李 東，錢建峰，陳 文，牛國(guó)斌

(1.西安思源學(xué)院 能源及化工大數(shù)據(jù)應(yīng)用教學(xué)研究中心，陜西 西安 710038；2.陜西省煤層氣開(kāi)發(fā)利用有限公司，陜西 西安 710119； 3.寧夏煤田地質(zhì)局，寧夏 銀川 750021)

·技術(shù)經(jīng)驗(yàn)·

煤層瓦斯含量實(shí)測(cè)值與計(jì)算值的比較研究

李 東1，錢建峰2，陳 文3，牛國(guó)斌3

(1.西安思源學(xué)院 能源及化工大數(shù)據(jù)應(yīng)用教學(xué)研究中心，陜西 西安 710038；2.陜西省煤層氣開(kāi)發(fā)利用有限公司，陜西 西安 710119； 3.寧夏煤田地質(zhì)局，寧夏 銀川 750021)

通過(guò)已知揮發(fā)分-鏡質(zhì)組最大反射率-吸附特性的相互函數(shù)關(guān)系，用數(shù)學(xué)模型(半理論半經(jīng)驗(yàn))提出計(jì)算煤層瓦斯含量理論值的方法，以期對(duì)預(yù)防瓦斯災(zāi)害、保護(hù)環(huán)境和利用資源提供參考，并以寧夏吳忠韋一礦地質(zhì)勘探報(bào)告中所列的76組煤層瓦斯含量實(shí)測(cè)值與計(jì)算值進(jìn)行比較。 所計(jì)算的煤儲(chǔ)層瓦斯含量比實(shí)測(cè)值高，但對(duì)煤層瓦斯含量的定性討論給出一些量化佐證。

LI吸附-流動(dòng)方程；瓦斯含量；計(jì)算值；實(shí)測(cè)值

引 言

煤層氣，也被稱為煤層瓦斯，是煤的伴生礦產(chǎn)資源。瓦斯既是引起全球氣候變暖的強(qiáng)溫室性氣體，也是一種潔凈能源。同時(shí)，瓦斯(煤層氣)會(huì)引起煤巖體突出、爆炸等災(zāi)害。2016年9月27日早晨，寧夏回族自治區(qū)石嘴山市白笈溝寧夏林利煤炭有限公司煤礦3號(hào)井發(fā)生瓦斯爆炸，18名礦工遇難，2人失蹤。 2016年10月13日13時(shí)，貴州省黔西南州貞豐縣挽瀾鄉(xiāng)榮勝煤礦發(fā)生瓦斯爆炸，7名礦工遇難，11人受傷，其中2人重傷。2016年10月31日，重慶市永川區(qū)來(lái)蘇鎮(zhèn)金山溝煤礦發(fā)生瓦斯爆炸，33名礦工遇難。如果能對(duì)煤層瓦斯含量進(jìn)行理論計(jì)算，并用實(shí)測(cè)值進(jìn)行修正，將可以預(yù)防煤礦瓦斯事故的發(fā)生，實(shí)現(xiàn)對(duì)瓦斯災(zāi)害的有效治理，保護(hù)環(huán)境和利用資源。有些煤礦，在煤田勘查階段被認(rèn)為是低瓦斯礦井，但在生產(chǎn)過(guò)程中，隨著生產(chǎn)規(guī)模、開(kāi)采深度和開(kāi)采范圍的不斷增大，瓦斯災(zāi)害問(wèn)題日益嚴(yán)重。目前對(duì)井田的煤層氣(瓦斯)賦存規(guī)律雖開(kāi)展過(guò)專項(xiàng)研究，但定性描述較多，定量或半定量計(jì)算較少，加上煤層瓦斯含量實(shí)測(cè)值爭(zhēng)議較多，既影響到礦井瓦斯的抽采與防治，也直接影響到地面煤層氣井的布置與開(kāi)發(fā)，成為礦井目前急需解決的課題[1,2].

