宿南礦區祁東煤礦6-1 煤層含氣量及組分特征分析

童家穎，魏 強，2*，石從秋，劉家樂，劉繼威，凌德孟，廖 弦

（1.宿州學院 資源與土木工程學院，安徽 宿州 234000；2.國家煤礦水害防治工程技術研究中心，安徽 宿州 234000）

煤層氣以甲烷為主，含一定的二氧化碳與氮氣，是一種與煤伴生且存儲于煤層及圍巖中的非常規氣體[1]。我國煤層氣資源儲量位居世界前列，合理開采煤層氣不僅可以減少瓦斯事故，還能在資源匱乏的情況下，作為一種優質、高效、清潔、新型的替代能源，用來減少環境污染，起到較好的環境效益，迎合國家所提倡的環境友好型社會的推進與發展。研究和深入認識我國煤層氣含氣量及其他影響地質因素，是我國煤層氣資源勘探中首先必須要考慮解決的一個問題。為深入了解我國煤層氣資源賦存變化情況及煤層地質變化特征，前人通過一系列理論分析與實證研究，確定了我國煤層地質厚度、煤巖地質特性、滲透率、孔隙煤層大小、埋深、煤質等均可以影響煤層氣的含量。魏強[2]通過對深和淺部儲存含煤層氣量吸附與分解吸附的特征分析，初步確定了深部煤層含氣量與深部煤質間的相互關系;童柳華等[3]通過分析并初步確定了儲煤層深部埋藏層的深度可作為影響深部煤層氣含量賦存的主要影響因素；高尚[4]通過分析并初步確定了煤層地質地貌構造對煤層氣含量賦存的主要影響。本文以宿南礦區祁東煤礦6-1 煤層為研究對象，基于含氣量及組分特征，對其影響因素進行分析。以上研究，可為宿南礦區祁東煤礦煤層氣的開發提供一定的理論依據。

1 地質背景

宿南礦區坐落于安徽省宿州市東南部，面積約為302 km2，整體地層結構處于向斜構造上，以正斷層為主，走向以北東及北北東方向為主，含煤地層為上石炭統-二疊系，主要包括礦區上中下煤炭系統石盒子組、下中上石炭石盒子組及山西組。石炭系的煤層由于相對較薄[5]，增加了在開采上的復雜程度，因此為不可采煤層。二疊系含煤地層豐富，3-2、6-1、6-3、7-1、7-2、8-2、10 煤層均為穩定煤層[6]，此煤層上的開發潛力較高。祁東煤礦坐落于安徽省宿州市埇橋區，地跨蘄縣鎮、西寺坡鎮和固鎮縣湖溝鎮，整體上處于宿南向斜的東南端方向。祁東井田東西長約9 km，南北寬約3.5～5 km，礦井面積大約46.5 km2，此礦區井田內煤層含氣量較高[7]，具有良好的開發潛力，可提高宿南礦區煤層氣的資源儲量。如圖1 所示，可得到宿南礦區煤層氣的地質綱要圖，其中包含本文所探討的祁東煤礦。通過圖1 可大致了解到祁東煤礦與其他幾個礦區的地理方位及基本走向等信息。

圖1 宿南礦區煤層氣地質綱要圖[4]

2 煤質特征

煤層氣量工業煤炭組分含量是評價工業煤質的主要測量指標，同時也是影響工業含煤層氣量的重要因素之一。通過工業分析，可以測定出煤樣的水分、灰分和揮發分，一般情況下，三者都是通過相應的儀器設備直接測出的[8]。通過樣品分析，可以得到3-2、7-1和6-1 煤層中的Mad（空氣干燥基水分）、Aad（空氣干燥基灰分）、Vad（空氣干燥基揮發分）在各自煤層中所占的比例。如圖2 所示，在3 個不同煤層中水分含量占比均較小，而灰分與揮發分含量占比較大。其中，祁東煤礦6-1 煤層中水分介于1.15%～1.95%之間（平均值：1.34%），灰分與揮發分含量占比較多，分別為15.16%～30.67%（平均值：19.73%）和22.33%～28.14%（平均值：25.81%）。而在3-2 和7-1 煤層中的灰分與揮發分占比分別為11.59%～36.39%（平均值：24.21%）、22.75%～34.3%（平 均 值：27.82%）和13.06%～21.77%（平均值：15.78%）、22.78%～31.35%（平均值：27.92%）。由此可以看出，灰分與揮發分在各煤層中含量占比相對較高，且煤質中主要以灰分和揮發分為主，水分含量極少。

