夏 鵬，曾凡桂，宋曉夏，孫蓓蕾，孟艷軍，閆濤滔

(1.貴州大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院,貴州 貴陽 550025; 2.貴州大學(xué) 地質(zhì)資源與環(huán)境教育部重點實驗室,貴州 貴陽 550025; 3.太原理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院,山西 太原 030024)

山西古交礦區(qū)是我國主要的煉焦煤生產(chǎn)基地，也是煤層氣重點開發(fā)區(qū)塊之一，區(qū)內(nèi)上石炭統(tǒng)太原組8號煤層、下二疊統(tǒng)山西組2號煤層是煤層氣開發(fā)主要目的層。礦區(qū)煤層氣資源量820×108m3[1]，煤層具有埋藏淺、滲透率高、含氣性好、資源量大等優(yōu)點[2-3]。自2010年投入煤層氣開發(fā)以來，區(qū)內(nèi)累計完鉆煤層氣開發(fā)井700余口，大部分已投產(chǎn)，開發(fā)前景較好，然而，也存在井間產(chǎn)能差異大、平均單井產(chǎn)氣量低等突出問題。研究區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，煤層氣地質(zhì)研究起步較晚、研究程度還較低，近年來學(xué)者們針對區(qū)內(nèi)煤層氣地質(zhì)條件[4-6]、富集規(guī)律[7-9]、產(chǎn)能主控因素[10-11]等方面開展了富有成效的研究，但對區(qū)內(nèi)煤層氣地球化學(xué)特征及成因的研究還較薄弱。煤層氣地球化學(xué)特征及成因研究是評價煤層氣保存條件、優(yōu)選有利開發(fā)區(qū)塊的有效手段之一[12]，加強這方面研究有助于提高對區(qū)內(nèi)煤層氣組分來源及保存條件的認(rèn)識，進(jìn)而為煤層氣開發(fā)方案布置與調(diào)整提供理論參考。煤層氣成因主要包括有機(jī)成因、無機(jī)成因和混合成因，其中，以有機(jī)成因氣最為常見[13]。有機(jī)成因氣包括生物成因氣、熱成因氣和混合成因氣，生物成因氣包括原生生物成因氣、次生生物成因氣;熱成因氣包括熱降解氣、熱裂解氣[14]。汪崗等(2016)[15]分析了古交礦區(qū)內(nèi)10組排采氣組分、甲烷碳?xì)渫凰兀沂炯淄轶w積分?jǐn)?shù)在85.36%～99.23%，δ13C值在-62.24‰～-40.70‰，δD在-244.3‰～-229.3‰，以熱成因氣為主。徐占杰等(2016)[16]研究了礦區(qū)鄰近的寺家莊區(qū)塊11口煤層氣井產(chǎn)出氣的地球化學(xué)特征，甲烷平均含量98.6%，δ13C值在-40.8‰～-33.2‰，以有機(jī)質(zhì)熱裂解成因氣為主，還含有微生物二氧化碳還原成因甲烷。古交礦區(qū)及其鄰近區(qū)塊煤層氣地球化學(xué)特征研究少，分析樣品少，還有待深入研究;前人研究以排采氣為研究對象，氣體組分分析結(jié)果一定程度上受到排采過程的干擾;區(qū)內(nèi)煤層氣具有氮氣含量高、差異大等重要特征，目前尚無有關(guān)氮氣來源與煤層氣保存條件間關(guān)系的報道。古交礦區(qū)地下水較活躍，總體處于補給-徑流區(qū)[17]，水文地質(zhì)條件是控制區(qū)內(nèi)煤層氣散失、富集的主要因素之一[2,18]。前人研究重點關(guān)注礦區(qū)內(nèi)水文地質(zhì)條件對煤層氣富集的影響，其對煤層氣地球化學(xué)特征的影響尚待研究。

筆者以古交礦區(qū)井口排采氣為研究對象，通過對排采氣化學(xué)組分及同位素開展實驗測試分析，探討區(qū)內(nèi)煤層氣甲烷、氮氣成因;結(jié)合前人報道的區(qū)內(nèi)煤芯解吸氣組分特征、含氣性分布規(guī)律及水文地質(zhì)環(huán)境討論煤層氣保存條件及地球化學(xué)特征變化規(guī)律。

