張培河 原德勝 張進(jìn)軍

(1. 中煤科工集團(tuán)西安研究院, 陜西 710054; 2. 陜西彬長(zhǎng)礦業(yè)集團(tuán)有限公司, 陜西 712000;3. 陜西彬長(zhǎng)礦業(yè)集團(tuán)有限公司大佛寺礦, 陜西 713500)

我國(guó)的低變質(zhì)煤炭資源主要分布在新疆、內(nèi)蒙古、陜西、甘肅和寧夏境內(nèi)。根據(jù)第三次全國(guó)煤田預(yù)測(cè)資料, 我國(guó)陸上垂深2000m 以淺的煤炭資源總量為55697．49億t ,其中褐煤、長(zhǎng)焰煤和氣煤為42439．92 億t , 占76．20%; 最新煤層氣資源量計(jì)算表明, 我國(guó)陸上2000m 以淺的煤層氣資源量為32．56 萬億m3, 其中褐煤、長(zhǎng)焰煤和氣煤為17．67萬億m3, 占54．26%。我國(guó)低變質(zhì)煤的煤層氣含量普遍較低, 但煤層厚度普遍較大、滲透性相對(duì)較高, 因此低變質(zhì)煤的煤層氣開發(fā)具有一定潛力。鄂爾多斯盆地發(fā)育晚古生代、侏羅紀(jì)和三疊紀(jì)3 套煤系, 煤炭資源量雄厚。侏羅紀(jì)煤層主要為低變質(zhì)的長(zhǎng)焰煤, 埋深小于2000m 的面積為11．37×104km2,煤炭資源量14876．6 ×108t; 煤層氣資源豐富, 為79238．3×108m3。盡管侏羅紀(jì)煤層變質(zhì)程度低, 但因其煤層發(fā)育層數(shù)多、厚度大、埋藏淺以及煤層氣含量高等特點(diǎn), 被煤層氣開發(fā)者普遍看好。目前鄂爾多斯盆地侏羅系的煤層氣勘探程度非常低, 僅在個(gè)別地區(qū)進(jìn)行了少量的勘探試驗(yàn)工作, 但部分地區(qū)的勘探已經(jīng)顯示出較大的開發(fā)潛力, 如： 銅川礦區(qū)地面垂直井煤層氣排采試氣, 獲得工業(yè)性氣流, 氣井連續(xù)排采100 天, 平均日產(chǎn)氣量超過1100m3; 彬長(zhǎng)大佛寺煤礦地面對(duì)接井煤層氣勘探試驗(yàn), 獲工業(yè)性氣流。本文以鄂爾多斯盆地南部的彬長(zhǎng)大佛寺煤礦為例, 論述低變質(zhì)煤的煤層氣勘探開發(fā)潛力, 以期對(duì)其他低變質(zhì)煤層區(qū)的煤層氣勘探有所啟示。

1 煤礦概況

大佛寺煤礦是陜西彬長(zhǎng)礦業(yè)集團(tuán)有限公司的下屬生產(chǎn)礦井, 位于鄂爾多斯盆地彬長(zhǎng)礦區(qū)南部, 行政區(qū)劃隸屬彬縣和長(zhǎng)武縣管轄。該礦于2003 年5月開工建設(shè), 2007 年6 月試生產(chǎn), 設(shè)計(jì)能力6．0Mt/a, 一 期 生 產(chǎn) 能 力3．0Mt/a, 屬 特 大 型 礦井。

