第二章 含煤盆地和瓦斯形成理论-jtr.ppt

瓦斯地质学,第二章含煤盆地和瓦斯形成理论,贾天让Tel13938187247QQ252343863安全学院306室,1构造煤是煤层在构造应力作用下，发生成分、结构和构造的变化，引起煤层破坏、粉化、增厚、减薄等变形作用和煤的降解、缩聚等变质作用的产物。2瓦斯突出煤体是指含高能瓦斯的构造煤体。3瓦斯地质规律是瓦斯与地质因素的内在的、本质的联系。,上章内容回顾,4课时第一节世界煤炭和瓦斯（煤层气）资源分布第二节中国含煤盆地及其聚煤特征第三节瓦斯生成理论第四节煤成烃的机理第五节瓦斯中的非烃气体第六节瓦斯的保存条件,第二章含煤盆地和瓦斯形成理论,重点难点1.中国含煤盆地分布；2.瓦斯生成理论；3.瓦斯的保存条件；了解1.世界煤炭和瓦斯（煤层气）资源分布；2.煤成烃的机理；3.瓦斯中的非烃气体,本章重难点,1.成煤物质动物植物,补充知识-煤形成过程,2.成煤条件,（2）植物条件大量、丰富,（3）自然地理沼泽-不宜风化,（1）气候条件潮湿、温暖,（4）地壳运动持续缓慢沉降,,,,植物遗体,泥炭Peat,褐煤Brown,烟煤Bituminous,无烟煤Anthracite,,生物化学biochemistry,地球化学geochemistry,物理化学physicchemistry,,成煤作用Coaling,,,,,,植物遗体,泥炭Peat,褐煤Brown,烟煤Bituminous,无烟煤Anthracite,,,,泥炭化作用Peatification,成煤作用Coaling,煤化作用Coalification,变质作用Metamorphism,成岩作用Diagenesis,从植物死亡、堆积到转变为褐煤到无烟煤经过的一系列的演变过程被称为成煤作用。,补充知识-煤形成过程,,,泥炭化作用是植物在泥炭沼泽、湖泊或浅海中不断繁殖，其遗体在微生物参与下不断分解、化合、聚合形成泥炭的过程。这一阶段，生物化学作用起主导作用。,煤化作用阶段是泥炭经过褐煤、烟煤到无烟煤的各阶段的发展过程。这一阶段，物理化学作用起主导作用。,泥炭化作用阶段,煤化作用阶段,,,,成煤作用,补充知识-煤形成过程,补充知识-地质年代表,新生早晚三四纪，六千万年喜山期；中生白垩侏叠三，燕山印支两亿年；古生二叠石炭泥，,震旦青白蓟长城，,志留奥陶寒武纪；,海西加东到晋宁。,地质年代记忆口诀,新生早晚三四纪，六千万年喜山期；中生白垩侏叠三，燕山印支两亿年；古生二叠石炭泥，志留奥陶寒武系；震旦青白蓟长城，海西加东到晋宁。,瓦斯地质的精髓生生成储储存、保存运运移,第二章含煤盆地和瓦斯形成理论,1含煤盆地是指赋存煤炭的沉积构造盆地。2含煤盆地特点含煤盆地形成于晚古生代石炭纪以来，在时间上具有不连续性，在空间上具有不均匀性。,第二章含煤盆地和瓦斯形成理论,,,,我国煤炭资源在地理分布总格局西多东少、北富南贫。昆仑山秦岭大别山以北占90，主要集中分布在的山西、内蒙古、陕西、新疆、贵州、宁夏等6省自治区，总量为全国煤炭资源总量的80；昆仑山秦岭大别山以南占比不足10华东、中南7,第一节世界煤炭和瓦斯（煤层气）资源分布第二节中国含煤盆地及其聚煤特征第三节瓦斯生成理论第四节煤成烃的机理第五节瓦斯中的非烃气体第六节瓦斯的保存条件,第二章含煤盆地和瓦斯形成理论,一、世界煤炭资源概况1世界煤炭资源丰富据BP世界能源2012统计，截止2011年底，世界煤炭探明储量为86093.8亿t。,第一节世界煤炭和瓦斯（煤层气）资源分布,世界煤炭产量（2009）,世界煤炭消费（2009）,一、世界煤炭资源概况（2）世界煤炭资源分布不均,第一节世界煤炭和瓦斯（煤层气）资源分布,,煤炭探明储量分布,一、世界煤炭资源概况（3）世界煤炭资源生产消费情况,第一节世界煤炭和瓦斯（煤层气）资源分布,世界煤炭出口（2009）,世界煤炭进口（2009）,世界煤炭消费（2009）,（4）成煤时代多在世界范围内先后产生了5个主要聚煤期,第一节世界煤炭和瓦斯（煤层气）资源分布,石炭纪聚煤期、二叠纪聚煤期、早中侏罗世聚煤期、晚侏罗至早白垩世聚煤期、晚白垩至始新世聚煤期，其中石炭纪和二叠纪聚煤期成煤量最多。