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1、通常所称的 “煤层瓦斯含量”又仅仅指甲烷一种气体的含量，所称的“瓦斯资源量（储量）”也仅仅指甲烷一种气体的资源量（储量）。如果计算二氧化碳含量，则需说明。（二）“瓦斯抽采（放）”和“煤层气地面开发”自上世纪50年代我国煤矿开始从待采煤层里先抽放瓦斯，现在国家要求所有高瓦斯矿井都必需“先抽后采”，保证安全采煤；还要求利用抽出的瓦斯，减少向大气排放瓦斯。为此将“瓦斯抽放”改称“瓦斯抽采”。近来我国瓦斯抽采量大幅度增加。自上世纪70年代美国开始“煤层气地面开发”试验，取得商业化开发成功。我国研究与试验“煤层气地面开发”始于上世纪80年代。目前进展最好的试验区在山西省沁水盆地东南的晋城矿区。“瓦斯抽采

2、”与“煤层气地面开发”两类采气方法的根本区别是：瓦斯抽采在煤矿已开拓的地区，从煤矿井下，也可以从地面抽采已受过采掘影响的煤层中的瓦斯；其首要任务是保障煤矿生产安全，同时利用被抽采出来的瓦斯。抽采规模取决于采煤的需要。抽采瓦斯的成本主要或全部被计入采煤成本。煤层气地面开发在未建煤矿或煤矿未开拓的地区，引用开采常规天然气的技术从地面开采尚处于自然状态下的煤层气；其任务是煤层气资源开发利用，当然也将有利于将来在该地区安全采煤。煤层气地面开发必需达到商业性开发的规模。这两种方法开采与利用甲烷都将减少向大气排放甲烷，具有重要的环境意义。第二章 煤层瓦斯的形成理论一、煤的形成与演化1，成煤母质植物（低等、

3、高等）2，成煤环境泥炭沼泽3，地质构造条件缓慢下沉4，成煤作用阶段第一阶段：泥炭化作用阶段,植物残体经生物-地球化学作用演化成泥炭;第二阶段：煤化作用阶段, 泥炭经地球化学作用演化成煤. 由褐煤演化成烟煤，再到无烟煤，称为“煤变质作用”。植物泥炭 褐煤烟煤无烟煤石墨 泥炭化作用 煤化作用 石墨化作用 变质作用二、煤的成分和种类煤是自然界成分最复杂的一类岩石，属沉积岩中的生物化学岩类。1，煤是三相物质的复合物，又是有机质和无机质的复合物 固相有机显微组分（macerals）和矿物（minerals）；液相水和极微量的液态烃（石油）；气相瓦斯（甲烷、二氧化碳、氮）。其中有机显微组分、液态烃和甲烷属

4、有机质；矿物、水、二氧化碳、氮属无机质。所以煤是有机质和无机质的复合物。当然有机质是煤中主要成分。有机显微组分（macerals）是用显微镜可识别的基本单元。有机显微组分被划分为三组：镜质组（vitrinite group）、惰质组（inertinita goup）、壳质组（exinite group）。其中镜质组是主要组分，通常占70以上。由这三组显微组分组成四种有机宏观组分（lithotypes）：镜煤（vitrain）几乎全由镜质组组分组成；亮煤（clarain）大部分由镜质组组分组成；暗煤（durain）少部分由镜质组组分组成；丝炭（fusain）由惰质组组分中的丝质体组成；从煤里已发

5、现的矿物种类虽然很多（经文献报道的矿物超过150种），常见的矿物种类并不多，如：粘土类矿物、黄铁矿、石英、方解石, 菱铁矿等。矿物常成为碎屑或碎屑集合体形态分散在有机显微组分之间，多数矿物的颗粒微小，呈球粒、结核、透镜体、条带等等形态；还有一些亚微米-纳米级的矿物微粒镶嵌在有机显微组分内部。通常用煤燃烧后的固体残渣灰分产率（质量分数，）近似代表煤中无机质的质量分数；可燃物质的质量分数则近似代表有机质的质量分数。按煤炭勘探规范的规定，煤的灰分产率低于40，方可参与煤炭资源量（储量）计算。2，煤的元素组成从煤中共检测出86种元素。按元素的含量，分为常量元素（含量1）和微量元素（含量1）两大类：常量

