Investigación sobre las características de acumulación de metano en capas de carbón en la mina de carbón Faer en el oeste de Guizhou
Proyectos del Fondo: Proyecto Principal del Fondo Nacional de Ciencias Naturales (40730422); Proyecto Principal de la Fundación Nacional de Ciencias Naturales (40672101);
Sobre el autor: Li Ming, nacido en 1987, hombre, de Suzhou, Anhui, candidato a doctorado. Número de contacto: 13151981375, correo electrónico: cumtmingli@hot-mail.com
(1. Facultad de Recursos y Ciencias de la Tierra, Universidad de Minería y Tecnología de China, Xuzhou, Jiangsu 221162. Laboratorio clave de recursos de metano de lechos de carbón y Proceso de acumulación, Ministerio de Educación, Xuzhou, Jiangsu 2210083. Guizhou Liupanshui Faer Coal Co., Ltd. 553017).
Al analizar los antecedentes geológicos y los datos de gas de la mina de carbón de Faer, se estudiaron las características de ocurrencia del metano de las capas de carbón y sus patrones de distribución en secuencia y espacio. Combinando experimentos de adsorción isotérmica, experimentos de inyección de mercurio y observación de las características de deformación de los yacimientos de carbón, se discutieron las propiedades físicas de los yacimientos de carbón. Los resultados muestran que el metano del lecho de carbón en la mina de carbón de Faer tiene un alto gradiente de concentración de metano, contenido de metano y contenido de gas. El contenido de gas y el gradiente de contenido de gas fluctúan en secuencia, lo que se debe principalmente a la diferencia en la adsorción de cada veta de carbón y la distribución del sistema de presión del depósito de metano del lecho de carbón. Afectado por el sinclinal de Yangmei y el desarrollo del terreno, el contenido de gas de la veta de carbón muestra un patrón de "alto en el norte y bajo en el sur, distribuido en la dirección ne". El sistema de fisuras de la veta de carbón está sujeto principalmente a modificaciones estructurales, lo que mejora su desarrollo y conectividad, y también promueve el desarrollo de macroporos y mesoporos en el carbón. La saturación teórica de gas de los yacimientos de carbón está en su mayoría por debajo de 60 y se encuentra en un estado subsaturado. La mina de carbón de Faer tiene buenas perspectivas de desarrollo de metano en yacimientos de carbón.
Palabras clave: Características de formación del yacimiento de metano en lecho de carbón de la mina de carbón de Faer, propiedades físicas del yacimiento que contiene gas
Características del yacimiento de metano en lecho de carbón de la mina de carbón de Faer
Li Ming 1, 2 Jiang Bo 1, 2 Lan Fengjuan 1, 2 Zhang Guishan 3
( 1. Facultad de Recursos y Ciencias de la Tierra, Universidad de Minería y Tecnología de China; Tecnología, Xuzhou, Jiangsu 221116, China 2. Recursos de metano de capas de carbón y Acumulación, Ministerio de Educación, Laboratorio Clave de Procesos de China, Xuzhou 221008. Guizhou Faer Coal Co., Ltd., Liupanshui, Guizhou, 553017, China)
Resumen: Basado en el análisis de los antecedentes geológicos y Se analizan los datos del contenido de gas de la mina de carbón de Faer, la dotación de metano de las capas de carbón y su distribución en secuencias estratigráficas y vetas de carbón. Analizamos experimentos de isotermas de adsorción de metano, deformación de yacimientos y porosidad de intrusión de mercurio (MIP), y analizamos más a fondo las propiedades físicas de los yacimientos. Los resultados muestran que el metano del lecho de carbón de la mina de carbón Faer tiene un alto contenido de gas, concentración de metano y gradiente de contenido de gas. Su contenido de gas y su gradiente de contenido de gas fluctúan con la secuencia estratigráfica, lo que se debe principalmente a la diferencia en la capacidad de adsorción de cada veta de carbón y la distribución del sistema de presión del yacimiento de metano del lecho de carbón. El sinclinal y la topografía del complejo bayberry son los principales factores de control que afectan el patrón de distribución actual del metano de las capas de carbón. La distribución del metano de las capas de carbón es alta en el norte y baja en el sur, con tendencia al noreste. La saturación de gas es generalmente inferior a 60 y se trata principalmente de un yacimiento de metano de lecho de carbón subsaturado. En combinación con la modificación estructural se forman fracturas frágiles, macroporos y mesoporos bien desarrollados. Las perspectivas de exploración de metano en yacimientos de carbón de Faer son buenas.
