保德煤礦8號(hào)煤瓦斯賦存規(guī)律及主控因素研究

李建新，胡博文，方 杰，劉成濤，李 斌

(1.國(guó)家能源集團(tuán)北京低碳清潔能源研究院，北京 102211； 2.韓山師范學(xué)院，廣東 潮州 521041)

我國(guó)煤礦瓦斯地質(zhì)條件復(fù)雜，瓦斯災(zāi)害頻發(fā)，嚴(yán)重影響了煤炭安全生產(chǎn)和企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益[1-5]。我國(guó)煤礦瓦斯事故多發(fā)，其中重要原因之一是多數(shù)煤礦瓦斯賦存規(guī)律認(rèn)識(shí)不清。摸清煤層瓦斯賦存規(guī)律是煤礦瓦斯治理的先決條件，可有效遏制煤礦瓦斯事故的發(fā)生[6-10]。同時(shí)，瓦斯作為一種高效優(yōu)質(zhì)的清潔能源，合理開(kāi)發(fā)利用瓦斯不僅能有效保障煤礦安全生產(chǎn)，還可以增加能源供給，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排[11-13]。保德煤礦位于山西省保德縣境內(nèi)，分屬東關(guān)、橋頭兩鎮(zhèn)管轄，是國(guó)家能源集團(tuán)神東公司的主干煤礦之一，也是神東礦區(qū)唯一一座高瓦斯礦井[14]。目前，保德煤礦正在開(kāi)采8號(hào)煤層，隨著采掘工作的不斷推進(jìn)，采掘強(qiáng)度增大，采掘深度加深，瓦斯突出治理難度不斷加大。深入研究瓦斯賦存規(guī)律及其控制因素將有助于瓦斯抽采鉆孔的合理布置和瓦斯涌出量的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，從而達(dá)到科學(xué)有效治理瓦斯的目的。值得一提的是，國(guó)家能源集團(tuán)節(jié)能公司保德煤礦劉家墕和棗林2座瓦斯電站2014年已投入運(yùn)營(yíng)，截至2020年8月底累計(jì)上網(wǎng)電量2.43億kWh，利用瓦斯1.15億m3，節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤10.6萬(wàn)t，減排二氧化碳超180萬(wàn)t，累計(jì)實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益約1.2億元，產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

1 井田地質(zhì)背景

保德煤礦井田位于鄂爾多斯盆地東北緣，整體為一單斜構(gòu)造，傾角3°～9°；未見(jiàn)有大型斷層、褶皺及陷落柱，構(gòu)造類型簡(jiǎn)單(圖1)。礦區(qū)內(nèi)大面積被新生界地層覆蓋，在溝谷中主要出露二疊系(P)地層；區(qū)內(nèi)鉆探資料揭示，地層由老至新分別為奧陶系(未穿)、石炭系、二疊系、新近系和第四系，其中石炭系太原組及二疊系山西組為區(qū)內(nèi)的主要煤系地層?？刹擅簩?層，分別為8號(hào)、10號(hào)、11號(hào)、13號(hào)煤層。礦區(qū)東西傾向?qū)?.7 km，南北走向長(zhǎng) 14.0 km，總面積 55.9 km2，其中，太原組主要發(fā)育一套海陸交互相含煤沉積，巖性以煤層、炭質(zhì)泥巖、灰黑色泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、灰白色中、細(xì)砂巖、泥晶灰?guī)r和生屑灰?guī)r為主。山西組主要發(fā)育一套河流—河漫灘以及三角洲平原含煤沉積，巖性以煤層、炭質(zhì)泥巖、灰黑色泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、灰白色中、細(xì)砂巖為主。

圖1 保德煤礦地質(zhì)區(qū)位圖及地層柱狀Fig.1 Geological map and stratigraphic histogram of Baode Coal Mine

