大顺煤矿煤层瓦斯基础参数测定.doc

云南省昭通市镇雄县大顺煤矿开采煤层 瓦斯基础参数测定报告 中国矿业大学 云南方圆中正工贸有限公司 二〇一一年十一月 前 言 瓦斯是煤矿的主要自然灾害之一，长期以来严重威胁着煤矿的安全生产和影响着矿井的经济效益。瓦斯赋存、瓦斯涌出及其防治技术的研究一直是我国煤矿，特别是高、突瓦斯矿井的研究课题。近几年来，少数低瓦斯矿井由于瓦斯规律不明，对突发的局部瓦斯异常涌出常疏于防范，连续发生重大瓦斯事故，给国家和人民的生命财产造成巨大损失；因此，瓦斯研究工作日益受到人们的重视。 大顺煤矿位于云南省昭通市镇雄县，C5b、C6a煤层为大顺煤矿的开采煤层，C5b、C6a煤层的瓦斯基础参数缺乏。C5b、C6a煤层瓦斯参数的测定是否准确决定着大顺煤矿 今后的生产安全状况，决定着大顺煤矿各种通风安全设备和设施的投资是否合理，因此，为保证将来采掘工作面的安全生产，确定主采煤层的煤与瓦斯突出危险性、瓦斯的最终来源，找出大顺煤矿主采煤层的瓦斯赋存、运移和涌出规律，必须进行C5b、C6a煤层瓦斯基础参数的测定与分析工作。 另外，大顺煤矿的煤层瓦斯基础参数和瓦斯涌出状况的测定，为进一步摸清该矿的原始瓦斯含量、瓦斯分布情况及突出危险性，同时也可为今后制定切实可行的瓦斯防治措施提供理论依据。 本报告首先叙述大顺煤矿的生产地质概况、然后在学习瓦斯有关理论的基础上，针对大顺煤矿C5b、C6a煤层的具体情况，把C5b、C6a煤层的瓦斯基础参数测定分为现场 瓦斯参数测定和实验室瓦斯参数测定两部分。本报告的主要内容包括以下几个部分 1）现场瓦斯参数测定及分析 （1）瓦斯压力； （2）瓦斯流量衰减系数； （3）煤层透气性系数 2）实验室瓦斯参数测定及分析 （1）煤质分析工业分析、元素分析、真密度、视密度、孔隙度 （2）煤岩分析分析煤样的破坏类型和各种煤体组成 （3）瓦斯吸附性常数a，b值的测定 （4）煤的坚固性系数f （5）放散初速度△P 3）分析了影响大顺煤矿瓦斯赋存的地质因素。 本项目于2011年10月起，在完成了C5b、C6a煤层瓦斯的现场及实验室基础参数 测定、分析研究工作，现提出总结报告。在开展这一工作的过程中，大顺煤矿等单位的有关领导和工程技术人员给予了大力的支持与帮助，在此谨向他们致以诚挚的谢意。 第I页 目 录 前 言 ........................................................................................................ I 第一章 矿井概况 .................................................................................... 1 1.1 矿山交通位置、矿界范围 ....................................................................................... 1 1.2 井田地质 ................................................................................................................... 2 1.3 矿床开采技术条件 ................................................................................................... 5 第二章 瓦斯地质理论基础 ..................................................................... 7 2.1 瓦斯的性质和形成 ................................................................................................... 7 2.2 瓦斯在煤层中的赋存状态 ....................................................................................... 