王云龙,李 龙

(义棠煤业有限责任公司,山西 晋中 032000)

基于气态平衡方程的煤系灰岩瓦斯气源储量估算方法

王云龙,李 龙

(义棠煤业有限责任公司,山西 晋中 032000)

基于义棠煤业煤系石灰岩瓦斯赋存特定条件,利用理想气体状态方程PV=nRT等相关理论,建立数学模型,通过现场实测抽放始末钻孔的瓦斯压力变化情况和抽放瓦斯量的变化,利用所建立的数学模型估算特定条件下该区域煤系K2石灰岩内瓦斯储量约为1.29×109m3。

煤系石灰岩瓦斯;理想气体状态方程;钻孔始末压力值;估算瓦斯储量

长期以来,煤层瓦斯储量计算一直采用《煤矿瓦斯抽采工程设计规范》(GB50471-2008)中规定的方法计算,就能准确计算出煤层储量,该标准中对灰岩瓦斯储量的计算需要大量的统计数据,且预测区域地层赋存情况与统计区域的要有较高的相关性,极大地限制了该方法的应用,且在应用过程中易造成计算误差过大等后果。本文提出一种新的煤系石灰岩瓦斯储量计算方法,该方法基于气态平衡方程,设定瓦斯赋存灰岩为一封闭区域,经过一段时间的抽放后,测定抽放始末瓦斯压力,从而估算出该区域的瓦斯储量。

1 煤系灰岩特性及赋存瓦斯特征

山西义棠煤业有限责任公司(简称“义棠煤业”,下同),位于晋中盆地西南介休市义棠镇刘屯沟,开采1#、2#、9#、10#煤层,设计生产能力1.80 Mt/a,其中9#煤层位于太原组下部,与10#煤层距离平均为0.84 m,全区稳定可采,上覆岩层依次为K2石灰岩、泥岩、砂岩、K3石灰岩、泥岩、K4石灰岩、泥岩,其中K2石灰岩为9#煤层直接顶。K2裂隙发育较好,且孔隙发育较好,充填有大量方解石结晶,部分区域有黄铁矿结核。据实践生产,在K2、K3、K4中发现大量的裂隙和溶洞,部分裂隙宽度达200 mm以上;且裂隙发育区域瓦斯涌出量明显增大[1],断层也具有导出瓦斯的特性[2]。

在实际生产中,发现石灰岩内瓦斯赋存状态主要是以游离态为主[3],相关的实验室试验也证实了这一结论[4]。同时还具有钻孔瓦斯涌出量大、流动性强、抽放半径大的特点。

2 煤系灰岩瓦斯含量

2.1 游离态瓦斯含量计算

由于灰岩瓦斯处于游离态,且在抽采过程中处于等温状态,其状态参数变化符合理想气体状态方程,则灰岩内游离态瓦斯含量按气态方程[4]得:

式中:W为灰岩瓦斯储量,m3;V为灰岩孔隙体积,m3;P为岩层瓦斯压力,Pa;T0为标况下的绝对温度(273 K);P0为标况下的气体压力(1.013 25×105Pa);T为石灰岩内绝对温度,K;ξ为瓦斯压缩系数。

2.2 确定灰岩孔隙体积

在独立的瓦斯地质单元内,瓦斯赋存区域可假设为一封闭的空间。由于石灰岩内瓦斯主要赋存状态是游离态,经过一段时间的抽放后,停止抽放,待石灰岩孔隙内瓦斯重新趋于平衡后,设定石灰岩孔隙体积不变,其内瓦斯温度不变,即相当于等容等温变化过程。根据理想气体状态方程:PV=nRT,可得:

式中:P1、P2分别为抽放始末的瓦斯压力,Pa;V为灰岩内部裂隙的体积,m3;n1、n2分别为抽放始末空间内瓦斯物质的量,mol;T为空间内瓦斯的温度,默认其不发生变化,K;Q为抽放区域内瓦斯涌出量(主要包括标况抽放瓦斯量、岩层内涌出风排瓦斯量),m3;R为气体常量,8.314 J/(mol·K)。