1 地質(zhì)背景

古交礦區(qū)位于沁水盆地西北部，區(qū)內(nèi)在前寒武變質(zhì)結(jié)晶巖基底之上，自下而上依次發(fā)育寒武系、下奧陶統(tǒng)、上石炭統(tǒng)、二疊系、三疊系、侏羅系、白堊系、古近系、新近系和第四系，其中，上石炭統(tǒng)太原組和下二疊統(tǒng)山西組為主要含煤地層。含煤地層沉積以來經(jīng)歷了印支期快速沉降、早燕山期波動、晚燕山期巖漿侵入和喜馬拉雅期快速抬升4個構(gòu)造演化階段:快速沉降階段，煤巖在深成變質(zhì)作用影響下發(fā)生變質(zhì)演化，是第1次生氣階段;波動階段，煤巖變質(zhì)程度變化不大;巖漿侵入階段，煤巖受熱變質(zhì)作用影響，是第2次生氣階段;抬升階段，煤層埋深、壓力不斷降低，是煤層氣逸散階段[4,19]。礦區(qū)內(nèi)太原組8號煤層、山西組2號煤層為煤層氣開發(fā)主要目的層，構(gòu)造形態(tài)為軸向近SN的復(fù)式向斜(圖1)。兩套煤層煤芯解吸氣組分均以CH4為主，其中，8號煤層CH4含量74.94%～99.34%，N2含量0.34%～23.43%，CO2含量0.23%～2.26%，重?zé)N含量0～4.28%;2號煤層CH4含量60.19%～98.77%，N2含量0.94%～36.46%，CO2含量0.22%～3.34%，重?zé)N含量0～3.19%[2]。

古交礦區(qū)地下水含水巖層按成因可劃分為3類含水巖組，即孔隙含水巖組、基巖裂隙含水巖組、巖溶含水巖組?？紫逗畮r組主要是松散巖類，含水巖層時代包括全新統(tǒng)，中、上更新統(tǒng)及上新統(tǒng)，具供水意義的孔隙潛水含水層主要是近代河谷沖積層，由砂、礫組成，局部夾粉砂及透鏡狀黏土層。巖溶含水巖組主要包括寒武系、奧陶系碳酸鹽巖，其中，中奧陶統(tǒng)峰峰組上段，上馬家溝組中段、上段及下馬家溝組中段、上段是主要含水層。含煤巖系主要屬于裂隙含水巖組，裂隙是地下水徑流的主要通道，地下水沿裂隙由高勢區(qū)向低勢區(qū)徑流，而大斷裂帶的存在可能會溝通下伏巖溶含水巖組及上覆孔隙含水巖組[2]。

2 樣品采集與實驗分析

在古交礦區(qū)10口煤層氣開發(fā)井(圖1)口采集排采氣樣10組，單個氣樣體積1 000 mL。10口煤層氣開發(fā)井投產(chǎn)時間均為2013年，排采時間接近。氣樣采集方法為排水集氣法，采樣用水為去離子飽和鹽水。

圖1 古交礦區(qū)8號煤層底板構(gòu)造圖及采樣點位置(底圖據(jù)文獻(xiàn)[2])Fig.1 Structural map of the No.8 coal seam in Gujiao area showing sampling position(Based on Reference[2])

將采集氣樣送往中國科學(xué)院貴陽地化所礦床地球化學(xué)國家重點實驗室開展氣體組分、甲烷碳同位素及氮氣同位素分析工作。氣體組分分析儀器為Agilent 6890氣相色譜儀，柱溫箱初始溫度30 ℃，穩(wěn)定10 min后以增溫速率10 ℃/min升溫至180 ℃，分析誤差在±1%以內(nèi)。甲烷碳同位素及氮氣同位素分析在MAT-253氣體同位素質(zhì)譜儀上完成，載氣為氦氣(純度>99.99%)，進(jìn)樣速率1.3 mL/min，進(jìn)樣口溫度200 ℃，反應(yīng)爐溫度940 ℃。

