瓦斯的成因与赋存.doc

第二节 瓦斯的成因与赋存 一、瓦斯的成因 煤矿井下的瓦斯来自煤层和煤系地层，它主要是腐植型有机物质在成煤过程中生成的。有机物质沉积以后，一般经历两个不同的造气时期从植物遗体到形成泥炭，属于生物化学造气时期；从褐煤、烟煤直到无烟煤属于煤化变质作用造气时期。瓦斯生成量的多少取决于原始母质的组成和煤化作用所处的阶段。 1．生物化学作用时期瓦斯的生成 泥炭阶段的腐植体，处于生物化学作用时期。在温度不超过50℃低温条件下，经厌氧微生物作用发酵分解成瓦斯和二氧化碳。 在沼泽、三角洲等水下生成的瓦斯，能够比较顺利地扩散到古大气中去，或者溶于水中，然后被水带到地表。在泥炭时期，泥炭的埋深一般不大，其覆盖层的胶结固化也不好，生成的瓦斯通过渗滤和扩散容易排放到大气中，因此，生物化学作用产生的瓦斯一般不会保留在煤层内。 随着泥炭层的下沉，覆盖层的厚度越来越大，压力与温度随之增高，厌氧微生物的生存环境恶化，生物化学活动逐渐减弱直至停止。在稍高的压力与温度作用下，泥炭化的木质素与纤维素便转化成为褐煤。 2．煤化变质作用时期瓦斯的生成 褐煤层进一步沉降，压力与温度的影响随之加剧，煤化变质作用增强。一般认为温度在50～220℃和相应的压力下煤层处于烟煤－无烟煤热力变质造气时期。在这一时期，煤的变质程度越高，其生成的瓦斯量也就越多。苏联BA乌斯别斯基根据地球化学与煤化作用过程反应物与生成物平衡原理，计算出各煤化阶段的煤生成的甲烷量，如表2－1示。 成煤过程中瓦斯生成量 表2－1 煤 阶 褐 煤 长焰煤 气 煤 肥 煤 焦 煤 瘦 煤 贫 煤 无烟煤 生气量（m3/t） 68 168 212 229 270 287 333 419 阶段生气量（m3/t） 100 44 17 41 17 46 86 二、瓦斯赋存 煤层经过漫长地质年代煤化过程生成的瓦斯，在其压力与浓度差的驱动下进行运移，其中大部分脱离产气煤层排放到古大气中；当在运移途中遇到良好的圈闭和贮存条件时，会聚集起来形成天然气藏。留存在现今煤层中的瓦斯，仅是其中的一小部分（占3～24）。煤层保存瓦斯量的多少，主要取决于封闭条件（如煤层埋藏深度、煤层及围岩的透气性、地质构造等）与存贮条件（如煤的吸附性能、孔隙率、含水程度、温度与压力等）。煤层瓦斯赋存的一般规律如下 1．沿煤层的垂向瓦斯具有分带性 当煤层具有露头或在冲积层之下有含煤盆地时，由于煤层内的瓦斯向地表运移和地面空气向煤层深部渗透、扩散，其结果是煤层沿垂向一般会出现四个分带即“CO2－N2”、“N2”、“N2－CH4”、和“CH4”带。各带的气体成分组成如表2－2示。“CO2－N2”、“N2”、“N2－CH4”三带统称为瓦斯风化带。瓦斯风化带的深度视地质条件而异，我国一些矿井的瓦斯风化带深度见表2－2。“CH4”带称为瓦斯带，该带内气体组分的特点是，CH4的浓度超过80；瓦斯含量的赋存特点是，随埋深增加而有规律的增长，但是增长的梯度因地质条件而定。 