我國(guó)的能源結(jié)構(gòu)中一直以煤為主。煤田普查是通過(guò)一定的鉆孔或探方取樣查明工作區(qū)的地層層序、含煤地層時(shí)代，了解含煤地層的沉積環(huán)境、厚度和埋藏深度、構(gòu)造形態(tài)、煤質(zhì)、圍巖特征、水文地質(zhì)等。同時(shí)在地勘時(shí)期探孔或探方所取的煤芯或煤樣，都會(huì)按標(biāo)準(zhǔn)方法送實(shí)驗(yàn)室做煤的工業(yè)分析(煤質(zhì)分析成果表)、煤巖分析(煤巖鑒定成果表)、瓦斯分析(瓦斯含量試驗(yàn)成果匯總表)和其它性能測(cè)定及分析。其中測(cè)定的煤樣的瓦斯含量是按GB/T23249-2009“地勘時(shí)期煤層瓦斯含量測(cè)定方法”進(jìn)行操作和數(shù)據(jù)處理。這是煤層瓦斯含量實(shí)測(cè)值。

目前煤層瓦斯含量理論計(jì)算方法可以分成兩類：

1) 回歸預(yù)測(cè)，如簡(jiǎn)單的瓦斯數(shù)學(xué)地質(zhì)(瓦斯含量、頂板巖性、頂板沙巖比、埋深、傾角)模型[3-5]和負(fù)責(zé)的瓦斯數(shù)學(xué)地質(zhì)化學(xué)(除了瓦斯含量、頂板巖性、頂板沙巖比、埋深、傾角外，增加煤的水分、灰分、揮發(fā)分化學(xué)分析)模型[6,7]. 這種回歸預(yù)測(cè)，所得到的瓦斯理論預(yù)測(cè)值在瓦斯實(shí)測(cè)值的上限和下限之間，所以，無(wú)零(或近似為零)的實(shí)測(cè)值出現(xiàn)在這類回歸預(yù)測(cè)。

2) 理論預(yù)測(cè)。首先發(fā)現(xiàn)最大鏡質(zhì)組反射率-揮發(fā)分-吸附特征之間的關(guān)系，再考慮深度和含氣飽和度的影響和對(duì)水分、灰分的修正，進(jìn)而進(jìn)行理論預(yù)測(cè)[8,9]. 這種理論常用于深部煤層氣含量預(yù)測(cè)，并且這種理論預(yù)測(cè)值無(wú)零(或近似為零)。因?yàn)闊o(wú)實(shí)測(cè)值進(jìn)行比較,所以僅供參考。

1 煤層瓦斯含量理論計(jì)算值

煤層瓦斯含量的大小取決于煤的顯微組分、孔隙特征和變質(zhì)程度等內(nèi)在因素，而且還受控于儲(chǔ)層壓力、儲(chǔ)層溫度及含水飽和度等外在條件。那么煤樣的瓦斯含量特性與煤樣的工業(yè)分析(灰分，揮發(fā)分，水分)以及煤樣采取的埋深(儲(chǔ)層溫度和儲(chǔ)層壓力)就有明顯的相關(guān)性。如果能找到這個(gè)相關(guān)性，并用函數(shù)的關(guān)系表示，則可以計(jì)算煤層瓦斯含量值。

1) 必須有一個(gè)能夠描述變溫變壓下煤的吸附方程。 LI吸附-流動(dòng)方程[10-12]原是用于解決氣體分子在多孔介質(zhì)表面的吸附和孔內(nèi)流動(dòng)時(shí)，吸附條件(溫度、壓力和吸附介質(zhì)的性能)對(duì)氣體通過(guò)率的影響。方程可以表現(xiàn)為：

式中：

V—單位壓力，單位體積的氣體吸附量，m3/t；

A—對(duì)于一個(gè)固定的多孔介質(zhì)的微孔幾何形體常數(shù)；

B—吸附流量系數(shù)，都與吸附站點(diǎn)區(qū)域相關(guān)；

Δ—在吸附質(zhì)流中的一個(gè)吸附分子的最低勢(shì)能和活化能之間的能量差，K；

M—吸附氣體分子的分子量，甲烷的分子量為16；

T—絕對(duì)溫度，K；

P—壓力，MPa;

β—類似Freundlich吸附等溫線方程中的常數(shù)，無(wú)量綱。

3) 根據(jù)傅學(xué)海等[14]發(fā)表了有鏡質(zhì)組分最大反射率配套的不同溫度條件下的等溫吸附的Langmuir體積和Langmuir壓力數(shù)值，以及蘭氏參數(shù)與鏡質(zhì)組分最大反射率的函數(shù)關(guān)系，回歸得到的LI吸附-流動(dòng)方程中四個(gè)參數(shù)與鏡質(zhì)組分最大反射率函數(shù)關(guān)系。

那么，知道干燥無(wú)灰基揮發(fā)分時(shí)就可以計(jì)算鏡質(zhì)組分最大反射率，從而計(jì)算LI吸附-流動(dòng)方程中4個(gè)參數(shù)。知道埋深，就可以推算煤樣的儲(chǔ)層溫度和儲(chǔ)層壓力。利用LI吸附-流動(dòng)方程可以計(jì)算煤理論瓦斯含量。

