淮南礦區(qū)謝一礦關(guān)閉前后B11b煤層瓦斯地質(zhì)特征變化分析

胡春磊，劉會(huì)虎*，丁 海，徐宏杰，楊靖浩，尚建華

（1.安徽理工大學(xué)地球與環(huán)境學(xué)院，安徽淮南 232001；2.安徽省煤田地質(zhì)局勘查研究院，安徽合肥 230088）

2020 年，我國(guó)提出了2030 年實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰”，2060 年實(shí)現(xiàn)“碳中和”的戰(zhàn)略目標(biāo)。我國(guó)能源產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)中，產(chǎn)生碳排放的化石能源（煤炭、石油、天然氣等）以84%的能源消耗，占據(jù)結(jié)構(gòu)主導(dǎo)［1］。在此能源結(jié)構(gòu)背景下不僅要尋找可再生能源代替化石能源，還需要大力推進(jìn)化石能源清潔高效利用［2-3］。開(kāi)展關(guān)閉礦井瓦斯地質(zhì)特征的研究對(duì)如何減少關(guān)閉礦井溫室氣體的排放量，降低關(guān)閉礦井發(fā)生瓦斯爆炸或泄漏的危險(xiǎn)性［4-7］，具有重要意義。

自20世紀(jì)開(kāi)始，國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家針對(duì)關(guān)閉礦井已開(kāi)展了相關(guān)的研究與實(shí)踐，在理論突破的基礎(chǔ)上開(kāi)展了一系列的工程實(shí)踐［8-10］，如德國(guó)北萊茵威斯特法利亞煤礦利用殘存瓦斯進(jìn)行發(fā)電，取得了較大的資源、環(huán)境與經(jīng)濟(jì)效益［11］。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)山西、遼寧等地也對(duì)關(guān)閉礦井瓦斯資源的利用開(kāi)展了積極的探索［12］。截至2021年，山西省通過(guò)對(duì)關(guān)閉礦井瓦斯抽采，累計(jì)抽采量達(dá)1.28×108m3［13］，為其他地區(qū)開(kāi)展關(guān)閉礦井瓦斯開(kāi)發(fā)利用提供了良好的示范。

淮南礦區(qū)作為我國(guó)華東地區(qū)重要的煤炭資源礦區(qū)，瓦斯資源儲(chǔ)量豐富，據(jù)“安徽省兩淮煤層氣資源調(diào)查評(píng)價(jià)”（2014 年），該區(qū)瓦斯預(yù)測(cè)資源總量為3.61×1011m3。由于長(zhǎng)期以來(lái)缺乏對(duì)礦井關(guān)閉前后瓦斯地質(zhì)特征變化的研究，導(dǎo)致殘氣利用與開(kāi)發(fā)進(jìn)展緩慢。本文選取謝一礦B11b煤層作為研究對(duì)象，基于井田基礎(chǔ)地質(zhì)資料，通過(guò)對(duì)瓦斯歷史工作和關(guān)閉后煤層氣參數(shù)井的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，總結(jié)關(guān)閉前B11b煤層瓦斯含氣性分布規(guī)律，分析關(guān)閉后瓦斯賦存特征變化的規(guī)律與原因，對(duì)淮南礦區(qū)礦井關(guān)閉前后瓦斯的賦存規(guī)律研究以及未來(lái)可能的資源開(kāi)發(fā)再利用具有一定的理論意義。

