一种煤矿采空区游离煤层气富集区地表地球化学探测方法

1.本发明涉及一种煤层气地表探测方法，具体是一种煤矿采空区游离煤层气富集区地表地球化学探测方法，属于煤矿采空区煤层气勘探技术领域。


背景技术：

2.煤层气俗称“瓦斯”，是与煤伴生、共生的气体矿产资源，煤层气以吸附在煤基质颗粒表面为主、部分游离于煤孔隙中或溶解于煤层水中的烃类气体，以甲烷为主要成分，属于非常规天然气。我国煤层气资源丰富，居世界第三，煤层气已被纳入推动能源生产和消费革命的重要载体。
3.随着煤炭资源的开采，越来越多的生产矿井因煤炭资源枯竭而报废，也有部分落后产能矿井面临关闭或废弃，然而据统计，我国目前废弃矿井煤炭资源高达420亿吨以上、煤层气近5000亿m3，以山西省为例，据统计，山西省共有4700余处废弃矿井，有开发利用价值的废弃矿井采空区面积约2052km2，初步估算，残余煤层气资源量约726亿m3。煤层气是一种较强的温室气体，其逸散后的温室效应是二氧化碳的21倍。开发利用煤炭采空区煤层气，既可消除废弃矿井采空区赋存瓦斯积聚造成的安全隐患，又可增加能源供应，还可减少温室气体排放。
4.目前主要采用地面钻井开发利用采空区煤层气资源的方式。废弃矿井采空区煤层气除了主要来源于已开采煤体、煤柱及残留煤层、临近未采煤层和围岩中的吸附气以外，还包括部分游离气，即，受采动卸压的影响，部分卸压区煤层气会解吸成为游离气，富集于采空区的采动裂隙区，形成采空区游离煤层气富集区。采空区游离煤层气富集区与采空区残煤吸附气具有良好的沟通路径，因此明确采空区游离煤层气富集区是地面井井位部署的前提，也是地面井高效开发采空区煤层气的关键。然而现有采空区游离煤层气富集区主要依靠钻探、物探等方法，准确度较高，但工作量较大，成本过高，当采空区数量较多时，这一缺点尤为突出。