9 2.3 煤层瓦斯垂直分带 ................................................................................................. 13 2.4 煤层瓦斯的运移 ..................................................................................................... 14 2.5 煤层中瓦斯卸压解吸运移规律 ............................................................................. 16 第三章 煤层瓦斯基础参数测定 ............................................................. 34 3.1 实验室瓦斯参数测定 ............................................................................................... 34 3.2 现场瓦斯参数测定 ................................................................................................. 42 第四章 影响大顺煤矿瓦斯赋存的地质因素分析 .................................. 56 4.1 地质构造对瓦斯赋存的影响 ................................................................................. 56 4.2 小结 ........................................................................................................................... 56 第五章 结 论 ......................................................................................... 57 附 件 ........................................................................................................ 59 采矿许可证 ...................................................................................................................... 59 安全生产许可证 .............................................................................................................. 60 营业执照 .......................................................................................................................... 61 瓦斯等级鉴定书 .............................................................................................................. 62 第II页 第一章 矿井概况 1.1 矿山交通位置、矿界范围 大顺煤矿位于镇雄县城南东103方向，平距约3.5km处，处于镇雄县乌峰镇境内。矿山距镇雄县城5.0km，距贵州毕节市75km，距内昆铁路彝良大寨站210km、威宁站180km，有镇雄至贵州毕节市的老公路从矿区南部通过，交通较为方便。交通位置图见图1-1。 