岳利嬌

（晉能控股集團 山西科學技術研究院煤與煤層氣共采國家重點實驗室，山西 晉城 048000）

0 引 言

煤層氣含量的精準測量無論在煤層氣井的開采方面，還是在煤礦瓦斯的預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，據美國報道的許多實例（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。本文主要對殘余氣含量和煤質特性的部分參數進行分析，查找相關性。已有張群、楊錫祿等研究發(fā)現，在一定條件下灰分與殘余氣含量呈正相關。本文通過對固定區(qū)塊、同一煤層的實驗，得到了不完全相符的結論，希望可以通過煤質的一些特性對殘余氣含量做預判。

1 研究區(qū)概況

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

本文主要對山西組的3 號煤層進行研究（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，由上而下編號的煤層為1、2、3 號。

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

長平礦主采煤層煤質較軟，在應力的作用下很容易造成煤質破壞，發(fā)生煤與瓦斯突出，為保證礦井生產安全，需要對煤層氣進行預抽采。通過對3號煤層的取芯測試，發(fā)現同一煤層埋深，氣含量有所不同，經過分析，殘余氣可作為一項重要的影響因素，本文通過對長平區(qū)塊29 個解吸樣進行數據分析，就殘余氣賦存影響因素進行分析。

就所研究區(qū)域，用取芯方法測固定點的氣含量?？倸夂恐饕蓳p失氣、解吸氣、殘余氣三部分組成，根據所測結果，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，解吸氣與地質構造、地層壓力等有關，殘余氣則與煤的基本性狀關系更為緊密，本文主要討論煤的基本形狀對殘余氣的影響。

3 實驗過程

3.1 測定殘余氣及分析殘余氣與氣含量的關系

3.1.1 殘余氣測定方法

自然解吸結束后開罐，將煤樣風干，稱量空氣干燥基樣品質量。將樣品搗碎至2 ～3 cm，取300～500 g 裝入球磨罐密封進行殘余氣測定。待破碎3 h 后，裝入恒溫水浴箱，待恢復儲層溫度后，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，結束解吸。

3.1.2 殘余氣與氣含量的關系

通過對殘余氣的測定，發(fā)現在同一區(qū)塊、同一煤層、同一埋深，不同濃度的殘余氣經過區(qū)間劃分，每個區(qū)間取損失氣量和總氣量的均值進行分析，殘余氣和氣含量呈現一個明顯的規(guī)律，當氣含量大時，殘余氣所占比例較低；氣含量較小時，殘余氣所占比例較高。具體結果見表2，殘余氣與總氣含量的關系如圖1 所示。

圖1 殘余氣與總氣含量的關系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 測定取芯煤樣的水分、灰分、揮發(fā)分

3.2.1 測定水分、灰分、揮發(fā)分的方法

實驗設備：SDLA 618 工業(yè)分析儀。

實驗參數：燃燒爐：室溫920 ℃；控溫點±10 ℃。

煤樣粒徑：0.25 mm（60 目） 標準篩篩分樣品，進行殘余氣含量計算。

殘余氣與總氣含量不同區(qū)間均值見表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系

通過對煤樣中水分的檢測，將得到的結果分區(qū)間求平均值與對應的殘余氣均值進行線性分析，發(fā)現水樣含量與殘余氣含量存在著一定的線性關系，在殘余氣比較大的煤樣中，水分也是比較大的。分析原因，可能是因為固定在煤樣中的水分有一定的封閉氣體的作用，雖然在解吸過程，以及解吸結束后有風干的過程，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。具體關系見表4，水分與煤樣中殘余氣關系如圖2 所示。

圖2 水分與煤樣中殘余氣關系圖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系

灰分是指煤樣燃燒后留下的殘渣，灰分高，說明煤樣中可燃物比例會比較低。通過對煤樣中灰分的檢測，發(fā)現灰分與殘余氣之間，在8%～24%呈現正相關關系，但是在灰分含量繼續(xù)增加時，殘余氣含量急劇下降，最后在0.4 cm3/g 附近呈現出平緩變化的現象。測得結果見表5，灰分與殘余氣關系圖如圖3 所示。

圖3 灰分與殘余氣關系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系

通過對煤樣中揮發(fā)分的檢測，發(fā)現揮發(fā)分與殘余氣之間，存在正相關的關系，觀察結果，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，殘余氣開始明顯增加。檢測結果見表6，揮發(fā)分與煤樣中殘余氣關系圖如圖4 所示。

圖4 揮發(fā)分與煤樣中殘余氣關系圖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 煤樣中的鏡質體反射率與殘余氣之間的關系

3.3.1 鏡質體反射率的檢測方法

利用全自動數字煤巖分析系統測定煤的鏡質組反射率，放大倍數：200X 和500X；目鏡：雙目觀察鏡筒，10X 目鏡、視場數為23。

物鏡：反差增強型多功能油浸物鏡50X；測量光欄直徑≤4 um。

3.3.2 鏡質體反射率與殘余氣的關系

通過對煤樣鏡質體反射率的檢測，發(fā)現長平區(qū)塊取芯煤樣的鏡質體反射率基本分布在1.8% ～2.6%，通過對每個分布區(qū)間取平均值與殘余氣含量進行分析，得到取芯煤樣殘余氣含量明顯跟鏡質體反射率成正相關作用，且相關系數為0.984，檢測結果見表7，鏡質體反射率與煤樣殘余氣關系圖如圖5 所示。

圖5 鏡質體反射率與煤樣殘余氣關系圖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 論

由于殘余氣會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、同一埋深的煤樣進行煤的變質程度對殘余氣含量的影響分析，通過以上實驗較為清晰的得出結論。除此之外，經過多次取芯發(fā)現，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，一般塊煤會比碎屑煤的殘余氣含量大，這個結論與張群等得出的結論一致。

（1） 在同一區(qū)塊、同一煤層、同一埋深，殘余氣和氣含量呈現一個明顯的規(guī)律：當氣含量大時，殘余氣所占比例較低；氣含量比較小時，殘余氣所占比例較高。

（2） 經過解吸、風化以后的煤樣中，水分的含量與殘余氣含量呈現正相關。

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

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

（5） 煤樣中的鏡質體反射率與殘余氣呈正相關關系，且相關性系數高達0.984。