长平区块残余气影响因素分析

岳利娇

（晋能控股集团 山西科学技术研究院煤与煤层气共采国家重点实验室，山西 晋城 048000）

0 引 言

煤层气含量的精准测量无论在煤层气井的开采方面，还是在煤矿瓦斯的预判方面都有着举足轻重的作用。煤层气含量一般由损失气、解吸气、残余气组成，据美国报道的许多实例（GRI,1996），残余气含量在煤层气含量中占有重要的比例，直接影响着煤的含气饱和度。本文主要对残余气含量和煤质特性的部分参数进行分析，查找相关性。已有张群、杨锡禄等研究发现，在一定条件下灰分与残余气含量呈正相关。本文通过对固定区块、同一煤层的实验，得到了不完全相符的结论，希望可以通过煤质的一些特性对残余气含量做预判。

1 研究区概况

长平区块位于晋获褶断带南部西侧，沁水盆地南缘。长平区块作为一个煤层气及煤炭研究比较成熟的区域，区块内主要含煤地层为石炭系上统太原组与二叠系下统山西组。

本文主要对山西组的3 号煤层进行研究（表1）。山西组地层厚度43.23 ～65.17 m，平均53.62 m。一般含煤2 ～3 层，由上而下编号的煤层为1、2、3 号。

表1 主要可采煤层情况一览Table 1 List of main mineable coal seams

2 研究背景

长平矿主采煤层煤质较软，在应力的作用下很容易造成煤质破坏，发生煤与瓦斯突出，为保证矿井生产安全，需要对煤层气进行预抽采。通过对3号煤层的取芯测试，发现同一煤层埋深，气含量有所不同，经过分析，残余气可作为一项重要的影响因素，本文通过对长平区块29 个解吸样进行数据分析，就残余气赋存影响因素进行分析。

就所研究区域，用取芯方法测固定点的气含量。总气含量主要由损失气、解吸气、残余气三部分组成，根据所测结果，该区域煤层气总气含量在1.2 ～15.2 cm3/g，残余气占比为1.57% ～19%。其中，损失气与煤样的形状、地层压力等因素有关，解吸气与地质构造、地层压力等有关，残余气则与煤的基本性状关系更为紧密，本文主要讨论煤的基本形状对残余气的影响。

3 实验过程

3.1 测定残余气及分析残余气与气含量的关系

3.1.1 残余气测定方法

自然解吸结束后开罐，将煤样风干，称量空气干燥基样品质量。将样品捣碎至2 ～3 cm，取300～500 g 装入球磨罐密封进行残余气测定。待破碎3 h 后，装入恒温水浴箱，待恢复储层温度后，每间隔24 h，读取一次气体体积，连续7 d，平均每天解吸量不大于10 cm3，结束解吸。

3.1.2 残余气与气含量的关系

通过对残余气的测定，发现在同一区块、同一煤层、同一埋深，不同浓度的残余气经过区间划分，每个区间取损失气量和总气量的均值进行分析，残余气和气含量呈现一个明显的规律，当气含量大时，残余气所占比例较低；气含量较小时，残余气所占比例较高。具体结果见表2，残余气与总气含量的关系如图1 所示。

图1 残余气与总气含量的关系Fig.1 Relationship between residual gas and total gas content

表2 残余气与总气含量不同区间均值Table 2 Mean values of residual gas and total gas content in different intervals

3.2 测定取芯煤样的水分、灰分、挥发分

3.2.1 测定水分、灰分、挥发分的方法

实验设备：SDLA 618 工业分析仪。

实验参数：燃烧炉：室温920 ℃；控温点±10 ℃。

煤样粒径：0.25 mm（60 目） 标准筛筛分样品，进行残余气含量计算。

残余气与总气含量不同区间均值见表3。

表3 残余气与总气含量不同区间均值Table 3 Mean values of residual gas and total gas content in different intervals

