煤層瓦斯賦存及流動(dòng)規(guī)律

1、煤層瓦斯賦存及流動(dòng)規(guī)律摘要:煤礦井下的瓦斯主要來(lái)自煤層和煤系地層，還與煤的成因息息相關(guān)。 瓦斯在煤層中的賦存狀態(tài)一般有兩種，即吸附狀態(tài)和游離狀態(tài)。而煤層瓦斯含量 實(shí)際上是指吸附瓦斯量和游離瓦斯量之和，其值的大小往往是評(píng)價(jià)煤層瓦斯儲(chǔ)量 和是否具有抽放價(jià)值的重要指標(biāo)。煤層瓦斯含量的多少主要取決于保存瓦斯的條 件，而不是生成瓦斯量的多少，也就是說(shuō)，不僅取決于煤質(zhì)質(zhì)量，而更重要的是 取決于儲(chǔ)存瓦斯的地質(zhì)條件。根據(jù)目前的研究成果認(rèn)為，影響煤層瓦斯含量的主 要因素有:煤層儲(chǔ)氣條件、區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造和采礦工作。另一方面，煤層是孔隙、 裂隙結(jié)構(gòu)組成的物質(zhì)，瓦斯在孔隙中的流動(dòng)主要是擴(kuò)散，在煤層裂隙系統(tǒng)的流動(dòng) 屬于滲

2、透。本文將對(duì)煤層瓦斯賦存及流動(dòng)規(guī)律進(jìn)行闡述，并作簡(jiǎn)單的分析。關(guān)鍵詞：煤層瓦斯賦存流動(dòng)規(guī)律Coal seam gas occurrence and flow patternAbstract: the coal gas mainly comes from coal and coal measure strata, itis closely related to the causes of coal. Gas in the coal seam occurrence state is generally has two kinds, namely the adsorption state and fr

3、eestate. And coal seam gas content actually refers to the amount of gas and free gas quantity, the sum of its value tends to be the size of the evaluation of coal seam gas reserves and is an important index of drainage value. Coal seam gas content depends mainly on save gas conditions, it is not how

4、 much the amount of generated gas, that is to say, not only depends on the quality of coal, but more importantly depends on the geological conditions of gas storage. According to current research argues that the main factors affecting gas content of coal seam are: coal gas storage conditions, region

5、al geological structure and mining work. On the other hand, the coal seam is material composed of pore and fracture structure. Gas flow in the pore is mainly spread in the flow of the fissure system of coal seam belongs to penetration. This article will explain coal seam gas occurrence and flow patt

6、ern, and make a simple analysis.Keywords: coal seam gas ,occurrence,flow ,pattern煤層瓦斯賦存影響因素瓦斯的生成、運(yùn)移、賦存和富集，受地質(zhì)條件的控制。對(duì)于不同區(qū)域、不同煤田或塊段 影響瓦斯賦存的地質(zhì)條件存在著差異,起主導(dǎo)作用的因素也有區(qū)別1。影響煤層瓦斯賦存及分 布的因素是多種多樣的，通過(guò)對(duì)瓦斯地質(zhì)規(guī)律的研究可知，影響煤層瓦斯含量和分布規(guī)律的地 質(zhì)因素主要有:煤層埋藏深度、地質(zhì)構(gòu)造、煤層頂?shù)装鍘r性、煤體結(jié)構(gòu)和煤的變質(zhì)程度等。1.1煤層埋藏深度煤層埋藏深度的增加不僅會(huì)因地應(yīng)力增高而使煤層和圍巖的透氣性降低，而且瓦斯向

7、地 表運(yùn)移的距離也增大，這二者的變化均朝著有利于封存瓦斯，而不利于放散瓦斯的方向發(fā)展。 研究表明：當(dāng)深度不大時(shí)，煤層瓦斯含量隨埋深的增大基本上呈線性規(guī)律增加；當(dāng)埋深達(dá)到 一定值后，煤層瓦斯含量將趨于常量。另外有一些研究表明：1）在煤層瓦斯風(fēng)化帶以下， 煤層瓦斯含量隨著煤層埋藏深度的增加而呈單調(diào)遞增趨勢(shì)。而隨著深度的不斷增加，瓦斯含 量增長(zhǎng)率逐漸減小，達(dá)到一定的深度，煤層瓦斯含量基本保持不變。2）當(dāng)煤層埋藏超過(guò)一 定深度時(shí)，預(yù)測(cè)瓦斯含量呈下降趨勢(shì)2。1.2煤層圍巖煤系地層巖性組合及其透氣性對(duì)煤層瓦斯含量有重大影響。圍巖條件直接影響煤層瓦斯 賦存量的大小，決定了煤層頂?shù)装鍘r性及其透氣性的強(qiáng)弱。頂板

