第一章 瓦斯地质基础.pdf

1 第一章 瓦斯地质基础 一、瓦斯的性质和形成 （一）矿井瓦斯的组成和性质 在煤矿井下生产过程中，从煤层、煤层围岩、采空区以及生产过程中产生的各种气体统 称为矿井瓦斯。 矿井瓦斯成分很复杂，主要成分是甲烷 CH4，俗称沼气，其次是二氧化碳 CO2和氮气 N2，另外还有微量或少量的重烃类气体（乙烷 C2H6、丙烷 C3H8、丁烷 C4H10、戊烷 C5H12 等）和氢气 H2、一氧化碳 CO、二氧化硫气 SO2、硫化氢气 H2S 等。 甲烷在煤层气体中的比例可由 0～100，其本身无色无味，但往往因含有少量其它芳 香族碳氢气，而常常伴随有一种苹果的香味。在大气压力炒 760 mmHg、温度 0℃的标准状 态下，每立方米重 0.716 kg，与空气比较，其比重为 0.554，与氧气适当混合具有燃烧和爆 炸性。甲烷本身无毒，但是当空气中瓦斯浓度超过 40时（即空气中氧气含量下降到 12 以下） ，就会使人因严重缺氧而窒息死亡。 煤层瓦斯中甲烷及其它气体的主要物理性质见表 1- 1。 表 1-1 煤层瓦斯中各种气体的主要物理性质 性质 甲烷 CH4 二氧化碳 CO2 一氧化碳 CO 硫化氢 H2S 乙烷 C2H6 丙烷 C3H8 氢 H2 分子量 16.042 44.01 28.01 34.08 30.07 44.09 2.016 密度（kg/m3） 0.7168 1.98 1.25 1.54 1.36 2 0.09 对空气的比重 0.5545 1.53 0.97 1.17 1.05 1.55 0.07 沸点 K（101.3kPa）111.3 194.5 83 211.2 184.7 230.8 20.2 爆炸下限（） （293K，101.3kPa） 5 － 12.5 4.3 3 2.1 4 爆炸上限（） （293K，101.3kPa） 15 － 74.2 45.5 12.5 9.35 74.2 发热量 （MJ/m3，288K） 最高值 37.11 － 11.86 23.50 64.53 96.61 11.94 最低值 33.38 － 11.86 21.63 58.93 88.96 10.07 （二）瓦斯的形成 瓦斯主要是在成煤过程中产生。 煤是由植物遗体经过复杂的生物化学和物理化学作用转 变而成的。瓦斯的主要成分甲烷、重烃、二氧化碳、氢气等，是这一过程中的伴生产物。 成煤的原始物质为植物。高等植物在成煤过程中形成腐殖质，进而成为腐植煤。腐殖质的成 分以芳香族化合物为主，脂类化合物较少，其元素特征是贫氢富氧。腐殖质产生的甲烷量较 多，可达气体成分的 90～95。 低等植物在成煤过程中形成腐泥质， 进而成为腐泥煤腐泥质中脂类化合物相当丰富， 元 素组成特征是氢高氧低， 产生的甲烷量相对较少， 一般为形成的气体成分的 47～70左右。 在植物成煤的第一阶段（泥炭化阶段） ，有机物质的分解是在微生物参与下发生的复杂的生 物化学过程。在这个阶段的早期，植物遗体暴露在空气中或处于沼泽浅部富氧的条件下，由 于氧气和亲氧细菌的作用，遭受氧化和分解。生成的气态产物主要是 CO2、NO 等。在这个 2 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，从而出现了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，碳相对富集起来。纤维素分解的结果如下式所示 OHC 沥青煤224 OH2C 纤维素 695106 O5H2COCH→ 据计算，1 kg 纤维素在变成烟煤的过程中能生成 69.1 kg 甲烷。在此阶段生成的瓦斯， 大部分扩散到空气中，而在泥炭中保存较少。 当泥炭物质由于地壳下降而为其它沉积物覆盖时， 成煤作用就由第一阶段进入第二阶段 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，使泥炭转变为烟煤，烟煤进而转变为无烟煤。