科技创新与应用ｌ ２０１４年第１５期 科技创新 煤系地层中瓦斯富集规律研究 李少勇 （山东省煤田地质局第五勘探队，山东泰安２７１０００） 摘要：在我国煤系地层中的煤层气的研究起步较晚，研究的程度也较浅和较片面。其主要是从煤层气资源的勘探开发、利用方 面进行研究，很少系统地对煤系地层中煤层气（瓦斯）富集规律、瓦斯富集区域、瓦斯的分区和瓦斯的富集区域煤炭开采中瓦斯事 故的预防进行研究。文章主要是从地质构造、煤的结构构造、变质程度等方面探讨煤系地层中瓦斯的分布规律，为煤炭资源的综 合开发利用和预防提供科学依据。 关键词：煤系地层；瓦斯；研究 １前沿 煤层瓦斯是我国开发和利用的主要能源之一，在我国，瓦斯资 丰Ｈ应变质阶段 的煤及镜煤反射率 变质 变质阶段 最大吸附量／（ｃｎ３／口） 源的开发和利用占国民资源开发和利用的比例虽然不高，但它的利 用价值却非常可观（杨孟达，２０００）。理论上说，大量的煤炭资源，必 然会产生大量的瓦斯资源。同时在煤炭资源开采过程中，常常会因 为瓦斯的含量过高而引起许多的瓦斯事故，不但造成人类生命财产 的损失，同时也造成大量的资源浪费。因此，对于瓦斯的研究就成了 当今我国研究领域的一个比较热门的研究点（张新民，２００２）。 ２煤层的变质程度与瓦斯的关系 在煤层的形成演化过程中，当煤进入长烟煤时就开始热解生气 作用，从肥煤一瘦煤阶段，煤层生成瓦斯的能力相对较低，而且煤储 存瓦斯的能力也相对较低，在这个阶段，煤层瓦斯的生成和富集能 力都比较低，在这些地区很难形成煤层气藏富集区。从贫煤一无烟煤 阶段，煤的变质程度都相对较高，煤层生成瓦斯的能力达到峰值（张 洪林，２００４），煤层储存瓦斯的能力也相应增加。在这个阶段，煤层瓦 斯的生成和富集能力都很高，在这些地区就很容易形成高瓦斯富集 区。从煤层的变质程度分析，在我国许多地区的煤质都较有利于瓦 斯的储存，这为瓦斯的大量富集提供有利的储存空间。 煤层的生气量和储气量能力都受煤变质程度的控制，所有煤层的变 质程度对煤层气藏的形成具有重要的作用。其表现主要有两个方 面：第一个方面，煤的变质过程太低，不利于煤层气藏的形成。对于 未变质阶段（Ｒｍａｘ＞０．５％）的褐煤，为生物化学生气阶段，热解气即 将开始生成，因此煤层的含气量不高。同时由于褐煤层和围岩的固 结程度较差，透气性能较好，封闭能力差，致使含量很低的煤层气大 量逸散。因此褐煤很难形成有价值的煤层气藏。但是，当煤层埋藏较 深，厚度很大时，褐煤也可以形成煤层气藏。第一个方面，煤变质程 度较高，煤层已经失去储气能力，同样不能形成煤层气藏。超高变质 （Ｒｍａｘ＞６％）的超无烟煤，对甲烷基本上不吸附，空隙度也很低。因而 储气能力十分有限，同样也不属于储集层范畴，所以不能形成煤层 气藏。由上述可知，低、中、高变质的烟煤和无烟煤可以形成煤气藏； 未变质的褐煤一般不利于形成有价值的煤层气藏；而超高变质的超 高无烟煤也不属于储集层，所以不能形成煤层气藏。不同的煤质对 瓦斯的吸附能力是不同的，其吸附能力如图１所示（张新民，２００２）。 Ｉ 一一／ ／／ ／ ７ ＼ ～ 图１不同煤质对瓦斯吸附能力的影响示意图 从图２可以看出，随着煤层的变质程度的增加，煤层的吸附能 力不断增强，但当其Ｒｍａｘ＝５％左右的时候，其吸附能力达到最大 值，随后随着Ｒｍａｘ的值增加而迅速下降达到零吸附。 ３地质构造发展对煤层气藏的影响 ３．１褶皱 在褶皱隆起的背景下，煤层常以向斜或背斜的构造形态赋存， 因此背斜和向斜都可以形成煤层气藏。但以背斜和向斜储存的煤层 气藏的储存条件是完全不一样的。当煤盆地或矿区为单一的向斜构 造时，在同一水平上，煤层的含气量在褶皱的转折端减少；同时在向 斜的内部，如果没有继续生气的条件，向斜轴部埋深最大处的含气 量有时会低于埋藏较浅的翼部。造成这种现象的原因可能是轴部位 一８一 程度 （安镜煤反率率） 煤种 ＲⅢ＜％） ｏ １ｏ ２Ｏ ３０ ４０ 未变 褐煤 Ｏ质煤 阶段 褐煤 ＜０ ５０ ｌ 囊 娴 ⅡＩ阶段 阶段 气长烟煤 煤 ００．．５０—０ ６５ ６５—９．ｏｏ Ⅲ阶段 肥煤 ０ ９０—１．２０ ｝ 塞 Ⅳ阶段 焦煤 １ ２０—１．７０ 鬟 煤 Ｖ阶段 瘦煤 １ ７０Ｉ Ⅵ阶段 贫煤 １．９Ｏ一２ ５Ｏ １．９０ ｊ高 ｌ 无 烟 Ⅶ Ⅶ１ 无烟煤三号 ２．５０—４．００ 煤 煤 阶 Ⅶ 无烟煤．： 号 ４ ００——６＞ ．００ 一／ —— 超高 超无 ｖＩ＿ｅ 无烟煤一一号 ＞６ ００ 变质煤 烟煤 段 图２煤阶、煤层反射率及瓦斯最大含量对照图 置岩层变形最大，应力最集中，多以生成张力裂隙和轴面劈理所消 耗，从而为煤中的气体运移提供了良好的通道，有利于轴部地区的 煤层去气作用的进行。 ３．２断裂 断裂对煤层气藏的形成的影响比较复杂，归结起来有两种不同 性质的影响：一种是断裂促使气体沿着断裂向地表运移，造成煤层 脱气，从而降低了煤层及其临近的地带的含气性，不利于煤层气藏 的形成，这种断层属于导气断层。另一种是致密地层组成的断层阻 碍煤中气体的运移，成了气体向地表或别的圈闭中运移路途上的不 渗透遮挡，从而提高了煤层及其邻近地带的含气性，这种断层属于 阻气断层。同时，断裂作用使煤层裂缝和节理发育，有利于吸附在煤 层上的瓦斯解吸，形成高煤层。 一般说来，规模较大的张性断裂属于导气断层，它降低煤层的 含气性，不利于煤层气藏的形成和保存。挤压作用形成的逆断层多 属于阻气断层，这种断层所产生的裂隙通常处于闭合状态，断层面 两侧的岩层被紧压；另一方面，断层的位移往往使致密的泥质岩层 与煤层的断头相接触，从而阻断了气体沿煤层至下而上的运移。这 两种作用结合起来在很大程度上使煤层保存了较高的含气量（郭斌 武，２００１）。 ４地下水的活动与瓦斯的关系 煤层气吸附于煤的空隙表面或游离于孔隙中，由煤层裂隙网络 中的地下水将其封存，在一般情况下，煤层气与地下水之间是处于 动态平衡，只有在一定压力差下，气体才能流动。所以地下水活动对 瓦斯的富集影响也是很大的，有许多的矿井，根据煤质、煤层厚度、 构造等因素分析，瓦斯的含量应该很高，但是实测矿井瓦斯数据却 与预期的结果要低，其结果可能是因为研究区的地下水活动影响造 成的结果（张建博，２０００）。 ５含煤地层的岩性特征与瓦斯的关系 煤层之上存在具有一定封闭能力的岩层，可以阻挡和减缓煤层 气渗透、扩散、水溶流失等方式发生逸散，所有煤层顶底板岩性特征 决定了其封闭能力。