低 （１４．３元），菱形井网时该井距较合适。但菱形井网 初期产气量较矩形井网要低，菱形井网与矩形井网 的优化需要进一步进行经济分析。 表１ 不同井网指标对比 Ｔａｂｌｅ １ Ｔｈｅ ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ｉｎｄｅｘ ｉｎ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｗｅｌｌ ｐａｔｔｅｒｎ ａｎｄ ｓｐａｃｉｎｇ ｅｒｙ ｏｆｃｏａｌｂｅｄ ｍｅｔｈａｎｅ［Ｊ］．ＳＰＥ１７７２６，１９９０：９８—１０２． 【４］ＥＬＹ Ｊ Ｗ ＺＢＮＯＷＳＫＹ Ｒ Ｌ，ＺＵＢＥＲ Ｍ Ｄ．Ｈｏｗ ｔｏ ｄｅｖｅｌｏｐ ａ ｃｏａｌｂｅｄ ｍｅｔｈａｎｅ ｐｒｏｓｐｅｃｔ：ａ ｃａｓｅ ｓｔｕｄｙ ｏｆ ａｎ ｅｘｐｌｏｒａｔｏｒｙ ｉｆｖｅ—ｓｐｏｔ ｗｅｌｌ ｐａｔｔｅｍ ｉｎ ｔｈｅ Ｗａｒｒｉｏｒ ｂａｓｉｎ，Ａｌａｂａｍａ［Ｊ］．ＳＰＥ ２０６６６，１９９０：４８７－４９６． 【５】杨秀春，叶建平．煤层气开发井网部署与优化方法【Ｊ］．中国煤 层气，２００８，５（１）：１３—１７． ［６］陈彩红，刘洪林，王宪花．煤层气田数值模拟技术及应用【Ｊ】． 天然气工业，２００４，２４（５）：９７－９９． 【７］李明宅．沁水盆地枣园井网区煤层气采出程度【Ｊ】．石油学报， ２００５，２６（１）：９１－９５． ［８】高鑫华，岳晓燕，吴东平．煤层气开采策略若干问题的探讨【Ｊ］． 天然气勘探与开发，１９９８，２１（１）：６＿－ｌ２． ［９］张亚蒲，杨正明，李安启．煤层气藏直井压裂开发数值模拟研 ５结论 ａ．对于压裂直井而言，裂缝参数对煤层气井距 究【Ｊ】．石油天然气学报，２００６，２８（３）：３５２－３５４． ［１０】张培河，张群，王晓梅，等．煤层气开发井网优化设计一以新 集矿区为例［Ｊ］．煤田地质与勘探，２００６，３４（３）：３１＿３５． （上接第１５页） ４结论 参考文献 …１杨荣丰，刘新华，曹运江．影响红卫矿区煤与瓦斯突出的地质 因素浅析［Ｊ】．煤炭科学技术，２００６，３４（１ １）：７２ ４． 【２】琚宜文，王桂梁，胡超．海孜煤矿构造变形及其对煤厚变化的 控制作用［Ｊ］．中国矿业大学学报，２００２，３１（４）：３７４－３７９． ［３】严家平，姚多喜，李义良，等．层间滑动构造引起煤层厚度变 化特征的研究［Ｊ］．煤炭科学技术，１９９７，２５（８）：４１．４３． ａ．新安煤田煤层厚度大，且煤厚变化大。煤田内 平均煤厚３．８７ １ＴＩ，煤层变异系数（ ０．８７，可采指数 ）０．８５；单位距离内煤厚变化幅度一般≤０．５ ｍ／ｄａｍ， 两个相邻的最薄与最厚煤厚点间的距离为２５￣１ ８５ ｉｎ。 ｂ．煤层平均厚度主要受成煤初期基底不平和 成煤期后古河流冲蚀作用控制；煤厚变化主要受顺 层剪切滑动构造作用控制。 ｃ．区域煤厚变化，根据煤厚变化规律和成因， 难以预测，但局部煤厚变化可以采用单位距离内的 煤厚变化幅度进行预测。 ［４】曹代勇，刘钦甫，彭苏萍，等．超化井田煤厚变化的构造控制 因素研究［Ｊ】．中国矿业大学学报，１９９８，２７（４）：３９３－３９７， ［５】薛庆远．徐州丸里山矿区山西组沉积特征和煤厚变化规律【Ｊ】 ．中国矿业大学学报，１９９２，２１（２）：５９－６９． 【６］许进鹏，宋扬，邹银辉．构造引起煤厚变化的数理特征及其评 价预测方法【Ｊ】．矿业安全与环保，２００５，３２（１）：６＿＿７，１Ｏ．