由上述两式可求得煤系灰岩内瓦斯储量W。

3 现场应用

3.1 研究区域概况

义棠煤业下组煤西翼开采区,煤质为瘦煤,煤层硬度系数f为1～2,煤层在井田南部埋藏较浅、北部埋藏较深。9#煤层与10#煤层相距0.84 m,其间岩性为黑色或深灰色炭质泥岩,有时含有黄铁矿结核以及少量砂质泥岩。9#煤层层位稳定,结构简单,平均厚1.343 m。全区稳定可采。10#煤层与11#煤层相距0.119 m,其间岩性为黑色或深灰色泥岩、炭质泥岩以及少量砂岩或砂质泥岩。10#煤层为全区稳定煤层,厚1.00 m～6.60 m,平均3.692 m,结构复杂,含夹矸0-5层,全区稳定可采。在井田中西部与11#煤层合并为一层。其位于背斜的北部,易于瓦斯的聚集[5]。

根据2014年万峰煤矿(矿井北部邻近矿井)的水文补勘探报告[6],观测孔太灰水水位标高253 m,义棠煤业瓦斯赋存区域水位标高低于太灰水层底板标高,因此,太灰水位是气水界面。该气水界面与大西庄背斜两翼共同圈闭瓦斯,形成瓦斯气藏。

表1 煤层顶底板情况表

3.2 相关测量数据

在义棠煤业下组煤西翼专用回风大巷施工钻孔,钻孔穿透K2石灰岩;2014年8月20日开始抽放13号钻场,之后14#钻场和15#钻场依次开始抽放;期间还有100505工作面两顺槽进行抽放。截止统计时间是2016年3月20号。测量数据见表1、表2所示。由于灰岩瓦斯压力小,仅为0.1 MPa,故瓦斯压缩系数取1.0。在测试取数过程中,无漏气、涌水现象,数据可靠。

3.3 计算瓦斯储量

将表2和表3相关数据带入公式

=1.28×109m3.

即煤系灰岩K2孔隙空间V=1.28×109m3;由此计算得到该区域K2石灰岩瓦斯赋存量W=1.29×109m3。

这也说明了该区域的石灰岩孔隙发育,利于大量的瓦斯赋存。

4 存在不足

1)本模型未考虑其他的补给源,如吸附状态的瓦斯、煤层通过裂隙扩散到灰岩内的瓦斯和地下水溶瓦斯的补给等情况,其补给量需另加计算。

2)始末值测量理论上都需要赋存瓦斯大致趋于平衡状态,而现实中较难达到,瓦斯压力值较理论值偏小,需视情况给以修订。

3)理想气态平衡方程计算结果与实际有偏差,在瓦斯压力不大的情况下,误差较小;当瓦斯压力较大时,需对其进行修正。

表2 试验区域瓦斯涌出量数据统计结果

表3 灰岩内瓦斯压力测量结果

5 主要结论与适用条件

本文通过对义棠煤业煤系灰岩特性及赋存瓦斯特征的分析,确定了K2灰岩内赋存大量游离态瓦斯的瓦斯赋存特征;根据游离态瓦斯在抽采过程中基本符合理想气态方程的原理,构建了灰岩裂隙空间和瓦斯储量数学模型,以该模型为基础,结合下组煤瓦斯抽采参数,计算了下组煤西翼采区K2灰岩瓦斯储量为W=1.29×109m3的结论。该计算方法在一定程度上提升了《煤矿瓦斯抽采工程设计规范》(GB50471-2008)中计算围岩瓦斯储量的精度,为煤矿瓦斯储量计算、瓦斯治理及瓦斯合理利用工作奠定了基础。

本计算方法具有以下特点和适用条件:a.本研究仅针对煤系灰岩瓦斯赋存展开,同时赋存区域具备一定的封闭边界;b.该计算模型简单可靠,计算和实施都比较方便可行,能够有效准确地概括一定区域内的煤系灰岩内的瓦斯储量;c.该计算方法计算出的空间体积为真实的灰岩孔隙容积提供一个参考值;d.该计算方法同样适用于类似条件下求体积的情况。

[1] 袁军伟.义棠煤业瓦斯赋存特征及影响因素分析[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] 贾进亚.地质因素对井田瓦斯涌出影响浅析[J].煤炭技术,2010(1):25-26.

[3] 袁军伟.灰岩裂隙发育区瓦斯异常涌出原因及防治技术研究[J].中国煤炭,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] 张劲松.间接确定石灰岩体的瓦斯含量及其在工作面瓦斯涌出量预测中的应用[J].煤矿安全,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] 王红岩.影响煤层气富集成藏的构造条件研究[D].北京:中国地质大学,2003.

[6] 山西煤田地质勘探148队.山西省霍西煤田孝义市万峰煤矿井田勘探地质报告[R].太原:山西煤田地质勘探148队,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

王云龙(1987-),男,山西大同人,本科,助理工程师,从事煤矿瓦斯抽采与防治研究。

TD05

A

(编辑：杨 鹏)