瓦斯地质学重点.doc

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。 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. 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。煤是三相物质的复合物，又是有机质和无机质的复合物 。 有机显微组分被划分为三组镜质组、惰质组、壳质组。其中镜质组是主要组分，通常占70％以上。 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。 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。 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CH45。煤矿瓦斯一般都是干气。 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CO2N2带、N2带、N2CH4带和CH4带；采煤界习惯将前三个带统称为“瓦斯风化带”。 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。 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”）。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。 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。 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。 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。 气体在煤层内有三种基本赋存状态，吸附气、游离气和溶解气；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。 吸附等温曲线（adsorption isotherm curve）在温度恒定的条件下，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表示。 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；②吸附剂（固体）的性质；③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。④吸附质（气体）的平衡压力一般加压到6 Mpa左右。 ①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。 ②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。 ③吸附时间累计解吸出的气量占总吸附气量（包括残余气）的63.2所需的时间，单位是小时或天数。 ④煤储层压力煤储层孔隙内流体所承受的压力，常以兆帕〔斯卡〕MPa为单位。 ⑤煤储层压力梯度在单位垂直深度内，煤储层压力的增量。 ⑥煤储层压力系数实测储层压力与同深度静水压力之比。 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。 ⑨废弃压力（abandonment pressure）在现有经济技术条件下，煤层气井疏水降压所能达到的最低井底压力，又称枯竭压力。 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生的运移。其过程可用菲克扩散定律描述。 努森数孔隙直径与气体分子的平均自由程的比值，即。 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的运移，其过程可用达西定律描述。 影响煤层内瓦斯赋存和运移的地质因素 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。 绝对瓦斯涌出量单位时间内矿井排出的瓦斯量， 相对瓦斯涌出量一昼夜时间内平均每产出1吨煤，矿井排出的瓦斯量 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。 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。 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。 煤与瓦斯突出简称突出破碎的煤、岩石和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。 按照强度分类 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。 按突出机理分类压出、倾出和喷出（突出）。 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。 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。 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。 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，简称突出矿井。 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。 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一种猛烈氧化反应，伴有高温及压力（压强）上升的现象。 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。 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。 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。 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。 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，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。 总体上随着破坏程度增加，透气性降低。 在构造应力作用下，煤的原生结构构造遭受破坏，形成碎裂状、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。 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。 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。 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。 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。 我国瓦斯分布的总体规律是南方瓦斯大，北方瓦斯较小。 在构造性质近似的情况下，新构造比老构造透气性要好些。 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；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；再向外，则进入正常地带，压力和瓦斯均恢复常值。形成了瓦斯在褶曲构造中呈驼峰型曲线分布。 在断层处，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；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。 传统的煤与瓦斯突出危险性预测方法 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。 煤与瓦斯突出预测的地球物理方法 探测方法包括 1 地震波法槽波CT（槽波透射）、槽波超前探（槽波反射）、频谱分析 。 2 电磁波法无线电波透视坑透、地质雷达。 3 地球物理测井声波速度测井、电阻率测井、自然测井、-射线测井（或密度测井）。 监测方法包括 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 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） 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。 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 石门揭开突出煤层的方法 1震动放炮 2多排钻孔 3水力冲孔 4金属骨架 煤巷掘进的防突措施 1、超前钻孔 2．水力冲孔 3．深孔松动爆破 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。 根据钻井的功能分资料钻井，测试钻井，生产井和观测井。 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。 三、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“1500/2000m线”原则。以2000m为计算单元的底界，深度1500m以浅和深度1500～2000m之间的煤层气分别计算；其中，1500～2000m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。