8、巖層越疏松、顆粒及孔隙度 越大,越利于瓦斯運(yùn)移逸散3。煤層及其圍巖的透氣性越小，瓦斯易于保存，煤層的瓦斯含量 就高。甲烷對(duì)煤層及巖石的透氣性系數(shù)表礦井遺弋帷系牧M如2 d 1巖il神撻透氣性曝?cái)?shù)|m- MPa-a - d J本掃20戲網(wǎng)1包11.2 J7.2砂眥蘇0. 0256 OOU籍壁六h$泉巖,白云巖蘇0.028S2 W)0大壤0.4以泥巖芥4T 600tl H地宗博6也。.72l知& B旋邸蛇布由4L Ofl舶短日4翊六枝地親70, 5眇，巖日0中雎山Ki0,LJfi頁(yè)巖日北票冠山OOB-0.228天府腳心城g 0P 004 D4椎南避 _-But(L 226一一港北” &(L 02陽(yáng)

9、璽北30.016一從表中可以看出:可見(jiàn)孔隙與裂縫發(fā)育的礫巖、砂巖和灰?guī)r的透氣性系數(shù)非常大，它比 致密而裂隙不發(fā)育的巖石（如砂頁(yè)巖、頁(yè)巖、泥質(zhì)頁(yè)巖等）的透氣性系數(shù)高成千上萬(wàn)倍；故 而在漫長(zhǎng)的地質(zhì)年代中，會(huì)排放大量的瓦斯。1.3煤變質(zhì)程度煤變質(zhì)程度的增高，使煤層瓦斯生成量增大，煤對(duì)瓦斯的吸附能力增強(qiáng)。所以，煤變質(zhì)程度 高為煤層瓦斯的生成和富集創(chuàng)造了有利條件4。一般情況下，在瓦斯帶內(nèi)，倘若其他因素相 同、煤化作用程度不同的煤，其瓦斯含量不僅有所不同，且隨深度增加其瓦斯含量增加的量 也有所不同。1.4地質(zhì)構(gòu)造地質(zhì)構(gòu)造既可改變煤層賦存形態(tài)及煤體結(jié)構(gòu),又可改變煤層圍巖透氣性能5。具體而言， 影響煤層瓦斯賦

10、存的因素包括以下幾方面：褶曲構(gòu)造、斷裂構(gòu)造，構(gòu)造復(fù)合、聯(lián)合，構(gòu)造組 合以及水文地質(zhì)條件。褶曲使煤層在背斜、向斜軸部增厚，翼部變薄，褶曲發(fā)育部位多為厚煤 層區(qū)段，同時(shí)也呈小斷裂發(fā)育。煤厚發(fā)生變化使瓦斯釋放運(yùn)移、集聚條件相應(yīng)改變褶曲軸部 煤層瓦斯含量成倍增長(zhǎng),瓦斯壓力增大，瓦斯涌出量增高。斷裂構(gòu)造對(duì)瓦斯形成后的運(yùn)移、賦 存與分布起著直接控制作用。張性、張扭性斷裂一般為開(kāi)放性斷層，對(duì)煤層瓦斯的流動(dòng)起到 排放作用，當(dāng)接近此類(lèi)斷層時(shí)煤層瓦斯含量明顯下降;壓性與壓扭性斷層一般屬于封閉性斷層， 對(duì)煤層瓦斯起到封閉作用，不利于瓦斯逸散。在此類(lèi)斷層區(qū)域內(nèi)的煤層瓦斯含量明顯增大6。1.5煤體結(jié)構(gòu)構(gòu)造應(yīng)力使煤層形態(tài)

11、和煤層厚度發(fā)生次生變化,使煤體構(gòu)造遭到破壞。煤層結(jié)構(gòu)的破壞 不僅對(duì)瓦斯賦存有利，而且使煤體強(qiáng)度明顯降低。構(gòu)造煤具有快速解吸和涌出瓦斯的能力、 高吸附能力、低透氣性、高彈性能、低強(qiáng)度,易于形成高應(yīng)力梯度和高瓦斯含量梯度帶。凡 是構(gòu)造煤變厚的地段，瓦斯涌出量明顯增大7。1.6采礦工作煤礦井下采礦工作會(huì)使煤層所受應(yīng)力重新分布，造成次生透氣性結(jié)構(gòu)；同時(shí)，礦山壓力 可以使煤體透氣性增高或降低，其表現(xiàn)為在卸壓區(qū)內(nèi)透氣性增高，在集中應(yīng)力帶內(nèi)透氣性降 低。這種情況會(huì)引起煤層瓦斯賦存狀態(tài)發(fā)生變化，具體表現(xiàn)為在采掘空間中瓦斯涌出量的忽 大忽?。蝗玳_(kāi)采上、下保護(hù)層時(shí)，在保護(hù)范圍內(nèi)，由于煤（巖）體透氣性的增大，使得煤

