山西省下煤組瓦斯含量和成分變化規(guī)律研究

賈 鈺

（1.山西省地質礦產研究院；2.煤與煤系氣地質山西省重點實驗室，太原 030001）

隨著煤礦安全生產要求越來越高，監(jiān)管越來越嚴，近年來，國家高度重視煤層氣的開發(fā)利用，陸續(xù)出臺一系列扶持政策，促進了我國煤層氣產業(yè)的快速發(fā)展。自然資源部數(shù)據(jù)顯示，截至2020年底，全國累計探明煤層氣田28個，累計探明地質儲量達7 259.11億m，同比增長950.5%，全國累計生產煤層氣288.66億m，儲量和產量均主要來自沁水盆地和鄂爾多斯盆地東緣。之前有部分學者深入研究了不同地區(qū)煤層瓦斯含量和成分的變化規(guī)律，并進行了測試儀器、測試方法和影響因素等的對比分析。本文根據(jù)收集并整理的5 381個下煤組實測數(shù)據(jù)，系統(tǒng)分析了山西省下煤組的瓦斯含量和成分變化規(guī)律，為山西省煤層氣開發(fā)和瓦斯防治提供基礎數(shù)據(jù)。

1 測試方法及數(shù)據(jù)收集整理

本研究重點收集山西省五大煤田（大同煤田、寧武煤田、霍西煤田、河東煤田和沁水煤田）下煤組的瓦斯數(shù)據(jù)，涉及多個煤層。

1.1 瓦斯含量和成分測定方法

所有瓦斯含量數(shù)據(jù)都由《地勘時期煤層瓦斯含量測定方法》（GB/T 23249—2009）測定，該方法測定的瓦斯含量由四部分組成，即瓦斯損失量、瓦斯解吸量、粉碎前脫氣瓦斯量、粉碎后脫氣瓦斯量。

氣樣采集在粉碎前瓦斯脫氣后進行，用醫(yī)用針管通過取氣口吸氣，清洗取氣針管及針頭，連續(xù)清洗3次，每次吸氣不少于20 mL。氣樣采集期間，應保持針頭向下傾斜，避免吸進空氣。按照《天然氣的組成分析 氣相色譜法》（GB/T 13610—2020），取出的氣樣使用ARNEL GC580型氣相色譜儀進行分析，測出脫出氣體的各種成分的體積分數(shù)。

1.2 瓦斯數(shù)據(jù)收集整理

山西省五大煤田下煤組位于廟溝灰?guī)r、毛兒溝灰?guī)r之下，主要包含8號、9號、15號煤層，以吳家峪灰?guī)r作為近距下伏層。8號、9號煤層在山西省穩(wěn)定發(fā)育，有時合并為單一厚度煤層，有時呈煤組出現(xiàn)，當呈煤組出現(xiàn)時，二者間常有一帶狀砂體，寬度小于2～3 km，其被稱為屯蘭砂巖。該煤組形成于海退期，山西省普遍發(fā)育，除北部、南部以及中部局部地段出現(xiàn)零星的不可采點外，均為中厚至厚煤層，且穩(wěn)定可采。煤層厚度變化的總趨勢是由南向北增厚。

大同煤田的下煤組為5號煤層，一般厚度為4.51～13.30 m。寧武煤田的下煤組為9號煤層，一般厚度為9.70～13.00 m。河東煤田北部的下煤組為11號、12號、13號、14號煤層，一般厚度為9.2～14.0 m，13號煤層為主要可采煤層；中部的下煤組為8號、9號、10號煤層，一般厚度為6.7～10.7 m；南部的下煤組為9號、10號煤層，一般厚度為5.8 m。西山煤田的下煤組為8號、9號煤層，總平均厚度為6.67 m?；粑髅禾锏南旅航M為9號、10號、11號煤層，總平均厚度為7.04 m。沁水煤田東山、壽陽、和順的下煤組為15號、15下煤層，總平均厚度為6.76 m；武鄉(xiāng)、潞安、高平、陽城、沁水的下煤組為14號、15號煤層，總平均厚度為4.86 m；安澤、沁源的下煤組為9號、10號、11號煤層，總平均厚度為4.60 m。

