張志軍

(呂梁市煤礦瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)維修校驗(yàn)中心， 山西 呂梁 033000)

山西省煤炭資源豐富，是我國(guó)重要的能源化工基地。經(jīng)過(guò)數(shù)次重組整合、淘汰落后礦井、過(guò)剩產(chǎn)能退出，山西省關(guān)閉煤礦數(shù)量逐年增多，2016—2020年去產(chǎn)能關(guān)閉157座煤礦，主要分布于大同礦區(qū)、西山礦區(qū)、陽(yáng)泉礦區(qū)及晉城礦區(qū)[1-2].關(guān)閉煤礦作為剩余煤炭、煤層氣、礦井水和地下空間等多種資源的綜合體，具有二次利用的巨大潛力[3-4].與傳統(tǒng)煤層氣資源相比，關(guān)閉煤礦煤層氣資源在賦存狀態(tài)、范圍和儲(chǔ)層特征等方面有顯著差異[5].歐美國(guó)家是關(guān)閉煤礦煤層氣資源利用技術(shù)最成熟的國(guó)家，包括英國(guó)、德國(guó)及美國(guó)等，大部分關(guān)閉煤礦煤層氣開(kāi)發(fā)通常利用原有井筒進(jìn)行抽采，小部分采用地面鉆井抽采，經(jīng)濟(jì)性較好，供煤層氣發(fā)電及管網(wǎng)集輸后民用或工業(yè)使用[6-7].國(guó)內(nèi)關(guān)閉煤礦煤層氣資源的研究與實(shí)踐進(jìn)展較快，完善了資源量預(yù)測(cè)模型[8-9]、研究了富集規(guī)律[10]、建立了選區(qū)評(píng)價(jià)體系[11-12]，在晉城、陽(yáng)泉和西山等礦區(qū)取得了良好的應(yīng)用效果[13].

針對(duì)山西省西山礦區(qū)關(guān)閉煤礦煤層氣資源，以2016—2020年去產(chǎn)能關(guān)閉煤礦為研究對(duì)象，通過(guò)系統(tǒng)收集關(guān)閉煤礦閉坑報(bào)告、儲(chǔ)層核實(shí)報(bào)告、儲(chǔ)量年報(bào)等資料，結(jié)合室內(nèi)測(cè)試分析等工作，總結(jié)了西山礦區(qū)關(guān)閉煤礦煤層氣資源特征，估算了煤層氣資源量，提出了其資源開(kāi)發(fā)利用方向。

1 關(guān)閉煤礦概況

2016—2020年，山西省西山礦區(qū)去產(chǎn)能關(guān)閉煤礦共18座，其中，資料收集完備的礦井16座，作為該次研究對(duì)象。西山礦區(qū)關(guān)閉煤礦主要分布于礦區(qū)西北緣及東緣位置，整體零散分布(圖1).通過(guò)系統(tǒng)梳理閉坑報(bào)告、儲(chǔ)量核查地質(zhì)報(bào)告中相關(guān)數(shù)據(jù)可知(表1)，關(guān)閉煤礦井田面積大于5 km2的共7座，最大為白家莊煤礦15.149 7 km2，其余井田面積小于2 km2.井田構(gòu)造復(fù)雜程度以簡(jiǎn)單和中等為主，靠近礦區(qū)邊緣如嘉樂(lè)泉煤礦、西峪煤礦等，斷裂較為發(fā)育。高瓦斯礦井共5座，分別為大川河煤礦、鼎盛煤礦、大成煤礦、永興煤礦和南峪煤礦，其余11座皆為低瓦斯礦井。

