瓦斯地质及其发展.doc

瓦 斯 地 质 第一章 瓦斯地质及其发展 瓦斯地质是应用地质学理论和方法，研究煤层瓦斯的赋存、运移和分布规律，矿井瓦斯涌出和煤与瓦斯突出的地质条件及其预测方法，直接应用于资源、环境和煤矿安全生产的一门新的边缘学科。 一、瓦斯地质学科的形成和发展 60年代初 抚顺煤炭科学研究所对峰峰矿区的瓦斯赋存规律进行了研究。 1965年 杨力生教授对焦作矿务局焦西矿进行了调研。 19721978年 国内不少单位开展了瓦斯突出地质条件的研究工作。 1978年底 焦作矿院和焦作矿务局在焦作召开了我国煤炭史上第一次“瓦斯地质学术座谈会”，首次提出了瓦斯地质这一名称，肯定了瓦斯地质研究的理论意义和实践意义。 1982年6月 煤炭部在四川天池召开的全国第三次煤与瓦斯突出机理和预测预报工作会议上，焦作矿院的瓦斯地质研究成果受到很高的评价。 1983年8月 受煤炭部委托，焦作矿院在秦皇岛举办了全国第一期瓦斯地质工作方法学习班。同年，杨力生教授开始主持全国煤矿瓦斯地质编图项目。 1983年12月 煤炭部颁发了“关于加强瓦斯地质工作的通知”。随后，煤炭部在1986年颁布的煤矿安全规程中加入了瓦斯地质的工作内容。 1985年8月 中国煤炭学会成立了瓦斯地质专业委员会，挂靠在焦作矿业学院，并创办了瓦斯地质期刊。有关院校开始开设瓦斯地质课，并开始招收瓦斯地质研究生。至此，瓦斯地质已逐步发展为一门新的边缘学科。 二、瓦斯地质基础 1. 矿井瓦斯 矿井瓦斯是指从煤层及煤层围岩中涌出的，以及在煤矿生产过程中产生的各种气体的统称。 矿井瓦斯成分很复杂，其主要成分是甲烷CH4，其次是二氧化碳CO2和氮气N2，还含有少量或微量的重烃类气体（乙烷、丙烷、丁烷、戊烷等）、氢（H2）、一氧化碳（CO）、二氧化硫SO2、硫化氢H2S等。 由于甲烷（俗称沼气）是矿井瓦斯的主要成分，因而人们习惯上所说的瓦斯，通常指甲烷而言。 2. 瓦斯的成因 煤层瓦斯是地质作用的产物，是在成煤过程中形成的。 在成煤作用的第一阶段（泥炭化阶段）即能产生瓦斯。在这一阶段的早期，植物遗体暴露在空气中或处于沼泽浅部富氧的条件下，遭受氧化和分解，生成的气态产物主要是二氧化碳CO2、一氧化氮NO等。在这一阶段的晚期，由于地壳下降、沼泽水面上升和植物遗体堆积厚度的增加，使正在分解的植物遗体逐渐与空气隔绝，从而出现弱氧环境或还原环境。在缺氧条件下，因细菌作用分解出甲烷、重碳氢化合物、氢及其它气体。泥炭化阶段所生成的瓦斯，由于接近地表，大部分已扩散到空气中，保存在泥炭中的很少。 成煤作用的第二阶段（煤化作用阶段），在温度、压力和作用持续时间的影响下，泥炭物质产生热分解，引起一系列的物理化学变化，使泥炭转变为褐煤，进一步可转变为烟煤和无烟煤。在这一过程中可生成大量的以甲烷为主的气态产物。 许多研究者采用实验方法对不同煤种的产气量进行了测试和计算。据前苏联和美国的一些研究结果，生成一吨褐煤可产生68m3瓦斯；生成一吨肥煤可产生230m3瓦斯；进入无烟煤时，瓦斯总体积超过400m3（表1-1）。这些研究结果都说明，煤层瓦斯绝大多数是在煤化作用过程中产生的。而现今煤层中所含的瓦斯只占生成量的很小部分，这是煤层中的瓦斯在长期的地质历史变迁中运移的结果。 表1-1 形成一吨煤的产气量 褐 煤 肥 煤 瘦 煤 无烟煤 68m3 230 m3 330 m3 400 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8090，游离瓦斯量占1020；在吸附瓦斯量中，又以煤体表面吸着的瓦斯量占多数。 5 4 3 1 2 1-煤体；2-煤中孔隙3-吸附瓦斯 4-游离瓦斯；5-吸收瓦斯 图1-1 瓦斯在煤体中的赋存状态 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（） CH4 N2 CO2 二氧化碳氮气带 氮气带 氮气甲烷带 甲烷带 010 020 2080 80100 2080 80100 2080 020 2080 020 020 010 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 ⑴ 煤层中所含瓦斯的CH4成分达80； ⑵ 煤层瓦斯压力为0.1～0.15MPa； ⑶ 在同样自然条件下（水分和温度等），与煤层瓦斯压力0.1～0.15MPa相当的瓦斯含量； ⑷ 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 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。 吸附瓦斯量（cm3/g） 石墨 长焰煤 褐煤 无烟煤 图1-2 不同变质程度煤对瓦斯的吸附能力示意图 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。 28 24 20 16 12 8 4 1/Д 3/Г 5/K 7/T 9/ПA 11/A1 13/A3 x（m3/t） 1000 3000 5000 7000 假定的坳陷刻度（m） 图2-6 煤层的平均甲烷含量与其变质程度的定量关系曲线 1σ；2；3-σ 3 2 1 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。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20～30m3/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50～60m3/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）。 图1-4 内蒙古自治区煤变质及瓦斯分带图 煤种及瓦斯分带界线 省界线 市 镇 低沼气矿井 高沼气矿井 国 界 嘉峪关 阿拉善右旗 银川 渤海湾 包头 呼市 张家口 承德 赤峰 通辽 白城 西乌旗 东乌旗 齐齐哈尔 牙克石 满洲里 低 变 质 中 及 高 变 中 质 变 低 质 低 瓦 斯 带 带 斯 瓦 瓦 斯 带 低 二连 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12～16m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0.025～0.05μm的孔隙；粉砂组分含量为50％时，优势孔隙则为0.08～0.16μm。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，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。 图1-5 几种不同的顶板变形 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）。 图1-6 不同岩性的岩层中节理的特点 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 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，成为逸散的屏障。前者称开放型断层， 6