宿南礦區(qū)祁東煤礦6-1 煤層含氣量及組分特征分析

童家穎，魏 強(qiáng)，2*，石從秋，劉家樂，劉繼威，凌德孟，廖 弦

（1.宿州學(xué)院 資源與土木工程學(xué)院，安徽 宿州 234000；2.國(guó)家煤礦水害防治工程技術(shù)研究中心，安徽 宿州 234000）

煤層氣以甲烷為主，含一定的二氧化碳與氮?dú)?，是一種與煤伴生且存儲(chǔ)于煤層及圍巖中的非常規(guī)氣體[1]。我國(guó)煤層氣資源儲(chǔ)量位居世界前列，合理開采煤層氣不僅可以減少瓦斯事故，還能在資源匱乏的情況下，作為一種優(yōu)質(zhì)、高效、清潔、新型的替代能源，用來減少環(huán)境污染，起到較好的環(huán)境效益，迎合國(guó)家所提倡的環(huán)境友好型社會(huì)的推進(jìn)與發(fā)展。研究和深入認(rèn)識(shí)我國(guó)煤層氣含氣量及其他影響地質(zhì)因素，是我國(guó)煤層氣資源勘探中首先必須要考慮解決的一個(gè)問題。為深入了解我國(guó)煤層氣資源賦存變化情況及煤層地質(zhì)變化特征，前人通過一系列理論分析與實(shí)證研究，確定了我國(guó)煤層地質(zhì)厚度、煤巖地質(zhì)特性、滲透率、孔隙煤層大小、埋深、煤質(zhì)等均可以影響煤層氣的含量。魏強(qiáng)[2]通過對(duì)深和淺部?jī)?chǔ)存含煤層氣量吸附與分解吸附的特征分析，初步確定了深部煤層含氣量與深部煤質(zhì)間的相互關(guān)系;童柳華等[3]通過分析并初步確定了儲(chǔ)煤層深部埋藏層的深度可作為影響深部煤層氣含量賦存的主要影響因素；高尚[4]通過分析并初步確定了煤層地質(zhì)地貌構(gòu)造對(duì)煤層氣含量賦存的主要影響。本文以宿南礦區(qū)祁東煤礦6-1 煤層為研究對(duì)象，基于含氣量及組分特征，對(duì)其影響因素進(jìn)行分析。以上研究，可為宿南礦區(qū)祁東煤礦煤層氣的開發(fā)提供一定的理論依據(jù)。

1 地質(zhì)背景

宿南礦區(qū)坐落于安徽省宿州市東南部，面積約為302 km2，整體地層結(jié)構(gòu)處于向斜構(gòu)造上，以正斷層為主，走向以北東及北北東方向?yàn)橹?，含煤地層為上石炭統(tǒng)-二疊系，主要包括礦區(qū)上中下煤炭系統(tǒng)石盒子組、下中上石炭石盒子組及山西組。石炭系的煤層由于相對(duì)較薄[5]，增加了在開采上的復(fù)雜程度，因此為不可采煤層。二疊系含煤地層豐富，3-2、6-1、6-3、7-1、7-2、8-2、10 煤層均為穩(wěn)定煤層[6]，此煤層上的開發(fā)潛力較高。祁東煤礦坐落于安徽省宿州市埇橋區(qū)，地跨蘄縣鎮(zhèn)、西寺坡鎮(zhèn)和固鎮(zhèn)縣湖溝鎮(zhèn)，整體上處于宿南向斜的東南端方向。祁東井田東西長(zhǎng)約9 km，南北寬約3.5～5 km，礦井面積大約46.5 km2，此礦區(qū)井田內(nèi)煤層含氣量較高[7]，具有良好的開發(fā)潛力，可提高宿南礦區(qū)煤層氣的資源儲(chǔ)量。如圖1 所示，可得到宿南礦區(qū)煤層氣的地質(zhì)綱要圖，其中包含本文所探討的祁東煤礦。通過圖1 可大致了解到祁東煤礦與其他幾個(gè)礦區(qū)的地理方位及基本走向等信息。

圖1 宿南礦區(qū)煤層氣地質(zhì)綱要圖[4]

2 煤質(zhì)特征

煤層氣量工業(yè)煤炭組分含量是評(píng)價(jià)工業(yè)煤質(zhì)的主要測(cè)量指標(biāo)，同時(shí)也是影響工業(yè)含煤層氣量的重要因素之一。通過工業(yè)分析，可以測(cè)定出煤樣的水分、灰分和揮發(fā)分，一般情況下，三者都是通過相應(yīng)的儀器設(shè)備直接測(cè)出的[8]。通過樣品分析，可以得到3-2、7-1和6-1 煤層中的Mad（空氣干燥基水分）、Aad（空氣干燥基灰分）、Vad（空氣干燥基揮發(fā)分）在各自煤層中所占的比例。如圖2 所示，在3 個(gè)不同煤層中水分含量占比均較小，而灰分與揮發(fā)分含量占比較大。其中，祁東煤礦6-1 煤層中水分介于1.15%～1.95%之間（平均值：1.34%），灰分與揮發(fā)分含量占比較多，分別為15.16%～30.67%（平均值：19.73%）和22.33%～28.14%（平均值：25.81%）。而在3-2 和7-1 煤層中的灰分與揮發(fā)分占比分別為11.59%～36.39%（平均值：24.21%）、22.75%～34.3%（平 均 值：27.82%）和13.06%～21.77%（平均值：15.78%）、22.78%～31.35%（平均值：27.92%）。由此可以看出，灰分與揮發(fā)分在各煤層中含量占比相對(duì)較高，且煤質(zhì)中主要以灰分和揮發(fā)分為主，水分含量極少。