图1-1 交通位置示意图 根据云南省国土资源厅2008年3月颁发的采矿许可证（证号5300000830073）可知大顺煤矿划定矿区面积4.0352km2，由6个拐点圈定，开采标高1610-1090m，其矿区范围坐标见表1-1。 表1-1 大顺煤矿范围拐点坐标表 第1页 1.2 井田地质 1.2.1 区域地层构造 一、区域地层 矿区出露地层有二叠系上统龙潭组（P2l）、长兴组（P2c），三叠系下统卡以头组（T1k）、飞仙关组（T1f）及第四系（Q）。现由老至新分述如下 （一）二叠系上统龙潭组（P2l） 分布于矿区南部，为一套陆相细碎屑岩含煤建造。由细砂岩、粉砂岩及泥岩组成，据岩性组合特征及含煤情况可划分为三个岩性段。 1.下段（P2l 1）为浅灰－深灰色薄－中厚层状细砂岩、粉砂岩、粉砂质泥岩、泥质粉砂岩及泥岩，含菱铁矿结核，局部夹菱铁岩薄层。产植物化石碎片及炭屑，含不可采之薄煤1层（C10）。底部常见厚约1～4m的菱铁质泥岩和凝灰质泥岩。本段地层厚53～63m，平均厚58m。与下伏峨眉山玄武岩组平行不整合接触。 2.中段（P2l2）为浅灰－灰黑色薄－中厚层状细砂岩、粉砂岩、粉砂质泥岩、泥质粉砂岩及（炭质）泥岩，含菱铁矿结核，局部夹菱铁岩薄层。含不可采之薄煤1层（C9）。底部浅灰色中厚层状钙质细砂岩厚1～3m，是划分中段与下段的I1标志层。本段地层厚50～57m，平均厚54m。 3.上段（P2l）为主要含煤段。由浅灰－灰黑色薄－中厚层状细砂岩、粉砂岩、粉砂质泥岩、泥质粉砂岩及泥岩组成。中、下部含鲕粒状及团块状菱铁矿；上部含结核状及条带状黄铁矿。由上至下含编号煤层6层（C5a、C5b－C6a、C6b、C6c、C7、C8），除C5b－C6a为矿区内稳定的可采煤层外，其余均为局部点可采或不可采之薄煤层。含大量较完整的小壳腕足类动物化石，且仅见于C5b－C6a煤层顶板以上。底部浅灰－深灰色中厚层状钙质细砂岩厚1～5m，是划分上段与中段的I2标志层。本段地层厚47～55m，平均厚51m。 （二）二叠系上统长兴组（P2c） 仅在矿区东南角有小面积出露，为一套海陆交互相含煤沉积。由浅灰－深灰色薄－中厚层状（钙质）细砂岩、粉砂岩、粉砂质泥岩、泥质粉砂岩和泥质（晶质）灰岩交互组成，据岩性变化构成3个沉积旋逥。产大量小壳腕足、瓣腮类动物化石及介壳。由上至下含C1、C2、C3、C4四个薄煤层，煤层厚0～0.64m，均不可采。中下部灰－深灰色中厚层状泥质（晶质）灰岩厚5～10m，为区内I6标志层；底部深灰－灰黑色中厚层状泥质灰岩厚1～3m，横向连续分布，是划分长兴组与下伏龙潭组地层可靠的I5标志层。本组地层厚46～54m，平均厚50m。与下伏龙潭组整合接触。 （三）三叠系下统卡以头组（T1k） 第2页 3 条带状小面积分布于矿区南部，为灰绿色中厚层状粉砂岩、粉砂质泥岩与泥质粉砂岩不等厚互层，夹灰岩薄层，具水平层理。含少量动物化石。底部灰色中厚层状晶质灰岩厚1～2m，分布连续，是划分卡以头组与下伏长兴组地层可靠的I7标志层。地 层厚40～67m，平均厚58m。与下伏长兴组整合接触。 （四）三叠系下统飞仙关组（T1f） 大面积分布于矿区的中部及北部地区，主要为细砂岩、粉砂岩、泥岩及灰岩，据岩性组合特征及动物化石群类可划分为六个岩性段。 1.第一段（T1f 1）由灰绿、（灰）紫色中厚层状细砂岩、粉砂岩、粉砂质泥岩、 泥质粉砂岩及灰－灰白色中厚层状鲕状灰岩组成。顶部为灰－灰白色鲕状灰岩夹粉砂岩薄层，灰岩具缝合线构造，含大量小个体海相动物化石，厚7～18m，全区分布连续，是划分飞仙关组第一段与第二段可靠的I8标志层。底部以灰绿色厚层状粉砂岩 与卡以头组分界。本段地层厚49～56m，平均厚53m。与下伏卡以头组整合接触。 232.第二段和第三段（T1f ）因矿区内第三段底部的灰绿色薄层状泥质粉砂岩（I9 标志层）分布不连续，对于清楚地划分第二段和第三段地层带来一定的困难，因此将二者合为一段进行叙述。该段由紫红、灰绿、（灰）紫色中厚层状细砂岩、粉砂岩、粉砂质泥岩、泥质粉砂岩夹薄层状灰岩组成。产大量大小不一的海相动物化石。厚180～204m，平均厚192m。 3.第四段（T1f 4）紫红、灰绿、灰紫色中厚层状细砂岩、粉砂岩、泥质粉砂岩、 粉砂质泥岩不等厚互层，夹灰岩薄层。产大量海相动物化石。底部为灰绿色中厚层状钙质细砂岩，夹紫色泥质粉砂岩薄层，含大量钙质结核，厚1～3m，分布连续，是划分第四段与第三段可靠的I10标志层。