圖2 6-1、3-2 和7-1 煤層中水分、灰分和揮發分含量圖

3 含氣量特征

祁東煤礦6-1 煤層氣樣品中的成分以甲烷（CH4）、二氧化碳（CO2）和氮氣（N2）為主，且甲烷含量占比最大。由圖3 可知，6-1 煤層含氣量介于0.35～14.15 m3/t 之間，平均值為5.55 m3/t。對比發現，3-2煤層含氣量介于2.41～10.68 m3/t 之間，平均值為7.25 m3/t。在7-1 煤層中，含氣量介于1.62～12.59 m3/t 之間，平均值為6.86 m3/t。由此可以得出，在宿南礦區祁東煤礦中，6-1 煤層的含氣量均值相對于3-2 和7-1 煤層較低。6-1 煤層中個別序號下的含氣量大于其他煤層中樣品含氣量，且在序號4 樣品中的煤層氣含量值突變，為樣品中煤層氣含量最大值14.15 m3/t。在序號6和7 的樣品中，6-1 煤層中的含氣量較低，幾乎不可采。通過對比可知，3-2 煤層中含氣量較為穩定，其次為7-1 煤層。

圖3 祁東煤礦各相關含氣量直方圖

從煤層氣成分上來看，6-1 煤層主要成分為甲烷，其次為氮氣和二氧化碳。由圖4 可知，甲烷含量占比在6-1、3-2 和7-1 三個煤層中均為最高值。但在6-1 煤層序號6 和序號7 的樣品中，氮氣含量占比大于甲烷含量占比。而序號6 和序號7 的樣品中，含氣量值也較低。由此可以發現，含氣量與甲烷之間存在某種相關關系。其中，在6-1 煤層中，甲烷含量占比在12.05%～96.44%之間，平均值為71.14%，氮氣與二氧化碳占比分別為0.14%～92.66%（平均值：27.18%）和0～5.31%（平均值：2.88%）；在3-2 煤層中，甲烷含量占比在72.07%～97.92%，平均值為87.92%，氮氣與二氧化碳占比分別為0.4%～21.73%（平均值：8.11%）和1.06%～6.42%（平均值：3.90%）；在7-1 煤層中，甲烷含量占比在62.15%～97.06%，平均值為84.28%，氮氣與二氧化碳占比分別為0.15%～30.16%（平均值：11.13%）和1.75%～8.43%（平均值：4.58%）。對比3 個煤層發現，3-2 煤層中甲烷含量占比均值最高，而6-1 煤層中甲烷含量占比均值最低。在6-1、3-2 和7-1 三個不同煤層中甲烷含量占比均為最大值，而二氧化碳和氮氣含量較少幾乎不超過整體的30%。

圖4 祁東煤礦各相關煤層氣組分直方圖

4 含氣量及組分影響因素分析

4.1 埋深影響

煤層氣在地下的分布是不均衡的。不同地區，或者同一地區不同煤層間的含氣量往往差異較大。根據6-1 煤層的樣品分析，得到了關于煤層含氣量與埋藏深度的散點圖及趨勢線（圖5）。埋藏深度可分為淺部埋藏與深部埋藏，一般情況下，深部埋藏的煤層含氣量較多[9]。因樣品中的開采深度不一樣，其煤層含氣量也不同。祁東煤礦6-1 煤層埋深介于414.34～766.82 m，平均值為601.66 m。總體上，煤層含氣量與煤層埋深呈一元線性關系，煤層含氣量隨著埋藏深度的增加而增加。如圖5（a）所示，6-1 煤層含氣量與埋深相關性系數不到0.4，特別是含氣量低于1.00 m3/t 的樣品，可能由于煤層厚度等因素使煤層氣散逸[10]，導致測得樣品中含氣量值相對較低，位于趨勢線以下。但整體上，除去異常點之外，含氣量與埋藏深度之間具有一定的弱相關關系，且含氣量與埋藏深度成正比。

