宿南矿区祁东煤矿6-1 煤层含气量及组分特征分析

童家颖，魏 强，2*，石从秋，刘家乐，刘继威，凌德孟，廖 弦

（1.宿州学院 资源与土木工程学院，安徽 宿州 234000；2.国家煤矿水害防治工程技术研究中心，安徽 宿州 234000）

煤层气以甲烷为主，含一定的二氧化碳与氮气，是一种与煤伴生且存储于煤层及围岩中的非常规气体[1]。我国煤层气资源储量位居世界前列，合理开采煤层气不仅可以减少瓦斯事故，还能在资源匮乏的情况下，作为一种优质、高效、清洁、新型的替代能源，用来减少环境污染，起到较好的环境效益，迎合国家所提倡的环境友好型社会的推进与发展。研究和深入认识我国煤层气含气量及其他影响地质因素，是我国煤层气资源勘探中首先必须要考虑解决的一个问题。为深入了解我国煤层气资源赋存变化情况及煤层地质变化特征，前人通过一系列理论分析与实证研究，确定了我国煤层地质厚度、煤岩地质特性、渗透率、孔隙煤层大小、埋深、煤质等均可以影响煤层气的含量。魏强[2]通过对深和浅部储存含煤层气量吸附与分解吸附的特征分析，初步确定了深部煤层含气量与深部煤质间的相互关系;童柳华等[3]通过分析并初步确定了储煤层深部埋藏层的深度可作为影响深部煤层气含量赋存的主要影响因素；高尚[4]通过分析并初步确定了煤层地质地貌构造对煤层气含量赋存的主要影响。本文以宿南矿区祁东煤矿6-1 煤层为研究对象，基于含气量及组分特征，对其影响因素进行分析。以上研究，可为宿南矿区祁东煤矿煤层气的开发提供一定的理论依据。

1 地质背景

宿南矿区坐落于安徽省宿州市东南部，面积约为302 km2，整体地层结构处于向斜构造上，以正断层为主，走向以北东及北北东方向为主，含煤地层为上石炭统-二叠系，主要包括矿区上中下煤炭系统石盒子组、下中上石炭石盒子组及山西组。石炭系的煤层由于相对较薄[5]，增加了在开采上的复杂程度，因此为不可采煤层。二叠系含煤地层丰富，3-2、6-1、6-3、7-1、7-2、8-2、10 煤层均为稳定煤层[6]，此煤层上的开发潜力较高。祁东煤矿坐落于安徽省宿州市埇桥区，地跨蕲县镇、西寺坡镇和固镇县湖沟镇，整体上处于宿南向斜的东南端方向。祁东井田东西长约9 km，南北宽约3.5～5 km，矿井面积大约46.5 km2，此矿区井田内煤层含气量较高[7]，具有良好的开发潜力，可提高宿南矿区煤层气的资源储量。如图1 所示，可得到宿南矿区煤层气的地质纲要图，其中包含本文所探讨的祁东煤矿。通过图1 可大致了解到祁东煤矿与其他几个矿区的地理方位及基本走向等信息。

图1 宿南矿区煤层气地质纲要图[4]

2 煤质特征

煤层气量工业煤炭组分含量是评价工业煤质的主要测量指标，同时也是影响工业含煤层气量的重要因素之一。通过工业分析，可以测定出煤样的水分、灰分和挥发分，一般情况下，三者都是通过相应的仪器设备直接测出的[8]。通过样品分析，可以得到3-2、7-1和6-1 煤层中的Mad（空气干燥基水分）、Aad（空气干燥基灰分）、Vad（空气干燥基挥发分）在各自煤层中所占的比例。如图2 所示，在3 个不同煤层中水分含量占比均较小，而灰分与挥发分含量占比较大。其中，祁东煤矿6-1 煤层中水分介于1.15%～1.95%之间（平均值：1.34%），灰分与挥发分含量占比较多，分别为15.16%～30.67%（平均值：19.73%）和22.33%～28.14%（平均值：25.81%）。而在3-2 和7-1 煤层中的灰分与挥发分占比分别为11.59%～36.39%（平均值：24.21%）、22.75%～34.3%（平 均 值：27.82%）和13.06%～21.77%（平均值：15.78%）、22.78%～31.35%（平均值：27.92%）。由此可以看出，灰分与挥发分在各煤层中含量占比相对较高，且煤质中主要以灰分和挥发分为主，水分含量极少。