圖1 2016—2020年去產(chǎn)能關(guān)閉煤礦位置分布圖

低瓦斯礦井主要分布在西山礦區(qū)西北緣，太原市古交市附近，構(gòu)造上可見(jiàn)近平行排列的正斷層發(fā)育，陷落柱分布較密集。主采煤層的變質(zhì)程度低，以肥煤、焦煤為主，煤層埋深較淺，山西組2號(hào)煤層一般埋深小于100 m，部分剝蝕或出露地表，太原組8號(hào)、9號(hào)煤層埋深主體小于200 m，基本處于瓦斯風(fēng)化帶內(nèi)。以清河一礦為例，埋深112 m、165 m、239 m處8號(hào)煤層瓦斯測(cè)試結(jié)果顯示，其原煤瓦斯含量分別為0.96 m3/t、1.55 m3/t、1.96 m3/t,甲烷組分介于13.17%～18.08%.高瓦斯礦井靠近沁水盆地，煤變質(zhì)程度高，達(dá)到貧煤-無(wú)煙煤階段，有利于甲烷生成與儲(chǔ)集。主采煤層埋深、厚度分布穩(wěn)定，2號(hào)煤層埋深介于150～250 m，通常位于瓦斯風(fēng)化帶中，而8、9號(hào)煤層埋深更深，瓦斯含量高，主體位于甲烷帶中。

2 采空區(qū)煤層氣

受多種因素影響，關(guān)閉煤礦中存在部分煤炭資源尚未采出，包括本煤層遺煤、保護(hù)煤柱、鄰近層未采煤層等[10-11].采空區(qū)煤層氣為采動(dòng)影響下開(kāi)采煤層及卸壓范圍內(nèi)含煤地層的吸附態(tài)煤層氣解吸，通過(guò)采動(dòng)裂隙進(jìn)入采空區(qū)中，形成以游離態(tài)為主賦存于采空區(qū)空間-裂隙中的煤層氣資源。

表1 關(guān)閉煤礦地質(zhì)特征表

2.1 儲(chǔ)集空間及含氣性

采空區(qū)煤層氣賦存于采空區(qū)空間-裂隙中，煤層開(kāi)采后，垂向上形成冒落帶(垮落帶)、裂隙帶和彎曲下沉帶?；诿簩有秹航馕碚?，提出“新三帶”理論，即導(dǎo)氣裂隙帶、卸壓解吸帶及不易解析帶[14].垂向上，在充分采動(dòng)條件下，卸壓解吸帶發(fā)育至主關(guān)鍵層以下，煤層氣解吸；側(cè)向上，采空區(qū)導(dǎo)氣裂隙帶可劃分為側(cè)向裂隙區(qū)、“O”形圈裂隙區(qū)及重新壓實(shí)區(qū)[15].西山礦區(qū)含煤地層為山西組-太原組，含可采煤層12～16層。山西組2號(hào)、太原組8、9號(hào)煤層是礦區(qū)最主要的可采煤層。2號(hào)煤層厚0～5.98 m，平均厚度2.30 m，為全區(qū)穩(wěn)定可采煤層。8號(hào)煤層厚0.4～8.00 m，平均厚度3.90 m.9號(hào)煤層厚度0～3.70 m，平均厚度1.63 m.整體來(lái)看，關(guān)閉煤礦中，2號(hào)煤層已經(jīng)大面積采空，礦井關(guān)閉前，正開(kāi)采8號(hào)或9號(hào)煤層，垂向上形成多層采空區(qū)。

先天資源條件決定采空區(qū)甲烷濃度，高瓦斯礦井采空區(qū)甲烷濃度通常較高，其甲烷濃度通常大于80%，平均濃度90%[3].低瓦斯礦井采空區(qū)甲烷濃度低，其采空區(qū)甲烷濃度基本小于20%[16].而采空區(qū)封閉性控制采空區(qū)煤層氣保存。根據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開(kāi)采規(guī)程》和《煤礦防治水細(xì)則》(表2)計(jì)算各煤層導(dǎo)水裂縫帶高度，西山礦區(qū)主采煤層頂板基本為中硬、堅(jiān)硬類(lèi)型，以大成煤礦為例，2、6、8、9號(hào)煤層導(dǎo)水裂隙帶最大高度分別為44.93 m、38.64 m、67.71 m、66.10 m，垂向上4層采空區(qū)相互連通，上部煤層采空區(qū)積水滲入下部采空區(qū)，其余多采空區(qū)煤礦如清河一礦等也存在這一情況。此時(shí)，2號(hào)煤層埋深決定了整體連通含氣系統(tǒng)的封閉性。