,（4）成煤时代多,第一节世界煤炭和瓦斯（煤层气）资源分布,石炭纪聚煤带主要分布在北半球，是全球最大的聚煤带；欧洲、美国东部和我国北部,,,（4）成煤时代多,第一节世界煤炭和瓦斯（煤层气）资源分布,二叠纪聚煤带主要分布在东半球，在俄罗斯东部、我国北部和印度；,,,,（4）成煤时代多,第一节世界煤炭和瓦斯（煤层气）资源分布,早中侏罗聚煤带主要分布在亚洲（中国中北部、西北部）和俄罗斯东部；,,,（4）成煤时代多,第一节世界煤炭和瓦斯（煤层气）资源分布,晚侏罗世、早白垩世聚煤带主要分布在亚洲东北部、高纬度地区，（中国东北和俄罗斯远东地区）,,,（4）成煤时代多,第一节世界煤炭和瓦斯（煤层气）资源分布,晚白垩世-始新世聚煤带主要聚集在北美西部、欧洲和环太平洋地区。,,,,二、美国的主要煤田和瓦斯（煤层气）资源,,美国瓦斯（煤层气）资源分布示意图（李锡林，1999）,（1）美国的主要煤田,二、美国的主要煤田和瓦斯（煤层气）资源,,美国发现最早、开采时间最长成煤时代为二叠纪，煤炭储量丰富，是美国唯一的无烟煤产地可采煤层多达30多层，构造简单，煤层赋存稳定煤层埋藏浅，目前开采深度在100m以浅,（1）美国的主要煤田,二、美国的主要煤田和瓦斯（煤层气）资源,,世界上已开发的探明储量最多、产量最大的煤田成煤时代为古近纪和白垩纪，煤炭储量丰富，煤层厚度大，总厚度60-110m可采煤层多达20多层，构造简单，煤层赋存稳定煤层埋藏浅，煤层距地表60m以内,（1）美国的主要煤田,二、美国的主要煤田和瓦斯（煤层气）资源,,（2）美国的瓦斯（煤层气）资源,分布在全美13个煤田，资源总量19.97万亿m3,1998年全美煤层气产量已达324亿m3中国煤层气资源总量36.81万亿m3,2009年全国煤矿瓦斯抽采量为64.5亿m3，地面煤层气产量为10.1亿m3,二、美国的主要煤田和瓦斯（煤层气）资源,,（2）美国的瓦斯（煤层气）资源,,美国煤层气开发强度和产量最多的盆地含煤地层水果地组和曼氏费组，煤种为烟煤，埋深84～1050m,煤层含气量从0.11m3/t到16.98m3/t,一般13.44m3/t，资源丰度为1.28108m3/km2高产区块渗透率1～50mD，属中高渗透率。中国煤储层渗透率变化于0.00216.17md之间，平均约1.27md。其中渗透率1.00md的层次约占28。,二、美国的主要煤田和瓦斯（煤层气）资源,,（2）美国的瓦斯（煤层气）资源,,世界煤层气工业的发源地成煤时代为二叠纪，煤种为烟煤，煤层总厚6-12m，单层不超过1.3m，并被致密岩层分隔为一平缓的倾斜构造盆地，构造简单煤层含气量6-20m3/t，平均16m3/t，资源总量5663亿m3渗透率2～30mD,第一节世界煤炭和瓦斯（煤层气）资源分布第二节中国含煤盆地及其聚煤特征第三节瓦斯生成理论第四节煤成烃的机理第五节瓦斯中的非烃气体第六节瓦斯的保存条件,第二章含煤盆地和瓦斯形成理论,一、中国含煤盆地的分布中国含煤盆地形成时期与全球具有同时性,第二节中国含煤盆地及其聚煤特征,世界主要聚煤期石炭纪二叠纪早中侏罗世晚侏罗至早白垩世晚白垩至始新世,中国主要聚煤期石炭纪二叠纪三叠纪（晚三叠世）侏罗纪（早、中侏罗世）白垩纪（早白垩世）古近纪和新近纪,一、中国含煤盆地的分布,第二节中国含煤盆地及其聚煤特征,1-石炭二叠纪盆地；2-晚三叠盆地；3-侏罗纪盆地；4-白垩纪盆地；5-古近纪和新近纪盆地；6盆地群；,含煤盆地、含煤盆地群大约40余个，总面积60万km2，探明储量11450亿t，资源总量61000亿t。,（一）石炭纪含煤盆地,1石炭纪含煤盆地主要分布在塔里木-华北板块和华南板块，在准格尔-兴安活动带有零星分布,板块构造在软流圈上作大规模水平运动的岩石圈块体。,（一）石炭纪含煤盆地,华北板块石炭纪盆地分布广泛且稳定，除鄂尔多斯西缘和华北南部缺失或部分缺失石炭系上部含煤地层外,全区含煤岩系为本溪组和太原组。,第二节中国含煤盆地及其聚煤特征,华北－河南省,河南省地处中原,大地构造位置总体位于华北板块的中南部。河南省煤炭资源丰富，全省含煤面积约有18710平方公里，共计有19个煤田，目前主要开采石炭一二叠系煤层，其次是侏罗系中下统义马组。目前全省煤炭开发主要集中在平顶山、新密、禹县、汝州、登封、荥巩、偃龙、宜洛、陕渑义马新安、焦作、鹤壁、安阳、永夏矿区，分布于全省的东、南、西、北四周和中部，也就是说几乎河南各地区都赋存有可采煤层，见图。