本段地层厚50～69m，平均厚55m。 4.第五段（T1f 5）紫红、灰绿、紫色中厚层状细砂岩、粉砂岩、粉砂质泥岩与 泥质粉砂岩不等厚互层。产大量海相动物化石。底部为灰绿色中厚层状粉砂岩，夹细砂岩薄层和生物灰岩条带，厚约2～4m，是划分第五段与第四段可靠的I11标志层。本段地层厚35～53m，平均厚45m。 5.第六段（T1f 6）灰紫、紫色薄－中厚层状泥岩、粉砂岩与钙质细砂岩互层， 局部夹薄层状灰岩条带。底部为灰绿色薄层状细砂岩与粉砂岩，厚约1～3m，是划分 第六段与第五段可靠的I12标志层。本段地层厚42～108m，平均厚80m。 （五）第四系（Qedl、Qcd） 集中分布于矿区南部。残坡积层（Qedl）为紫红、黄褐色粘土、砂质粘土及砂砾石堆积，厚度0～22m，一般厚5～10m。滑坡崩积层（Qcd）为紫红、灰绿色粉砂岩、粉砂质泥岩、细砂岩夹粘土及碎石，由飞仙关组及卡以头组岩层崩落堆积而成，厚度大于20m。与下伏各地层均呈不整合接触关系。 二、构造 第3页 矿区位于镇雄复式向斜南翼西段，总体呈北西－南东向延伸的单斜构造，地层倾向北东，倾角4～17。受区域构造运动控制，北东、北北东向的褶皱及断裂较为发育。据云南省镇雄县镇雄煤矿南部井田中段（北）初步勘探地质报告、矿山生产及本次工作证实，区内共发现次级褶皱4支，断层25条。分述如下 （一）褶皱 1. B103背斜位于矿区西部，延伸长约685m，轴向北北东向，平缓开阔，两翼近于对称。北端被断层破坏，往南为滑坡掩盖，地表迹象不甚明显。对矿区煤层有一定的影响。 2. S103向斜位于矿区东部，延伸长约1900m，轴向北东向，为一宽缓且近于对称的向斜。北部被F625断层切割为两段。向斜西翼倾向北东，倾角5～10；东翼受断层影响，倾向变化较大，倾角4～17。对矿区煤层有一定的影响。 3. B104背斜位于矿区北部，延伸长约500m，轴向北北东向，平缓开阔，两翼近于对称。北端被F627断层切割为两段。规模较小，对矿区煤层基本无影响。 4. S104向斜位于矿区北部，延伸长约720m，轴向北北东向，褶皱平缓开阔，两翼近于对称，中部被F627断层切割为两段。规模较小，对矿区煤层基本无影响。 （二）断层 矿区内断裂构造较发育，共发现断层25条。其中，地层断距大于25m的断层有5条；15～25m的有18条；小于15m的有2条。对矿区可采煤层连续性有较大影响的断层仅有F514一条；其余断层仅对煤系上覆地层有一定的切割，而对矿区可采煤层基本无影响。 矿区构造属中等偏简单类型。 1.2.2 煤层赋存情况 区内长兴组（P2c）及龙潭组（P2l）为一套连续的含煤沉积。据大顺煤矿生产勘 探报告可知，长兴组由上至下含不可采之薄煤四层（C1、C2、C3、C4），单煤厚0～0.64m， 煤系地层平均厚度为50m，煤层总厚0.09～0.99m，含煤系数为0.18～1.98。龙潭组含煤8层，自上而下依次编号为C5a、C5b－C6a、C6b、C6c、C7、C8、C9、C10，其中C5b为矿区内稳定的可采煤层， C6a局部可采并与C5b煤层合并，其余均为局部点可采或不 可采之薄煤层。煤系地层平均厚度为163m，煤层总厚4.91～6.84m，含煤系数为3.01～ 4.20。可采煤层总厚2.27～4.29m，可采含煤系数为1.39～2.63。 矿区内唯一稳定的可采煤层为C5b煤层。呈似层状产出，结构较简单，含夹矸1～ 5层，分别位于煤层的上部、中部和下部。上部夹矸0～3层，上夹矸距煤层顶板0.07～0.14m，距煤层底板3.30～3.87m，厚0.02～0.04m，岩性为灰色高岭石泥岩，为矿区内I4标志层；中夹矸距煤层顶板0.23～0.33m，距煤层底板3.06～3.58m，厚0.03～ 第4页 0.17m，岩性为灰色水云母泥岩，为矿区内I3标志层；下夹矸距煤层顶板0.60m，距 煤层底板3.31m，厚0.07m，为灰黑色炭质泥岩。中部夹矸1～2层，上夹矸距煤层顶板1.90m，距煤层底板2.37m，厚0.04m，岩性为灰黑色炭质泥岩；下夹矸距煤层顶板1.84～2.51m，距煤层底板1.06～2.02m，厚0.10～0.26m，为灰色泥岩及灰黑色炭质泥岩。