煤层瓦斯垂向分带各带气体组分 表2－2 带名（从上往下） 气带 成因 CO2 N2 CH4 ArKrXe HeNe 按体积 m3/t煤 按体积 m3/t煤 按体积 m3/t煤 按体积 m3/t煤 按体积 CO2-N2 空气～ 生化成因 20～80 0.19～2.24 20～80 0.15～1.42 0～10 0～0.16 0.21～1.44 0.0021～0.0178 0.001 0.012 N2 空气 成因 0～20 0～0.27 80～100 0.22～1.86 0～20 0～0.22 0.61～1.88 0.0037～0.0561 0.001 0.014 N2-CH4 变质 成因 0～20 0～0.39 20～80 0.25～1.78 20～80 0.06～5.27 0.36～0.81 0.0051～0.012 0.001 0.014 CH4 变质 成因 0～10 0～0.37 0～20 0～1.93 80～100 0.61～10.5 0～0.24 0.004～0.0052 0.001～0.06 0.014 瓦斯带的上界可按以下条件确定 瓦斯压力p0.1～0.15MPa; 瓦斯组分CH4≥80（体积百分数）； 瓦斯含量（x）（煤芯中的甲烷含量） 气煤x1.5～2.0 m3/t可燃物； 肥煤与焦煤x2.0～2.5 m3/t可燃物； 瘦煤x2.5～3.0 m3/t可燃物； 贫煤x3.0～4.0 m3/t可燃物 无烟煤x5.0～7.0 m3/t可燃物相对瓦斯涌出量q2～3 m3/t煤。 2.瓦斯在煤体中的赋存状态 瓦斯在煤体内的赋存呈两种状态在煤内小孔以上包括裂隙空间内的瓦斯主要呈自由状态，称为游离瓦斯或自由瓦斯，由于瓦斯分子的热运动，它显示出一定的压力，这种状态的瓦斯服从气体定律即气体状态方程；另一种称为吸附瓦斯，它主要吸附在煤的微孔表面上和在煤的微粒内部，占据着煤分子结构的空位或煤分子之间的空间。 实测表明，在目前开采深度（1000～2000m以内）煤层的吸附瓦斯量占70～95，而游离瓦斯量仅占5～30。 3．影响煤层瓦斯含量的因素 在成煤过程中每形成1t煤所生成的瓦斯量理论上约为100～400 m3，但国内外大量实测资料表明，现今的煤层原始瓦斯含量一般最大不超过30～40 m3/t，这就说明成煤过程中生成的瓦斯绝大部分已逸散到地表，或在地质条件适合时，如煤盆地地层中有大面积隔气层和储气构造，煤层中的瓦斯运移到储气构造中，形成煤成气藏。由此看来，煤层瓦斯含量除与生成瓦斯量有关外，主要取决于煤生成后瓦斯运移条件和煤保存瓦斯的能力（吸附性、孔隙率等）。现将影响煤层瓦斯含量的主要因素分析如下 ①煤田地质史 从植物的堆积一直到煤炭的形成,经历了长期复杂的地质变化,这些变化对煤中瓦斯的生成和排放都起着一定的作用。煤层中瓦斯生成量、煤田范围内瓦斯含量的分布以及煤层瓦斯向地表的运移，归根到底都有取决于煤田的地质史。成煤后地壳的上升将使剥蚀作用加强，从而给煤层瓦斯向地表运移提供了条件；当成煤后地表下沉时，煤田为新的覆盖物覆盖，从而减缓了煤层瓦斯的逸散。 例如，开平煤田东欢坨区，石炭二叠系煤层直接由厚150～600m的第四系冲积层覆盖，表明该区在第四系冲积层沉积前，煤层瓦斯已经过漫长地质年代的排放，实测表明，在距地表680～700m深处，煤层的瓦斯含量仅1.4～2.2 m3/t可燃物。 ②地质构造 断层对煤层瓦斯含量可以有性质上截然不同的两种影响，开放性断层是煤层瓦斯排放的通道，在这类断层附近,煤层瓦斯含量减小;封闭性断层本身透气性差，而且割断了煤层与地表的联系，往往使封闭区段的煤层瓦斯含量增大。例如，淮南谢家集二井的F18号断层，该断层上盘的煤与地表毗连，处于瓦斯风化带，而断层下盘的煤层由于被断层封闭，煤层瓦斯含量增大。