大佛寺煤礦為高瓦斯礦井, 礦井在開拓過程中瓦斯涌出量較大, 從最初礦井瓦斯涌出量預(yù)測(cè)看,初始投產(chǎn)達(dá)產(chǎn)3．0Mt/a 時(shí)礦井絕對(duì)瓦斯涌出量為61．4m3/min; 達(dá)產(chǎn)6．0Mt/a 時(shí), 礦井瓦斯涌出量為139．3m3/min。但礦井實(shí)際生產(chǎn)過程中發(fā)現(xiàn), 礦井瓦斯涌出量超過預(yù)測(cè)值, 2007～2009 年連續(xù)三年礦井瓦斯等級(jí)鑒定均屬于高瓦斯礦井, 2008 年礦井絕對(duì)瓦斯涌出量達(dá)到155m3/min, 相對(duì)瓦斯涌出量21．78m3/t。目前, 大佛寺礦已采取井下瓦斯抽采、加強(qiáng)通風(fēng)等措施治理瓦斯隱患。實(shí)踐表明, 單純的井下瓦斯抽采等措施的實(shí)施還不能滿足礦井安全生產(chǎn)的要求。為此, 陜西彬長(zhǎng)礦業(yè)集團(tuán)有限公司已開始嘗試通過地面煤層氣抽采來治理瓦斯, 2009 年,施工完成兩組煤層氣對(duì)接井, 目前正在排采試氣,其中1 口井達(dá)到工業(yè)氣流, 顯示了較好的產(chǎn)氣潛力。2011 年, 彬長(zhǎng)礦業(yè)集團(tuán)有限公司加大力度在區(qū)內(nèi)繼續(xù)進(jìn)行煤層氣的勘探試驗(yàn)。

2 煤層氣地質(zhì)條件

大佛寺煤礦位于鄂爾多斯盆地陜北斜坡南緣,總體構(gòu)造格架為一向斜構(gòu)造形態(tài), 主體構(gòu)造為師家店向斜。地層構(gòu)造變形微弱, 傾角較小, 一般為3°～5°, 構(gòu)造形跡簡(jiǎn)單, 以內(nèi)部次級(jí)平緩褶皺為主,斷層不發(fā)育。

大佛寺煤礦含煤地層為侏羅系中下統(tǒng)的延安組, 該組含可采和局部可采煤層4 層 (包括分煤層和分叉煤層) , 自上而下分別為4 上- 1、4 上- 2、4 上、4#煤層。區(qū)內(nèi)煤的變質(zhì)程度低, 測(cè)試主要煤層的鏡質(zhì)組反射率為0．50%～0．75%, 主要為低變質(zhì)的長(zhǎng)焰煤, 局部為氣煤。

該區(qū)水文地質(zhì)條件簡(jiǎn)單。主要含煤層段延安組含水層厚度不大, 為富水性弱的承壓含水層, 煤系上、下方含水層也多為富水性弱的含水層; 在垂向上, 直羅組上段、延安組上部及下部發(fā)育有以泥巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖為主的厚層穩(wěn)定隔水層, 在阻斷含水層與含水層以及含水層與煤層間水力聯(lián)系的同時(shí), 也有效阻止了煤層氣的逸散, 對(duì)煤層氣的保存有利。另外, 該區(qū)構(gòu)造簡(jiǎn)單、斷層不發(fā)育, 煤炭生產(chǎn)揭露的斷層幾乎都不導(dǎo)水, 對(duì)煤層氣的保存較為有利。水文地質(zhì)條件簡(jiǎn)單, 也非常有利于煤層氣的抽采。

3 煤儲(chǔ)層條件

3．1 煤層發(fā)育特征

大佛寺煤礦煤層氣開發(fā)的主要目標(biāo)煤層為4#、4 上煤層, 在局部地區(qū)4 上- 1 和4 上- 2 煤層也可成為煤層氣抽采的目標(biāo)煤層。4#煤層平均厚度11．65m, 最厚達(dá)19．73m, 全區(qū)可采; 4 上煤層平均厚度2．88m, 最厚可達(dá)7．02m, 為大部可采煤層; 4上- 1 煤層和4 上- 2 煤層平均厚度分別為1．22m、1．36m, 4 上- 2 煤層最厚可達(dá)2．36m, 這兩個(gè)煤層為局部可采煤層。各煤層均為結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單煤層, 含夾矸數(shù)一般為0～2 層。主要目標(biāo)煤層間距小。其中,4#和4 上煤層間距為5～35m, 一般為5～20m, 煤礦的中- 西部地區(qū)小于15m。因此, 比較適合進(jìn)行地面煤層氣抽采, 而且在間距小于5m 的區(qū)域可將4#煤層和4 上煤層實(shí)施合層抽采。