下部夹矸0～2层，上夹矸距煤层顶板2.37～3.18m，距煤层底板0.88～1.08m，厚0.05～0.10m，岩性为灰黑色炭质泥岩；下夹矸距煤层顶板3.06～3.76m，距煤层底板0.21～0.44m，厚0.06～0.09m，亦为灰黑色炭质泥岩 煤层直接顶板为灰－深灰色中厚层状细砂岩及泥质粉砂岩，局部为浅灰色粉砂质泥岩，厚0.85～9.53m。在直接顶板与煤层间常有厚约0.02～0.05m的薄层状炭质泥岩伪顶，与上下均呈过渡关系。煤层底板为浅灰－灰色薄－中厚层状泥岩，局部为浅灰色泥质粉砂岩，厚1.40～2.63m，含植物根部化石。 1.3 矿床开采技术条件 1.3.1 水文地质条件 矿区地质构造属中等偏简单类型，含煤岩系及围岩层平面展布相对简单，为缓倾的单斜构造，断层较发育，对含水层影响不大；部分矿体位于当地最低侵蚀基准面之下，含矿层直接顶板属弱岩溶化裂隙岩溶含水层，与区域同一含水层有一定水力联系，富水性弱－中等；间接顶板为弱裂隙含水层，为间接充水含水层；含矿层为弱裂隙含水层，富水性弱；底板属相对隔水层。矿床充水主要来源于顶板岩溶裂隙含水层及含矿层裂隙含水层的直接涌入，总体涌水量较大。当采空区于冲沟部位或浅部形成后，其导水裂隙带将达地表，将导致雨季地表或冲沟水入渗矿坑，另外废弃的小窑积水对矿床开采亦有影响，因废弃时间较长，其小窑积水可能有较强的酸性，后期开采矿坑水不能自流排泄。该矿床水文地质条件属以裂隙岩溶含水层直接充水为主的中等偏简单类型。 1.3.2 工程地质条件 该矿床围岩受断裂作用影响较大，围岩岩性组合较复杂，主要由砂岩、泥质粉砂岩及泥岩组成，相间产出，岩石强度差异较大，呈软－硬相间组合，泥岩具软化性，可形成软弱结构面，泥岩基本质量等级为Ⅴ级，作为地下工程岩体无自稳能力。砂岩、泥质粉砂岩岩体中等完整，可采煤层顶板以砂岩类岩层为主，有一定稳固性，在裂隙发育带易发生冒顶，而底板以泥岩为主，浸水后易变形、软化、崩解，可引起底鼓。该矿床工程地质条件属以层状软弱岩组为主的中等类型。 第5页 1.3.3 环境地质质量 矿区山体相对稳定，区内无较大规模的地质灾害现象发生，南部的滑坡崩积体已基本稳定，且分布位置较低，对采矿影响不大；矿床开采可引起采空区地面变形，对地质环境有一定的破坏性，区内无重大污染源，无地热异常现象，含水层地下水水质一般，矿坑水目前水质尚好，排出后对下游污染较小，废弃小窑较多，其积水具较强的酸性，若涌入矿坑，对井下作业有较大的危害，采矿废弃物随意堆放，对土壤和水体有一定的污染隐患，该矿床属氮气－沼气带与沼气带并存的矿床，属高瓦斯矿井，属煤尘无爆炸性危险、煤层自燃的矿床。矿区地质环境质量属中等类型。 综上，矿床开采技术条件属复合问题的中等类型。 1.3.2 瓦斯、煤尘爆炸性和煤的自燃倾向性 1、瓦斯 据大顺煤矿2008年瓦斯等级鉴定结果，瓦斯相对涌出量（q相CH4）为26.55m3/t，瓦斯绝对涌出量（q绝CH4）为2.99m3/min，二氧化碳相对涌出量（q相CO2）为9.57m3/t，二氧化碳绝对涌出量（q绝CO2）为1.08m3/min，该矿井为高瓦斯矿井。 据大顺煤矿2010年瓦斯等级鉴定结果，瓦斯相对涌出量（q相CH4）为46.12m3/t，瓦斯绝对涌出量（q绝CH4）为5.09m3/min，二氧化碳相对涌出量（q相CO2）为6.16m3/t，二氧化碳绝对涌出量（q绝CO2）为0.68m3/min，该矿井为高瓦斯矿井。 2、煤尘爆炸性 大顺煤矿对可采煤层进行过煤尘爆炸性鉴定，鉴定结果为煤层煤组水分（Mad）1.00，灰分（Ad）23.68，挥发分（Vd）10.73，火焰长度为0，抑制煤尘爆炸最低岩粉量均为0，结论为为无煤尘爆炸性。 3、煤的自燃倾向性 据大顺煤矿采样测试结果，可采煤层全硫（St，ad）2.12，真密度（dTRD）1.64g/cm3，煤的吸氧量为0.74cm3/g干煤，煤的自燃倾向性为自燃，煤的自燃倾向性等级为Ⅱ级。 第6页 第二章 瓦斯地质理论基础 2.1 瓦斯的性质和形成 2.1.1 瓦斯的性质概述 瓦斯（methane）是井下煤岩涌出的各种气体的总称，其主要成份是以甲烷为主的烃类气体，有时也专指甲烷，瓦斯的物理与化学性质一般都是针对甲烷而言。瓦斯是在煤炭发育过程中形成的，故也称煤层气。 甲烷是无色、无味、可以燃烧或爆炸的气体。它对人呼吸的影响同氮气相似，可使人窒息。例如，由于甲烷的存在冲淡了空气中的氧，当甲烷浓度为43％时，空气中相应的氧浓度即降到12％，人感到呼吸非常短促；当甲烷浓度在空气中达57％时，相应的氧浓度被冲淡到9％，人即刻处于昏迷状态，有死亡危险。