圖2 6-1、3-2 和7-1 煤層中水分、灰分和揮發(fā)分含量圖

3 含氣量特征

祁東煤礦6-1 煤層氣樣品中的成分以甲烷（CH4）、二氧化碳（CO2）和氮?dú)猓∟2）為主，且甲烷含量占比最大。由圖3 可知，6-1 煤層含氣量介于0.35～14.15 m3/t 之間，平均值為5.55 m3/t。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，3-2煤層含氣量介于2.41～10.68 m3/t 之間，平均值為7.25 m3/t。在7-1 煤層中，含氣量介于1.62～12.59 m3/t 之間，平均值為6.86 m3/t。由此可以得出，在宿南礦區(qū)祁東煤礦中，6-1 煤層的含氣量均值相對(duì)于3-2 和7-1 煤層較低。6-1 煤層中個(gè)別序號(hào)下的含氣量大于其他煤層中樣品含氣量，且在序號(hào)4 樣品中的煤層氣含量值突變，為樣品中煤層氣含量最大值14.15 m3/t。在序號(hào)6和7 的樣品中，6-1 煤層中的含氣量較低，幾乎不可采。通過對(duì)比可知，3-2 煤層中含氣量較為穩(wěn)定，其次為7-1 煤層。

圖3 祁東煤礦各相關(guān)含氣量直方圖

從煤層氣成分上來看，6-1 煤層主要成分為甲烷，其次為氮?dú)夂投趸?。由圖4 可知，甲烷含量占比在6-1、3-2 和7-1 三個(gè)煤層中均為最高值。但在6-1 煤層序號(hào)6 和序號(hào)7 的樣品中，氮?dú)夂空急却笥诩淄楹空急?。而序?hào)6 和序號(hào)7 的樣品中，含氣量值也較低。由此可以發(fā)現(xiàn)，含氣量與甲烷之間存在某種相關(guān)關(guān)系。其中，在6-1 煤層中，甲烷含量占比在12.05%～96.44%之間，平均值為71.14%，氮?dú)馀c二氧化碳占比分別為0.14%～92.66%（平均值：27.18%）和0～5.31%（平均值：2.88%）；在3-2 煤層中，甲烷含量占比在72.07%～97.92%，平均值為87.92%，氮?dú)馀c二氧化碳占比分別為0.4%～21.73%（平均值：8.11%）和1.06%～6.42%（平均值：3.90%）；在7-1 煤層中，甲烷含量占比在62.15%～97.06%，平均值為84.28%，氮?dú)馀c二氧化碳占比分別為0.15%～30.16%（平均值：11.13%）和1.75%～8.43%（平均值：4.58%）。對(duì)比3 個(gè)煤層發(fā)現(xiàn)，3-2 煤層中甲烷含量占比均值最高，而6-1 煤層中甲烷含量占比均值最低。在6-1、3-2 和7-1 三個(gè)不同煤層中甲烷含量占比均為最大值，而二氧化碳和氮?dú)夂枯^少幾乎不超過整體的30%。

圖4 祁東煤礦各相關(guān)煤層氣組分直方圖

4 含氣量及組分影響因素分析

4.1 埋深影響

煤層氣在地下的分布是不均衡的。不同地區(qū)，或者同一地區(qū)不同煤層間的含氣量往往差異較大。根據(jù)6-1 煤層的樣品分析，得到了關(guān)于煤層含氣量與埋藏深度的散點(diǎn)圖及趨勢(shì)線（圖5）。埋藏深度可分為淺部埋藏與深部埋藏，一般情況下，深部埋藏的煤層含氣量較多[9]。因樣品中的開采深度不一樣，其煤層含氣量也不同。祁東煤礦6-1 煤層埋深介于414.34～766.82 m，平均值為601.66 m。總體上，煤層含氣量與煤層埋深呈一元線性關(guān)系，煤層含氣量隨著埋藏深度的增加而增加。如圖5（a）所示，6-1 煤層含氣量與埋深相關(guān)性系數(shù)不到0.4，特別是含氣量低于1.00 m3/t 的樣品，可能由于煤層厚度等因素使煤層氣散逸[10]，導(dǎo)致測(cè)得樣品中含氣量值相對(duì)較低，位于趨勢(shì)線以下。但整體上，除去異常點(diǎn)之外，含氣量與埋藏深度之間具有一定的弱相關(guān)關(guān)系，且含氣量與埋藏深度成正比。