6、元素12 种：碳、氢、氧、氮、硫、钙、镁、铝、铁、钠、钾、硅。 其中碳、氢、氧、氮和少部分硫是组成有机质的主要元素；其余是组成无机质的主要元素3，煤的化学结构 煤的分子结构很复杂，到目前为止，人们对煤结构的认识还属于假说。 通常认为，煤的基本结构是由芳香族为核心及其周围的官能团和侧链组成。芳香族核心由苯环组成。官能团和侧链有：含氧官能团、含氮官能团、含硫官能团、烷基侧链等随煤化程度的增加，苯环增加，官能团和侧链脱落。煤气和煤油就是脱落的官能团和侧链重新组合而成。4，煤的工业分类根据煤的用途，煤被分为3大类，17小类：褐煤褐煤一号、褐煤二号烟煤长焰煤、气煤、1/3焦煤、气肥煤、肥煤、焦煤、瘦煤、

7、贫瘦煤、贫煤、不粘煤、弱粘煤、中粘煤无烟煤无烟煤三号、无烟煤二号、无烟煤一号划分煤类的指标是：挥发分析出率和粘结性。挥发分析出率挥发分（volatile matter，代号V）是煤样品在特定条件下受熱分解出来的液体（蒸气状态）和气体产物，挥发分占样品的质量分数称为“挥发分析出率”，或“挥发分产率”。粘结性煤干馏时粘结其本身的或外来的惰型物质的能力。三、瓦斯的生成在煤形成与演化的全过程中，固相煤物质演化的同时产出气体（瓦斯）。按成因，煤型（成）气包括“生物成因气”和“热成因气”。生物成因气在泥炭化作用阶段，沼泽里的植物残体主要受生物化学作用转化为泥炭，同时产出的气称“生物成因气”。现今煤层里不可

8、能保存有这种气。热成因气在煤化作用阶段，固相煤物质主要因受热发生复杂的物理化学变化，同时产出的气称“热成因气”。 现今煤层里的气应该属这种气。下图简明表述了煤成（型）气的生成：生物成因又包括原生生物成因和次生生物成因。原生生物成因发生于泥炭到褐煤阶段，纤维素首先水解为单糖，单糖发酵生成酸、二氧化碳、氢气和甲烷，二氧化碳和氢气在甲烷菌作用下形成甲烷；次生生物成因发生于煤层后期抬升阶段，化学反应特征类似于原生生物成因。2 瓦斯的热成因讨论问题：现今煤岩组分的含氢量，以及生烃模拟试验结果仅仅表明现今煤岩组分具有的生烃潜能的强弱。如若设想：现今的煤将来再次经受变质作用，各有机煤岩组分的生烃潜能才可能发

9、挥出来，产生上述情况。可是人们希望知道的不是假想的将来，而是煤已经生成的气态烃与液态烃的过去，是各煤岩组分已有过的生烃贡献。现今煤岩组分生烃潜能的强与弱等同于过去已生烃的多与少吗？现今煤岩组分生烃潜能的强与弱等同于过去生烃贡献的大与小吗？显然不等同，煤岩学早已作过论证。壳质组又称“稳定组”。再泥炭化阶段和煤化作用早期，壳质组内的多数组分是稳定的。这些组分现今的生烃潜能最强，可是过去的生烃贡献却最小。惰质组组分现今的生烃潜能很弱，其化学结构的芳构化程度强，官能团与侧链几乎全脱落被认为是具“惰性”的组分，划归型干酪根。惰质组组分这些特征是天生的吗？惰质组的成因很复杂，其中有些惰质组组分天生如此，它

