保德煤矿8号煤瓦斯赋存规律及主控因素研究

2023-01-11李建新胡博文刘成涛

能源与环保 2022年12期

李建新，胡博文，方杰，刘成涛，李斌

(1.国家能源集团北京低碳清洁能源研究院，北京 102211； 2.韩山师范学院，广东潮州 521041)

我国煤矿瓦斯地质条件复杂，瓦斯灾害频发，严重影响了煤炭安全生产和企业的经济效益[1-5]。我国煤矿瓦斯事故多发，其中重要原因之一是多数煤矿瓦斯赋存规律认识不清。摸清煤层瓦斯赋存规律是煤矿瓦斯治理的先决条件，可有效遏制煤矿瓦斯事故的发生[6-10]。同时，瓦斯作为一种高效优质的清洁能源，合理开发利用瓦斯不仅能有效保障煤矿安全生产，还可以增加能源供给，实现节能减排[11-13]。保德煤矿位于山西省保德县境内，分属东关、桥头两镇管辖，是国家能源集团神东公司的主干煤矿之一，也是神东矿区唯一一座高瓦斯矿井[14]。目前，保德煤矿正在开采8号煤层，随着采掘工作的不断推进，采掘强度增大，采掘深度加深，瓦斯突出治理难度不断加大。深入研究瓦斯赋存规律及其控制因素将有助于瓦斯抽采钻孔的合理布置和瓦斯涌出量的准确预测，从而达到科学有效治理瓦斯的目的。值得一提的是，国家能源集团节能公司保德煤矿刘家墕和枣林2座瓦斯电站2014年已投入运营，截至2020年8月底累计上网电量2.43亿kWh，利用瓦斯1.15亿m3，节约标准煤10.6万t，减排二氧化碳超180万t，累计实现经济效益约1.2亿元，产生了良好的经济效益和社会效益。

1 井田地质背景

保德煤矿井田位于鄂尔多斯盆地东北缘，整体为一单斜构造，倾角3°～9°；未见有大型断层、褶皱及陷落柱，构造类型简单(图1)。矿区内大面积被新生界地层覆盖，在沟谷中主要出露二叠系(P)地层；区内钻探资料揭示，地层由老至新分别为奥陶系(未穿)、石炭系、二叠系、新近系和第四系，其中石炭系太原组及二叠系山西组为区内的主要煤系地层。可采煤层4层，分别为8号、10号、11号、13号煤层。矿区东西倾向宽5.7 km，南北走向长 14.0 km，总面积 55.9 km2，其中，太原组主要发育一套海陆交互相含煤沉积，岩性以煤层、炭质泥岩、灰黑色泥岩、粉砂质泥岩、灰白色中、细砂岩、泥晶灰岩和生屑灰岩为主。山西组主要发育一套河流—河漫滩以及三角洲平原含煤沉积，岩性以煤层、炭质泥岩、灰黑色泥岩、粉砂质泥岩、灰白色中、细砂岩为主。

图1 保德煤矿地质区位图及地层柱状Fig.1 Geological map and stratigraphic histogram of Baode Coal Mine

2 煤层特征

保德井田内主采煤层为山西组8号煤和太原组11号煤，目前正在开采8号煤层。其中，8号煤全区发育，埋藏深度122～663 m。厚度1.85～9.01 m，平均厚 6.02 m，11号煤层厚度1.11～12.55 m，平均厚7.31 m。8号煤演化程度较低，基本以气煤为主，属于中—低阶煤[15]，Ro在0.76～0.83。8号煤宏观煤岩组分主要以暗煤和亮煤为主，煤岩类型属于半暗型—半亮型煤。8号煤显微煤岩组分中，有机组分平均74.7%，其中有机组分镜质组平均29.03%，惰质组平均41.07%，壳质组平均4.60%；无机组分平均25.3%，主要以黏土类矿物为主。8号煤层的孔隙度为4.82%～10.39%，煤渗透率为 0.81×10-3～3.85×10-3μm2，平均为2.31×10-3μm2，总体上具有较好的物性特征，孔隙度较高，渗透率高，裂隙发育。8号煤原煤水分0.84%～3.65%，平均2.28%，原煤内在水分含量较低；灰分14.96%～39.25%，平均26.84%，属中灰煤；挥发分在30.83%～42.40%，平均36.6%，属中—高挥发分煤。

