王云龍,李 龍

(義棠煤業(yè)有限責(zé)任公司,山西 晉中 032000)

基于氣態(tài)平衡方程的煤系灰?guī)r瓦斯氣源儲量估算方法

王云龍,李 龍

(義棠煤業(yè)有限責(zé)任公司,山西 晉中 032000)

基于義棠煤業(yè)煤系石灰?guī)r瓦斯賦存特定條件,利用理想氣體狀態(tài)方程PV=nRT等相關(guān)理論,建立數(shù)學(xué)模型,通過現(xiàn)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(shù)學(xué)模型估算特定條件下該區(qū)域煤系K2石灰?guī)r內(nèi)瓦斯儲量約為1.29×109m3。

煤系石灰?guī)r瓦斯;理想氣體狀態(tài)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(shè)計規(guī)范》(GB50471-2008)中規(guī)定的方法計算,就能準確計算出煤層儲量,該標準中對灰?guī)r瓦斯儲量的計算需要大量的統(tǒng)計數(shù)據(jù),且預(yù)測區(qū)域地層賦存情況與統(tǒng)計區(qū)域的要有較高的相關(guān)性,極大地限制了該方法的應(yīng)用,且在應(yīng)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?guī)r瓦斯儲量計算方法,該方法基于氣態(tài)平衡方程,設(shè)定瓦斯賦存灰?guī)r為一封閉區(qū)域,經(jīng)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(qū)域的瓦斯儲量。

1 煤系灰?guī)r特性及賦存瓦斯特征

山西義棠煤業(yè)有限責(zé)任公司(簡稱“義棠煤業(yè)”,下同),位于晉中盆地西南介休市義棠鎮(zhèn)劉屯溝,開采1#、2#、9#、10#煤層,設(shè)計生產(chǎn)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(qū)穩(wěn)定可采,上覆巖層依次為K2石灰?guī)r、泥巖、砂巖、K3石灰?guī)r、泥巖、K4石灰?guī)r、泥巖,其中K2石灰?guī)r為9#煤層直接頂。K2裂隙發(fā)育較好,且孔隙發(fā)育較好,充填有大量方解石結(jié)晶,部分區(qū)域有黃鐵礦結(jié)核。據(jù)實踐生產(chǎn),在K2、K3、K4中發(fā)現(xiàn)大量的裂隙和溶洞,部分裂隙寬度達200 mm以上;且裂隙發(fā)育區(qū)域瓦斯涌出量明顯增大[1],斷層也具有導(dǎo)出瓦斯的特性[2]。

在實際生產(chǎn)中,發(fā)現(xiàn)石灰?guī)r內(nèi)瓦斯賦存狀態(tài)主要是以游離態(tài)為主[3],相關(guān)的實驗室試驗也證實了這一結(jié)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?guī)r瓦斯含量

2.1 游離態(tài)瓦斯含量計算

由于灰?guī)r瓦斯處于游離態(tài),且在抽采過程中處于等溫狀態(tài),其狀態(tài)參數(shù)變化符合理想氣體狀態(tài)方程,則灰?guī)r內(nèi)游離態(tài)瓦斯含量按氣態(tài)方程[4]得:

式中:W為灰?guī)r瓦斯儲量,m3;V為灰?guī)r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?guī)r內(nèi)絕對溫度,K;ξ為瓦斯壓縮系數(shù)。

2.2 確定灰?guī)r孔隙體積

在獨立的瓦斯地質(zhì)單元內(nèi),瓦斯賦存區(qū)域可假設(shè)為一封閉的空間。由于石灰?guī)r內(nèi)瓦斯主要賦存狀態(tài)是游離態(tài),經(jīng)過一段時間的抽放后,停止抽放,待石灰?guī)r孔隙內(nèi)瓦斯重新趨于平衡后,設(shè)定石灰?guī)r孔隙體積不變,其內(nèi)瓦斯溫度不變,即相當于等容等溫變化過程。根據(jù)理想氣體狀態(tài)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?guī)r內(nèi)部裂隙的體積,m3;n1、n2分別為抽放始末空間內(nèi)瓦斯物質(zhì)的量,mol;T為空間內(nèi)瓦斯的溫度,默認其不發(fā)生變化,K;Q為抽放區(qū)域內(nèi)瓦斯涌出量(主要包括標況抽放瓦斯量、巖層內(nèi)涌出風(fēng)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?guī)r內(nèi)瓦斯儲量W。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