甲烷分子直径0.41nm（1nm10-9m），其扩散度是空气的1.34倍，它会很快地扩散到巷道空间。甲烷的密度为0.716kg／m3标准状况下，为空气密度的0.554倍。甲烷在巷道断面内的分布取决于该巷道有无瓦斯涌出源。在自然条件下，由于甲烷在空气中表现强扩散性，所以它一经与空气均匀混合，就不会因其比重较空气轻而上浮、聚积，所以当无瓦斯涌出时，巷道断面内甲烷的浓度是均匀分布的；当有瓦斯涌出时，甲烷浓度则呈不均匀分布。在有瓦斯涌出的侧壁附近甲烷的浓度高，有时见到在巷道顶板、冒落区顶部积存瓦斯，这并不是由于甲烷的密度比空气小，而是说明这里的顶部有瓦斯源在涌出。 甲烷的化学性质不活泼。甲烷微溶于水，在101.3kPa条件下，当温度20℃时，100L水可溶3.31L，0℃时可溶解5.56L甲烷。甲烷对水的溶解度和温度、压力的关系如图2-1所示。从图中可以看到，当瓦斯压力为50大气压、温度30℃时，其溶解度仅为1％，所以，少量地下水的流动对瓦斯的排放影响不大。 图2-1 纯水对甲烷的溶解度 第7页 瓦斯与氧气适当混合具有燃烧和爆炸性。当空气中的甲烷浓度为516时，遇高温（650750℃）能发生爆炸。瓦斯爆炸事故是矿井的严重自然灾害，一旦发生，会造成大量人员伤亡，为矿井带来巨大的灾难。自1675年英国茅斯丁矿发生第一次大型瓦斯爆炸事故以来，瓦斯爆炸事故还在不断发生，一直是威胁煤矿安全生产的最主要自然灾害。 在煤矿的采掘生产过程中，当条件合适时，还会发生瓦斯喷出或煤与瓦斯突出，产生严重的破坏作用，甚至造成巨大的财产损失和人员伤亡。 瓦斯是一种温室气体 ，同比产生的温室效应是二氧化碳（CO2）的20倍，在全球气候变暖中的份额为15％，仅次于CO2。我国是煤炭生产和消费大国，伴随着煤炭的开采，我国每年向大气排放大量的瓦斯，瓦斯对大气的严重污染已引起广泛关注。 瓦斯是一种优质洁净能源。瓦斯的燃烧热为37 MJ/ m3，相当于11.5 kg烟煤燃烧产生的热量。瓦斯燃烧后的气体不含硫化氢，所产生的污染大体上只有石油的1／40，煤炭的1／800。瓦斯还是重要的化工原料，它还可以转化成合成原料气，制备出合成氨、合成醇、烃类等重要的化工产品。 我国的瓦斯资源丰富，初步估计达30～35万亿m3，相当于450亿吨标准煤。对煤矿瓦斯进行抽放并加以利用，既可大量减少瓦斯事故的发生，又减少对环境的污染，同时为社会提供优质洁净能源和重要的化工原料，带来巨大的经济效益。 2.1.2 瓦斯的形成 在我国矿井的实际条件下，瓦斯主要是指甲烷，是腐植型有机物植物在成煤过程中生成的。煤层中的瓦斯的形成大致可分为两个阶段。 第一阶段为生物化学成气时期，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。由于这一过程发生于地表附近，上覆盖层不厚且透气性较好，因而生成的气体大部分散失于古大气中。随泥炭层的逐渐下沉和地层沉积厚度的增加，压力和温度也随之增加，生物化学作用逐渐减弱并最终停止。 第二阶段为煤化变质作用时期，随着煤系地层的沉陷及所处压力和温度的增加，泥炭转化为褐煤并进入变质作用时期，有机物在高温、高压作用下，挥发分减少，固定碳增加，这时生成的气体主要为CH4和CO2。这个阶段中，瓦斯生成量随着煤的变质程度增高而增多。但在漫长的地质年代中，在地质构造地层的隆起、侵蚀和断裂的形成和变化过程中，瓦斯本身在其压力差和浓度差的驱动下进行运移，一部分或大部分瓦斯扩散到大气中，或转移到围岩内，所以不同煤田，甚至同一煤田不同区域煤层的瓦斯含量差别可能很大。 在个别煤层中也有一部分瓦斯是由于油气田的瓦斯的侵入造成的，例如四川中梁 第8页 山10号煤层的瓦斯有时与底板石灰岩溶洞中的瓦斯相连,陕西铜川焦坪煤矿井下的瓦斯又与底板砂岩含油层的瓦斯有关。有的煤层中还含有大量的二氧化碳，如波兰的下西里西亚煤田的煤层中还有大量的二氧化碳，则是由于火山活动使碳酸盐类岩石分解生产的二氧化碳侵入的结果。在某些煤层中还含有乙烷、乙烯等重碳氢气体。但一般来说，煤田中所含瓦斯均以甲烷为主。 2.2 瓦斯在煤层中的赋存状态 成煤过程中生成的瓦斯以游离和吸附这两种不同的状态存在于煤体中，通常称为游离瓦斯（free gas）和吸附瓦斯absorbed gas。 