長(zhǎng)平區(qū)塊殘余氣影響因素分析

岳利嬌

（晉能控股集團(tuán) 山西科學(xué)技術(shù)研究院煤與煤層氣共采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 晉城 048000）

0 引 言

煤層氣含量的精準(zhǔn)測(cè)量無(wú)論在煤層氣井的開(kāi)采方面，還是在煤礦瓦斯的預(yù)判方面都有著舉足輕重的作用。煤層氣含量一般由損失氣、解吸氣、殘余氣組成，據(jù)美國(guó)報(bào)道的許多實(shí)例（GRI,1996），殘余氣含量在煤層氣含量中占有重要的比例，直接影響著煤的含氣飽和度。本文主要對(duì)殘余氣含量和煤質(zhì)特性的部分參數(shù)進(jìn)行分析，查找相關(guān)性。已有張群、楊錫祿等研究發(fā)現(xiàn)，在一定條件下灰分與殘余氣含量呈正相關(guān)。本文通過(guò)對(duì)固定區(qū)塊、同一煤層的實(shí)驗(yàn)，得到了不完全相符的結(jié)論，希望可以通過(guò)煤質(zhì)的一些特性對(duì)殘余氣含量做預(yù)判。

1 研究區(qū)概況

長(zhǎng)平區(qū)塊位于晉獲褶斷帶南部西側(cè)，沁水盆地南緣。長(zhǎng)平區(qū)塊作為一個(gè)煤層氣及煤炭研究比較成熟的區(qū)域，區(qū)塊內(nèi)主要含煤地層為石炭系上統(tǒng)太原組與二疊系下統(tǒng)山西組。

本文主要對(duì)山西組的3 號(hào)煤層進(jìn)行研究（表1）。山西組地層厚度43.23 ～65.17 m，平均53.62 m。一般含煤2 ～3 層，由上而下編號(hào)的煤層為1、2、3 號(hào)。

表1 主要可采煤層情況一覽Table 1 List of main mineable coal seams

2 研究背景

長(zhǎng)平礦主采煤層煤質(zhì)較軟，在應(yīng)力的作用下很容易造成煤質(zhì)破壞，發(fā)生煤與瓦斯突出，為保證礦井生產(chǎn)安全，需要對(duì)煤層氣進(jìn)行預(yù)抽采。通過(guò)對(duì)3號(hào)煤層的取芯測(cè)試，發(fā)現(xiàn)同一煤層埋深，氣含量有所不同，經(jīng)過(guò)分析，殘余氣可作為一項(xiàng)重要的影響因素，本文通過(guò)對(duì)長(zhǎng)平區(qū)塊29 個(gè)解吸樣進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，就殘余氣賦存影響因素進(jìn)行分析。

就所研究區(qū)域，用取芯方法測(cè)固定點(diǎn)的氣含量。總氣含量主要由損失氣、解吸氣、殘余氣三部分組成，根據(jù)所測(cè)結(jié)果，該區(qū)域煤層氣總氣含量在1.2 ～15.2 cm3/g，殘余氣占比為1.57% ～19%。其中，損失氣與煤樣的形狀、地層壓力等因素有關(guān)，解吸氣與地質(zhì)構(gòu)造、地層壓力等有關(guān)，殘余氣則與煤的基本性狀關(guān)系更為緊密，本文主要討論煤的基本形狀對(duì)殘余氣的影響。

3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

3.1 測(cè)定殘余氣及分析殘余氣與氣含量的關(guān)系

3.1.1 殘余氣測(cè)定方法

自然解吸結(jié)束后開(kāi)罐，將煤樣風(fēng)干，稱量空氣干燥基樣品質(zhì)量。將樣品搗碎至2 ～3 cm，取300～500 g 裝入球磨罐密封進(jìn)行殘余氣測(cè)定。待破碎3 h 后，裝入恒溫水浴箱，待恢復(fù)儲(chǔ)層溫度后，每間隔24 h，讀取一次氣體體積，連續(xù)7 d，平均每天解吸量不大于10 cm3，結(jié)束解吸。

