峰峰矿区煤变质作用对煤层气中氮气含量的影响

郝国强 王玖玲 胡社荣 刘钦甫 张运勋

(中国矿业大学 (北京)地球科学与测绘工程学院，北京 100083)

峰峰矿区煤变质作用对煤层气中氮气含量的影响

郝国强 王玖玲 胡社荣 刘钦甫 张运勋

(中国矿业大学 (北京)地球科学与测绘工程学院，北京 100083)

在系统整理46个钻孔煤层气样数据资料的基础上，探讨了峰峰矿区煤变质过程中煤层气中N2含量的变化规律及其原因。结果表明:燕山期岩浆的“烘烤”作用是煤层气中N2含量平均值偏高的重要原因;随煤变质程度增强，煤层气中N2与CH4的比值呈“增—减—增”的变化规律;在焦煤阶段，热氨化作用生成的N2逐渐增多，CH4生成量相对减少，比值增大;在瘦煤阶段，热氨化作用产生的NH3部分以NH+4形式参与铵伊利石矿物的生成，致使N2生成量相对减少，比值减小;在贫煤阶段，含氮有机质又通过热裂解作用生成N2，N2含量相对增多，比值增大。

峰峰矿区 煤变质 N2铵伊利石

煤变质作用是逐渐排除C、O、N等杂原子的过程，煤变质过程中不仅产生了甲烷 (CH4)，还产生了少量氮气 (N2)，煤层气中CH4和N2具有同源性。对煤层气中N2的研究有助于进一步了解煤层气形成、富集和演化规律。

Scott，A.R.对美国1380多口煤层气生产井气体成分的统计结果表明，煤层气平均成分为:CH4:93.2%;C2+:2.6%;N2:1.1%;CO2:3.1%。戴金星对我国20多个煤矿的高氮煤层气气样分析结果表明，这些煤矿煤层气中N2含量在10%左右，且CH4比例与N2比例互为消长关系。

峰峰矿区煤层气中N2含量平均值较高，N2含量变化较大。在系统整理46个钻孔煤层气样数据资料的基础上，笔者分析了峰峰矿区煤层气中N2含量变化规律及其原因，探讨了煤变质过程中N2和CH4产率之间的关系。

1 地质概况

1.1 地层和煤层

峰峰矿区地层由老至新为太古界震旦系、寒武系、奥陶系、石炭系中统本溪组和上统太原组、二叠系下统山西组、下石盒子组、二叠系上统上石盒子组、石千峰组、三叠系下统刘家沟组、新近系及第四系组成。

含煤地层由石炭系中统本溪组、上统太原组和二叠系下统山西组组成，含煤地层平均厚度205m，含煤层10～26层，煤层总厚14.80m，含可采及局部可采煤层7层，其中2#煤层和9#煤层是全区稳定可采煤层，可采煤层厚度10.76m，可采含煤系数 5.2%。

山西组2#煤层平均厚度3.66m，稳定性好，是峰峰矿区最重要的开采煤层。本文选取2#煤煤层气为研究对象。

1.2 岩浆岩

岩浆岩主要分布在通二矿、薛村矿以北，地表分布有白沙岩体、磁山岩体、矿山岩体、紫山岩体;地下多以岩床、岩脉等形态侵入各时代地层中，岩性以闪长岩、闪长玢岩为主。其同位素年龄介于109～171Ma之间，为中侏罗世到早白垩世，属燕山运动的产物。

2 煤变质

峰峰矿区2#煤煤级呈近东西向带状展布，从北到南煤变质程度逐渐降低，北部万年矿、大淑村矿主要为贫煤，往南薛村矿、羊东矿主要为瘦煤，再往南五矿、九龙口矿主要为焦煤，南部孙庄矿、黄沙矿、梧桐庄矿为肥煤 (图1)。

图1 峰峰矿区地质略图 (据杨起等，1996，修改)

煤的变质作用经历了三个阶段:古生代和中生代早期，石炭二叠纪煤广泛沉积并接受了深成变质作用，深成变质作用只使煤变质到肥气煤阶段;中生代中、晚期的燕山运动使该区侏罗系、白垩系的地层剥蚀殆尽，深成变质作用停滞，燕山期岩浆侵入活动，使部分煤叠加上区域岩浆热变质作用，由于该期岩浆活动范围在矿区北部，故从北到南，随着距离岩浆活动范围逐渐变远，区域岩浆热变质作用的影响逐渐变弱，煤级逐渐降低，这造就了煤级分带现象;新生代煤变质作用不明显。

3 煤层气中氮气含量

峰峰矿区2#煤煤层气中 N2含量平均值为8.64%，N2含量平均值偏高;N2含量变化范围为0～43.54%，每个矿气样中N2含量变化范围都很大 (表1)。高温热解实验结果表明，在快速增温的情况下，煤中有机氮直接以N2形式大量释放。燕山期岩浆的“烘烤”作用类似于高温热解实验，这是峰峰矿区2#煤煤层气中N2含量平均值偏高的重要原因。