3 結(jié)果與討論

3.1 氣體組成特征

國內(nèi)外大量排采氣數(shù)據(jù)顯示:煤層氣的組分以甲烷為主，甲烷含量多大于97%，部分達(dá)99%以上;重?zé)N氣體的含量低，一般不足1%;非烴氣體含量通常小于2%，主要為氮氣和二氧化碳，其中以氮氣為主;含有微量的CO,H2S,He,Ar,Hg等[20-21]。古交礦區(qū)煤層排采氣組分以甲烷為主，含量83.79%～97.57%，平均91.33%，乙烷含量0～0.46%，平均0.09%，未檢測到2個碳原子以上的烴類(表1)。氣體干燥系數(shù)(C1/C1～5)為0.994 9～1，屬于極干煤層氣。熱成因煤層氣干燥系數(shù)與煤級關(guān)系密切，低、高煤級階段生成大量干氣，中煤級階段生成大量濕氣[12,22]。古交礦區(qū)自西北向東南煤級逐漸增加，依次包括肥煤、焦煤、瘦煤和貧煤，整體以中煤級煤為主[23]。影響煤層氣干燥系數(shù)的因素除煤級外，主要還有次生生物氣混入和解吸-擴(kuò)散-運移效應(yīng)[24]。礦區(qū)內(nèi)2號、8號煤層主體埋深均大于300 m，產(chǎn)甲烷菌等微生物很難對其產(chǎn)生影響，因此，煤層氣干燥系數(shù)異常高的原因應(yīng)是解吸-擴(kuò)散-運移效應(yīng)。

排采氣非烴組分中氮氣含量較高，且變化大，為0.86%～14.13%，平均6.10%;二氧化碳含量相對較低，且變化范圍小，為1.47%～4.71%，平均2.48%(表1)。煤芯解吸氣體(已扣除空氣組分)氮氣含量2號煤層為0.94%～36.46%，平均8.95%，8號煤層為0.34%～23.43%，平均6.63%;二氧化碳含量2號煤層為0.22%～3.34%，平均1.03%，8號煤層為0.23%～2.26%，平均1.06%(圖2)[2]。相比排采氣，煤芯解吸氣中氮氣含量較高、二氧化碳含量較低，同時，文獻(xiàn)[2]中報道的解吸氣來自現(xiàn)場解吸，氣體組分為扣除空氣后解吸氣組分，可以排除空氣污染對解吸氣組分的影響。因此，排采氣具有比煤芯解吸氣更高的氮氣和更低的CO2，原因可能是在煤層氣排采過程中氮要比CO2更易于解吸、產(chǎn)出。

表1 古交礦區(qū)煤層氣地球化學(xué)特征
Table 1 Geochemical characteristics of coalbed methane in Gujiao area

井號煤層δ13C1/‰(VPDB)δ15N/‰(VAIR)氣體組分/%甲烷乙烷氮氣二氧化碳E1568號-45.7295.1601.743.10W0322號+8號-44.61-1.1695.1502.712.14W1182號+8號-43.6497.570.100.861.47W1382號-42.22-0.5193.860.113.622.41W1612號+8號-45.30-0.7484.81012.772.42W2152號+8號-42.62-0.7783.790.1614.131.92C0172號+8號-46.3290.410.466.822.31C0462號+8號-47.1396.5501.821.63C0642號-39.26-0.8283.860.0711.364.71C1128號-43.4792.1205.162.72

圖2 古交礦區(qū)煤芯解吸氣化學(xué)組成[2]Fig.2 Molecular composition of desorbed gas in coal core in Gujiao area[2]

3.2 甲烷成因

根據(jù)煤層氣組分及同位素等地球化學(xué)參數(shù)，可將其劃分為生物成因氣、熱成因氣和混合成因氣3類，其中，生物成因氣包括原生生物氣和次生生物氣;熱成因氣按有機(jī)質(zhì)演化階段可分為熱降解氣和熱裂解氣[14]。熱成因甲烷與生物成因甲烷可以根據(jù)碳同位素組成特征進(jìn)行判別。微生物作用下生成的甲烷δ13C值偏負(fù)，一般小于-55‰，其中二氧化碳還原作用成因甲烷δ13C值為-110‰～-60‰，乙酸鹽發(fā)酵成因甲烷δ13C值為-65‰～-55‰[25-26]。熱成因甲烷δ13C值一般大于-55‰，且隨著熱變質(zhì)演化程度升高而逐漸增大[12]。

中國煤層氣甲烷碳同位素分布范圍較寬，在-72.3‰～-24.9‰，具有雙峰分布特征;重碳同位素的主要分布區(qū)間為-38.0‰～-28.0‰，以沁水盆地南部、湖南資江煤田為代表(圖3);輕碳同位素主要分布于-64‰～-48‰，主要包括唐山、鶴壁、阜新等煤田[20,24]。