图2 6-1、3-2 和7-1 煤层中水分、灰分和挥发分含量图

3 含气量特征

祁东煤矿6-1 煤层气样品中的成分以甲烷（CH4）、二氧化碳（CO2）和氮气（N2）为主，且甲烷含量占比最大。由图3 可知，6-1 煤层含气量介于0.35～14.15 m3/t 之间，平均值为5.55 m3/t。对比发现，3-2煤层含气量介于2.41～10.68 m3/t 之间，平均值为7.25 m3/t。在7-1 煤层中，含气量介于1.62～12.59 m3/t 之间，平均值为6.86 m3/t。由此可以得出，在宿南矿区祁东煤矿中，6-1 煤层的含气量均值相对于3-2 和7-1 煤层较低。6-1 煤层中个别序号下的含气量大于其他煤层中样品含气量，且在序号4 样品中的煤层气含量值突变，为样品中煤层气含量最大值14.15 m3/t。在序号6和7 的样品中，6-1 煤层中的含气量较低，几乎不可采。通过对比可知，3-2 煤层中含气量较为稳定，其次为7-1 煤层。

图3 祁东煤矿各相关含气量直方图

从煤层气成分上来看，6-1 煤层主要成分为甲烷，其次为氮气和二氧化碳。由图4 可知，甲烷含量占比在6-1、3-2 和7-1 三个煤层中均为最高值。但在6-1 煤层序号6 和序号7 的样品中，氮气含量占比大于甲烷含量占比。而序号6 和序号7 的样品中，含气量值也较低。由此可以发现，含气量与甲烷之间存在某种相关关系。其中，在6-1 煤层中，甲烷含量占比在12.05%～96.44%之间，平均值为71.14%，氮气与二氧化碳占比分别为0.14%～92.66%（平均值：27.18%）和0～5.31%（平均值：2.88%）；在3-2 煤层中，甲烷含量占比在72.07%～97.92%，平均值为87.92%，氮气与二氧化碳占比分别为0.4%～21.73%（平均值：8.11%）和1.06%～6.42%（平均值：3.90%）；在7-1 煤层中，甲烷含量占比在62.15%～97.06%，平均值为84.28%，氮气与二氧化碳占比分别为0.15%～30.16%（平均值：11.13%）和1.75%～8.43%（平均值：4.58%）。对比3 个煤层发现，3-2 煤层中甲烷含量占比均值最高，而6-1 煤层中甲烷含量占比均值最低。在6-1、3-2 和7-1 三个不同煤层中甲烷含量占比均为最大值，而二氧化碳和氮气含量较少几乎不超过整体的30%。

图4 祁东煤矿各相关煤层气组分直方图

4 含气量及组分影响因素分析

4.1 埋深影响

煤层气在地下的分布是不均衡的。不同地区，或者同一地区不同煤层间的含气量往往差异较大。根据6-1 煤层的样品分析，得到了关于煤层含气量与埋藏深度的散点图及趋势线（图5）。埋藏深度可分为浅部埋藏与深部埋藏，一般情况下，深部埋藏的煤层含气量较多[9]。因样品中的开采深度不一样，其煤层含气量也不同。祁东煤矿6-1 煤层埋深介于414.34～766.82 m，平均值为601.66 m。总体上，煤层含气量与煤层埋深呈一元线性关系，煤层含气量随着埋藏深度的增加而增加。如图5（a）所示，6-1 煤层含气量与埋深相关性系数不到0.4，特别是含气量低于1.00 m3/t 的样品，可能由于煤层厚度等因素使煤层气散逸[10]，导致测得样品中含气量值相对较低，位于趋势线以下。但整体上，除去异常点之外，含气量与埋藏深度之间具有一定的弱相关关系，且含气量与埋藏深度成正比。

