瓦斯地质讲义Word格式.docx

1、330 m3400 m3以上 3. 瓦斯在煤体中的赋存状态 瓦斯在煤体中一般有吸附和游离二种赋存状态。煤对瓦斯的吸附作用是瓦斯分子和碳分子相互吸引的结果，如图1-1所示。在吸附瓦斯中，通常又将进入煤体内部的瓦斯称为吸收瓦斯，将附着在煤体表面的斯成为吸着瓦斯，吸收瓦斯和吸着瓦斯统称为吸附瓦斯。在煤层赋存的瓦斯量中，吸附瓦斯量通常占80%90%，游离瓦斯量占10%20%；在吸附瓦斯量中，又以煤体表面吸着的瓦斯量占多数。 在煤体中，吸附瓦斯和游离瓦斯在外界条件不变的条件下处于动平衡状态，吸附状态的瓦斯分子和游离状态的瓦斯分子处于不断的交换之中。若外界压力降低或温度升高，或给予冲击和震荡时，影响了分子

2、的能量，则会破坏其动平衡，吸附瓦斯可变为游离瓦斯，产生新的平衡状态。这种由吸附瓦斯转变为游离瓦斯的现象，称为解吸（图1-1）。 4. 煤层瓦斯的带状分布 在漫长的地质历史中，煤层中的瓦斯经煤层、煤层围岩和断层由地下深处向地表流动；而地表的空气、生物化学和化学作用生成的气体，则由地表向深部运动。由此形成了煤层中各种瓦斯成分由浅到深有规律的变化，这就是煤层瓦斯沿深度的带状分布。 煤层瓦斯自上而下可划分为四个带：二氧化碳氮气带、氮气带、氮气甲烷带和甲烷带。前三个带统称为瓦斯风化带。各瓦斯带的划分标准如表1-2。表1-2 按瓦斯成分划分瓦斯带的标准瓦斯带名称组分含量（%）CH4N2CO2二氧化碳氮气带

3、氮气带氮气甲烷带甲烷带010020208080100 在瓦斯风化带开采煤层时，瓦斯对生产不构成主要威胁。我国大部分低瓦斯矿井皆是在瓦斯风化带内进行生产的。在确定瓦斯风化带下部边界时，如果一些矿井缺少瓦斯成分资料，还可借助于其它一些指标。确定瓦斯风化带下部边界的指标有： 煤层中所含瓦斯的CH4成分达80%； 煤层瓦斯压力为0.10.15MPa； 在同样自然条件下（水分和温度等），与煤层瓦斯压力0.10.15MPa相当的瓦斯含量； 矿井相对瓦斯涌出量为2m3/t。 瓦斯风化带下界深度取决于煤层的地质条件和赋存情况，如围岩性质、煤层有无露头、断层发育情况、煤层倾角、地下水活动情况等。 5. 矿井瓦斯

4、涌出量 矿井瓦斯涌出量是指在矿井生产过程中涌入采掘空间的瓦斯数量。它是确定矿井瓦斯等级、进行矿井通风计算等方面的依据。矿井瓦斯涌出量有两种表示方法： （1） 绝对瓦斯涌出量：是指矿井在单位时间内涌出的瓦斯体积，单位是m3/min或m3/d。 （2） 相对瓦斯涌出量：是指在矿井正常生产条件下平均每采一吨煤所涌出的瓦斯体积，单位是m3/t。 6. 矿井瓦斯等级 依据2001年11月颁布的煤矿安全规程，矿井瓦斯等级根据矿井相对瓦斯涌出量、矿井绝对瓦斯涌出量和瓦斯涌出形式划分为三类： （1） 低瓦斯矿井：矿井相对瓦斯涌出量小于或等于10m3/t且矿井绝对瓦斯涌出量小于或等于40m3/min。 （2）

5、高瓦斯矿井：矿井相对瓦斯涌出量大于10m3/t或矿井绝对瓦斯涌出量大于40m3/min。 （3） 煤（岩）与瓦斯（二氧化碳）突出矿井。 7. 煤与瓦斯突出 煤与瓦斯突出是发生在煤矿井下的一种复杂的瓦斯动力现象，表现为在很短时间（几秒至数十秒）内，大量的煤（几吨至数千吨）和瓦斯（数百至数百万米）由煤体向采掘巷道喷出，伴随着强大的冲击力，破坏煤壁，摧毁巷道，使风流逆转，煤流埋人，甚至造成严重的爆炸事故。煤与瓦斯突出是煤矿井下严重的自然灾害之一。 （1） 煤与瓦斯突出分类 a. 按突出特征分类 煤与瓦斯突出按突出现象的特征可分为三类：突出、压出和倾出， b. 按突出强度分类 突出强度是指突出发生过程