3.1 研究區(qū)域概況

義棠煤業(yè)下組煤西翼開采區(qū),煤質(zhì)為瘦煤,煤層硬度系數(shù)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(zhì)泥巖,有時含有黃鐵礦結(jié)核以及少量砂質(zhì)泥巖。9#煤層層位穩(wěn)定,結(jié)構(gòu)簡單,平均厚1.343 m。全區(qū)穩(wěn)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(zhì)泥巖以及少量砂巖或砂質(zhì)泥巖。10#煤層為全區(qū)穩(wěn)定煤層,厚1.00 m～6.60 m,平均3.692 m,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,含夾矸0-5層,全區(qū)穩(wěn)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(jù)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(yè)瓦斯賦存區(qū)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?shù)装迩闆r表

3.2 相關(guān)測量數(shù)據(jù)

在義棠煤業(yè)下組煤西翼專用回風(fēng)大巷施工鉆孔,鉆孔穿透K2石灰?guī)r;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(tǒng)計時間是2016年3月20號。測量數(shù)據(jù)見表1、表2所示。由于灰?guī)r瓦斯壓力小,僅為0.1 MPa,故瓦斯壓縮系數(shù)取1.0。在測試取數(shù)過程中,無漏氣、涌水現(xiàn)象,數(shù)據(jù)可靠。

3.3 計算瓦斯儲量

將表2和表3相關(guān)數(shù)據(jù)帶入公式

=1.28×109m3.

即煤系灰?guī)rK2孔隙空間V=1.28×109m3;由此計算得到該區(qū)域K2石灰?guī)r瓦斯賦存量W=1.29×109m3。

這也說明了該區(qū)域的石灰?guī)r孔隙發(fā)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(tài)的瓦斯、煤層通過裂隙擴散到灰?guī)r內(nèi)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(tài),而現(xiàn)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(tài)平衡方程計算結(jié)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(qū)域瓦斯涌出量數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果

表3 灰?guī)r內(nèi)瓦斯壓力測量結(jié)果

5 主要結(jié)論與適用條件

本文通過對義棠煤業(yè)煤系灰?guī)r特性及賦存瓦斯特征的分析,確定了K2灰?guī)r內(nèi)賦存大量游離態(tài)瓦斯的瓦斯賦存特征;根據(jù)游離態(tài)瓦斯在抽采過程中基本符合理想氣態(tài)方程的原理,構(gòu)建了灰?guī)r裂隙空間和瓦斯儲量數(shù)學(xué)模型,以該模型為基礎(chǔ),結(jié)合下組煤瓦斯抽采參數(shù),計算了下組煤西翼采區(qū)K2灰?guī)r瓦斯儲量為W=1.29×109m3的結(jié)論。該計算方法在一定程度上提升了《煤礦瓦斯抽采工程設(shè)計規(guī)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(chǔ)。

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?guī)r瓦斯賦存展開,同時賦存區(qū)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(qū)域內(nèi)的煤系灰?guī)r內(nèi)的瓦斯儲量;c.該計算方法計算出的空間體積為真實的灰?guī)r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(yè)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(zhì)因素對井田瓦斯涌出影響淺析[J].煤炭技術(shù),2010(1):25-26.

[3] 袁軍偉.灰?guī)r裂隙發(fā)育區(qū)瓦斯異常涌出原因及防治技術(shù)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?guī)r體的瓦斯含量及其在工作面瓦斯涌出量預(yù)測中的應(yīng)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(gòu)造條件研究[D].北京:中國地質(zhì)大學(xué),2003.

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