第一章 绪论 瓦斯地质学的概念、研究内容、研究的目的和意义，研究的方法： 瓦斯地质学的概念、研究内容、研究的目的和意义，研究的方法 瓦斯地质学是研究煤层瓦斯的形成、 赋存和运移以及瓦斯地质灾害防治理论的交叉学科。 研 究的内容包括： 煤层瓦斯的形成过程研究或者说煤层瓦斯组成与煤级的关系研究； 瓦斯在煤 层内的赋存与运移；煤与瓦斯突出机理研究；构造煤特征研究；地质构造控制煤与瓦斯突出 理论；煤
与瓦斯突出预测方法与控制措施；瓦斯资源地面开发；瓦斯地质图编制。研究的意 义：瓦斯是影响煤矿安全生产的有害气体，控制瓦斯涌出量、减少煤与瓦斯突出动力灾害， 可以提高煤矿安全性；瓦斯是温室效应气体，同时是清洁能源，提高煤层瓦斯抽采率可以保 护大气环境，提高资源利用率。研究的方法：利用地质统计法、钻探、探掘、地球物理方法， 结合煤田地质、构造地质和水文地质等理论综合研究。 （一） 、煤层气和瓦斯的概念 近来， 人们采用术语 “煤层气” 一词， 意指赋存在煤层里的天然气。 此术语翻译自英语 “coalbed gas” 。如果讨论“煤层气”的成分，则包含甲烷、重烃、二氧化碳、氮等多种气体成分。如 果计算“煤层气”的含量或资源量（储量） ，又仅指甲烷一种气体的量。 “瓦斯”是我国采煤 界习惯用的术语。广义上讲，瓦斯是煤矿井下除大气以外的气体的总称,包含：赋存在煤层 及岩层里并涌入到矿井的天然气、 矿井生产过程中生成的炮烟和其它废气、 井下各种化学及 生物化学反应生成的气体、 深源放射性物质蜕变生成的气体、 自地下水释放出的气体等多种 来源的气体。包括：甲烷（CH4） 、重烃（即乙烷 C2H6、丙烷 C3H8、丁烷 C4H5） 、氢（H2） 、 二氧化碳（CO2） 、一氧化碳（CO） 、二氧化氮（NO2） 、二氧化硫（SO2） 、硫化氢（H2S） 等。 “瓦斯”一词的常用含义有以下两种： 1, 煤矿井下工程里的甲烷（CH4） ，又称沼气，有时还指二氧化碳（CO2） ；在确定“瓦斯风 化带”时又指甲烷、二氧化碳和氮(N2)三种气体。通常所称的“瓦斯涌出量”往往仅指甲烷 一种气体的涌出量，不包含二氧化碳和氮的量。 2， 赋存在煤层和岩层里， 尚未涌入矿井的天然气。 在分析其成分时， 通常只分析甲烷 （CH4） 、 二氧化碳（CO2） 、氮(N2)等三种气体成分，有时还分析重烃；特殊需要时才分析其他气体 成分。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”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。1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、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。 ①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 有机显微组分 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 有机宏观组分（lithotypes） ： 有机宏观组分 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； ②从煤里已发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；2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、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：3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 二氧化碳、氢气和甲烷，二氧化碳和氢气在甲烷菌作 二氧化碳 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Ⅳ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。4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 CH4&95%，重烃&5%。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 gas 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” 。名 瓦斯 风化带 甲烷带称 CO2—N2 带 N2带 N2—CH4 带 CH4带浅部瓦斯成分垂向各带气体组成 浅部瓦斯成分垂向各带气体组成 瓦斯 CH4 （体积 %） CO2 （体积 %） N2 （体积 %） & 10 & 20 20～80 & 20 & 80 & 80 & 10～20 & 10～20 & 10 & 80 & 80 & 205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、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 2～3m3/t， ， 无烟煤 5～7 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。6①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。 ②煤比表面积（specific surface area of coal）——单位质量煤中孔隙的表面积，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。 ③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（Ходот，В.В.）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：霍多特的煤孔隙大小分类孔类别 大 孔 中 孔 过渡孔 微 孔 孔 半 径 nm） nm） nm） nm） 孔半径 ＞10000 A（ ＞1000 孔半径 1 A（ 孔半径 1000 ～ 100 A（100 ～10 孔半径 ＜ 100 A（ ＜10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，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：①垂直或大致垂直层理；②裂隙面较平坦，常伴有眼球状的张力痕迹；③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； ④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内生裂隙数目可作为煤变质程度的标志。7外生裂隙（exogenetic fracture）——煤受构造应力作用产生的裂隙。其特点是：①发育不受 煤岩类型限制， 可切穿几个煤岩分层； ②以各种角度与煤层层理斜交； ③裂隙面上常有波状、 羽毛状擦痕；④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间，其延伸受面割理的制 约。89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：①被吸附于煤的孔隙、裂隙内表面上的气体， 即吸附气；②以游离状态存在于煤的孔（裂）隙中，即游离气；③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 一 当被吸附的气体分子的热运动动能足以克服吸附引力场的作用时， 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Ｖ= (VL?b?p)/(1+b?p) 或Ｖ = (VL?p)/(PL+p)或 V = abp 1 + bp式中：Ｖ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） 3 3 吸附气体的体积，米 /吨；VL或a为吸附常数，又称兰格缪尔体积，米 /吨；b为 吸附常数， -1 （兆帕） ；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。10煤层甲烷兰格缪尔体积（coalbed methane Langmuir volume）—— 煤层甲烷兰格缪尔体积 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）—— 煤层甲烷兰格缪尔压力 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。 