瓦斯地质研究.ppt
瓦斯地质研究与三级瓦斯地质图说明书的编制,施龙青(博士后、教授)山东科技大学,第一节瓦斯赋存的主控因素,概述瓦斯甲烷是古代植物遗体变质成煤过程中的伴生气体。成煤过程泥炭化作用、成煤作用成煤作用成岩作用、变质作用,根本来源泥炭化阶段植物分解、成岩阶段芳香族稠环侧链官能团断裂、褐煤向长焰煤第一次跃变阶段。,,,,煤炭分类无烟煤烟煤长焰煤、不粘结煤、弱粘结煤、1/2中粘结煤、气煤、肥煤、1/3焦煤、肥煤、焦煤、瘦煤、贫煤、贫瘦煤、贫煤褐煤,1t褐煤可产生68m3CH4,1t长焰煤可产生168m3CH4,1t气煤可产生212m3CH4,1t肥煤可产生229m3CH4,1t焦煤可产生270m3CH4,1t无烟煤可产生419m3CH4,瓦斯赋存状态游离态约10-20吸附态80-90溶解态8M46H2O,其中M代表烃液体固态,依据1、液化气压力2.1MPa;2、可燃冰20世纪60年代以来,在冻土带和海洋深处发现,分子结构式为CH48H20。,基本条件首先温度0-10℃为宜,最高限是20℃左右。第二压力要够,但也不能太大,零度时,30个大气压以上它就可能生成。第三,地底要有气源。全球海底天然气水合物中的甲烷总量约为地球大气中甲烷总量的3000倍,瓦斯运移形式渗透瓦斯在地壳深处从形成和聚集地点向地表方向的运移层移深处瓦斯沿煤层或岩层向地表露头方向的运移扩散瓦斯分子向四周自然散布,瓦斯运移基本原因1、浓度扩散平衡2、压力动平衡,水溶性瓦斯气体分子以2种机理溶解于地层水中。间隙填充即水中分子之间存在着一定的间隙,气体分子在压力的作用下可以填充于间隙之中,而且填充于间隙中的气体可以用气体的状态方程描述。温度一定时,溶解度随压力增大而增大,并最终稳定于一个极限值。,水合作用某些气体分子在一定的压力和温度条件下,与水分子结合成水合分子,温度越低,压力越高,生成的水合分子越多,表现为溶气量越大。但当温度低于一定值时,某些气体可在冰点以上与水生成固相水合物。,岩层中瓦斯来源瓦斯在漫长的地质年代中从产气地层运移到适宜形成水溶性瓦斯的储层并储存下来。因此,在煤矿井下掘进过程中,即使在岩层中也有可能遇到含有大量瓦斯的地下水。,实例平煤天安五矿己15和己16、17煤层为例,对近距离煤层群瓦斯抽采技术进行了分析研究。由于己15煤层与己16、17煤层层间距较近且厚度不均,为了防止采掘施工中煤层初期来压的瓦斯突然涌入工作面,在掘进机巷过程中,从打探煤及探构造孔入手,对机巷瓦斯进行了突出预测敏感指标及临界值研究,并实施了立体抽放技术,实现了安全生产。,瓦斯与地质时代关系地质时代越老甲烷含量越高。而且,随着水溶性瓦斯埋藏深度加大,一般甲烷含量增加,二氧化碳含量减少,这种规律性与煤层瓦斯含量的特点类似。,瓦斯的溶解度在1013kPa条件下,当温度20℃时,100L水可溶331L甲烷,而0℃时可溶556L,煤田和水溶性瓦斯往往是伴生的。许多煤矿在开采过程中曾发生过在裂隙中有水和瓦斯喷出,也有的煤层底板积水中有瓦斯气泡冒出,这往往被解释为瓦斯从底板裂隙中涌出,水溶性瓦斯对煤矿安全生产的潜在威胁煤矿工程技术人员对地下涌水中可能含有大量瓦斯缺少基本认识,也就谈不上对水溶瓦斯的预防与控制。在石门巷道掘进穿过泥岩盖层进入含水溶瓦斯的岩层时,就会有大量的瓦斯由于卸压从水中分离出来,导致瓦斯浓度突然升高,很容易造成事故。,当静水压力为5MPa深约500m时,瓦斯中的甲烷在地下水中的溶解度为11m3/m3,以采煤工作面涌水量为30m3/min为例,从地下水中释放出来的瓦斯为33m3/min,稀释这部分瓦斯所需要的风量为330m3/min,相当于中等程度瓦斯涌出工作面的配风量,对没有事先预计的情况下,将使正常生产受到严重影响。尤其一个采区多个地点出现这种情况时,可能形成重大事故隐患,甚至导致被迫停产。,煤层瓦斯含量控制因素1、煤田地质史煤层中瓦斯生成量、煤田范围内瓦斯含量的分布以及煤层瓦斯向地表的运移,归根到底都取决于煤田的地质史条件。,河北开平煤田东欢坨区,石碳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击层沉积前,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1.4-2.2m3/t,2、煤的变质程度通常煤层瓦斯含量随煤的变质程度增高而增加。