,第二节中国含煤盆地及其聚煤特征,河南焦作,,煤种无烟煤,第二节中国含煤盆地及其聚煤特征,河南鹤壁、安阳,,煤种贫瘦煤,,煤种贫瘦煤和无烟煤,第二节中国含煤盆地及其聚煤特征,河南平顶山,煤种气、肥煤,第二节中国含煤盆地及其聚煤特征,河南新密,,煤种贫煤、无烟煤,第二节中国含煤盆地及其聚煤特征,河南陕渑义马,煤种焦煤、长焰煤、瘦煤,第二节中国含煤盆地及其聚煤特征,河南永夏,,煤种无烟煤,,（一）石炭纪含煤盆地,塔里木板块石炭纪含煤盆地分布零星、规模较小。主要包括主要包括北侧天山-赤峰活动带的博乐盆地、昆仑～秦岭活动带北带的河西走廊盆地群玉门南、张掖、金昌盆地，武威盆地，柴达木地块北缘的柴北盆地群德令哈西南和东南盆地。,（一）石炭纪含煤盆地,华南板块石炭纪含煤盆地主要分布在扬子地块、南华活动带和羌北-昌都-思茅微地块。在板块北缘的昆仑-秦岭活动带仅仅残存商州盆地;在扬子地块的石炭纪含煤盆地主要分布在康滇地块东缘的滇东盆地群彝良盆地、曲靖盆地，江南地块西南缘的黔南桂北盆地群惠水、独山、宜州盆地，东南缘的湘中桂北盆地群涟源、邵阳盆地，及浙西地块东南缘的赣东盆地群、浙西盆地群。在华南板块西南缘羌北-昌都-思茅微地块的昌都盆地群主要分布于板块中段与藏滇板块接壤处，呈北西走向弧形展布，与羌北-昌都-思茅微地块的构造线相协调一致。,（一）石炭纪含煤盆地,准格尔-兴安活动带石炭纪含煤盆地在准噶尔-兴安活动带仅有零星的残存，如活动带东缘的宝清密山盆地，活动带西缘的富蕴盆地、吉木乃盆地。,（二）二叠纪含煤盆地,2二叠纪含煤盆地的分布格局与石炭纪大体相似，主要分布在塔里木-华北板块和华南板块，华北板块更具有继承性，华南板块二叠纪含煤盆地比石炭纪更为广阔。,（二）二叠纪含煤盆地,华北板块继承性最为明显，除鄂尔多斯盆地西缘部分缺失下二叠统下部山西组Pls含煤地层，含煤盆地范围基本与石炭纪一致。,（二）二叠纪含煤盆地,塔里木板块在塔里木板块，仅在柯坪古生代坳陷有二叠纪含煤盆地，继承了石炭纪盆地的基本特征，但范围己大为缩小。在昆仑～秦岭活动带北带走廊过渡带，二叠纪含煤盆地河西走廊盆地群张掖盆地，武威、景泰盆地，继承了石炭纪盆地的总体走向，呈北西南东展布，在局部地区尚有缺失。昆仑～秦岭活动带北带柴达木地块北缘的柴北盆地群，二叠纪含煤地层已不发育。,（二）二叠纪含煤盆地,华南板块华南板块二叠纪含煤盆地与石炭纪相比发生了很大变化。石炭纪含煤盆地主要分布在江南地块的西南及东南部，而二叠纪含煤盆地在江南地块以西至康滇地块几乎遍及全区。,（三）三叠纪含煤盆地,3.三叠纪含煤盆地主要分布在华南板块，在塔里木-华北板块分布较少。,（三）三叠纪含煤盆地,塔里木～华北板块华北板块西缘的鄂尔多斯盆地，也有面积广泛的上三叠统合煤岩系分布，因煤层薄、埋藏较深，利用较少。此外，在胶辽隆起的辽东隆起上有浑江盆地。在塔里木板块三叠纪含煤盆地主要是板块北部的库车盆地和塔中盆地，在柴达木地块周缘也有分布。,（三）三叠纪含煤盆地,华南板块扬子地块的西部三叠纪残留含煤盆地有范围较大的四川盆地和秭归、当阳、美姑、西昌、会理、楚雄盆地。在华南板块的松潘～甘孜陆缘活动带东南缘永胜盆地群，西南缘的川西滇北盆地群甘孜西、中旬北盆地。在羌北-昌都-思茅微陆块沿弧形构造走向有范围较大的青南藏北盆地群与羌中南-唐古拉-保山地块的藏东北盆地群；位于羌北-昌都-思茅微地块的哀牢山西盆地群与羌中南-唐古拉-保山地块的滇西南镇康盆地群。,（四）侏罗纪含煤盆地分布,4.经过三叠纪过渡时期后，侏罗纪含煤盆地分布状况已完全改观。大型盆地除鄂尔多斯侏罗纪含煤盆地仍继承发育外，在华北板块和华南板块大型含煤盆地基本上不复存在，但在塔里木板块周缘以及西伯利亚板块准噶尔-兴安活动带西部的准噶尔地块却发育了规模较大的侏罗纪含煤盆地。,（四）侏罗纪含煤盆地分布,准格尔-兴安活动带侏罗纪在西伯利亚板块南缘的准噶尔-兴安岭活动带广泛发育有含煤盆地。活动带的西部盆地保存较好、面积较大，而东部的盆地残留面积较小，分布零星。,,菲律宾海板块,,太平洋板块,塔里木板块位于塔里木板块与准噶尔地块之间，发育有侏罗纪含煤盆地伊宁盆地、尤尔都斯盆地、焉耆盆地、库米什盆地和北山盆地群；在塔里木板块周缘发育了面积广泛的含煤盆地，即库车盆地、塔东盆地、塔西南盆地和塔东南盆地，同时还有沿着阿尔金断裂带呈北东东向展布的阿尔金山盆地群。,（四）侏罗纪含煤盆地分布,华北板块鄂尔多斯盆地发育了下侏罗统富县组J1f）、中侏罗统延安组J2y含煤岩系。在鄂尔多斯盆地北部及东部的华北北缘隆起带、山西隆起及燕辽中元古裂谷带上发育有诸多零星散布的盆地群。