淮北煤田祁东煤矿煤层气含量与组分特征及影响因素分析

Analysis of Content, Component Characteristics and Influence Factors of Coalbed Methane of Qidong Coalmine in the Huaibei Coalfield

摘要: 为探究地质因素对煤层气含量和地球化学特征的影响，以淮北煤田祁东煤矿为研究对象，采用现场解吸法和色谱–质谱法分别对研究区3-2、8-2和9号煤储层含气量和煤层气组分进行了分析。结果表明：3-2煤层含气量为2.41~9.42 m³/t，CH₄含量为72.07%~94.69%，CO₂为1.93%~6.42%，N₂为0.4%~21.73%；8-2煤层含气量为1.39~12.19 m³/t，CH₄含量为74.19%~96.67%，CO₂为2.6%~8.16%，N₂为0.15%~ 30.48%；9煤层含气量为6.56~13.84 m³/t，CH4含量为75.88%~96.42%，CO₂为0.6%~7.2%，N₂为0.46%~17.41%。9煤层含气量与水分和灰分呈弱相关关系，但CH₄浓度几乎不受煤质特征影响。另外，8-2煤层含气量和CH₄含量与埋深呈正相关关系，N₂和CO₂含量与埋深呈负相关关系。

Abstract: In order to explore the influence of geological factors on content and component of coalbed methane (CBM), the Qidong coalmine of the Huaibei Coalfield was used as the research object, and the desorption method and chromatography-mass spectrometry method were used to analyze the gas content and CBM components of No. 3-2, No. 8-2 and No. 9 CBM reservoirs, respectively. The results show that the gas content of the No. 3-2 CBM reservoir is 2.41~9.42 m³/t, the CH₄ concentration is 72.07%~ 94.69%, the CO₂ concentration is 1.93%~6.42%, and the N₂ concentration is 0.4%~21.73%; The gas content of the No. 8-2 CBM reservoir is 1.39~12.19 m³/t, the CH₄ concentration is in the range of 74.19% to 96.67%, CO₂ concentration is 2.6%~8.16%, and N₂ content ranges from 0.15% to 30.48%; The gas content of No. 9 CBM reservoir is 6.56~13.84 m³/t, with CH₄ concentration ranging from 75.88% to 96.42%, CO₂ concentration ranging from 0.6% to 7.2%, and N₂ concentration ranging from 0.46% to 17.41%. The gas content of No. 9 CBM reservoir is weakly correlated with moisture and ash contents, whereas the CH₄ concentration is almost unaffected by coal quality characteristics. In addition, gas content and CH₄ concentration of the No. 8-2 CBM reservoir are positively correlated with buried depth, while N₂ and CO₂ concentrations are negatively correlated with buried depth.

1. 引言

煤层气高效开发对于稳妥推进“双碳”目标实现具有重要意义[1] [2]。浅部煤层气主要以吸附态存储于煤层中，CH₄是煤层气的主要成分，同时含一定量的CO₂与N₂ [3]。地质条件是制约煤层气赋存状态和分布特征的主要因素[4]-[7]。秦勇等认为煤层厚度大，对煤层气的保存有利[7]。张云中等通过分析临汝煤田煤层气赋存规律后，指出影响煤层气富集的关键因素是煤层的地质构造和埋藏深度[8]。此外，煤的变质程度也是影响煤层气赋存的主要因素之一，总体随着变质程度的提高，煤层气含量也会增加[9] [10]。煤的等温吸附特征和含气量因素等对煤层气开采方式具有重要影响[11] [12]。

本文以淮北煤田祁东煤矿为例，通过样品测试及结果梳理，对祁东煤矿3-2、8-2和9煤层煤质特征、含气量和煤层气组分特征进行了分析，综合讨论多种相关地质因素对煤层含气量和煤层气组分的影响。该研究以期为矿区后续的煤层气开发和利用提供理论依据。

2 研究区地质背景

祁东煤矿位于安徽省宿州市埇桥区祁县镇、西寺坡镇和固镇县湖沟区境内，东部与龙王庙勘探区相邻，西部与淮北矿业(集团)公司祁南煤矿以F₅断层为分界线，南部以二叠系山西组10煤层露头为起点，北部以3-2煤层-700 m水平地面投影线为界[12]。构造上，祁东煤矿位于淮北矿区近SN向的宿南向斜的东南端，NW向的西寺坡逆冲断裂的西南部。整体来看，矿区正断层较为发育，走向主要以NE及NNE方向为主(见图1)。

