西山矿区关闭煤矿煤层气资源潜力与利用方向

张志军

(吕梁市煤矿瓦斯监控系统维修校验中心， 山西 吕梁 033000)

山西省煤炭资源丰富，是我国重要的能源化工基地。经过数次重组整合、淘汰落后矿井、过剩产能退出，山西省关闭煤矿数量逐年增多，2016—2020年去产能关闭157座煤矿，主要分布于大同矿区、西山矿区、阳泉矿区及晋城矿区[1-2].关闭煤矿作为剩余煤炭、煤层气、矿井水和地下空间等多种资源的综合体，具有二次利用的巨大潜力[3-4].与传统煤层气资源相比，关闭煤矿煤层气资源在赋存状态、范围和储层特征等方面有显著差异[5].欧美国家是关闭煤矿煤层气资源利用技术最成熟的国家，包括英国、德国及美国等，大部分关闭煤矿煤层气开发通常利用原有井筒进行抽采，小部分采用地面钻井抽采，经济性较好，供煤层气发电及管网集输后民用或工业使用[6-7].国内关闭煤矿煤层气资源的研究与实践进展较快，完善了资源量预测模型[8-9]、研究了富集规律[10]、建立了选区评价体系[11-12]，在晋城、阳泉和西山等矿区取得了良好的应用效果[13].

针对山西省西山矿区关闭煤矿煤层气资源，以2016—2020年去产能关闭煤矿为研究对象，通过系统收集关闭煤矿闭坑报告、储层核实报告、储量年报等资料，结合室内测试分析等工作，总结了西山矿区关闭煤矿煤层气资源特征，估算了煤层气资源量，提出了其资源开发利用方向。

1 关闭煤矿概况

2016—2020年，山西省西山矿区去产能关闭煤矿共18座，其中，资料收集完备的矿井16座，作为该次研究对象。西山矿区关闭煤矿主要分布于矿区西北缘及东缘位置，整体零散分布(图1).通过系统梳理闭坑报告、储量核查地质报告中相关数据可知(表1)，关闭煤矿井田面积大于5 km2的共7座，最大为白家庄煤矿15.149 7 km2，其余井田面积小于2 km2.井田构造复杂程度以简单和中等为主，靠近矿区边缘如嘉乐泉煤矿、西峪煤矿等，断裂较为发育。高瓦斯矿井共5座，分别为大川河煤矿、鼎盛煤矿、大成煤矿、永兴煤矿和南峪煤矿，其余11座皆为低瓦斯矿井。

图1 2016—2020年去产能关闭煤矿位置分布图

低瓦斯矿井主要分布在西山矿区西北缘，太原市古交市附近，构造上可见近平行排列的正断层发育，陷落柱分布较密集。主采煤层的变质程度低，以肥煤、焦煤为主，煤层埋深较浅，山西组2号煤层一般埋深小于100 m，部分剥蚀或出露地表，太原组8号、9号煤层埋深主体小于200 m，基本处于瓦斯风化带内。以清河一矿为例，埋深112 m、165 m、239 m处8号煤层瓦斯测试结果显示，其原煤瓦斯含量分别为0.96 m3/t、1.55 m3/t、1.96 m3/t,甲烷组分介于13.17%～18.08%.高瓦斯矿井靠近沁水盆地，煤变质程度高，达到贫煤-无烟煤阶段，有利于甲烷生成与储集。主采煤层埋深、厚度分布稳定，2号煤层埋深介于150～250 m，通常位于瓦斯风化带中，而8、9号煤层埋深更深，瓦斯含量高，主体位于甲烷带中。

2 采空区煤层气

受多种因素影响，关闭煤矿中存在部分煤炭资源尚未采出，包括本煤层遗煤、保护煤柱、邻近层未采煤层等[10-11].采空区煤层气为采动影响下开采煤层及卸压范围内含煤地层的吸附态煤层气解吸，通过采动裂隙进入采空区中，形成以游离态为主赋存于采空区空间-裂隙中的煤层气资源。

表1 关闭煤矿地质特征表

2.1 储集空间及含气性

采空区煤层气赋存于采空区空间-裂隙中，煤层开采后，垂向上形成冒落带(垮落带)、裂隙带和弯曲下沉带。基于煤层卸压解吸理论，提出“新三带”理论，即导气裂隙带、卸压解吸带及不易解析带[14].垂向上，在充分采动条件下，卸压解吸带发育至主关键层以下，煤层气解吸；侧向上，采空区导气裂隙带可划分为侧向裂隙区、“O”形圈裂隙区及重新压实区[15].西山矿区含煤地层为山西组-太原组，含可采煤层12～16层。山西组2号、太原组8、9号煤层是矿区最主要的可采煤层。2号煤层厚0～5.98 m，平均厚度2.30 m，为全区稳定可采煤层。8号煤层厚0.4～8.00 m，平均厚度3.90 m.9号煤层厚度0～3.70 m，平均厚度1.63 m.整体来看，关闭煤矿中，2号煤层已经大面积采空，矿井关闭前，正开采8号或9号煤层，垂向上形成多层采空区。