在这一过程中生成的 气态产物，是以甲烷为主的气态烃。由褐煤（或泥炭）转化为烟煤的化学反应式为 O3H2CHCOOHCOHC 24254254105557 →烟煤 褐煤泥炭、 在整个煤化作用过程中都有烃类气体组分突出。 根据我国在煤成气研究中对不同矿区煤 样采用热模拟试验的测定结果， 烃类主要生成于气煤至瘦煤阶段， 甲烷主要生成于肥煤至瘦 煤阶段，其主要来源是Ⅲ型干酪根（图 1- 1） 。 二、瓦斯在煤层中的赋存状态 成 熟 阶 段 热解生烃模式 生烃阶段 甲 烷 重 烃 液态烃 非 烃 未 熟 成 熟 高 成 熟 过 成 熟 气 煤 肥 煤 焦 煤 瘦 煤 贫 煤 无 煤 煤 生 油 窗 液 态 烃 重 烃 甲 烷 煤 阶 泥 炭 褐 煤 长焰 煤 R （） 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 生 物 气 阶 段 贫 气 阶 段 性 主 要 生 所 阶 段 重 烃 生 气 期 次 要 生 气 阶 段 图 1- 1 Ⅲ型干酪根热解生烃模式图（据中国煤成气研究 ） 3 掌握瓦斯在煤层中的赋存状态， 对于正确测定和计算煤层瓦斯含量、 研究矿井瓦斯涌出 规律和矿井瓦斯预测都有直接的意义。 （一）煤层中瓦斯的赋存状态 根据实验室和现场的测定结果，瓦斯在煤层中有游离、吸附和吸收三种赋存状态（图 1- 2） 。 图 1- 2 瓦斯在煤体中赋存状态示意图 1煤体；2孔隙；3吸收瓦斯；4游离瓦斯；5吸附瓦斯 1．游离状态 瓦斯以自由的气体状态赋存于煤和岩石的孔隙中。 游离的气体分子在煤体的孔隙中可以 自由运动。并遵循一般的气体定律，从压力大的地方向压力小的地方运移。煤和岩石中的游 离瓦斯含量，取决于孔隙度、裂隙度（自由空间的大小）和它所承受的瓦斯压力。 2．吸附状态 由于瓦斯分子和固体颗粒之间的分子引力，瓦斯分子被吸附在煤体和岩体的微空隙表 面，形成一层瓦斯薄膜。吸附瓦斯就是滞留在煤或岩石微孔隙表面的气体。保存在煤中的瓦 斯有 80％～90％以上呈吸附状态。吸附瓦斯不能自由运动，不服从气体定律。吸附量的大 小取决于煤对瓦斯的吸附能力， 而吸附能力又取决于煤的孔隙率、 变质程度以及外界温度和 压力。 3．吸收状态 瓦斯分子进入煤的分子团中，与煤分子紧密地结合在一起，成固溶体，这和气体被液体 溶解的现象相似。 （二）瓦斯解吸 煤对瓦斯的吸附作用是物理作用， 是瓦斯分子和碳分子相互吸引的结果。 吸附瓦斯和游 离瓦斯处于动平衡状态，吸附状态的瓦斯分子与游离状态的瓦斯分子处于不断地交换之中。 若外界压力降低戒温度升高，或给予冲击和振荡时，影响了分子的能量，则能破坏其平衡， 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。 瓦斯在吸附状态时，不能形成瓦斯的内能。只有通过吸变为游离瓦斯，才能形成瓦斯的 内能。 当煤体中的压力从平衡状态过渡到正常的标准大气压状态下， 煤体释放的瓦斯量就是 煤的解吸瓦斯量（图 1- 3） 。 （三）影响瓦斯吸附的主要因素 1．瓦斯压力 如图 1- 4，吸附等温线是在给定温度下表示吸附瓦斯量 Q吸与瓦斯压力 P 之间的函数关 系的曲线。在较低的瓦斯压力下（P＜1000kPa） ，Q吸与 P 几乎成正比。在较高的瓦斯压力 下（P＞5000kPa） ，吸附瓦斯量 Q吸随瓦斯压力 P 的增长量极微。 2．气体的性质 在给定的温度和压力下，不同气体的吸附量有明显差别（见图 1- 4） 。二氧化碳气体比 1 2 3 4 5 4 甲烷更易被吸附，甲烷又比氮气容易吸附。 3．温度 在相同的平衡压力下，吸附瓦斯量 Q吸随温度升高而降低（见图 1- 4） 。从 26℃起，烟 煤温度每增加 1℃，其吸附量降低 0.8；无烟煤温度每增高 1℃，其吸附量减少 0.6。 