通過對樣品的分析，發現埋深不僅對含氣量起著關鍵性影響，還與化學組分間存在著一定的關系。通過對比圖5（b）、圖5（c）、圖5（d）三幅圖，發現在6-1 煤層中甲烷的含量占比隨著埋藏深度的增加呈上升趨勢，而氮氣含量占比卻呈下降趨勢。但甲烷與埋深相關關系不大，其相關系數僅有0.199 7。從數值的集中程度上看，在埋深為454.41～766.82 m 之間，大多數樣品中甲烷含量占比都在80%以上，個別甲烷含量高達90%以上。總體上，氮氣含量占比與甲烷此起彼伏，大致上二者之間具有一定的負相關關系。二氧化碳含量隨著埋藏深度的增加或減少，其含量變化波動較小，較為穩定，所以在圖上看到的線性關系不明顯，相關系數只有0.11 左右。對比4 幅圖可知，含氣量與埋藏深度的相關性更高，達到0.36，而二氧化碳與埋藏深度的相關性最低。其中，甲烷和含氣量與埋深都呈正相關，這也表明甲烷可能與含氣量之間存在某種關系。

圖5 6-1 煤含氣量、組分與埋深散點圖

4.2 煤質影響

煤的工業分析中，水分（Mad）、灰分（Aad）和揮發分（Vad）是研究煤質的3 個重要指標。煤的水分在燃燒時會大量吸熱，這在一定程度上會大大降低煤的發熱量，從而影響煤的一系列使用運輸等情況。煤的灰分是指當溫度達到某個特定值，煤在此條件下充分燃燒后所遺留下來的物質。煤的揮發分則指煤在燃燒后的逸出物質中除去了水分含量后的其他物質含量。

根據現有樣品的整理與分析，可得到以下關于6-1 煤層含氣量與煤質（水分、灰分、揮發分）之間的關系。由圖6 可知，祁東煤礦6-1 煤層中Mad 含量在1.15%～1.95%之間，平均值為1.34%；Aad 含量在15.16%～30.67%之間，平均值為19.73%；Vad 含量在22.33%～28.14%之間，平均值為25.81%。通過對比圖6（a）、圖6（b）、圖6（c）三幅圖，發現水分與含氣量的相關關系不明顯，且含量占比在整體上也比較少。總體上，揮發分含量占比最多，而在6-1 煤層個別樣品中，煤灰分含量大于揮發分含量。通過圖6（a）可知，水分在6-1 煤層中與含氣量的線性關系不大，相關系數只有0.069。而在圖6（b）中，含氣量與灰分相關系數達到0.7 左右，且含氣量與灰分成正比。對比圖6（b）與圖6（c）得到：在6-1 煤層中，含氣量隨著灰分的增加而增加，隨著揮發分的增加而減少，且整體上揮發分與含氣量呈弱負相關關系。

圖6 含氣量與煤質關系散點圖

5 結論

本文通過對宿南礦區祁東煤礦6-1 煤層含氣量與組分特征進行分析，從地質背景、含氣量特征、煤質特征、含氣量及組分與埋深和煤質之間的關系，結合數據分析，圖表分析，得出了以下結論。

（1）宿南礦區祁東煤礦6-1 煤層含氣量介于0.35～14.15 m3/t 之間，平均值為5.55 m3/t。煤質中的Mad 含量在1.15%～1.95%之間，Aad 含量在15.16%～30.67%之間，Vad 含量在22.33%～28.14%之間。煤層含氣量與灰分成正比，與揮發分呈弱負相關關系。

（2）6-1 煤層中甲烷含量占比介于12.05%～96.44%之間，二氧化碳和氮氣分別為0～5.31%和0.14%～92.66%。對比發現，含氣量與埋深成正比，甲烷與埋深成正比，氮氣與埋深成反比，含量相對較少的二氧化碳幾乎不隨埋藏深度的增加或減少而變化。