Palabras clave: mina de carbón de Faer; metano de yacimientos de carbón; características de ocurrencia de gas; propiedades físicas del yacimiento
Qianxi Coalfield tiene muchas vetas de carbón, gran espesor acumulativo, alto contenido de gas y metano de yacimientos de carbón. recursos Alta abundancia y grandes reservas de recursos. Su desarrollo y utilización ayudarán a aliviar la presión de la demanda de energía en el sur de mi país y reducirán la ocurrencia de accidentes en la producción de minas de carbón (Telly et al., 2008; Gao et al., 2009; Jiang Bo et al., 2009).
La mina de carbón Faer está ubicada en el sur de la ciudad de Liupanshui, provincia de Guizhou, y cubre un área de aproximadamente 92 km2 y 19 vetas de carbón explotables. El contenido de gas en las vetas de carbón es relativamente alto. Se estima que la cantidad total de recursos de metano de yacimientos de carbón en esta mina de carbón a una profundidad de 1.000 metros es de 43,29 × 108 m3. Este artículo estudia sistemáticamente las características de ocurrencia, distribución y acumulación del metano de yacimientos de carbón en esta área, proporcionando cierta base teórica y guía de importancia para un mayor desarrollo del metano de yacimientos de carbón y la prevención y control de desastres por gas en minas.
1 Condiciones geológicas para la aparición de metano en lechos de carbón
1.1 Estratos y estratos que contienen carbón
Los estratos expuestos en el campo de pozos incluyen el basalto Emeishan del Pérmico Superior Formación (P3β), Formación Longtan (P3l), Formación Feixianguan del Triásico Inferior (T1f), Formación Yongningzhen (T1yn) y Cuaternario (Q). La Formación Longtan del Pérmico Superior es el principal estrato carbonífero de la zona minera, con un espesor de 344 a 487 metros, que contiene de 47 a 78 capas de carbón y un espesor total promedio de 45,28 metros. Entre ellas, hay 19 vetas de carbón. , que son 1, 3, 5-2 y 5-3, 7,10,12,13-1,13-2,65438. Los tipos de roca de carbón y las características de calidad del carbón de las vetas de carbón explotables se muestran en la Tabla 1.
Tabla 1 Tabla estadística de vetas de carbón y características de calidad del carbón de la mina de carbón Faer
Continuación
1.2 Estructura
La mina de carbón Faer es ubicado en el área superior del Yangtze. La sección norte de la zona de deformación estructural de Pu'an en la depresión de la falla de Liupanshui del levantamiento Taiqianbei (Wang Zhongtang, 1990) es adyacente a la zona de deformación estructural del noroeste de Weining en el norte. El ala SE del sinclinal del arándano se extiende en dirección ne (Xu Binbin et al., 2003). En el área de estudio, el sinclinal NWW en el norte, el sinclinal NWW en el sur, el sinclinal Tucheng en el oeste, el sinclinal Baoshan con tendencia NNE y el anticlinal Gesuohe en el este son isomórficos, formando una estructura peluda en forma de rombo ( Le Guangyu et al., 1991, 1994). Entre ellos, el sinclinal Baoshan orientado noreste-suroeste, el sinclinal Dazhai, el sinclinal Yangmeishu y el sinclinal Gesuohe se caracterizan por una combinación de sinclinales cerrados y sinclinales de caja amplios y suaves. Sin embargo, afectados por el desarrollo de fallas fronterizas, el sinclinal de Gemudi y el anticlinal de Taishaba en el lado SO de la falla de Weining-Ziyun en el norte, y el sinclinal de Zhaozihe y el sinclinal de Tucheng en el lado ne de la falla de Zhaozihe en el sur son relativamente Pliegues asimétricos cerrados, todos los ejes de pliegue apuntan a la falla límite, el anticlinal es estrecho, empinado y puntiagudo, incluso destruido por fallas inversas desarrolladas en el núcleo, y también aparece como una combinación de pliegue escalonado el sinclinal central de Yangmeishu y Haqing; Los anticlinales son opuestos. Es plano y ancho, con forma de caja asimétrica, un ángulo de inclinación de 10 a 20 y una luz de unos 17 km. Las estructuras de fallas en esta área son principalmente fallas normales con tendencia alrededor de NE30, seguidas de fallas inversas con tendencia alrededor de nw20 ~ 30°, y también se desarrollan fallas en otras direcciones. La deformación estructural en la zona del borde de la estructura en forma de diamante en el área de estudio es más fuerte que en el interior, y la estructura con tendencia noroeste es más fuerte que la estructura con tendencia noreste. Las estructuras con deformación fuerte son en forma de tiras y lineales, mientras que las estructuras con deformación débil son en forma de bloques. El patrón estructural general es "bloques escalonados y combinación en forma de diamante".