甲烷吸附量达到兰格缪尔体积一半时， 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。 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： （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： ①吸附质（气体）的性质 吸附质（ 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 原子直径为 7.5nm。 ②吸附剂（固体）的性质 吸附剂（ 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。③吸附平衡的温度 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。 吸附平衡的温度 ④吸附质（气体）的平衡压力 吸附质（ 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： 煤层气开采与瓦斯解吸中的基本概念：11①煤层含气饱和度（gas saturation in coalbed）—— 煤层含气饱和度 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] 3 式中：Sg 为煤层含气饱和度；V 为实测含气量（米 /吨） ；Pr 为实测储层压力（兆帕） ； 3 。 VL 为兰格缪尔体积（米 /吨）；PL 为兰格缪尔压力（兆帕）②临界解吸压力（critical desorption pressure）—— 临界解吸压力（ 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=V?PL/（VL—V） 3 式中： Pcd 为临界解吸压力（兆帕） 为实测含气量（米 /吨） L 为兰格缪尔体积（米 ；V ；V 3 /吨） L 为兰格缪尔压力（兆帕） ；P 。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。 ——累计解吸出的气量占总吸附气量（包括残余气）的 ③吸附时间（sorption time）—— 吸附时间 —— 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（ ④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压力。 煤储层压力一般随煤层埋深增加而增高。即，煤储层压力与深度显示正相关关系。 ⑤煤储层压力梯度（coal reservoir pressure gradient）——在单位垂直深度内，煤 煤储层压力梯度（ 储层压力的增量。 在地质构造和煤层赋存条件变化不大的情况下可用下列公式求得煤储层压12力梯度： ｍ＝（p－p0）/（H－H0） 式中：p、p0为在深度H、H0处的压力；ｍ为压力梯度；H为距地表深度；H0为风化带深度。 ⑥煤储层压力系数—— 煤储层压力系数 实测储层压力与同深度静水压力之比。 压力系数 压力梯度 超压（高压）—— ＞1 ＞0.98 MPa／100m 或＞9.8 KPa／m 正常压力—— ＝1 ＝0.98 MPa／100m ＝9.8 KPa／m 欠压（低压）—— ＜1 ＜0.98 MPa／100m ＜9.8 KPa／m 据32个矿区资料，各煤级煤储层超压状态占32％，正常压力22％，欠压46％； 中煤级煤储层大多数为欠压。13⑦煤层瓦斯压力（coalbed gas pressure）——煤层孔隙内气体分子自由热运动撞击所 煤层瓦斯压力（ 产生的作用力； 在一个点上力的各向大小相等， 方向与孔隙的壁垂直。 瓦斯压力测定方法是： 自井下巷道打钻进入煤层，在钻孔中，密封一根刚性导气管，实测管内稳定的气压，即为瓦 斯压力。 煤层瓦斯压力大小受多种地质因素的影响， 变化较大。 在一个井田内的同一地质单元里， 瓦斯风化带以下的近代矿井开采深度范围内， 未受采动影响的煤层瓦斯压力与其埋深呈正相 关。 煤层瓦斯压力是决定煤层瓦斯含量和煤层瓦斯动力学特征的基本参数。按有关规程规 定，煤层的瓦斯压力≥0.74 Mpa，该煤层具有突出危险性。 ⑧瓦斯压力梯度（gas pressure gradient）——煤层埋藏深度每增加一单位（通常用1 瓦斯压力梯度（ 米或100米），煤层瓦斯压力平均增加值。瓦斯压力梯度随地质条件而异，中国煤矿的瓦斯 压力梯度一般变化范围为（0.01±0.005）兆帕每米。14由上图可知，储层初始压力是 1620psia（1psia=6.9KPa） ，大约为 10Mpa，经排水降压到一 定程度后发现有气体流出，此时的储层压力便称为临界解吸压力，此时临界压力为 648psia， 大约为 4Mpa。初始储层压力对应的甲烷吸附量为 450，临界解吸压力对应的为实际吸附量 355，则含气饱和度为 355/450=79%。 测量煤储层压力变化和等温吸附线， 就可以推测煤层气的临界解吸压力， 估算煤储层的理论 含气量，计算煤层气的饱和度；预测煤储层在降压、解吸过程中，煤层气的采收率或可采资 源量。 废弃压力（ ⑨废弃压力（abandonment pressure）——在现有经济技术条件下，煤层气井疏水降压15所能达到的最低井底压力， 又称枯竭压力 废弃压力大小与矿区地质构造、 枯竭压力。 煤级等因素有关。 枯竭压力 据美国经验， 废弃压力可达 0.7 兆帕。 煤层气井废弃压力是计算煤层气最大采收率的主要指 标之一。三、煤层气在煤层中的运移 煤层气在煤层中的运移 煤层气在煤层的运移方式有二：扩散与渗透。 气体扩散（gas diffusion）——煤层气在煤岩基块内的微孔系统中因浓度差产 （一）气体扩散 生的运移。其过程可用菲克扩散定律描述。 Fick第一扩散定律： Fickdm dc = ? DA dt dxdm dc ——扩散速度； D ——扩散系数； A ——扩散面积； ——浓度梯度。 dt dx聂百胜、何学秋（2000a，2001a）根据努森数（孔隙直径与气体分子的平均自由程的比 值，即 k n = d / r ）的大小对煤中瓦斯的扩散规律进行了研究提出，瓦斯在煤体中的扩散有 以下几种模式：菲克扩散、努森扩散、过渡扩散、表面扩散和晶体扩散；当努森数 k n ≥ 10 时，孔隙直径远大于气体分子的平均自由程，气体分子的碰撞主要发生在气体分子之间，气 体分子与孔道壁之间作用较小，符合菲克扩散定律，为菲克扩散；当 k n ≤ 0.1 时，分子的平 均自由程大于孔隙直径， 气体分子与孔道壁之间作用增强， 而气体分子间作用居于次要地位， 为努森扩散；当 0.1 ≤ k n ≤ 10 时，两种作用同样重要，为介于菲克扩散和努森扩散之间的 过渡型扩散；煤是良好的吸附剂，当气体分子被强烈吸附于固体表面时，就产生表面扩散； 当孔隙直径和瓦斯气体分子直径相差不大， 在压力足够大的情况下， 瓦斯气体分子可以进入 微孔中以固溶体存在，发生晶体扩散，晶体扩散在所有扩散中所占的比重很小[75,76]。聂百胜 (2001a)对煤粒（平均粒径为 0.473mm）的扩散实验[77]表明，煤粒瓦斯的扩散速度随时间变 化呈现负指数规律。（二）气体渗透（gas seepage）——煤层气在煤层裂隙（割理）系统内因压力差产生 气体渗透（ 的运移，其过程可用达西定律描述。 Darcy定律： V = KI = K?p LV ——渗透速度； K ——渗透系数； I ——压力梯度。161、煤层渗透率（permeability of coal seam） 煤层渗透率（ 煤层的渗透性是指在一定的压力差条件下，允许流体通过其连通孔隙的性质，用渗透 率表示。 实验表明，单相流通过介质，沿孔隙通道呈层流时，符合达西线性渗流定律k=式中：QV ?L A?p（3）QV ——任一流体通过多孔介质时的体积流量，cm3/s；?p ——样品两端压力差，MPa；A ——样品横断面积，cm2； L ——样品长度，cm；? ——流体粘度，cp（pa.s） ；k ——渗透率，d， d = ?m 2 。对气体而言，在利用达西公式计算渗透率时，必须引入平均体积流 QV 。 按气体状态方程：p 0 QV 0 = p1QV 1 = p 2 QV 2 = R（4）式中： p1 、 p 2 ——样品前后两端的气体压力； QV 1 、 QV 2 ——在 p1 、 p 2 压力下气体 体积流量； p 0 —— 1.01 × 10 Pa； QV 0 ——在 p 0 下气体体积流量517令 p=p1 + p 2 2（5）又 QV =p 0 QV 0 p（6）代入公式（3） ，则 k =2 p0 QV 0 ?L 2 A( p12 ? p 2 )（7）煤体中瓦斯的渗透能力影响因素如下： ①煤基质解吸收缩对渗透能力的影响 根据傅雪海的研究，在煤层气开发过程中，随着煤储层压力的降低，煤层气发生解吸， 煤基质出现收缩，且随着煤级的增加，煤基质收缩系数减小。