2 寧夏吳忠韋一礦

對(duì)于礦區(qū)含煤性而言，井田內(nèi)含煤地層厚近千米，含煤50余層，分別集中含煤地層上部山西組及太原組第二段。在本井田范圍內(nèi)，可采及局部可采煤層共9層。根據(jù)含煤地層年代劃分為山西組含煤地層和太原組含煤地層。 對(duì)于礦區(qū)煤的物理性質(zhì)和煤巖特征而言， 各可采煤層煤為黑色，灰黑色條痕，玻璃光澤為主，暗淡光澤次之。斷口以貝殼狀為主，次為參差狀、棱角狀。煤層內(nèi)生裂隙發(fā)育，裂隙被方解石或黃鐵礦充填。

對(duì)于礦區(qū)瓦斯而言，勘探報(bào)告沿煤層傾向和走向在15個(gè)鉆孔中布置采集瓦斯樣。 實(shí)際在11條勘探線16個(gè)鉆孔中，分別對(duì)各煤層采集瓦斯樣品76組，采樣合格。因?yàn)楸疚牡哪康氖菑拿簶拥幕瘜W(xué)分析數(shù)據(jù)以及埋深來(lái)計(jì)算煤儲(chǔ)層的瓦斯含量，并與相應(yīng)的實(shí)測(cè)值進(jìn)行比較。所以對(duì)所有76組樣品都進(jìn)行計(jì)算。表1僅列出8組，分別為76組中關(guān)于見(jiàn)煤深度、水含量、灰含量、和揮發(fā)分含量的最小值和最大值。

從表1可以看出，在76組中關(guān)于見(jiàn)煤深度最小值是263 m而最大值是961 m、水含量最小值是0.22%而最大值是9.81%、灰含量最小值是2.55%而最大值是54%、揮發(fā)分含量最小值是17.45%，而最大值是47.56.

3 結(jié)果與討論

1) 地下水與瓦斯共存于煤層及圍巖之中，其共性是均為流體，運(yùn)移和賦存都與煤、巖層的空隙、裂隙通道有關(guān)。由于地下水的運(yùn)移，一方面驅(qū)動(dòng)著裂隙和空隙中的瓦斯運(yùn)移，另一方面又帶動(dòng)溶解于水中的瓦斯一起流動(dòng)，使得煤層中瓦斯含量明顯減少。將76組數(shù)據(jù)按水含量排序，將一定范圍水含量的實(shí)測(cè)值和計(jì)算值平均，見(jiàn)表2.

表1 鉆孔瓦斯實(shí)測(cè)含量、條件和瓦斯計(jì)算量表

表2 煤樣中水含量對(duì)瓦斯含量的影響表

表2計(jì)算數(shù)據(jù)說(shuō)明，隨著水含量的增加使得煤層中瓦斯含量減少，但實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)卻不明顯。

2) 煤層變質(zhì)程度對(duì)煤層氣含量的影響，主要是通過(guò)對(duì)煤的生氣量和煤的吸附能力的控制作用而體現(xiàn)的。大量研究已證明，煤的生氣量隨著煤變質(zhì)程度的增加而增大，在相同保存條件和煤儲(chǔ)層壓力條件下，變質(zhì)程度愈高，揮發(fā)分含量越低，煤中吸附的甲烷愈多。將76組數(shù)據(jù)按揮發(fā)分含量排序，將一定范圍揮發(fā)分含量的實(shí)測(cè)值和計(jì)算值平均，見(jiàn)表3.

表3 煤樣中揮發(fā)分含量對(duì)瓦斯含量的影響表

由表3可知，隨著揮發(fā)分含量的增加使得煤層中瓦斯含量減少。但對(duì)于實(shí)測(cè)值而言，這種相關(guān)性可能因其他因素的影響表現(xiàn)得比較紊亂和波動(dòng)。

3) 灰分是煤經(jīng)過(guò)完全燃燒后殘留的無(wú)機(jī)礦物質(zhì)，其主要成分是氧化物。大量實(shí)驗(yàn)資料證明，瓦斯在煤層中是以吸附狀態(tài)存在于有機(jī)組分的孔隙中，而無(wú)機(jī)礦物質(zhì)基本上不能吸附瓦斯。煤中無(wú)機(jī)礦物質(zhì)(灰分)的增加，導(dǎo)致煤巖變差，儲(chǔ)氣性能變差，吸附瓦斯的能力降低。將76組數(shù)據(jù)按灰分排序，將一定范圍灰分的實(shí)測(cè)值和計(jì)算值平均，見(jiàn)表4.