4#煤層直接頂板以泥巖、砂質(zhì)泥巖為主, 底板主要為鋁質(zhì)泥巖、泥巖。一方面, 頂?shù)装鍘r性為致密的細(xì)碎屑巖, 對(duì)煤層氣的保存非常有利; 另一方面, 底板鋁質(zhì)泥巖具有遇水膨脹、易發(fā)生底鼓現(xiàn)象, 在地面煤層氣抽采時(shí), 鋁質(zhì)泥巖的遇水膨脹極有可能造成煤層孔隙、裂隙堵塞, 而且也會(huì)導(dǎo)致煤層氣開發(fā)壓裂裂縫堵塞, 影響煤層氣產(chǎn)出, 對(duì)煤層氣的抽采極為不利。4 上煤層頂板為主要為泥巖、砂質(zhì)泥巖; 底板多為泥巖、砂質(zhì)泥巖和粉砂巖。圍巖作為煤層氣封閉的第一道天然屏障, 其對(duì)該區(qū)煤層氣的富集成藏作用非常顯著。

根據(jù)煤層氣產(chǎn)出機(jī)理以及國(guó)內(nèi)外煤層氣抽采的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn), 地面煤層氣開發(fā)的理想深度是1200m 以淺。大佛寺煤礦煤層埋藏淺, 4#煤層埋深多在400～600m 左右, 地面煤層氣開發(fā)非常有利。該區(qū)煤層覆基巖厚度多在250～400m, 覆基巖中粉砂巖、泥巖層段分布較多, 對(duì)煤層氣具有較好的保存作用。

3．2 煤體結(jié)構(gòu)及裂隙發(fā)育狀況

侏羅紀(jì)煤系沉積后, 該區(qū)遭受了燕山運(yùn)動(dòng)和喜馬拉雅運(yùn)動(dòng)的改造, 相對(duì)鄂爾多斯盆地東部的石炭- 二疊紀(jì)煤田來說, 侏羅紀(jì)煤系遭受的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)期次少, 構(gòu)造強(qiáng)度低。因此, 煤層遭受構(gòu)造破壞的程度低, 主體為原生結(jié)構(gòu)- 碎裂結(jié)構(gòu), 地面煤層氣井的鉆探及井下鉆孔施工相對(duì)容易, 氣井或鉆孔的成功率高, 也有利于提高地面煤層氣開發(fā)增產(chǎn)強(qiáng)化措施的實(shí)施效果。

4#煤層宏觀裂隙密度一般3～5 條/10cm, 鏡煤條帶中裂隙較發(fā)育, 一般為5～12 條/10cm; 煤的顯微裂隙比較發(fā)育, 為2．1～13．3 條/cm; 裂隙寬度較大, 為1～330μm, 平均7～38μm。裂隙發(fā)育, 煤層滲透性好。

3．3 煤層氣含量

煤層氣含量是煤層氣抽采可行性研究和抽采潛力評(píng)價(jià)的關(guān)鍵參數(shù)。大佛寺煤礦煤層氣含量一般在2～3m3/t , 最高可達(dá)5．57m3/t , 煤層氣含量較高的區(qū)域位于師家店向斜的軸部, 多在4m3/t 以上, 主要原因是向斜控氣作用效果好, 而且該區(qū)主要煤層頂?shù)装鍨榉忾]性好的泥巖。在我國(guó)同時(shí)代的煤田中, 該區(qū)煤層氣含量相對(duì)較高, 且煤層氣富集成藏條件優(yōu)越。

3．4 煤層滲透率

煤層滲透率是煤層氣開發(fā)潛力評(píng)價(jià)的又一關(guān)鍵參數(shù)。根據(jù)該區(qū)地質(zhì)、儲(chǔ)層條件和鄰區(qū)煤層氣勘探資料, 結(jié)合該區(qū)煤礦生產(chǎn)瓦斯抽采現(xiàn)狀, 綜合分析認(rèn)為該區(qū)煤層滲透性較好, 主要原因：

(1) 該區(qū)煤層埋藏淺, 4#煤層埋深一般為400～600m 左右, 煤層埋藏淺的直接影響是煤層的應(yīng)力低, 這是該區(qū)煤層滲透率較高的原因之一。

