煤炭资源枯竭矿井煤层气运移及富集规律研究

2014-02-17尹志胜桑树勋周效志

特种油气藏 2014年5期

尹志胜，桑树勋，周效志

(1.煤层气资源与成藏过程教育部重点实验室，江苏徐州 221008;2.中国矿业大学，江苏徐州 221116)

引言

煤炭资源枯竭矿井煤层气是一种不可忽视的新型清洁能源。中国煤炭资源枯竭矿井多，残煤量大、瓦斯含量高[1]，煤层气资源量及开发潜力大。国内外就此类资源开展了多方面研究，主要涉及赋存状态[2]、资源量估算方法[3-4]、计算范围[5]及开发潜力评价方法等，但目前较少涉及废弃矿井煤层气运移富集规律。以煤层气吸附(解吸)机理为基础[6]，结合“三带”发育理论[7-8]，从残煤类型划分及残气特征入手，对矿井关闭后煤层气运移规律进行研究，明确了矿井关闭后采空区垂向上及倾斜方向上富气区的位置，为后续研究和工程实践提供理论依据。

1 残煤及残气类型划分

1.1 残煤类型划分

残煤是资源枯竭矿井煤层气的来源，残煤类型划分是运移富集规律研究的基础。考虑到矿井关闭后煤层气垂向运移，依据空间位置，将残煤划分为开采层残煤和采动影响范围内邻近层残煤两大类，并进一步细分为煤柱残煤、边角残煤等(图1)。

图1 煤炭资源枯竭矿井残煤类型划分示意

1.2 残气特征分析

矿井关闭后，残气以不同的相态赋存于采空区、邻近煤岩层裂隙带、本煤层残煤及应力释放的邻近层残煤中，既包括通风遗留的游离煤层气，也包括采动影响范围内煤岩层中的吸附煤层气。开采层采落煤、冒落破碎煤等残煤中的残气主要是以浓度扩散的形式释放，运移动力为浓度差，从煤层气高浓度区向低浓度区运移;而建筑物压煤、煤柱等规模残煤中的残气则是在内部残余瓦斯压力和浓度共同作用下发生运移。邻近层残煤中的残气则主要受瓦斯压力驱使发生运移，浓度影响较小。采空区瓦斯压力降低后，若煤储层压力低于临界解吸压力，则残煤中吸附状态的残气可进一步发生解吸运移，直至达到平衡。

2 气体运移及富集的影响因素

2.1 废弃采空区深度

废弃采空区深度直接影响着地应力和煤层气储层压力的大小。采空区深度较大时，地应力相对较大，储层压力也随之增大。根据吸附(解吸)理论，储层压力的增大增加了矿井关闭后残煤中吸附煤层气的解吸难度。高的地应力减小了围岩裂缝的开启率，对气体运移产生了一定的阻碍作用。采空区深度较小，则煤层气逸散概率增大;若矿井封闭质量不达标，大气压力升高时可能造成空气涌入巷道，产生富含空气的煤层气，不利于形成高浓度富集区。

2.2 储层及围岩渗透条件

煤炭资源枯竭矿井的储层和围岩一般具有较好的渗透条件。煤炭开采产生的井巷工程和采空区以及“三带”裂隙为煤层气运移提供了通道。采动影响范围内有效储气空间的体积及裂隙发育程度受矿井关闭时间影响。岩石具可压缩性，覆岩压力作用下，采空区后方垮落岩石逐渐被压实。随着矿井封闭时间增加，压实程度不断增大，采空区体积逐渐变小，最终稳定，垮落岩石在纵深方向上的渗透系数具有明显的分区。若采空区压实程度高，垮落岩石内部空隙率相对就低，覆岩采动裂隙场不发育，减少煤层气运移通道。

2.3 断层构造

开放性断层是煤层气运移的重要通道。断层与采空区交界处的上、下端头位置受应力最大[9]，致使采空区的煤层气向此处扩散运移，通过“三带”裂隙向上运移[10]，若断层连通地表或存在一系列连通地表的贯通裂隙，则会造成煤层气逸散。

2.4 水文地质条件

矿井充水对煤层气运移富集极为不利。矿井水恢复(涌入)减少现有井下气体储气空间，发生解吸运移的残气减少，若联络巷道被淹，则各采区、煤层无法形成联通的储气空间;部分未采煤层被淹，残气在较高的水压作用下主要为吸附状态，较难解吸运移;长期积水可能造成大量残气溶解于水中，降低储气空间中甲烷浓度，若径流条件较好，地下水的流动带走大量残气，减少煤层气资源量。