1 研究區(qū)概況

1.1 礦井概況

謝一礦位于淮河南岸的八公山東北麓，隸屬淮南市，東北距洞山淮南市政府11.2km。礦區(qū)面積為25.395 6km2。開(kāi)采標(biāo)高-1 200～14m。謝一礦的主體為單斜構(gòu)造區(qū)，由李郢孜褶曲的下翼和謝家集單斜組成。西北部地層走向NW20°～32°，傾向NE，傾角22°，產(chǎn)狀穩(wěn)定。向東轉(zhuǎn)向NW55°～70°，傾角較緩，但變化較大，為10°～26°，局部更緩。單斜區(qū)斜切正斷層發(fā)育，逆斷層次之。研究區(qū)含煤地層為石炭系—二疊系，可采煤層共17層，平均可采厚度34.55m，其中主要可采煤層6層：C13、B11b、B9b、B8、B7、B4b，平均總厚度為22.46m。B11b煤層厚度在0.65～6.81m，平均4.14m，下距B11煤1.88m，可采系數(shù)98%，變異系數(shù)32%。巖性為泥巖、炭質(zhì)泥巖。煤層頂板為泥巖、砂質(zhì)泥巖，少數(shù)為粉細(xì)砂巖互層及炭質(zhì)頁(yè)巖，屬穩(wěn)定煤層。

1.2 開(kāi)采歷史

謝一礦原名蔡家崗煤礦，于1949 年破土建井，設(shè)計(jì)年生產(chǎn)能力為30 萬(wàn)t。1952 年建成并簡(jiǎn)易投產(chǎn)。1953 年，礦井進(jìn)行第一次改擴(kuò)建，1956 年竣工移交生產(chǎn)，年設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為60 萬(wàn)t，同時(shí)改蔡家崗煤礦為謝家集一礦，以區(qū)別于相繼建成的謝二礦、謝三礦。2009 年，謝一礦劃分為謝一井和望峰崗井。礦井改擴(kuò)建后謝一井的核定生產(chǎn)能力為30 萬(wàn)t；望峰崗井的核定生產(chǎn)能力為300萬(wàn)t。受相關(guān)政策影響，謝一礦于2016年底前關(guān)閉，退出時(shí)產(chǎn)能為330萬(wàn)t/a［14］。謝一礦于2020 年測(cè)量礦井水位，水深223.1m，地面標(biāo)高+26.60m，水位標(biāo)高-196.5m，現(xiàn)礦井大部分區(qū)域已被積水充填。

1.3 關(guān)閉前后瓦斯/煤層氣工作

謝一礦關(guān)閉前2004—2011 年補(bǔ)勘施工期間采集A1～C15共18 個(gè)煤層CH4樣，樣點(diǎn)137 個(gè)，其中B11b煤層20 個(gè)，為控制深度范圍，保留1 000m 以深樣品8 個(gè)。樣品測(cè)定嚴(yán)格按照《地勘時(shí)期煤層瓦斯含量測(cè)定方法》（GB/T 23249—2009）執(zhí)行。安徽省煤田地質(zhì)局勘查研究院于謝一礦關(guān)閉后，在礦區(qū)范圍內(nèi)施工2 口煤層氣資源勘查參數(shù)井，其中新謝-2 井完鉆井深1 317.75m，共穿過(guò)23層煤，其中有19層可采煤層，總厚33.45m；新謝-3 井完鉆井深1 400.00m，共穿過(guò)18 層煤，其中有9 層可采煤層，總厚23.05m。共采集40 個(gè)樣品，B11b煤層樣品6 個(gè)。樣品按照《煤層氣含量測(cè)定方法》（GB/T19559—2008）規(guī)范進(jìn)行采樣、自然解吸、氣樣采集、室內(nèi)脫氣。本文基于以上謝一礦關(guān)閉前后瓦斯/煤層氣工作對(duì)B11b煤層瓦斯地質(zhì)特征的變化進(jìn)行分析。

2 瓦斯地質(zhì)特征變化

2.1 關(guān)閉前礦井瓦斯賦存

2.1.1 關(guān)閉前瓦斯成分與含量

通過(guò)2004—2011年補(bǔ)勘施工期間采集的B11b煤層瓦斯樣品的化驗(yàn)結(jié)果，得到關(guān)閉前B11b煤層樣品瓦斯成分和瓦斯含量（表1）。關(guān)閉前B11b煤層甲烷含量（CH4，daf）2.01～15.29m3/t，平均為8.24 m3/t；重?zé)N含量（C2-C8，daf）0.78～1.66 m3/t，平均為1.33 m3/t。關(guān)閉前B11b煤層中CH4濃度6.72%～90.51%，平均為41.54%；N2濃度1.52%～82.33%，平均為42.19%；CO2濃度1.23%～8.69%，平均為3.97%。