3 煤层含气性特征

通过对保德煤矿以往各阶段瓦斯地质勘查工作资料的收集与整理，据统计，8号煤瓦斯含量0.4～9.16 m3/t，平均4.86 m3/t；8号煤瓦斯各自然成分百分比含量中，CH4含量在0～91.73%，平均含量55.43%；CO2含量在0.16%～34.48%，平均含量10.12%；N2含量在4.62%～89.88%，平均含量34.45%。保德煤矿8号煤样品等温吸附测试结果表明，Langmuir体积(干燥无灰基)为5.35～16.88 m3/t，平均11.84 m3/t，Langmuir压力1.22～5.26 MPa，平均3.24 MPa。

总体上，保德煤矿8号煤瓦斯含量较高，瓦斯成分甲烷占比高，Langmuir体积大，吸附能力较强，煤层含气性较好。

4 瓦斯赋存影响因素

4.1 构造对瓦斯赋存的影响

保德煤矿构造位置上位于鄂多斯盆地东缘晋西挠曲带北段，总体呈现为一西倾单斜构造，地层倾角3°～9°，断裂构造不发育，地质构造较为简单。8号煤底板构造等高线图显示(图2(a))，矿区发育一些近东西走向的褶皱构造。在这些褶皱构造中，小型褶曲对煤层瓦斯含量分布影响较小，而矿区南部规模相对较大的褶皱在局部控制了瓦斯含量的分布，该褶皱为一背斜构造，该背斜两翼瓦斯含量较高，核部含气量较低(图2(b))，这是由于背斜轴部是张性应力的集中区，厚度变薄，孔隙度加大，渗透性增强，导致瓦斯的逸散。相关研究也表明，煤层瓦斯一般在向斜、地堑等负向构造中保存较好[16]，而背斜、地垒等正向构造和正断层等张性断层发育区，地层封闭性差，不利于瓦斯富集。整体上，保德矿区构造条件对8号煤瓦斯含量分布影响相对较小。

图2 8号煤层瓦斯含量及底板标高等值线Fig.2 Contour map of No.8 coal seam gas content and floor elevation

4.2 埋深对瓦斯的赋存的影响

保德煤矿采掘井巷历年瓦斯检测统计显示，8号煤层瓦斯压力在0.37～1.67 MPa，瓦斯压力梯度为0.55 MPa/hm。随着底板标高减小，即埋深增大时，煤层瓦斯压力增大，并呈良好的线性关系(图3)。根据21口钻孔数据，8号煤层瓦斯含量与煤层底板标高拟合度较高，呈现较好的正相关性，相关系数R=0.566 8，显示出随着煤层埋深的增加，瓦斯含量随之增高(图4)，平面呈现出西高东低的分布趋势。由此可见，埋深对保德煤矿8号煤层瓦斯赋存有重要影响。

4.3 煤层厚度和煤质对瓦斯赋存的影响

一般情况，煤层厚度越大，瓦斯生成的物质基础

图3 瓦斯压力与煤层底板标高关系Fig.3 Relationship between gas pressure and coal seam floor elevation

图4 瓦斯含量与煤层底板标高关系Fig.4 Relationship between gas content and coal seam floor elevation

越充足，瓦斯的赋存空间也更多，其含量也越大[17]。保德煤矿钻孔瓦斯实测结果显示，8号煤层瓦斯含量与煤厚关系呈现出明显的分带性，分别为瓦斯含量大于4 m3/t的瓦斯高值区(矿区西部)，小于3 m3/t的瓦斯低值区(矿区中东部)和3～4 m3/t的瓦斯过渡区(矿区中西部)，各区域瓦斯含量与煤厚拟合度较高，整体呈正相关关系(图5)。其中瓦斯高值区和瓦斯低值区瓦斯含量与厚度呈良好的正相关性，且高、低值区所占矿区面积很大；而过渡区瓦斯含量与厚度呈弱正相关，且所占矿区面积很小。由此可见，整体上矿区8号煤层厚度对瓦斯含量有重要影响，是8号煤层瓦斯赋存的关键因素。

图5 煤层厚度与瓦斯含量关系Fig.5 Relationship between coal seam thickness and gas content

保德煤矿8号煤层水分含量很低，灰分含量中等，灰分和水分与煤层瓦斯含量总体呈现出弱负相关性，随着灰分、水分的升高，煤层瓦斯含量有降低的趋势(图6(a)，图6(b))。瓦斯含量与挥发分关系如图6(c)所示。由图6(c)可知，挥发分和瓦斯含量的关系不明显，这是由于8号煤层煤化程度较低，挥发分较高，且全区差异很小，挥发分对瓦斯含量的影响相对很小。总体上，煤质对该区瓦斯赋存的影响较小。