包头北盆地群、晋北盆地群、京西盆地群、冀北辽西盆地群、辽东隆起田师付盆地群、吉东南盆地群。胶东隆起西缘郯庐断裂上发育的鲁东坊子盆地，在华北南缘中元古代裂谷带尚有一孤立存在的豫西义马盆地。,,（四）侏罗纪含煤盆地分布,塔里木-华北板块南缘昆仑-秦岭活动带北带沿走廊过渡带、北祁连加里东褶皱带和中祁连隆起展布有河西走廊盆地群、北祁连盆地群、中祁连木里盆地群，含煤岩系为中侏罗统中间沟组J2zh、窑街组J2y、木里组J2m。在柴达木地块北缘的柴北盆地群大柴旦、德令哈南盆地，含煤岩系为中下侏罗统小煤沟组J1x、大煤沟组J2d。,（五）白垩纪含煤盆地分布,5.白垩纪含煤盆地主要分布在西伯利亚板块的准噶尔-兴安活动带及塔里木-华北板块的天山-赤峰活动带和华北北缘隆起带。中国大陆南部，仅在藏滇板块冈底斯-腾冲活动带见有零星白垩纪含煤盆地。,（五）白垩纪含煤盆地分布,东部的海拉尔盆地群、二连浩特盆地群、冀北蒙中盆地群、松辽盆地、辽东盆地群、松辽南盆地群赤峰、北票-朝阳、阜新盆地、三江盆地群、吉东盆地群；西部的北山盆地群。南部的藏西改则盆地、拉萨盆地、藏东八宿盆地。,（六）古近纪和新近纪含煤盆地分布,6.古近纪和新近纪含煤盆地主要分布在大陆东部近海和沿海地区。除台湾活动带台西盆地面积稍大外，其余盆地面积都很狭小，分布零星。古近纪和新近纪含煤盆地发育时代在大陆北部以古近纪为主，而大陆南部以新近纪为主。,（六）古近纪和新近纪含煤盆地分布,在西伯利亚板块准噶尔～兴安活动带的东部，主要在嫩松～佳木斯微地块散布有古近纪含煤盆地。沿着嫩松地块与佳木斯地块之间跨越准噶尔-兴安活动带与华北板块的依兰～舒兰盆地群三江盆地在华北板块天山-赤峰活动带东端的珲春盆地华南板块和滇藏板块的南部滇黔桂一带南华活动带的桂南盆地群、粤西南茂名盆地和琼北文昌盆地等。,（六）古近纪和新近纪含煤盆地分布,在西伯利亚板块准噶尔～兴安活动带的东部，主要在嫩松～佳木斯微地块散布有古近纪含煤盆地。沿着嫩松地块与佳木斯地块之间跨越准噶尔-兴安活动带与华北板块的依兰～舒兰盆地群三江盆地在华北板块天山-赤峰活动带东端的珲春盆地华南板块和滇藏板块的南部滇黔桂一带南华活动带的桂南盆地群、粤西南茂名盆地和琼北文昌盆地等。,中国主要山脉与板块构造,二、中国含煤盆地聚煤沉积特征晚古生代与中、新生代两个地质历史时期，造就了两种类型的含煤盆地，即板内克拉通型含煤盆地与陆内断陷和拗陷型含煤盆地，发育了两种类型的沉积体系，即陆表海型盆地海相～过渡相～陆相含煤沉积体系和陆表湖型盆地湖泊相～过渡相～河流相含煤沉积体系。克拉通地壳形成之后（至少自显生宙以来）保持稳定状态、极少经受强烈构造变形的构造单元。,第一节世界煤炭和瓦斯（煤层气）资源分布第二节中国含煤盆地及其聚煤特征第三节瓦斯生成理论第四节煤成烃的机理第五节瓦斯中的非烃气体第六节瓦斯的保存条件,第二章含煤盆地和瓦斯形成理论,第三节瓦斯生成理论,煤层瓦斯是生于煤层、储于煤层的气体地质体。瓦斯形成和煤的形成是同时进行的且贯穿于整个成煤过程始终。,煤层瓦斯是如何形成的,,煤的形成息息相关,,,泥炭化作用是植物在泥炭沼泽、湖泊或浅海中不断繁殖，其遗体在微生物参与下不断分解、化合、聚合形成泥炭的过程。这一阶段，生物化学作用起主导作用。,煤化作用阶段是泥炭经过褐煤、烟煤到无烟煤的各阶段的发展过程。,泥炭化作用阶段,煤化作用阶段,,,,成煤作用,第三节瓦斯生成理论,煤层瓦斯的生成,,,,,在植物沉积成煤初期的泥炭化过程中，有机物在隔绝外部氧气进入和温度不超过65℃的条件下，被厌氧微生物分解为CH4、CO2和H2O。泥炭时期埋深不大，生成的瓦斯通过渗滤和扩散排放到大气中，因此，生物化学作用产生的瓦斯一般不会保留在煤层内。,生物化学成气时期,煤化变质作用成气时期,随着煤系地层的沉降及所处压力和温度的增加，泥炭转化为褐煤、烟煤、无烟煤过程中，随着埋藏深度的增加,有机物在高温、高压作用下，处于变质造气时期，挥发分减少，固定碳增加，生成的气体主要为CH4和CO2。