城山煤礦煤層含氣情況分析

孟 昊

（黑龍江省煤田地質勘察設計研究院，黑龍江 哈爾濱 150001）

城山煤礦位于穆棱河北岸，雞勃公路與方虎公路交匯處，城子河區政府所在地，距雞西市區四公里。城山煤礦成立于2007年9月28日，其前身是有著69年開采歷史的城子河煤礦，是龍煤集團雞西分公司所屬的以生產和洗選加工煤炭為主的大型現代化礦井之一。礦井設計生產能力240萬噸，可采儲量1.5億噸。城山煤礦開采煤層主要為晚侏羅世城子河組，地層部厚度520-600m，含煤40多層，平均可采煤層總厚度約16m，年生產能力230多萬噸，立井屬于高瓦斯礦井，2002年6月20發生了瓦斯爆炸事故，造成124人死亡。煤礦儲量約1.5億噸，含瓦斯約20億m3。在開采過程中瓦斯涌出量大，個別工作面超過100m3/s，煤層滲透率又低，嚴重威脅煤礦正常生產，所以加大對煤層含氣情況的研究，制定切實可行的治理方案尤為重要。

正因為有著深刻的教訓，城山煤礦在煤炭開采中高度重視安全生產工作，也加大了對煤礦瓦斯的研究力度，通過對煤層瓦斯含量和壓力測定工作，對煤層的含氣性、含氣量、瓦斯壓力，以及甲烷濃度、滲透性進行了測定和分析。

1 城山煤礦煤層瓦斯含量的測定方法

根據哈爾濱煤科所礦井瓦斯涌出資料，采用分源計算法，在城山煤礦進行了煤層瓦斯壓力的推算工作。主要測定方法有間接計算法和直接計算法。間接計算法是根據實測的瓦斯壓力值，結合實驗室測定的煤層等溫吸附常數，由朗格繆爾吸附方程得到測得，城山煤礦煤層瓦斯含量為10.69~15.73m3/t，平均13.02m3/t。通過直接計算法，煤層實測瓦斯平均含量分別為12.96 m3/t。

從兩種測量方法可以看出，城山煤礦煤層的平均含氣量很高，而且煤層含氣量北帶明顯高于南帶，這與北帶煤層變質程度高于南帶相符。從平面上看，北部坳層甲烷含量高于南部坳陷，同時北部的煤層甲烷含量又呈現中間低、東西兩側高的趨勢，兩者均表明甲烷含量具有隨著煤的變質階段增高而增加的規律。北部煤層甲烷含量高于南部。從垂向上看，穆棱組煤層甲烷含量低于城子河組，且城子河組的淺部煤層甲烷含量又低于深部，這表明甲烷含量具有隨著煤層埋深的增加而增高的規律。

2 城山煤礦的甲烷濃度

城山煤礦煤層氣組分濃度與含量情況，CH4含量在65.96-95.89%之間，平均為86.53%。其中穆棱組CH4濃度明顯低于城子河組，穆棱組CH4為66.95-82.13%；平均74.98%，城子河組CH4為76.87-95.12%；平均87.2%。屬氮氣—甲烷帶和甲烷帶。

3 城山煤礦的含氣飽和度

含氣飽和度是煤層氣開發中的重要指標之一，飽和度越高，說明含氣量越高，越有利于開采，反之則對開采不利。城山煤礦實測的平均瓦斯壓力梯度為0.59MPa/100m，與等溫吸附曲線對照，理論含氣量應為12.96m3/t，屬于非飽和煤層氣藏。

4 城山煤礦瓦斯控制因素

城山煤礦瓦斯含量高，與瓦斯的控制因素密不可分，受雞西分地整體環境影響，城山煤礦瓦斯的控制因素大致包括構造控氣、沉積控氣、水文地質條件控氣等。其中構造控氣主要是因為雞西盆地褶皺、斷裂比較發育，地臺和褶皺帶過渡區域的含煤盆地均可含有數量可觀的煤層氣。雞西盆地受經過多期活動的敦密斷裂帶影響、控制和改造，活動性比較強。城山煤礦內褶皺和斷裂較為發育，是儲藏煤層氣理想區域。對于沉積環境控氣，主要表現在煤儲層與蓋層之間的組合關系上，因為城山煤礦穆棱組含煤段的上層是厚層泥巖段，是煤層氣封蓋的比較理想的蓋層，并且穆棱組上部有大段的厚層凝灰巖-火山角礫巖層，以及東山組火山角礫巖層，這些巖層的質地致密、堅硬，都是煤層氣封蓋的良好蓋層。水文地質條件控氣包括水的封閉作用控氣、水的封堵作用控氣和水力運移逸散作用控氣。煤層氣以吸附狀態賦存于煤的孔隙中，地層壓力通過煤中水分對煤層氣起封閉作用。水文地質條件對煤層氣保存運移影響很大，對煤層氣的開采也至關重要。煤層的砂巖裂隙含水層是直接充水含水層，含水性比較弱，滲透系數比較低，致使地下水呈封閉狀態，對煤層氣有較好的封隔作用。煤層氣受水力封閉而富集，所以煤層氣含量較高。由于受不對稱的向斜或單斜構造影響，煤系地層中的含水層從露頭直接接受補給，地下水順層由地層淺部向深部運動，將煤層中向上擴散的氣體封堵，致使煤層氣大量聚集。因雞西盆地受敦密斷裂帶的影響，其附近沉積有巨厚的新近系、古近系地層，致使下伏的含煤地層抬升，剝蝕幅度較大，斷裂發育，含水層富水性強，并與煤層水力聯系較好，所以在地下水的運動過程中，攜帶部分煤層中氣體運移而逸散。

5 城山煤礦瓦斯的利用

甲烷含量具有隨著煤層埋深的增加而增高的規律，城山煤礦穆棱組甲烷濃度明顯低于城子河組，屬氮氣—甲烷帶和甲烷帶。北部的資源豐度高于南部。含氣飽和度為欠飽和煤層氣藏。現已經加大治理力度，采用多種抽采方式，利用瓦斯發電，作為生活燃料等，變廢為寶。經過瓦斯抽采，既提高了煤礦的安全系數，還減少了有害氣體的排放，又增加了經濟效益。

結語

煤層氣（煤礦瓦斯）替代煤炭燃燒利用，可有效降低二氧化硫、煙塵等大氣污染物排放總量，減少粉煤灰占地產生的環境問題，避免煤炭加工、運輸時產生的揚塵等大氣污染，有利于改善大氣環境。

[1]車樹成，張榮偉.煤礦地質學[M].徐州：中國礦業大學出版社，2006（07）.

[2]郭東.煤層氣資源利用現狀及效益分析[M].北京：中國礦業大學出版社，2010（01）.