表2 緩傾斜、中傾斜煤層導(dǎo)水裂隙帶高度計(jì)算式表

2.2 資源量預(yù)測(cè)

關(guān)閉煤礦煤層氣資源量計(jì)算方法主要有物質(zhì)平衡法、資源構(gòu)成法和下降曲線法[8-9,12]，其中資源構(gòu)成法計(jì)算過(guò)程及關(guān)鍵數(shù)據(jù)獲取相對(duì)簡(jiǎn)單。根據(jù)資源構(gòu)成法預(yù)測(cè)采空區(qū)煤層氣資源量，其基本單元為相互連通或集中的采空區(qū)群，如圖2所示，大川河煤礦采空區(qū)分為3個(gè)單元。由于低瓦斯礦井先天資源條件差，煤層埋深淺，導(dǎo)水裂隙帶接近地表，部分采空區(qū)存在塌陷情況，因此本次資源量預(yù)測(cè)范圍為高瓦斯礦井中封閉性較好，且距今時(shí)間小于20年的采空區(qū)群。

圖2 西山礦區(qū)大川河煤礦采空區(qū)預(yù)測(cè)單元分布圖

參考前人研究[9]，將采空區(qū)空間體積與煤炭采出體積的比值定為0.86，忽略采空區(qū)積水及氣體的壓縮效應(yīng)，則采空區(qū)游離氣總量Qyl為：

Qyl=0.86Vc×gyl

式中：Vc為煤炭采出體積，m3；gyl為采空區(qū)甲烷濃度，%，高瓦斯礦井采空區(qū)甲烷濃度取平均值為85%.

采空區(qū)吸附氣總量Qxf為：

Qxf=(M遺+M卸+M柱)×q殘

式中：M遺為采空區(qū)內(nèi)煤層遺煤量，104t，根據(jù)采區(qū)/工作面回采率計(jì)算；M卸為采空區(qū)上卸壓煤量，104t，根據(jù)卸壓解吸帶高度計(jì)算；M柱為煤柱/煤壁卸壓煤量，104t，按照寬度30 m計(jì)算；q殘表示殘余吸附氣含量，m3·t-1.

煤炭充分解吸后的殘余氣量近似煤在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓條件下的實(shí)測(cè)吸附氣含量，采用下式計(jì)算[17]：

q殘=(-3.962lnVdaf+14.684)×

式中，Vdaf為原煤揮發(fā)分含量，%；Ad為原煤灰分含量，%；Mad為原煤水分含量，%.

采空區(qū)煤層氣資源量預(yù)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表3，在資源預(yù)測(cè)范圍內(nèi)，4個(gè)高瓦斯關(guān)閉煤礦采空區(qū)體積823.70×104m3，采空區(qū)煤層氣資源量為2 539.19×104m3，其中游離氣資源量為700.13×104m3，吸附氣資源量為1 839.06×104m3，游離氣資源量占比27.57%.其中，永興煤礦的采空區(qū)煤層氣資源量最為豐富。

3 原位煤層氣

3.1 資源特征

原位煤層氣資源，主要以吸附態(tài)賦存于未受采動(dòng)

表3 西山礦區(qū)關(guān)閉煤礦采空區(qū)煤層氣資源量表

影響的煤層中，是關(guān)閉煤礦煤層氣資源的重要組成部分。前人對(duì)西山礦區(qū)煤層氣賦存及富集模式開(kāi)展了詳細(xì)的研究，總的來(lái)說(shuō)，西山礦區(qū)原位煤層氣含量受煤變質(zhì)程度、儲(chǔ)層物性特征、地質(zhì)構(gòu)造及水文地質(zhì)條件的綜合控制[18-19].自西北向東南方向，西山礦區(qū)煤變質(zhì)程度逐漸增高，其煤層氣含量平面變化趨勢(shì)與其相一致。煤層埋深是影響西山礦區(qū)煤層氣含量的主要因素，馬蘭向斜7口典型鉆孔揭示，隨著煤層埋深增加，2、8、9號(hào)煤層含氣量呈增加的趨勢(shì)(圖3)[20].同時(shí)煤層氣含量還受水文地質(zhì)、褶皺位置、斷裂構(gòu)造、巖漿侵入以及陷落柱發(fā)育的影響，其有利成藏模式包括單斜-水動(dòng)力封堵成藏、向斜-水動(dòng)力封堵型成藏、斷層-水動(dòng)力封堵成藏[21].

