煤层瓦斯含量实测值与计算值的比较研究

李 东，钱建峰，陈 文，牛国斌

(1.西安思源学院 能源及化工大数据应用教学研究中心，陕西 西安 710038；2.陕西省煤层气开发利用有限公司，陕西 西安 710119； 3.宁夏煤田地质局，宁夏 银川 750021)

·技术经验·

煤层瓦斯含量实测值与计算值的比较研究

李 东1，钱建峰2，陈 文3，牛国斌3

(1.西安思源学院 能源及化工大数据应用教学研究中心，陕西 西安 710038；2.陕西省煤层气开发利用有限公司，陕西 西安 710119； 3.宁夏煤田地质局，宁夏 银川 750021)

通过已知挥发分-镜质组最大反射率-吸附特性的相互函数关系，用数学模型(半理论半经验)提出计算煤层瓦斯含量理论值的方法，以期对预防瓦斯灾害、保护环境和利用资源提供参考，并以宁夏吴忠韦一矿地质勘探报告中所列的76组煤层瓦斯含量实测值与计算值进行比较。 所计算的煤储层瓦斯含量比实测值高，但对煤层瓦斯含量的定性讨论给出一些量化佐证。

LI吸附-流动方程；瓦斯含量；计算值；实测值

引 言

煤层气，也被称为煤层瓦斯，是煤的伴生矿产资源。瓦斯既是引起全球气候变暖的强温室性气体，也是一种洁净能源。同时，瓦斯(煤层气)会引起煤岩体突出、爆炸等灾害。2016年9月27日早晨，宁夏回族自治区石嘴山市白笈沟宁夏林利煤炭有限公司煤矿3号井发生瓦斯爆炸，18名矿工遇难，2人失踪。 2016年10月13日13时，贵州省黔西南州贞丰县挽澜乡荣胜煤矿发生瓦斯爆炸，7名矿工遇难，11人受伤，其中2人重伤。2016年10月31日，重庆市永川区来苏镇金山沟煤矿发生瓦斯爆炸，33名矿工遇难。如果能对煤层瓦斯含量进行理论计算，并用实测值进行修正，将可以预防煤矿瓦斯事故的发生，实现对瓦斯灾害的有效治理，保护环境和利用资源。有些煤矿，在煤田勘查阶段被认为是低瓦斯矿井，但在生产过程中，随着生产规模、开采深度和开采范围的不断增大，瓦斯灾害问题日益严重。目前对井田的煤层气(瓦斯)赋存规律虽开展过专项研究，但定性描述较多，定量或半定量计算较少，加上煤层瓦斯含量实测值争议较多，既影响到矿井瓦斯的抽采与防治，也直接影响到地面煤层气井的布置与开发，成为矿井目前急需解决的课题[1,2].

我国的能源结构中一直以煤为主。煤田普查是通过一定的钻孔或探方取样查明工作区的地层层序、含煤地层时代，了解含煤地层的沉积环境、厚度和埋藏深度、构造形态、煤质、围岩特征、水文地质等。同时在地勘时期探孔或探方所取的煤芯或煤样，都会按标准方法送实验室做煤的工业分析(煤质分析成果表)、煤岩分析(煤岩鉴定成果表)、瓦斯分析(瓦斯含量试验成果汇总表)和其它性能测定及分析。其中测定的煤样的瓦斯含量是按GB/T23249-2009“地勘时期煤层瓦斯含量测定方法”进行操作和数据处理。这是煤层瓦斯含量实测值。

目前煤层瓦斯含量理论计算方法可以分成两类：

1) 回归预测，如简单的瓦斯数学地质(瓦斯含量、顶板岩性、顶板沙岩比、埋深、倾角)模型[3-5]和负责的瓦斯数学地质化学(除了瓦斯含量、顶板岩性、顶板沙岩比、埋深、倾角外，增加煤的水分、灰分、挥发分化学分析)模型[6,7]. 这种回归预测，所得到的瓦斯理论预测值在瓦斯实测值的上限和下限之间，所以，无零(或近似为零)的实测值出现在这类回归预测。