但当煤由无烟煤向超级无烟煤过渡时,煤的吸附瓦斯能力急剧减小,煤层瓦斯含量将大为降低,几乎为零。,鄂尔多斯盆地东缘石炭一二叠纪煤层从北到南变质程度增高,在埋深等基本地质条件相当的情况下,煤层瓦斯含量增加;又如我国著名的煤层瓦斯富集区如焦作、阳泉、湘中、湘东南、晋城等均分布在高变质的无烟煤地区,也反映了煤变质程度对煤层瓦斯含量的影响。,3、煤岩结构及组分煤的内表面积随着煤的灰分增加而减小,随镜质组含量的增加而增加。,煤中灰分产率是煤在815度的温度下,经完全燃烧后测定的。煤的挥发分产率是把煤隔绝在严密的坩埚内,在900度的高温下加热7分钟,所得挥发分产率。,煤之所以能储集本身生成的大量瓦斯气体是由其吸附性能决定的,而吸咐能力的大小主要与煤孔隙内表面积的大小有关。除了煤的变质程度外,煤岩煤质也是影响煤表面积的重要因素。试验研究证明,煤的内表面积随着煤的灰分增加而减小,随镜质组含量的增加而增加,煤岩组分镜质组壳质组惰性组,天然鳞片状石墨,天然块状石墨,天然金刚石,天然金刚石,天然金刚石,4、煤层埋藏深度随着煤层埋藏深度的增大,煤层瓦斯含量线性增大。如焦作、淮南、柳林及阳泉等矿区。,但是,在许多情况下,煤层瓦斯含量与埋深之间并非呈简单的线性正相关关系,变化梯度随埋深而变化;随着埋深增加瓦斯含量增大,增大的梯度逐渐变小,最后趋于零。,观点1当深度不太大时,煤层瓦斯含量随埋深成线性增加;当深度很大时,煤层瓦斯含量趋于常量。,观点2随着埋深增加,由于温度的升高所导致吸咐甲烷量的减少抵消了压力增加导致的吸咐甲烷量的增高,因此任何地区都有一个吸咐量最大平衡点的埋深。,观点3煤层气含气量在进入一定深度之后,甲烷吸咐量不再随埋深增加是由煤层储气能力决定的,实验研究表明煤层的储气能力是有限的,在达到其极限值后无论压力埋深如何增加,煤层吸咐量则几乎保持不变。如鸡西矿区荣化井田煤层瓦斯含量均符合这一规律,这一现象在前苏联和英国的部分煤田也存在。,值得注意煤层瓦斯含量主要取决于煤层之上连续沉积地层残留厚度,即煤层与其上方区域不整合面之间的地层厚度,而与现今煤层埋深无关。,5、煤层围岩的性质煤层及其围岩致密完整、不透气时,煤层瓦斯易于保存;反之,瓦斯易于逸散。煤层顶底板透气性低的岩层如泥岩、充填致密的细碎屑岩、裂隙不发育的灰岩等越厚,它们在煤系地层中所占的比例越大,则煤层瓦斯含量越高。,如重庆、贵州六枝、湖南涟邵等地区,由于其煤系主要岩层均是泥岩、页岩、粉砂岩和致密的灰岩,而且厚度大、横向岩性变化小,围岩的透气性差,封闭瓦斯的条件好,所以煤层瓦斯压力高、瓦斯含大,这些地区的矿井往往是高瓦斯矿井或煤与斯突出矿井。,6、地质构造条件地质构造条件对煤层瓦斯含量的影响是复杂的。因为它与地质发展史、构造热演化史和构造形态特征密切相关。就构造形态而论,封闭型地质构造有利于封存瓦斯,使煤层瓦斯含量增大;开放型地质构造有利于瓦斯排放,使煤层瓦斯含量减小,褶曲构造在闭合被基岩覆盖和半闭合背斜转折区,由于煤层瓦斯运移路线加长和瓦斯排出口不断缩小,增大了瓦斯的运移阻力,因此,在同一开采深度下,比构造两翼的瓦斯含量大;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,而瓦斯运移通道逐渐扩大的结果。,断裂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,开放性断层是煤层排放瓦斯的通道,在这种断层附近,煤层瓦斯含量减小;封闭性断层本身的透气性差,而且割断了深部煤层与地表的联系,往往使封闭段的煤层瓦斯含量增大。,地应力地应力对煤层的割理发育有着直接的影响作用。经一定的构造运动之后的构造应力松弛无疑对诱导煤层割理的产生、并使其处于开启状态、提高煤层渗透率是有利的。地应力场和瓦斯压力场相互影响,地应力高的地方,瓦斯压力也高,反之,地应力小的地方,瓦斯压力也小。,,岩浆活动在岩浆接触变质和热力变质的影响下,煤能第二次生成瓦斯,且由于受岩浆影响区域煤变质程度的提高而增大了煤的吸附瓦斯能力,所有这些都将使岩浆影响区域煤层的瓦斯含量增大。,但如因岩浆活动导致了煤层围岩特别是隔气层的破坏,则由于岩浆的高温作用可强化煤层瓦斯排放,从而使煤层瓦斯含最减小。