基于氣態平衡方程的煤系灰巖瓦斯氣源儲量估算方法

王云龍,李 龍

(義棠煤業有限責任公司,山西 晉中 032000)

基于氣態平衡方程的煤系灰巖瓦斯氣源儲量估算方法

王云龍,李 龍

(義棠煤業有限責任公司,山西 晉中 032000)

基于義棠煤業煤系石灰巖瓦斯賦存特定條件,利用理想氣體狀態方程PV=nRT等相關理論,建立數學模型,通過現場實測抽放始末鉆孔的瓦斯壓力變化情況和抽放瓦斯量的變化,利用所建立的數學模型估算特定條件下該區域煤系K2石灰巖內瓦斯儲量約為1.29×109m3。

煤系石灰巖瓦斯;理想氣體狀態方程;鉆孔始末壓力值;估算瓦斯儲量

長期以來,煤層瓦斯儲量計算一直采用《煤礦瓦斯抽采工程設計規范》(GB50471-2008)中規定的方法計算,就能準確計算出煤層儲量,該標準中對灰巖瓦斯儲量的計算需要大量的統計數據,且預測區域地層賦存情況與統計區域的要有較高的相關性,極大地限制了該方法的應用,且在應用過程中易造成計算誤差過大等后果。本文提出一種新的煤系石灰巖瓦斯儲量計算方法,該方法基于氣態平衡方程,設定瓦斯賦存灰巖為一封閉區域,經過一段時間的抽放后,測定抽放始末瓦斯壓力,從而估算出該區域的瓦斯儲量。

1 煤系灰巖特性及賦存瓦斯特征

山西義棠煤業有限責任公司(簡稱“義棠煤業”,下同),位于晉中盆地西南介休市義棠鎮劉屯溝,開采1#、2#、9#、10#煤層,設計生產能力1.80 Mt/a,其中9#煤層位于太原組下部,與10#煤層距離平均為0.84 m,全區穩定可采,上覆巖層依次為K2石灰巖、泥巖、砂巖、K3石灰巖、泥巖、K4石灰巖、泥巖,其中K2石灰巖為9#煤層直接頂。K2裂隙發育較好,且孔隙發育較好,充填有大量方解石結晶,部分區域有黃鐵礦結核。據實踐生產,在K2、K3、K4中發現大量的裂隙和溶洞,部分裂隙寬度達200 mm以上;且裂隙發育區域瓦斯涌出量明顯增大[1],斷層也具有導出瓦斯的特性[2]。

在實際生產中,發現石灰巖內瓦斯賦存狀態主要是以游離態為主[3],相關的實驗室試驗也證實了這一結論[4]。同時還具有鉆孔瓦斯涌出量大、流動性強、抽放半徑大的特點。

2 煤系灰巖瓦斯含量

2.1 游離態瓦斯含量計算

由于灰巖瓦斯處于游離態,且在抽采過程中處于等溫狀態,其狀態參數變化符合理想氣體狀態方程,則灰巖內游離態瓦斯含量按氣態方程[4]得:

式中:W為灰巖瓦斯儲量,m3;V為灰巖孔隙體積,m3;P為巖層瓦斯壓力,Pa;T0為標況下的絕對溫度(273 K);P0為標況下的氣體壓力(1.013 25×105Pa);T為石灰巖內絕對溫度,K;ξ為瓦斯壓縮系數。

2.2 確定灰巖孔隙體積

在獨立的瓦斯地質單元內,瓦斯賦存區域可假設為一封閉的空間。由于石灰巖內瓦斯主要賦存狀態是游離態,經過一段時間的抽放后,停止抽放,待石灰巖孔隙內瓦斯重新趨于平衡后,設定石灰巖孔隙體積不變,其內瓦斯溫度不變,即相當于等容等溫變化過程。根據理想氣體狀態方程:PV=nRT,可得:

式中:P1、P2分別為抽放始末的瓦斯壓力,Pa;V為灰巖內部裂隙的體積,m3;n1、n2分別為抽放始末空間內瓦斯物質的量,mol;T為空間內瓦斯的溫度,默認其不發生變化,K;Q為抽放區域內瓦斯涌出量(主要包括標況抽放瓦斯量、巖層內涌出風排瓦斯量),m3;R為氣體常量,8.314 J/(mol·K)。

由上述兩式可求得煤系灰巖內瓦斯儲量W。

3 現場應用

3.1 研究區域概況

義棠煤業下組煤西翼開采區,煤質為瘦煤,煤層硬度系數f為1～2,煤層在井田南部埋藏較淺、北部埋藏較深。9#煤層與10#煤層相距0.84 m,其間巖性為黑色或深灰色炭質泥巖,有時含有黃鐵礦結核以及少量砂質泥巖。9#煤層層位穩定,結構簡單,平均厚1.343 m。全區穩定可采。10#煤層與11#煤層相距0.119 m,其間巖性為黑色或深灰色泥巖、炭質泥巖以及少量砂巖或砂質泥巖。10#煤層為全區穩定煤層,厚1.00 m～6.60 m,平均3.692 m,結構復雜,含夾矸0-5層,全區穩定可采。在井田中西部與11#煤層合并為一層。其位于背斜的北部,易于瓦斯的聚集[5]。