10、们现今的生烃潜能弱，过去的生烃贡献也小。惰质组内还有些组分并非天生如此，在以往的煤变质作用过程中，与共生的壳质组和壳质组比较，它们产出多较多的气态与液体烃，以致自身芳构化程度增强。这些惰质组现今生烃潜能弱却是过去生烃贡献大所造成。研究瓦斯（煤层气）的生成对于煤矿安全生产和瓦斯抽采没有重要意义。因为：煤层瓦斯（煤层气）是现今残留在煤层里的煤成（型）气，其数量只是已生成气体的很少部分。决定煤层瓦斯（煤层气）的数量和质量的主要地质因素是气体的运移与保存因素，而不是气体的成因因素。四、煤层气（瓦斯）的成分和“瓦斯风化带”（一）、煤层气的成分煤层气是多种气体的混合物，其成分有：烃类气体甲烷（CH4）和少

11、量乙烷（C2H6）、丙烷 （C3H8）、丁烷 （C4H10）； 乙烷、丙烷、丁烷统称“重烃” 在天然气地质界所称的干气，指各种烃类总体积中CH4 95%，重烃5%， 湿气中CH45%。煤矿瓦斯一般都是干气。非烃气体二氧化碳（CO2）和氮（N2）；微量气体氢（H2）、一氧化碳（CO）、二氧化硫（SO2）、硫化氢（H2S）、氦（He）、氖（Ne）、氩（Ar）、氪（Kr）、氙（Xe）等。煤层气的主要成分是甲烷 （CH4），又称“沼气”；次为二氧化碳（CO2）和氮 （N2）。在个别矿区（如：甘肃省窑街矿区，吉林省菅城矿区）煤层气的主要成分是CO2，属无机成因的气体运移进入煤层。（二）、“瓦斯风化带 g

12、as weathered zone”早在上世纪50年代，前苏联学者发现，顿巴斯浅部瓦斯的成分有垂向分带现象，自浅部向深部一般可分四个带（如下表所列），采煤界习惯将前三个带统称为“瓦斯风化带”。 浅部瓦斯成分垂向各带气体组成名 称CH4 （体积 %）CO2 （体积 %）N2 （体积 %）瓦斯风化带CO2N2带 202080N2带 1020 80N2CH4带甲烷带CH4带严格说，用“瓦斯风化”一词并不确切。在所谓“瓦斯风化带”内，煤层里发生过瓦斯与地表大气互相交换，以甲烷为主要成分的瓦斯中的部分甲烷散入大气，同时大气中的二氧化碳与氮进入煤层，以致煤层内的甲烷浓度减小，二氧化碳与氮的浓度增大。甲烷、

13、二氧化碳与氮本身并没有“风化”。 现在术语“瓦斯风化带”已经广为流行。“瓦斯风化带”以下的甲烷（CH4）带的气体成分才是正常的瓦斯成分。研究煤层瓦斯应该以正常瓦斯带，即甲烷带为对象。正常瓦斯带的气成分中的甲烷浓度理应不低于80。有些文献作者没有注意这一点，把“瓦斯风化带”里的气体与正常甲烷带的气体混在一起作分析，以致在讨论瓦斯成分与含量时往往发生概念不清。确定“瓦斯风化带”的下部边界应该用甲烷及重烃浓度之和 80 %（按体积）为指标。煤矿实测瓦斯成分的资料往往不足，难以勾画出“瓦斯风化带”下界。采煤人员用相对瓦斯涌出量（2m3/t.d），或瓦斯压力（0.15MPa），或瓦斯含量（烟煤23m3/

