煤炭資源枯竭礦井煤層氣運(yùn)移及富集規(guī)律研究

尹志勝，桑樹勛，周效志

(1.煤層氣資源與成藏過程教育部重點實驗室，江蘇 徐州 221008;2.中國礦業(yè)大學(xué)，江蘇 徐州 221116)

引 言

煤炭資源枯竭礦井煤層氣是一種不可忽視的新型清潔能源。中國煤炭資源枯竭礦井多，殘煤量大、瓦斯含量高[1]，煤層氣資源量及開發(fā)潛力大。國內(nèi)外就此類資源開展了多方面研究，主要涉及賦存狀態(tài)[2]、資源量估算方法[3-4]、計算范圍[5]及開發(fā)潛力評價方法等，但目前較少涉及廢棄礦井煤層氣運(yùn)移富集規(guī)律。以煤層氣吸附(解吸)機(jī)理為基礎(chǔ)[6]，結(jié)合“三帶”發(fā)育理論[7-8]，從殘煤類型劃分及殘氣特征入手，對礦井關(guān)閉后煤層氣運(yùn)移規(guī)律進(jìn)行研究，明確了礦井關(guān)閉后采空區(qū)垂向上及傾斜方向上富氣區(qū)的位置，為后續(xù)研究和工程實踐提供理論依據(jù)。

1 殘煤及殘氣類型劃分

1.1 殘煤類型劃分

殘煤是資源枯竭礦井煤層氣的來源，殘煤類型劃分是運(yùn)移富集規(guī)律研究的基礎(chǔ)?？紤]到礦井關(guān)閉后煤層氣垂向運(yùn)移，依據(jù)空間位置，將殘煤劃分為開采層殘煤和采動影響范圍內(nèi)鄰近層殘煤兩大類，并進(jìn)一步細(xì)分為煤柱殘煤、邊角殘煤等(圖1)。

圖1 煤炭資源枯竭礦井殘煤類型劃分示意

1.2 殘氣特征分析

礦井關(guān)閉后，殘氣以不同的相態(tài)賦存于采空區(qū)、鄰近煤巖層裂隙帶、本煤層殘煤及應(yīng)力釋放的鄰近層殘煤中，既包括通風(fēng)遺留的游離煤層氣，也包括采動影響范圍內(nèi)煤巖層中的吸附煤層氣。開采層采落煤、冒落破碎煤等殘煤中的殘氣主要是以濃度擴(kuò)散的形式釋放，運(yùn)移動力為濃度差，從煤層氣高濃度區(qū)向低濃度區(qū)運(yùn)移;而建筑物壓煤、煤柱等規(guī)模殘煤中的殘氣則是在內(nèi)部殘余瓦斯壓力和濃度共同作用下發(fā)生運(yùn)移。鄰近層殘煤中的殘氣則主要受瓦斯壓力驅(qū)使發(fā)生運(yùn)移，濃度影響較小。采空區(qū)瓦斯壓力降低后，若煤儲層壓力低于臨界解吸壓力，則殘煤中吸附狀態(tài)的殘氣可進(jìn)一步發(fā)生解吸運(yùn)移，直至達(dá)到平衡。

2 氣體運(yùn)移及富集的影響因素

2.1 廢棄采空區(qū)深度

廢棄采空區(qū)深度直接影響著地應(yīng)力和煤層氣儲層壓力的大小。采空區(qū)深度較大時，地應(yīng)力相對較大，儲層壓力也隨之增大。根據(jù)吸附(解吸)理論，儲層壓力的增大增加了礦井關(guān)閉后殘煤中吸附煤層氣的解吸難度。高的地應(yīng)力減小了圍巖裂縫的開啟率，對氣體運(yùn)移產(chǎn)生了一定的阻礙作用。采空區(qū)深度較小，則煤層氣逸散概率增大;若礦井封閉質(zhì)量不達(dá)標(biāo)，大氣壓力升高時可能造成空氣涌入巷道，產(chǎn)生富含空氣的煤層氣，不利于形成高濃度富集區(qū)。

2.2 儲層及圍巖滲透條件

煤炭資源枯竭礦井的儲層和圍巖一般具有較好的滲透條件。煤炭開采產(chǎn)生的井巷工程和采空區(qū)以及“三帶”裂隙為煤層氣運(yùn)移提供了通道。采動影響范圍內(nèi)有效儲氣空間的體積及裂隙發(fā)育程度受礦井關(guān)閉時間影響。巖石具可壓縮性，覆巖壓力作用下，采空區(qū)后方垮落巖石逐漸被壓實。隨著礦井封閉時間增加，壓實程度不斷增大，采空區(qū)體積逐漸變小，最終穩(wěn)定，垮落巖石在縱深方向上的滲透系數(shù)具有明顯的分區(qū)。若采空區(qū)壓實程度高，垮落巖石內(nèi)部空隙率相對就低，覆巖采動裂隙場不發(fā)育，減少煤層氣運(yùn)移通道。