El sinclinal de Bayberry es el principal pliegue que afecta a la distribución de los estratos del campo minado. Al mismo tiempo, hay un sinclinal de Malong y un anticlinal de Bajiaotang al noroeste, y un anticlinal de Laofar al noreste (Figura 1). La tendencia general de los estratos es NE-SW, con un ángulo de buzamiento NW de 10 a 15. Las fallas son principalmente fallas normales y se pueden dividir en dos grupos: noroeste y noreste. El primero se distribuye en el suroeste del campo minado y forma una serie de patrones complejos de combinación de fallas con las áreas circundantes que corren casi de norte a sur y casi de este a oeste. Este último está escasamente distribuido en la parte noreste del campo minado, en forma de horsts y grabens anchos y suaves (Fig. 2). La estructura de la mina es principalmente producto de la actividad tectónica de Yanshan (Mao et al., 1999).
1.3 Hidrogeología
La Formación Longtan (P3l) tiene una riqueza de agua débil, principalmente agua de fisura, y algunas áreas están bajo presión. La sección inferior suprayacente de la Formación Feixianguan (T1f) casi no contiene agua y es un acuífero. La sección superior contiene una pequeña cantidad de agua de fisura y tiene una riqueza hídrica débil. El grupo de basalto de Emeishan subyacente (P3β) contiene agua de fisura, es poco rico en agua y tiene cierta capacidad de carga. El débil contenido de agua y ciertas propiedades de presión de los estratos que contienen carbón y los estratos suprayacentes y subyacentes en el área de estudio son generalmente propicios para la preservación y el enriquecimiento del metano de las capas de carbón en el área.
Figura 1 Contorno y esquema estructural del piso de la veta de carbón número 16 en la mina de carbón Faer
Figura 2 Sección estructural AA' (consulte la Figura 1 para ver la ubicación de la línea de sección)
El área de estudio tiene un relieve medio alpino, con valles relativamente abiertos o pendientes suaves en el sur y montañas de mesa empinadas formadas por estratos del Triásico en el norte, con una diferencia de altura relativa de 300~400 m (Figura 2). . El río Faer y el río Beipan fluyen a través del campo de pozos. La compleja distribución topográfica y el desarrollo de sistemas de agua superficial complicarán inevitablemente la distribución de la cabeza hidráulica de la Formación Longtan, afectando así la distribución del metano de las capas de carbón.
2 Contenido de gas en las vetas de carbón
2.1 Características de distribución de la secuencia
Se probaron el contenido de gas y la composición del gas de las 125 vetas de carbón en el área de estudio.
Los resultados estadísticos muestran que el contenido de gas de la veta de carbón es de 3,94~35,94 m3/t, con un promedio de 13,58 m3/t el componente principal es CH4, y la concentración promedio de CH4 es 91,81 (Figura 3). El contenido promedio de metano de cada veta de carbón está por encima de 65438 100 m3/t, y generalmente tiene una tendencia creciente a medida que disminuye la elevación de la veta de carbón (Figura 4). Al mismo tiempo, el contenido de gas de las vetas de carbón todavía fluctúa a medida que la secuencia disminuye. El contenido de gas promedio de las vetas de carbón 10, 15-2, 17, 23-2 y 29-1 es relativamente alto, alcanzando 15 ~ 19 m3. /. Este cambio de fluctuación es más obvio en la curva de cambio del gradiente de contenido de metano de cada veta de carbón. Su tendencia de cambio es básicamente consistente con la curva de cambio del contenido de gas de la veta de carbón (Figura 4). Valor de vetas de carbón 10, 17 y 23-2. La presión del yacimiento de la veta de carbón y la adsorción de la propia veta de carbón son factores clave que afectan el contenido de gas. Se puede ver que el cambio en el contenido de gas de la veta de carbón con la fluctuación de la capa se ve afectado principalmente por las diferencias de adsorción de cada veta de carbón y la distribución del sistema de presión del depósito de gas de la veta de carbón.