煤层顶底板岩性对煤层气的封闭能力主要取决 于毛细管力，毛细管力封闭是由于盖层具有较高的毛细管阻力而阻 止气体逸散，毛细管力的大小取决于毛细管半径的大小及其分布， 而毛细管发育状况主要受盖层岩性、粒度、密度、致密程度等因素的 科技创新 ２ｏ１４年第１５期Ｉ科技创新与应用 双馈风力发电机组能流关系研究 袁宁 陈汉扬 赵乾章 马阳 （沈阳工业大学新能源工程学院，辽宁沈阳１１０８７０） 摘要：在环境问题日益突出的今天，采用环保的方法解决环境问题显得尤为的重要。风能就成为了一种趋势，这也就需要很多 相关人士投入更多的精力来关注并解决这个问题，而参与的前提是了解。在风电机组中双馈电机占主导地位，这也就意味着了解 双馈风力发电机能流回路关系是迫在眉睫的一个问题。通过用Ｐｒｏ／Ｅｎｇｉｎｅｅｒ操作软件做双馈风力发电机三维动画中，将从风轮捕 捉风能到最后的馈入电网的过程得以展现，使我们对双馈风力发电机的能流关系了解的更透彻。双馈风力发电机的能流关系将 对培养风电人才有着重要的作用。 关键词：双馈风力发电机；数学模型；能流回路；Ｐｒｏ／Ｅｎｇｉｎｅｅｒ操作软件；三维动画 风能作为一种清洁的可持续能源，已经成为除水电以外，技术 风能转换系统主要组成部分为风力机、传动系统，发电系统。 最成熟、最具有规模化开发条件和商业发展前景的一种发电方式。 ２风力机 鉴于风机是风能转化为电能的一种重要转换装置，而双馈风力发电 风力机是专门用来将空气动能转换为有效机械能的机械装置。 机占风电机组中的主导地位，这也就意味研究双馈风力发电机能流 风力机主要由轮毂和桨叶构成。在外界风力的作用下，风轮旋转产 关系尤为重要。 生机械能，但风力机只能将通过风轮扫及面的部分风能转换为机械 １概述 能。 风力发电的过程就是风能经由机械能转换为电能的过程，其中 风力机汽动模型主要有两种方法： 风力发电机及其控制系统负责将机械能转换为电能，这一部分是整 （１）利用激盘理论；（２）利用叶素理论 个系统的核心，直接影响着整个系统的性能、效率和电能质量，也影 激盘理论通过简单的表述解释了能量提取的过程，同时也规定 响到风能吸收装置的运行方式、效率和结构。而目前的主流机型是 了风能转换效率的理论极限，因此此部分主要针对激盘理论进行阐 变速恒频机型，文章主要以双馈风力发电机进行研究。 述。 变速双馈风力发电机的工作原理就是通过叶轮将风能转变为 ２．１风能的计算 机械转矩（即风轮转动惯量），通过主轴传动链，经过齿轮箱增速到 异步发电机的转速后，通过励磁变流器励磁而将发电机的定子电能 由流体力学可知，气流的动能为Ｅ＝ ｍｖ。 并入电网。如果超过发电机同步转速，转子也处于发电状态，通过变 式中ｍ一气体的质量；ｖ一气体的速度 流器向电网馈电。双馈即指定子和转子都向电网馈电。 设单位时间内气流流过的截面积为Ｓ的气体的体积为Ｖ，则 双馈风力发电机组结构图： Ｖ＝Ｓｖ 如果以０表示空气密度，该体积的空气质量为 ｍ＝ｐＶ＝ｐＳｖ １ 这时气流所具有的动能为Ｅ＝ １ ｐＳｖ。 上式即为风能的表达式。 在国际单位制中，ｐ的单位是ｋｇ／ｍｓ；Ｖ的单位是ｉｎ ；ｖ的单位是 ｍ／ｓ；Ｅ的单位是ｗ。 从风能公式可以看出，风能的大小与气流密度和通过的面积成 正比，与气流的速度的立方成正比。