,泥炭化作用阶段,煤化作用阶段,,,,两个造气时期,第三节瓦斯生成理论,第三节瓦斯生成理论,一、瓦斯成因类型从植物遗体到泥炭再到褐煤、烟煤到无烟煤，其分子组成变化如下4C6H1005（纤维素）→7CH48CO23H2OC9H6O类烟煤4C16H18O5泥炭→C57H56O10褐煤4CO23CH42H2OC57H56O10褐煤→C54H42O5烟煤CO22CH43H2OC54H42O5烟煤→C15H14O半无烟煤CO2CH4H2OC15H14O半无烟煤→C13H4无烟煤2CH4H2O,泥炭至无烟煤C、H、O元素含量变化图,1泥炭2褐煤3烟煤4半无烟煤5无烟煤,第三节瓦斯生成理论,煤层瓦斯形成与煤阶的关系,,,280～350m3,一、瓦斯成因类型（1）概念引起生物地球化学作用的自然力叫生物地球化学营力。引起热力地球化学作用的自然力叫热力地球化学营力。（2）瓦斯成因类型生物成因原生生物成因和次生生物成因是指由各类微生物的一系列复杂作用过程导致成煤物质降解而生成的瓦斯气体。（生物化学成气期）热成因是指随着煤化作用的进行，伴随温度升高、煤分子结构与成分的变化而生成的瓦斯气体。（煤化变质作用成气期）,二氧化碳的还原作用；有机酸一般为乙酸的发酵作用。,两种机制,二、瓦斯的生物成因,生物生成瓦斯可形成于早期生物地球化学煤化作用阶段（泥炭－褐煤），也可形成于煤层形成后因构造抬升而重新经受生物改造,（一）瓦斯（煤层气）的原生生物成因（二）瓦斯（煤层气）的次生生物成因,,（一）瓦斯（煤层气）的原生生物成因,又被称为早期生物成因气成煤物质埋藏浅、所处环境温度低热力作用尚不足以造成有机质结构的显著变化各类微生物参与下的生物化学反应而产生的气体。,通过微生物作用使复杂的不溶有机质在酶的作用下发酵而变为可溶有机质，可溶有机质在产酸菌和产氢菌作用下变为挥发性有机酸、H2和CO2，H2和CO2在甲烷菌作用下最后形成CH4。,实质,早期生物成因气绝大多数均逸散。,（二）瓦斯（煤层气）次生生物成因,煤层后期抬升阶段煤层中具有又适宜微生物生存的温度等环境条件微生物主要由大气降水从补给区的煤层露头带入微生物在相对低温条件下56℃代谢湿气、正烷烃和其它有机化合物，生成CH4和CO2。形成时代一般较晚几万至几百万年前,次生生物作用过程活跃并影响气体成分的深度间隔，一般位于盆地边缘或中浅部,不发生蚀变的气体一般出现在盆地深部,,,次生生物成因瓦斯在煤层中生成并保存基本条件是（1）煤层经构造抬升进入或曾经进入细菌活动带；（2）煤层渗透性较好；（3）有携带细菌的潜水活动；（4）煤层压力高、围岩封闭性好。,（二）瓦斯（煤层气）次生生物成因,,三、瓦斯热成因,,瓦斯（煤层气）热解成因,瓦斯（煤层气）裂解成因,三、瓦斯热成因分类热解成因和裂解成因（一）瓦斯（煤层气）热解成因长焰煤贫煤阶段（0.5Ro2.0）在热力作用下，有机质中各种官能团和侧链分别按活化能的大小，依次发生分解主要转化为具有不同分子结构的烃类及非烃气体形成的部分液态烃类可以渗出沥青的形式产出但其多数被煤基质束缚和吸收生成物的同位素组成，按活性的大小发生相应的分馏效应主要是官能团和侧链的裂解及其产生的烃类（油、湿气）的裂解与煤大分子结构进一步芳构化和稠合,三、瓦斯热成因（一）瓦斯（煤层气）热解成因据反应进行程度可分早、中、晚三期早期（0.5Ro0.8以含氧官能团的断裂为主，产生CO2，煤基本结构单元的烷族支链部分断裂形成少量CH4和C2H6以上的重烃中期（0.8Ro1.3）有机质的演化主要通过树脂、孢子、角质等稳定组分的降解初期所形成沥青的转化，以及芳核结构上烷烃支链的断裂，形成富含重烃的气体，成煤物质经历沥青化高峰期。CH4生成量高于CO2，是热成因CH4大量形成的阶段。晚期1.3Ro2.0）化学反应以裂解和芳香核之间的缩合为主，并由此产生大量CH4气体。在此阶段，有机质芳香度从0.85增至0.97，C原子几乎全部集中在芳香结构上,三、瓦斯热成因在整个煤的热演化过程中，各阶段都能形成CH4。虽然在长焰煤肥煤阶段可以产生一定量液态烃，但后来随演化程度的增高，又裂解为以CH4为主的气态烃。因此，CH4是煤化过程中最主要的烃类产物，也是瓦斯的主要成分。,四、煤层瓦斯发生率几个基本概念（1）煤层气发生率指从泥炭到特定煤级瓦斯气体产生的总量。（2）视煤气发生率指从褐煤到特定煤级瓦斯气体产生的量。（3）阶段生气率指煤化过程特定阶段瓦斯气体产生的量。,四、主要生气阶段和产率,褐煤至长焰煤阶段生气38168m3/t，CO2占7292，烃类＜20以甲烷为主，重烃气＜4,长焰煤至焦煤阶段生气168270m3/t，烃类气体迅速增加，占7080，CO2下降至10左右。烃类气体以CH4为主，重烃可占1020，如壳质组含量多，则油和湿气含量也多。