城山煤矿煤层含气情况分析

2015-04-02孟昊

中国新技术新产品 2015年4期

孟昊

（黑龙江省煤田地质勘察设计研究院，黑龙江哈尔滨 150001）

城山煤矿位于穆棱河北岸，鸡勃公路与方虎公路交汇处，城子河区政府所在地，距鸡西市区四公里。城山煤矿成立于2007年9月28日，其前身是有着69年开采历史的城子河煤矿，是龙煤集团鸡西分公司所属的以生产和洗选加工煤炭为主的大型现代化矿井之一。矿井设计生产能力240万吨，可采储量1.5亿吨。城山煤矿开采煤层主要为晚侏罗世城子河组，地层部厚度520-600m，含煤40多层，平均可采煤层总厚度约16m，年生产能力230多万吨，立井属于高瓦斯矿井，2002年6月20发生了瓦斯爆炸事故，造成124人死亡。煤矿储量约1.5亿吨，含瓦斯约20亿m3。在开采过程中瓦斯涌出量大，个别工作面超过100m3/s，煤层渗透率又低，严重威胁煤矿正常生产，所以加大对煤层含气情况的研究，制定切实可行的治理方案尤为重要。

正因为有着深刻的教训，城山煤矿在煤炭开采中高度重视安全生产工作，也加大了对煤矿瓦斯的研究力度，通过对煤层瓦斯含量和压力测定工作，对煤层的含气性、含气量、瓦斯压力，以及甲烷浓度、渗透性进行了测定和分析。

1 城山煤矿煤层瓦斯含量的测定方法

根据哈尔滨煤科所矿井瓦斯涌出资料，采用分源计算法，在城山煤矿进行了煤层瓦斯压力的推算工作。主要测定方法有间接计算法和直接计算法。间接计算法是根据实测的瓦斯压力值，结合实验室测定的煤层等温吸附常数，由朗格缪尔吸附方程得到测得，城山煤矿煤层瓦斯含量为10.69~15.73m3/t，平均13.02m3/t。通过直接计算法，煤层实测瓦斯平均含量分别为12.96 m3/t。

从两种测量方法可以看出，城山煤矿煤层的平均含气量很高，而且煤层含气量北带明显高于南带，这与北带煤层变质程度高于南带相符。从平面上看，北部坳层甲烷含量高于南部坳陷，同时北部的煤层甲烷含量又呈现中间低、东西两侧高的趋势，两者均表明甲烷含量具有随着煤的变质阶段增高而增加的规律。北部煤层甲烷含量高于南部。从垂向上看，穆棱组煤层甲烷含量低于城子河组，且城子河组的浅部煤层甲烷含量又低于深部，这表明甲烷含量具有随着煤层埋深的增加而增高的规律。

2 城山煤矿的甲烷浓度

城山煤矿煤层气组分浓度与含量情况，CH4含量在65.96-95.89%之间，平均为86.53%。其中穆棱组CH4浓度明显低于城子河组，穆棱组CH4为66.95-82.13%；平均74.98%，城子河组CH4为76.87-95.12%；平均87.2%。属氮气—甲烷带和甲烷带。

3 城山煤矿的含气饱和度

含气饱和度是煤层气开发中的重要指标之一，饱和度越高，说明含气量越高，越有利于开采，反之则对开采不利。城山煤矿实测的平均瓦斯压力梯度为0.59MPa/100m，与等温吸附曲线对照，理论含气量应为12.96m3/t，属于非饱和煤层气藏。

4 城山煤矿瓦斯控制因素

城山煤矿瓦斯含量高，与瓦斯的控制因素密不可分，受鸡西分地整体环境影响，城山煤矿瓦斯的控制因素大致包括构造控气、沉积控气、水文地质条件控气等。其中构造控气主要是因为鸡西盆地褶皱、断裂比较发育，地台和褶皱带过渡区域的含煤盆地均可含有数量可观的煤层气。鸡西盆地受经过多期活动的敦密断裂带影响、控制和改造，活动性比较强。城山煤矿内褶皱和断裂较为发育，是储藏煤层气理想区域。对于沉积环境控气，主要表现在煤储层与盖层之间的组合关系上，因为城山煤矿穆棱组含煤段的上层是厚层泥岩段，是煤层气封盖的比较理想的盖层，并且穆棱组上部有大段的厚层凝灰岩-火山角砾岩层，以及东山组火山角砾岩层，这些岩层的质地致密、坚硬，都是煤层气封盖的良好盖层。水文地质条件控气包括水的封闭作用控气、水的封堵作用控气和水力运移逸散作用控气。煤层气以吸附状态赋存于煤的孔隙中，地层压力通过煤中水分对煤层气起封闭作用。水文地质条件对煤层气保存运移影响很大，对煤层气的开采也至关重要。煤层的砂岩裂隙含水层是直接充水含水层，含水性比较弱，渗透系数比较低，致使地下水呈封闭状态，对煤层气有较好的封隔作用。煤层气受水力封闭而富集，所以煤层气含量较高。由于受不对称的向斜或单斜构造影响，煤系地层中的含水层从露头直接接受补给，地下水顺层由地层浅部向深部运动，将煤层中向上扩散的气体封堵，致使煤层气大量聚集。因鸡西盆地受敦密断裂带的影响，其附近沉积有巨厚的新近系、古近系地层，致使下伏的含煤地层抬升，剥蚀幅度较大，断裂发育，含水层富水性强，并与煤层水力联系较好，所以在地下水的运动过程中，携带部分煤层中气体运移而逸散。

5 城山煤矿瓦斯的利用

甲烷含量具有随着煤层埋深的增加而增高的规律，城山煤矿穆棱组甲烷浓度明显低于城子河组，属氮气—甲烷带和甲烷带。北部的资源丰度高于南部。含气饱和度为欠饱和煤层气藏。现已经加大治理力度，采用多种抽采方式，利用瓦斯发电，作为生活燃料等，变废为宝。经过瓦斯抽采，既提高了煤矿的安全系数，还减少了有害气体的排放，又增加了经济效益。