14、t，无烟煤57 m3/t）等指标划定“瓦斯风化带”下界。第三章 瓦斯在煤层内的赋存与运移一、煤的孔隙和裂隙结构煤层内存在有孔隙和裂隙两个系统，即双孔隙系统（dual pore system）。被裂隙分割成的煤块体称煤岩基块（coal matrix，又翻译为“煤基质”）。煤岩基块内孔隙的容积占煤孔隙和裂隙总容积的绝大部分，是煤层气吸附储集的主要空间。天然裂隙系统是煤中流体（液体和气体）渗透的通道。由于双孔隙系统的存在，煤中气体的运移有两种机制，即在基块中的扩散，以及在裂隙系统中的渗透。（一）、煤孔隙结构（coal pore structure） 煤孔隙结构指煤层所含孔隙的大小、形态、发育程度及其

15、相互组合关系。表征煤孔隙结构的基本参数是：孔径、比孔容、比表面积、孔隙度和中值孔径等。观测煤孔隙的方法很多，如压汞法可用于测量直径大于7.5nm的孔隙；低温氮吸附法可测量孔径更小的孔隙；二氧化碳吸附法常用于测量比表面积；用光学显微镜和电子显微镜可观察孔隙特征及其充填情况，并可判别孔隙的成因。煤比孔容（specific pore volume of coal）单位质量煤中孔的容积，常以厘米3/克或毫升/克为单位。在煤变质过程中，大孔和中孔的比孔容在总比孔容中所占比例有减少趋势，而微孔的比孔容所占比例有增加趋势。煤比表面积（specific surface area of coal）单位质量煤中孔

16、隙的表面积，常以米2/克为单位。煤中孔径小于10纳米的微孔的比表面积在总比表面积中占有的比例最大。用不同方法测量比表面积的结果不一样。通常用二氧化碳作吸附质，采用吸附法测量比表面积，若改用氮作吸附质，或者用压汞法测比表面积，其结果小很多。煤孔隙尺寸分类煤中孔的大小差别极大，最小孔的孔宽为纳米（nm，即10-9 m）级。我们曾测出的最小的孔宽约0.6nm左右，其中装下一个甲烷分子（直径为0.41nm）后，第二个甲烷分子进不去。煤中还可能有更小的孔，连一个氦分子（直径为0.178nm）也通不过。前苏联学者霍多特（，.）1966年提出煤孔隙大小分类方案，即按孔半径将煤中所含的孔分成四类：霍多特的煤孔

17、隙大小分类孔类别孔 半 径大 孔孔半径 10000 A（ 1000 nm）中 孔孔半径 100001000 A（1000100 nm）过渡孔孔半径 1000 100 A（100 10 nm）微 孔孔半径 100 A（ 10 nm）我国煤中孔隙发育特征有如下认识：（1）、所有煤里同时存在大小不等的孔隙。（2）、在煤这种多孔物质内，以孔宽小于200 nm的过渡孔、小孔、微孔和超微孔为主。（3）、在同煤级的煤中，镜质组（特别是基质镜质体）内部小于200 nm的孔较发育，由此推测，在以镜质组为主要成分的镜煤和亮煤里较为富集煤层气。（4）、在不同煤变质程度的煤中，孔隙总体变化趋势是：褐煤的孔隙最为发育，

18、烟煤的孔隙发育程度相对较差，到无烟煤阶段，孔隙又有所增加；随煤级升高，孔宽大的孔所占比例下降，孔宽小的孔所占比例上升。褐煤的孔隙虽然最为发育，但是孔宽大的孔所占比例较大，总比表面积并不大，褐煤又含水较多，褐煤矿埋藏一般都浅，以致褐煤的含气量通常较少。无烟煤内孔宽小的孔所占比例较大，总比表面积较大，加上无烟煤对甲烷的吸附性较强，以致在其他地质条件相同条件下，无烟煤往往含有较多的煤层气。以上只是测试资料反映出来的现象。从实用角度出发，用压汞法和低温吸附法定量测试煤的孔隙，以及用显微镜和电子显微镜定性观察煤孔隙都没有很大的实用意义。（二）、煤中裂隙（fracture in coal）煤受各种地质应力