2) 理论预测。首先发现最大镜质组反射率-挥发分-吸附特征之间的关系，再考虑深度和含气饱和度的影响和对水分、灰分的修正，进而进行理论预测[8,9]. 这种理论常用于深部煤层气含量预测，并且这种理论预测值无零(或近似为零)。因为无实测值进行比较,所以仅供参考。

1 煤层瓦斯含量理论计算值

煤层瓦斯含量的大小取决于煤的显微组分、孔隙特征和变质程度等内在因素，而且还受控于储层压力、储层温度及含水饱和度等外在条件。那么煤样的瓦斯含量特性与煤样的工业分析(灰分，挥发分，水分)以及煤样采取的埋深(储层温度和储层压力)就有明显的相关性。如果能找到这个相关性，并用函数的关系表示，则可以计算煤层瓦斯含量值。

1) 必须有一个能够描述变温变压下煤的吸附方程。 LI吸附-流动方程[10-12]原是用于解决气体分子在多孔介质表面的吸附和孔内流动时，吸附条件(温度、压力和吸附介质的性能)对气体通过率的影响。方程可以表现为：

式中：

V—单位压力，单位体积的气体吸附量，m3/t；

A—对于一个固定的多孔介质的微孔几何形体常数；

B—吸附流量系数，都与吸附站点区域相关；

Δ—在吸附质流中的一个吸附分子的最低势能和活化能之间的能量差，K；

M—吸附气体分子的分子量，甲烷的分子量为16；

T—绝对温度，K；

P—压力，MPa;

β—类似Freundlich吸附等温线方程中的常数，无量纲。

3) 根据傅学海等[14]发表了有镜质组分最大反射率配套的不同温度条件下的等温吸附的Langmuir体积和Langmuir压力数值，以及兰氏参数与镜质组分最大反射率的函数关系，回归得到的LI吸附-流动方程中四个参数与镜质组分最大反射率函数关系。

那么，知道干燥无灰基挥发分时就可以计算镜质组分最大反射率，从而计算LI吸附-流动方程中4个参数。知道埋深，就可以推算煤样的储层温度和储层压力。利用LI吸附-流动方程可以计算煤理论瓦斯含量。

2 宁夏吴忠韦一矿

对于矿区含煤性而言，井田内含煤地层厚近千米，含煤50余层，分别集中含煤地层上部山西组及太原组第二段。在本井田范围内，可采及局部可采煤层共9层。根据含煤地层年代划分为山西组含煤地层和太原组含煤地层。 对于矿区煤的物理性质和煤岩特征而言， 各可采煤层煤为黑色，灰黑色条痕，玻璃光泽为主，暗淡光泽次之。断口以贝壳状为主，次为参差状、棱角状。煤层内生裂隙发育，裂隙被方解石或黄铁矿充填。

对于矿区瓦斯而言，勘探报告沿煤层倾向和走向在15个钻孔中布置采集瓦斯样。 实际在11条勘探线16个钻孔中，分别对各煤层采集瓦斯样品76组，采样合格。因为本文的目的是从煤样的化学分析数据以及埋深来计算煤储层的瓦斯含量，并与相应的实测值进行比较。所以对所有76组样品都进行计算。表1仅列出8组，分别为76组中关于见煤深度、水含量、灰含量、和挥发分含量的最小值和最大值。

从表1可以看出，在76组中关于见煤深度最小值是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%、挥发分含量最小值是17.45%，而最大值是47.56.

3 结果与讨论

1) 地下水与瓦斯共存于煤层及围岩之中，其共性是均为流体，运移和赋存都与煤、岩层的空隙、裂隙通道有关。由于地下水的运移，一方面驱动着裂隙和空隙中的瓦斯运移，另一方面又带动溶解于水中的瓦斯一起流动，使得煤层中瓦斯含量明显减少。将76组数据按水含量排序，将一定范围水含量的实测值和计算值平均，见表2.