其中ｐ和ｖ会随地理位置、海 拔、地形等因素而变。 影响。从对煤层气封闭能力大小的角度分析，先将其封闭能力大小 形成不了高瓦斯煤层。 ’ 顺序排列如下：油页岩一泥岩一砂泥岩一石灰岩一砂岩。油页岩封闭性 ６结束语 能极为良好，其分布稳定，延伸范围大，岩性致密坚硬。其孔隙度为 （１）瓦斯的生成量与煤层的变质程度是成正相关，低、中、高变 ３．０９—６．３７％，但含水和含油率比较高，水和油充满了空隙空间，致使 质的烟煤和无烟煤可以形成煤气藏；未变质的褐煤一般不利于形成 岩层渗透率很低，对下覆煤层中的甲烷起到了很好的封闭作用。泥 有价值的煤层气藏；而超高变质的超高无烟煤也不属于储集层，不 岩是煤层中最常见的一种围岩，它通常具有很好的封闭性能，具有 能形成煤层气藏。 较高的压力，在裂缝不发育的条件下，泥质含量大于４０％的泥岩或 （２）煤层顶底板的岩性几乎都是泥岩、页岩及粘土岩，岩性的结 泥质粉砂岩的岩体渗透率变化范围为１０７ １０９ｕｍ：，具有较好的封闭 构特征都比较有利于瓦斯的保存；在研究区有很多的地区夹有砂岩 性；煤系中出现的灰岩一般主要是生物碎屑泥晶灰岩、含生物碎屑 层，砂岩也是瓦斯储存的有利空间，其中很有可能找到适合工业开 灰岩及泥灰岩，其孔隙度大多数小于１％，渗透率一般小于０．０１× 采的煤成气资源。 １０ ｍ２，但是具有裂缝的灰岩其空隙度可达４％，渗透率可达２× （３）构造应力作用比较强的地区，煤层微裂隙系统发育，为吸附 １０３ｕｍ 。因此对于灰岩型围岩进一步又可以分为两类：第一类是指 在煤层中的瓦斯提供了很好的运移通道，也是导致煤层中高瓦斯的 在构造运动不强烈的地区的灰岩，其裂缝溶洞均不发育，具有一定 重要原因。 ’ 的封闭能力。第二类灰岩的裂隙和岩溶较发育，导致其封闭能力大 （４）地下水对瓦斯的富集有一定的外界影响。 大降低。砂岩型围岩在横向上最不稳定，往往很快相变为砂泥岩和 参考文献 泥岩，该类型的围岩对煤层的封闭能力很差，往往和煤层一起构成 ［１］杨孟述，刘新华，王瑛，等．煤矿地质学【Ｍ】．北京：煤炭工业出版社， 储气层。 ２０００． 瓦斯在煤层中要受到一定的外应力，在外应力的作用下驱使瓦 ［２１张新民，庄军，张遂安．中国煤层气地质与资源评价［Ｍ］．北京：科 斯不断的运移和排放，其运移和排放的速度与煤层顶底板岩性的渗 学出版社，２００２，１～１０． 透性密切相关。如果煤层顶底板岩性的渗透性大，则瓦斯就不易保 【３］刘洪林，李贵中，李隽．煤层气储量计算方法及应用［Ｊ１．天然气工 存，如果煤层顶底板岩性的渗透性小，则瓦斯就容易保存。煤层中瓦 业，２００４，２４（７）：２６－２８． 斯高低还与煤层渗透性有关，煤层大量的微裂隙发育，加大了瓦斯 ［４］张建博，等．煤层气高产富集主控因素及预测方法［Ｊ］．中国地质 的储存空间，同时就增加了瓦斯的储存量，就容易形成高瓦斯煤层。 大学，石油井测试，２０００． 如果煤层顶底板岩性的渗透性虽小，但由于煤层渗透性差，煤层的 【５１郭斌武．构造煤特征及其与二氧化碳突出的地质分析［Ｊ］．煤田地质 储存空间小，生成的瓦斯被吸附在煤层内部，瓦斯很难排放出来，也 与勘探，２００１，２９（１）． 一９一