4．煤的比表面积 煤的比表面积是指 1g 煤所拥有的表面积，可以通过试验和计算机获得。根据湖南煤炭 研究所的测定结果，煤的吸附瓦斯容量随比表面职增大而增加（图 1- 5） 。 在相同的温度和压力条件下，煤的吸附瓦斯量随煤的变质程度的升高而增大（图 1- 6） 。 三、煤层瓦斯的运移 国内外许多研究者采用试验的方法对不同的煤种的产气量进行了测试和计算 （见图 1- 7、 表 1- 2） 。而现今煤层中的实际瓦斯量只有发生率的 1/10 或更少。这是煤层中的瓦斯在长期 的地质历史过程中运移的结果。 图 1- 4 两个吸附等温线实例（无水无灰基） aCO2（26℃） ；bCO2（44℃） ；cCH4（26℃） ； dCH4（44℃） ；eN2（26℃） 50 40 30 20 10 0 a b c d e 40 30 20 10 0 a b c d e 1000 2000 3000 4000 5000 （kPa） 0 10 20 30 40 50 绝对压力（bar） 烟煤挥发份 27 无烟煤挥发份 5 常温常压下吸附量（m3/t） 0 1000 2000 3000 4000 5000 0 1000 2000 3000 4000 5000 绝对平衡压力 P（kPa） 10 10 20 20 相对平衡压力 P＇ （kPa） x＇ x r r＇ 图 1- 3 解吸能力及总瓦斯含量曲线 P c- 相对压力下的解吸瓦斯含量； P c- 绝对压力下的总瓦斯含量 常温常压吸附量（m3/t） P c P c 5 可以把成煤过程中形成的瓦斯划分为以下几个部分 煤气发生率 Rg植物残体或泥炭演化到某一阶的总产气量，m3/t（可燃基） ； 可燃物 Q（ml/g） 0 5 10 15 20 25 图 1- 5 煤的比表面积与吸附瓦斯容量的关系 250 200 150 100 50 煤比表面积S（m2/g） 成煤作用 煤化作用 变质作用 成岩作用 泥炭化 作用 成煤作用 褐煤 长焰煤 气煤 肥煤 焦煤 瘦煤 贫煤 无烟煤 68 330 400 230 100 145 161 202 219 265 351 76 105- 181 97 52 151 95.6 161.5 192.1 161 68.3 泥炭或植 物纤维质 И.Б 托波列夫 И.Б 科兹洛夫 К 帕特斯卡 RA 莫特 BA 乌斯宾斯基 R 韦德 格德 林丁 300 1300 200 38 图 1- 7 成煤作用各阶段煤气发生率及视煤气发生率 煤质 推算者 气 产 量 m3t 挥发份（） 0 1000 2000 3000 4000 0 10 20 30 40 （kPa） 甲烷压力（bar） 5 10 15 25 30 20 吸附甲烷量CP（m3/t） 图 1- 6 当挥发份为 5～30和温度为 30℃时， 干煤的平均吸附等温线 6 视煤气发生率 Ra从褐煤演化到某种牌号煤的过程中，每 1t 某牌号煤的生气量，m3/t（可燃基） （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； 表 1- 2 煤气发生率和视煤气发生率 煤种 项目 褐煤 长焰煤 气煤 肥煤 焦煤 瘦煤 贫煤 无烟煤 煤气发生率 Rg（m3/t） 38～68 138～168 182～212 199～230 240～270 257～287 295～330 346～422 视煤气发生率 Ra（m3/t） 100～130 144～174 161～192 201～232 219～249 257～262 306～374 （据苏联科兹洛夫） （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、 分析瓦斯分布不均衡的 原因有直接意义。 （一）煤层瓦斯的运移方式 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 uh PPks Q 2 2 2 2 1 − 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 1- 8； u绝对粘度，cP。 渗透率可根据测定的 Q、P1、P2、h、S 和 u 值求得 A P2 P1 h 图 1- 8 瓦斯的单身渗滤示意图 A两侧由不透壁限定的孔隙介质；h介质 厚度；P1、P2进、出孔隙介质的分压 7 2 2 2 1 2 PPS Q k uh − 不同的沉积岩层，其渗透率的差异性是很大的（表 1- 3） 。 表 1- 3 岩石的渗透率 岩石（地区） 渗透率（mD） 太原组砂岩（鄂尔多斯东缘） 0.01～1.03 砂岩（苏联巴库） 达 2500 伍德拜尔砂岩（美国） 19～2300 煤块 0.0001～0.01 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通的作用。 2．扩散 由于气体聚集的浓度不均一， 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 dt 通过面积 ds 的扩散可以用下式表示 ts z c Dmdd d d d⋅− 式中，D扩散系数； C浓度，g/cm3； z c d d 浓度梯度。 不同气体的扩散系数是不同的（表 1- 4） 。 在自然条件下，瓦斯的扩散与渗滤是相互交错进行的。 表 1- 4 正常条件下气体在空气和水中的扩散系数 气体 在空气中 （cm2/s） 在水中 （cm2/s） 气体 在空气中 （cm2/s） 在水中 （cm2/s） 甲烷 0.23 2.210 5 二氧化碳 0.14 1.610 5 乙烷 0.18 1.510 5 氮 1.810 5 丙烷 0.14 1.310 5 一氧化碳 1.510 5 丁烷 0.08 氢 0.16 从大面积讲， 往往是瓦斯通过扩散和渗滤两种方式混合运移， 只是在岩石的某一部位， 或是扩散程度较大，或是渗滤程度较大。 （二）瓦斯运移的动力条件 根据煤成气地质和瓦斯地质的研究， 人们认为造成瓦斯运移的动力条件主要有以下几个 方面 1．地层静压力 地层静压力随着上覆地层的增厚而增大。对下伏沉积物，它的作用主要是压实和固结。 沉积物经过压缩， 煤层和围岩产生压缩变形， 这样就将静压力部分地传递给储存在孔隙中的 瓦斯。一些易于压缩变形的软弱地层，如煤层和泥岩，当压力增加时，随着颗粒排列的调整 有逐渐密集，以及颗粒本身体积的收缩，地层静压力也将较多地传递给孔隙中的瓦斯。而煤 系中较难压缩变形的坚硬岩层，如砂岩和石灰岩，其体积收缩较小，特别是由于砂粒本身的 8 支撑作用，其传递的地层静压较小。因此，在相邻岩层间就产生瓦斯压力差，形成瓦斯的运 移。 2．构造运动力 成煤后的地质构造运动可以使煤层进一步变质和变形， 改变煤岩层的孔隙状态， 产生一 系列新的孔隙、裂隙和断层，形成运移的通道，为瓦斯运移创造了有利的条件。 构造运动力也能直接促使瓦斯的运移， 因为在岩层褶皱和断裂形成的同时， 必然会将一部分 运动力传递给地层中的流体，驱使瓦斯从高压区向低压区运移。 3．浮力 浮力对气体的运移起着重要作用。在天然油气聚集处，总是按比重差产生分异现象，形 成气、油、水三个明显的层次。这种水对油气的浮力，也是油气在在储集层中运移的重要因 素。 按阿基米德原理，水对瓦斯的上浮力应为 gZF gw ρρ − 式中，F单位面积上的浮力，10- 5N； Z连续气相柱的高度，cm； w ρ、 g ρ水、瓦斯的密度，g/cm3; G重力加速度，cm/s2。 由上式可知， 单位面积瓦斯上浮力的大小， 同连续气相柱的高度与水和瓦斯密度差的乘 积成正比。假设储气层中连续的气层厚 1cm，水的比重为 1.00，瓦斯的比重为 0.0008，则 F0.9928/cm20.0001032Tm，如果气层厚/m，则上浮力达 0.103atm，这就可以克服细砂以上 粒级的毛细管阻力，瓦斯向上浮起。