技术实现要素：

5.针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种煤矿采空区游离煤层气富集区地表地球化学探测方法，能够在实现便于操作的前提下实现较低的成本，特别适用于探测采空区游离煤层气富集区。
6.为实现上述目的，本煤矿采空区游离煤层气富集区地表地球化学探测方法具体包括以下步骤：
7.s1：设计工区地表初探采样网格测线、确定初探采样点，按土壤游离气采集步骤，在初探采样点获得甲烷和二氧化碳浓度，甄别浓度异常点、划分初探异常区；
8.s2：利用初探异常区内的采样点，按土壤游离气采集步骤，测试不同深度甲烷及二氧化碳浓度、确定最佳监测深度l0；
9.s3：在初探异常区，设计并部署工区再探采样网格测线、确定再探采样点，依据土
壤游离气采集步骤按最佳监测深度l0获得甲烷、二氧化碳、乙烷、硫化氢浓度，划定地球化学异常区、圈定采空区游离煤层气富集区。
10.进一步的，土壤游离气采集步骤具体如下：
11.a.确定地表土壤游离气取样深度l后，利用背包钻机垂直在地表钻取一个深度为l1的钻孔、且满足l1＜l，然后自钻孔下入空心结构的钢探针，并使钢探针的底端插入钻孔孔底土壤内的深度为l2、且满足l1+l2＝l，最后进行封孔，完成钢探针的定位安装；
12.b.在地表布置负压泵、水容器和气体采集瓶，气体采集瓶的底部具有开口、顶部设有橡胶塞，向气体采集瓶中注满水、并排空后，向水容器中注入水、并将气体采集瓶置入水容器中，使气体采集瓶内的水与水容器内的水利用大气压连通，将钢探针顶部的抽排口通过管路密闭连接负压泵的输入端，将负压泵的输出端连接软管、并将软管的输出端没入水容器的液面以下后经气体采集瓶底部开口置入气体采集瓶内，完成地表采集设备的安装；
13.c.启动负压泵，待游离气排出至气体采集瓶内后，利用负压抽取器扎入橡胶塞对气体采集瓶内的游离气进行采集，采集后通过气体检测仪测定负压抽取器内气体的浓度。
14.进一步的，步骤a中地表土壤游离气取样深度l利用工区该区域以往测试背景值，如无以往测试背景值，则初探取样深度取1.00～1.5m。
15.进一步的，s1中设计工区地表初探采样网格测线时，针对采空区位置不明确的调查区，采样网格大小可为50m
×
50m；针对采空区位置明确调查区，可在地表以采空边界外20m、采空区边界内100m，按采空区倾向宽度测点间距30m、采空区走向长度测点间距50m设计采样网格大小为30m
×
50m。
16.进一步的，s1中甄别浓度异常点、划分初探异常区时依据土壤甲烷、二氧化碳浓度背景值，土壤甲烷、二氧化碳浓度背景值采用该区域以往测试背景值，如无以往测试背景值，则先利用非采空区测点甲烷、二氧化碳浓度确定背景值，再根据背景值确定土壤甲烷、二氧化碳浓度异常测点，绘制等值线和横断面图，划定初探异常区。
17.进一步的，s2中测试不同深度甲烷及二氧化碳浓度、确定最佳监测深度时，首先选择甲烷和二氧化碳浓度明显异常的两个相邻初探采样点；按土壤游离气的采集测试步骤，以0.3m的深度间隔获取深度0～3.0m的甲烷及二氧化碳浓度；分析气体浓度随深度变化规律，以甲烷浓度最大深度，或二氧化碳浓度不再明显减小的深度，作为土壤游离气监测的最佳监测深度l0。
18.进一步的，针对采空区位置明确工区，s3中，在地表以采空边界外20m、采空区边界内100m，围绕初探异常区采用加密及延伸布点的方式，按采空区倾向宽度测点间距10m、采空区走向长度测点间距50m，按网格测线大小为10
×
50m设置再探采样点；按最佳监测深度l0获得甲烷、二氧化碳、乙烷、硫化氢浓度后，分别确定甲烷、二氧化碳、乙烷、硫化氢的背景值和浓度异常点，绘制四种监测气体的等值线和横断面图，划分气体浓度异常区，圈定采空区游离煤层气富集区；
19.针对采空区位置不明确的工区，s3中，围绕初探异常区采用加密及延伸布点的方式，按网格测线大小为50
×
50m设置再探采样点，在再探采样点按最佳监测深度l0获得甲烷、二氧化碳、乙烷、硫化氢浓度后，分别确定甲烷、二氧化碳、乙烷、硫化氢的背景值和浓度异常点，绘制四种监测气体的等值线和横断面图、划分二探异常区；在二探异常区内采用加密及延伸布点方式，按10
×
25m设置三探采样点，在三探采样点按最佳监测深度l0获得甲
烷、二氧化碳、乙烷、硫化氢浓度后，分别确定甲烷、二氧化碳、乙烷、硫化氢的背景值和浓度异常点，绘制四种监测气体的等值线和横断面图、划分气体浓度异常区，圈定采空区游离煤层气富集区。
20.与现有技术相比，本煤矿采空区游离煤层气富集区地表地球化学探测方法利用地下煤矿采空区煤层气具有的地表微渗漏现象，并基于轻烃或甲烷微渗漏机制的近垂直性特征以及煤层气微渗漏过程中的微生物转化造成上覆地表土壤形成甲烷、二氧化碳、乙烷、硫化氢等的浓度异常现象，首先设计工区地表初探采样网格测线、确定初探采样点，并获得甲烷和二氧化碳浓度，甄别浓度异常点、划分初探异常区，其次利用初探异常区内的采样点测试不同深度甲烷及二氧化碳浓度、确定最佳监测深度l0，最后在初探异常区设计并部署工区再探采样网格测线、确定再探采样点，按最佳监测深度l0获得甲烷、二氧化碳、乙烷、硫化氢浓度，划定地球化学异常区、圈定采空区游离煤层气富集区，能够在实现便于操作的前提下实现较低的成本，特别适用于探测采空区游离煤层气富集区。
附图说明
21.图1是煤矿采空区游离煤层气富集区地表土壤游离气地球化学异常响应示意图，其中图1a为煤矿采空区剖面示意图、图1b为煤矿采空区水平投影示意图；
22.图2是本发明的流程图；
23.图3是本发明土壤游离气采集步骤中钻取钻孔的结构示意图；