3.2.2 煤样水分与残余气之间的关系

通过对煤样中水分的检测，将得到的结果分区间求平均值与对应的残余气均值进行线性分析，发现水样含量与残余气含量存在着一定的线性关系，在残余气比较大的煤样中，水分也是比较大的。分析原因，可能是因为固定在煤样中的水分有一定的封闭气体的作用，虽然在解吸过程，以及解吸结束后有风干的过程，但煤样中依然有一定的被水密封的气体的存在，且含量与水含量呈正相关。具体关系见表4，水分与煤样中残余气关系如图2 所示。

图2 水分与煤样中残余气关系图Fig.2 Relationship between moisture and residual gas in coal samples

表4 残余气与水分含量不同区间均值Table 4 Mean values of residual gas and water content in different intervals

3.2.3 煤样中灰分与残余气之间的关系

灰分是指煤样燃烧后留下的残渣，灰分高，说明煤样中可燃物比例会比较低。通过对煤样中灰分的检测，发现灰分与残余气之间，在8%～24%呈现正相关关系，但是在灰分含量继续增加时，残余气含量急剧下降，最后在0.4 cm3/g 附近呈现出平缓变化的现象。测得结果见表5，灰分与残余气关系图如图3 所示。

图3 灰分与残余气关系Fig.3 Relationship between ash and residual gas

表5 残余气与灰分含量不同区间均值Table 5 Mean values of residual gas and ash content in different intervals

3.2.4 煤样中的挥发分与残余气之间的关系

通过对煤样中挥发分的检测，发现挥发分与残余气之间，存在正相关的关系，观察结果，挥发分含量在8%～10%分布较多，且随着挥发分含量的增长，残余气开始明显增加。检测结果见表6，挥发分与煤样中残余气关系图如图4 所示。

图4 挥发分与煤样中残余气关系图Fig.4 Relationship between volatile matter and residual gas in coal samples

表6 挥发分与灰分含量不同区间均值Table 6 Mean value of volatile and ash content in different intervals

3.3 煤样中的镜质体反射率与残余气之间的关系

3.3.1 镜质体反射率的检测方法

利用全自动数字煤岩分析系统测定煤的镜质组反射率，放大倍数：200X 和500X；目镜：双目观察镜筒，10X 目镜、视场数为23。

物镜：反差增强型多功能油浸物镜50X；测量光栏直径≤4 um。

3.3.2 镜质体反射率与残余气的关系

通过对煤样镜质体反射率的检测，发现长平区块取芯煤样的镜质体反射率基本分布在1.8% ～2.6%，通过对每个分布区间取平均值与残余气含量进行分析，得到取芯煤样残余气含量明显跟镜质体反射率成正相关作用，且相关系数为0.984，检测结果见表7，镜质体反射率与煤样残余气关系图如图5 所示。

图5 镜质体反射率与煤样残余气关系图Fig.5 Relationship between vitrinite reflectance and residual gas of coal samples

表7 反射率与灰分含量不同区间均值Table 7 Mean value of reflectance and ash content in different intervals

4 结 论

由于残余气会受到多种因素的影响，包括区域、煤层、埋深、水文等，为排除干扰，取同一区块、同一煤层、同一埋深的煤样进行煤的变质程度对残余气含量的影响分析，通过以上实验较为清晰的得出结论。除此之外，经过多次取芯发现，煤样的形状大小不仅影响损失气含量，也影响着残余气含量，一般块煤会比碎屑煤的残余气含量大，这个结论与张群等得出的结论一致。

（1） 在同一区块、同一煤层、同一埋深，残余气和气含量呈现一个明显的规律：当气含量大时，残余气所占比例较低；气含量比较小时，残余气所占比例较高。

（2） 经过解吸、风化以后的煤样中，水分的含量与残余气含量呈现正相关。

（3） 煤样中的灰分含量在24%以下时，残余气含量与之成正比关系，在24%以上时，随灰分的增高，残余气含量急剧下降，直至0.4 cm3/g 附近呈现出平缓趋势。

（4） 煤样中挥发分的含量与残余气含量明显呈正相关，且挥发分在长平区块的煤样中大多数在8%～10%，但在这个范围之外的挥发分含量与残余气依旧呈正相关关系。

（5） 煤样中的镜质体反射率与残余气呈正相关关系，且相关性系数高达0.984。