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1、煤 田 地质学CoalGeology 陈江峰教授cjf838 13083836132河南理工大学资源环境学院 7煤的共 伴生矿产 第一节油页岩定义有一种石头叫油页岩 它同石油一样 是由生物的残体混同泥沙变成的 所以可以用来炼油 又称油母页岩 一种高矿物质的腐泥煤 为低热值固态化石燃料 色浅灰至深褐 含有机质和矿物质 有机质的绝大部分不溶于溶剂 称油母 油页岩是人造石油的重要原料 经低温干馏可得页岩油 干馏气和页岩半焦 资源 油页岩产油率低于6 者属贫矿 高于10 的属富矿 世界已探明的产油率在4 以上的油页岩储量 折合页岩油约470Gt 超过已探明的石油储量 美国西部格林河流域拥有世界上储量最
2、大的油页岩矿藏 中国的油页岩资源也较丰富 仅次于美国 巴西 苏联等国 其中最负盛名的为抚顺矿区 与煤共生 探明油页岩储量3 6Gt 平均产油率约5 5 茂名油页岩矿 可采储量4Gt 平均产油率6 0 开发 实际上 把油页岩从地底下开采出来再炼油非常麻烦 科学家已想出一个好办法 在地面打一些钻孔通到地下 用带孔的钢管插进油页岩里 然后对它发射一种频率很高的电磁波 依靠高频电产生的热 把油页岩中的有质分解成页岩油和气体 使它沿着生产钻井跑到地面上来为人类服务 原生物质 油页岩主要是由藻类等低等浮游生物经腐化作用和煤化作用而生成 一些微小动物 高等水生或陆生植物的残体 如孢子 花粉 角质等植物组织碎
3、片 也参与油页岩的生成 性质 页岩油很像石油 除了液态的碳 氢物质外 还含有少量氧 氮和硫的化和物 页岩油经过进一步加工提炼 可以制得汽油 煤油 柴油等液体燃料 具有与石油相同的作用 储量 据调查 全世界油页岩的储量要比煤 石油或天然气多得多 我国是世界上油页岩储量最丰富的国家之一 以吉林的农安与桦甸 广东的茂名和辽宁的抚顺为最多 广东茂名地区已探明的油页岩储量就有70多亿吨 物理性状 油页岩外观多呈褐色泥岩状 其相对密度为1 4 2 7 油页岩中的矿物质常与有机质均匀细密地混合 难以用一般选煤的方法进行选矿 含有大量粘土矿物的油页岩 往往形成明显的片理 沉积环境 1 大型内陆湖成环境2 浅海
4、陆棚环境3 小型湖泊 沼泽及伴生沼泽的泻湖环境 组成 主要包括油母 水分和矿物质 油母 含量约10 50 干基 是复杂的高分子有机化合物 富含脂肪烃结构 而较少芳烃结构 油母的元素组成主要为碳 氢 以及少量的氧 氮 硫 其氢碳原子比为1 25 1 75 油母含量高 氢碳原子比大 则油页岩产油率高 水分 为4 25 不等 与矿物质颗粒间的微孔结构有关 茂名油页岩的水分含量较高 热加工过程中消耗较多的热量 且在干燥时易崩碎 矿物质 主要有石英 高岭土 粘土 云母 碳酸盐岩以及硫铁矿等 含量通常高于有机质 加工利用 主要有两方面 干馏制取页岩油 进一步加工成轻质油品以及多种化工产品 直接用作锅炉燃料
5、 产生蒸汽 并进一步用于发电 油页岩干馏和燃烧后的页岩灰可用于生产水泥等建筑材料 第二节煤成气及煤层气 煤成气 准确点说 煤成气是指煤系中的煤层 主要为腐殖煤 和腐殖型分散有机质在煤化过程中热演化形成的以甲烷为主要组分的烃类天然气体 它和煤层气都属于煤型气 但赋存状态有所差异 同油田伴生气和凝析气在成因上则是完全不同的 1959年 在荷兰北部发现了格罗宁根大气田 并查明与中石炭统的煤系有关 随后经几年艰苦勘探 20世纪60年代中期又在北海盆地南部发现十几个大气田 探明总储量逾4 5万亿立方米 成为世界第二大产气区 其气源依然和石炭纪含煤沉积有关 从此 含煤盆地中蕴藏的此类天然气引起许多国家的极
