祁东煤矿7煤层含气量特征及其影响因素分析

Analysis of Gas Content Characteristics and Influencing Factors of No. 7 Coal Seam in Qidong Coal Mine

摘要: 为了探究祁东煤矿7煤层的含气量和气体组分的特征及其影响因素，对该煤层的含气量及其气体组分进行了相关的测定，对其影响因素进行了分析。结果表明，祁东煤矿7煤层的含气量介于2.93~13.93 m³/t之间，平均为8.68 m³/t。对于其组分，CH₄含量72.75~98.20%之间，平均为89.67%。CO₂的浓度在1.58~8.43%之间，平均为3.90%，而N₂的浓度则在0.03~22.68%，平均为6.43%。含气量与埋深成正相关的关系，CH₄与N₂埋深呈较弱的线性关系，CO₂与埋深关系不大。祁东煤矿受到EW向的魏庙断层以及NE向的F1、F2正断层，NW向的F5逆断层等断层和瓦斯风化带的影响，使得南部区域含气量及其甲烷浓度相较于北部低。含气量与水分的关系不大，含气量与灰分呈一定的弱线性关系。

Abstract: In order to explore the characteristics and influencing factors of gas content and gas composi-tion of No. 7 coal seam in Qidong Coal Mine, the gas content and gas composition of the coal seam were measured, and the influencing factors were analyzed. The results show that the gas content of No. 7 coal seam in Qidong Coal Mine is between 2.93~13.93 m³/t, with an average of 8.68 m³/t. For its components, the CH₄ content is between 72.75%~98.20 %, with an average of 89.67%. The concentration of CO₂ was between 1.58%~8.43%, with an average of 3.90%, while the concentration of N₂ was between 0.03%~22.68%, with an average of 6.43%. There is a positive correlation between gas content and buried depth. There is a weak linear relationship between CH₄ and N₂ buried depth, and CO₂ has little relationship with buried depth. Qidong Coal Mine is affected by EW-trending Weimiao fault, NE-trending F1 and F2 normal faults, NW-trending F5 reverse fault and gas weathering zone, which makes the gas content and methane concentration in the southern region lower than those in the northern region. There is little relationship between gas content and moisture, and there is a weak linear relationship between gas content and ash content.

1. 引言

煤层气是煤在煤化作用过程中生成并主要以吸附状态储集于煤层中的一种非常规天然气，其主要成分是甲烷 [1] 。随着我国经济的高速发展和能源需求不断增长，煤炭资源的重要性日益凸显。煤层气作为一种新型清洁能源，具有储量丰富、好开采等优点，所以近年来得到了广泛应用和发展 [2] 。同时开发利用煤层气在消除煤矿瓦斯隐患、减少温室气体排放，减少对环境的污染具有实际意义。

通过前人的研究，确定了煤层埋藏深度、构造条件、煤质等都可以对煤层气的含气量及其组分产生影响。童柳华等 [3] 人分析并发现煤层埋藏深度是影响瓦斯赋存的主要因素。王科等 [4] 人通过相关研究初步得到了地质条件、水文、埋深、岩浆活动等方面对煤层气赋存规律。方爱民等 [5] 人以沁水盆地煤层为例，分析了煤变质作用对煤层气所产生的影响。本文通过对7煤层样品进行实验，分析了煤层气含气量及其组分特征，并对其相关影响因素进行探讨，为以后祁东矿区的煤层气开发提供一定的理论基础和参考依据。

2. 地质概况

宿南矿区位于安徽省宿州市东南部，该矿区占地面积约为302 km²，矿区整体的地层结构为向斜构造，正断层较为发育，而且断层的走向主要为NE及NNE方向(图1)。宿南矿区主要含煤地层为二叠系，包括了下统山西组、下石盒子组，上统上石盒子组,其中分布了桃园、祁东、祁南、朱仙庄等煤矿。祁东煤矿位于宿州市埇桥区，处于宿南向斜的东南端。断层上主要发育了EW向的魏庙断层，NNE向的F1、F2正断层和NW向的F5逆断层。褶皱上则发育了马湾向斜和圩东背斜。祁东煤矿矿区范围内的石炭系煤层都不可采。矿区内主要为二叠系含煤地层，共包含十一个煤层／组，其中3₂、7₂和10三个煤层在各个井田最为稳定，是主要可采煤层，其余各个煤层中2、6、7、8、9等也较为稳定 [6] 。

Figure 1. Structure outline diagram of Suxian mining area [7]

