淮南矿区谢一矿关闭前后B11b煤层瓦斯地质特征变化分析

胡春磊，刘会虎*，丁 海，徐宏杰，杨靖浩，尚建华

（1.安徽理工大学地球与环境学院，安徽淮南 232001；2.安徽省煤田地质局勘查研究院，安徽合肥 230088）

2020 年，我国提出了2030 年实现“碳达峰”，2060 年实现“碳中和”的战略目标。我国能源产业结构中，产生碳排放的化石能源（煤炭、石油、天然气等）以84%的能源消耗，占据结构主导［1］。在此能源结构背景下不仅要寻找可再生能源代替化石能源，还需要大力推进化石能源清洁高效利用［2-3］。开展关闭矿井瓦斯地质特征的研究对如何减少关闭矿井温室气体的排放量，降低关闭矿井发生瓦斯爆炸或泄漏的危险性［4-7］，具有重要意义。

自20世纪开始，国外发达国家针对关闭矿井已开展了相关的研究与实践，在理论突破的基础上开展了一系列的工程实践［8-10］，如德国北莱茵威斯特法利亚煤矿利用残存瓦斯进行发电，取得了较大的资源、环境与经济效益［11］。近年来，国内山西、辽宁等地也对关闭矿井瓦斯资源的利用开展了积极的探索［12］。截至2021年，山西省通过对关闭矿井瓦斯抽采，累计抽采量达1.28×108m3［13］，为其他地区开展关闭矿井瓦斯开发利用提供了良好的示范。

淮南矿区作为我国华东地区重要的煤炭资源矿区，瓦斯资源储量丰富，据“安徽省两淮煤层气资源调查评价”（2014 年），该区瓦斯预测资源总量为3.61×1011m3。由于长期以来缺乏对矿井关闭前后瓦斯地质特征变化的研究，导致残气利用与开发进展缓慢。本文选取谢一矿B11b煤层作为研究对象，基于井田基础地质资料，通过对瓦斯历史工作和关闭后煤层气参数井的实验数据进行分析，总结关闭前B11b煤层瓦斯含气性分布规律，分析关闭后瓦斯赋存特征变化的规律与原因，对淮南矿区矿井关闭前后瓦斯的赋存规律研究以及未来可能的资源开发再利用具有一定的理论意义。

1 研究区概况

1.1 矿井概况

谢一矿位于淮河南岸的八公山东北麓，隶属淮南市，东北距洞山淮南市政府11.2km。矿区面积为25.395 6km2。开采标高-1 200～14m。谢一矿的主体为单斜构造区，由李郢孜褶曲的下翼和谢家集单斜组成。西北部地层走向NW20°～32°，倾向NE，倾角22°，产状稳定。向东转向NW55°～70°，倾角较缓，但变化较大，为10°～26°，局部更缓。单斜区斜切正断层发育，逆断层次之。研究区含煤地层为石炭系—二叠系，可采煤层共17层，平均可采厚度34.55m，其中主要可采煤层6层：C13、B11b、B9b、B8、B7、B4b，平均总厚度为22.46m。B11b煤层厚度在0.65～6.81m，平均4.14m，下距B11煤1.88m，可采系数98%，变异系数32%。岩性为泥岩、炭质泥岩。煤层顶板为泥岩、砂质泥岩，少数为粉细砂岩互层及炭质页岩，属稳定煤层。

1.2 开采历史

谢一矿原名蔡家岗煤矿，于1949 年破土建井，设计年生产能力为30 万t。1952 年建成并简易投产。1953 年，矿井进行第一次改扩建，1956 年竣工移交生产，年设计生产能力为60 万t，同时改蔡家岗煤矿为谢家集一矿，以区别于相继建成的谢二矿、谢三矿。2009 年，谢一矿划分为谢一井和望峰岗井。矿井改扩建后谢一井的核定生产能力为30 万t；望峰岗井的核定生产能力为300万t。受相关政策影响，谢一矿于2016年底前关闭，退出时产能为330万t/a［14］。谢一矿于2020 年测量矿井水位，水深223.1m，地面标高+26.60m，水位标高-196.5m，现矿井大部分区域已被积水充填。

1.3 关闭前后瓦斯/煤层气工作

谢一矿关闭前2004—2011 年补勘施工期间采集A1～C15共18 个煤层CH4样，样点137 个，其中B11b煤层20 个，为控制深度范围，保留1 000m 以深样品8 个。样品测定严格按照《地勘时期煤层瓦斯含量测定方法》（GB/T 23249—2009）执行。安徽省煤田地质局勘查研究院于谢一矿关闭后，在矿区范围内施工2 口煤层气资源勘查参数井，其中新谢-2 井完钻井深1 317.75m，共穿过23层煤，其中有19层可采煤层，总厚33.45m；新谢-3 井完钻井深1 400.00m，共穿过18 层煤，其中有9 层可采煤层，总厚23.05m。共采集40 个样品，B11b煤层样品6 个。样品按照《煤层气含量测定方法》（GB/T19559—2008）规范进行采样、自然解吸、气样采集、室内脱气。本文基于以上谢一矿关闭前后瓦斯/煤层气工作对B11b煤层瓦斯地质特征的变化进行分析。