羊东矿2#煤煤层气中CO2含量很高，平均值为26.47%。在该矿奥陶系灰岩中发现了岩浆岩侵入体，灰岩在高温下可直接分解产出 CO2，即:CaCO3CaO+CO2，这可能是CO2浓度异常的原因。如此高的CO2含量，使N2和CH4相对含量降低。

表1 峰峰矿区2号煤煤层气成分含量统计表

随热演化程度的增强，沉积有机质分别通过热氨化作用和热裂解作用生成N2。沉积有机质在成熟阶段 (Ro，max:0.6 ～ 2.0%)，随热催化作用增强，一部分含氮有机化合物所吸收的热量达到或接近氨基 (-NH2)断裂所需活化能 (40～50kcal/mol)，所以便发生热氨化作用产生NH3，产生的NH3可通过以下两种途径生成N2:

沉积有机质在过成熟阶段 (Ro，max＞2.0%)，所受热量全面达到了裂解脱氮的活化能 (50～70kcal/mol)，因而含氮有机质裂解直接产N2。

随煤变质程度增强，峰峰矿区2#煤煤层气中N2与CH4比值呈“增—减—增”的变化规律(图2)。

在焦煤阶段 (Ro，max=1.2 ～1.7%)，热氨化作用生成的N2逐渐增多，CH4生成量相对减少，N2与 CH4比值增大。在瘦煤阶段 (Ro，max:1.7～1.9%)，在羊东矿和薛村矿2#煤层泥岩夹矸中，笔者发现铵伊利石 (图3)，泥岩夹矸中粘土矿物主要由铵伊利石和高岭石组成，铵伊利石含量高达54%～76%，该矿物是热氨化作用产生的NH3以NH4+形式取代伊利石层间域中的K+形成的，由于相当部分NH3并没有参与生成N2，致使N2生成量相对减少，N2/CH4减小。在贫煤阶段 (Ro，max=1.9～2.5%)，含氮有机质又通过热裂解作用生成N2，N2含量相对增多，N2/CH4增大。

图2 峰峰矿区2#煤煤层气中N2/CH4随煤变质程度变化图

图3 峰峰矿区铵伊利石矿物X射线衍射图谱

［1］Scott，A.R.Composition and origin of coalbed gases from seleted basins in the United States［c］//Proceedings of the International Coalbed Methane Symposium.Birmingham，A-labama，1993:207-212.

［2］戴金星.中国天然气地质学 ［M］.北京:石油工业出版社，1992:15-30.

［3］刘福胜，徐培武，郑荣华，等.邯邢煤田岩浆侵入及对煤层煤质的影响 ［J］.中国煤田地质，2007，19(5):22-24.

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［5］杨起，潘治贵，翁成敏，等.华北石炭—二叠纪煤变质特征与地质因素探讨［M］.北京:科学出版社，1988:1-106.

［6］杨起，吴冲龙，汤达祯，等.中国煤变质作用［M］.北京:煤炭工业出版社，1996:44-45.

［7］Boudou，J.P.，Espitalie，J.Molecular nitrogen from coal pyrolysis:Kinetic modelling［J］.Chemical Geology，1995，126:319-333.

Coal Metamorphism's Influence on Coalbed N2Concentration in Fengfeng Mining Area

Hao Guoqiang，Wang Jiuling，Hu Sherong，Liu Qinpu，Zhang Yunxun
(College of Geoscience and Surveying Engineering，China University of Mining and Technology(Beijing)，Beijing 100083)

Based on the systematic analysis of the data of 46 coalbed gas samples，this paper discusses the coal metamorphism's influence on coalbed N2concentration in Fengfeng Mining Area.The results show that:Yanshanian magma's“baking”is the main reason for the high N2concentration;The coal metamorphic degree enhanced，ratios of N2/CH4 present the changing rule of“increase-decrease-increase”;In coking coal stage，the liberation rate of N2by thermal ammoniation is faster than the liberation rate of CH4，so the ratio increases;In meager coal stage，NH3generated by thermal ammoniation participates in the formation of ammonium illite in the form of NH4+，thus the liberation rate of N2decreases relatively，the ratio decreases in lean coal stage，organic nitrogen liberates N2by thermal cracking effect，N2concentration increases relatively again，so ratios of N2/CH4increase.

Fengfeng Mining Area;coal metamorphism;N2;ammonium illite

国家自然科学基金项目 (41072119)

郝国强，男，河北省邢台市人，博士研究生，主要从事煤层气地质方面的研究。

(责任编辑 刘 馨)