2.3 斷層構(gòu)造

開放性斷層是煤層氣運(yùn)移的重要通道。斷層與采空區(qū)交界處的上、下端頭位置受應(yīng)力最大[9]，致使采空區(qū)的煤層氣向此處擴(kuò)散運(yùn)移，通過“三帶”裂隙向上運(yùn)移[10]，若斷層連通地表或存在一系列連通地表的貫通裂隙，則會造成煤層氣逸散。

2.4 水文地質(zhì)條件

礦井充水對煤層氣運(yùn)移富集極為不利。礦井水恢復(fù)(涌入)減少現(xiàn)有井下氣體儲氣空間，發(fā)生解吸運(yùn)移的殘氣減少，若聯(lián)絡(luò)巷道被淹，則各采區(qū)、煤層無法形成聯(lián)通的儲氣空間;部分未采煤層被淹，殘氣在較高的水壓作用下主要為吸附狀態(tài)，較難解吸運(yùn)移;長期積水可能造成大量殘氣溶解于水中，降低儲氣空間中甲烷濃度，若徑流條件較好，地下水的流動帶走大量殘氣，減少煤層氣資源量。

3 煤炭資源枯竭礦井煤層氣運(yùn)移及富集規(guī)律

3.1 近水平煤層單采空區(qū)運(yùn)移及富集規(guī)律

煤炭枯竭礦井采空區(qū)煤層氣運(yùn)移主要以瓦斯壓力差和濃度差為驅(qū)動力。煤層開采后采空區(qū)正上方區(qū)域均為卸壓區(qū)。礦井關(guān)閉初期，近水平煤層單采空區(qū)煤層氣垂向運(yùn)移過程整體表現(xiàn)為殘煤解吸的殘氣在瓦斯壓力梯度驅(qū)使下，由開采層殘煤和鄰近層殘煤，經(jīng)采動裂隙，向采空區(qū)方向運(yùn)移。由于CH4密度比空氣小，不考慮個別高瓦斯礦井關(guān)閉后仍保留的機(jī)械風(fēng)流的影響，則殘氣首先向采空區(qū)頂部方向擴(kuò)散運(yùn)移。采空區(qū)上方“三帶”形成時覆巖應(yīng)力降低，冒落帶和裂隙帶孔裂隙增大、增多，部分形成貫通裂隙，且初期裂隙帶中殘氣濃度較采空區(qū)頂部低，濃度梯度和壓力梯度共同驅(qū)使殘氣由采空區(qū)經(jīng)垮落帶區(qū)域裂隙向裂隙帶方向擴(kuò)散運(yùn)移，若裂隙帶上覆巖層封蓋條件較好，頂部無大型開放性斷層或者豎向貫通裂隙發(fā)育較少，則最終以裂隙帶頂部為界形成一個高濃度富氣區(qū)(圖2)。否則殘氣經(jīng)大型斷裂向淺部運(yùn)移，并于地表薄弱處涌出，造成地表煤層氣泄露。在水動力條件較好的關(guān)閉礦井中，地下水回灌且未淹沒整個采空區(qū)時，水位上升導(dǎo)致采空區(qū)壓力升高，部分殘氣溶于水中成為溶解態(tài)隨礦井水流動運(yùn)移，另有部分已解吸殘氣重新吸附。此外，若煤層為構(gòu)造煤，則煤層中較難形成長久的孔裂隙，不利于煤層氣運(yùn)移和聚集。

圖2 近水平煤層單采空區(qū)煤層氣垂向運(yùn)移及富集示意

3.2 傾斜煤層相鄰采空區(qū)運(yùn)移及富集規(guī)律

傾斜煤層單采空區(qū)煤層氣運(yùn)移及富集區(qū)與近水平煤層類似，均在裂隙帶頂部形成高濃度富氣區(qū)，但受到浮力影響，煤層上傾一端殘氣濃度較高。相鄰采空區(qū)煤炭開采過程中，采動條件直接影響鄰近先形成采空區(qū)殘氣的運(yùn)移結(jié)果。假設(shè)相鄰采空區(qū)Ⅰ、Ⅱ，采空區(qū)Ⅰ煤炭先行開采并封閉，區(qū)內(nèi)殘氣向上傾裂隙帶方向運(yùn)移，并于上方裂隙帶內(nèi)先形成富氣區(qū)，相鄰采空區(qū)Ⅱ煤炭開采會造成多方面的影響。首先采空區(qū)Ⅱ的煤炭開采對開采層和鄰近層殘煤具有一定的解放作用，殘煤中的殘氣可發(fā)生進(jìn)一步解吸運(yùn)移，采空區(qū)Ⅰ中殘氣解吸運(yùn)移均為氣相滲流。其次，采空區(qū)Ⅱ采動裂隙帶和彎曲下沉帶與采空區(qū)Ⅰ的重疊情況直接影響殘氣的運(yùn)移結(jié)果。不發(fā)生重疊時，采空區(qū)Ⅱ煤炭開采不會影響采空區(qū)Ⅰ中殘氣富集區(qū)形態(tài)，Ⅱ封閉后將形成2個相互獨立的富氣區(qū)。若采空區(qū)Ⅱ覆巖移動導(dǎo)致采動影響范圍擴(kuò)大，兩采空區(qū)裂隙帶及彎曲下沉帶發(fā)生明顯重疊，產(chǎn)生大量導(dǎo)通裂隙和離層裂隙，加之淺部采空區(qū)瓦斯壓力較低，采空區(qū)Ⅱ封閉后，半空區(qū)Ⅰ上方先行富集的殘氣，可在壓力梯度作用下沿這些貫通的裂隙向采空區(qū)Ⅱ方向發(fā)生二次運(yùn)移，最終在采空區(qū)Ⅱ煤層上傾方向裂隙帶頂部形成一個面積較大、濃度較高的富氣區(qū)(圖3)。此時，采空區(qū)Ⅰ、Ⅱ瓦斯壓力達(dá)到共同平衡。此區(qū)域為煤炭資源枯竭礦井煤層氣開發(fā)最為有利的區(qū)域。