6、大关注 勘探开发实践与理论研究成果终于揭示了此类天然气形成 演化的真面目 并将其定名为煤成气 煤化作用是不同煤阶的演化 变质作用过程 也是煤中的碳不断富集 氢 氧 氮不断减少的过程 煤化作用依次形成褐煤 长焰煤 气煤 肥煤 焦煤 瘦煤 贫煤和无烟煤等不同的煤阶 在此期间会生成甲烷 重烃 二氧化碳 一氧化碳和氨 在不同煤阶 不同温度下 煤成气的成分和产出比例是不同的 产气率随煤阶的提高依次增大 从国内外已知煤成气藏的形成和组成来看 煤成气藏有以下特点 其烃源层时代主要在石炭纪 二叠纪全球范围的成煤期 成分复杂 但基本上以甲烷为主 含量多在90 以上 重烃含量较低 极少超过20 一般含有少量非烃气
7、体 如氮气 氨 硫化氢 二氧化碳 稀有气体和汞蒸气等 煤层气 煤层气俗称 瓦斯 其主要成分是CH4 甲烷 是主要存在于煤矿的伴生气体 也是造成煤矿井下事故的主要原因之一 煤层气是热值高 无污染的新能源 它可以用来发电 用作工业燃料 化工原料和居民生活燃料 煤层气随着煤炭的开采泄漏到大气中 会加剧全球的温室效应 而如果对煤层气进行回收利用 在采煤之前先采出煤层气 煤矿生产中的瓦斯将降低70 到85 煤层气的开采一般有三种方式 一是地面垂直井开采 二是地面采动区井 三是井下瓦斯抽放系统抽出 地面钻井开采的煤层气和抽放瓦斯都是可以利用的 通过地面开采和抽放后可以大大减少风排瓦斯的数量 降低了煤矿对通
8、风的要求 改善了矿工的安全生产条件 地面钻井开采方式 国外已经使用 我国有些煤层透气性较差 地面开采有一定困难 但若积极开发每年至少可采出50亿立方米 由于过去除了供暖外没有找到合理的利用手段 未能充分利用 所以 抽放瓦斯绝大部分仍然排入大气 花去了费用 浪费了资源 污染了环境 我国煤层气资源丰富 居世界第三 每年在采煤的同时排放的煤层气在130亿立方米以上 合理抽放的量应可达到35亿立方米左右 除去现已利用部分 每年仍有30亿立方米左右的剩余量 加上地面钻井开采的煤层气50亿立方米 可利用的总量达80亿立方米 约折合标煤1000万吨 如用于发电 每年可发电近300亿千瓦时 煤层气又称煤层瓦斯
9、 煤层甲烷 它是成煤过程中经过生物化学热解作用以吸附或游离状态赋存于煤层及固岩的自储式天然气体 属于非常规天然气 它是优质的化工和能源原料 煤层气是种清洁的能源 它一般存在于煤矿中 对煤矿安全威胁很大 如果释放到空气中又会导致气候变暖 但若能有效开发利用 可以变成清洁的天然气能源 目前煤层气已经在美国 德国 俄罗斯等多个国家使用 但国内的利用率较低 中国煤层气产业发展现状 全球埋深浅于2000米的煤层气资源约为240万亿立方米 是常规天然气探明储量的两倍多 世界主要产煤国都十分重视开发煤层气 美国 英国 德国 俄罗斯等国煤层气的开发利用起步较早 主要采用煤炭开采前抽放和采空区封闭抽放方式抽放煤
10、层气 产业发展较为成熟 80年代初美国开始试验应用常规油气井 即地面钻井 开采煤层气并获得突破性进展 标志着世界煤层气开发进入一个新阶段 煤层气是煤层本身自生自储式的非常规天然气 世界上有74个国家蕴藏着煤层气资源 中国煤层气资源量达36 8万亿立方米 居世界第三位 目前 中国煤层气可采资源量约10万亿立方米 累计探明煤层气地质储量1023亿立方米 可采储量约470亿立方米 全国95 的煤层气资源分布在晋陕内蒙古 新疆 冀豫皖和云贵川渝等四个含气区 其中晋陕内蒙古含气区煤层气资源量最大 为17 25万亿立方米 占全国煤层气总资源量的50 左右 2006年 中国将煤层气开发列入了 十一五 能源发
11、展规划 并制定了具体的实施措施 煤层气产业化发展迎来了利好的发展契机 2007年以来 政府又相继出台了打破专营权 税收优惠 财政补贴等多项扶持政策 鼓励煤层气的开发利用 我国煤层气产业发展迅速 产业化雏形渐显 2007年 全国瓦斯抽采47 35亿立方米 利用14 46亿立方米 其中井下煤矿瓦斯抽采量44亿立方米 完成规划目标的127 形成地面煤层气产能10亿立方米 是2006年的2倍 地面煤层气产量3 3亿立方米 比2006年增加1倍多 2005 2007年 全国共钻井约1700口 占历年累计钻井总数的85 截至2007年底 国内探明煤层气地质储量1340亿立方米 煤层气年商业产量不足4亿立方