先天资源条件决定采空区甲烷浓度，高瓦斯矿井采空区甲烷浓度通常较高，其甲烷浓度通常大于80%，平均浓度90%[3].低瓦斯矿井采空区甲烷浓度低，其采空区甲烷浓度基本小于20%[16].而采空区封闭性控制采空区煤层气保存。根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》和《煤矿防治水细则》(表2)计算各煤层导水裂缝带高度，西山矿区主采煤层顶板基本为中硬、坚硬类型，以大成煤矿为例，2、6、8、9号煤层导水裂隙带最大高度分别为44.93 m、38.64 m、67.71 m、66.10 m，垂向上4层采空区相互连通，上部煤层采空区积水渗入下部采空区，其余多采空区煤矿如清河一矿等也存在这一情况。此时，2号煤层埋深决定了整体连通含气系统的封闭性。

表2 缓倾斜、中倾斜煤层导水裂隙带高度计算式表

2.2 资源量预测

关闭煤矿煤层气资源量计算方法主要有物质平衡法、资源构成法和下降曲线法[8-9,12]，其中资源构成法计算过程及关键数据获取相对简单。根据资源构成法预测采空区煤层气资源量，其基本单元为相互连通或集中的采空区群，如图2所示，大川河煤矿采空区分为3个单元。由于低瓦斯矿井先天资源条件差，煤层埋深浅，导水裂隙带接近地表，部分采空区存在塌陷情况，因此本次资源量预测范围为高瓦斯矿井中封闭性较好，且距今时间小于20年的采空区群。

图2 西山矿区大川河煤矿采空区预测单元分布图

参考前人研究[9]，将采空区空间体积与煤炭采出体积的比值定为0.86，忽略采空区积水及气体的压缩效应，则采空区游离气总量Qyl为：

Qyl=0.86Vc×gyl

式中：Vc为煤炭采出体积，m3；gyl为采空区甲烷浓度，%，高瓦斯矿井采空区甲烷浓度取平均值为85%.

采空区吸附气总量Qxf为：

Qxf=(M遗+M卸+M柱)×q残

式中：M遗为采空区内煤层遗煤量，104t，根据采区/工作面回采率计算；M卸为采空区上卸压煤量，104t，根据卸压解吸带高度计算；M柱为煤柱/煤壁卸压煤量，104t，按照宽度30 m计算；q残表示残余吸附气含量，m3·t-1.

煤炭充分解吸后的残余气量近似煤在标准大气压条件下的实测吸附气含量，采用下式计算[17]：

q残=(-3.962lnVdaf+14.684)×

式中，Vdaf为原煤挥发分含量，%；Ad为原煤灰分含量，%；Mad为原煤水分含量，%.

采空区煤层气资源量预测结果见表3，在资源预测范围内，4个高瓦斯关闭煤矿采空区体积823.70×104m3，采空区煤层气资源量为2 539.19×104m3，其中游离气资源量为700.13×104m3，吸附气资源量为1 839.06×104m3，游离气资源量占比27.57%.其中，永兴煤矿的采空区煤层气资源量最为丰富。

3 原位煤层气

3.1 资源特征

原位煤层气资源，主要以吸附态赋存于未受采动

表3 西山矿区关闭煤矿采空区煤层气资源量表

影响的煤层中，是关闭煤矿煤层气资源的重要组成部分。前人对西山矿区煤层气赋存及富集模式开展了详细的研究，总的来说，西山矿区原位煤层气含量受煤变质程度、储层物性特征、地质构造及水文地质条件的综合控制[18-19].自西北向东南方向，西山矿区煤变质程度逐渐增高，其煤层气含量平面变化趋势与其相一致。煤层埋深是影响西山矿区煤层气含量的主要因素，马兰向斜7口典型钻孔揭示，随着煤层埋深增加，2、8、9号煤层含气量呈增加的趋势(图3)[20].同时煤层气含量还受水文地质、褶皱位置、断裂构造、岩浆侵入以及陷落柱发育的影响，其有利成藏模式包括单斜-水动力封堵成藏、向斜-水动力封堵型成藏、断层-水动力封堵成藏[21].

西山矿区关闭煤矿2号煤层已经大面积采空，原位煤层气资源主体赋存于高瓦斯矿井的太原组8、9号煤层中。分别采集生产矿井官地煤矿及马兰煤矿太原组8号、9号煤样开展流体注入法孔隙结构测试，8号煤层微孔比表面积介于51.84～56.52 m2/g，总孔体积介于0.044～0.045 cm3/g，9号煤层微孔比表面积为89.53 m2/g，总孔体积为6.576 cm3/g，9号煤层孔隙较8号煤层更为发育，比表面积和孔体积更高，更有利于气体吸附(表4).