图1. 宿县矿区构造纲要示意图 [7]

3. 样品采集及实验

3.1. 样品采集

煤样的采集地点为祁东煤矿的7煤层，使用煤芯采取管提取煤芯，每一次取芯长度应该在0.4 m之上，在煤芯提出钻孔后，应该第一时间拆开煤芯管，把将采取的煤样装入密封罐。在放入解析罐之前，要剔除矸石及其杂物。按照煤芯的上下顺序装入解析罐中。煤层气含所采煤芯样品应装至距解吸罐口1 cm处并密封。如果采取的样品不足以装满罐，应据样品量在罐底加适量填料，解吸罐中空体积最大不应超过罐装体积的1/4 [8] 。所采的煤样不能用水清洗，要保持自然状态，再将其放进密封罐。在放入过程中，不能进行人为压实操作。同时要在表中记录相关的采样地点，采样时间以及编号 [9] 。

3.2. 实验方法

解吸法是用普通岩芯管采取煤芯，并将其带入到地面之后，第一时间放进密封罐中密封。放入密封罐之后快速的将瓦斯解吸速度测定仪与密封罐连接测定瓦斯解吸量。在最后把煤样送到实验室并测定瓦斯残存量。瓦斯含量可以分为瓦斯解吸量、残存瓦斯量(粉碎前脱气量和粉碎后脱气量)和损失量三部分 [10] 。

利用气相色谱法分析来进行检测煤层气组分，执行标准GB/T 13610-2014《天然气的组成分析气相色谱法》，该标准规定了用气相色谱法测定天然气及类似气体混合物的化学组成的分析方法可以很好的测定出煤层气的组分 [11] 。样品在实验室内进行气相色谱仪检测分析后，得出组分出峰时间以及次序图，对其进行定性分析，之后依据得到的标准气体组分色谱图进行峰面积的确定和计算。

4. 煤层含气量及组分特征

祁东煤矿的含气量如表1所示，7煤层在含气量在2.25~13.93 m³/t之间，平均为8.67 m³/t。其中含气量在4 m³/t以下的占9.5%，在含气量在10 m³/t以上占总样品数的33.3%。而在4~10 m³/t之间的样品数量最多，共占有57.1%。

从煤层气组分上看，7煤层煤层气组分主要是以CH₄为主，其次为N₂和CO₂。从甲烷浓度上，7煤层的甲烷浓度在68.15%~98.20%之间，平均为89.05%。甲烷浓度在80%以下的共占有23.8%份，而80%~90%之间的则最少只有19%，浓度在90%以上的最多共占57.1%。非烃类的组分主要为CO₂和N₂，7煤层CO₂的浓度在0.06%~8.43%之间，平均为3.78%，小于浓度4%的样品数占总样品数的57.1%，而大于4%的则占有42.9%。而N₂的浓度则在0.03%~30.16%，平均为7.12%。浓度小于10%共占76.2%，超过10%的则占有23.8%。

Table 1. Gas content and component concentration table of No. 7 coal seam in Qidong coal mine

表1. 祁东煤矿7煤层含气量及组分浓度表

注： $\frac{2.25-13.93}{8.67\left(58\right)}=\frac{最小值-最大值}{平均值\left(样品数\right)}$ 。

5. 影响因素分析

5.1. 煤层底板深度

随着煤层埋藏深度的增加，地应力不断的增加，煤层和围岩的透气性也会随之降低，而且煤层气向地表运移的距离增大，所以一般情况下埋藏深度较深的煤层含气量较高 [12] 。祁东煤矿7煤层的埋深在−405.84~−950.46，平均深度在−620.82 m。由图2(a)可以看出，总体上，埋藏深度与含气量成正相关的关系。对比图2(b)、图2(d)两幅图可知，甲烷浓度随着埋深的递增而表现出一种上升的趋势，氮气浓度随埋深减小呈现出下降的趋势，但其相关系数都不大，所以甲烷浓度和氮气浓度与埋深的线性关系较弱。可由图2(c)可知，CO₂几乎不随埋藏深度的变化而变化，其相关系数只有0.0102。

