山西省下煤组瓦斯含量和成分变化规律研究

贾 钰

（1.山西省地质矿产研究院；2.煤与煤系气地质山西省重点实验室，太原 030001）

随着煤矿安全生产要求越来越高，监管越来越严，近年来，国家高度重视煤层气的开发利用，陆续出台一系列扶持政策，促进了我国煤层气产业的快速发展。自然资源部数据显示，截至2020年底，全国累计探明煤层气田28个，累计探明地质储量达7 259.11亿m，同比增长950.5%，全国累计生产煤层气288.66亿m，储量和产量均主要来自沁水盆地和鄂尔多斯盆地东缘。之前有部分学者深入研究了不同地区煤层瓦斯含量和成分的变化规律，并进行了测试仪器、测试方法和影响因素等的对比分析。本文根据收集并整理的5 381个下煤组实测数据，系统分析了山西省下煤组的瓦斯含量和成分变化规律，为山西省煤层气开发和瓦斯防治提供基础数据。

1 测试方法及数据收集整理

本研究重点收集山西省五大煤田（大同煤田、宁武煤田、霍西煤田、河东煤田和沁水煤田）下煤组的瓦斯数据，涉及多个煤层。

1.1 瓦斯含量和成分测定方法

所有瓦斯含量数据都由《地勘时期煤层瓦斯含量测定方法》（GB/T 23249—2009）测定，该方法测定的瓦斯含量由四部分组成，即瓦斯损失量、瓦斯解吸量、粉碎前脱气瓦斯量、粉碎后脱气瓦斯量。

气样采集在粉碎前瓦斯脱气后进行，用医用针管通过取气口吸气，清洗取气针管及针头，连续清洗3次，每次吸气不少于20 mL。气样采集期间，应保持针头向下倾斜，避免吸进空气。按照《天然气的组成分析 气相色谱法》（GB/T 13610—2020），取出的气样使用ARNEL GC580型气相色谱仪进行分析，测出脱出气体的各种成分的体积分数。

1.2 瓦斯数据收集整理

山西省五大煤田下煤组位于庙沟灰岩、毛儿沟灰岩之下，主要包含8号、9号、15号煤层，以吴家峪灰岩作为近距下伏层。8号、9号煤层在山西省稳定发育，有时合并为单一厚度煤层，有时呈煤组出现，当呈煤组出现时，二者间常有一带状砂体，宽度小于2～3 km，其被称为屯兰砂岩。该煤组形成于海退期，山西省普遍发育，除北部、南部以及中部局部地段出现零星的不可采点外，均为中厚至厚煤层，且稳定可采。煤层厚度变化的总趋势是由南向北增厚。

大同煤田的下煤组为5号煤层，一般厚度为4.51～13.30 m。宁武煤田的下煤组为9号煤层，一般厚度为9.70～13.00 m。河东煤田北部的下煤组为11号、12号、13号、14号煤层，一般厚度为9.2～14.0 m，13号煤层为主要可采煤层；中部的下煤组为8号、9号、10号煤层，一般厚度为6.7～10.7 m；南部的下煤组为9号、10号煤层，一般厚度为5.8 m。西山煤田的下煤组为8号、9号煤层，总平均厚度为6.67 m。霍西煤田的下煤组为9号、10号、11号煤层，总平均厚度为7.04 m。沁水煤田东山、寿阳、和顺的下煤组为15号、15下煤层，总平均厚度为6.76 m；武乡、潞安、高平、阳城、沁水的下煤组为14号、15号煤层，总平均厚度为4.86 m；安泽、沁源的下煤组为9号、10号、11号煤层，总平均厚度为4.60 m。