连续气相的高度愈大，上浮力愈大。 4．水动力 充满于岩层中的水，在流动过程中能带动瓦斯一起运移。在不同时期，由于地质和自 然地理环境的变化，储气层中水的运动状态（流向和流速）可能有很大的差异性。 推动瓦斯运移的水动值可以用下式表示 hzg∆ − ∆ gw w ρρ ρ 式中， g z∆水动力值； w ρ、 g ρ水、瓦斯的密度； h∆气柱两端的水头差。 除此以外，地温和分子扩散等皆对瓦斯运移有一定影响。由于瓦斯存在运移，形成了瓦 斯的垂直运动、水平运动和沿层运动，所以现今煤层的瓦斯含量分布是不均衡的。 这里所说的运移， 主要是指地质历史过程中产生的运移。 它不同于由于采矿活动所引起的瓦 斯的运动。前者是缓慢地逐步进行的，其流动声是三维空间，范围也比较大。 四、瓦斯分带 赋存于煤层中的瓦斯，由于前述各种原因，通过各种方式由下深处向地表流动。而地表 的空气和生物化学作用所生成的气体， 则沿着煤层和煤层围岩向下运动， 使地壳浅部的气体 形成相反方向的交换运动， 因此造成了煤层中各种瓦斯成分由浅到深有规律地逐渐变化， 这 9 就是煤层瓦斯的带状分布。 根据黎金对苏联顿巴斯煤田的研究，煤层中瓦斯的分布状况由浅到深可划分为四个带 （图 1- 9） ，由上而下依次为二氧化碳－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 表 1- 5 按瓦斯成分划分瓦斯带的标准 组分含量（） 瓦斯带名称 CH4 N2 CO2 二氧化碳－氮气带 0～10 20～80 20～80 氮气带 0～20 80～100 0～20 氮气－甲烷带 20～80 20～80 0～20 甲烷带 80～100 0～20 0～10 瓦斯风化带下部界限的确定， 主要是依据瓦斯成分。 但如果一些矿井缺乏瓦斯成分资料， 还可借助于其它一些指标。确定瓦斯风化带下部界限的指标有 （1）煤层中所含瓦斯的沼气成分大于 80。 （2）煤层瓦斯压力为 1～1.5 kg/cm2。 （3）在同样的自然条件下（水分和温度等） ，与瓦斯压力 1～1.5/cm2相当的瓦斯含量， 或瓦斯含量大于 2t/m2。 （4）矿井相对瓦斯涌出量大于 2 m3/t。 N2- 100 CO2- 0 CH4- 0 CO2- 100 N2- 0 CH4- 100 2 1 3 4 图 1- 10 煤层气体主要化学成分图之一 1- 二氧化碳- 氮气；2- 氮气；3- 氮气- 甲烷；4- 甲烷 A B 1 2 3 4 0 10 20（m3/t） 0 60（） N2 CH4 CH4 CO2 CO2 N2 图 1- 9 瓦斯分带 A含量，m3/t；B占总瓦斯成分的 百分比；1二氧化碳- 氮气带；2氮 气带；3氮气- 甲烷带；4甲烷带 10 由于各个煤田的地质条件不同，瓦斯带的发育情况、瓦斯成分变化情况也不相同。为了 合理地划分煤层瓦斯带， 一般采用绘制三解图的方法， 将一个区域的煤样瓦斯化学成分资料 占。标在三解从标图上，分析其变化规律。如图 1- 10 和图 1- 11，反映了煤层瓦斯成分两种 不同的变化特点。 我国各煤田瓦斯风化带的深度差异很大。开滦赵各庄矿瓦斯风化带深达 480m；湖南红 卫、马田、立新等矿不到 100m；焦作焦西矿 90m；扶顺龙凤矿 200m。我国北方各矿区一 般为 200～300。 影响瓦斯风化带深度发生差异的主要原因是 化学风化作用和水的循环一般是沿着煤层 及其围沿渗透性较大的部分进行的， 它对瓦斯的循环运移起着积极的影响。 这种作用不仅各 个煤田有显著差异， 即使在同一煤层同一深度上瓦斯风化的程度往往也不相同， 以致各瓦斯 带之间的界限不很明显， 而呈犬牙交错状态。 就是在同一水平上也存在着瓦斯带的过渡现象。 