表4 煤樣中灰分對(duì)瓦斯含量的影響表

一般說(shuō)來(lái)，煤層瓦斯含量與煤的灰分之間表現(xiàn)出一定的相關(guān)性。從表4數(shù)據(jù)可知，計(jì)算值和實(shí)測(cè)值都不明顯證明這種相關(guān)性，都表現(xiàn)得比較紊亂和波動(dòng)。

4) 理論上，煤層中的瓦斯壓力隨著埋藏深度的增加而增大，隨著瓦斯壓力的增加，煤中游離瓦斯含量所占比例增大，同時(shí)煤中的吸附瓦斯逐漸趨于飽和。將76組數(shù)據(jù)按見(jiàn)煤深度排序，將一定范圍見(jiàn)煤深度的實(shí)測(cè)值和計(jì)算值平均，見(jiàn)表5.

表5 煤樣的見(jiàn)煤深度對(duì)瓦斯含量的影響表

從寧夏吳忠韋一礦的計(jì)算數(shù)據(jù)看，在一定的深度范圍內(nèi)，煤層瓦斯含量也隨埋藏深度的增大而增加。但從實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)看，這種相關(guān)性表現(xiàn)得紊亂無(wú)規(guī)律。

5) 由于在鉆孔煤芯中采瓦斯樣受多方面技術(shù)條件限制，同時(shí)在采樣過(guò)程中部分瓦斯逸散，所采樣品不能完全反映煤層中瓦斯儲(chǔ)存的實(shí)際情況。在鉆孔中采集的煤芯瓦斯含量比理論計(jì)算值要低，除了高揮發(fā)分和高水分。計(jì)算平均吸附量的變化比較符合目前對(duì)瓦斯含量的定性分析，因此可供參考。

4 結(jié) 論

本文探索了煤的變質(zhì)程度和煤的成因出發(fā)對(duì)煤層瓦斯含量進(jìn)行理論計(jì)算，并用實(shí)測(cè)值進(jìn)行修正，從而可以預(yù)防煤礦瓦斯事故發(fā)生，實(shí)現(xiàn)對(duì)瓦斯災(zāi)害的有效治理，保護(hù)環(huán)境和利用資源。采用的方法是結(jié)合煤田勘探時(shí)期鉆孔的煤質(zhì)數(shù)據(jù)(水分、灰分、揮發(fā)分)和工程數(shù)據(jù)(見(jiàn)煤深度)進(jìn)行,并與相應(yīng)的實(shí)測(cè)值進(jìn)行分類比較。雖然所計(jì)算的煤儲(chǔ)層的解吸特征(瓦斯含量)與實(shí)測(cè)值高，但計(jì)算數(shù)據(jù)吻合隨著水含量的增加煤層中瓦斯含量減少，也吻合隨著揮發(fā)分含量的增加煤層中瓦斯含量減少。但對(duì)于實(shí)測(cè)值而言，這些相關(guān)性可能因其他因素的影響表現(xiàn)得比較紊亂和波動(dòng)。畢竟76組數(shù)據(jù)量太少，僅為理論計(jì)算煤層瓦斯含量有益的嘗試和一些定性討論。

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Comparison Study between the Measured and Calculated Gas Content in Coal Seam

LI Dong, QIAN Jianfeng, CHEN Wen, NIU Guobin

The paper proposes mathematical model (semi-empirical and semi-empirical) to calculate the theoretical gas content of coal seam with means of the mutual relationship among the maximum vitrinite reflection, the adsorption capacity and the known volatile content, so as to better prevent gas disaster, protect the environment and make the best use of the resources, by studying and comparing the measured and calculated gas content in geological prospecting report listed in 76 groups of coal seam gas in Ningxia Wuzhong Wei No.1 coalmine, find that the calculated gas content is higher than that of the actual measured content. Research methods as qualitative and quantitative analysis are used in the paper with the latter being highlighted.

LI adsorption-flow equation; Gas content; Calculation value; Measured value

2016-08-27

李 東(1953—)，男，廣東梅縣人，1991年畢業(yè)于美國(guó)辛辛那提大學(xué)，博士，教授，主要從事煤化工工藝與裝備、煤層氣吸附和相應(yīng)的應(yīng)用研究工作，(E-mail)zuizuixuan123@163.com

TD712+.3

B

1672-0652(2016)10-0019-04