煤层主要分布在上石炭统二叠系中，包括矿区上中下煤炭系统石盒子组、下中上石炭石盒子组和山西组。祁东煤矿整体上为一单斜构造，地层走向近EW向，向北倾斜，倾角在10˚~15˚，在此构造背景上发育有EW向、NNE向、NW向构造。断层主要有EW向的魏庙断层、NNE向的F₁、F₂、F_6-1；正断层、NW向的F₅逆断层、褶皱有轴向近EW向的圩东背料和马湾向斜。祁东煤矿二叠系下统山西组和下石盒子组、上统上石盒子组为主要含煤地层，发育1-11个煤层(组)，可采煤层14层，其中3₂、6₁、7₁、8₂、9为主要可采煤层[13]。

Figure 1. Geological structure map of Qidong Coalmine

图1. 祁东煤矿地质构造图

3. 样品及方法

3.1. 样品采集

煤样和煤层气样品采自3-2、8-2和9煤层。使用取芯管提取煤芯，每次取芯长度应在0.40 m以上。煤芯提出钻孔后，立即拆开煤芯管以提取煤芯，并将其装入瓦斯罐中。煤层气样品收集和含量测定时，样品应装至距解吸罐口1 cm处。如果采取的样品不足以装满罐，应据样品量在罐底加适量填料，解吸罐中空气体积最大不应超过罐装体积的1/4。值得注意的是，煤样不能使用水进行清洗，应保持其自然状态，然后将其放入密封罐中。在放入煤样时，不得进行人为压实操作。同时，应在记录表中记录采样地点、采样深度、采样时间及编号[14]。此后，根据操作规范，以1，2，5，10分钟间隔记录对应时间下的解吸气体量。待试验进行两小时后，再将煤样罐送入试验室进行脱气获得残余量以及气体组分的分析。

3.2. 实验方法

3.2.1. 含气量计算方法

一般而言，含气量由现场解吸量、残余量以及损失量三个部分组成[14] [15]。可利用解吸仪测得煤样的解吸量(前3~5个数据点)与煤样暴露时间的平方根之间的关系，来获取损失气体量。关系式为：

$Q=b\sqrt{t_0+t}-a$ (1)

式中：Q——煤样在地表裸露时起到解吸测定时的气体解吸量，ml；

t₀——在地表，煤样在解吸测定前的暴露时间，min；

t₀——t₁/2 + t₂；

t₁——煤炭样品在通过钻孔提取所需要的时间，min；

t₂——解吸测定前煤样在地表裸露的时间，min；

t——解吸煤样需要的测定时间，min；

a、b——待定系数，可以利用最小二乘法求出；a值即是需要求出的气体损失量。

煤层气含量是上述各程序放出的气体量之和同煤样重量的比值。即：

$W=\left(Q_1+Q_2+Q_3+Q_4\right)/G$ (2)

式中：W——煤层初始含气量，ml/g；

Q₁——样品经过解吸测定解吸的气体体积总量，ml；

Q₂——公式1计算出的气体损失量，ml；

Q₃——样品粉碎前脱出的气体量，ml；

Q₄——样品粉碎后脱出的气体量，ml；

G——样品的重量，g。

3.2.2. 组分分析

利用气相色谱法分析检测煤层气组分。通过定性与定量分析，结合执行标准GB/T 13610-2014《天然气的组成分析气相色谱法》，该标准规定了用气相色谱法测定天然气及类似气体混合物的化学组成的分析方法，能够有效且较为全面的检测出煤层气组分[16]。值得注意的是，为了对气体组分进行分析，必须将解吸测定的样品及时密封，并将其送往试验室进行加热脱气。在完成首次脱气后，需要将煤样进行粉碎并再次进行脱气。每次脱气后，都需要进行组分分析。

煤层气样品在实验室内通过气相色谱仪检测分析后组分出峰时间以及次序图，即可对煤层气组分进行定性分析，之后根据得到的标准气体组分色谱图进行峰面积的确定和计算。

4. 结果

4.1. 煤质特征

通过样品测定分析，可以得到煤层中的空气干燥基水分，空气干燥基灰分和空气干燥基挥发分在煤层中分别所占的比例。如表1~3所示，在3个不同煤层中呈现出统一结果：水分含量占比均较小，而灰分与挥发分含量占比较大。如表1所示，3-2煤层中水分介于0.72%~2.39%之间(平均值：1.44%)，灰分与挥发分含量占比较多，分别为11.59%~59.43% (平均值：30.2%)和17.13%~30.48% (平均值：25.91%)。如表2所示，8-2煤层中水分介于0.50%~1.56%之间(平均值：0.98%)，灰分与挥发分占比分别10.28%~22.87% (平均值：16.11%)和22.52%~32.53% (平均值：25.80%)。如表3所示，9煤层中水分介于0.60%~1.90%之间(平均值：1.3%)，灰分与挥发分占比分别12.55%~33.8% (平均值：22.79%)和4.98%~29.99% (平均值：22.06%)。