五、矿井瓦斯涌出、煤与瓦斯突出概述 （一）矿井瓦斯涌出 矿井瓦斯涌出，是指在开拓、掘进和回采过程中，瓦斯从煤体或岩层中涌向采掘空间的 现象。 1．矿井瓦斯涌出来源 包括开采煤层中的瓦斯涌出、岩层中的瓦斯涌出和邻近煤层的瓦斯涌出 3 个方面。 2．矿井瓦斯涌出量 矿井瓦斯涌出量， 是指煤体或岩层在开采过程中涌入井巷风流中的瓦斯量。 它是确定矿 井瓦斯等级、决定矿井瓦斯管理制度以及矿井通风计算等方面的依据。 矿井瓦斯涌出量的表示方法有两种 1）绝对瓦斯涌出量是指矿井在单位时间内涌出的瓦斯量，m3/d 或 m3/min。 2）相对瓦斯涌出量是指矿井在正常生产情况下，平均每产 1t 煤的瓦斯涌出量，m3/t。 矿井在每年一次的瓦斯等级鉴定工作中， 需要实测上述两种瓦斯涌出量。 矿井瓦斯等级 主要是根据相对瓦斯涌出量确定的，用它作为衡量矿井瓦斯大小的标准（1- 6） 。 表 1-6 我国矿井瓦斯等级划分 矿井瓦斯等级 矿井相对瓦斯涌出量（m3/t） 一级瓦斯矿 ＜5 二级瓦斯矿 5～10 三级瓦斯矿 10～15 以前颁布的规程规定 超级瓦斯矿 ＞15 N2- 100 CO2- 0 CH4- 0 CO2- 100 N2- 0 CH4- 100 2 1 3 4 图 1- 11 煤层气体主要化学成分图之二 1- 二氧化碳- 氮气；2- 氮气；3- 氮气- 甲烷；4- 甲烷；5- 甲烷- 二 氧化碳；6- 二氧化碳；7- 氮气- 甲烷- 二氧化碳 5 7 6 11 低沼气矿井 ≤ 高沼气矿井 ＞10 1986 年颁布的规程规定 煤与瓦斯突出矿井 发生过煤与瓦斯突出 3．矿井瓦斯涌出形式 煤矿井下瓦斯涌出的形式可分为以下三种 1）普通涌出瓦斯从煤层及围岩的暴露面上缓慢、均匀、经常性的涌出。这种涌出煤 层暴露时间长短和煤体的破碎程度有密切关系。 一般煤层可开始暴露时涌出量大， 随时间延 长逐渐减小。工作面落煤破碎程度越大，初期涌出量越大。 2）瓦斯喷出瓦斯从煤、岩层的裂隙或岩石空洞中大量喷出。喷出的瓦斯量小的只有 数米 3，大则可达数十万米3；延续时间短则数天，长则数年，甚至更长。在瓦斯喷出口常伴 有一种嘶嘶声。如果喷出口有积水，则产生沸腾似的现象和喷出水柱。 瓦斯喷出必须有气源和通道。遇到喷出后，应查明其气源和通道，采取引排、堵塞或抽放等 措施。 3）煤与瓦斯突出（简称“突出” ，下同） 这是煤矿井下发生的一种复杂的瓦斯动力现 象，下面要专门叙述，瓦斯喷出及瓦斯突出，都属于特殊瓦斯涌出现象，由于它们各自都有 特殊性，并对煤矿安全生产有较大的影响，所以一般单独进行研究。 （二）煤与瓦斯突出 1．概述 煤与瓦斯突出，是指在采掘过程中煤与瓦斯的突然喷出。这种喷出在短时间内（数分钟 甚至数秒钟）产生很大的冲击力量，破坏工作面煤壁，从煤层深处排出大量的煤和瓦斯，并 伴有强烈的声响和较大的动力效应，如摧毁巷道支护、推翻巷道中存放的矿车和其它设备、 破坏通风措施、使风流反向等等。突出发生后，在煤体中常常形成腹大口小的梨形、舌形甚 至分岔形的特殊孔洞。突出的煤有明显的分选现象，含有经粉碎的大量颗粒极细的“狂粉” 。 突出发生时，突出物能掩埋人体，涌出的大量瓦斯可以造成瓦斯窒息事故，甚至引起瓦斯爆 炸。因此，煤与瓦斯突出是煤矿井下严重的自然灾害之一。 我国有记载的第一次煤与瓦斯突出， 是 1950 年 5 月 2 日在辽源富国西二井距地表 350 m 处煤巷掘进时发生的。自 1951 年起，又先后在北票、天府等地记录到突出现象。之后， 随着北方老矿井的不断延深和南方地质构造复杂矿井的大量开发， 我国煤与瓦斯突出次数与 日俱增。根据重庆煤研所突出档案统计，截至 1981 年底，我国有突出矿井 205 对，已发生 突出 9845 次，其中 1000t 以上的特大型突出 64 次。我国最大的一次煤与瓦斯突出是 1975 年 8 月 8 日在四川三汇坝一井280m 水平（距地表垂深 500m）主平硐揭开 K1煤层时发生 的，突出煤岩 12780t，喷出瓦斯 140 万 m3。 