表1 钻孔瓦斯实测含量、条件和瓦斯计算量表

表2 煤样中水含量对瓦斯含量的影响表

表2计算数据说明，随着水含量的增加使得煤层中瓦斯含量减少，但实测数据却不明显。

2) 煤层变质程度对煤层气含量的影响，主要是通过对煤的生气量和煤的吸附能力的控制作用而体现的。大量研究已证明，煤的生气量随着煤变质程度的增加而增大，在相同保存条件和煤储层压力条件下，变质程度愈高，挥发分含量越低，煤中吸附的甲烷愈多。将76组数据按挥发分含量排序，将一定范围挥发分含量的实测值和计算值平均，见表3.

表3 煤样中挥发分含量对瓦斯含量的影响表

由表3可知，随着挥发分含量的增加使得煤层中瓦斯含量减少。但对于实测值而言，这种相关性可能因其他因素的影响表现得比较紊乱和波动。

3) 灰分是煤经过完全燃烧后残留的无机矿物质，其主要成分是氧化物。大量实验资料证明，瓦斯在煤层中是以吸附状态存在于有机组分的孔隙中，而无机矿物质基本上不能吸附瓦斯。煤中无机矿物质(灰分)的增加，导致煤岩变差，储气性能变差，吸附瓦斯的能力降低。将76组数据按灰分排序，将一定范围灰分的实测值和计算值平均，见表4.

表4 煤样中灰分对瓦斯含量的影响表

一般说来，煤层瓦斯含量与煤的灰分之间表现出一定的相关性。从表4数据可知，计算值和实测值都不明显证明这种相关性，都表现得比较紊乱和波动。

4) 理论上，煤层中的瓦斯压力随着埋藏深度的增加而增大，随着瓦斯压力的增加，煤中游离瓦斯含量所占比例增大，同时煤中的吸附瓦斯逐渐趋于饱和。将76组数据按见煤深度排序，将一定范围见煤深度的实测值和计算值平均，见表5.

表5 煤样的见煤深度对瓦斯含量的影响表

从宁夏吴忠韦一矿的计算数据看，在一定的深度范围内，煤层瓦斯含量也随埋藏深度的增大而增加。但从实测数据看，这种相关性表现得紊乱无规律。

5) 由于在钻孔煤芯中采瓦斯样受多方面技术条件限制，同时在采样过程中部分瓦斯逸散，所采样品不能完全反映煤层中瓦斯储存的实际情况。在钻孔中采集的煤芯瓦斯含量比理论计算值要低，除了高挥发分和高水分。计算平均吸附量的变化比较符合目前对瓦斯含量的定性分析，因此可供参考。

4 结 论

本文探索了煤的变质程度和煤的成因出发对煤层瓦斯含量进行理论计算，并用实测值进行修正，从而可以预防煤矿瓦斯事故发生，实现对瓦斯灾害的有效治理，保护环境和利用资源。采用的方法是结合煤田勘探时期钻孔的煤质数据(水分、灰分、挥发分)和工程数据(见煤深度)进行,并与相应的实测值进行分类比较。虽然所计算的煤储层的解吸特征(瓦斯含量)与实测值高，但计算数据吻合随着水含量的增加煤层中瓦斯含量减少，也吻合随着挥发分含量的增加煤层中瓦斯含量减少。但对于实测值而言，这些相关性可能因其他因素的影响表现得比较紊乱和波动。毕竟76组数据量太少，仅为理论计算煤层瓦斯含量有益的尝试和一些定性讨论。

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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 东(1953—)，男，广东梅县人，1991年毕业于美国辛辛那提大学，博士，教授，主要从事煤化工工艺与装备、煤层气吸附和相应的应用研究工作，(E-mail)zuizuixuan123@163.com

TD712+.3

B

1672-0652(2016)10-0019-04