5.2. 断层

断层对瓦斯含量的影响比较复杂，一方面在后期构造运动作用下形成封闭性断层，原来含气量较少，瓦斯气体较分散的煤层，在其断层的作用下，使得瓦斯的气体聚积，并向适宜的区域移动并且集中，形成局部的瓦斯高压带；另一方面，在后期改造作用下形成开放型断层，形成瓦斯运移和逸散的联系通道，使得瓦斯风化或逸散。在祁东煤矿的南部发育了EW向的魏庙断层，而在魏庙断层以北则还发育3个较大的断层分别为NE向的F1、F2正断层，NW向的F5逆断层。这些断层既改变了瓦斯的赋存格局，同时也还破坏了煤层的完整性和连续性。从图3、图4、图5可以看出，由于在喜马拉雅期，受到地质构造作用下，圩东背斜和马湾向斜被拉开，从而行成了EW向的魏庙断层，为瓦斯的逃逸提供了通道，使得西南部区域含气量较低 [13] 。而中南以及东南部则是受到了F2、F5以及F6、F7等断层的影响从而导致含气量、甲烷浓度较低，非烃类气体浓度较高。而北部区域则因为断层深度较浅未影响到煤层或者断层在煤层之下未受影响，所以北部，含气量，甲烷浓度较高，非烃类气体浓度较低。

Figure 2. Relationship diagram of gas content and its components in buried depth

图2. 含气量及其组分于埋深关系图

Figure 3. The contour map of Non-hydrocarbon gas in No. 7 coal seam

图3. 7煤层非烃类气体等值线图

Figure 4. The contour map of gas content in No. 7 coal seam

图4. 7煤层含气量等值线图

Figure 5. The contour map of methane in No. 7 coal seam

图5. 7煤层甲烷等值线图

5.3. 瓦斯风化带

赋存于煤层中的瓦斯通过各种方式从地下深处向地表流动，与地表的空气以及其他的生物化学作用所形成的气体沿着煤层和地质缝隙向下运动，这样就使得地表的气体与地下发生了反方向的交换运动，也就形成煤层中瓦斯成分、由浅到深、有规律地变化，也就是煤层瓦斯带状分布 [14] 。

由于受到了印支运动的影响，在南北向挤压作用下形成了轴向近东西的2个褶皱构造也就是圩东背斜和马湾向斜。两个褶皱构造使得含煤地层向上隆起，受到严重的剥蚀，褶皱的核部从3₂煤层到6₁几乎都受到了侵蚀，由于又受到了魏庙断层以及其他断层的影响，拉张作用同时导致正断层发育，为煤层瓦斯的逸散提供了通道，瓦斯风化带变深，这就得瓦斯大部分都逃逸出去 [13] 。从图4可以看出，处于瓦斯风化带下的含气量较低。由图3和图5可知，处于瓦斯风化带地区的7煤层含气量较低，而非烃类气体较高，在祁东煤矿中南部特别明显。

5.4. 煤质的影响

根据样品的整理和分析，得出了煤的灰分和水分与含气量的关系。通过图6可知，7煤层的水分含量在0.48%~1.98%之间，平均为1.05%。灰分在11.45%~39.46%之间，平均为18.83%。通过图6(a)可知，水分与含气量的线性关系不大。由图6(b)可以看出含气量与灰分的相关性较弱，含气量随着灰分的增加而递减。

Figure 6. Scatter diagram of the relationship between gas content and coal quality

图6. 含气量与煤质关系散点图

6. 结论

本文对祁东煤矿7煤层的含气量和其组分进行了分析，探讨了含气量和其组分的特征以及煤层气相关的影响因素，并结合相关数据，得出以下结论。

(1) 祁东煤矿7煤层的含气量在2.93~13.93 m³/t之间，平均为8.68 m³/t。CH₄浓度在72.75%~98.20%之间，平均为89.67%，CO₂浓度在1.58%~8.43%之间，平均为3.90%，而N₂的浓度则在0.03%~22.68%，平均为6.43%。

(2) 煤层含气量与埋深呈正相关的关系，CH₄与埋深线性关系较弱，CO₂与埋深关系不大，N₂与埋深呈较弱的线性关系。祁东煤矿南部受断层和瓦斯风化带的影响较大，尤其是中南部和西南部，北部则受断层和瓦斯风化带的影响小。含气量与水分的关系不大，含气量与灰分呈弱线性关系。

资助项目

宿州学院资助省级大学生创新创业训练计划项目(S202310379184)；宿州学院第十七届大学生科研立项(YBXM23-028，ZCXM23-008)；宿州学院博士后科研启动基金(2022BSH001)；安徽省高校自然科学研究项目(KJ2021A1113)；安徽宿南碎裂煤水文特征与含气潜力分析项目(2023xhx013)。

NOTES

^*通讯作者。