2.矿井瓦斯动力现象分类 矿井中有瓦斯参与，且显现有动力效应的现象，统称为瓦斯动力现象。瓦斯动力现象根据其 主要能源和显现特点的不同，可分为三类 1）突出主要能源是煤与围岩的弹性变形能和瓦斯膨胀能。其主要特点是 （1）抛出物有明显的气体搬运特征，分选性好，由突出空洞向外，块度和粒度都是由 粗变细，抛出物可随巷道拐弯，煤堆积的角度小于自然安息角。大型突出时，煤可堆满数十 甚至数百米巷道，在堆积物顶部往往留下排瓦斯道。 （2） 由于高压气体对煤的破碎作用， 突出物中有大量的极细的煤粉 （微尘） ， 手捻粒感， 有人将其称为“狂粉” 。 （3）抛出煤的距离由数米至数百米，大型和特大型突出可达千米以上。 （4）喷出的瓦斯量大大超过煤层瓦斯含量，突出所形成的冲击波和瓦斯风暴，可逆风 12 数十米至数百米，甚至更远。 （5）动力效应大，能推倒矿车，推移成吨重的巨石，破坏巷道和通风设施。 （6）孔洞形状为腹大口小的梨形、椭圆形，甚至形成奇异的分岔孔洞，孔洞中心线与 水平面的角度不定。 2）压出主要动力能源是煤层和围岩中的弹性变形潜能。主要特点是 （1）抛出物堆积在原来位置的对面，煤堆积的角度一般小于自然安息角。 （2）抛出物没有气体搬运的特征，不具分选性，块度和粒度大小不一，有时煤是整体 位移，从工作面向外鼓，或从底板和上鼓。 （3）有瓦斯涌出，其涌出量一般不大于煤层的瓦斯含量。 （4）动力效应不大，有时可以推移矿车等设备。 （5）压出孔洞为口大腹小的楔形、唇形，有时无孔洞。 3）倾出基本动力能源是煤的自重。主要特点是 （1）倾出的煤按重力方向堆积，即堆积在原来位置的下方，堆积角等于自然安息角。 （2）倾出的煤无分选性，大小块混杂。 （3）倾出煤的距离一般为几米，只是上山倾出可达几十米。 （4）喷出的瓦斯量取决于倾出煤量及煤层中瓦斯含量，一般无逆风流现象。 （5）动力效应较小，一般不破坏支护。 （6）孔洞呈口大腹小的舌形、袋形，孔洞沿煤层倾斜方向延伸。 瓦斯突出类型的鉴定一般由专门人员负责。 3．始突深度 发生突出的最小垂深或突出世界上的垂深称为始突深度。 不同的煤田和矿区的始突深度 是不同的。 根据重庆煤研所全国煤与瓦斯突出档案室截至 1979 年底对我国 97 个瓦斯突出矿 井的统计，始突深度最小为 50 m，最大为 640 m（抚顺老虎台矿） 。分省比较，以湖南省矿 井的始突深度最小， 在该省参加统计的 21 对突出矿井中， 有 8 对小于 100 m， 平均仅 140 m。 始突深度的差异与地质条件有密切关系。 煤的破坏程度、 煤的变质程度和瓦斯风化带深度等， 对始突深度都有影响。 据苏联在顿巴斯煤田的研究， 始突尝试与可燃体挥发分含量和瓦斯风 化带深度成正比关系，并得出了这两个因素与始突深度的相关关系式（详见第二篇） 。 矿井始突深度的分析研究， 是瓦斯突出预测的一项重要内容， 已引起我国有关研究人员的注 意。 （三）关于煤与瓦斯空出机理 煤与瓦斯突出机理的研究， 对于开展瓦斯突出预测预报， 正确地采取防突措施都有理论 和实际意义。 瓦斯突出是一种复杂的瓦斯动力现象。 其发生的突然性和危险性， 使得直接观测突出的 发生和发展过程极为困难。 因而， 目前对突出机理的研究中人是根据突出统计资料、 突出后的现场观测并辅助采用 实验室模拟的方法得出认识，所以存在许多不同的假说。 煤与瓦斯空出机理的主要假说大致人 4 种类型 1．瓦斯的主导作用的假说 这类假说强调瓦斯是瓦斯突出的主要能源。由于对瓦斯能的特点和存在形式认识不同， 又有一些不同的看法。 1）瓦斯包说认为煤层内存在高压“瓦斯包”，被透气性极小的煤体所包围。当工作面 接近这种“瓦斯包”时，高压瓦斯突破煤壁，携带碎煤猛烈喷出，形成突出。此说提倡者有法 国的鲁夫、苏联的贝可夫和英国的果耶。 