保德煤礦8號煤瓦斯賦存規律及主控因素研究

李建新，胡博文，方 杰，劉成濤，李 斌

(1.國家能源集團北京低碳清潔能源研究院，北京 102211； 2.韓山師范學院，廣東 潮州 521041)

我國煤礦瓦斯地質條件復雜，瓦斯災害頻發，嚴重影響了煤炭安全生產和企業的經濟效益[1-5]。我國煤礦瓦斯事故多發，其中重要原因之一是多數煤礦瓦斯賦存規律認識不清。摸清煤層瓦斯賦存規律是煤礦瓦斯治理的先決條件，可有效遏制煤礦瓦斯事故的發生[6-10]。同時，瓦斯作為一種高效優質的清潔能源，合理開發利用瓦斯不僅能有效保障煤礦安全生產，還可以增加能源供給，實現節能減排[11-13]。保德煤礦位于山西省保德縣境內，分屬東關、橋頭兩鎮管轄，是國家能源集團神東公司的主干煤礦之一，也是神東礦區唯一一座高瓦斯礦井[14]。目前，保德煤礦正在開采8號煤層，隨著采掘工作的不斷推進，采掘強度增大，采掘深度加深，瓦斯突出治理難度不斷加大。深入研究瓦斯賦存規律及其控制因素將有助于瓦斯抽采鉆孔的合理布置和瓦斯涌出量的準確預測，從而達到科學有效治理瓦斯的目的。值得一提的是，國家能源集團節能公司保德煤礦劉家墕和棗林2座瓦斯電站2014年已投入運營，截至2020年8月底累計上網電量2.43億kWh，利用瓦斯1.15億m3，節約標準煤10.6萬t，減排二氧化碳超180萬t，累計實現經濟效益約1.2億元，產生了良好的經濟效益和社會效益。

1 井田地質背景

保德煤礦井田位于鄂爾多斯盆地東北緣，整體為一單斜構造，傾角3°～9°；未見有大型斷層、褶皺及陷落柱，構造類型簡單(圖1)。礦區內大面積被新生界地層覆蓋，在溝谷中主要出露二疊系(P)地層；區內鉆探資料揭示，地層由老至新分別為奧陶系(未穿)、石炭系、二疊系、新近系和第四系，其中石炭系太原組及二疊系山西組為區內的主要煤系地層。可采煤層4層，分別為8號、10號、11號、13號煤層。礦區東西傾向寬5.7 km，南北走向長 14.0 km，總面積 55.9 km2，其中，太原組主要發育一套海陸交互相含煤沉積，巖性以煤層、炭質泥巖、灰黑色泥巖、粉砂質泥巖、灰白色中、細砂巖、泥晶灰巖和生屑灰巖為主。山西組主要發育一套河流—河漫灘以及三角洲平原含煤沉積，巖性以煤層、炭質泥巖、灰黑色泥巖、粉砂質泥巖、灰白色中、細砂巖為主。

圖1 保德煤礦地質區位圖及地層柱狀Fig.1 Geological map and stratigraphic histogram of Baode Coal Mine

2 煤層特征

保德井田內主采煤層為山西組8號煤和太原組11號煤，目前正在開采8號煤層。其中，8號煤全區發育，埋藏深度122～663 m。厚度1.85～9.01 m，平均厚 6.02 m，11號煤層厚度1.11～12.55 m，平均厚7.31 m。8號煤演化程度較低，基本以氣煤為主，屬于中—低階煤[15]，Ro在0.76～0.83。8號煤宏觀煤巖組分主要以暗煤和亮煤為主，煤巖類型屬于半暗型—半亮型煤。8號煤顯微煤巖組分中，有機組分平均74.7%，其中有機組分鏡質組平均29.03%，惰質組平均41.07%，殼質組平均4.60%；無機組分平均25.3%，主要以黏土類礦物為主。8號煤層的孔隙度為4.82%～10.39%，煤滲透率為 0.81×10-3～3.85×10-3μm2，平均為2.31×10-3μm2，總體上具有較好的物性特征，孔隙度較高，滲透率高，裂隙發育。8號煤原煤水分0.84%～3.65%，平均2.28%，原煤內在水分含量較低；灰分14.96%～39.25%，平均26.84%，屬中灰煤；揮發分在30.83%～42.40%，平均36.6%，屬中—高揮發分煤。

3 煤層含氣性特征

通過對保德煤礦以往各階段瓦斯地質勘查工作資料的收集與整理，據統計，8號煤瓦斯含量0.4～9.16 m3/t，平均4.86 m3/t；8號煤瓦斯各自然成分百分比含量中，CH4含量在0～91.73%，平均含量55.43%；CO2含量在0.16%～34.48%，平均含量10.12%；N2含量在4.62%～89.88%，平均含量34.45%。保德煤礦8號煤樣品等溫吸附測試結果表明，Langmuir體積(干燥無灰基)為5.35～16.88 m3/t，平均11.84 m3/t，Langmuir壓力1.22～5.26 MPa，平均3.24 MPa。