筆者對古交礦區(qū)10組排采氣樣甲烷δ13C值的檢測結(jié)果為-47.13‰～-39.26‰，這個范圍的甲烷碳同位素在我國比較少見。盡管汪崗等(2016)[15]的實驗測得排采氣甲烷δ13C值為-62.24‰～-40.35‰，但除一個樣品為-62.24‰外，其余樣品均分布在-46.45‰～-40.35‰，與本文甲烷δ13C值測試結(jié)果具有相同的分布區(qū)間，說明礦區(qū)內(nèi)煤層氣甲烷δ13C值主體應(yīng)介于-47.13‰～-39.26‰(圖3)。礦區(qū)內(nèi)煤層氣δ13C1-C1/(C2+C3)數(shù)據(jù)點落在擴(kuò)散-運移-分餾作用下的次生熱成因區(qū)，說明煤層氣地球化學(xué)特征是經(jīng)過改造的。通過最大鏡質(zhì)體反射率(Ro,max)與氣體濕度[12]、甲烷碳同位素值[28]的關(guān)系可以得到未經(jīng)分餾的碳同位素值及氣體干燥系數(shù)。研究區(qū)2號、8號煤巖樣品各2組，Ro,max為1.43%～2.00%，計算得到δ13C1介于-31.32‰～-28.05‰，干燥系數(shù)介于0.968 7～0.992 0;對應(yīng)煤巖中煤層氣實測δ13C1為-45.72‰～-39.26‰，干燥系數(shù)為0.998 8～1。古交礦區(qū)含煤地層地下水較活躍[2]，根據(jù)解吸-擴(kuò)散-運移理論，由于重碳同位素在水中溶解性強于輕碳同位素、重?zé)N氣體溶解性強于甲烷，水流更易將重碳同位素及重?zé)N氣體溶解、帶走，導(dǎo)致保存在煤層中的氣體不斷變輕、變干。

圖3 C1/(C2+C3)與δ13C1圖版鑒別煤層氣成因Fig.3 The relationship of C1/(C2+C3) and δ13C1(唐山、鶴壁、資江煤田數(shù)據(jù)來自文獻(xiàn)[24];鄭莊—胡底區(qū)塊數(shù)據(jù)來自文獻(xiàn)[27])

3.3 氮氣成因

氮氣含量高、變化大是古交礦區(qū)煤層氣的典型地球化學(xué)特征之一。煤層氣中氮氣主要有4種來源，即有機(jī)成因、大氣來源、深部來源及含氮礦物高溫?zé)峤鈁29]。因為有機(jī)質(zhì)固有的低N/C原子比，有機(jī)成因氮氣含量通常在5%以下[30]。異常高的氮氣含量可能是大氣或幔源氣體混入及含氮礦物高溫?zé)峤獾慕Y(jié)果。幔源氣體往往含有大量的二氧化碳和稀有氣體[31];含氮礦物高溫?zé)峤庑枰? 000 ℃以上的高溫條件下才能完成[32-33]。然而，研究區(qū)煤層氣中實測二氧化碳含量較低且未檢測到氦氣、氖氣等稀有氣體;最大古地溫出現(xiàn)在晚燕山期，受巖漿侵入作用影響，含煤層系最大古地溫為240 ℃[4,19]，遠(yuǎn)未達(dá)到含氮礦物高溫?zé)峤馑璧臏囟葪l件。因此，研究區(qū)煤層氣中異常高的氮氣含量應(yīng)該是大氣混入的結(jié)果。

本文測得古交礦區(qū)5組煤層氣樣品中氮氣δ15N值分別為-1.16‰，-0.82‰，-0.77‰，-0.74‰和-0.51‰，對應(yīng)甲烷δ13C值分別為-44.61‰，-39.26‰，-42.62‰，-45.30‰和-42.22‰。氮、碳同位素特征顯示煤層氣中氮氣應(yīng)來自大氣或熱降解氣，或為2者的混合氣(圖4)。研究區(qū)主力煤層均屬于腐殖型煤[2]。腐殖型有機(jī)質(zhì)中具有含氮官能團(tuán)，盡管N/C比值很低，但在其熱降解過程中必然會生成氮氣，只是生成的氮氣量較少，不可能達(dá)到本文實驗測得的氮氣含量(表1)。因此，氮氣應(yīng)為大氣與有機(jī)質(zhì)熱降解的混合成因。與礦區(qū)鄰近的陽泉地區(qū)，煤層氣中氮氣同樣來自于大氣與有機(jī)質(zhì)熱解作用，其中有機(jī)質(zhì)熱解成因氮氣含量為0.09%～1.57%，平均0.41%;大氣來源氮氣含量為0.52%～2.40%，平均1.05%[27]。陽泉地區(qū)大氣來源氮氣是有機(jī)成因氮氣的1.53～12.40倍，平均4.86倍，原因是地表水下滲將大氣帶入煤層中，同時，溶解分餾作用使氮氣同位素、甲烷碳同位素組成變輕。古交礦區(qū)是沁水盆地內(nèi)地下水較活躍的地區(qū)，區(qū)內(nèi)地表水系、大斷裂特別發(fā)育，大斷裂溝通了地表水系與地下含煤層系間的聯(lián)系[17]。因此，水文地質(zhì)條件必然對區(qū)內(nèi)煤層氣地球化學(xué)特征及煤層氣保存條件產(chǎn)生較大的影響。