(2) 該區(qū)煤層成煤期為早中侏羅世, 煤層沉積后遭受的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)期次少, 構(gòu)造運(yùn)動(dòng)對(duì)煤層的破壞程度低, 因此煤體結(jié)構(gòu)及裂隙系統(tǒng)得以相對(duì)完整的保存, 致使煤層以原生結(jié)構(gòu)為主且裂隙發(fā)育。根據(jù)樣品測(cè)試的煤層真密度、視密度計(jì)算的煤層孔隙度較高, 為4．90%～18．50%, 平均為7．94%。

(3) 在前期煤田和煤層氣勘探過程中, 鉆遇4#煤層存在泥漿漏失情況, 且漏失量較大, 據(jù)此分析4#煤層的裂隙發(fā)育, 滲透性好。

(4) 煤層瓦斯參數(shù)測(cè)試結(jié)果, 顯示煤層滲透性條件較好。大佛寺礦瓦斯抽采過程中, 對(duì)煤層透氣性系數(shù)進(jìn)行了測(cè)試, 結(jié)果為0．051～6．15m2/MPa2·d, 按照煤礦安全規(guī)程, 屬于可以抽放煤層, 而且與我國(guó)其他煤礦比較, 煤層透氣性系數(shù)較高, 地面煤層氣勘探開發(fā)和井下瓦斯抽放的煤層滲透性條件有利。

(5) 礦井瓦斯抽采效果好, 顯示出煤層的滲透條件優(yōu)越。大佛寺礦在煤炭生產(chǎn)過程中需要預(yù)先進(jìn)行瓦斯抽采, 目前抽采煤層主要為4#煤層, 工作面抽放率為 73．2%, 礦井的瓦斯抽放量為84．59m3/min, 礦井的瓦斯抽放率為54．4%。井下瓦斯抽采的實(shí)踐表明, 大佛寺煤礦煤層滲透性非常好, 瓦斯抽采條件比較有利。

(6) 鄰近的楊家坪、銅川等地區(qū)的煤層氣勘探試驗(yàn)測(cè)試資料表明, 鄂爾多斯盆地南部的侏羅紀(jì)煤層滲透性較好, 儲(chǔ)層壓力較高。楊家坪地區(qū)地面煤層氣參數(shù)井注入/壓降試井, 測(cè)試延安組煤層滲透率可達(dá)0．64×10-3μm2, 在銅川礦區(qū)測(cè)試煤層滲透率達(dá)0．70×10-3μm2。與這些地區(qū)對(duì)比, 大佛寺煤礦煤層埋藏淺, 推測(cè)煤層滲透性會(huì)更好。

4 煤層氣資源狀況

煤層氣資源量是煤層氣開發(fā)的基礎(chǔ), 是以獲取資源為目的的煤層氣抽采評(píng)價(jià)的重要內(nèi)容。采用體積法對(duì)主要可采和局部可采煤層的煤層氣資源量進(jìn)行計(jì)算, 煤層氣資源總量為31．68 ×108m3。主采4#煤層資源量為27×108m3, 占85%。大佛寺煤礦煤層氣資源豐度較高, 煤層氣資源豐度最大超過1×108m3/km2。主采4#煤層資源豐度一般為0．1～0．8×108m3/km2, 平均0．344 ×108m3/km2。煤層氣資源豐度最高的區(qū)域位于礦井中部區(qū)域。

5 地面煤層氣抽采潛力及建議

根據(jù)大佛寺煤礦瓦斯參數(shù)測(cè)試數(shù)據(jù), 4 上、4#煤層屬于可以抽采煤層; 煤礦井下瓦斯抽采情況也表明, 礦井瓦斯抽采效果較好, 具有較優(yōu)越的井下瓦斯抽采條件; 已實(shí)施的地面煤層氣開發(fā)井產(chǎn)氣量較高, 已經(jīng)顯示出較好的產(chǎn)氣潛力。與銅川等國(guó)內(nèi)其他低變質(zhì)煤煤層氣開發(fā)成功的礦區(qū)比較, 該區(qū)煤層埋藏淺, 厚度大, 以原生結(jié)構(gòu)為主, 滲透性好;煤層氣含量高, 資源豐度大、資源量豐富。因此,該區(qū)煤層氣開發(fā)潛力大。