西山礦區(qū)關(guān)閉煤礦2號(hào)煤層已經(jīng)大面積采空，原位煤層氣資源主體賦存于高瓦斯礦井的太原組8、9號(hào)煤層中。分別采集生產(chǎn)礦井官地煤礦及馬蘭煤礦太原組8號(hào)、9號(hào)煤樣開(kāi)展流體注入法孔隙結(jié)構(gòu)測(cè)試，8號(hào)煤層微孔比表面積介于51.84～56.52 m2/g，總孔體積介于0.044～0.045 cm3/g，9號(hào)煤層微孔比表面積為89.53 m2/g，總孔體積為6.576 cm3/g，9號(hào)煤層孔隙較8號(hào)煤層更為發(fā)育，比表面積和孔體積更高，更有利于氣體吸附(表4).

圖3 馬蘭向斜煤層含氣量與埋深關(guān)系圖

表4 西山礦區(qū)太原組8、9號(hào)煤層孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)表

基于閉坑報(bào)告資料及《山西省煤炭采空區(qū)煤層氣資源調(diào)查評(píng)價(jià)報(bào)告》中西山礦區(qū)含氣量信息[22]，分別針對(duì)高瓦斯礦井開(kāi)展分析。鼎盛煤礦井田面積0.649 km2，北鄰官地煤礦，于2004年建井，至今未正式投產(chǎn)，一直處于基建階段，其中各煤層未受采動(dòng)影響。大川河煤礦關(guān)閉前開(kāi)采2號(hào)煤層，下伏煤層尚未動(dòng)用，井田面積小，陷落柱規(guī)模大、發(fā)育密集，受陷落柱影響，下部4、7、8、9號(hào)煤層破壞嚴(yán)重，煤層含氣量低。大成煤礦從北西向南東方向，煤層埋深逐漸變淺，井田鉆孔瓦斯測(cè)試顯示，9號(hào)煤層煤層氣含量最大為4.68 m3/t，平均含量為0.75 m3/t.永興煤礦2號(hào)煤層含氣量介于2～4 m3/t，太原組煤層含氣量主體介于4～6 m3/t，隨埋深增大而增加。南峪煤礦煤層由上而下CH4相對(duì)含量逐漸增加，而CO2和N2逐漸減少，8、9號(hào)煤層位于甲烷帶內(nèi)。

3.2 資源量預(yù)測(cè)

原位煤層氣含量采用井下瓦斯測(cè)試或者鉆井解吸數(shù)據(jù)，如果關(guān)閉煤礦該數(shù)據(jù)缺失，可以從相鄰礦井資料中獲取。根據(jù)《山西省煤炭采空區(qū)煤層氣資源調(diào)查評(píng)價(jià)》中各礦區(qū)煤層含氣量等值線圖[22]，按照計(jì)算煤礦在圖上的位置，選用其煤層瓦斯含量平均值計(jì)算。煤層氣資源/儲(chǔ)量規(guī)范DZ/T0216-2010中，氣煤-瘦煤、貧煤-無(wú)煙煤對(duì)應(yīng)的空氣干燥基含氣量下限分別為4 m3/t和8 m3/t，判斷煤層氣含氣量的下限標(biāo)準(zhǔn)，考慮到關(guān)閉煤礦原位煤層氣的特殊性，本次預(yù)測(cè)起算標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一為4.5 m3/t.采用體積法，計(jì)算原位煤層氣資源量，其預(yù)測(cè)范圍為井田內(nèi)排除斷裂、陷落柱等影響下的范圍。