根據2014年萬峰煤礦(礦井北部鄰近礦井)的水文補勘探報告[6],觀測孔太灰水水位標高253 m,義棠煤業瓦斯賦存區域水位標高低于太灰水層底板標高,因此,太灰水位是氣水界面。該氣水界面與大西莊背斜兩翼共同圈閉瓦斯,形成瓦斯氣藏。

表1 煤層頂底板情況表

3.2 相關測量數據

在義棠煤業下組煤西翼專用回風大巷施工鉆孔,鉆孔穿透K2石灰巖;2014年8月20日開始抽放13號鉆場,之后14#鉆場和15#鉆場依次開始抽放;期間還有100505工作面兩順槽進行抽放。截止統計時間是2016年3月20號。測量數據見表1、表2所示。由于灰巖瓦斯壓力小,僅為0.1 MPa,故瓦斯壓縮系數取1.0。在測試取數過程中,無漏氣、涌水現象,數據可靠。

3.3 計算瓦斯儲量

將表2和表3相關數據帶入公式

=1.28×109m3.

即煤系灰巖K2孔隙空間V=1.28×109m3;由此計算得到該區域K2石灰巖瓦斯賦存量W=1.29×109m3。

這也說明了該區域的石灰巖孔隙發育,利于大量的瓦斯賦存。

4 存在不足

1)本模型未考慮其他的補給源,如吸附狀態的瓦斯、煤層通過裂隙擴散到灰巖內的瓦斯和地下水溶瓦斯的補給等情況,其補給量需另加計算。

2)始末值測量理論上都需要賦存瓦斯大致趨于平衡狀態,而現實中較難達到,瓦斯壓力值較理論值偏小,需視情況給以修訂。

3)理想氣態平衡方程計算結果與實際有偏差,在瓦斯壓力不大的情況下,誤差較小;當瓦斯壓力較大時,需對其進行修正。

表2 試驗區域瓦斯涌出量數據統計結果

表3 灰巖內瓦斯壓力測量結果

5 主要結論與適用條件

本文通過對義棠煤業煤系灰巖特性及賦存瓦斯特征的分析,確定了K2灰巖內賦存大量游離態瓦斯的瓦斯賦存特征;根據游離態瓦斯在抽采過程中基本符合理想氣態方程的原理,構建了灰巖裂隙空間和瓦斯儲量數學模型,以該模型為基礎,結合下組煤瓦斯抽采參數,計算了下組煤西翼采區K2灰巖瓦斯儲量為W=1.29×109m3的結論。該計算方法在一定程度上提升了《煤礦瓦斯抽采工程設計規范》(GB50471-2008)中計算圍巖瓦斯儲量的精度,為煤礦瓦斯儲量計算、瓦斯治理及瓦斯合理利用工作奠定了基礎。

本計算方法具有以下特點和適用條件:a.本研究僅針對煤系灰巖瓦斯賦存展開,同時賦存區域具備一定的封閉邊界;b.該計算模型簡單可靠,計算和實施都比較方便可行,能夠有效準確地概括一定區域內的煤系灰巖內的瓦斯儲量;c.該計算方法計算出的空間體積為真實的灰巖孔隙容積提供一個參考值;d.該計算方法同樣適用于類似條件下求體積的情況。

[1] 袁軍偉.義棠煤業瓦斯賦存特征及影響因素分析[J].煤炭工程,2013(4):61-63.

YUAN Junwei.Analysis on Gas Deposition Features and Influence Factors in Yitang Coal Industry[J].Coal Engineering,2013(4):61-63.

[2] 賈進亞.地質因素對井田瓦斯涌出影響淺析[J].煤炭技術,2010(1):25-26.

[3] 袁軍偉.灰巖裂隙發育區瓦斯異常涌出原因及防治技術研究[J].中國煤炭,2014(1):98-101.

YUAN Junwei.Research on Reasons for Gas Abnormal Emission in Limestone Fracture Development Area[J].China Coal,2014(1):98-101.

[4] 張勁松.間接確定石灰巖體的瓦斯含量及其在工作面瓦斯涌出量預測中的應用[J].煤礦安全,2012,43(12):72-74,78.

ZHANG Jinsong.Indirect Determination of Limestone Body Gas Content and Its Application in the Forecast of Gas Emission in Working Face[J].Safety in Coal Mines,2012,43(12):72-74,78.

[5] 王紅巖.影響煤層氣富集成藏的構造條件研究[D].北京:中國地質大學,2003.

[6] 山西煤田地質勘探148隊.山西省霍西煤田孝義市萬峰煤礦井田勘探地質報告[R].太原:山西煤田地質勘探148隊,2004.

ReservesEstimationMethodofCoal-seriesLimestoneGasBasedonGasEquilibriumEquation

WANGYunlong,LILong

(YitangCoalCo.,Ltd.,Jinzhong032000,China)

Based on the specific occurrence conditions of coal-series limestone gas in Yitang Coal Mine, ideal gas state equation,PV=nRT, and other relative theories are adopted to establish a mathematical model. By field test of beginning and end pressure variation of gas drilling, the mathematical model is used to estimate the gas reserves to be 1.29×109m3in coal-series K2limestone in the area.

coal-series limestone gas; ideal gas state equation; beginning and end pressure values of drilling; reserves estimation

1672-5050(2017)01-0069-04

10.3919/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2017.02.021

2016-09-04

王云龍(1987-),男,山西大同人,本科,助理工程師,從事煤礦瓦斯抽采與防治研究。

TD05

A

(編輯：楊 鵬)