图3 马兰向斜煤层含气量与埋深关系图

表4 西山矿区太原组8、9号煤层孔隙结构参数表

基于闭坑报告资料及《山西省煤炭采空区煤层气资源调查评价报告》中西山矿区含气量信息[22]，分别针对高瓦斯矿井开展分析。鼎盛煤矿井田面积0.649 km2，北邻官地煤矿，于2004年建井，至今未正式投产，一直处于基建阶段，其中各煤层未受采动影响。大川河煤矿关闭前开采2号煤层，下伏煤层尚未动用，井田面积小，陷落柱规模大、发育密集，受陷落柱影响，下部4、7、8、9号煤层破坏严重，煤层含气量低。大成煤矿从北西向南东方向，煤层埋深逐渐变浅，井田钻孔瓦斯测试显示，9号煤层煤层气含量最大为4.68 m3/t，平均含量为0.75 m3/t.永兴煤矿2号煤层含气量介于2～4 m3/t，太原组煤层含气量主体介于4～6 m3/t，随埋深增大而增加。南峪煤矿煤层由上而下CH4相对含量逐渐增加，而CO2和N2逐渐减少，8、9号煤层位于甲烷带内。

3.2 资源量预测

原位煤层气含量采用井下瓦斯测试或者钻井解吸数据，如果关闭煤矿该数据缺失，可以从相邻矿井资料中获取。根据《山西省煤炭采空区煤层气资源调查评价》中各矿区煤层含气量等值线图[22]，按照计算煤矿在图上的位置，选用其煤层瓦斯含量平均值计算。煤层气资源/储量规范DZ/T0216-2010中，气煤-瘦煤、贫煤-无烟煤对应的空气干燥基含气量下限分别为4 m3/t和8 m3/t，判断煤层气含气量的下限标准，考虑到关闭煤矿原位煤层气的特殊性，本次预测起算标准统一为4.5 m3/t.采用体积法，计算原位煤层气资源量，其预测范围为井田内排除断裂、陷落柱等影响下的范围。

原位煤层气资源量计算结果见表5，在资源预测范围内，原位煤层气资源量共计3.37×108m3.南峪煤矿剩余8号煤层资源量最大，其原位煤层气资源量最大，鼎盛煤矿次之，大川河煤矿最小。虽然关闭煤矿原位煤层气有一定的蕴藏量，但由于井田面积小，储量丰度低，生产时可供利用的煤层气资源少，单独开发利用价值有限。

表5 西山矿区关闭煤矿原位煤层气资源量表

4 开发利用方向

整体而言，西山矿区去产能关闭煤矿煤层气资源分布集中，主要赋存于矿区东缘相邻的鼎盛煤矿、大成煤矿、永兴煤矿和南峪煤矿，与阳泉、晋城矿区相比，存在井田、采空区面积小，煤层厚度较薄，煤层埋深较浅等不利因素，采空区和原位煤层气资源量有限。针对关闭煤矿采空区煤层气抽采浓度差异大的特点，并考虑到煤层气抽采安全性和高效性，关闭矿井采空区煤层气抽采利用可分为高浓度(CH4>30%)和低浓度(CH4≤30%)煤层气抽采利用技术体系[23].

因此，在高瓦斯矿井采空区煤层气富集区开展地面直井抽采利用，抽采高浓度煤层气。煤矿关闭后，通风系统停止工作，甲烷气体密度小，采空区煤层气的运移主要受到升浮作用的影响[10,12].煤层气在升浮作用下向裂隙带上部运移聚集，并形成潜在富集区[24].“O”形裂隙圈作为封闭采空区煤层气储气空间的充分卸压区，孔隙度和渗透率大，是采空区地面井位布置的首要选择。此外，针对关闭煤矿原位煤层气资源丰度低，单独开发利用价值有限的问题，考虑采空区煤层气与原位煤层气合采，通过钻井、压裂，将水平方向煤柱/未采煤层及垂向上深部未采煤层与封闭采空区形成连通的含气系统，并开展抽采工作，提高资源利用效率，增长煤层气生产周期。

5 结 语

1) 2016—2020年西山矿区去产能关闭18座煤矿，分布于矿区周缘，其中高瓦斯矿井5座，其余为低瓦斯矿井；垂向上通常存在多层采空区，相互连通。

2) 根据资源构成法，预测西山矿区去产能关闭煤矿采空区煤层气资源量为2 539.19×104m3，其中，游离气资源量为700.13×104m3，占比27.57%，吸附气资源量为1 839.06×104m3.永兴煤矿的采空区煤层气资源量最为丰富。

3) 原位煤层含气量主要受埋深控制，根据体积法，预测原位煤层气资源量为3.37×108m3，主要赋存于南峪煤矿中，但储量丰度低，单独开发利用价值有限。

4) 西山矿区去产能关闭煤矿煤层气资源分布相对集中，采空区面积小、采空区和原位煤层气资源量有限，基于此特征，提出采空区煤层气富集区地面直井抽采、采空区煤层气与原位煤层气合采两种开发利用方向。