表1 關(guān)閉前B11b煤層主要瓦斯成分與含量Table 1 Main gas composition and content in B11b coal seam before closure

由圖1可知，關(guān)閉前B11b煤層瓦斯含量隨埋深的加深有增大的趨勢(shì)，符合埋深越深，煤層地應(yīng)力越大，煤層對(duì)瓦斯的吸附能力也越強(qiáng)，瓦斯含量也越高的一般規(guī)律。

圖1 關(guān)閉前B11b煤層瓦斯含量與埋深關(guān)系Figure 1 Relationship between gas content and buried depth of B11b coal seam before closure

2.1.2 關(guān)閉前瓦斯含量分布及影響因素

利用關(guān)閉前B11b煤層瓦斯鉆孔數(shù)據(jù)，對(duì)研究區(qū)部分區(qū)域的瓦斯含量分布進(jìn)行預(yù)測(cè)：垂向上，有深部煤層含氣量高于淺部煤層的趨勢(shì)；平面上，總體呈現(xiàn)中部高兩側(cè)低的特征，礦井北部含氣量較高，最高點(diǎn)也出現(xiàn)在此，南部含氣量較低。垂向上的賦存規(guī)律主要受埋深影響，橫向則受地質(zhì)構(gòu)造影響。研究區(qū)北部位于大型背斜兩翼（圖2），周圍未發(fā)育逆斷層，由于背斜頂部裂隙密集發(fā)育，形成氣體流通的通道，所以軸部瓦斯含量性較低，而向背斜兩翼及傾伏方向瓦斯含量較高。南部則受F13斷層組控制，附近正斷層極為發(fā)育。斷裂構(gòu)造破壞了B11b煤層的連續(xù)完整性，煤層中的瓦斯運(yùn)移條件也隨之改變。而F13斷層組內(nèi)正斷層屬于張性斷裂，斷層破碎受拉張作用影響，張性裂隙發(fā)育，張性正斷層屬于開(kāi)放性斷層，對(duì)瓦斯的排放有利，不利于瓦斯的保存［15］。

圖2 關(guān)閉前B11b煤層瓦斯含量分布Figure 2 Gas content distribution of B11b coal seam before closure

2.2 關(guān)閉后礦井瓦斯賦存

通過(guò)新謝-2井和新謝-3井對(duì)B11b煤層樣品現(xiàn)場(chǎng)解吸結(jié)果［16］，得到關(guān)閉后B11b煤層樣品瓦斯成分和瓦斯含量（表2）。關(guān)閉后B11b煤層甲烷含量（CH4，daf）0.92～11.65 m3/t，平均6.82 m3/t。除新謝-3 井在埋深1 125.08m 含氣量為0.92 m3/t，與關(guān)閉前平面瓦斯含量分布預(yù)測(cè)有所不同外，其余數(shù)據(jù)符合預(yù)測(cè)，基本滿足關(guān)閉前的平面分布特征。但新謝-3 井整體瓦斯含量小于關(guān)閉前垂向瓦斯含量分布預(yù)測(cè)，未落在包絡(luò)線內(nèi)（圖3）。

圖3 關(guān)閉前后B11b煤層瓦斯含量與埋深關(guān)系Figure 3 Relationship between gas content and buried depth of B11b coal seam before and after closure

表2 關(guān)閉后B11b煤層主要瓦斯成分與含量Table 2 Main gas composition and content in B11b coal seam after closure

關(guān)閉后B11b煤層中CH4濃度43.31%～80.58%，平均59.89%；N2濃度14.81%～46.78%，平均31.12%；CO2濃度0.87%～1.45%，平均1.07%。為直觀反映關(guān)閉前后瓦斯成分變化，對(duì)表1 和表2 數(shù)據(jù)整合分析，扣除其他氣體成分，繪制只包含CH4，CO2，N2的關(guān)閉前后瓦斯成分三元圖（圖4）。