6、中抛出的煤量和涌出的瓦斯量。但由于突出时瓦斯涌出量的计量工作尚存在一些技术问题，目前按突出强度分类主要依据抛出的煤量。按突出强度一般分为五类： 小型突出（50t）; 中型突出（50，100t）; 次大型突出（100，500t）; 大型突出（500，1000t）; 特大型突出（1000t）。 c. 按突出发生地点分类 按突出发生地点一般分为：石门突出、平巷突出、上山突出、下山突出和回采工作面突出。 （2） 煤与瓦斯突出区划 煤与瓦斯突出分布具有不均衡性。根据突出的分布范围，可划分为突出区、突出带和突出点；根据突出的严重程度，可划分为突出危险区、突出威胁区和非突出区。三、影响瓦斯赋存的地质因素 瓦

7、斯是地质作用的产物，瓦斯的形成和保存、运移与富集同地质条件有密切关系，瓦斯的赋存和分布受地质条件的影响和制约。现将影响瓦斯赋存的主要地质因素分述如下。 1. 煤的变质程度 在煤化作用过程中，不断地产生瓦斯，煤化程度越高，生成的瓦斯量越多。因此，在其它因素相同的条件下，煤的变质程度越高，煤层瓦斯含量越大。 煤的变质程度不仅影响瓦斯的生成量，还在很大程度上决定着煤对瓦斯的吸附能力。在成煤初期，褐煤的结构疏松，孔隙率大，瓦斯分子能渗入煤体内部，因此褐煤具有很大的吸附能力。但该阶段瓦斯生成量较少，且不易保存，煤中实际所含的瓦斯量一般不大。在煤的变质过程中，由于地压的作用，煤的孔隙率减小，煤质渐趋致密。

8、长焰煤的孔隙和内表面积都比较少，所以吸附瓦斯的能力大大降低，最大吸附瓦斯量在2030m3/t左右。随着煤的进一步变质，在高温、高压作用下，煤体内部因干馏作用而生成许多微孔隙，使表面积到无烟煤时达到最大。据实验室测定，1g无烟煤的微孔表面积可达200m2之多。因此，无烟煤吸附瓦斯的能力最强可达5060m3/t。但是当由无烟煤向超无烟煤过渡时，微孔又收缩、减少，煤的吸附瓦斯能力急剧减小，到石墨时吸附瓦斯能力消失（图1-2）。苏联学者列文斯基对煤层中甲烷含量与变质程度的关系进行的研究结果表明，从长烟煤开始，煤层的平均甲烷含量随变质程度升高而增加，至无烟煤11/A阶段达到最大值；但在超无烟煤中，甲烷含

9、量突然降到最低值，几乎不含瓦斯（图1-3）。 研究表明，不同变质程度的煤在区域分布上常呈带状分布，形成不同的变质带。这种变质分带在一定程度上控制着瓦斯的赋存和区域性分布。例如，内蒙古自治区是我国煤炭储量最丰富的省份之一，该省矿井瓦斯分布呈现明显的规律性，瓦斯的分区与煤变质分带有密切关系（图1-4）。 2. 围岩条件 煤层围岩是指煤层直接顶、老顶和直接底板等在内的一定厚度范围的层段。煤层围岩对瓦斯赋存的影响，决定于它的隔气、透气性能。 一般来说，当煤层顶板岩性为致密完整的岩石，如页岩、油母页岩时，煤层中的瓦斯容易被保存下来；顶板为多孔隙或脆性裂隙发育的岩石，如砾岩、砂岩时，瓦斯容易逸散。例如，北

10、京京西煤矿，不论是下侏罗统或是石炭二叠系的煤层，尽管煤的牌号为无烟煤，由于煤层顶板为1216m的厚层中粒砂岩，透气性好，因此煤层瓦斯含量小，矿井瓦斯涌出量低。 与围岩的隔气、透气性能有关的指标是孔隙性、渗透性和孔隙结构。泥质岩石有利于瓦斯的保存，若含砂质、粉砂质等杂质时，会大大降低它的遮挡能力。粉砂杂质含量不同，影响到泥质岩中优势孔隙的大小。例如，泥岩中粉砂组分含量为20时，占优势的是0.0250.05m的孔隙；粉砂组分含量为50时，优势孔隙则为0.080.16m。孔隙直径的这种变化，也在岩石的遮挡性质上反映出来。随着孔隙直径的增大，渗透性将增高，岩石遮挡能力则显著减弱。砂岩一般有利于瓦斯逸散