理论和实践证明，煤储层在排 水降压过程中，随着甲烷的解吸、扩散和排出，煤基质收缩，煤储层渗透率得到改善，煤储 层的绝对渗透率越大， 煤基质收缩效应越明显， 且收缩效应引起的渗透率增量与流体压力呈 现对数关系。 ②有效应力对渗透能力的影响 有效应力等于作用于煤储层的地应力与其孔隙和裂隙内的流体压力之差。 煤储层流体压 力降低后，在围压不变的情况下，有效应力必然增加。有：?σ e = pi ? p j式中： ?σ e 为有效应力增量， pi 和 p j 分别是前一状态和后一状态的流体压力。 由此，单位体积煤体的孔隙、裂隙的压缩量为：（8）?φ e = C v ( p i ? p j )式中： C v 为体积压缩系数。（9）因此，在只考虑储层压力降低的情况下，随着有效应力的增加，煤体被压缩，孔隙率降 低，导致煤体渗透性降低。冯增朝（2003a，2005a）的研究进一步表明，有效应力对裂隙的 变形影响比孔隙的影响要灵敏的多， 在煤体的孔隙裂隙双重孔隙系统中， 裂隙是决定煤体渗 透性强弱的主导因素。 Mckee C R（1988a） 、张新民（2002a） 、董敏涛（2005a）的研究表明，煤层的渗透率与 有效应力呈幂指数的负相关关系， Somerton 而 （1974a） 、谭学术 （1994a） 、王宏图 （1999a） 、 孙培德（2000a、2001a） 、鲜学福（2007a）的研究表明，煤层的渗透率与有效应力呈负指数18关系。 ③孔隙瓦斯压力对煤体渗透率测试的影响 傅雪海（2002a）的研究表明，在有效应力不变的情况下，测试采用的流体压力越小， 滑脱效应（或克林伯格效应）越明显，引起的渗透率增量越大。 ④煤体力学性质（如强度、弹性摸量等）对渗透能力的影响 陈金刚（2004a）的研究表明，煤基质收缩能力与其力学参数具有良好的负指数关系， 并进一步提出煤基质收缩的根本控制因素是煤本身固有的力学参数， 强度大的煤体在开发煤 层气过程中的基质收缩变形量较小，煤储层渗透性能改善较弱。 ⑤煤体结构类型对煤层渗透能力的影响 钟玲文（2004a）的研究表明，煤体结构类型对煤层渗透性的影响大于裂隙发育程度的 影响，碎裂煤的渗透性最好，其次是原生结构煤，碎粒煤的渗透性差，糜棱煤渗透性最差。 对于原生结构煤，煤体结构几乎没有受到构造破坏，煤层的原始结构、构造保存完整，以割 理为主，这类煤的渗透能力最好，特别是割理最为发育的中变质阶段煤；碎裂煤中割理依然 存在，外生裂隙和继承性裂隙增多，构造应力改造后的裂隙系统可能使渗透率提高，也可能 降低，与裂隙发育的方向和充填程度有关；碎粒煤以外生裂隙多组、多方向发育为特征，渗 透能力较差，其渗透率一般在 1 × 10 ?3 ?m 2 以下；糜棱煤由发育劈理的鳞片状煤和无任何裂 隙的土状煤组成，渗透性极差，渗透率在 0.1 × 10 ?3 ?m 2 以下。 由于煤的非均质性强， 一般采用试井获得渗透率， 而不采用在实验室内测试样品的渗透 率。渗透率是评价煤层气可采性的重要指标之一。 煤的渗透性比较差，我国煤的渗透性更差，多数矿区的多数煤层属低渗透性煤层。 试井渗透率mD 外国煤层 中国煤层 高渗透率煤层—— ＞10 ＞1 中渗透率煤层—— 1－10 0.1-10 低渗透率煤层—— ＜1 ＜0.119四、煤层内瓦斯赋存和运移的地质因素 煤层内现今的煤层甲烷（瓦斯）储存量仅是生气量的少部份，各部位的煤层甲烷又处于吸附 —解吸和运移的动态平衡状态，所以煤层甲烷（瓦斯）含量大小主要取决于气体的运移与储 存条件。 煤的变质程度只是影响煤层含气量的一个方面的因素， 煤层所处矿区地质条件又是 另一方面的因素。因为气体是易运移的流体，所有地质因素，例如：煤层赋存深度、褶皱构 造、断裂构造（断层，裂隙） 、顶底板渗透性、水文地质、煤质、煤层厚度、岩浆侵入等等， 都可以对其产生正面的或者负面的影响。采用“分析主导因素”的方法分析各地质因素。 “分析主导因素” 第四章 煤与瓦斯突出特征和机理 一、瓦斯的涌出 1、瓦斯涌出 gas emission—— ——瓦斯均匀放散到井下空间。 瓦斯涌出 —— 煤矿采用“绝对瓦斯涌出量 绝对瓦斯涌出量”和“相对瓦斯涌出量 相对瓦斯涌出量”两个参数表示涌入全矿井或某煤 绝对瓦斯涌出量 相对瓦斯涌出量20层、水平、采区、工作面的瓦斯量。 1.1 绝对瓦斯涌出量（absolute gas emission rate）——单位时间内矿井排出的瓦斯 绝对瓦斯涌出量（ 3 3 3 3 量，计量单位为米 /分(m /min)，或米 /日(m /d)。 1.2 相对瓦斯涌出量（relative gas emission rate）——一昼夜时间内平均每产出1 相对瓦斯涌出量（ 3 3 吨煤，矿井排出的瓦斯量，计量单位为米 /吨·日（m /t.d）。 相对瓦斯涌出量都大于瓦斯含量（一倍左右），矿井规模越大，开采时间越久，二者差 距越大。 3 3 注意不要把相对瓦斯涌出量（m /t.d）与瓦斯含量（m /t.daf）弄混了。 3 我国煤炭工业部门规定：以矿井相对瓦斯涌出量10米 /吨·日为界，将矿井分为两个矿 矿 井瓦斯等级——高瓦斯矿井和低瓦斯矿井。生产矿井每年应按程序进行矿井瓦斯等级 矿井瓦斯等级鉴定， 井瓦斯等级 矿井瓦斯等级 并按所定等级的要求进行生产管理。 1.3 如何获得瓦斯的绝对涌出量？ 根据通风量和瓦斯浓度计算瓦斯的绝对涌出量。 通风量是人工控制的， 瓦斯浓度可以使 用瓦斯检测仪测量，二者之积即是瓦斯绝对涌出量。 1.4 获取瓦斯涌出量的意义是什么？ 可以帮助预测未开采工作面的瓦斯涌出量，为指导通风设计服务。 1.5 如何预测未开采工作面的瓦斯涌出量？ 可以使用瓦斯涌出量的梯度进行预测。 1.6 瓦斯涌出的危害有哪些？ ①瓦斯浓度超过40%可以使人窒息；②当甲烷浓度达到5-16%，氧气浓度超过12%，在有 明火或高温条件下能产生爆炸。 1.7 瓦斯涌出危害的预防措施有哪些？ ①下井人员要穿特制的防静电工作服；②严禁井下明火；③佩带自救器和瓦斯检测仪； ④巷道内安装瓦斯浓度监测设备；⑤安装自动断电和报警装置，一旦瓦斯超限，可即时采取 措施。 2、煤与瓦斯突出 gas outburst 、 2.1 煤与瓦斯突出（coal (rock) and gas outburst）简称突出——破碎的煤、岩石和 煤与瓦斯突出（ 瓦斯在很短时间内由煤体或岩体内突然向采掘空间大量抛出的异常动力现象。 一般不单独讲 瓦斯的突出，而是讲煤与瓦斯突出，因为瓦斯的突出往往伴随着煤的突出。煤与瓦斯突出是 煤矿井下采掘过程中发生的一种复杂的动力现象，煤体遭受强烈破坏，同时瓦斯大量解吸。 2.1 煤与瓦斯突出分类 按照强度分类（ 按照强度分类（gas outburst intensity）——突出规模的大小，用一次煤(岩)瓦斯突 出所抛出的煤（岩）的重量和喷出的甲烷量衡量。因为在突出发生过程中难以计量喷出甲烷 的量，通常只用抛出的煤（岩）的重量作为突出强度的指标。 小型突出—— 一次抛出煤（岩）量小于100吨； 中型突出—— 一次抛出煤（岩）量100～500吨； 大型突出—— 一次抛出煤（岩）量500～1000吨； 特大型突出——一次抛出煤（岩）量大于1000吨。 按突出机理 突出机理分类：压出、倾出和喷出（突出） 。 突出机理 2.1.1 压出 压出是指在采掘煤层时， 由于出现倾空面， 使得煤体在围压和煤体内部弹性应力的作用 下产生的失稳现象，先是出现片帮、底鼓、压出的煤就地堆积，无分选现象，有危害，但不 大。 2.1.2 倾出21倾出，倾出是针对急倾斜煤层来讲的，在采掘煤层时，由于出现倾空面，使得煤体在自 重应力的作用下垮落，垮落的煤自然堆积，无分选现象，煤层内留下空洞，危害较大。 2.1.3 喷出 喷出，喷出是指采掘煤层时由于出现倾空面，使得煤体在瓦斯压力的作用下，煤体被破 碎并被抛向巷道空间的一种动力现象， 并伴随着瓦斯的大量解吸， 巷道内堆积的煤有分道现 象，煤层内留下“口小腔大”的空洞。 《细则》规定，在采掘过程中，有一个煤层或岩层发生过一次煤（岩）与瓦斯突出的矿井， 被定为煤(岩)瓦斯突出矿井 瓦斯突出矿井，简称突出矿井；发生一次瓦斯突出的煤层定为突出煤层。煤矿 煤 必需按突出矿井的安全规程进行生产管理。 3 关于煤与瓦斯突出机理的认识 1．瓦斯为主导作用的假说：瓦斯包假说、瓦斯水化物假说等； （把煤层比作高压气枪） 2．地压为主导作用的假说：煤岩石的弹性变形能引起突出。 （把煤层比作一个大的弹性体） 3、化学本质假说：组成煤的各种物质受外界条件引发的连锁化学反应。 