4.2. 含气量特征

祁东煤矿各煤层含气量测试结果如表1~3所示。3-2煤层含气量介于2.41~9.42 m³/t之间，平均值为6.51 m³/t。8-2煤层含气量介于1.39~12.19 m³/t之间，平均值为7.35 m³/t。9煤层含气量介于6.56~13.84 m³/t之间，平均值为6.51 m³/t。整体上看(见图2)，8-2煤层含气量平均值最高，3-2煤层和9煤层相当。但是，3-2煤层含气量极值小于9煤层。

Table 1. The table of gas content, coalbed methane components, and coal quality of No.3-2 coal seam

表1. 3-2煤层含气量、煤层气组分及煤质数据表

煤层埋深 (m)	煤层气成分(%)			含气量 (m^3/t)	煤质
	CH4	CO2	N2		水分(Mad)	灰分(Aad)	挥发分(Vdaf)
470.08	85.71	3.91	10.39	6.97	0.74	25.43	28.45
484.98	83.94	5.57	10.49	8.33	0.72	30.99	23.45
654.53	93.18	6.42	0.4	6.94	1.44	11.59	30.48
681.41	86.24	1.93	11.82	6.37	1.78	22.15	27.94
402.25	89.45	4.28	6.28	2.41	1.49	36.39	25.8
404.87	72.07	6.19	21.73	2.91	1.3	22.01	28.41
570.73	87.07	4.1	8.82	7	1.43	22.68	28.07
574.96	76.12	3.69	20.18	6.95	2.39	59.43	17.13
582.77	93.51	3.56	2.92	9.42	1.62	40.4	24.02
585.02	94.69	4.01	1.3	7.72	1.51	30.93	25.36

Table 2. The table of gas content, coalbed methane components, and coal quality of No.8-2 coal seam

表2. 8-2煤层含气量、煤层气组分及煤质数据表

煤层埋深 (m)	煤层气成分(%)			含气量 (m^3/t)	煤质
	CH4	CO2	N2		水分(Mad)	灰分(Aad)	挥发分(Vdaf)
426.47	74.98	3.53	30.48	1.39	1.09	15.35	23.92
435.82	83.47	3	13.52	6	0.68	16.36	23.6
458.46	74.19	8.16	13.28	3.45	1.1	22.87	22.52
483.73	88.93	3.39	7.68	4.76	1.22	10.28	32.53
604.67	89.04	6.69	4.24	6.28	1.45	18.71	27.39
604.67	88.66	6.02	5.31	5.29	0.8	12.25	26.27
643.7	91.89	2.6	5.54	11.02	1.56	20.07	24.08
645.7	96.67	3	0.33	13	0.54	18.39	29.47
647.86	95.25	4.21	0.54	12.19	0.5	11.56	25.51
650.63	96.01	4.13	0.15	10.07	0.85	15.23	22.67

Table 3. The table of gas content, coalbed methane components, and coal quality of No.9 Coal seam

表3. 9煤层含气量、煤层气组分及煤质数据表

煤层埋深 (m)	煤层气成分(%)			含气量 (m^3/t)	煤质
	CH4	CO2	N2		水分(Mad)	灰分(Aad)	挥发分(Vdaf)
451.73	93.73	1.86	4.42	6.56	0.6	13.17	28.05
497.66	93.86	2.8	3.33	7.84	1.25	12.55	29.99
506.55	75.88	6.73	17.41	8.57	1.94	27.3	24.38
510.61	92.67	5.39	2.19	10.05	3.23	29.63	4.98
522.71	98.5	0.6	0.97	6.87	0.68	16.13	27.55
601.18	91.06	4.23	4.71	9.44	0.78	13.01	29.64
609.13	90.5	7.2	2.29	10.39	1.9	27.53	23.17
618.35	93.87	2.71	3.42	13.84	0.54	29.69	3.95
655.3	96.42	2.16	1.41	12.64	1.37	33.8	24.55
659.75	96.33	4.14	0.46	10.05	1.06	25.06	24.35