12、米 根据 煤层气 煤矿瓦斯 开发利用 十一五 规划 到2010年 新增煤层气探明地质储量3000亿立方米 煤层气 煤矿瓦斯抽采量100亿立方米 建设煤层气输气管道10条 设计总输气能力65亿立方米 重点建设沁水盆地 鄂尔多斯盆地东源两大煤层气产业化基地 在国际能源局势趋紧的情况下 作为一种优质高效清洁能源 煤层气的大规模开发利用前景诱人 煤层气的开发利用还具有一举多得的功效 提高瓦斯事故防范水平 具有安全效应 有效减排温室气体 产生良好的环保效应 作为一种高效 洁净能源 产生巨大的经济效益 如果把煤层气利用起来 用于发电燃料 工业燃料和居民生活燃料 还可液化成汽车燃料 也可广泛用于生产合成氨
13、甲醛 甲醇 炭黑等方面 成为一种热值高的洁净能源和重要原料 开发利用的市场前景十分广阔 瓦斯成因泥炭 褐煤 烟煤 气 肥 无烟煤 据计算 每生成1吨煤 可产生1000m3的瓦斯与二氧化碳 瓦斯赋存状态两种 自由状态 瓦斯存于煤层与围岩的孔隙和裂隙之中 决定于 围岩的孔隙空间外界的T P 吸附状态 以分子引力吸附在煤体表面 据测定1克无烟煤其表面积可达200m2 解吸 在一定的条件下 被吸附的气体分子与煤的内表面脱离而呈游离状态 影响因素 煤化作用和煤的显微组分 煤层吸附瓦斯能力 围岩条件 顶底板岩石的透气性和厚度 地质构造 未遭受构造破坏地区未受剥蚀的背斜轴部 上隆的地垒断块内 被反向断层切割
14、的下盘 埋藏深度 地下水活动 由于地壳运动和剥蚀作用 煤系地层出露地表或被更新的地层掩盖 煤层内的瓦斯往往沿煤层向外部逸散 造成由深至浅煤层气含量降低 这种距煤层露头的远近就表现出煤层气风化带的分带现象 第一带 二氧化碳 氮气带 氮气占80 90 二氧化碳占10 20 没有甲烷 第二带 为甲烷 氮气带 甲烷含量少于50 氮气大于50 第三带 为氮气 甲烷带 甲烷含量50 70 氮气50 30 第四带 甲烷带 甲烷含量大于70 其余则为氮气和其他气体 瓦斯风化带的分带现象 瓦斯涌出 矿井瓦斯等级 一级瓦斯矿 5 5m3 T 昼夜 二级瓦斯矿 5 10m3 T 昼夜 三级瓦斯矿 10 15m3 T
15、 昼夜 超级瓦斯矿 15m3 T 昼夜 注意 凡出现过一次瓦斯突出地矿井 均属超级瓦斯矿井 相对瓦斯涌出量 平均每采一吨煤所涌出的瓦斯量 绝对瓦斯涌出量 单位时间内涌出的瓦斯量 m3 分钟 瓦斯涌出种类 瓦斯喷出 煤与瓦斯突出 突出 压出 多发生在回采工作面 倾出 煤层倾角 45 在电压作用下 受重力而垮落 瓦斯突出地一般规律 煤层厚度达0 2m才发生突出 煤厚越大 突出地危险性越大 构造影响较剧烈地地带 煤呈颗粒状 鳞片状 易导致突出 突出瓦斯压力一般需 6个大气压 压力与突出可能性呈正比 掘进形成的集中压力增加了突出的危险性 受构造控制 往往突出成带状分布 突出发生在瓦斯风氧化带以下的一定
16、深度 瓦斯突出的防止 研究地质规律与瓦斯的关系 瓦斯地质研究 从而预测预防瓦斯的突出 开解放层 先开采无突出危险或突出危险性较小的煤层 造成裂隙增加瓦斯通气性 降低突出煤层的瓦斯含量和压力 打超前钻孔先排放瓦斯 放震动炮 水力冲孔 煤层瓦斯含量的测定1 直接测定 2 间接测定法 测定煤层瓦斯压力 根据实验室测得煤样的吸附常数和孔隙等 计算煤层瓦斯含量 3 气测井的方法 利用半自动测井仪 测定从钻孔流出的冲洗液中溶解的瓦斯量 同时测定煤芯中扩钻屑中残余的瓦斯量 以此为基础计算煤层瓦斯含量 瓦斯含量预测图的编制主要内容 瓦斯取样点 各取样点上煤层的实际瓦斯含量 瓦斯风化带 瓦斯含量等值线等 1 底图 2 编图的原始数据包括定量和定性两方面的的取样成果 3 编图步骤 瓦斯涌出量的预测绝对瓦斯涌出量 相对瓦斯涌出量 防治煤与瓦斯突出的地质工作 一 煤与瓦斯突出的地质因素1 煤层的埋藏浓度 2 地质构造和地应力 3 煤层厚度变化 4 煤的物理力学性质 5 其他地质因素 二 防治煤瓦斯突出的地质工作根据预测预报工作的范围和精度可以划分为三类 1 区域预测 简称预测 2 局部预测 简称预报 3 突出