游离状态也叫自由状态，这种状态的瓦斯以自由气体存在，呈现出压力并服从自由气体定律，存在于煤体或围岩的裂隙和较大孔隙孔径大于10nm 内，如图2-2所示。游离瓦斯量的大小与贮存空间的容积和瓦斯压力成正比，与瓦斯温度成反比。 图2-2 瓦斯在煤内的存在形态示意图 1－游离瓦斯；2－吸着瓦斯；3－吸收瓦斯；4－煤体；5－孔隙 吸附状态的瓦斯主要吸附在煤的微孔表面上（吸着瓦斯）和煤的微粒结构内部吸收瓦斯。吸着状态是在孔隙表面的固体分子引力作用下，瓦斯分子被紧密地吸附于孔隙表面上，形成很薄的吸附层；而吸收状态是瓦斯分子充填到纳米级的微细孔隙内，占据着煤分子结构的空位和煤分子之间的空间，如同气体溶解于液体中的状态。 吸附瓦斯量的多少，决定于煤对瓦斯的吸附能力和瓦斯压力、温度等条件。吸附瓦斯在煤中是以多分子层吸附的状态附着于煤的表面，因此煤对瓦斯的吸附能力决定于煤质和煤结构，不同煤质对瓦斯的吸附能力如图2-3。 第9页 图2-3 不同煤质对瓦斯的吸附能力的示意图 在成煤初期，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瓦斯能力。但褐煤在自然条件下，本身尚未生成大量瓦斯，所以它虽然具有很大的吸附瓦斯能力，但缺乏瓦斯来源，实际所含瓦斯量是很小的。在煤的变质过程中，在地压的作用下，孔隙率减少，煤质渐趋致密。在长焰煤中，其孔隙和表面积都减少，吸附瓦斯能力降低，最大的吸附瓦斯量在2030 m3／t左右。随着煤的进一步变质，在高温高压作用下，煤体内部由于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，因此无烟煤的吸附瓦斯能力最强，可达5060 m3／t。以后微孔又收缩减少，到石墨时变为零，使吸附瓦斯的能力消失。 煤的瓦斯含量和温度、压力的关系，如图2-4。该图是某一煤样的测定曲线。 瓦斯含量m3/t 0123456 瓦斯压力p MPa 图2-4 瓦斯含量和温度、压力的关系 煤体中的瓦斯含量是一定的，但以游离状态和吸附状态存在的瓦斯量是可以相互转化的。例如，当温度降低或压力升高时，一部分瓦斯将由游离状态转化为吸附状态，这种现象叫做吸附。反之，如果温度升高或压力降低时，一部分瓦斯就由吸附状态转 第10页 化为游离状态，这种现象叫做解吸。 图2-5给出了常温下总瓦斯量、吸附瓦斯量和游离瓦斯量随着瓦斯压力的变化曲线，其中，表示吸附瓦斯量的曲线就是人们熟知的吸附等温线。在当前开采深度内，煤层内的瓦斯主要是以吸附状态存在，通常吸附状态的瓦斯占总量的95％。这说明了为什么许多煤层中蕴含了大量的瓦斯。但是在断层，大的裂隙、孔洞和砂岩内，瓦斯则主要以游离瓦斯状态赋存。 在煤体未被扰动的状态下，煤的孔隙和裂隙中的游离瓦斯和吸附瓦斯之间存在一个平衡。但是，如果煤层受到采动影响后，形成的压力梯度使瓦斯流动，煤体内瓦斯压力的降低将促进解吸作用。这个过程将沿着吸附等温线从右向左变化。图2-4和图2-5显示了瓦斯吸附率随着瓦斯压力升高而增加的情况。 图2-5 煤中吸附瓦斯、游离瓦斯及总瓦斯量随压力变化的关系图 描述吸附等温线最常用的数学关系式，是朗缪尔（I.Langmuir）1916年导出的单分子层吸附方程，即 qabp 2-1 1bp瓦斯含量m3/t 式中 q ─ 在给定温度下，瓦斯压力为 p时，单位质量煤体的表面吸附的瓦斯体 积，m3/t 或ml/g； p ─ 吸附平衡时的瓦斯压力，MPa； a、b ─ 吸附常数。a为在给定温度下的饱和吸附瓦斯量或最大极限吸附量，即aq max，m3/t或ml /g ，据实际测定，一般为1455 m3/t。 b为朗缪尔常数，MPa-1，一般为0.55.0MPa-1，1/b是当q/q max＝1/2时的压力。 第11页 图2-6 吸附等温线示意图 吸附常数的值取决于煤体内碳、水分和灰分的含量，以及吸附气体的种类和温度。图2-6表明，对于变质程度较高的煤，瓦斯吸附能力有所增强，这种煤拥有更高的碳含量。煤的表面不仅可以吸附瓦斯，还可吸附二氧化碳、氮气、水蒸气及其它气体，图2-7给出了煤表面对几种不同类型气体的吸附情况。这些分子粘附或被吸附在煤炭 表面，当吸附力超过气体分子间的排斥力时，吸附分子将在表面形成一层致密的单分子层。当气体压力很高时，可以形成两层吸附，不过，第二层的吸附力较弱。 