大佛寺礦為高瓦斯礦井, 井下瓦斯抽采是煤炭生產(chǎn)的必要工作, 煤炭生產(chǎn)首先必須進(jìn)行瓦斯抽放。目前礦井主要采用井下瓦斯抽采方式, 目的是降低瓦斯含量, 為煤礦采掘提供安全的生產(chǎn)環(huán)境,但井下瓦斯抽采存在與煤炭生產(chǎn)的銜接問題, 而且井下抽放瓦斯?jié)舛鹊? 可利用的途徑單一, 利用效果差。另一方面, 大佛寺煤礦煤層氣地質(zhì)條件、儲(chǔ)層條件及資源條件優(yōu)越, 地面煤層氣可抽采性好,而且地面煤層氣抽采可避免與煤炭生產(chǎn)銜接的矛盾。因此, 建議在大佛寺煤礦開展井下、地面一體化的煤層氣立體抽采, 充分利用目前國(guó)家出臺(tái)的鼓勵(lì)煤層氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展的政策, 不斷加大規(guī)模進(jìn)行地面煤層氣的抽采試驗(yàn), 爭(zhēng)取在不長(zhǎng)的時(shí)間, 在該區(qū)實(shí)現(xiàn)地面煤層氣抽采的產(chǎn)業(yè)化, 達(dá)到有效治理瓦斯和獲取新能源的雙重目的。

6 結(jié)論

(1) 大佛寺煤礦煤的變質(zhì)程度低, 以長(zhǎng)焰煤為主; 整體上為一向斜構(gòu)造形態(tài), 斷層及褶皺少, 水文地質(zhì)條件簡(jiǎn)單。煤層發(fā)育, 埋藏淺、埋深一般為400～600m; 主采4#、4 上煤層厚度平均分別為11．65、2．88m; 煤層裂隙發(fā)育, 滲透性好, 透氣性系數(shù)為6．15m2/MPa2·d, 屬于可以抽采煤層。

(2) 主采煤層的氣含量相對(duì)較高, 最高可達(dá)6．29m3/t·daf , 煤層氣資源豐度高, 最大超過1 ×108m3/km2; 煤層氣資源量豐富, 為31．68×108m3。

(3) 綜合評(píng)價(jià)地面煤層氣勘探開發(fā)的有利區(qū)位于礦井中部, 面積為11．54km2。

(4) 井下瓦斯抽采及地面煤層氣勘探均顯示出較好的抽采潛力。井下瓦斯抽采效果顯著, 采煤工作面瓦斯抽放率超過73．2%; 地面煤層氣勘探已獲工業(yè)性氣流, 顯示出較好的開發(fā)前景。

[1] 張培河．低變質(zhì)煤的煤層氣開發(fā)潛力- 以鄂爾多斯盆地侏羅系為例 [J] , 煤田地質(zhì)與勘探, 2007, 35(1) ： 29- 33．

[2] 張泓, 何宗蓮, 晉香蘭, 等．鄂爾多斯盆地構(gòu)造演化與成煤作用——1： 500000 鄂爾多斯盆地地質(zhì)構(gòu)造圖簡(jiǎn)要說明 [M] ．北京： 地質(zhì)出版社, 2005： 56 -58．

[3] 席選民, 王莉．銅川礦務(wù)局地面煤層氣抽采新技術(shù)取得突破 [Z] ．煤炭工程, 2009 (9) ： 51．

[4] 原德勝, 孫斌建, 王偉智, 等．大佛寺煤礦40301 工作面瓦斯綜合抽放技術(shù) [J] ．煤礦安全, 2009, 40(2) ： 18- 21．

[5] 申濤．彬長(zhǎng)礦區(qū)瓦斯地質(zhì)規(guī)律 [C] ．安全高效礦井建設(shè)與開采技術(shù)/ , 陜西省煤炭學(xué)會(huì)學(xué)術(shù)年會(huì)論文集．北京： 煤炭工業(yè)出版社, 2010： 246- 251．

[6] 原德勝．彬長(zhǎng)礦區(qū)高瓦斯煤層綜采工作面瓦斯綜合防治技術(shù)研究 [D] ．西安科技大學(xué), 2010．