原位煤層氣資源量計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5，在資源預(yù)測(cè)范圍內(nèi)，原位煤層氣資源量共計(jì)3.37×108m3.南峪煤礦剩余8號(hào)煤層資源量最大，其原位煤層氣資源量最大，鼎盛煤礦次之，大川河煤礦最小。雖然關(guān)閉煤礦原位煤層氣有一定的蘊(yùn)藏量，但由于井田面積小，儲(chǔ)量豐度低，生產(chǎn)時(shí)可供利用的煤層氣資源少，單獨(dú)開(kāi)發(fā)利用價(jià)值有限。

表5 西山礦區(qū)關(guān)閉煤礦原位煤層氣資源量表

4 開(kāi)發(fā)利用方向

整體而言，西山礦區(qū)去產(chǎn)能關(guān)閉煤礦煤層氣資源分布集中，主要賦存于礦區(qū)東緣相鄰的鼎盛煤礦、大成煤礦、永興煤礦和南峪煤礦，與陽(yáng)泉、晉城礦區(qū)相比，存在井田、采空區(qū)面積小，煤層厚度較薄，煤層埋深較淺等不利因素，采空區(qū)和原位煤層氣資源量有限。針對(duì)關(guān)閉煤礦采空區(qū)煤層氣抽采濃度差異大的特點(diǎn)，并考慮到煤層氣抽采安全性和高效性，關(guān)閉礦井采空區(qū)煤層氣抽采利用可分為高濃度(CH4>30%)和低濃度(CH4≤30%)煤層氣抽采利用技術(shù)體系[23].

因此，在高瓦斯礦井采空區(qū)煤層氣富集區(qū)開(kāi)展地面直井抽采利用，抽采高濃度煤層氣。煤礦關(guān)閉后，通風(fēng)系統(tǒng)停止工作，甲烷氣體密度小，采空區(qū)煤層氣的運(yùn)移主要受到升浮作用的影響[10,12].煤層氣在升浮作用下向裂隙帶上部運(yùn)移聚集，并形成潛在富集區(qū)[24].“O”形裂隙圈作為封閉采空區(qū)煤層氣儲(chǔ)氣空間的充分卸壓區(qū)，孔隙度和滲透率大，是采空區(qū)地面井位布置的首要選擇。此外，針對(duì)關(guān)閉煤礦原位煤層氣資源豐度低，單獨(dú)開(kāi)發(fā)利用價(jià)值有限的問(wèn)題，考慮采空區(qū)煤層氣與原位煤層氣合采，通過(guò)鉆井、壓裂，將水平方向煤柱/未采煤層及垂向上深部未采煤層與封閉采空區(qū)形成連通的含氣系統(tǒng)，并開(kāi)展抽采工作，提高資源利用效率，增長(zhǎng)煤層氣生產(chǎn)周期。

5 結(jié) 語(yǔ)

1) 2016—2020年西山礦區(qū)去產(chǎn)能關(guān)閉18座煤礦，分布于礦區(qū)周緣，其中高瓦斯礦井5座，其余為低瓦斯礦井；垂向上通常存在多層采空區(qū)，相互連通。

2) 根據(jù)資源構(gòu)成法，預(yù)測(cè)西山礦區(qū)去產(chǎn)能關(guān)閉煤礦采空區(qū)煤層氣資源量為2 539.19×104m3，其中，游離氣資源量為700.13×104m3，占比27.57%，吸附氣資源量為1 839.06×104m3.永興煤礦的采空區(qū)煤層氣資源量最為豐富。

3) 原位煤層含氣量主要受埋深控制，根據(jù)體積法，預(yù)測(cè)原位煤層氣資源量為3.37×108m3，主要賦存于南峪煤礦中，但儲(chǔ)量豐度低，單獨(dú)開(kāi)發(fā)利用價(jià)值有限。

4) 西山礦區(qū)去產(chǎn)能關(guān)閉煤礦煤層氣資源分布相對(duì)集中，采空區(qū)面積小、采空區(qū)和原位煤層氣資源量有限，基于此特征，提出采空區(qū)煤層氣富集區(qū)地面直井抽采、采空區(qū)煤層氣與原位煤層氣合采兩種開(kāi)發(fā)利用方向。