图2-7 25℃下煤炭中CO2、瓦斯和N2的吸附量 温度对煤吸附瓦斯量的影响，可用以下经验公式计算 XtX0e-nt （2-2） 式中 X0、Xt温度分别等于0 ℃和t℃时，煤的吸附瓦斯量，mL/g ； t煤的温度，℃； 第12页 n与瓦斯压力有关的常数，n p瓦斯压力，M Pa。 0.02 0.9930.07p 吸附等温线一般在去除水分和灰分影响的基础上被引用。当煤中含有少量水分时，瓦斯吸附量随着水分的增加而减少，这些天然的水分大部分被吸附在煤炭的表面。但是，当水分达到5时，水分子在煤表面的浸润达到饱和，这时，瓦斯吸附量将不再随水分的增加而变化。艾琴格尔（Ettinger，1958）提出了一个较适用的经验公式来确定煤内水分对瓦斯吸附量的影响 qw1 2-3 qd10.31W 式中 qw 湿煤的瓦斯吸附量，m3/t ； qd 干煤的瓦斯吸附量，m3/t ； W 煤中的水分，。在0到5的范围内（当水分含量高于5时，按5计）。 煤中的灰分一般不具有吸附性，因此瓦斯吸附量随着灰分的增加而减少。为了在无灰分的基础上表示瓦斯含量，需要引入一个修正量， qqa1-0.01A 2-4 式中 q实际瓦斯含量；qa无灰分瓦斯含量；A 煤中的灰分，。 2.3 煤层瓦斯垂直分带 煤田形成后，煤变质生成的瓦斯经煤层、围岩裂隙和断层向地表运动；地表的空气、生物化学及化学作用生成的气体由地表向深部运动。由此形成了煤层中各种气体成分由浅到深有规律的逐渐变化，即煤层内的瓦斯呈现出垂直分带特征。一般将煤层由露头自上向下分为四个瓦斯带CO2N2带、N2带、N2CH4带、CH4带。图2-8给出 了前苏联顿巴斯煤田煤层瓦斯组分在各瓦斯带中的变化，各带的煤层瓦斯组分含量见表2-1。 前三个带总称为瓦斯风化带，第四个带为甲烷带。瓦斯风化带下部边界煤层中的瓦斯组分为80，煤层瓦斯压力为0.10.15MPa，煤的瓦斯含量为23m3/t（烟煤）和57m3/t（无烟煤）。在瓦斯风化带开采煤层时，相对瓦斯涌出量一般不超过2m3/t，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。 第13页 表 2-1 煤层瓦斯垂直分带及各带气体成分表 图2-8 煤层瓦斯垂向分带图 瓦斯风化带的深度取决于煤层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、地下水活动情况等等。围岩透气性越大，煤层倾角越大、开放性断层越发育、地下水活动越剧烈，则瓦斯风化带下部边界就越深。有露头的煤层往往比无露头的隐伏煤层瓦斯风化带深。 位于瓦斯风化带下边界以下的甲烷带，煤层的瓦斯压力、瓦斯含量随埋藏深度的增加而有规律地增长。因此，掌握开采煤田煤层瓦斯垂直分带的特征，确定瓦斯风化带深度，是搞好矿井瓦斯涌出量预测和日常瓦斯管理工作的基础。 2.4 煤层瓦斯的运移 现今煤层中的实际瓦斯量只有原来的1/10或更少。这是煤层中的瓦斯在长期的 第14页 地质历史过程中运移的结果。可以把成煤过程中形成的瓦斯划分为以下几个部分 （1）保存在煤层中的瓦斯； （2）从煤层中运移出来，储集于围岩中的瓦斯； （3）从煤层中运移出来，溶解于地下水中的瓦斯； （4）排放到大气中的瓦斯； （5）聚入煤成气藏的瓦斯。 研究煤层瓦斯的运移方式及运移条件，对估算煤层的瓦斯含量、分析瓦斯不均衡的原因有直接意义。 瓦斯的运移主要有渗滤和扩散两种方式。 （1）渗滤 渗滤是指瓦斯或天然气通过畅通的喉管和裂隙、构造破碎带运移的方式，也称为自由流动或渗透。 瓦斯的渗滤速度按下列公式测定计算 kSP12-P22Q 2-5 2uh 式中 Q在额定压力条件下，1秒钟内通过岩石的瓦斯量，cm3； k渗透率； P1、P2进出孔隙介质的分压，Kg/ cm2； S横截面的面积，cm2； h介质厚度，cm，见图2-9； u绝对粘度，cP。 图2-9 瓦斯的单向渗滤示意图 A两侧由不透壁限定的孔隙介质；k介质厚度； 第15页 P1、P2进出孔隙介质的分压 渗透率可根据测定的Q、P1、P2、h、S和u值求得 Q2uh h 2-6 22SP1-P2瓦斯的渗滤是瓦斯在地壳内部从生成或聚集地点向地表运移的一种极其普遍的作用。 （2）扩散 由于气体聚集地浓度不均一，气体分子由高浓度地段向较低浓度的地方扩散，从而最终达到扩散平衡。 按扩散第一定律，质量为dm的物质，在时间