11、，但有些地区砂岩的孔隙度和渗透率均低时，也是很好的遮挡面。 煤层围岩的透气性不仅与岩性特征有关，还与一定范围内的岩性组合及变形特点有关。按岩石的力学性质，可将围岩分为强岩层（砂岩、石灰岩等）和弱岩层（细碎屑岩和煤等）两类。强岩层不易塑性变形，而易于破裂；弱岩层则常呈塑性变形。 不同力学性质的岩层具有不同的构造表象。图1-5是煤层顶板的几种变形类型。图中（a）是一种断层裂隙型围岩顶板，主要由砂岩组成；（b）是一种紧密褶皱型围岩顶板，由粉砂岩、泥岩和细砂岩三层组成；（c）是又一种类型，反映的是一种透镜化现象。 在不同类型的岩层中，裂隙发育情况也有差异。强岩层产生大致垂直于层面的破劈理；弱岩层则产生

12、密集的、与层面斜交或大致平行的流劈理；在相邻的强、弱岩层中裂隙出现折射现象（图1-6）。 为反映同煤田不同井田或同井田不同块段岩性组合的差异，可以对研究范围内各钻孔、石门资料进行统计分析。选择煤层顶（底）板一定厚度范围的层段，统计每个钻孔及石门中该层段内各分层的岩性和厚度，计算砂岩、泥岩与统计总厚度的比值。根据统计资料，绘制相应的等值线或圈定不同瓦斯保存条件的块段。 3. 地质构造 地质构造对瓦斯赋存的影响，一方面是造成了瓦斯分布的不均衡，另一方面是形成了有利于瓦斯赋存或有利于瓦斯排放的条件。不同类型的构造形迹，地质构造的不同部位、不同的力学性质和封闭情况，形成了不同的瓦斯赋存条件。 （1）

13、褶皱构造 褶皱的类型、封闭情况和复杂程度，对瓦斯赋存均有影响。 当煤层顶板岩石透气性差，且未遭构造破坏时，背斜有利于瓦斯的储存，是良好的储气构造，背斜轴部的瓦斯会相对聚集，瓦斯含量增大。在向斜盆地构造的矿区，顶板封闭条件良好时，瓦斯沿垂直地层方向运移是比较困难的，大部分瓦斯仅能沿两翼流向地表。紧密褶皱地区往往瓦斯含量较高。因为这些地区受强烈构造作用，应力集中；同时，发生褶皱的岩层往往塑性较强，易褶不易断，封闭性较好，因而有利于瓦斯的聚集和保存。 （2） 断裂构造 地质构造中的断层破坏了煤层的连续完整性，使煤层瓦斯运移条件发生变化。有的断层有利于瓦斯排放，也有的断层对瓦斯排放起阻挡作用，成为逸散

14、的屏障。前者称开放型断层，后者称封闭型断层。断层的开放与封闭性决定于下列条件： a. 断层的性质和力学性质。一般张性正断层属开放型，而压性或压扭性逆断层封闭条件较好。 b. 断层与地表或与冲积层的连通情况。规模大且与地表相通或与冲积层相连的断层一般为开放型。 c. 断层将煤层断开后，煤层与断层另一盘接触的岩层性质。若透气性好则利于瓦斯排放。 d. 断层带的特征。断层带的充填情况、紧闭程度、裂隙发育情况等都会影响到断层的开放或封闭性。 此外，断层的空间方位对瓦斯的保存、逸散也有影响。一般走向断层阻隔了瓦斯沿煤层倾斜方向的逸散，而倾向和斜交断层则把煤层切割成互不联系的块体。 不同类型的断层，形成了

15、不同的构造边界条件，对瓦斯赋存产生不同的影响。例如，焦作矿区东西向的主体构造凤凰岭断层和朱村断层，落差均在百米以上，使煤层与裂隙溶洞发育的奥陶系灰岩接触，皆属开放型断层，因而断裂带附近瓦斯含量很小。而矿区内的一些中型断层，与煤层接触的断层另一盘岩性多为粉砂岩或泥质岩，属封闭型断层，它们是瓦斯分带的构造边界（图1-7）。湖南涟邵洪山殿矿区是一个严重的煤与瓦斯突出矿区，矿区内各生产矿井均发生过煤与瓦斯突出。但该区内的洪山矿鲤鱼圹井不仅瓦斯小，而且很少发生突出，这与该井田范围内发育一系列通达地表的中型断层有关（图1-8）。 （3） 构造组合与瓦斯赋存的关系 控制瓦斯分布的构造形迹的组合型式，可大致归