19、的作用所形成的自然裂缝。裂隙是煤层气（瓦斯）运移的通道。我国传统煤地质学关于煤裂隙的概念引自前苏联文献。按传统概念，煤裂隙可分为内生裂隙和外生裂隙两种成因类型。内生裂隙（endogenetic fracture）煤化作用过程中，煤中凝胶化物质受温度和压力的影响，体积均匀收缩产生内张力，从而形成的裂隙。它主要出现在光亮煤和镜煤条带中，其特点是：垂直或大致垂直层理；裂隙面较平坦，常伴有眼球状的张力痕迹；有裂隙方向大致相互垂直的两组，其中一组较发育，为主要内生裂隙组，另一组稀疏为次要内生裂隙组；在中变质烟煤中最发育，而在褐煤和无烟煤中不发育。由于内生裂隙的发育与煤变质程度有关，光亮煤条带单位长度中的

20、内生裂隙数目可作为煤变质程度的标志。外生裂隙（exogenetic fracture）煤受构造应力作用产生的裂隙。其特点是：发育不受煤岩类型限制，可切穿几个煤岩分层；以各种角度与煤层层理斜交；裂隙面上常有波状、羽毛状擦痕；外生裂隙有时沿袭内生裂隙重叠发生。煤中的外生裂隙相当其他岩石中的构造裂隙，煤中的内生裂隙是煤独有，其他岩石没有的裂隙。割理（cleat）煤中的自然裂隙。按有些文献对“割理”的描述，“割理”相当“内生裂隙”。割理被分为两组:面割理（face cleat）煤中的一组延伸较长的主要割理。面割理是煤层气渗透的主要通道。端割理（butt cleat）煤中一组次要割理，发育在两条面割理之

21、间，其延伸受面割理的制约。二、煤层气在煤中的赋存状态coalbed gas occurrence气体在煤层内有三种基本赋存状态，即：被吸附于煤的孔隙、裂隙内表面上的气体，即吸附气；以游离状态存在于煤的孔（裂）隙中，即游离气；溶解于煤层水中的气体，即溶解气。在一定温度和压力条件下，这三种状态的气体处于统一动态平衡体系中。在储气空间内，当压力增高或温度降低时，游离气量减少，吸附气量增加；反之，压力降低或温度升高时，吸附气量减少，游离气量增加。溶解气的多少也受控于温度和压力。煤层气总量中以吸附气占绝大部分，游离气占少部分，溶解气占极少部分。（一） 吸附与解吸当被吸附的气体分子的热运动动能足以克服吸附

22、引力场的作用时，可回到游离气相，并吸收热量，这一过程称为解吸。吸附和解吸互为可逆过程。通常采用煤对甲烷的吸附等温线表征煤对甲烷的吸附特征。吸附等温曲线（adsorption isotherm curve）在吸附平衡温度恒定的条件下，煤吸附甲烷的量与甲烷平衡压力的函数曲线。煤对甲烷的吸附等温线通常可用兰格缪尔方程（Langmuir equation）描述，即= （VLbp）/（1+bp） 或 = （VLp）/（PL+p）或式中：为在给定温度条件下，气体压力为 p 时，单位质量的煤（换算成脱水无灰基）吸附气体的体积，米3/吨；VL或a为吸附常数，又称兰格缪尔体积，米3/吨；b为 吸附常数，（兆帕）

23、-1；PL为吸附常数，兆帕， 又称兰格缪尔压力，PL = 1/b；p为吸附平衡时的气体压力,兆帕。我国采煤界常在30条件下作等温吸附试验。煤层甲烷兰格缪尔体积（coalbed methane Langmuir volume）描述煤对甲烷吸附等温线的兰格缪尔方程中的吸附常数（VL），中国采煤界常用字母 a 表示此常数。此常数的物理意义是，在给定温度条件下单位质量煤饱和吸附气体时，吸附的气体体积，有文献称此为“饱和吸附量”或“极限吸附量”。煤层甲烷兰格缪尔压力（coalbed methane Langmuir pressure）描述煤对甲烷吸附等温线的兰格缪尔方程中的吸附常数（PL）。此常数的物理