2 煤層特征

保德井田內(nèi)主采煤層為山西組8號(hào)煤和太原組11號(hào)煤，目前正在開(kāi)采8號(hào)煤層。其中，8號(hào)煤全區(qū)發(fā)育，埋藏深度122～663 m。厚度1.85～9.01 m，平均厚 6.02 m，11號(hào)煤層厚度1.11～12.55 m，平均厚7.31 m。8號(hào)煤演化程度較低，基本以氣煤為主，屬于中—低階煤[15]，Ro在0.76～0.83。8號(hào)煤宏觀煤巖組分主要以暗煤和亮煤為主，煤巖類型屬于半暗型—半亮型煤。8號(hào)煤顯微煤巖組分中，有機(jī)組分平均74.7%，其中有機(jī)組分鏡質(zhì)組平均29.03%，惰質(zhì)組平均41.07%，殼質(zhì)組平均4.60%；無(wú)機(jī)組分平均25.3%，主要以黏土類礦物為主。8號(hào)煤層的孔隙度為4.82%～10.39%，煤滲透率為 0.81×10-3～3.85×10-3μm2，平均為2.31×10-3μm2，總體上具有較好的物性特征，孔隙度較高，滲透率高，裂隙發(fā)育。8號(hào)煤原煤水分0.84%～3.65%，平均2.28%，原煤內(nèi)在水分含量較低；灰分14.96%～39.25%，平均26.84%，屬中灰煤；揮發(fā)分在30.83%～42.40%，平均36.6%，屬中—高揮發(fā)分煤。

3 煤層含氣性特征

通過(guò)對(duì)保德煤礦以往各階段瓦斯地質(zhì)勘查工作資料的收集與整理，據(jù)統(tǒng)計(jì)，8號(hào)煤瓦斯含量0.4～9.16 m3/t，平均4.86 m3/t；8號(hào)煤瓦斯各自然成分百分比含量中，CH4含量在0～91.73%，平均含量55.43%；CO2含量在0.16%～34.48%，平均含量10.12%；N2含量在4.62%～89.88%，平均含量34.45%。保德煤礦8號(hào)煤樣品等溫吸附測(cè)試結(jié)果表明，Langmuir體積(干燥無(wú)灰基)為5.35～16.88 m3/t，平均11.84 m3/t，Langmuir壓力1.22～5.26 MPa，平均3.24 MPa。

總體上，保德煤礦8號(hào)煤瓦斯含量較高，瓦斯成分甲烷占比高，Langmuir體積大，吸附能力較強(qiáng)，煤層含氣性較好。

4 瓦斯賦存影響因素

4.1 構(gòu)造對(duì)瓦斯賦存的影響

保德煤礦構(gòu)造位置上位于鄂多斯盆地東緣晉西撓曲帶北段，總體呈現(xiàn)為一西傾單斜構(gòu)造，地層傾角3°～9°，斷裂構(gòu)造不發(fā)育，地質(zhì)構(gòu)造較為簡(jiǎn)單。8號(hào)煤底板構(gòu)造等高線圖顯示(圖2(a))，礦區(qū)發(fā)育一些近東西走向的褶皺構(gòu)造。在這些褶皺構(gòu)造中，小型褶曲對(duì)煤層瓦斯含量分布影響較小，而礦區(qū)南部規(guī)模相對(duì)較大的褶皺在局部控制了瓦斯含量的分布，該褶皺為一背斜構(gòu)造，該背斜兩翼瓦斯含量較高，核部含氣量較低(圖2(b))，這是由于背斜軸部是張性應(yīng)力的集中區(qū)，厚度變薄，孔隙度加大，滲透性增強(qiáng)，導(dǎo)致瓦斯的逸散。相關(guān)研究也表明，煤層瓦斯一般在向斜、地塹等負(fù)向構(gòu)造中保存較好[16]，而背斜、地壘等正向構(gòu)造和正斷層等張性斷層發(fā)育區(qū)，地層封閉性差，不利于瓦斯富集。整體上，保德礦區(qū)構(gòu)造條件對(duì)8號(hào)煤瓦斯含量分布影響相對(duì)較小。

圖2 8號(hào)煤層瓦斯含量及底板標(biāo)高等值線Fig.2 Contour map of No.8 coal seam gas content and floor elevation

4.2 埋深對(duì)瓦斯的賦存的影響

保德煤礦采掘井巷歷年瓦斯檢測(cè)統(tǒng)計(jì)顯示，8號(hào)煤層瓦斯壓力在0.37～1.67 MPa，瓦斯壓力梯度為0.55 MPa/hm。隨著底板標(biāo)高減小，即埋深增大時(shí)，煤層瓦斯壓力增大，并呈良好的線性關(guān)系(圖3)。根據(jù)21口鉆孔數(shù)據(jù)，8號(hào)煤層瓦斯含量與煤層底板標(biāo)高擬合度較高，呈現(xiàn)較好的正相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)R=0.566 8，顯示出隨著煤層埋深的增加，瓦斯含量隨之增高(圖4)，平面呈現(xiàn)出西高東低的分布趨勢(shì)。由此可見(jiàn)，埋深對(duì)保德煤礦8號(hào)煤層瓦斯賦存有重要影響。