總體上，保德煤礦8號煤瓦斯含量較高，瓦斯成分甲烷占比高，Langmuir體積大，吸附能力較強，煤層含氣性較好。

4 瓦斯賦存影響因素

4.1 構造對瓦斯賦存的影響

保德煤礦構造位置上位于鄂多斯盆地東緣晉西撓曲帶北段，總體呈現為一西傾單斜構造，地層傾角3°～9°，斷裂構造不發育，地質構造較為簡單。8號煤底板構造等高線圖顯示(圖2(a))，礦區發育一些近東西走向的褶皺構造。在這些褶皺構造中，小型褶曲對煤層瓦斯含量分布影響較小，而礦區南部規模相對較大的褶皺在局部控制了瓦斯含量的分布，該褶皺為一背斜構造，該背斜兩翼瓦斯含量較高，核部含氣量較低(圖2(b))，這是由于背斜軸部是張性應力的集中區，厚度變薄，孔隙度加大，滲透性增強，導致瓦斯的逸散。相關研究也表明，煤層瓦斯一般在向斜、地塹等負向構造中保存較好[16]，而背斜、地壘等正向構造和正斷層等張性斷層發育區，地層封閉性差，不利于瓦斯富集。整體上，保德礦區構造條件對8號煤瓦斯含量分布影響相對較小。

圖2 8號煤層瓦斯含量及底板標高等值線Fig.2 Contour map of No.8 coal seam gas content and floor elevation

4.2 埋深對瓦斯的賦存的影響

保德煤礦采掘井巷歷年瓦斯檢測統計顯示，8號煤層瓦斯壓力在0.37～1.67 MPa，瓦斯壓力梯度為0.55 MPa/hm。隨著底板標高減小，即埋深增大時，煤層瓦斯壓力增大，并呈良好的線性關系(圖3)。根據21口鉆孔數據，8號煤層瓦斯含量與煤層底板標高擬合度較高，呈現較好的正相關性，相關系數R=0.566 8，顯示出隨著煤層埋深的增加，瓦斯含量隨之增高(圖4)，平面呈現出西高東低的分布趨勢。由此可見，埋深對保德煤礦8號煤層瓦斯賦存有重要影響。

4.3 煤層厚度和煤質對瓦斯賦存的影響

一般情況，煤層厚度越大，瓦斯生成的物質基礎

圖3 瓦斯壓力與煤層底板標高關系Fig.3 Relationship between gas pressure and coal seam floor elevation

圖4 瓦斯含量與煤層底板標高關系Fig.4 Relationship between gas content and coal seam floor elevation

越充足，瓦斯的賦存空間也更多，其含量也越大[17]。保德煤礦鉆孔瓦斯實測結果顯示，8號煤層瓦斯含量與煤厚關系呈現出明顯的分帶性，分別為瓦斯含量大于4 m3/t的瓦斯高值區(礦區西部)，小于3 m3/t的瓦斯低值區(礦區中東部)和3～4 m3/t的瓦斯過渡區(礦區中西部)，各區域瓦斯含量與煤厚擬合度較高，整體呈正相關關系(圖5)。其中瓦斯高值區和瓦斯低值區瓦斯含量與厚度呈良好的正相關性，且高、低值區所占礦區面積很大；而過渡區瓦斯含量與厚度呈弱正相關，且所占礦區面積很小。由此可見，整體上礦區8號煤層厚度對瓦斯含量有重要影響，是8號煤層瓦斯賦存的關鍵因素。

圖5 煤層厚度與瓦斯含量關系Fig.5 Relationship between coal seam thickness and gas content

保德煤礦8號煤層水分含量很低，灰分含量中等，灰分和水分與煤層瓦斯含量總體呈現出弱負相關性，隨著灰分、水分的升高，煤層瓦斯含量有降低的趨勢(圖6(a)，圖6(b))。瓦斯含量與揮發分關系如圖6(c)所示。由圖6(c)可知，揮發分和瓦斯含量的關系不明顯，這是由于8號煤層煤化程度較低，揮發分較高，且全區差異很小，揮發分對瓦斯含量的影響相對很小。總體上，煤質對該區瓦斯賦存的影響較小。

圖6 瓦斯含量與灰分、水分、揮發分關系Fig.6 Relationship between gas content and ash content

4.4 水文地質條件對瓦斯保存的影響

圖7 地層水離子濃度與礦化度關系Fig.7 Relationship between formation water ion concentration and salinity

圖8 瓦斯含量與礦化度關系Fig.8 Relationship between gas content and salinity

圖9 保德煤礦煤系地層地下水礦化度等值線Fig.9 Contour map of groundwater salinity of coal measure strata in Baode Coal Mine

5 結論

(1)保德煤礦8號煤屬于中—低階煤，煤巖有機組分高，煤層物性好，瓦斯含量高，甲烷占比大，瓦斯壓力梯度高，一方面給瓦斯治理工作增加了一定難度，而另一方面作為一種清潔能源資源開發潛力巨大。

(2)保德煤礦構造相對簡單，僅局部構造會對8號煤瓦斯含量分布產生一定影響。8號煤煤質與瓦斯含量的相關性很弱，對瓦斯賦存的影響較小。縱向上，8號煤瓦斯含量隨著埋深的增加而增大；平面上，瓦斯富集受煤厚和區域水動力條件控制。所以，本區煤層埋深、厚度和區內水動力條件是影響保德煤礦8號煤瓦斯賦存的主控因素。