圖4 δ13C1與δ15N關(guān)系圖鑒別氣體來源(底圖據(jù)文獻(xiàn)[34])Fig.4 Relationship of δ13C1 and δ15N(Based on Reference[34])

3.4 氮氣與含氣量分布

煤層氣主要以吸附態(tài)賦存于煤層中，還有少量游離態(tài)和溶解態(tài)，吸附氣、游離氣和溶解氣3者間保持動態(tài)平衡，地下水流動會破壞它們原有的平衡關(guān)系，吸附氣逐漸解吸轉(zhuǎn)化為游離氣、溶解氣，以維持新的平衡關(guān)系，造成含氣量逐漸降低[27,35-36]。向斜核部通常是地下水滯留區(qū)，水柱壓力產(chǎn)生的封堵作用是煤層氣保存的有利條件，因此，向斜核部多是煤層氣的主要富集部位[37-38]。古交礦區(qū)構(gòu)造上為軸向近SN的復(fù)式向斜(圖1)，夏鵬(2017)[2]、朱雅茹等(2018)[18]通過水文鉆孔、煤層氣鉆孔等資料，結(jié)合水化學(xué)分析、等折算水位計算等方法，討論了古交礦區(qū)內(nèi)含煤層系地下水流動特征，將礦區(qū)水文地質(zhì)控氣特征概括為單斜-水力封堵控氣作用。筆者在此基礎(chǔ)上，結(jié)合煤層氣地球化學(xué)特征，討論地下水流動對煤層氣組分及保存條件的影響。為排除排采作用對煤層氣組分的影響，選擇解吸氣組分特征與地下水流動性及礦化度[2]進(jìn)行對比，結(jié)果表明，古交礦區(qū)內(nèi)煤層氣氮氣含量隨地下水流動強度增加而升高，隨地下水礦化度的增加而降低(圖5)。礦區(qū)內(nèi)地下水補給以大氣降水和地表水為主，含煤地層在向斜兩翼南山、馬蘭等地出露地表，是地下水補給區(qū)，由補給區(qū)往向斜核部方向，依次分布徑流區(qū)(折算水位>1 100 m，礦化度<1 350 mg/L)、弱徑流區(qū)(折算水位700～1 100 m，礦化度1 350～2 100 mg/L)和滯留區(qū)(折算水位<700 m，礦化度>2 100 mg/L)[18]。地表水?dāng)y帶大氣沿含煤地層露頭下滲，經(jīng)徑流區(qū)到弱徑流區(qū)，水流速度逐漸減弱，至滯留區(qū)水流停滯，形成水力封堵。地表水下滲、流動過程中與煤層接觸并發(fā)生相互作用，破壞煤層中吸附氣、游離氣、溶解氣之間的平衡，使吸附氣不斷解吸、逸散。該過程的持續(xù)進(jìn)行導(dǎo)致煤層含氣量不斷降低，并且含氣量降低幅度隨水流速度的加快而增加。如圖6所示，向斜西翼受多期構(gòu)造變形影響，應(yīng)力釋放嚴(yán)重，煤層含氣性差，且受構(gòu)造形態(tài)疊加影響，地下水流動對含氣性的影響不甚明顯[2]。向斜東翼為平緩單斜，煤層含氣性整體好于西翼，其中，滯留區(qū)煤層含氣性好，含氣量多>13 m3/t，徑流區(qū)含氣量多<9 m3/t。

圖5 煤芯解吸氣氮氣含量與折算水位、礦化度間關(guān)系(數(shù)據(jù)參考文獻(xiàn)[2])Fig.5 Relationship of nitrogen content,reduced water level and salinity(Based on Reference[2])

圖6 古交礦區(qū)地表水下滲對煤層氣保存的作用模型(修改自文獻(xiàn)[2])Fig.6 Function model of hydraulic flush on coalbed methane preservation(Modified on Reference[2])