4、综合假说 综合假说：1976 年，苏联科学院矿业研究所霍多特等人在实验室对煤的物理力学性能和 综合假说 瓦斯性能进行了测定研究，并在压力试验机上进行了煤和瓦斯突出的模拟试验。然后，从能 量的观点，用数学方法分析计算了围岩的影响、煤层的变形潜能、瓦斯的内能以及造成突出 所需要的能量，提出了综合假说。其主要论点是：煤和瓦斯突出是地压、高压瓦斯、煤的 煤和瓦斯突出是地压、 煤和瓦斯突出是地压 高压瓦斯、 结构性能等三个因素综合作用的结果；软煤层、破碎煤体是造成突出的重要原因。 结构性能等三个因素综合作用的结果；软煤层、破碎煤体是造成突出的重要原因。 公认的是“综合假说” ，内容是：煤与瓦斯突出是煤体结构强度、瓦斯内能与地应力（自重 应力和构造应力）综合作用的结果。 4、多数研究者认为，突出的发生和发展大体经历以下几个阶段 、多数研究者认为，突出的发生和发展大体经历以下几个阶段： 1)准备阶段 即能量的积聚阶段，形成高压瓦斯区，大量弹性潜能积聚。 2)激发(发动)阶段 由于采掘活动所产生的附加应力(矿山压力)与地应力的叠加，使原来的 平衡状态被破坏，煤体开始破碎，大量吸附瓦斯开始解吸。 3)扩展阶段 上述阶段迅速扩展， 煤体大规模破碎， 自由瓦斯大量形成， 瓦斯压力迅速增加， 煤体强度迅速降低。 4)突出阶段 大量煤和瓦斯(有时还有岩石)迅速被抛出，突出发生。 5)放气阶段 由于瓦斯压力降低和弹性潜能释放，地压的转移及抗突摩擦力的增加，使突出 基本停止，但仍从抛出的煤(岩)中和突出空洞附近的煤体中继续大量涌出瓦斯，由大到小， 直到常量。 5、瓦斯爆炸（gas explosion）—— ——瓦斯与空气组成的爆炸性混合气体在火源引发下发生的 、瓦斯爆炸（ —— 一种猛烈氧化反应，伴有高温及压力（压强）上升的现象。 瓦斯爆炸发生的条件： 瓦斯爆炸发生的条件：煤尘的存在也会降低爆炸界限。煤尘本身也会爆炸。煤矿井下 需要有爆炸防煤尘的措施。瓦斯爆炸产生原因：一方面有：瓦斯集聚，爆炸界限风量减少， 风机出故障，封闭区出来瓦斯，地质构造出现异常；另一方面有：电火花，摩擦撞击火花， 炸药爆破。 讨论 (1)高压瓦斯的存在是突出的能量来源和基础条件。因此，研究大量高压瓦斯源的形成和积 聚因素及其分布规律是突出机理研究的一个重要内容。 (2)煤和瓦斯突出临界条件的研究是突出预测、预报的主攻方向，也是突出机理研究的重要 课题。这里首先涉及到地质构造破坏带、煤层中的构造煤(软分层)、煤体强度等问题，这是 因为一方面储存着大量潜能的高压瓦斯时刻都有突破煤层的可能， 以达到动平衡， 另一方面 煤层(煤体)本身及其围岩给这一可能造成阻力。22(3)采掘活动是突出的诱发原因。在已经具备突出条件的地区(即有潜在突出危险的地区)，如 采掘活动是突出的诱发原因。 采掘活动是突出的诱发原因 果不进行采掘，是不会突出的，一旦采掘活动涉及到这里，又未采取必要的防突措施，便会 发生突出。因为这里暂时的临界平衡已被破坏，矿山压力、地应力、瓦斯压力等迅速变化， 给突出作了充分的“准备” ，可见诱发原因十分重要。 (4)突出有一个发生、发展直到终止的过程，对这一全过程及其发展阶段的研究，将会揭示 突出的本质，并为突出的预测提供重要依据。因此，研究突出机理就必须研究突出过程。这 就要求对突出点进行详尽的调查研究，包括突出空洞特征、突出煤层特征、突出点附近的地 质特征、突出物的分布特征、突出点与远离突出点上述特征的对比等，同时还要研究煤与瓦 斯突出的阶段划分及每一阶段的具体特点。 (5)煤和瓦斯突出是一种动力现象，因此必须以运动的观点和流体力学的原理去研究它。这 煤和瓦斯突出是一种动力现象， 理去研究它。 煤和瓦斯突出是一种动力现象 因此必须以运动的观点和流体力学的原理去研究它 就涉及到瓦斯流动理论问题，瓦斯—煤混合流的形成问题，煤和瓦期的转化和变动问题，运 动过程中的各种力学问题 力学问题和数学问题等。 这些问题正是煤和瓦斯突出机理研究中的重要理论 力学问题 课题。 第五章 构造煤结构特征研究 一、构造煤的宏观结构 1 构造煤宏观结构分类 我国地质文献经常使用“构造煤”一词，意指煤的原生结构遭受地质构造破坏的煤。有 些文献把非破坏煤称为“原生结构煤”，把凡遭受地质构造破坏的煤，即第Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ 破坏类型煤都称为“构造煤”。在构造应力作用下，煤层发生碎裂和揉皱，《细则》将煤被 破碎的程度被分成五种类型。（1995年颁布的《防治煤与瓦斯突出细则》于2009年由《防治 煤与瓦斯突出规定》代替） 第Ⅰ类型非破坏煤——煤未遭受破坏，原生沉积结构、构造清晰； 第Ⅱ类型破坏煤——煤遭受轻微破坏，呈碎块状，但条带结构和层理仍然可以识别； 第Ⅲ类型强烈破坏煤——煤遭受破坏，呈碎块状，原生结构构造和裂隙系统已不保存； 第Ⅳ类型粉碎煤——煤遭受强破坏，呈粒状，用手捻之成粉状； 第Ⅴ类型全粉煤：煤被破碎成粉状。 其中，第Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ破坏类型的煤具有突出危险性。 河南理工大学和武汉地质大学将煤体结构划分为4种类型：原生结构煤、碎裂煤、碎粒 煤和糜棱煤。后三种为构造煤。 国内外研究煤体结构开始于20世纪20年代， 进入20世纪80年代以后， 河南理工大学开始 重视构造煤的研究，并取得了一些研究成果。 对构造煤的研究受到重视，因为： 第一， 国内外已经发生过的突出都发生在构造煤发育的煤层。预测构造煤发育程度是 预测突出的核心问题。 第二， 构造煤的渗透性又特别差，而且压裂措施又难以形成压裂裂缝系统，构造煤发 育的煤层不是开采煤层气的良好目的层。 2、构造煤的判识 在以往的工作中，人们采用宏观和显微方法对构造煤进行观察，宏观方法包括现场肉 眼观察和手标本观察，显微方法包括光学显微镜观察和扫描电子显微镜观察。 鉴别煤的破坏类型， 或者鉴别构造煤与非构造煤可以依靠宏观观察。 在煤层尚未被揭露 地区，如何预测构造煤尚是难题，利用地球物理测井资料可以在一定程度上判识构造煤。 二、构造煤微观结构231 构造煤微观结构 从化学角度看，煤是由纤维素、木质素、类脂化合物、蛋白质、单宁酸、树脂等组成的 三维网状结构。其中，大分子网络为固定相，小分子为流动相，固定相是主体，流动相是客 体。煤中的分子既存在共价键交联结合，又存在分子间作用力物理缔合。 构造煤的微观结构比同沉积的非构造煤的变质程度略有提高。表现为镜质组反射率增 大，煤化度提高等。 2 构造煤中的动力变质作用 根据煤化作用理论，温度、压力和时间是影响煤化作用的主要因素。传统的煤化作用理 论强调温度或者说是热能的贡献，而忽视了机械能引起的动力变质作用。 煤的动力变质作用是指地壳构造变动促使煤发生变质的作用。 动力变质作用的类型： 按照煤体变形机制可分为脆性变形变质作用、 韧性变形变质作用 和介于二者之间的脆韧性变形变质作用。 脆性变形只导致物理煤化作用， 没有化学煤化作用； 韧性变形发生在古低温较高的环境 中，不仅发生物理煤化作用，而且发生化学煤化作用。后者发生的机理包括：一是应变能存 进了芳环缩合，二是应力促使芳香碳网在平行于应力方向生长，在垂直于应力的方向拼叠。 在构造应力作用下，以结构变化为主，化学成分变化不大。反映煤结构变化为主的指标 包括双反射率、自由基浓度等。 （自由基是侧链和官能团脱落的结果，构造煤中自由基浓度 增加了，说明构造应力加速了侧链和官能团的脱落；构造煤的反射率和双反射率增加，说明 构造应力促使芳香层片大小和定向性增加；核磁共振测试显示，构造煤中的芳香碳增加了， 脂肪碳减少了，说明构造应力促进了煤的变质。） 如果构造破坏不影响到煤的微孔体积的增加， 那么也就没有影响到比表面积的增加， 从 而就不能提高瓦斯的吸附量；反之，如果构造应力作用下，煤的微孔体积增加，则瓦斯吸附 量增加。研究表明，糜棱煤破坏程度最高，在高构造应力作用下，微孔体积增加了，瓦斯吸 附量增加。随着煤体破坏程度提高，比表面积增加，瓦斯吸附量增加。 煤体的破坏程度愈高，煤体强度愈小，瓦斯放散初速度愈大。 构造应力影响煤化作用的方式，可以概括为三个观点：摩擦热观点、应变能观点和力化 学观点。 摩擦热观点实质上仍然是温度因素， 应变能观点认为机械能直接导致有机化学反应， 力化学观点认为应力可直接导致化学反应。 构造煤方面的研究成果： 三、构造煤方面的研究成果 张红日（1995a）研究了构造煤的孔隙形状和吸附特征，其结果表明，构造煤孔隙多为 封闭型孔和墨水瓶状孔， 且吸附量远大于非构造煤。 重庆煤研所等研究了构造煤的吸附特性， 研究结果表明，构造煤平均极限吸附量a值比原生结构煤大。郭德勇等（1998a）研究了构造 煤的透气性，结果表明，总体上随着破坏程度增加，透气性降低。吕绍林（1999a）的研究 表明，构造煤的抗压强度、抗拉强度远远小于原生结构煤，单轴抗压强度只有原生结构煤的 1/3。