16、纳为以下几种类型。 a. 逆断层边界封闭型。这一类型中，压性、压扭性逆断层常作为矿井或区域的对边边界，断层面一般相背倾斜，使整个矿井处于封闭的条件之下。如内蒙古大青山煤田，南北两侧均为逆断层，断层面倾向相背，煤田位于逆断层的下盘，在构造组合上形成较好的封闭条件。该煤田各矿煤层的瓦斯含量，普遍高于区内开采同时代含煤岩系的乌海煤田和桌子山煤田。 b. 构造盖层封闭型。盖层条件原指沉积盖层而言，从构造角度，也可指构造成因的盖层。如某一较大的逆掩断层，将大面积透气性差的岩层推覆到煤层或煤层附近之上，改变了原来的盖层条件，同样对瓦斯起到了封闭作用。 c. 断层块段封闭型。该类型由两组不同方向的压扭性断层

17、在平面上组成三角形或多边形块体，块段边界为封闭型断层所圈闭。 4. 煤层的埋藏深度 在瓦斯风化带以下，煤层瓦斯含量、瓦斯压力和瓦斯涌出量都与深度的增加有一定的比例关系。表1-3 煤层甲烷含量与深度的关系深温压力（MPa）煤的孔隙在压力作用下降低系数煤的孔隙体积（m3/t）煤的甲烷含量岩石甲烷含量煤孔隙中游离瓦斯量占（%）度（m）（）地层静压 力P1瓦斯压力P2p=p1-p2吸附游离总计q1孔隙中分散有机质中q2比值 1002003004005006007008009001000110012001114172023262931343740432.44.87.19.411.714.116.418.

18、721.123.425.728.10.10.20.71.32.13.04.05.06.18.22.34.66.48.19.611.112.413.715.016.317.50.910.840.820.800.780.770.760.750.740.730.720.710.1180.1090.1070.1040.1010.1000.0990.0980.0960.0950.0940.092-5.712.917.019.020.421.021.421.621.721.52.02.83.74.76.57.48.35.913.618.323.224.726.127.328.229.029.80.40.9

19、1.42.63.44.15.56.30.30.51.11.62.22.93.64.45.15.86.035791215182125283027136（据黎金，1962） 一般情况下，煤层中的瓦斯压力随着埋藏深度的增加而增大。随着瓦斯压力的增加，煤与岩石中游离瓦斯量所占的比例增大，同时煤中的吸附瓦斯逐渐趋于饱和。因此从理论上分析，在一定深度范围内，煤层瓦斯含量亦随埋藏深度的增大而增加。但是如果埋藏深度继续增大，瓦斯含量增加的速度将要减慢。表1-3是前苏联学者黎金作的一个计算实例，从表中可以看出煤层中甲烷含量随深度增大而增加的情况，以及随深度增大游离瓦斯量所占比例的变化。 个别矿井的煤层，随着埋藏

20、深度的增大，瓦斯涌出量反而相对减小。例如，徐州矿务局大黄山矿属于低瓦斯矿井，位处较浅的有限煤盆地，煤层倾角大，在新老不整合面上有厚层低透气性盖层，瓦斯主要沿煤层向上运移。由于煤盆地范围小，深部缺乏足够的瓦斯补给，因而当从盆地四周由浅部向深部开采时，瓦斯涌出量随着开采深度增加而减小（图1-9）。 5. 煤田的暴露程度 暴露式煤田，煤系地层出露于地表，煤层瓦斯往往沿煤层露头排放，瓦斯含量大为减少。隐伏式煤田，如果盖层厚度较大，透气性又差，煤层瓦斯常积聚储存；反之，若覆盖层透气性好，容易使煤层中的瓦斯缓慢逸散，煤层瓦斯含量一般不大。 在评价一个煤田的暴露情况时，不仅要注意煤田当前的暴露程度，还要考虑