3.1.2 殘余氣與氣含量的關(guān)系

通過(guò)對(duì)殘余氣的測(cè)定，發(fā)現(xiàn)在同一區(qū)塊、同一煤層、同一埋深，不同濃度的殘余氣經(jīng)過(guò)區(qū)間劃分，每個(gè)區(qū)間取損失氣量和總氣量的均值進(jìn)行分析，殘余氣和氣含量呈現(xiàn)一個(gè)明顯的規(guī)律，當(dāng)氣含量大時(shí)，殘余氣所占比例較低；氣含量較小時(shí)，殘余氣所占比例較高。具體結(jié)果見(jiàn)表2，殘余氣與總氣含量的關(guān)系如圖1 所示。

圖1 殘余氣與總氣含量的關(guān)系Fig.1 Relationship between residual gas and total gas content

表2 殘余氣與總氣含量不同區(qū)間均值Table 2 Mean values of residual gas and total gas content in different intervals

3.2 測(cè)定取芯煤樣的水分、灰分、揮發(fā)分

3.2.1 測(cè)定水分、灰分、揮發(fā)分的方法

實(shí)驗(yàn)設(shè)備：SDLA 618 工業(yè)分析儀。

實(shí)驗(yàn)參數(shù)：燃燒爐：室溫920 ℃；控溫點(diǎn)±10 ℃。

煤樣粒徑：0.25 mm（60 目） 標(biāo)準(zhǔn)篩篩分樣品，進(jìn)行殘余氣含量計(jì)算。

殘余氣與總氣含量不同區(qū)間均值見(jiàn)表3。

表3 殘余氣與總氣含量不同區(qū)間均值Table 3 Mean values of residual gas and total gas content in different intervals

3.2.2 煤樣水分與殘余氣之間的關(guān)系

通過(guò)對(duì)煤樣中水分的檢測(cè)，將得到的結(jié)果分區(qū)間求平均值與對(duì)應(yīng)的殘余氣均值進(jìn)行線性分析，發(fā)現(xiàn)水樣含量與殘余氣含量存在著一定的線性關(guān)系，在殘余氣比較大的煤樣中，水分也是比較大的。分析原因，可能是因?yàn)楣潭ㄔ诿簶又械乃钟幸欢ǖ姆忾]氣體的作用，雖然在解吸過(guò)程，以及解吸結(jié)束后有風(fēng)干的過(guò)程，但煤樣中依然有一定的被水密封的氣體的存在，且含量與水含量呈正相關(guān)。具體關(guān)系見(jiàn)表4，水分與煤樣中殘余氣關(guān)系如圖2 所示。

圖2 水分與煤樣中殘余氣關(guān)系圖Fig.2 Relationship between moisture and residual gas in coal samples

表4 殘余氣與水分含量不同區(qū)間均值Table 4 Mean values of residual gas and water content in different intervals

3.2.3 煤樣中灰分與殘余氣之間的關(guān)系

灰分是指煤樣燃燒后留下的殘?jiān)曳指撸f(shuō)明煤樣中可燃物比例會(huì)比較低。通過(guò)對(duì)煤樣中灰分的檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)灰分與殘余氣之間，在8%～24%呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，但是在灰分含量繼續(xù)增加時(shí)，殘余氣含量急劇下降，最后在0.4 cm3/g 附近呈現(xiàn)出平緩變化的現(xiàn)象。測(cè)得結(jié)果見(jiàn)表5，灰分與殘余氣關(guān)系圖如圖3 所示。

圖3 灰分與殘余氣關(guān)系Fig.3 Relationship between ash and residual gas

表5 殘余氣與灰分含量不同區(qū)間均值Table 5 Mean values of residual gas and ash content in different intervals

3.2.4 煤樣中的揮發(fā)分與殘余氣之間的關(guān)系

通過(guò)對(duì)煤樣中揮發(fā)分的檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)揮發(fā)分與殘余氣之間，存在正相關(guān)的關(guān)系，觀察結(jié)果，揮發(fā)分含量在8%～10%分布較多，且隨著揮發(fā)分含量的增長(zhǎng)，殘余氣開(kāi)始明顯增加。檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表6，揮發(fā)分與煤樣中殘余氣關(guān)系圖如圖4 所示。