缪奋等研究了构造煤的动力变质作用，研究认为，动力变质作用广泛存在，构造煤比 正常煤在煤化程度上有所加深。严家平等的研究表明，与原生煤体相比，构造煤的物理性质 发生一些变化，根据物性上的差异可以区分是否为构造煤。 琚宜文（2009a）研究表明，应力对于煤体分子结构和孔隙结构具有重要的影响；随着 物理作用在煤结构模型中重要性的增加， 应力对于煤体超微结构的影响也越来越大。 构造应 力对不同类型构造煤大分子结构有着不同的影响， 韧性变形较弱的揉皱煤的内部结构的变化 主要反映在物理结构上；对于纳米级孔隙结构的变形，随着应力作用的增强，同一变质变形 环境不同类型构造煤纳米级过渡孔孔容和比表面积所占比例明显降低， 微孔以下的孔容和比 表面积逐渐增加。 张玉贵（2007a）的研究表明，在构造应力作用下，煤的原生结构构造遭受破坏，形成24碎裂状、 片状、 鳞片状、 糜棱状等类型的构造煤。 由于煤层开采挠动, 微裂隙进一步拓展, 将 许多原来相对封闭的微裂隙和微孔隙连通起来，使瓦斯具有很高的解吸速度。 魏建平等（2008a）研究表明，构造煤的瓦斯解吸初速度与其破坏程度有关，对于采自 同一煤层的软、硬分层煤样而言，在相同的温度、粒度、吸附平衡压力等条件下，构造软煤 的瓦斯解吸初速度远大于硬煤，原生结构煤的瓦斯解吸初速度最小。 姜波，秦勇等（2009a）研究了构造煤的结构演化和瓦斯特征，结果表明，碎裂煤总孔 容主要集中于过渡孔和微孔；随着构造变形的增强，碎粒煤总孔容迅速增高，可达碎裂煤总 孔容的4 倍；糜棱煤在韧性剪切变形过程中，形成了大量的微孔隙，导致总孔容迅速增高； 构造煤总孔容的演化反映了随着构造变形的增强， 孔容增大的变化趋势。 韧性变形糜棱煤具 有总孔容高、孔隙连通性弱的特征，决定了糜棱煤含气量较高和透气性差的特点。 第六章 地质构造控制煤与瓦斯突出理论 一、中国地质构造分布特征 我们研究中国板块构造以显生宙为主， 因此将前寒武纪地层以及岩浆岩都作为基底处理。 中 国的板块构造单元包括：塔里木-中朝地块，扬子地块，印度地块（北缘） ，佳木斯中间地块， 柴达木中间地块，羌塘中间地块。 从显生宙以来的构造发展来看，中国及其邻区可以划分为 4 个古板块：中国板块，北为西伯 利亚板块，西南为印度板块，东南为太平洋板块。其中，中国板块以塔里木-中朝地块为核 心，横亘东西。 关于中国大陆周边的构造边界，学术界基本达成共识，西部印度板块挤压，东部太平洋板块 （菲律宾板块）俯冲，北部西伯利亚地台相对阻挡。 二、中国煤矿地质构造 华北地区石炭二叠纪含煤地层形成以来， 在印支期受西伯利亚板块和扬子地块南北挤压， 形 华北地区 成近东西走向的宽缓褶皱和断裂； 燕山期受太平洋板块俯冲， 形成北东走向的大规模隆起和 凹陷。 华南地区构造复杂，北受华北板块挤压，南受印度板块挤压，西受藏滇板块挤压，东受太平 华南地区 洋板块挤压，构造煤发育。 西北地区受印度板块由南向北挤压，西伯利亚相对阻挡，地壳大幅度隆起，山体表现为东西 西北地区 向延伸，盆地为压陷盆地。煤田地质构造多为逆冲推覆构造。 东北地区自印支运动以来受西伯利亚自北向南和太平洋板块自东南向西北的挤压， 呈现东西 东北地区 向构造和北东向构造。 三、中国煤层瓦斯分布特征 华北地区东部由于受印支期太平洋板块俯冲而隆起， 缺失三叠纪地层， 使得二叠纪煤系地层 华北地区 瓦斯保存条件变差。 华南地区长期受太平洋板块挤压，煤层不稳定，构造煤发育，80%以上为高瓦斯矿井。 华南地区 西北地区由于受南北挤压，盆地大面积抬升，煤层距地表浅，并受到风化剥蚀作用，80%以 西北地区 上的矿井是低瓦斯矿井。 东北地区沉积于大兴安岭东侧的侏罗纪煤层以褐煤为主，并遭受风化剥蚀，90%以上为低瓦 东北地区 斯矿井；沉积于松辽盆地的晚侏罗纪-早白垩纪煤层，受岩浆岩活动影响，煤化程度高，透 气性差，多为高瓦斯矿井。 四、地质构造是控制瓦斯分布的主导因素 煤是力学性质软弱的岩体，在构造应力场中，煤既是传递应力的介质，又是受应力改造的岩 体。在构造作用下，煤最易产生运动和变化，由此而引起煤中瓦斯的运移和变化。 因此，地质构造作用会使许多煤田原有的天然气重新分布，影响到煤中瓦斯的保存、排放、25富集、分散、相对静止和运移等一系列问题。我国瓦斯分布的总体规律是：南方瓦斯大， 我国瓦斯分布的总体规律是：南方瓦斯大， 我国瓦斯分布的总体规律是 北方瓦斯较小。 北方瓦斯较小。 我国南、北方在瓦斯分布上的差异，是与南、北方区域地质构造密切相关 华南地区 与南、 华南地区： 与南 北方区域地质构造密切相关。华南地区 因受印支、燕山等构造运动的强烈影响，多为压性或压扭性褶皱和断裂，构造较复杂，地应 力相对比较集中，因而瓦斯大，突出多；华北地区：多张性或张扭性断裂，形成断块构造或 华北地区： 华北地区 阶梯状构造，以正断层为主，常为开放型构造，因而瓦斯较小，突出较少。 瓦斯的分布是不均衡的，我国南、北方在瓦斯分布上的差异就是一个大的不均衡。但 但 我国华南地区的瓦斯并非到处都高， 也有不突出的地段； 华北地区的瓦斯并非到处都低， 是， 有的地段也有突出。这就是说，高中有低，低中有高 高中有低， 高中有低 低中有高，不能一概而论。 一般情况和规律是：张性断裂对瓦斯可起排放作用，分别称为开裂隙和排气断层(一般 为正断层)，但随深度增加排气断层的排气能力有递减的趋势；压性或压扭性断裂对瓦斯可 起保存作用，分别称为闭合裂隙和遮挡断层(一般为逆断层，特别是逆掩断层)，但倾角较陡 的逆断层有可能排气；在构造性质近似的情况下，新构造比老构造透气性要好些，这是因为 老构造(例如张性断裂)时间长，往往被后来的物质所填充而不再运气；此外，与地表相通的 排气断层(特别是大型的)其排气性更好。 上述为一般性规律，但具体分析时断裂与瓦斯常呈现比较复杂的关系，这是因为断裂 对瓦斯是起封闭作用还是起排放作用这个关键问题既与断裂的力学性质有关， 又与煤层的围 岩性质和断层上、下盘与煤层接触地点岩石的岩性以及与断裂的填充情况等均有关系。 假若在围岩透气性较好的开放型地区 围岩透气性较好的开放型地区 围岩透气性较好的开放型地区，哪里构造愈复杂、应力愈集中、裂隙愈发育则 哪里通道愈多、排气愈快、瓦斯保存愈少；在封闭型地区 封闭型地区，岩层多为屏障层，即使有较多的 封闭型地区 张性断裂存在，也不易形成瓦斯放散通道。 河南焦作矿区李封矿有一条劳模街断层，以该断层为界划分为两个采区。两采区开采 同一煤层——大煤，且煤厚和顶板均相同。劳模街断层为一不导气的正断层，断层两侧的两 个采区瓦斯互不相通，各自为独立的瓦斯区；煤层的直接顶底板也基本上不透气，瓦斯只有 一个可能的逸散通道， 即煤层对盘的岩层。 由于这个断层下盘的煤层对盘为导气的泥质砂岩， 故下盘煤层瓦斯很小；断层上盘的煤层对盘为不透气的泥岩，故上盘煤层瓦斯较大。河北开滦唐山矿资料说明，凡是邻近逆断层或逆掩断层的工作面，瓦斯含量明显增高； 凡是邻近逆断层或逆掩断层的工作面，瓦斯含量明显增高； 凡是邻近逆断层或逆掩断层的工作面 远离这种断层的地方，瓦斯恢复正常值。 远离这种断层的地方，瓦斯恢复正常值。这是因为逆断层和逆掩断层是受强大的挤压力造 成的，且是应力的集中处，此外，逆断层和逆掩断层属于封闭型构造，大量瓦斯在这里易于26聚集而不能逸散。当采掘工程进行到这些断层附近时，便使大量瓦斯涌进巷道或工作面。 五、构造应力与瓦斯分布 (一)褶曲构造 褶曲构造属弹塑性变形，往往可保留一定范围的原始应力状态，因而在褶曲部位形成 相对的高压区和相应的高瓦斯区(简称双高区)。在双高区范围内，不同部位的应力分布和瓦 斯分布也不相同。在褶曲的轴部，变形最大，相对讲能量释放居多，应力缓解，压力降低， 形成卸压带和低瓦斯区；由轴向外，即褶曲轴附近的两翼，应力集中，形成高压带和煤层瓦 斯聚积带(高瓦斯区)；由此向外，压力和瓦斯均逐渐降低，形成相对的低压带和低瓦斯区； 再向外，则进入正常地带，压力和瓦斯均恢复常值。总的来说，双高区比正常区瓦斯高，但 其中间(轴部)较低，这就形成了瓦斯在褶曲构造中呈驼峰型曲线分布 瓦斯在褶曲构造中呈驼峰型曲线分布。 瓦斯在褶曲构造中呈驼峰型曲线分布 (二)断裂构造 在断裂过程中，形成两个应力分布带，即地应力释放带和地应力集中带，而瓦斯的分 布也出现相应的分带现象。在断层处，应力释放，压力减低，瓦斯部分逸出，出现谷值 应力释放， 应力释放 压力减低，瓦斯部分逸出，出现谷值； 由此向外，应力集中，压力升高，瓦斯聚积，开采时涌出量增大，出现峰值 应力集中， 应力集中 压力升高，瓦斯聚积，开采时涌出量增大，出现峰值；再向外，压 力和瓦斯均趋于正常。 在封闭性断层附近，多数情况下谷值不明显，只出现一个瓦斯增值带。 在封闭性断层附近，多数情况下谷值不明显，只出现一个瓦斯增值带有人提出，可利用上述规律预测断层。例如在掘进中，瓦斯涌出量出现“正常值--峰值 --谷值”的变化时，预示前方将出现开放性正断层；而过断层后又恢复正常值时，可说明近 距离内不会再出现断层。 