圖4 關(guān)閉前后B11b煤層主要瓦斯成分三元圖Figure 4 Main gas composition ternary diagram of B11b coal seam before and after closure

2.3 礦井關(guān)閉前后瓦斯賦存特征變化原因分析

2.3.1 采動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)和儲(chǔ)層流體場(chǎng)的變化

煤層開(kāi)采過(guò)程中，常規(guī)底板擾動(dòng)范圍一般約為50m，覆巖擾動(dòng)范圍影響稍大，約為100m。新謝-3井處于擾動(dòng)的影響范圍，因此采動(dòng)對(duì)煤層的影響是明顯的。開(kāi)采煤層時(shí)，上覆巖體會(huì)向采動(dòng)區(qū)域移動(dòng)和垮落，使得采場(chǎng)上方形成采動(dòng)裂隙場(chǎng)，煤體處于破壞區(qū)和塑性區(qū)，煤體的塑性破壞使得煤體內(nèi)次生裂隙大量生成，導(dǎo)致關(guān)閉后受采動(dòng)影響的煤體滲透率明顯增大。煤體滲透率的增大打破了原有的瓦斯吸附解吸平衡，煤巖內(nèi)的瓦斯通過(guò)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)、層流和滲透流動(dòng)不斷進(jìn)入到采空區(qū)域，使瓦斯在煤體中的有效排放范圍擴(kuò)大，不利于瓦斯的保存。在通常情況下，生產(chǎn)礦井中的采空區(qū)積水在經(jīng)過(guò)自然或人工排水處理后會(huì)被及時(shí)地排出，從而避免了對(duì)周邊環(huán)境造成的影響。然而，謝一礦關(guān)閉后，由于缺乏有效的水文地質(zhì)控制措施，采空區(qū)中的積水長(zhǎng)時(shí)間無(wú)法及時(shí)排出，導(dǎo)致礦井被水充填。積水滲透進(jìn)入煤層孔隙中，替換原有的游離態(tài)瓦斯，使少量瓦斯轉(zhuǎn)化為溶解態(tài)，導(dǎo)致瓦斯的含氣性降低。

2.3.2 瓦斯的重新運(yùn)移與聚積

瓦斯的分布受分子擴(kuò)散和壓力擴(kuò)散共同作用，瓦斯在煤層巖體中向各個(gè)方向擴(kuò)散。同時(shí)煤體是一種特殊的具有雙重結(jié)構(gòu)的巖石，由包含孔隙的煤粒和裂隙組成，因此煤層中存在多種類型的孔隙和不同尺度的裂隙，瓦斯很容易通過(guò)這些裂隙和孔隙進(jìn)行運(yùn)移。尤其是背斜頂部裂隙密集發(fā)育，形成瓦斯運(yùn)移逸散的良好通道。煤層經(jīng)過(guò)采動(dòng)后生成了更多的裂隙和孔隙，進(jìn)一步提高了瓦斯的運(yùn)移效率。同時(shí)在瓦斯運(yùn)移過(guò)程中，由于其與空氣的密度存在很大的差異，受到浮力的影響，向上的運(yùn)移速度大于向下的運(yùn)移速度，壓力擴(kuò)散效應(yīng)比分子擴(kuò)散更為強(qiáng)大，占據(jù)主導(dǎo)地位，因此瓦斯向采空區(qū)的下部卸壓區(qū)空間擴(kuò)散的情況較為少見(jiàn)。這也導(dǎo)致了瓦斯在煤層中往往會(huì)聚集在上部裂隙帶構(gòu)成瓦斯富集區(qū)（圖5）。當(dāng)關(guān)閉后B11b煤層的埋深增加時(shí)，瓦斯的含量反而有一定的減?。?7-18］。