Figura 3 La relación entre el contenido de metano, la concentración de metano en el lecho de carbón y la profundidad de enterramiento
Figura 4 Tabla estadística del contenido de gas y el gradiente de gas de cada veta de carbón
Figura 5-7 veta de carbón La relación entre el contenido de metano y la profundidad de enterramiento de la veta de carbón
Figura 6 La relación entre el gradiente del contenido de metano de la veta de carbón y la profundidad de entierro de la veta de carbón
2.2 Características de distribución vertical
Con el aumento de la profundidad de entierro de la veta de carbón, el contenido de metano y la concentración de metano de las capas de carbón generalmente tienen una tendencia creciente (Figura 3 y Figura 5), pero con el aumento lineal de la profundidad de entierro, la dispersión es mayor; esto demuestra que otros factores geológicos todavía tienen una gran influencia. Los datos de prueba en la profundidad de enterramiento de la veta de carbón de 500 a 800 metros reflejan el fenómeno de que la profundidad de enterramiento de la veta de carbón es relativamente grande, pero el contenido de gas es relativamente bajo (Figura 3). En el diagrama de tendencia en el que el gradiente de contenido de metano de la veta de carbón disminuye a medida que aumenta la profundidad de entierro de la veta de carbón, el gradiente de contenido de gas de la veta de carbón en esta sección es menor que el valor de tendencia general (Figura 6). Mediante el análisis de los datos originales, se encontró que los puntos anormales en esta sección se concentran en los pozos 1012, J1106, J1107 y J1406, J1004 y J65438 ubicados a gran altura. Sin embargo, la concentración de metano en el punto anormal de esta sección sigue siendo muy alta, con un valor promedio de 96,17 (Figura 3), lo que indica que la veta de carbón está conectada a la atmósfera exterior y no se produce ninguna pérdida.
Los gradientes de gas en las vetas de carbón profundas 28, 29-1, 29-3, 33 y 34 son todos relativamente bajos (Figura 4). Aunque el grado de metamorfismo de estas vetas de carbón es relativamente alto y se genera más gas durante el proceso de carbonificación, debido a las vetas de carbón delgadas e inestables y a la baja relación carbón-roca, el gas generado ha migrado y se ha perdido en el Sistemas estratigráficos suprayacentes y subyacentes de las vetas de carbón. Debido al terreno empinado alrededor de los pozos en las zonas de gran altitud del área y los cambios drásticos de elevación, por un lado, el nivel del agua subterránea está lejos de la elevación de la superficie, lo que hace que la presión del yacimiento se reduzca relativamente; Por otro lado, cuando el metano del lecho de carbón migra verticalmente a una elevación de la superficie más baja, la migración lateral a lo largo de los estratos reduce la profundidad efectiva de sellado de las vetas de carbón, lo que a su vez conduce a una reducción en el gradiente de gas.
2.3 Características de distribución en el plano
El contenido de gas de la veta de carbón muestra características de zonificación obvias en el plano (Figura 8). El contenido de gas en el área al sur del río Fal es generalmente bajo y los contornos del contenido de gas son escasos. Sólo la región central tiene un contenido de gas de 65438 100 m3/t. El este y el sur están rodeados de afloramientos de vetas de carbón, que se convierten en ventanas para que escape el metano del lecho de carbón, lo que resulta en un bajo contenido de gas. La distribución de las curvas de nivel que contienen gas en el oeste y el norte está controlada por el río Beipanjiang y el río Faer. El río que fluye a través del campo minado sirve como canal de drenaje para el agua subterránea, lo que resulta en un nivel de agua subterránea más bajo en ambos lados del río, lo que resulta en un contenido de metano en el lecho de carbón relativamente bajo en ambos lados del río. El contenido de gas en el norte del río Fal es relativamente alto, generalmente superior a 15 m3/t. Se espera que el contenido de gas en el noroeste del campo de pozos alcance aproximadamente 35 m3/t. Los contornos del contenido de gas son densos y el contenido de gas cambia. El gradiente en el plano de reacción es grande. Hay áreas con contenido de gas relativamente bajo en los pozos 1204, J1306 y J1405 en el noreste. El patrón de distribución actual del contenido de gas de la veta de carbón es "alto en el norte y bajo en el sur, distribuido en la dirección NE", que está controlado principalmente por el desarrollo del sinclinal y el terreno del arándano.