六、讨论 (1)煤和瓦斯突出的分布是不均衡的，它具有分区分带的特点，即“区划性” 。 (2)煤和瓦斯突出是各种自然因素和人为因素综合作用的结果，并肯定地层静压力和采掘应 力在突出中的双重作用。但是，从地质角度来说，突出分布的不均衡主要是由于地质历史上 构造应力分布不均衡造成的，因此地质历史上构造应力集中是突出的必要条件 构造应力集中是突出的必要条件。也就是说， 构造应力集中是突出的必要条件 区划论强调古构造应力的作用，但并不否认现今构论应力对突出的影响。 (3)煤和瓦斯突出区和突出带都具有良好的瓦斯形成和保存的地质条件 煤和瓦斯突出区和突出带都具有良好的瓦斯形成和保存的地质条件。在这个基础上，构 煤和瓦斯突出区和突出带都具有良好的瓦斯形成和保存的地质条件 造应力集中部位，煤体结构破坏，形成构造煤，它又为瓦斯的大量赋存提供了场所；此外，27地质构造破坏严重的部位也容易造成采矿应力的集中，这些情况为突出创造了条件。 (4)地质构造破坏(表现为褶皱断裂的发育地带，或者为强烈的层间滑动或不协调褶皱)、煤厚 的次生变化、 煤体结构的破坏等是地质历史上构造应力集中的不同表现形式， 也是控制煤和 瓦斯突出的主要地质因素。 第七章 煤与瓦斯突出预测方法与防治措施 一、预测方法和指标 《细则》规定：煤层突出危险性预测分为“区域突出危险性预测”和“工作面突出危险 性预测”。煤矿设有专门机构负责突出防治工作。区域突出危险性预测 区域突出危险性预测依据某些指标，结合 区域突出危险性预测 煤矿矿井地质构造条件，在煤矿范围 煤矿范围内，分煤层划分出突出危险区、突出威胁区、无突出危 煤矿范围 险区。工作面突出危险性预测 工作面突出危险性预测又称日常预测、点预测、预报，其任务是采掘前预先确定工作 工作面突出危险性预测 面附近煤体的突出危险性。 《细则》提出的预测煤层突出危险性单项临界指标值，如下表： 预 测 煤 层 突 出 危 险 性 单 项 临 界 指 标 值 煤层突出危险性 突出危险 煤的破坏类型 Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ 瓦斯放散初速度 ?p 10 煤的坚固性系数 f ＜0.5 煤层瓦斯压力 P（Mpa） ＞0.74摘自《防治煤与瓦斯突出细则》 采煤界把煤层内由第Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ破坏类型煤组成的分层又称为“软分层”。 Ⅲ 破坏类型煤 瓦斯放散初速度（ 瓦斯放散初速度（?p）——反映煤在被揭露时放散瓦斯的性能，具有突出危险性煤的 ?p值＞10。 煤的坚固性系数（ 煤的坚固性系数（f）——定量反映煤强度的指标，具有突出危险性煤的f值＜0.5。 煤层瓦斯压力若＞0.74Mpa，则具有突出危险性。 煤层瓦斯压力 煤破坏类型、煤的坚固性、瓦斯放散初速度这三者有内在联系。具有煤与瓦斯突出的危 险性的，第Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ破坏类型的煤的坚固性肯定很弱，其f值一般都＜0.5；瓦斯放散初速 度往往比较大，其?p值很可能＞10。 煤层区域突出危险性 区域突出危险性综合指标按下式计算： 区域突出危险性D = (0.0075 ?p fH ? 3)( p ? 0.74) fK=式中 D—煤层突出危险性综合指标； K—煤层突出危险性综合指标； H—开采深度，m； p—煤层瓦斯压力，取两个测压钻孔实测煤层瓦斯压力最大值，MPa；?p —软分层煤的瓦斯放散初速度指标；f—软分层煤的平均坚固性系数指标； 用综合指标D 用综合指标D和K预测煤层区域突出危险性的临界值 煤层突出危险性 煤层突出危险性综合指标K28综合指标D 无烟煤 0.25 20 15 其它煤种煤巷掘进工作面突出危险性指标 煤巷掘进工作面R = ( S max ? 1.8)(q max ? 4)式中S max --每个钻孔沿孔长最大钻屑量，L/m。 q max --每个钻孔沿孔长最大钻孔瓦斯涌出初速度，L/（m?min）。1 传统的预测方法 1.1 传统的预测方法，主要指建国初期到上世纪 80 年代的一些常用方法，有现场目测手感 法， 有瓦斯地质统计法， 下面重点要讲的传统方法是利用煤层打钻引申出来的一些单项指标 法。 ①钻屑量（质量 m、体积 v） ； ②钻屑解吸量 q； ③测瓦斯压力 p； ④取煤岩芯，测瓦斯解吸量 Q； ⑤测煤的坚固性系数 f＝20/n； ⑥测瓦斯放散初速度（瓦斯放散指标） ：△p＝p2－p1。 1.2 参数的测定 （1）煤层瓦斯压力的测定 ） 直接测定井下瓦斯压力的关键在于封孔的质量。封孔的方法大致可分为人工填料、橡 胶圈封孔和液压胶囊封孔。 这几种方法都准以保证封封段一点不漏气。特别是在松软的岩层中测压时，钻孔周围 往往具有卸压圈和微裂隙，煤系地层又多为砂、页岩，难以避免漏气。 另一种方法是采用三芯管，综合橡胶圈封孔和液压胶囊封孔技术，增加了粘液封孔， 粘液的主要用途是堵塞钻孔周围的松动圈。如下图：29（2）煤层甲烷含量测定（coalbed methane content determination）—— 煤层甲烷含量测定（ 此方法是中国煤炭科学研究总院抚顺分院引进美国矿业局直接法并加以改变后提出， 此 法规定：煤芯样品装入解吸罐后自然解吸两小时；然后将解吸罐放入水温约95～100℃的水 浴内真空脱气；继而取出部分样品，在另一解吸罐内粉碎，同样加温，真空脱气 真空脱气。这样获得 真空脱气 自然解吸气量、样品粉碎前 粉碎前脱出的气量、样品粉碎后 粉碎后脱出的气量，再加上推算出的损失气 自然解吸气量 粉碎前 粉碎后 损失气 四个气量之和即为煤样中所含的总气量； 根据样品重量和气体成分计算煤层甲 量共四个量， 烷含量。 我国煤层气资源勘查部门自日起应用的煤层气含量测定方法《中华人民共 和国国家标准GB/T1》 引自美国。 该方法实测煤芯样品所含解吸气量 残余气量 解吸气量与残余气量 解吸气量 残余气量， 推算损失气量 损失气量，三个气量之和为煤层气含量；分析气体成分，计算甲烷含量。 损失气量 这两种方法的共同点是，都要推算损失气的数量，推算的方法也是同样的。二者区别在 于：前者在钻井井口自然解吸两小时，取出解吸出来的气体；然后在加温条件下脱出样品被 粉碎前与后的气体。 后者需要较长时间将在地温条件下样品罐内的样品能解吸出来的气体尽 可能全部解吸出来；再用人为方法取出样品中的残余气体。解吸法的设计者认为，解吸法可 以用较短时间测出样品里的总气量。 损失气＋解吸气（地面温度，2小时）＋粉碎前脱气＋粉碎后脱气（95～100℃） 损失气＋解吸气（煤层温度）＋残余气 所谓损失气指自钻井内钻遇煤层至煤芯样品被提升到地面并装入密封解吸罐之前从样 品散失的气体。实验和理论分析表明，煤样在刚开始暴露的一段时间内，累计解吸的瓦斯量 与解吸时间的平方根成正比，即VZ = k t 0 + tVZ ——煤样从暴露到解吸测定时间为 t 的瓦斯总解吸量；t 0 ——解吸测定前煤样的暴露时间，min； t ——煤样解吸测定时间，min； k ——比例常数。则瓦斯损失量为 Vs = k t 0 由此可得V = k t0 + t ? k t0用最小二乘法求出 k 和 Vs ， Vs 就是损失瓦斯量。 （3）煤的坚固性系数的测定 煤的坚固性系数的测定 取粒径 20－30mm 的煤样 50 克，倒入内径为 Φ76mm 的捣碎筒，用 2.4kg 铁锤从 600mm 高度下落，锤击 n 次，然后把破碎的煤样倒入一个孔径 为 0.5mm 的细筛；如此循环 5 次，把 5 次筛下的煤粉集中在一起，倒入一内径为 Ф23mm 的量筒，测煤粉高度为 L，则 f＝20n/L。注意：n 是一份的捶击次数，L 是 5 份煤粉的累加 高度。 (4) 瓦斯放散指数△p 的测定。 瓦斯放散指数△ 的测定。 （使用△p 测定仪） （ ） 第一步：填煤样 3.5g，粒径 0.25－0.5mm 第二步：抽真空 第三步：注气 0.1Mpa30第四步：排气，10s 时读第一次 p1，关闭 35s 后再次打开，经 15s 后读第二次 p2，总用 时 60s，△p＝p2－p1。 （用水银柱两次高度差表示） 2 煤与瓦斯突出预测的地球物理方法 2.1 探测方法 2.1.1 地震波法 a、槽波 CT（槽波透射） ：槽波是特指在地质体低速夹层内传播的地震波，是复杂的干 槽波 （槽波透射） 涉波，又称导波。特点：槽波在低速夹层内传递的能量最大。 煤层是低速夹层，适合用槽波探测工作面煤体结构。 ①探测依据：地震波在低速夹层内传播时，遇工作面内波阻抗异常体之后能量和旅 行时间发生变化，通过透射波旅行时间预测工作面内构造位置。 ②布置方法： 在工作面的一个巷道逐点激发地震波， 在另一个巷道逐点接收地震波。 ③数据处理解释：根据工作面激发点和接收点坐标以及对应地震波形，可以利用旅 行时间参数对工作面进行波速分布，划分波速异常区；也可以利用振幅参数对工作 面进行衰减系数分布，划分衰减异常区。 b、槽波超前探（槽波反射） 槽波超前探（ 槽波超前探 槽波反射） 主要用于探前方构造，间接预测煤与瓦斯突出危险性。 ①探测依据：地震波在低速夹层内传播能量大，遇前方波阻抗界面后反射回来，通 过回波时间预测前方构造位置。 ②布置方法：巷道迎头位置激发和接收地震波。 ③数据处理解释：根据煤层的波速和地震波回波时间，计算前方构造距离。 c、频谱分析 频谱分析 把地震波仪器采集到的时间域波形用傅立叶变换到频率域分析，得到传播介质的主频， 根据主频可以判断煤体的结构强度特征。 2.1.2 电磁波法 a 无线电波透视(坑透) 无线电波透视(坑透) ①探测依据：煤是电的不良导体，但导磁能力较强；与顶、底板相比，煤层导磁能力强。 ②布置方法：与地震 CT 相似。 ③数据处理解释：与地震 CT 相似。 b 地质雷达 （电磁波反射） 采用高频脉冲电磁波定向发射和传播，在传播中遇到电性不同的分界面或不均匀地质体 产生反射（回波） ，在时间域中识别回波和确定旅行时间，从而确定界面位置或地质体位置。 与地震波反射探测相似。 2.1.3 地球物理测井 ① 声波速度测井② 电阻率测井31③ γ 射线测井 射线测井（或密度测井） 自然伽马测井是测量地层中放射的自然伽马射线， 即记录地层内的天然放射性。 所有岩 石都显示出一定的天然放射性， 这种放射性已经并将继续由地下岩层发射。 其发射伽马射线 数量的大小，取决于岩石中钾、钍和铀的含量。煤层在自然伽马射线上常显示为低的总天然 放射性(一般小于 70API 单位)。因此，可以利用自然伽马射线曲线向左偏移来识别煤层。 密度测井是以研究岩层对入射伽马射线的散射和吸收为基础的一种测井方法。 它所测量 的是被岩层所散射的伽马射线强度， 由于被测定的散射伽马射线强度与岩石的密度有关， 故 称为密度测井。如果物质很致密，更多的伽马射线被物质吸收，所以到达探测器的伽马射线 很少，接收信号弱；在密度较低的地层中，有较多的伽马射线到达探测器，接收信号就强。（引自苏现波《煤层气地质学与勘探开发》 ）322.2 监测方法 ①电磁辐射监测；②声发射监测（微震监测） ：利用声强和脉冲数描述；③温度监测 二、煤与瓦斯突出防治措施 1 煤与瓦斯突出前兆 ①片帮、底鼓，顶板下沉。（地应力） ②煤的亮度变暗，结构破碎，强度低。（煤体结构） ③瓦斯涌出异常。（瓦斯内能） ④有闷炮声。（声发射现象） ⑤煤壁变凉，有水珠出现。（温度效应） 2 开采解放层 ①概念 解放层是指不突出或突出危险性很小的煤层。 被解放层是指突出煤层。 ②开采解放层的作用 开采解放层后，使得被解放层围压降低，被解放层体积膨胀，孔隙和裂隙张开，促进了 瓦斯的解吸，减少了瓦斯的内能，从而降低了突出危险性。开采解放层是预防煤与瓦斯突出 最经济有效的措施。33③开采解放层时，做到“三个超前”： 即：解放层的掘进头超前回采工作面一个采区；解 放层的回采工作面超前被解放层掘进头—个采区； 被解放层的掘进头超前回采工作面一个采 区。必要时，可由解放层向被解放层打孔，拙放瓦斯，使之降压。 3、石门揭开突出煤层的方法 、 1．注意的问题 (1)准确掌损石门及其附近的地质和瓦斯地质情况，如石门要穿过的主要煤层和岩层的 厚度、产状和地质构造，以及煤层的瓦斯含量、瓦斯压力、煤质，水文地质情况等。 (2)当掘进工作面接近突出煤层时(一般距煤层 5—10 m)，要加强瓦斯涌出量和瓦斯压力 的测定，观察其变化，及时采取必要的措施。 (3)加强通风管理，建立独立的回风系统，保证必要的风量。 (4)在掘进工艺方面来取一些预防措施，必要时可先向突出煤层打钻孔抽瓦斯，然后再 进行掘进。 2．主要方法 1)震动放炮 通过多打眼(一般为正常炮眼数目的 2—3 倍)、多装药，在人员撤离到安全地点的条件 下，对煤体和岩体放震动炮，人为诱导突出。震动放炮要配合其它防治措施使用，目前大部 分矿井只在突出危险性较小、煤层较硬的条件下才单独使用。 这一方法的最大缺点是可导致突出次数的增多，以及突出强度的增大。 2)多排钻孔 此方法是当石门掘至距突出煤层 5—8m 处停止掘进， 在巷道顶部及两帮布置多排(一般 2—3 排)扇形钻孔，使欲揭煤层形成卸压排放带。据测定，卸压排放的范围可达到石门断面的 15 倍左右，沿走向长 10 一 20m，沿倾斜宽 3 一 10m，排放时间一般为 2—3 个月左右。 此法在使用中， 如孔数和排放时间不够， 揭开煤层时也会发生突出， 因此规程规定孔数为 3． 5 —4．5 个／m2，每排约 10 一 12 个钻孔。 3)水力冲孔 将高压水压入已打好的钻孔， 通过钻头的切割和水射流作用将部分煤体破 碎， 导致喷孔的发生和发展， 从而把突出煤层中的瓦斯排出， 释放了潜能， 达到防突的目的。 4)金属骨架 金属骨架是预先打在石门断面周边钻孔中的钢管或钢轨，其—端插入顶板岩石内 o．5m，另 一端支承在石门的支架上， 从而增加了煤层的稳定性， 并在石门的周边形成一定的卸压排放 带，达到抑制突出的目的。这一方法最好用于煤质松软的急倾斜中、厚煤层中。 4、煤巷掘进的防突措施 、 1．超前钻孔：超前钻孔是我国使用最早和最广的一种防突出措施。 超前钻孔的作用是引起煤体应力重新分布， 使巷道应力集中带移向煤体深处； 排放钻孔 周围煤体的瓦斯， 从而在超前孔所控制的范围内形成一个人为的卸压带。 这一方法的最大缺 点是在钻进过程中有发生突出的可能，并且钻孔直径越大，突出的几率越大。 经验证明，只有保持一定的超前距离和孔数，才能达到预期效果。超前钻孔径应缩小至 100 一 120mm 左右，并相应增加孔数(不少于 5 个)。 2．水力冲孔 3．深孔松动爆破 目的是使应力集中带移向深处，同时使工作面煤体产生裂隙，得到松动，达到卸压和排 气的效果。在突出危险性小、煤质坚硬的煤层，这一方法可以取得一定的效果。 5、瓦斯抽放（gas drainage）——采用专门设施将煤层、岩层或采空区中的瓦斯抽放到集 、瓦斯抽放（ 气系统中的工艺技术。 按抽放对象分：开采层抽放，邻近层抽放，采空区抽放和围岩抽放等。34按时间对比分：采（掘）前抽放、边掘边抽、边采边抽和采后抽放； 按抽放工艺手段 工艺手段分五种方法：井下钻孔抽放（这种方法工艺简单，效果好） ；巷道抽放（煤 工艺手段 层较厚且透气性好，采掘时有大量瓦斯涌出，可以使用此方法） ；钻孔巷道混合抽放（煤巷 掘出后，在巷道内打钻，然后封闭巷道进行抽放） ；老空封闭抽放瓦斯（老空封闭抽放瓦斯 使用于老空放顶后或出煤时大量涌出瓦斯的情况下．这种方法对降低井口瓦斯量有一定效 果） ；地面钻孔抽放瓦斯（采区距地表较浅且地面又有施工条件的地方，可以采用此方法） 。 瓦斯抽放率（ 瓦斯抽放率（gas drainage effcience）——煤矿通过瓦斯抽放系统抽出的甲烷量占矿井 排出甲烷总量（包含抽放量和矿井通风排出量之和）的百分率。瓦斯抽放率是煤矿用以表征 瓦斯抽放效果的指标。 通过归纳，矿井抽放瓦斯的指标是：矿井相对瓦斯量＜15m3/t 时，不用抽放；矿井相对瓦斯 量 15—25m3／t，考虑抽放；矿井相对瓦斯量＞25m3／t，需要抽放；矿井可抽瓦斯量＞5m3 ／min 时，有抽放价值。 第八章 瓦斯资源地面开发 一、简述 中国的煤层气开发始于上个世纪 90 年代中期。90 年代以前，中国将矿井瓦斯看作是影响煤 矿安全生产的有害气体；90 年代以后，中国成立了中联煤层气有限公司，与美国煤层气开 发公司合作，开发中国的煤层气。90 年代中期，首先在山西沁水聚气区打了第一口井，进 行煤层气开发实验， 以后相继在内蒙古、 新疆、 东北、安徽、 贵州等地进行煤层气开发实验。 从开发的效果来看，山西省煤层气开发效果较好，其它地方较差。原因很多，其中主要的原 因是煤层气的赋存和运移环境差异较大，山西沁水聚气区与美国的煤层气聚气区有相似性， 可以直接利用美国的煤层气开发经验和技术， 而其他地方地质条件差异大， 开采的效果不理 想。 中国不仅是煤炭大国， 也是煤层气大国， 煤层气资源量占世界第三， 华北煤层气占 67%， 华南 29%，东北 3%，西北 1.6%；按照省排名：山西、贵州、陕西、甘肃、河南、河北、安 徽，中国煤层气有着巨大的开发潜力。 二、 煤层气开发的工艺流程 1 钻井 ①首先确定钻井的类型 根据钻井的方式，分为采空区钻井、水平钻井和垂直钻井。其中，水平钻井又分为巷道内水 平钻井和垂直多分支造斜水平井。地面垂直钻井是目前煤层气开采的主要钻井类型。35根据钻井的功能分：资料钻井，测试钻井，生产井和观测井。 资料井的功能：获取地质资料，如岩性、构造及水文地质资料。通过取煤岩芯，获取煤的物 性参数，如组分、结构等。取煤岩芯的工艺有 4 种：常规取芯，井壁取芯，绳索取芯和保压 取芯。 