通过对样品的分析，发现埋深不仅对含气量起着关键性影响，还与化学组分间存在着一定的关系。通过对比图5（b）、图5（c）、图5（d）三幅图，发现在6-1 煤层中甲烷的含量占比随着埋藏深度的增加呈上升趋势，而氮气含量占比却呈下降趋势。但甲烷与埋深相关关系不大，其相关系数仅有0.199 7。从数值的集中程度上看，在埋深为454.41～766.82 m 之间，大多数样品中甲烷含量占比都在80%以上，个别甲烷含量高达90%以上。总体上，氮气含量占比与甲烷此起彼伏，大致上二者之间具有一定的负相关关系。二氧化碳含量随着埋藏深度的增加或减少，其含量变化波动较小，较为稳定，所以在图上看到的线性关系不明显，相关系数只有0.11 左右。对比4 幅图可知，含气量与埋藏深度的相关性更高，达到0.36，而二氧化碳与埋藏深度的相关性最低。其中，甲烷和含气量与埋深都呈正相关，这也表明甲烷可能与含气量之间存在某种关系。

图5 6-1 煤含气量、组分与埋深散点图

4.2 煤质影响

煤的工业分析中，水分（Mad）、灰分（Aad）和挥发分（Vad）是研究煤质的3 个重要指标。煤的水分在燃烧时会大量吸热，这在一定程度上会大大降低煤的发热量，从而影响煤的一系列使用运输等情况。煤的灰分是指当温度达到某个特定值，煤在此条件下充分燃烧后所遗留下来的物质。煤的挥发分则指煤在燃烧后的逸出物质中除去了水分含量后的其他物质含量。

根据现有样品的整理与分析，可得到以下关于6-1 煤层含气量与煤质（水分、灰分、挥发分）之间的关系。由图6 可知，祁东煤矿6-1 煤层中Mad 含量在1.15%～1.95%之间，平均值为1.34%；Aad 含量在15.16%～30.67%之间，平均值为19.73%；Vad 含量在22.33%～28.14%之间，平均值为25.81%。通过对比图6（a）、图6（b）、图6（c）三幅图，发现水分与含气量的相关关系不明显，且含量占比在整体上也比较少。总体上，挥发分含量占比最多，而在6-1 煤层个别样品中，煤灰分含量大于挥发分含量。通过图6（a）可知，水分在6-1 煤层中与含气量的线性关系不大，相关系数只有0.069。而在图6（b）中，含气量与灰分相关系数达到0.7 左右，且含气量与灰分成正比。对比图6（b）与图6（c）得到：在6-1 煤层中，含气量随着灰分的增加而增加，随着挥发分的增加而减少，且整体上挥发分与含气量呈弱负相关关系。

图6 含气量与煤质关系散点图

5 结论

本文通过对宿南矿区祁东煤矿6-1 煤层含气量与组分特征进行分析，从地质背景、含气量特征、煤质特征、含气量及组分与埋深和煤质之间的关系，结合数据分析，图表分析，得出了以下结论。

（1）宿南矿区祁东煤矿6-1 煤层含气量介于0.35～14.15 m3/t 之间，平均值为5.55 m3/t。煤质中的Mad 含量在1.15%～1.95%之间，Aad 含量在15.16%～30.67%之间，Vad 含量在22.33%～28.14%之间。煤层含气量与灰分成正比，与挥发分呈弱负相关关系。

（2）6-1 煤层中甲烷含量占比介于12.05%～96.44%之间，二氧化碳和氮气分别为0～5.31%和0.14%～92.66%。对比发现，含气量与埋深成正比，甲烷与埋深成正比，氮气与埋深成反比，含量相对较少的二氧化碳几乎不随埋藏深度的增加或减少而变化。