3 煤炭资源枯竭矿井煤层气运移及富集规律

3.1 近水平煤层单采空区运移及富集规律

煤炭枯竭矿井采空区煤层气运移主要以瓦斯压力差和浓度差为驱动力。煤层开采后采空区正上方区域均为卸压区。矿井关闭初期，近水平煤层单采空区煤层气垂向运移过程整体表现为残煤解吸的残气在瓦斯压力梯度驱使下，由开采层残煤和邻近层残煤，经采动裂隙，向采空区方向运移。由于CH4密度比空气小，不考虑个别高瓦斯矿井关闭后仍保留的机械风流的影响，则残气首先向采空区顶部方向扩散运移。采空区上方“三带”形成时覆岩应力降低，冒落带和裂隙带孔裂隙增大、增多，部分形成贯通裂隙，且初期裂隙带中残气浓度较采空区顶部低，浓度梯度和压力梯度共同驱使残气由采空区经垮落带区域裂隙向裂隙带方向扩散运移，若裂隙带上覆岩层封盖条件较好，顶部无大型开放性断层或者竖向贯通裂隙发育较少，则最终以裂隙带顶部为界形成一个高浓度富气区(图2)。否则残气经大型断裂向浅部运移，并于地表薄弱处涌出，造成地表煤层气泄露。在水动力条件较好的关闭矿井中，地下水回灌且未淹没整个采空区时，水位上升导致采空区压力升高，部分残气溶于水中成为溶解态随矿井水流动运移，另有部分已解吸残气重新吸附。此外，若煤层为构造煤，则煤层中较难形成长久的孔裂隙，不利于煤层气运移和聚集。

图2 近水平煤层单采空区煤层气垂向运移及富集示意

3.2 倾斜煤层相邻采空区运移及富集规律

倾斜煤层单采空区煤层气运移及富集区与近水平煤层类似，均在裂隙带顶部形成高浓度富气区，但受到浮力影响，煤层上倾一端残气浓度较高。相邻采空区煤炭开采过程中，采动条件直接影响邻近先形成采空区残气的运移结果。假设相邻采空区Ⅰ、Ⅱ，采空区Ⅰ煤炭先行开采并封闭，区内残气向上倾裂隙带方向运移，并于上方裂隙带内先形成富气区，相邻采空区Ⅱ煤炭开采会造成多方面的影响。首先采空区Ⅱ的煤炭开采对开采层和邻近层残煤具有一定的解放作用，残煤中的残气可发生进一步解吸运移，采空区Ⅰ中残气解吸运移均为气相渗流。其次，采空区Ⅱ采动裂隙带和弯曲下沉带与采空区Ⅰ的重叠情况直接影响残气的运移结果。不发生重叠时，采空区Ⅱ煤炭开采不会影响采空区Ⅰ中残气富集区形态，Ⅱ封闭后将形成2个相互独立的富气区。若采空区Ⅱ覆岩移动导致采动影响范围扩大，两采空区裂隙带及弯曲下沉带发生明显重叠，产生大量导通裂隙和离层裂隙，加之浅部采空区瓦斯压力较低，采空区Ⅱ封闭后，半空区Ⅰ上方先行富集的残气，可在压力梯度作用下沿这些贯通的裂隙向采空区Ⅱ方向发生二次运移，最终在采空区Ⅱ煤层上倾方向裂隙带顶部形成一个面积较大、浓度较高的富气区(图3)。此时，采空区Ⅰ、Ⅱ瓦斯压力达到共同平衡。此区域为煤炭资源枯竭矿井煤层气开发最为有利的区域。

图3 倾斜煤层相邻采空区煤层气运移及富集示意

4 实例分析

贵州省六枝矿区凉水井矿可采煤层共6层，总厚度为10.2 m，其中主采3号煤层，煤层平均厚度为1.17 m。井田为单斜构造，构造较为简单。该矿井于1958年建井，1960年投产，并于2001年关闭。该矿煤层多，资源潜力大，盘江煤电集团准备对其关闭矿井煤层气资源进行开发。2013年针对该矿采空区运用大功率高密度电阻率层析成像法进行勘探，初步查明勘探区域内采空区“三带”发育情况及煤层气运移、富集情况。结合该区已知点试验资料、邻近矿区电性资料和实测数据统计分析，认为采空区“三带”波及范围内基本为含气区域(图4)，煤层气富集区域(V)位于采空区上方裂隙带内。分析导致该现象的主要原因为CH4(煤层气主要成分)密度相对较小，CH4可沿着开采形成的覆岩裂隙通道上运移。由于垮落带和裂隙带中的裂隙较为发育，对CH4向上运移的阻力较小，渗透率相对较大。然而弯曲下沉带中裂隙不发育，对CH4向上运移的阻力较大，渗透率相对较小。因此，最终在裂隙带内形成了煤层气富集区。

个别煤层气富集区域靠近地表(Ⅲ)，主要原因是矿井关闭时间较长，采空区上方地表发生沉降，弯曲下沉带竖向裂隙增多，导致富集位置上移;由于第四系和风氧化带封盖性能较差，CH4气体向大气逸散，因此该区域中残留气体主要为N2等。采空区中部存在含气较少的区域(Ⅳ)，分析认为原因是该处存在充水现象，煤层气溶解并随水流动，难以保存。

5 结论

(1)煤炭资源枯竭矿井残气主要赋存于采空区、邻近煤岩层裂隙带、本煤层残煤及存在应力释放的临近层残煤中。

(2)煤炭资源枯竭矿井煤层气运移富集受废弃采空区深度、储层及围岩渗透条件、断层构造、水文地质条件等多种因素的影响，共同决定了关闭矿井煤层气资源开发潜力。

(3)矿井关闭后，近水平煤层煤层气垂向上由采空区经垮落带向裂隙带方向运移，并以裂隙带顶部为界形成高浓度瓦斯富集区;倾斜煤层浅部采空区煤炭开采会影响深部已封闭采空区煤层气运移，若相邻采空区裂隙带未重叠，则形成独立的富气区;反之，则深部采空区煤层气发生二次运移，于浅部采空区煤层上倾方向形成统一的富气区。