24、意义是，煤对甲烷吸附量达到兰格缪尔体积一半时，其所对应的压力。PL 与吸附常数 b 的关系是， PL=1/b。兰格缪尔压力是影响煤吸附等温曲线形态的参数，兰格缪尔压力越小，吸附曲线弯曲程度越大；反之，弯曲程度越小。吸附等温曲线形态对煤层气产出有明显影响。（二）吸附质（气体）在单位质量吸附剂（固体）表面的吸附量取决于四方面因素：吸附质（气体）的性质试验时只用单一的甲烷。煤层气的实际成分除甲烷外还有二氧化碳、氮和其他微量气体。人们已经研究用甲烷、二氧化碳和氮的混合气体作试验。按吸附性，二氧化碳甲烷氮。CO2分子直径为0.46nm，CH4分子直径为0.41nm，N2分子直径为0.38nm，Hg原子直

25、径为7.5nm。吸附剂（固体）的性质人们对试验用的煤样品考虑到水分。我国采煤界用干燥煤样品，煤层气探查部门用含“平衡水”的煤样品，有机煤岩成分和矿物成分都未与考虑。另外，要考虑煤级、组分等。吸附平衡的温度我国采煤界用30，煤层气探查部门用取样点的地温。吸附质（气体）的平衡压力一般加压到6 Mpa左右。由此可见，人们对等温吸附试验的条件作了简化处理。实测等温吸附线的只能大体反映煤对甲烷的吸附特征。（三）煤层气开采与瓦斯解吸中的基本概念：煤层含气饱和度（gas saturation in coalbed）煤层孔隙被气体充满的程度。通常从吸附等温曲线上求得，即含气饱和度等于实测含气量与原始储层压力在

26、吸附等温曲线上所对应的理论含气量的比值。亦可用下列公式计算煤层含气饱和度： Sg V/Vr =（V/VL）（PL+Pr）/Pr 式中：Sg 为煤层含气饱和度；V 为实测含气量（米3/吨）；Pr为实测储层压力（兆帕）；VL 为兰格缪尔体积（米3/吨）；PL 为兰格缪尔压力（兆帕）。临界解吸压力（critical desorption pressure）在煤层降压过程中，气体开始从煤基质表面解吸时所对应的压力值。按下列公式计算： Pcd=VPL/（VLV） Pcd 为临界解吸压力（兆帕）；VL为兰格缪尔体积（米3/吨）；也可直接从吸附等温线上求取。对于气饱和煤层只要煤储层压力下降，就有吸附气从煤层

27、中解吸；对于气不饱和煤层，需要降到临界解吸压力以下，才能有吸附气解吸。因此，可根据临界解吸压力和原始储层压力及其两者的比值，来了解煤层气早期排采动态。临界解吸压力越接近于原始储层压力，在排水降压过程中，需要降低的压力越小，越有利于气体开采。吸附时间（sorption time）累计解吸出的气量占总吸附气量（包括残余气）的63.2%所需的时间，单位是小时或天数。它可作为表征气体从煤储层中运移出来的速度的近似指标，在很大程度上控制着煤层气的早期生产动态。若煤的吸附时间短，其开采井有可能在短时期内达到产气高峰；反之，需较长时间后开采井方可达到产气高峰。煤储层压力（coal reservoir pressure）煤储层孔隙内流体所承受的压力，常以兆帕斯卡MPa为单位。煤储层压力一般都是指原始储层压力，即储层被开采前，处于压力平衡状态时测得的储层压力（有人称它是被生产扰动之前储层中的压力）。对煤储层压力的研究有重要意义，它不仅对煤层含气量、气体赋存状态有重要影响，而且也是气体和水从裂隙流向井筒的能量。煤储层压力一般可通过试井测得，通常采用的方法是注水/压降法（injection/falloff test）。在设计时间内，先向测试层段注入一定量的水，然后关井，压力降落，测得井底压力与时间的函数，根据压力曲线的外推法求得该储层