,瘦煤至无烟煤阶段生气270422m3/t，烃类气体占70，其中CH4占绝对优势9799，几乎没有重烃。,不同煤阶煤的视煤气发生率（m3/t）,四、煤层瓦斯发生率,煤化作用过程中产生的气体量随煤阶增高而增加。,,第一节世界煤炭和瓦斯（煤层气）资源分布第二节中国含煤盆地及其聚煤特征第三节瓦斯生成理论第四节煤成烃的机理第五节瓦斯中的非烃气体第六节瓦斯的保存条件,第二章含煤盆地和瓦斯形成理论,第四节煤成烃机理,一、煤成烃物质来源,,高等植物,低等植物,,成煤过程,腐殖质,腐泥质,,,,腐植煤,腐泥煤,,,,腐殖质和腐泥质是成煤、成气的原始物质,,瓦斯,,表2-3腐植质和腐泥质对比表（王大曾,1990）,第四节煤成烃机理,煤是一种以腐殖型为主的沉积物逐渐堆积压实演化形成的的可燃有机岩基本结构单元是由带有官能团如OH，＝C＝O，COOH，OCH3和侧链胺、大分子烃的缩合芳香核为骨架的结构单元以网状桥键相连而组成的三维空间结构的大分子化合物。,第四节煤成烃机理,二、煤成烃的作用机制,第四节煤成烃机理,芳族的开环（CC）反应所需能量最大其次是C-H键的解离，而脂族C-C链的断裂，特别是当其受到临近芳核影响时，反应能量最低。,煤作为复杂高分子缩聚物，各个有机结构单元含有多种化学键，化学键的解离和重整因键型不同，化学反应活性有着明显差异。,煤中的碳元素主要集中在芳香稠环当中，因其键能较高表现出强固的键合力和较高的热稳定性。侧链和官能团之间及其与稠环之间的结合力相对较弱，热稳定性较差。在成烃演化（煤化作用）过程中，官能团和脂族结构的不断减少，侧链断裂变短，伴随着桥链的破裂，芳香核的进一步缩合增长，在元素组成上表现为碳的相对增加和氢氧等杂原子的相对减少。煤层甲烷主要是在煤的热演化变质作用过程中生成的。有机质埋藏后，在不断增加的温度和压力作用下，大量富H、O的侧链官能团以挥发分的形式脱除，而C得以富集。,第四节煤成烃机理,成煤物质演化过程物理-化学指标变化,,,,,,二、煤成烃反应动力学特征煤的成烃演化过程生物地球化学作用（相当于生物煤化作用）和热力地球化学作用（相当于煤变质作用）第一阶段（R098）该阶段被习惯称之为生物甲烷阶段；第二阶段主要是在温度、压力作用下，发生热力地球化学变化，完成由褐煤向烟煤、无烟煤的转化。,第一节世界煤炭和瓦斯（煤层气）资源分布第二节中国含煤盆地及其聚煤特征第三节瓦斯生成理论第四节煤成烃的机理第五节瓦斯中的非烃气体第六节瓦斯的保存条件,第二章含煤盆地和瓦斯形成理论,第五节瓦斯中的非烃气体,一、瓦斯中的非烃气体矿井瓦斯中CO2、N2、H2S、CO等非烃气体非烃气体的异常对煤炭生产和安全的影响也非常突出有什么影响,煤矿瓦斯中非烃气体异常聚集受控于多种地质因素水渗透作用异常热化学作用岩浆热力或构造运动顶板封盖作用煤阶和煤岩类型燃点较低的煤CO含量异常,第五节瓦斯中的非烃气体,二、CO2富集成因1、CO2物理性质、危害（1）无色、无臭、略带酸味的气体;（2）窒息、岩石和二氧化碳突出。2、富集成因（1）煤和岩石中CH4发生氧化作用；（2）煤层自燃甚至烘烤围岩使碳酸盐岩受热分解;（3）人的呼吸、有机物质腐烂、地下水作用等；（4）溶解一定浓度CO2的浅表水长期渗入地下；（5）岩浆侵入活动煤受热变质生成；岩浆熔融体冷却析出；某些碳酸盐岩受热分解，化合反应；直接来自地壳深部。如甘肃獐儿沟矿、陕西松下坪井、吉林营城五井的CO2突出。,第五节瓦斯中的非烃气体,三、N2富集成因1、N2物理性质、危害（1）无色、无臭、无味气体，微溶于水；（2）缺氧窒息。2、富集成因（1）风化作用煤层具有露头时，瓦斯由深部向上运移，地面空气向煤层深部渗透扩散；（2）煤的变质与红层的氧化作用煤的变质作用产生大量甲烷和氨气，遇上覆红层中Fe2O3，氨气被Fe3离子氧化成氮气，并赋存在煤层和煤层上部的岩石中。如淮北刘桥矿。（3）地下水的渗透作用在成煤过程中，水体携带O2、CO2、N2等气体渗入煤系地层，并与煤层广泛接触，由于煤层的变质作用使O2、CO2被消耗掉，惰性的N2则保存下来。,第五节瓦斯中的非烃气体,四、H2S富集成因1、H2S物理性质、危害（1）无色、臭鸡蛋味、剧毒的可燃气体，极易溶于水；（2）致人死亡。