4.3 煤層厚度和煤質(zhì)對(duì)瓦斯賦存的影響

一般情況，煤層厚度越大，瓦斯生成的物質(zhì)基礎(chǔ)

圖3 瓦斯壓力與煤層底板標(biāo)高關(guān)系Fig.3 Relationship between gas pressure and coal seam floor elevation

圖4 瓦斯含量與煤層底板標(biāo)高關(guān)系Fig.4 Relationship between gas content and coal seam floor elevation

越充足，瓦斯的賦存空間也更多，其含量也越大[17]。保德煤礦鉆孔瓦斯實(shí)測(cè)結(jié)果顯示，8號(hào)煤層瓦斯含量與煤厚關(guān)系呈現(xiàn)出明顯的分帶性，分別為瓦斯含量大于4 m3/t的瓦斯高值區(qū)(礦區(qū)西部)，小于3 m3/t的瓦斯低值區(qū)(礦區(qū)中東部)和3～4 m3/t的瓦斯過(guò)渡區(qū)(礦區(qū)中西部)，各區(qū)域瓦斯含量與煤厚擬合度較高，整體呈正相關(guān)關(guān)系(圖5)。其中瓦斯高值區(qū)和瓦斯低值區(qū)瓦斯含量與厚度呈良好的正相關(guān)性，且高、低值區(qū)所占礦區(qū)面積很大；而過(guò)渡區(qū)瓦斯含量與厚度呈弱正相關(guān)，且所占礦區(qū)面積很小。由此可見(jiàn)，整體上礦區(qū)8號(hào)煤層厚度對(duì)瓦斯含量有重要影響，是8號(hào)煤層瓦斯賦存的關(guān)鍵因素。

圖5 煤層厚度與瓦斯含量關(guān)系Fig.5 Relationship between coal seam thickness and gas content

保德煤礦8號(hào)煤層水分含量很低，灰分含量中等，灰分和水分與煤層瓦斯含量總體呈現(xiàn)出弱負(fù)相關(guān)性，隨著灰分、水分的升高，煤層瓦斯含量有降低的趨勢(shì)(圖6(a)，圖6(b))。瓦斯含量與揮發(fā)分關(guān)系如圖6(c)所示。由圖6(c)可知，揮發(fā)分和瓦斯含量的關(guān)系不明顯，這是由于8號(hào)煤層煤化程度較低，揮發(fā)分較高，且全區(qū)差異很小，揮發(fā)分對(duì)瓦斯含量的影響相對(duì)很小?？傮w上，煤質(zhì)對(duì)該區(qū)瓦斯賦存的影響較小。

圖6 瓦斯含量與灰分、水分、揮發(fā)分關(guān)系Fig.6 Relationship between gas content and ash content

4.4 水文地質(zhì)條件對(duì)瓦斯保存的影響

圖7 地層水離子濃度與礦化度關(guān)系Fig.7 Relationship between formation water ion concentration and salinity

圖8 瓦斯含量與礦化度關(guān)系Fig.8 Relationship between gas content and salinity

圖9 保德煤礦煤系地層地下水礦化度等值線Fig.9 Contour map of groundwater salinity of coal measure strata in Baode Coal Mine

5 結(jié)論

(1)保德煤礦8號(hào)煤屬于中—低階煤，煤巖有機(jī)組分高，煤層物性好，瓦斯含量高，甲烷占比大，瓦斯壓力梯度高，一方面給瓦斯治理工作增加了一定難度，而另一方面作為一種清潔能源資源開(kāi)發(fā)潛力巨大。

(2)保德煤礦構(gòu)造相對(duì)簡(jiǎn)單，僅局部構(gòu)造會(huì)對(duì)8號(hào)煤瓦斯含量分布產(chǎn)生一定影響。8號(hào)煤煤質(zhì)與瓦斯含量的相關(guān)性很弱，對(duì)瓦斯賦存的影響較小。縱向上，8號(hào)煤瓦斯含量隨著埋深的增加而增大；平面上，瓦斯富集受煤厚和區(qū)域水動(dòng)力條件控制。所以，本區(qū)煤層埋深、厚度和區(qū)內(nèi)水動(dòng)力條件是影響保德煤礦8號(hào)煤瓦斯賦存的主控因素。