,在北票煤田、火成岩侵入区域煤层瓦斯含量变大且煤与瓦斯突出严重。张集煤矿7次煤与瓦斯突出地点均位于岩浆岩侵入体覆盖区以下,且9煤层挥发分由火侵入区外向内逐渐变低,煤种牌号由气煤变化为瘦煤、贫煤、天然焦。在火侵入区瓦斯含量为4.023-9.549m3/,t在非侵入区瓦斯含量0.53m3/t。,7、水文地质条件水文地质条件是煤层瓦斯含量大小的影响因素之一。在地下水交换活跃地区,水不仅能溶解而且能从煤层中带走大量瓦斯,从而使煤层瓦斯量明显减少。,第二节瓦斯地质研究现状,瓦斯涌出量预测技术研究现状矿山统计法依据瓦斯涌出量随开采深度变化的统计规律,外推到预测的新采区。有点操作简单、预测方便缺点条件差异、偏差较大,瓦斯含量法通过计算井下各涌出源的瓦斯涌出量,得到矿井或某一预测范围的涌出量预测值。优点预测准确度高缺点数学模型建立,近年出现的预测方法最小二乘法、数值分析、模糊分形神经网络、时间序列分析。由于复杂性,非线性关系,没有一种有效的方法能够准确预测瓦斯涌出量。,瓦斯排放管理方法研究现状1、瓦斯检查员专职管理专业队伍人数有限,难以覆盖煤矿井下生产流程的全过程和每一个工作地点。同时,其他矿工没有管理瓦斯的责任,也没有相互之间监督安全行为的管理责任,造成了瓦斯管理责任缺失,因此,容易产生违章行为而诱发瓦斯事故。,2、监控系统辅助管理英国的MINOS监测系统、德国的TF-200监测系统、波兰的CMM-20系统、美国的SCADA监测系统、我国自行研制的KJ型系列安全监测系统都在煤矿得到了有效地推广和应用自动检测装置普遍存在灵敏度不稳定、经常发生误报等问题,有时瓦斯超限时,由于瓦斯自动监测装置可靠性差而不能按规定自动切断井下电源。,最优逃逸路径确定方法研究现状“逆新鲜风流逃逸”的原则,即“顶风逃逸”。都是采用“图上作业法”图上作业法操作简单、易于矿工掌握,但没有考虑逃逸路的距离长短,容易造成因逃逸路径太长而意外伤亡。,矿工瓦斯管理技能提升方法研究现状美国矿山安全与健康监察局认为“监察重要,培训比监察更重要”。美国从1996年以来每年牺牲的矿工人数都低于40人,事故率远远低于机械、建筑等行业,成为美国最安全的行业之一。,我国建立了“国家省矿务局煤矿”四级安全培训体系,对各要害工种进行定期培训,并实行“持证上岗”制度。但是,我国的矿工队伍有700万人,都来自经济和文化落后的偏远农村,大部分只有初中以下文化程度甚至文盲。虽然对矿工定期进行了培训,由于没有重视对矿工学习力的开发、提升,矿工在瓦斯管理方面的技能仍然较弱,以致违章操作和安全自我保护能力比较差。,煤矿安全文化建设研究现状安全文化及其模式是1988年国际核安全咨询组织提出的,1992年我国核工业及中国劳动保护科学技术协会的专家开始研究安全文化。尽管广大专家、学者对煤矿安全文化做了大量研究,煤矿企业对安全文化建设也做了大量工作,但煤矿安全事故仍然较高,违章行为仍很严重,这表明煤矿安全文化仍需要进一步改进和加强。,第三节三级瓦斯地质图说明书的编制,0前言1矿井概况1.1交通位置及隶属关系1.2井型、开拓方式及生产能力1.3瓦斯1.4煤层1.5煤质特征1.6岩浆岩1.7水文地质特征,2地质构造及控制特征研究2.1矿区地质构造演化及分布特征2.2井田地质构造及分布特征2.3构造煤发育及分布特征2.4地质构造对瓦斯赋存的控制3矿井瓦斯地质规律研究3.1断层、褶皱构造对瓦斯赋存的影响3.2顶、底板岩性对瓦斯赋存的影响3.3岩浆岩分布对瓦斯赋存的影响,3.4煤层埋深及上覆基岩厚度对瓦斯赋存的影响3.5岩溶陷落柱对瓦斯赋存的影响3.6瓦斯分布及预测研究,4矿井瓦斯涌出量预计4.1矿井瓦斯涌出量资料统计及分析4.2矿井瓦斯抽采资料统计分析4.3矿井工作面瓦斯涌出量预测,5煤与瓦斯区域突出危险性预测5.1煤与瓦斯突出危险性参数测定及统计5.2煤与瓦斯突出危险性影响因素分析5.3煤与瓦斯区域突出危险性预测,6煤层气资源量计算6.1资源量计算方法6.2资源量计算参数的确定6.3资源量计算结果及评价,7矿井瓦斯地质图编制7.1编图资料7.2编图内容和表示方法8结论和建议参考文献附图附表,谢谢联系方式13789879107053286057908shilongqing,