2 瓦斯地质特征变化

2.1 关闭前矿井瓦斯赋存

2.1.1 关闭前瓦斯成分与含量

通过2004—2011年补勘施工期间采集的B11b煤层瓦斯样品的化验结果，得到关闭前B11b煤层样品瓦斯成分和瓦斯含量（表1）。关闭前B11b煤层甲烷含量（CH4，daf）2.01～15.29m3/t，平均为8.24 m3/t；重烃含量（C2-C8，daf）0.78～1.66 m3/t，平均为1.33 m3/t。关闭前B11b煤层中CH4浓度6.72%～90.51%，平均为41.54%；N2浓度1.52%～82.33%，平均为42.19%；CO2浓度1.23%～8.69%，平均为3.97%。

表1 关闭前B11b煤层主要瓦斯成分与含量Table 1 Main gas composition and content in B11b coal seam before closure

由图1可知，关闭前B11b煤层瓦斯含量随埋深的加深有增大的趋势，符合埋深越深，煤层地应力越大，煤层对瓦斯的吸附能力也越强，瓦斯含量也越高的一般规律。

图1 关闭前B11b煤层瓦斯含量与埋深关系Figure 1 Relationship between gas content and buried depth of B11b coal seam before closure

2.1.2 关闭前瓦斯含量分布及影响因素

利用关闭前B11b煤层瓦斯钻孔数据，对研究区部分区域的瓦斯含量分布进行预测：垂向上，有深部煤层含气量高于浅部煤层的趋势；平面上，总体呈现中部高两侧低的特征，矿井北部含气量较高，最高点也出现在此，南部含气量较低。垂向上的赋存规律主要受埋深影响，横向则受地质构造影响。研究区北部位于大型背斜两翼（图2），周围未发育逆断层，由于背斜顶部裂隙密集发育，形成气体流通的通道，所以轴部瓦斯含量性较低，而向背斜两翼及倾伏方向瓦斯含量较高。南部则受F13断层组控制，附近正断层极为发育。断裂构造破坏了B11b煤层的连续完整性，煤层中的瓦斯运移条件也随之改变。而F13断层组内正断层属于张性断裂，断层破碎受拉张作用影响，张性裂隙发育，张性正断层属于开放性断层，对瓦斯的排放有利，不利于瓦斯的保存［15］。

图2 关闭前B11b煤层瓦斯含量分布Figure 2 Gas content distribution of B11b coal seam before closure

2.2 关闭后矿井瓦斯赋存

通过新谢-2井和新谢-3井对B11b煤层样品现场解吸结果［16］，得到关闭后B11b煤层样品瓦斯成分和瓦斯含量（表2）。关闭后B11b煤层甲烷含量（CH4，daf）0.92～11.65 m3/t，平均6.82 m3/t。除新谢-3 井在埋深1 125.08m 含气量为0.92 m3/t，与关闭前平面瓦斯含量分布预测有所不同外，其余数据符合预测，基本满足关闭前的平面分布特征。但新谢-3 井整体瓦斯含量小于关闭前垂向瓦斯含量分布预测，未落在包络线内（图3）。

图3 关闭前后B11b煤层瓦斯含量与埋深关系Figure 3 Relationship between gas content and buried depth of B11b coal seam before and after closure

表2 关闭后B11b煤层主要瓦斯成分与含量Table 2 Main gas composition and content in B11b coal seam after closure

关闭后B11b煤层中CH4浓度43.31%～80.58%，平均59.89%；N2浓度14.81%～46.78%，平均31.12%；CO2浓度0.87%～1.45%，平均1.07%。为直观反映关闭前后瓦斯成分变化，对表1 和表2 数据整合分析，扣除其他气体成分，绘制只包含CH4，CO2，N2的关闭前后瓦斯成分三元图（图4）。

图4 关闭前后B11b煤层主要瓦斯成分三元图Figure 4 Main gas composition ternary diagram of B11b coal seam before and after closure