圖5 煤層采動(dòng)后瓦斯運(yùn)移及富集示意圖Figure 5 Gas migration and enrichment diagram after coal seam mining

2.3.3 瓦斯賦存狀態(tài)變化

秦勇等認(rèn)為在煤儲(chǔ)層中瓦斯含氣量主要受地應(yīng)力和地層溫度影響，其中地應(yīng)力加大，煤層吸附性增大，含氣量上升，產(chǎn)生正效應(yīng)；地層溫度升高，氣體熱活性增大，煤層吸附性變?nèi)?，含氣量下降，產(chǎn)生負(fù)效應(yīng)，因此提出了含氣量臨界深度的概念［17-19］。煤層埋藏初期，地應(yīng)力的正效應(yīng)強(qiáng)于地溫的負(fù)效應(yīng)，因此煤層中的含氣量逐漸增加。但是，當(dāng)煤層埋藏的深度增加到一定程度時(shí)（臨界深度），地應(yīng)力的正效應(yīng)逐漸開(kāi)始減弱，而地溫的負(fù)效應(yīng)則開(kāi)始增強(qiáng)，煤巖的吸附性能發(fā)生改變，含氣量開(kāi)始下降。由于礦井關(guān)閉前鉆孔數(shù)據(jù)的埋深尚未到達(dá)臨界深度，含氣量在地應(yīng)力正效應(yīng)的作用下隨埋深增加而上升。而煤層在經(jīng)歷采動(dòng)后，煤體內(nèi)出現(xiàn)大量裂隙，地應(yīng)力減小，煤層的含水飽和度增大，導(dǎo)致臨界深度（即含氣量與埋深關(guān)系出現(xiàn)拐點(diǎn)的深度）變淺，其內(nèi)的吸附態(tài)瓦斯逐漸向游離態(tài)轉(zhuǎn)化，游離氣的比例上升。關(guān)閉后取樣深度較深的新謝-3 井，可能因達(dá)到臨界深度，導(dǎo)致含氣量出現(xiàn)了下降。

3 結(jié)論

通過(guò)收集謝一礦的基礎(chǔ)地質(zhì)資料與參數(shù)井?dāng)?shù)據(jù)，對(duì)謝一礦關(guān)閉前后B11b煤層的含氣性進(jìn)行了分析，探討了瓦斯賦存特征的變化及原因。

1）研究區(qū)關(guān)閉前B11b煤層甲烷含量2.01～15.29m3/t，平均8.24m3/t。關(guān)閉后甲烷含量0.92～11.65m3/t，平均6.82m3/t。關(guān)閉前后B11b煤層瓦斯成分主要由N2、CH4和CO2組成。關(guān)閉前CH4濃度6.72%～90.51%，平均 41.54%；N2濃度 1.52%～82.33%，平均42.19%；CO2濃度1.23%～8.69%，平均3.97%。關(guān)閉后CH4濃度43.31%～80.58%，平均59.89%；N2濃度14.81%～46.78%，平均31.12%；CO2濃度0.87%～1.45%，平均1.07%。

2）通過(guò)分析關(guān)閉前B11b煤層瓦斯含量，總結(jié)預(yù)測(cè)出關(guān)閉前瓦斯在平面與垂向上的賦存規(guī)律。關(guān)閉后新謝-2井和新謝-3井在平面上與關(guān)閉前瓦斯賦存規(guī)律基本一致，而垂向上新謝-3 井瓦斯含氣量賦存規(guī)律與關(guān)閉前不一致。含氣量有所減小的可能原因?yàn)椴蓜?dòng)應(yīng)力場(chǎng)和儲(chǔ)層流體場(chǎng)發(fā)生了變化；瓦斯經(jīng)過(guò)重新運(yùn)移，聚積在煤層上部裂隙帶，形成富集區(qū)；臨界深度發(fā)生改變，導(dǎo)致吸附態(tài)瓦斯轉(zhuǎn)化為游離態(tài)瓦斯。