Figure 2. Histograms of gas content in various coal seams of Qidong Coalmine

图2. 祁东煤矿各煤层含气量直方图

根据实验测试数据及内部资料情况，对祁东煤矿8-2煤层含气量进行成图分析。如图3所示，8-2煤层含气量在空间分布上呈现出明显差异。在矿区南部区域，含气量存在小于4.5 m³/t的情况。对比发现，含气量数值在7.5 m³/t以上的区域所占比重大。含气量超过10.5 m³/t以上的区域呈条带分布在祁东煤矿中部和中部区域，而在中部存在高含气量(>13.5 m³/t)的两块区域。

Figure 3. Contour map of gas content from No.8-2 coal seam in Qidong Coalmine

图3. 祁东煤矿8-2煤层含气量等值线图

4.3. 组分特征

祁东煤矿煤层气中各组分含量占比测得结果如表1~3所示。3-2煤层中，煤层气样品中CH₄含量占比为72.07%~94.69%，平均值为86.2%；CO₂含量占比为1.93%~6.42%，平均值为4.37%；N₂含量占比为0.4%~21.73%，平均值为9.43%。8-2煤层中，煤层气样品中CH₄含量占比为74.19%~96.67%，平均值为87.91%；CO₂含量占比为2.6%~8.16%，平均值为4.47%；N₂含量占比为0.15%~30.48%，平均值为8.11%。9煤层中，煤层气样品中CH₄含量占比为75.88%~96.42%，平均值为92.28%；CO₂含量占比为0.6%~7.2%，平均值为3.78%；N₂含量占比为0.46%~17.41%，平均值为4.06%。对比三个煤层中各组分的含量可知，煤层气中主要以CH₄为主，CO₂和N₂的含量则较少。

5. 讨论

5.1. 含气量、组分与煤质关系分析

如图4所示，将煤层气含量和CH₄浓度占比分别与水分、灰分和挥发分进行相关性分析。图4(a)可看出，9煤层含气量与水分存在弱正相关关系。除9煤层外，水分对含气量数值基本无影响。如图4(b)所示，随着9煤层灰分的增加，其含气量随之增加。对比而言，3-2和8煤层灰分对含气量影响不大。如图4(c)所示，含气量与挥发分无明显相关关系。对于9煤层，存在灰分最小的样品具有最大含气量的情况，其余样品点分布与3-2和8煤层差别不大。如图4(d)所示，各主要煤层CH₄浓度与水分关系无相关关系。类似的是，灰分和挥发分对CH₄浓度影响不明显(图4(e)和图4(f))。

总体上，祁东煤矿8-2煤层的含气量与水分、灰分和挥发分无相关关系，而9煤层含气量与水分成弱正相关关系。除去异常点，CH₄浓度在所选煤层气样品中约占80%以上，然而煤质特征的变化对CH₄浓度变化产生的影响很小。

Figure 4. Relationship between gas content, CH₄ concentration and coal quality

图4. 含气量及CH₄浓度与煤质关系图

5.2. 含气量、组分与埋深关系分析

一般而言，煤层埋藏越深，上覆岩层的自重应力越大，煤层压缩变形越大，造成煤附近游离状态的煤层气最大可能吸附在煤的孔隙中，从而造成煤层气含量增加。因此，根据数据测试结果，将煤层含气量与3-2、8-2和9煤层埋深的关系绘制于图5中。如图5所示，总体上煤层含气量随埋深增加而增加。8-2煤层中上述参数的相关性最好，而3-2煤层最差。

图6为煤层气组分与埋深的关系图。如图6(a)所示，随着埋深的增加，8-2煤层CH₄浓度数值增加，3-2和9煤层CH₄浓度与埋深关系不大。如图6(b)所示，各主要煤层CO₂浓度与埋深无相关关系。如图6(c)所示，8-2煤层N₂浓度随着埋深的增加而减小，上述两参数在3-2和9煤层中无明显关系。如图6(d)所示，8-2煤层非烃类气体浓度随着埋深的增加而减小。在3-2和9煤层中，非烃类气体浓度与埋深关系不大。

Figure 5. Relationship between gas content and buried depth

图5. 含气量与埋深关系图

Figure 6. Relationship between coalbed methane components and buried depth

图6. 煤层气组分与埋深关系图

6. 结论

1) 祁东煤矿各主采煤层含气量介于1.39~13.84 m³/t，成分以甲烷为主，整体介于72.07%~96.67%。各煤层含气量和CH₄含量存在明显差异，含气量最大值存在于9煤层，CH₄含量最大值存在于8-2煤层。

2) 基于实验室测试结果及资料情况，8-2煤层含气量和CH₄含量与埋深呈正相关关系，N₂和CO₂含量与埋深呈负相关关系。9煤层含气量与水分和灰分呈弱相关关系，3-2煤层与上述因素不相关。