2.3 矿井关闭前后瓦斯赋存特征变化原因分析

2.3.1 采动应力场和储层流体场的变化

煤层开采过程中，常规底板扰动范围一般约为50m，覆岩扰动范围影响稍大，约为100m。新谢-3井处于扰动的影响范围，因此采动对煤层的影响是明显的。开采煤层时，上覆岩体会向采动区域移动和垮落，使得采场上方形成采动裂隙场，煤体处于破坏区和塑性区，煤体的塑性破坏使得煤体内次生裂隙大量生成，导致关闭后受采动影响的煤体渗透率明显增大。煤体渗透率的增大打破了原有的瓦斯吸附解吸平衡，煤岩内的瓦斯通过扩散运动、层流和渗透流动不断进入到采空区域，使瓦斯在煤体中的有效排放范围扩大，不利于瓦斯的保存。在通常情况下，生产矿井中的采空区积水在经过自然或人工排水处理后会被及时地排出，从而避免了对周边环境造成的影响。然而，谢一矿关闭后，由于缺乏有效的水文地质控制措施，采空区中的积水长时间无法及时排出，导致矿井被水充填。积水渗透进入煤层孔隙中，替换原有的游离态瓦斯，使少量瓦斯转化为溶解态，导致瓦斯的含气性降低。

2.3.2 瓦斯的重新运移与聚积

瓦斯的分布受分子扩散和压力扩散共同作用，瓦斯在煤层岩体中向各个方向扩散。同时煤体是一种特殊的具有双重结构的岩石，由包含孔隙的煤粒和裂隙组成，因此煤层中存在多种类型的孔隙和不同尺度的裂隙，瓦斯很容易通过这些裂隙和孔隙进行运移。尤其是背斜顶部裂隙密集发育，形成瓦斯运移逸散的良好通道。煤层经过采动后生成了更多的裂隙和孔隙，进一步提高了瓦斯的运移效率。同时在瓦斯运移过程中，由于其与空气的密度存在很大的差异，受到浮力的影响，向上的运移速度大于向下的运移速度，压力扩散效应比分子扩散更为强大，占据主导地位，因此瓦斯向采空区的下部卸压区空间扩散的情况较为少见。这也导致了瓦斯在煤层中往往会聚集在上部裂隙带构成瓦斯富集区（图5）。当关闭后B11b煤层的埋深增加时，瓦斯的含量反而有一定的减小［17-18］。

图5 煤层采动后瓦斯运移及富集示意图Figure 5 Gas migration and enrichment diagram after coal seam mining

2.3.3 瓦斯赋存状态变化

秦勇等认为在煤储层中瓦斯含气量主要受地应力和地层温度影响，其中地应力加大，煤层吸附性增大，含气量上升，产生正效应；地层温度升高，气体热活性增大，煤层吸附性变弱，含气量下降，产生负效应，因此提出了含气量临界深度的概念［17-19］。煤层埋藏初期，地应力的正效应强于地温的负效应，因此煤层中的含气量逐渐增加。但是，当煤层埋藏的深度增加到一定程度时（临界深度），地应力的正效应逐渐开始减弱，而地温的负效应则开始增强，煤岩的吸附性能发生改变，含气量开始下降。由于矿井关闭前钻孔数据的埋深尚未到达临界深度，含气量在地应力正效应的作用下随埋深增加而上升。而煤层在经历采动后，煤体内出现大量裂隙，地应力减小，煤层的含水饱和度增大，导致临界深度（即含气量与埋深关系出现拐点的深度）变浅，其内的吸附态瓦斯逐渐向游离态转化，游离气的比例上升。关闭后取样深度较深的新谢-3 井，可能因达到临界深度，导致含气量出现了下降。

3 结论

通过收集谢一矿的基础地质资料与参数井数据，对谢一矿关闭前后B11b煤层的含气性进行了分析，探讨了瓦斯赋存特征的变化及原因。

1）研究区关闭前B11b煤层甲烷含量2.01～15.29m3/t，平均8.24m3/t。关闭后甲烷含量0.92～11.65m3/t，平均6.82m3/t。关闭前后B11b煤层瓦斯成分主要由N2、CH4和CO2组成。关闭前CH4浓度6.72%～90.51%，平均 41.54%；N2浓度 1.52%～82.33%，平均42.19%；CO2浓度1.23%～8.69%，平均3.97%。关闭后CH4浓度43.31%～80.58%，平均59.89%；N2浓度14.81%～46.78%，平均31.12%；CO2浓度0.87%～1.45%，平均1.07%。

2）通过分析关闭前B11b煤层瓦斯含量，总结预测出关闭前瓦斯在平面与垂向上的赋存规律。关闭后新谢-2井和新谢-3井在平面上与关闭前瓦斯赋存规律基本一致，而垂向上新谢-3 井瓦斯含气量赋存规律与关闭前不一致。含气量有所减小的可能原因为采动应力场和储层流体场发生了变化；瓦斯经过重新运移，聚积在煤层上部裂隙带，形成富集区；临界深度发生改变，导致吸附态瓦斯转化为游离态瓦斯。