2、富集成因（1）热化学成因（包括热化学分解、硫酸盐热化学还原）当煤系中的硫酸盐和气态烃接触时，有可能发生氧化还原反应，即硫酸盐被还原和气态烃被氧化，产生硫化氢气体，并且有机质碳与煤系中的硫酸盐反应，生成H2S∑CHCaSO4→CaCO3↓H2S↑H2O2CCaSO4H2O→CaCO3↓H2S↑CO2↑,第五节瓦斯中的非烃气体,四、H2S富集成因（2）生物化学成因由生物降解、微生物硫酸盐还原作用形成的原生硫化氢气体，只可能存在于泥炭-褐煤阶段。但在地下水的作用下，微生物硫酸盐还原作用可在低中煤级地区形成次生的硫化氢气体。∑CH〔或C〕CaSO4硫酸盐还原菌作用CaO3H2S↑H2O（3）岩浆成因,第五节瓦斯中的非烃气体,第一节世界煤炭和瓦斯（煤层气）资源分布第二节中国含煤盆地及其聚煤特征第三节瓦斯生成理论第四节煤成烃的机理第五节瓦斯中的非烃气体第六节瓦斯的保存条件,第二章含煤盆地和瓦斯生成形成理论,瓦斯生于煤层，在煤化过程中，瓦斯不断地生成，到无烟煤阶段，瓦斯累计生成量可达400m3/t以上，如下表，但煤矿开采实践表明，煤层瓦斯含量一般不超过30～40m3/t，为什么,主要是因为瓦斯经历数千万年至数亿年的地壳构造运动，80左右的气体都逸散掉了。,每形成一吨煤的产气量,第六节瓦斯保存条件,一、构造运动演化对煤层瓦斯保存的影响瓦斯是气质地质体。拉张裂陷、隆起剥蚀会使煤层瓦斯大量逸散。中国主要成煤时代，成煤后经历的主要运动石炭二叠纪印支运动、燕山运动和喜马拉雅运动等,山东省及其邻区鲁西断隆控制范围的矿井90以上均是低瓦斯矿井,而在平顶山、新密、登封、焦作、鹤壁、安阳等煤田，高瓦斯矿井和煤与瓦斯突出矿井（矿区）集中分布，为什么同位于华北板块上，都是石炭二叠系煤系有如此大差别,一、构造运动演化对煤层瓦斯保存的影响,实例,,,1.华北板块受太平洋库拉板块俯冲碰撞作用，印支期开始中国东部先隆起，鲁西断隆隆起得早、普遍缺失三叠系盖层沉积，二叠系煤层遭受风化剥蚀煤层瓦斯大量逸散，因此，前者瓦斯低；而后者是因为在煤层之上沉积了数千米厚的三叠系盖层，瓦斯保存条件好。2.燕山期受太平洋库拉板块碰撞挤压作用，形成北北东至北东向展布的太行山挤压、剪切构造带控制着焦作、鹤壁、安阳、邯郸等高突矿区的分布；而平顶山、新密、登封、宜洛、淮南等煤田，印支期以来受秦岭造山带隆起推挤作用，形成构造挤压、剪切带。,一、构造运动演化对煤层瓦斯保存的影响实例1－原因,,,,,,,,,西伯利亚板块,,印度板块,,菲律宾海板块,,太平洋板块,,,华南板块,华北板块,塔里木板块,准噶尔-兴安活动带,藏滇板块,二、不同地质构造类型及组合对瓦斯保存的影响构造运动演化对瓦斯赋存的影响，主要表现在构造运动产生的构造对瓦斯赋存的影响上。不同类型的地质构造在其形成过程中，由于构造应力场及其内部应力状态的不同，导致煤层和盖层的产状、结构、物性、裂隙发育状况及地下水径流等条件出现差异，进而影响到煤层瓦斯的保存。不同的地质构造及地质构造不同的部位及组合对瓦斯的保存、运移等都不尽相同。,二、不同地质构造类型及组合对瓦斯保存的影响,破裂面两侧岩块有明显相对位移的断裂构造。,（一）断裂对瓦斯保存的影响1.断层,1.下盘；2.上盘；3.断层面,断盘（上盘）,断盘（下盘）,,,,断层线,,,4.断层走向与所切割岩层走向的方位关系分类走向断层断层走向与岩层走向基本一致倾向断层断层走向与岩层走向基本直交垂直斜向断层断层走向与岩层走向斜交顺层断层断层面与岩层层理的原生地质界面基本一致断层走向、倾向与岩层走向、倾向基本一致。,,5.断层两盘相对运动分类,1.正断层2.逆断层3.平移断层4.正平移断层－平移正断层5.逆平移断层－平移逆断层,,正断层上盘相对下盘向下滑动的断层,,上盘下降,下盘上升,,1.正断层2.逆断层3.平移断层4.正平移断层－平移正断层5.逆平移断层－平移逆断层,,5.断层两盘相对运动分类,逆断层断层上盘相对下盘向上滑动的断层。逆掩断层指断层倾角＜45的逆断层。,,,上盘上升,下盘下降,,1.正断层2.逆断层3.平移断层4.正平移断层－平移正断层5.逆平移断层－平移逆断层,,5.断层两盘相对运动分类,,平移断层断层两盘顺断层面走向相对滑动的断层；规模巨大的平移断层称为走向滑动断层。,水平错动,1.正断层2.逆断层3.平移断层4.正平移断层－平移正断层5.逆平移断层－平移逆断层,,5.断层两盘相对运动分类,,上盘斜向下降,,,,正平移断层和平移正断层属斜向滑动断层断层两盘既不顺断层走向方向也不顺倾向方向滑动的断层，位移与走向和倾向斜交。因此，总位移在走向和倾向上有两个分量。