2 下煤组瓦斯含量展布特征及变化规律

按照地名把数据归类到各个县市，取瓦斯含量的平均值，总结整理出山西省下煤组的瓦斯含量展布特征及变化规律。

2.1 下煤组瓦斯含量展布特征

总体来说，大同煤田、宁武煤田中北部、河东煤田北部和霍西煤田的瓦斯含量较低，河东煤田南部和沁水煤田中南部瓦斯含量较高。山西省各煤田地勘时期实测煤层含气量为0.01～41.48 m/t，其中最大值出现在沁水煤田晋城矿区。

和顺、榆社和武乡的瓦斯含量为12～16 m/t；平定、昔阳、清徐、襄垣、屯留、沁水、泽州和吉县的瓦斯含量为8～12 m/t；静乐、岚县、娄烦、临县、柳林、中阳、石楼、大宁、蒲县、交城、文水、孝义、寿阳、左权、安泽、长子、高平和阳城的瓦斯含量为4～8 m/t；左云、右玉、怀仁、山阴、宁武、原平、河曲、偏关、保德、兴县、隰县、乡宁、盂县、平遥、介休、交口、灵石、汾西、霍州、洪洞、古县、浮山、襄汾、曲沃和翼城的瓦斯含量小于4 m/t。

2.2 下煤组瓦斯含量变化规律

总体来说，随着深度的增加，瓦斯含量逐渐升高，对应的拟合公式为y=38.54x+443.1，相关系数为0.297。随着挥发分含量降低，瓦斯含量逐渐升高，对应的拟合公式为y=-0.941x+21.56，相关系数为0.258。

3 下煤组瓦斯成分展布特征及变化规律

按照地名把数据归类到各个县市，取瓦斯中CH浓度的平均值，总结整理出下煤组瓦斯成分展布特征及变化规律。

3.1 下煤组瓦斯成分展布特征

总体来说，大同煤田、宁武煤田中北部、河东煤田北部和霍西煤田的CH浓度较低；河东煤田南部、沁水煤田中东部的CH浓度较高。

武乡和襄垣的CH浓度超过80%；文水、榆社、左权、屯留、沁水、泽州和吉县的CH浓度为60%～80%；静乐、盂县、寿阳、平定、昔阳、和顺、清徐、交城、孝义、安泽、长子、高平、翼城、柳林、石楼、大宁和蒲县的CH浓度为40%～60%；宁武、岚县、娄烦、河曲、保德、兴县、临县、中阳、隰县、乡宁、交口、沁源、古县、浮山、阳城的CH浓度为20%～40%；左云、右玉、怀仁、山阴、原平、偏关、平遥、介休、灵石、汾西、霍州、洪洞、襄汾和曲沃的CH浓度小于20%。

3.2 下煤组瓦斯成分变化规律

总体来说，随着挥发分的降低，CH浓度逐渐升高，其拟合公式为y=-2.120x+73.49，相关系数为0.431；随着挥发分的降低，N浓度逐渐降低，其拟合公式为y=1.790x+24.60，相关系数为0.382；随着挥发分的降低，CO浓度逐渐降低，其拟合公式为y=0.302x+1.696，相关系数为0.351；随着挥发分的降低，重烃的浓度也在降低，但趋势不太明显，拟合公式为y=0.027x+0.200，相关系数为0.077。

4 结论

本文收集并整理山西省下煤组的瓦斯成分数据，分析下煤组瓦斯含量和成分变化规律，以更好地利用煤层气和防治瓦斯。从下煤组瓦斯含量展布特征及变化规律来看，大同煤田、宁武煤田中北部、河东煤田北部和霍西煤田的瓦斯含量较低，河东煤田南部和沁水煤田中东部瓦斯含量较高。随着深度的增加，挥发分含量降低，对应的瓦斯含量逐渐升高。从下煤组瓦斯成分展布特征及变化规律来看，大同煤田、宁武煤田中北部、河东煤田北部和霍西煤田的CH浓度较低，河东煤田南部、沁水煤田中东部CH浓度较高。随着挥发分的降低，CH浓度逐渐升高，N和CO的浓度逐渐降低，重烃的浓度也在降低，但趋势不太明显。