圖3 傾斜煤層相鄰采空區(qū)煤層氣運(yùn)移及富集示意

4 實例分析

貴州省六枝礦區(qū)涼水井礦可采煤層共6層，總厚度為10.2 m，其中主采3號煤層，煤層平均厚度為1.17 m。井田為單斜構(gòu)造，構(gòu)造較為簡單。該礦井于1958年建井，1960年投產(chǎn)，并于2001年關(guān)閉。該礦煤層多，資源潛力大，盤江煤電集團(tuán)準(zhǔn)備對其關(guān)閉礦井煤層氣資源進(jìn)行開發(fā)。2013年針對該礦采空區(qū)運(yùn)用大功率高密度電阻率層析成像法進(jìn)行勘探，初步查明勘探區(qū)域內(nèi)采空區(qū)“三帶”發(fā)育情況及煤層氣運(yùn)移、富集情況。結(jié)合該區(qū)已知點試驗資料、鄰近礦區(qū)電性資料和實測數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，認(rèn)為采空區(qū)“三帶”波及范圍內(nèi)基本為含氣區(qū)域(圖4)，煤層氣富集區(qū)域(V)位于采空區(qū)上方裂隙帶內(nèi)。分析導(dǎo)致該現(xiàn)象的主要原因為CH4(煤層氣主要成分)密度相對較小，CH4可沿著開采形成的覆巖裂隙通道上運(yùn)移。由于垮落帶和裂隙帶中的裂隙較為發(fā)育，對CH4向上運(yùn)移的阻力較小，滲透率相對較大。然而彎曲下沉帶中裂隙不發(fā)育，對CH4向上運(yùn)移的阻力較大，滲透率相對較小。因此，最終在裂隙帶內(nèi)形成了煤層氣富集區(qū)。

個別煤層氣富集區(qū)域靠近地表(Ⅲ)，主要原因是礦井關(guān)閉時間較長，采空區(qū)上方地表發(fā)生沉降，彎曲下沉帶豎向裂隙增多，導(dǎo)致富集位置上移;由于第四系和風(fēng)氧化帶封蓋性能較差，CH4氣體向大氣逸散，因此該區(qū)域中殘留氣體主要為N2等。采空區(qū)中部存在含氣較少的區(qū)域(Ⅳ)，分析認(rèn)為原因是該處存在充水現(xiàn)象，煤層氣溶解并隨水流動，難以保存。

5 結(jié)論

(1)煤炭資源枯竭礦井殘氣主要賦存于采空區(qū)、鄰近煤巖層裂隙帶、本煤層殘煤及存在應(yīng)力釋放的臨近層殘煤中。

(2)煤炭資源枯竭礦井煤層氣運(yùn)移富集受廢棄采空區(qū)深度、儲層及圍巖滲透條件、斷層構(gòu)造、水文地質(zhì)條件等多種因素的影響，共同決定了關(guān)閉礦井煤層氣資源開發(fā)潛力。

(3)礦井關(guān)閉后，近水平煤層煤層氣垂向上由采空區(qū)經(jīng)垮落帶向裂隙帶方向運(yùn)移，并以裂隙帶頂部為界形成高濃度瓦斯富集區(qū);傾斜煤層淺部采空區(qū)煤炭開采會影響深部已封閉采空區(qū)煤層氣運(yùn)移，若相鄰采空區(qū)裂隙帶未重疊，則形成獨立的富氣區(qū);反之，則深部采空區(qū)煤層氣發(fā)生二次運(yùn)移，于淺部采空區(qū)煤層上傾方向形成統(tǒng)一的富氣區(qū)。

圖4 六枝礦區(qū)某礦采空區(qū)煤層氣資源評價

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