24.图4是本发明土壤游离气采集的结构示意图。
25.图中：1、背包钻机；2、钻孔；3、钢探针；4、土壤；5、软管；6、负压泵；7、水容器；8、封孔器；9、气体采集瓶；10、橡胶塞；11、负压抽取器；13、筛孔结构；14、游离气。
具体实施方式
26.下面结合附图对本发明做进一步说明。
27.如图1所示，地下煤矿采空区煤层气具有地表微渗漏现象，如图1b所示，采空区及上覆地层在采动扰动和地表沉降综合作用下，会形成压实区与采动裂隙o形圈，而因采动卸压解吸的游离煤层气则会在o形采动裂隙圈内富集形成煤层气富集区，基于轻烃或甲烷微渗漏机制的近垂直性特征，如图1a所示，采空区游离煤层气微渗漏以及煤层气微渗漏过程中的微生物转化，会在采空区o形采动裂隙圈结构的上覆地表土壤形成甲烷、二氧化碳、乙烷、硫化氢等的浓度异常，本发明即是利用煤层气微渗漏造成的上覆地表土壤化学异常区来实现圈定煤矿采空区游离煤层气富集区。
28.如图2所示，本煤矿采空区游离煤层气富集区地表地球化学探测方法包括以下步骤：
29.s1：设计工区地表初探采样网格测线、确定初探采样点，按土壤游离气采集步骤，在初探采样点获得甲烷和二氧化碳浓度，甄别浓度异常点、划分初探异常区；
30.s2：利用初探异常区内的采样点，按土壤游离气采集步骤，测试不同深度甲烷及二氧化碳浓度、确定最佳监测深度l0；
31.s3：在初探异常区，设计并部署工区再探采样网格测线、确定再探采样点，依据土壤游离气采集步骤按最佳监测深度l0获得甲烷、二氧化碳、乙烷、硫化氢浓度，划定地球化
学异常区、圈定采空区游离煤层气富集区。
32.土壤游离气采集步骤具体如下：
33.a.确定地表土壤游离气取样深度l(单位m，一般利用工区该区域以往测试背景值，如无以往测试背景值，则初探取样深度可取1.00～1.5m)后，如图3所示，利用背包钻机1垂直在地表钻取一个深度为l1的钻孔2、且满足l1＜l，然后如图4所示，自钻孔2下入空心结构的钢探针3，并使钢探针3底端的筛孔结构13插入钻孔2孔底的土壤4的深度为l2、且满足l1+l2＝l，最后通过封孔器8进行封孔，完成钢探针3的定位安装；
34.b.在地表设置负压泵6、水容器7和气体采集瓶9，如图4所示，气体采集瓶9的底部具有开口、顶部设有橡胶塞10，向气体采集瓶9中注满水、并排空后，向水容器7中注入水、并将气体采集瓶9置入水容器7中，使气体采集瓶9内的水与水容器7内的水利用大气压连通，将钢探针3顶部的抽排口通过管路密闭连接负压泵6的输入端，将负压泵6的输出端连接软管5、并将软管5的输出端没入水容器7的液面以下后经气体采集瓶9底部开口置入气体采集瓶9内，完成地表采集设备的安装；
35.c.启动负压泵6，待游离气14排出至气体采集瓶9内后，利用负压抽取器11扎入橡胶塞10对气体采集瓶9内的游离气14进行采集，采集后通过气体检测仪测定负压抽取器11内气体的浓度。
36.s1中设计工区地表初探采样网格测线时，针对采空区位置不明确的调查区，采样网格大小可为50m
×
50m；针对采空区位置明确调查区，可在地表以采空边界外20m、采空区边界内100m，按采空区倾向宽度测点间距30m、采空区走向长度测点间距50m设计采样网格大小为30m
×
50m。
37.s1中甄别浓度异常点、划分初探异常区时依据土壤甲烷、二氧化碳浓度背景值，土壤甲烷、二氧化碳浓度背景值一般用该区域以往测试背景值，如无以往测试背景值，则利用数理统计进行分析，先利用非采空区测点甲烷、二氧化碳浓度确定背景值，再根据背景值确定土壤甲烷、二氧化碳浓度异常测点，绘制等值线和横断面图，划定初探异常区。
38.s2中测试不同深度甲烷及二氧化碳浓度、确定最佳监测深度时，首先选择甲烷和二氧化碳浓度明显异常的两个相邻初探采样点；按土壤游离气的采集测试步骤，以0.3m的深度间隔获取深度0～3.0m的甲烷及二氧化碳浓度；分析气体浓度随深度变化规律，以甲烷浓度最大深度，或二氧化碳浓度不再明显减小的深度，作为土壤游离气监测的最佳监测深度l0。
39.针对采空区位置明确工区，s3中，在地表以采空边界外20m、采空区边界内100m，围绕初探异常区采用加密及延伸布点的方式，按采空区倾向宽度测点间距10m、采空区走向长度测点间距50m，按网格测线大小为10
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50m设置再探采样点；按最佳监测深度l0获得甲烷、二氧化碳、乙烷、硫化氢浓度后，分别确定甲烷、二氧化碳、乙烷、硫化氢的背景值和浓度异常点，绘制四种监测气体的等值线和横断面图，划分气体浓度异常区，圈定采空区游离煤层气富集区。
40.针对采空区位置不明确的工区，s3中，围绕初探异常区采用加密及延伸布点的方式，按网格测线大小为50
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50m设置再探采样点，在再探采样点按最佳监测深度l0获得甲烷、二氧化碳、乙烷、硫化氢浓度后，分别确定甲烷、二氧化碳、乙烷、硫化氢的背景值和浓度异常点，绘制四种监测气体的等值线和横断面图、划分二探异常区；在二探异常区内采用加
密及延伸布点方式，按10
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25m设置三探采样点，在三探采样点按最佳监测深度l0获得甲烷、二氧化碳、乙烷、硫化氢浓度后，分别确定甲烷、二氧化碳、乙烷、硫化氢的背景值和浓度异常点，绘制四种监测气体的等值线和横断面图、划分气体浓度异常区，圈定采空区游离煤层气富集区。