2）瓦斯水化物说认为在一定的温度、压力下，多孔的煤中有可能形成瓦斯水化物 13 CH46H2O，当它与水结合时，在 1m3的水中可以含有 200m3的瓦斯。煤层中的瓦斯水化物 以不稳定的化合物存在，储藏着巨大的潜能，受到采掘影响即迅速分解，形成高压瓦斯，突 破煤体而造成突出。此说提倡者有苏联的巴利维列夫和马柯贡。 3）突出波说认为瓦斯潜能要比煤的弹性变形能大 10 倍。此说的提倡者有苏联的赫里 斯基阿诺维奇。 4）瓦斯膨胀说认为煤层中存在有高瓦斯含量带，从而引起煤体膨胀并增加煤层压力。 此处煤层透气性接近于零。当巷道接近这一区域时，应力急剧降低，造成煤的破碎和突出。 此说的提倡者有苏联的经克林。 5）火山瓦斯说日本的栗原一雄根据日本突出矿井的调查资料，认为由于火山活动， 煤受到二次热变质，产生热力变质瓦斯和岩浆瓦斯，从而形成高压瓦斯区。采掘时进入这些 地带即能引起突出。 2．地压为主导作用的假说 这类假说认为，突出的主要原因和能源是地压，而瓦斯是次要因素。 1）岩石变形潜能说认为突出的发生，最由积聚在煤层周围的变成弹性岩石的潜能所 引起的， 而该潜能是由于地质历史上的构造运动所造成的。 此说的提倡者有苏联的别楚克和 阿尔沙瓦，法国的莫连，加拿大的伊格那季叶夫和日本的外尾善次郎。 2）集中应力说在固采工作面前方的支承压力带，由于厚弹性顶板悬顶突然沉降及其 所引起的附加应力， 致使煤体在集中应力的作用下遭受破坏而引起突出。 此说的提倡者有苏 联的别洛夫和卡尔波夫。 3）应力叠加说认为瓦斯突出是由于地质构造应力、自重应力、火山与岩浆活动的热 力变形应力、采矿应力和放顶动压等叠加而起的（此说的提倡者有日本的矢野贞三） 。 3．化学本质假说 1）爆炸说认为瓦斯突出是由于煤在很大的深度内变质时发生的化学反应而引起的。 即由于煤的变质，在爆炸性化学转化的物质（爆炸的煤）的介稳区能呈现链锁反应过程，并 迅速地形成大量的 CO2和 CH4，从而引起爆炸煤和瓦斯突出（此说的提倡者有苏联的缪 里尔等） 。 2）重炭说认为在煤的形成时有许多重炭（原子量 13）及带氢同位素（原子量 2）的 重水，它们所形成的重的煤同位素称“重煤”原子。当进行采煤时能发生突出（此说的提倡 者有苏联的盖克） 。 4．综合假说 综合假说种类很多，有代表性的论点是苏联的霍多特于 1976 年提出的。苏联科学院矿 业研究所霍多特等人在实验室中对煤的物理力学性能和瓦斯性能进行了测定研究， 并在压力 试验机上进行了煤和瓦斯突出的模拟试验。然后，从能量的观点，用数学方法分析计算了围 岩的功能、煤层的变形潜能、瓦斯的内能以及造成突出所需要的功能，提出了综合假说。其 主要论点是 （1）煤和瓦斯突出的是地压、高压瓦斯、煤的结构性能等三个因素综合作用的结果， 除地压和瓦斯压力之外，在煤层中不存在任何其它突出能源。 （2） 地压破碎煤体是造成突出的首要原因， 而瓦斯则起着抛出煤体和搬运煤体的作用， 从突出的总能理来说，瓦斯是完成突出的主要能源。 （3）煤的强度是形成突出的一个重要因素，只有当煤强度很低、与围岩的摩擦力不大 时， 地压造成的煤的变形潜能和围岩的功能才可能把煤体破碎， 因此突出往往从煤的软分层 开始。 5．突出的过程 大多数研究者认为，突出的发生和发展要经历如下几个阶段 14 （1）准备阶段能量的积聚阶段，如大的集中压力的形成、瓦斯的正常排放受到阻 碍而形成自由瓦斯聚集带等。 （2）激发（发动）阶段局总煤体的高速破碎和大量吸附瓦斯的解吸阶段。 （3）煤体破碎过程及瓦斯解吸过程的扩展阶段。 （4）煤和瓦斯的抛出阶段（上述 1、2、3、4 阶段有时可循环几次） 。 （5）瓦斯进一步排放阶段即从抛出的煤中、从突出孔洞周围的煤体中继续大量涌 出瓦斯的阶段。从时间看，1、5 两个阶段的时间比较长，有时可达几小时，甚至更长；而 2、 3、4 三个阶段却是在几秒钟、十几秒钟的时间内完成的。当然，对上述几个阶段的细节问 题，上述三因素在各个阶段所起的作用问题，还存在有分歧的观点。