测试井的功能：用于测试地层的应力和储层的渗透性。通过对煤体压入液体，测试煤储层的 渗透能力。注液压力的大小 p 的要求：注液压力大于原储层孔隙压力，同时要小于煤储层 结构破裂压力。 生产井的功能：排水降压，开采煤层气。 观测井的功能：用于了解生产的动态，观测生产过程中储层的物性变化，如渗透性、含气性 等。 坚持“一井多用”的原则，降低成本，提高利用率。 ②进行钻井设计 钻井设计包括 4 个部分：地质设计、工程设计、施工进度设计和预算。 这里，我们关心的是工程设计的内容，包括井径、套管的选择和井身结构。 井径是井的直径大小；套管用于保护井壁，分为 3 种：表层套管，中层套管（技术套管）和 产层套管（生产套管） 。 井身结构是指一口钻井下入套管的层次、尺寸、深度，各层套管相应的钻头尺寸以及各层套 管的水泥返高。 ③选择钻井设备 包括：钻塔、钻机、防喷器、泥浆泵、空气压缩机、排泄管、流量计和压力表等。 ④钻进工艺 包括：选择井身结构、钻具，钻进速度的控制和钻井液的选用。 井身结构： 一开井眼采用 Φ311mm 钻到基岩， 下入 Ф244.5mm 表层 （地面到基岩之间） 套管； 二开采用 Φ215.9mm 镶齿牙轮钻至完井，下入 Φ139.7mm 技术套管完井。 钻具组合：一开采用 Φ311mm 钻头+Φ309mm 稳定器+Φ203mm 钻铤×18m+Φ309mm 稳定器 +Φ178mm 钻铤×36m+Φ159mm 钻铤×54m+方钻杆；二开采用 Φ215.9mm 钻头+Φ203mm 钻铤 ×18m+Φ214mm 稳定器×2m +Φ178mm 钻铤×36m+Φ159mm 钻铤×54m+Φ127mm 钻杆+方钻杆。 钻井液的主要作用是平衡井底和井壁内外流体压力，以保护井壁。 ⑤完井与固井 按完井工艺分为裸眼完井、套管完井和裸眼套管完井。 裸眼井的缺点是：36①钻孔稳定性难以保证， 局部容易出现地层坍塌， 使井筒被充填； ②容易出现地层涌水问题； ③风险性大，维修费用高。 套管井的地层进入方法有两种：套管射孔和套管割缝。 套管井的缺点是：①增加了套管和固井费用；②需要射孔或割缝作业。完井后使用水泥浆固井。固井时，应控制水泥浆的返高和水泥浆的密度（水泥对煤层的伤害 主要是水泥浆液柱压力大于煤层压力所引起的高侵入速度和侵入半径以及水泥微颗粒对煤 中裂隙的充填堵塞。 由地面到井底的全井段固井时， 水泥柱形成的井底压力还有可能超过煤 层的破裂压力引起煤层破碎。 因此， 固井时必须选择合适的水泥或水泥添加剂以及注水泥技 术，以防止因水泥柱重量大于煤层破裂压力引起的煤层伤害） 。 排采（排水降压，开采煤层气） 2 排采（排水降压，开采煤层气） 排采的三个阶段：①排水降压阶段；②稳定生产阶段；③产气量下降阶段。 为了增加煤层的渗透性，采用水力压裂的办法，压裂液可以是清水不加砂或加砂，可以是凝 胶加砂，根据埋深和储层结构选择。373 集输（集中和传输） 集输（集中和传输） 单井产气（正常压力为 1 到 3 个大气压）经过单井输气管道进入集气站 集气站，在集气站经过调压 集气站 调压 处理后，经集气管道进入集气总站 集气总站，经过过滤、调压、计量和缓冲后，进入集气总站压缩机 集气总站 增压，增压后经外输管道进入处理母站 母站，完成过滤、调压、计量和缓冲后进入母站压缩机处 母站 理，处理后即可使用。如图：三、煤层气资源计算单元（块段）划分的原则： 煤层气资源计算单元（块段）划分的原则： ①“4/8 线”原则。分别以无水基煤层气（甲烷和重烃）含量 4m3/t 和 8m3/t 为界限，把煤 层气划分为三个级别。平均含量小于 4m3/t 的煤层不参与计算，平均含量在 4～8m3/t 之间 的煤层和大于 8m3/t 的煤层分别计算煤层气资源量。 ② “m 线” 原则。 2000m 为计算单元的底界， 以 深度 1500m 以浅和深度 m 之间的煤层气分别计算；其中，m 之间的为远景资源量。 ③地质边界和人为技术边界原则。例如，构造边界、煤层可采边界、井田边界等。 ④可采煤层原则和煤层气风化带原则。不可采煤层和瓦斯风化带不参与计算。 第九章 瓦斯地质图编制 煤矿矿区、 矿井和采掘工作面三级瓦斯地质图， 是瓦斯地质规律和瓦斯预测成果的直观 表达和高度概括。 一、编图的目的：第一，通过编图整理历年的瓦斯地质资料，以便给今后瓦斯地质研究 瓦斯地质研究打下 瓦斯地质研究 基础；第二，直接为矿井安全生产 矿井安全生产服务，为采掘设计 采掘设计服务；第三，为瓦斯预测 瓦斯预测，特别是为 矿井安全生产 采掘设计 瓦斯预测 煤和瓦斯突出的预测、预报服务；第四，为瓦斯地质科学研究服务。 二、瓦斯地质图图例 三、瓦斯地质图内容38（一）采掘工作面瓦斯地质图 1、以采、掘工作面工程平面图作为地理底图。 2、地质内容包括：①断层、褶皱、陷落柱；②构造煤厚度；③勘探钻孔及煤层柱状图；④ 顶、底板砂泥岩分界曲线图。 3、瓦斯地质内容包括：①瓦斯涌出量点；②掘进工作面绝对瓦斯涌出量随采掘进程的变化 曲线图；③瓦斯含量点、瓦斯压力点；④瓦斯放散初速度指标△p，煤的坚固性系数 f 值， 瓦斯突出危险性综合指标 K 值。⑤煤与瓦斯突出预测预报指标：钻孔瓦斯涌出初速度 q max 、 最大钻屑量 S max 和钻屑瓦斯解吸指标 ?h2 及随采掘进程的变化曲线图，突出预测指标 R 值 变化曲线图；⑥瓦斯突出点；⑦瓦斯突出危险性区划：将突出煤层划分为突出危险区、突出 威胁区和无突出区。 （二）矿井瓦斯地质图 1、以矿井煤层底板等高线图和采掘工程平面图为底图。 2、地质内容包括：①煤层底板等高线；②勘探钻孔及煤层柱状图；断层、褶皱、陷落柱； 构造煤厚度；顶、底板砂泥岩分界曲线图。 3、瓦斯地质内容包括：①瓦斯涌出量点；②瓦斯涌出量等值线（又分为实测线和预测线） ； ③瓦斯涌出量区划；④瓦斯含量点和瓦斯含量等值线；⑤瓦斯突出危险性预测参数：瓦斯压 力 p；瓦斯放散初速度指标△p，煤的坚固性系数 f 值，瓦斯突出危险性综合指标 K 值；钻 孔瓦斯涌出初速度 q max 、最大钻屑量 S max 和钻屑瓦斯解吸指标 ?h2 等。⑥瓦斯突出危险性 区划：将突出煤层划分为突出危险区、突出威胁区和无突出区。⑦矿井瓦斯资源量：根据瓦 斯含量、煤炭储量分块段计算。 （三）矿区瓦斯地质图 1、以矿区煤层底板等高线图、煤田地质图、构造纲要图、地形地质图和各矿井采掘工程平 面图及相应的煤层底板等高线图为底图。 2、地质内容包括：①矿区井田分布图、煤层底板等高线图、煤田地质图、勘探线剖面图、 构造纲要图、地形地质图；②矿区及矿井煤田地质勘探报告；③勘探钻孔及测井曲线资料； ④物探资料；⑤动力地质学资料；⑥所属矿井瓦斯地质图及其说明书，采掘工作面瓦斯地质 图，瓦斯地质和瓦斯预测成果报告；⑦临近矿区瓦斯地质资料。 3、瓦斯地质内容包括：①煤与瓦斯突出危险性预测：预测参数，突出点，划分突出危险区、 威胁区和无突出危险区。②瓦斯涌出规律：采煤工作面瓦斯涌出量点，瓦斯涌出量实测和预 测等值线；③全矿区瓦斯资源量评价：瓦斯含量点，瓦斯含量等值线，划分瓦斯资源量评价 区块；④构造煤发育程度和分布规律：构造煤变化小柱状图，测井曲线解释构造煤柱状图。 四、编制瓦斯地质图说明书 前言 1 矿井概况 1.1 交通位置及隶属关系 1.2 井型、开拓方式及生成能力 1.3 瓦斯等级鉴定及瓦斯风化带分布 1.4 煤层 1.5 煤质特征 1.6 岩浆岩 1.7 水文地质特征392 地质构造及控制特征研究 2.1 矿区地质构造演化及分布特征 2.2 井田地质构造及分布特征 2.3 构造煤发育及分布特征 2.4 地质构造对瓦斯赋存的控制 3 矿井瓦斯地质规律研究 3.1 断层、褶皱构造对瓦斯赋存的影响 3.2 顶\底板岩性对瓦斯赋存的影响 3.3 岩浆岩分布对瓦斯赋存的影响 3.4 煤层埋深及上覆基岩厚度对瓦斯赋存的影响 3.5 岩溶陷落柱对瓦斯赋存的影响 3.6 瓦斯含量分布及预测研究 4 矿井瓦斯涌出量预测 4.1 矿井瓦斯涌出资料统计及分析 4.2 矿井瓦斯抽采资料统计及分析 4.3 矿井采煤工作面瓦斯涌出量预测 5 煤与瓦斯区域突出危险性预测 5.1 煤与瓦斯突出危险性参数测定及统计 5.2 煤与瓦斯突出危险性影响因素分析 5.3 煤与瓦斯区域突出危险性预测 6 煤层气资源量计算 6.1 资源量计算方法 6.2 资源量计算及参数的确定 6.3 资源量计算结果及评价 7 矿井瓦斯地质图编制 7.1 编图资料 7.2 编图内容和表示方法 8 结论和建议 参考文献 附图 附表40
瓦斯地质学(讲义).jsp——为大家提供各种日常写作指导，同时提供范文参考。主要栏目有：范文大全、个人简历、教案下载、课件中心、 优秀作文、考试辅导、试题库、诗词鉴赏。
相关文档：
下载文档：
搜索更多：
All rights reserved Powered by
copyright &copyright 。甜梦文库内容来自网络，如有侵犯请联系客服。|