当平移分量＞下降分量称为正平移断层；当水平分量＜下降分量称为平移正断层。,,1.正断层2.逆断层3.平移断层4.正平移断层－平移正断层5.逆平移断层－平移逆断层,,5.断层两盘相对运动分类,,,上盘斜向上升,,,逆平移断层和平移逆断层也属斜向滑动断层断层两盘既不顺断层走向方向也不顺倾向方向滑动的断层，位移与走向和倾向斜交。因此，总位移在走向和倾向上有两个分量。当平移分量＞上升分量称为逆平移断层；当水平分量＜上升分量称为平移逆断层。,二、不同地质构造类型及组合对瓦斯保存的影响,正断层有利于瓦斯释放逆断层有利于瓦斯保存,（一）断裂对瓦斯保存的影响1.如何影响瓦斯保存,只有逆断层附近才有构造煤吗正断层有吗,正断层附近会发生瓦斯突出吗,焦作矿区构造纲要图,,,,,焦作九里山矿采掘工程平面图,事故地点,,所以，研究构造对瓦斯保存的影响，不能只看现在的构造形态，而应分析断层受力性质及其演化过程,马坊泉断层,（一）断裂构造对瓦斯保存的影响,断裂构造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，有的断层对抑制瓦斯排放而成为逸散的屏障。前者称为开放型断层，后者称为封闭型断层。,,（四）断裂构造对瓦斯保存的影响,断层的开放性与封闭性取决于下列条件断层属性和力学性质，一般张性正断层属开放型，而压性或压扭性逆断层通常具有封闭性；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；断层将煤层断开后，煤层与断层另一盘接触的岩层性质有关，若透气性好则利于瓦斯排放；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性或封闭性。,（二）褶曲构造对瓦斯保存的影响背斜和向斜轴部及其附近,既有瓦斯富集区甚至发生煤与瓦斯突出,也有煤层瓦斯含量较低褶曲构造是如何影响瓦斯保存的,构造,褶皱构造,褶皱构造岩层在外力作用下发生各种各样的变形，但仍保持岩层的连续性和完整性。这种构造形态叫褶皱构造。,核,岩层面,,,枢纽,,轴面,,褶皱形成与特点,,,,,,走向,,走向,倾向,倾向,倾角,倾角,,,,,,,（二）褶曲构造对瓦斯保存的影响1．褶皱中和面褶皱构造是自然界发育最为广泛的构造类型之一,褶皱中和面是层状岩体遭受水平挤压发生弯曲变形时所表现的一种构造现象。定义指褶皱岩层弯曲时，强硬岩层的外弧受到切向拉伸线应变，内弧受到切向压缩线应变，而在内、外弧之间必定有一个没有有限应变的面，称为褶皱中和面,,中和面褶皱作用,伸长应变区,,无应变区,,缩短应变区,,（二）褶曲构造对瓦斯保存的影响2．褶皱中和面上下受力分析褶皱岩层在中和面上、下具有完全不同的应力应变状态,,,（二）褶曲构造对瓦斯保存的影响3．褶皱构造控制煤层瓦斯的基本类型背斜上层逸散型背斜下层聚集型向斜上层聚集型向斜下层逸散型,,,（二）褶曲构造对瓦斯保存的影响3．褶皱构造控制煤层瓦斯的基本类型背斜上层逸散型煤层位于中和面以上的背斜褶皱上层。中和面以上岩层或煤层为拉伸引张力作用,尤其背斜轴部引张力更为强大,致使韧性岩层在轴部厚度变薄、孔隙加大,或脆性岩层发育张性裂面或断层,使煤层及岩层透气性增高,提供了瓦斯活动的通道由于煤层的软塑性特点,煤层由背斜轴部向着两翼移动增厚,褶皱作用所伴生的沿层理的滑动极易选择煤层作为滑动层,使得煤层揉皱、破碎,煤层瓦斯由吸附状态大量解吸为游离瓦斯,顺其孔隙、张性裂面或断层逸散。,,（二）褶曲构造对瓦斯保存的影响3．褶皱构造控制煤层瓦斯的基本类型背斜下层封闭型指煤层位于中和面以下的背斜褶皱下层是岩层或煤层在挤压力作用下煤层从褶皱冀部向轴部流动变厚,或产生层间滑动和顺层断层,使煤层揉皱、破碎,瓦斯由吸附解吸为游离状态。当中和面之上张性裂面组成的非封闭构造并未影响到煤层时,这时背斜轴部将处于一种高度挤压,瓦斯富集的构造封闭环境,,（二）褶曲构造对瓦斯保存的影响3．褶皱构造控制煤层瓦斯的基本类型向斜上层聚集型指煤层位于中和面以上的向斜褶皱上层它的特点是岩煤层处于强烈被挤压状态,向斜轴部煤层增厚、顺煤层滑动等使煤层揉皱、破碎,瓦斯大量解吸。尽管岩煤层中也有可能产生断裂,但断裂在挤压状态下裂面紧密,构造封闭功能仍然存在,故向斜轴部煤层瓦斯富集,,（二）褶曲构造对瓦斯保存的影响3．褶皱构造控制煤层瓦斯的基本类型向斜下层逸散型指煤层位于中和面以下的向斜褶皱下层