2 下煤組瓦斯含量展布特征及變化規(guī)律

按照地名把數(shù)據(jù)歸類到各個縣市，取瓦斯含量的平均值，總結整理出山西省下煤組的瓦斯含量展布特征及變化規(guī)律。

2.1 下煤組瓦斯含量展布特征

總體來說，大同煤田、寧武煤田中北部、河東煤田北部和霍西煤田的瓦斯含量較低，河東煤田南部和沁水煤田中南部瓦斯含量較高。山西省各煤田地勘時期實測煤層含氣量為0.01～41.48 m/t，其中最大值出現(xiàn)在沁水煤田晉城礦區(qū)。

和順、榆社和武鄉(xiāng)的瓦斯含量為12～16 m/t；平定、昔陽、清徐、襄垣、屯留、沁水、澤州和吉縣的瓦斯含量為8～12 m/t；靜樂、嵐縣、婁煩、臨縣、柳林、中陽、石樓、大寧、蒲縣、交城、文水、孝義、壽陽、左權、安澤、長子、高平和陽城的瓦斯含量為4～8 m/t；左云、右玉、懷仁、山陰、寧武、原平、河曲、偏關、保德、興縣、隰縣、鄉(xiāng)寧、盂縣、平遙、介休、交口、靈石、汾西、霍州、洪洞、古縣、浮山、襄汾、曲沃和翼城的瓦斯含量小于4 m/t。

2.2 下煤組瓦斯含量變化規(guī)律

總體來說，隨著深度的增加，瓦斯含量逐漸升高，對應的擬合公式為y=38.54x+443.1，相關系數(shù)為0.297。隨著揮發(fā)分含量降低，瓦斯含量逐漸升高，對應的擬合公式為y=-0.941x+21.56，相關系數(shù)為0.258。

3 下煤組瓦斯成分展布特征及變化規(guī)律

按照地名把數(shù)據(jù)歸類到各個縣市，取瓦斯中CH濃度的平均值，總結整理出下煤組瓦斯成分展布特征及變化規(guī)律。

3.1 下煤組瓦斯成分展布特征

總體來說，大同煤田、寧武煤田中北部、河東煤田北部和霍西煤田的CH濃度較低；河東煤田南部、沁水煤田中東部的CH濃度較高。

武鄉(xiāng)和襄垣的CH濃度超過80%；文水、榆社、左權、屯留、沁水、澤州和吉縣的CH濃度為60%～80%；靜樂、盂縣、壽陽、平定、昔陽、和順、清徐、交城、孝義、安澤、長子、高平、翼城、柳林、石樓、大寧和蒲縣的CH濃度為40%～60%；寧武、嵐縣、婁煩、河曲、保德、興縣、臨縣、中陽、隰縣、鄉(xiāng)寧、交口、沁源、古縣、浮山、陽城的CH濃度為20%～40%；左云、右玉、懷仁、山陰、原平、偏關、平遙、介休、靈石、汾西、霍州、洪洞、襄汾和曲沃的CH濃度小于20%。

3.2 下煤組瓦斯成分變化規(guī)律

總體來說，隨著揮發(fā)分的降低，CH濃度逐漸升高，其擬合公式為y=-2.120x+73.49，相關系數(shù)為0.431；隨著揮發(fā)分的降低，N濃度逐漸降低，其擬合公式為y=1.790x+24.60，相關系數(shù)為0.382；隨著揮發(fā)分的降低，CO濃度逐漸降低，其擬合公式為y=0.302x+1.696，相關系數(shù)為0.351；隨著揮發(fā)分的降低，重烴的濃度也在降低，但趨勢不太明顯，擬合公式為y=0.027x+0.200，相關系數(shù)為0.077。

4 結論

本文收集并整理山西省下煤組的瓦斯成分數(shù)據(jù)，分析下煤組瓦斯含量和成分變化規(guī)律，以更好地利用煤層氣和防治瓦斯。從下煤組瓦斯含量展布特征及變化規(guī)律來看，大同煤田、寧武煤田中北部、河東煤田北部和霍西煤田的瓦斯含量較低，河東煤田南部和沁水煤田中東部瓦斯含量較高。隨著深度的增加，揮發(fā)分含量降低，對應的瓦斯含量逐漸升高。從下煤組瓦斯成分展布特征及變化規(guī)律來看，大同煤田、寧武煤田中北部、河東煤田北部和霍西煤田的CH濃度較低，河東煤田南部、沁水煤田中東部CH濃度較高。隨著揮發(fā)分的降低，CH濃度逐漸升高，N和CO的濃度逐漸降低，重烴的濃度也在降低，但趨勢不太明顯。