21、到成煤后整个地质时期内煤系地层的暴露情况及瓦斯风化过程的延续时间。例如，红阳煤田三井开采石炭二叠系煤层，煤层露头上部有巨厚的侏罗系及第三、第四系沉积地层覆盖，13号煤层隐伏露头的埋藏深度达7001100m。尽管埋藏深度如此之大，接近露头部分的煤层瓦斯含量很小，存在一定宽度的瓦斯风化带。自778孔向西至隐伏露头，煤层瓦斯含量均在2m3/t以下，而向东至856孔，煤层瓦斯含量增大至15m3/t。造成这种情况的原因是，在晚侏罗系地层覆盖之前，从晚古生代到中生代晚侏罗世之间的漫长地质时期内，区内地壳上升，含煤地层出露地表，遭受强烈的瓦斯风化作用。晚期地层的覆盖，只是保存了早期存在的瓦斯分布状态（图1-

22、10）。 6. 水文地质条件 地下水与瓦斯共存于煤层及围岩之中，其共性是均为流体，运移和赋存都与煤、岩层的孔隙、裂隙通道有关。由于地下水的运移，一方面驱动着裂隙和孔隙中瓦斯的运移，另一方面又带动溶解于水中的瓦斯一起流动。尽管瓦斯在水中的溶解度仅为14%，但在地下水交换活跃的地区，水能从煤层中带走大量的瓦斯，使煤层瓦斯含量明显减少。同时，水吸附在裂隙和孔隙的表面，还减弱了煤对瓦斯的吸附能力。因此，地下水的活动有利于瓦斯的逸散。地下水和瓦斯占有的空间是互补的，这种相逆的关系，常表现为水大地带瓦斯小，反之亦然。 遍布湘中及湘东南地区的龙潭煤系，由于在形成过程中沉积环境的差异，明显地分为“南型”和“北

23、型”，其分界线在北纬2740附近。龙潭煤系的南北分异在水文地质条件上也表现出明显的差异。煤系下伏地层为茅口灰岩，属岩溶裂隙发育的强含水层。当煤层与茅口灰岩之间的隔气层较薄或缺失时，矿井涌水量大，造成易于瓦斯排放的条件。“北型”的茅口灰岩与上部煤层间距010m，形成一些水大瓦斯小的矿井，如恩口、煤炭坝等矿均为低瓦斯矿井，矿井涌水大于1000m3/h；“南型”的茅口灰岩与煤层的间距增大为300400m，属于“南型”的斗笠山矿区观山井、洪山殿矿区各生产矿井均为高瓦斯和突出矿井，水文地质条件简单，矿井涌水量小于1003/h（图1-11）。7. 岩浆活动 岩浆活动对瓦斯赋存的影响比较复杂。岩浆侵入含煤岩

24、系或煤层，在岩浆热变质和接触变质的影响下，煤的变质程度升高，增大了瓦斯的生成量和对瓦斯的吸附能力。在没有隔气盖层、封闭条件不好的情况下，岩浆的高温作用可以强化煤层瓦斯排放，使煤层瓦斯含量减小。岩浆岩体有时使煤层局部被覆盖或封闭，成为隔气盖层。但在有些情况下，由于岩脉蚀变带裂隙增加，造成风化作用加强，可逐渐形成裂隙通道，而有利于瓦斯的排放。所以说，岩浆活动对瓦斯赋存既有生成、保存瓦斯的作用，在某些条件下又有使瓦斯逸散的可能性。因此，在研究岩浆活动对煤层瓦斯的影响时，要结合地质背景作具体分析。 总的来看，岩浆侵入煤层有利于瓦斯生成和保存的现象比较普遍。但在某些矿区和矿井，由于岩浆侵入煤层，亦有造成

25、瓦斯逸散或瓦斯含量降低的情形。如福建永安矿区属暴露式煤田，岩浆岩呈岩墙、岩脉侵入煤层，对煤层有烘烤、蚀变现象。岩脉直通地表，巷道揭露时有淋水现象，说明裂隙道通良好，有利于瓦斯逸散。该矿区煤层瓦斯含量普遍很小，均属低瓦斯矿井。四、影响煤与瓦斯突出分布的地质因素国内外对煤和瓦斯突出分布的研究表明，无论在煤田、矿区或井田范围内，突出都是不均匀分布的，它们往往比较集中地发生在某些区域，我们称之为突出的区域性分布。根据前苏联马凯耶夫煤矿安全科学研究所的研究，在顿巴斯煤田各个矿井煤层中，突出危险区只占有煤和瓦斯突出危险煤层总面积的57%。在预报的非突出区中，由于不采取预防措施，其产量和掘进速度可提高530%。因此，研究煤和瓦斯突出的区域性分布，对合理的采取防止突出措施，减少盲目性，具有很大的现实意义。早在19271928年，一些国外的研究者已发现了煤和瓦斯突出地点与地质条