地表水下滲與煤層發(fā)生相互作用的過程，水流不僅會帶走煤層中的煤層氣，也會將大氣帶入煤層中與煤層氣發(fā)生置換，造成煤層氣中混入部分空氣?？諝庖缘獨?78.084%)和氧氣(20.946%)為主，其中氧氣不穩(wěn)定，在與地下流體和礦物接觸過程中容易與還原性物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)而被消耗，導(dǎo)致空氣隨地表水進(jìn)入地層后氮氣濃度不斷升高，與煤層氣置換過程中大量氮氣進(jìn)入煤層[34]。古交礦區(qū)煤芯解吸氣扣除空氣后仍然有較高的氮氣含量(圖2)，排采氣中氮氣含量也較高(表1)，并且氧氣含量很低甚至沒有，說明地表水將氮氣帶入了煤層內(nèi)，氮氣δ15N值(圖4)也反映了其大氣來源特征。如圖7所示，隨著氮氣含量升高，含氣量與甲烷含量降低，說明地表水下滲與大氣混入是造成區(qū)內(nèi)煤層氣富含氮氣、煤層氣逸散的主因。礦區(qū)內(nèi)大部分井為2號,8號煤層氣合采，W138,C064井單采2號煤層氣，E156,C112井單采8號煤層氣(表1)。W138,C064井2號煤層氣甲烷δ13C值分別為-42.22‰，-39.26‰，對應(yīng)含煤地層等折算水位分別為870,770 m，E156,C112井8號煤層氣甲烷δ13C值分別為-45.72‰，-43.47‰，對應(yīng)含煤地層等折算水位分別為1 100,830 m，說明重碳同位素在水中溶解性強于輕碳同位素，更易被水流溶解、帶走，導(dǎo)致保存在煤層中的氣體變輕。

圖7 煤芯解吸氣氮氣含量與甲烷含量、含氣量間關(guān)系(數(shù)據(jù)參考文獻(xiàn)[2])Fig.7 Relationship of nitrogen content,methane content and gas content(Based on Reference[2])

古交礦區(qū)中生代巖漿侵入活動頻繁，巖漿作用對煤層氣組成具有重要影響[4]。古交礦區(qū)受到狐偃山侵入巖體和祁縣侵入巖體的影響，兩次巖漿侵入的時間不一致[39]。裂變徑跡年代學(xué)分析表明狐偃山巖體影響下煤級定型時間為晚侏羅—早白堊世，祁縣巖體影響下煤級定型時間為晚三疊—早侏羅世[19]。熱接觸變質(zhì)作用造就了礦區(qū)內(nèi)的煤級分帶，自西向東煤級逐漸升高，依次發(fā)育肥煤、焦煤、瘦煤和貧煤[23,40]。筆者分析甲烷δ13C值自西向東基本保持不變(圖8)，與熱成因甲烷δ13C值隨煤巖變質(zhì)程度升高而增大的規(guī)律不符[12]，說明本文中煤層氣主要受到了解吸-擴(kuò)散-運移效應(yīng)的影響。

圖8 古交礦區(qū)不同煤級煤甲烷δ13C特征Fig.8 δ13C characteristics of coals with different ranks

4 結(jié) 論

(1)古交礦區(qū)煤層氣甲烷含量在83.79%～97.57%，平均91.33%，乙烷含量在0～0.46%，平均0.09%，不含2個碳原子以上的烴類。非烴氣體以氮氣為主，含量為0.86%～14.13%，平均6.10%，二氧化碳含量1.47%～4.71%，平均2.48%。

(2)研究區(qū)煤層氣干燥系數(shù)0.994 9～1，屬于極干煤層氣。甲烷δ13C值介于-47.13‰～39.26‰，平均值為-44.03‰，為有機(jī)質(zhì)熱解成因，受水流作用影響，有機(jī)成因甲烷碳同位素值變輕。氮氣δ15N值介于-1.16‰～-0.51‰，平均值為-0.80‰，為大氣與有機(jī)質(zhì)熱降解混合成因，且以大氣來源為主，有機(jī)成因氮氣含量很少。

(3)地表水下滲、流動，與煤層發(fā)生相互作用，地表水中攜帶的大氣與煤層氣發(fā)生組分交換，導(dǎo)致煤層含氣量降低、甲烷δ13C值降低、氮氣含量升高。地表水沿含煤層系露頭下滲，與煤層相互作用過程中，將重碳同位素甲烷溶解、帶走，是造成研究區(qū)煤層中熱成因甲烷δ13C值偏低的主要原因之一。