在该矿第一水平开采过程中,处于断层下盘的北部区，其相对瓦斯涌出量一直保持在10～20 m3/t；而处于断层上盘的南部区，虽然开采深度与北部区相同，但相对瓦斯涌出量却小于5 m3/t。 在被基岩覆盖的闭合和半闭合背斜转折 区，由于煤层运移路线加长和瓦斯排出口不 断缩小，增大了瓦斯运移的阻力，因此，在 同一开采深度下比构造两翼瓦斯含量大；而 在向斜转折处则恰恰相反，煤层瓦斯含量减 小，这是由于供应瓦斯区域逐渐减小，而瓦 斯向地表运移的通道逐渐扩大的结果，如图 21所示。 ③煤层的赋存条件 煤层有无露头对煤层瓦斯含量有一定影 图21 半封闭背、向斜转折区瓦斯运移结果 响。煤层有露头时，瓦斯易于排放；无露头 1瓦斯含量增大区 2瓦斯含量正常区 时，煤层瓦斯易于保存。例如，中梁山煤田 3瓦斯含量减小区 4瓦斯含量等值线 煤层呈覆舟状，地表无露头，煤层瓦斯不仅含量大而且有煤与瓦斯突出危险。 煤层埋藏深度是决定煤层瓦斯含量大小的重要因素。对同一煤田或煤层，在瓦斯风化带以下，煤层瓦斯压力随深度加大线性增大，故煤层瓦斯含量随深度增大而增大，它反映了煤层瓦斯由深部向地表运移的总规律，该规律已为大量生产和科研实践所证实。 由于煤层的透气性一般比围岩大得多，而倾角越小瓦斯运移的途径越长，因此在其它条件大致相同的情况下，在同一开采深度上，煤层倾角越小，煤层所含瓦斯越多。 ④煤层围岩性质 围岩致密完整、不透气时，煤层瓦斯易于保存；反之，煤层瓦斯易于逸散。大同和抚顺两煤田瓦斯的对比可作为围岩性质对煤层瓦斯含量影响的典型例子。大同煤田煤的变质程度高（无烟煤），其成煤过程生成瓦斯量和煤的吸附能力均较抚顺煤田的煤为大，但大同煤的瓦斯含量却远比抚顺煤为小，这是因为大同煤田煤层的顶板由孔隙发育、透气良好的砂岩、砾岩和砂页岩组成，煤层中的瓦斯绝大部分已逸散；而抚顺煤田煤层的顶板则为厚达百米的致密的油母页岩和绿色页岩，大量瓦斯得以保存。 对湖南各煤田煤层围岩性质的大量调查表明，当煤层围岩由低透气性的岩石组成时，不但矿井瓦斯涌出量大，且煤与瓦斯突出严重；而围岩由高透气性岩石组成时，不但无煤与瓦斯突出危险，且矿井瓦斯涌出量也小。 ⑤煤的变质程度 由表2－1可以看出，煤的变质程度越高，生成的瓦斯量越大，因此，在其它条件相同的条件下，煤的变质程度越高，煤层瓦斯含量就越大。在同一煤田，煤吸附瓦斯的能力随煤的变质程度的提高而增大，故在同一瓦斯压力和温度条件下，变质程度高的煤层往往能保存更多的瓦斯。但应指出，当由无烟煤向超级无烟煤过渡时，煤的吸附能力急剧减小，煤层瓦斯含量大为减低。 ⑥岩浆活动 岩浆活动对煤层瓦斯含量的影响较为复杂。在岩浆接触变质和热力变质的影响下，煤能够再一次生成瓦斯，并由于煤变质程度的提高而增大了吸附能力，因而岩浆活动影响区域煤层的瓦斯含量增大。但在无隔气层的情况下，由于岩浆的高温作用强化了煤层排放瓦斯，从而煤层瓦斯含量减小。故对不同煤田，岩浆活动对煤层瓦斯含量的影响可能是各不相同的。在北票煤田，火成岩侵入区域煤层瓦斯含量较大且煤与瓦斯突出严重。 ⑦水文地质条件 尽管瓦斯在水中的溶解度仅1～4，但在地下水交换活跃地区，水却能从煤层中带走大量瓦斯，从而使煤层瓦斯含量明显减少。例如，南桐直属二井的突出煤层，在地下水活跃区域，煤层瓦斯含量很小，且不发生煤与瓦斯突出。 5