通過對(duì)樣品的分析，發(fā)現(xiàn)埋深不僅對(duì)含氣量起著關(guān)鍵性影響，還與化學(xué)組分間存在著一定的關(guān)系。通過對(duì)比圖5（b）、圖5（c）、圖5（d）三幅圖，發(fā)現(xiàn)在6-1 煤層中甲烷的含量占比隨著埋藏深度的增加呈上升趨勢(shì)，而氮?dú)夂空急葏s呈下降趨勢(shì)。但甲烷與埋深相關(guān)關(guān)系不大，其相關(guān)系數(shù)僅有0.199 7。從數(shù)值的集中程度上看，在埋深為454.41～766.82 m 之間，大多數(shù)樣品中甲烷含量占比都在80%以上，個(gè)別甲烷含量高達(dá)90%以上。總體上，氮?dú)夂空急扰c甲烷此起彼伏，大致上二者之間具有一定的負(fù)相關(guān)關(guān)系。二氧化碳含量隨著埋藏深度的增加或減少，其含量變化波動(dòng)較小，較為穩(wěn)定，所以在圖上看到的線性關(guān)系不明顯，相關(guān)系數(shù)只有0.11 左右。對(duì)比4 幅圖可知，含氣量與埋藏深度的相關(guān)性更高，達(dá)到0.36，而二氧化碳與埋藏深度的相關(guān)性最低。其中，甲烷和含氣量與埋深都呈正相關(guān)，這也表明甲烷可能與含氣量之間存在某種關(guān)系。

圖5 6-1 煤含氣量、組分與埋深散點(diǎn)圖

4.2 煤質(zhì)影響

煤的工業(yè)分析中，水分（Mad）、灰分（Aad）和揮發(fā)分（Vad）是研究煤質(zhì)的3 個(gè)重要指標(biāo)。煤的水分在燃燒時(shí)會(huì)大量吸熱，這在一定程度上會(huì)大大降低煤的發(fā)熱量，從而影響煤的一系列使用運(yùn)輸?shù)惹闆r。煤的灰分是指當(dāng)溫度達(dá)到某個(gè)特定值，煤在此條件下充分燃燒后所遺留下來的物質(zhì)。煤的揮發(fā)分則指煤在燃燒后的逸出物質(zhì)中除去了水分含量后的其他物質(zhì)含量。

根據(jù)現(xiàn)有樣品的整理與分析，可得到以下關(guān)于6-1 煤層含氣量與煤質(zhì)（水分、灰分、揮發(fā)分）之間的關(guān)系。由圖6 可知，祁東煤礦6-1 煤層中Mad 含量在1.15%～1.95%之間，平均值為1.34%；Aad 含量在15.16%～30.67%之間，平均值為19.73%；Vad 含量在22.33%～28.14%之間，平均值為25.81%。通過對(duì)比圖6（a）、圖6（b）、圖6（c）三幅圖，發(fā)現(xiàn)水分與含氣量的相關(guān)關(guān)系不明顯，且含量占比在整體上也比較少。總體上，揮發(fā)分含量占比最多，而在6-1 煤層個(gè)別樣品中，煤灰分含量大于揮發(fā)分含量。通過圖6（a）可知，水分在6-1 煤層中與含氣量的線性關(guān)系不大，相關(guān)系數(shù)只有0.069。而在圖6（b）中，含氣量與灰分相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.7 左右，且含氣量與灰分成正比。對(duì)比圖6（b）與圖6（c）得到：在6-1 煤層中，含氣量隨著灰分的增加而增加，隨著揮發(fā)分的增加而減少，且整體上揮發(fā)分與含氣量呈弱負(fù)相關(guān)關(guān)系。

圖6 含氣量與煤質(zhì)關(guān)系散點(diǎn)圖

5 結(jié)論

本文通過對(duì)宿南礦區(qū)祁東煤礦6-1 煤層含氣量與組分特征進(jìn)行分析，從地質(zhì)背景、含氣量特征、煤質(zhì)特征、含氣量及組分與埋深和煤質(zhì)之間的關(guān)系，結(jié)合數(shù)據(jù)分析，圖表分析，得出了以下結(jié)論。

（1）宿南礦區(qū)祁東煤礦6-1 煤層含氣量介于0.35～14.15 m3/t 之間，平均值為5.55 m3/t。煤質(zhì)中的Mad 含量在1.15%～1.95%之間，Aad 含量在15.16%～30.67%之間，Vad 含量在22.33%～28.14%之間。煤層含氣量與灰分成正比，與揮發(fā)分呈弱負(fù)相關(guān)關(guān)系。

（2）6-1 煤層中甲烷含量占比介于12.05%～96.44%之間，二氧化碳和氮?dú)夥謩e為0～5.31%和0.14%～92.66%。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，含氣量與埋深成正比，甲烷與埋深成正比，氮?dú)馀c埋深成反比，含量相對(duì)較少的二氧化碳幾乎不隨埋藏深度的增加或減少而變化。