圖4 揮發(fā)分與煤樣中殘余氣關(guān)系圖Fig.4 Relationship between volatile matter and residual gas in coal samples

表6 揮發(fā)分與灰分含量不同區(qū)間均值Table 6 Mean value of volatile and ash content in different intervals

3.3 煤樣中的鏡質(zhì)體反射率與殘余氣之間的關(guān)系

3.3.1 鏡質(zhì)體反射率的檢測(cè)方法

利用全自動(dòng)數(shù)字煤巖分析系統(tǒng)測(cè)定煤的鏡質(zhì)組反射率，放大倍數(shù)：200X 和500X；目鏡：雙目觀察鏡筒，10X 目鏡、視場(chǎng)數(shù)為23。

物鏡：反差增強(qiáng)型多功能油浸物鏡50X；測(cè)量光欄直徑≤4 um。

3.3.2 鏡質(zhì)體反射率與殘余氣的關(guān)系

通過(guò)對(duì)煤樣鏡質(zhì)體反射率的檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)平區(qū)塊取芯煤樣的鏡質(zhì)體反射率基本分布在1.8% ～2.6%，通過(guò)對(duì)每個(gè)分布區(qū)間取平均值與殘余氣含量進(jìn)行分析，得到取芯煤樣殘余氣含量明顯跟鏡質(zhì)體反射率成正相關(guān)作用，且相關(guān)系數(shù)為0.984，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表7，鏡質(zhì)體反射率與煤樣殘余氣關(guān)系圖如圖5 所示。

圖5 鏡質(zhì)體反射率與煤樣殘余氣關(guān)系圖Fig.5 Relationship between vitrinite reflectance and residual gas of coal samples

表7 反射率與灰分含量不同區(qū)間均值Table 7 Mean value of reflectance and ash content in different intervals

4 結(jié) 論

由于殘余氣會(huì)受到多種因素的影響，包括區(qū)域、煤層、埋深、水文等，為排除干擾，取同一區(qū)塊、同一煤層、同一埋深的煤樣進(jìn)行煤的變質(zhì)程度對(duì)殘余氣含量的影響分析，通過(guò)以上實(shí)驗(yàn)較為清晰的得出結(jié)論。除此之外，經(jīng)過(guò)多次取芯發(fā)現(xiàn)，煤樣的形狀大小不僅影響損失氣含量，也影響著殘余氣含量，一般塊煤會(huì)比碎屑煤的殘余氣含量大，這個(gè)結(jié)論與張群等得出的結(jié)論一致。

（1） 在同一區(qū)塊、同一煤層、同一埋深，殘余氣和氣含量呈現(xiàn)一個(gè)明顯的規(guī)律：當(dāng)氣含量大時(shí)，殘余氣所占比例較低；氣含量比較小時(shí)，殘余氣所占比例較高。

（2） 經(jīng)過(guò)解吸、風(fēng)化以后的煤樣中，水分的含量與殘余氣含量呈現(xiàn)正相關(guān)。

（3） 煤樣中的灰分含量在24%以下時(shí)，殘余氣含量與之成正比關(guān)系，在24%以上時(shí)，隨灰分的增高，殘余氣含量急劇下降，直至0.4 cm3/g 附近呈現(xiàn)出平緩趨勢(shì)。

（4） 煤樣中揮發(fā)分的含量與殘余氣含量明顯呈正相關(guān)，且揮發(fā)分在長(zhǎng)平區(qū)塊的煤樣中大多數(shù)在8%～10%，但在這個(gè)范圍之外的揮發(fā)分含量與殘余氣依舊呈正相關(guān)關(guān)系。

（5） 煤樣中的鏡質(zhì)體反射率與殘余氣呈正相關(guān)關(guān)系，且相關(guān)性系數(shù)高達(dá)0.984。