Figura 7 Resultados de la prueba de presión de gas de algunas vetas de carbón perforadas
3 Propiedades físicas del yacimiento de carbón
3.1 Porosidad y permeabilidad del yacimiento
El Se midieron la porosidad, el volumen de los poros, el área de superficie específica de los poros y la estructura de los poros de 14 muestras de carbón de las vetas de carbón 1 y 3 mediante experimentos de intrusión de mercurio (Tabla 2). La división de estructura de poros adopta el estándar Khodot (1966), 1000 nm, 100 nm, 65438. Se puede observar que los poros del carbón son principalmente microporos, que representan 41,29 (Figura 9); los macroporos representan 24,86; los poros de transición y los mesoporos representan 20,98 y 12,86 respectivamente.
Figura 8 Mapa de contorno del contenido de gas en las vetas de carbón 1, 3, 5-2 y 7 de la mina de carbón Faer.
Tabla 2 Estadísticas del experimento de inyección de mercurio y datos del experimento de adsorción isotérmica
Nota: El formato de 3.81 ~ 7.01/5.16 es: valor mínimo-valor máximo/valor promedio.
Hay más de 2 a 3 grupos de grietas en la veta de carbón, las cuales son causadas principalmente por estructuras o transformación estructural (Figura 10). Las ocurrencias tienen forma de "X" * * * juntas de corte de yugo. Grietas oblicuas y a lo largo de grietas de capa. Las vetas de carbón 3, 5-2, 13-1, 29-1 y 29-3 están relativamente desarrolladas y presentan uno o dos grupos de grietas perpendiculares al plano. La observación de microfisuras muestra que el mismo grupo de grietas puede tener forma de escalones, trapecios u ondas lentas, y dos o más grupos de grietas a menudo se cruzan y convergen en ángulos grandes. Las fracturas secundarias inestables se originan en su mayoría en el área de intersección y tienen buena conectividad de fractura.
3.2 Adsorción de vetas de carbón
El experimento de adsorción isotérmica de las vetas de carbón de Faer (muestra de carbón en base seca) muestra que el volumen Lang VL de las vetas de carbón 1, 3 y 5-2 es 23,55 ~27,18m3/t, la presión Lang PL es de 0,82~0,95MPa (Tabla 2, Figura 11), combinada con el contenido de gas. 3. La saturación teórica de gas de la veta de carbón es 45,62. La saturación teórica de gas de la veta de carbón 5-2 es 52,36. La saturación teórica de gas de los yacimientos de carbón está en su mayoría por debajo de 60 y se encuentra en un estado subsaturado.
Fig. 9 Diagrama de distribución del volumen de poros de las vetas de carbón 1 y 3 en diferentes etapas
Fig. 10 Características de deformación macroscópica y microscópica del cuerpo de carbón
Fig. 11 Mina de carbón de Faer 1, 3, 5-2 Curva de adsorción isotérmica de veta de carbón
4 Conclusiones
(1) La mina de carbón de Faer es rica en recursos de metano de yacimientos de carbón y tiene altos gradientes de metano concentración, contenido de metano y contenido de gas; el gradiente tiene cambios de fluctuación secuenciales, que se deben principalmente a la diferencia en la adsorción de cada veta de carbón y la distribución del sistema de presión del depósito de metano del lecho de carbón.
(2) El fenómeno del gradiente de bajo contenido de gas en las vetas de carbón a una profundidad de enterramiento vertical de 500 ~ 800 m es causado principalmente por las vetas de carbón delgadas e inestables 28 ~ 34 en el fondo, bajas rocas de carbón. relación y el transporte horizontal de metano de capas de carbón a grandes altitudes causado por la migración. Afectado por el sinclinal de Yangmei y el desarrollo del terreno, el contenido actual de gas del metano de las capas de carbón se distribuye en un patrón de distribución plano de "alto en el norte y bajo en el sur, distribuido en la dirección ne".
(3) El sistema de fisuras de la veta de carbón está sujeto principalmente a modificaciones estructurales, y se mejora su desarrollo y conectividad, lo que también promueve el desarrollo de macroporos y mesoporos en el carbón. La saturación teórica de gas de los yacimientos de carbón está en su mayoría por debajo de 60 y se encuentra en un estado subsaturado. La mina de carbón de Faer tiene buenas perspectivas de desarrollo de metano en yacimientos de carbón.
Referencia
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