12、體 中的瓦斯大量釋放。工作面回采時(shí)，由于暴露面積和圍巖移動(dòng)大為增加，近工作面的透氣性較掘進(jìn)巷道時(shí)增 大更多；這種增大往往會(huì)導(dǎo)致瓦斯涌出量的增大；然而回采時(shí)又必然形成具有最大值不斷變化的應(yīng)力集中帶，且其最大應(yīng)力值沿工作面長(zhǎng)度分布，因而又會(huì)造成透氣性降低，而集中應(yīng) 力最大值的增加是因局部集中應(yīng)力引起的，如掘進(jìn)巷道、矸石充填帶、地質(zhì)破壞、工作面形 狀、鄰近層留的煤柱、頂?shù)装鍘r石等的影響。因此，回采時(shí)煤體透氣性變化的特點(diǎn)更為復(fù)雜， 并常常取決于大量的不經(jīng)常明顯表現(xiàn)出來(lái)的因素。這種情況給煤層瓦斯賦存狀態(tài)帶來(lái)的變化 也是十分復(fù)雜的，往往表現(xiàn)出來(lái)的是工作面瓦斯涌出量的變化不定，個(gè)別情況下還容易引起 煤與瓦斯

13、突出。煤層瓦斯流動(dòng)規(guī)律2.1流動(dòng)的原因礦井瓦斯主要生成于煤的變質(zhì)階段，以吸附和游離兩種狀態(tài)存在于煤層中。由于煤層滲 氣性弱，瓦斯在煤層中不易放散，因此瓦斯以具有壓力的氣體存在于煤層中。我國(guó)各主要瓦斯 煤田在目前的開(kāi)采深度上,瓦斯壓力約為1040大氣壓。礦井巷道空間的空氣壓力為1個(gè)大 氣壓，采掘工作破壞了原有瓦斯壓力的平衡;在煤層中形成了流動(dòng)場(chǎng)。這種由高壓向低壓的流動(dòng)大多數(shù)表現(xiàn)為涌出，在特殊情況下也可以形成噴出和突出。煤 面的瓦斯涌出一般隨煤面暴露時(shí)間的增長(zhǎng)而逐漸減少。礦井中各生產(chǎn)地點(diǎn)的瓦斯涌出除了與 地質(zhì)條件、瓦斯壓力、透氣性以及氣候條件等自然因素有關(guān)外，還與生產(chǎn)過(guò)程、采掘方法、 開(kāi)采強(qiáng)度、礦

14、山壓力的活動(dòng)、通風(fēng)制度等采礦因素有著密切的關(guān)系，因此礦井瓦斯的涌出是 不均衡的。除開(kāi)采煤層本身的瓦斯涌出外，鄰近煤層在層間巖石卸壓或破裂以后，也向開(kāi)采空 間放散瓦斯，其涌出規(guī)律與礦山壓力的活動(dòng)和層間巖石性質(zhì)以及頂板管理的方法有關(guān)。2.2流動(dòng)的狀態(tài)煤層中瓦斯流動(dòng)的狀態(tài)隨自然因素和采礦空間的幾何形狀而變化。如按流動(dòng)方向劃分, 基本上可分為單向流動(dòng)、徑向流動(dòng)和球向流動(dòng)。按流動(dòng)場(chǎng)與空間時(shí)間的關(guān)系劃分，則可分為 有限的、無(wú)限的、穩(wěn)定的與不穩(wěn)定的流動(dòng)場(chǎng)8。如下圖所示單可徑向諫向2.3瓦斯流動(dòng)理論煤層瓦斯流動(dòng)理論是專(zhuān)門(mén)研究煤層內(nèi)瓦斯壓力分布及瓦斯流動(dòng)變化規(guī)律的理論，根據(jù)應(yīng) 用范圍和使用條件的不同，煤層瓦斯流

15、動(dòng)理論有以下幾種。線性瓦斯流動(dòng)理論線性瓦斯?jié)B流理論認(rèn)為，煤層內(nèi)瓦斯運(yùn)移基本符合線性滲透定律一達(dá)西定律，1856年, 法國(guó)水力學(xué)家Darcy通過(guò)實(shí)驗(yàn)總結(jié)出了著名的Darcy定律。這個(gè)定律是反映水在巖土孔隙中 滲流規(guī)律的實(shí)驗(yàn)定律。這個(gè)定律說(shuō)明了水通過(guò)多孔介質(zhì)的速度同水力梯度的大小及介質(zhì)的滲 透性成正比。這個(gè)理論同樣適用于瓦斯在每層中的流動(dòng)，瓦斯好比水，煤層孔隙好比多孔介 質(zhì)。瓦斯擴(kuò)散理論煤是一種典型的多孔介質(zhì)，根據(jù)氣體在多孔介質(zhì)中的擴(kuò)散機(jī)理的研究，可以用表示孔隙直 徑和分子運(yùn)動(dòng)平均自由程相對(duì)大小的諾森數(shù)Kn= d/久式中d孔隙平均直徑,m久氣體分子的平均自由程,m將擴(kuò)散分為一般的菲克型擴(kuò)散、諾森型

16、擴(kuò)散和過(guò)渡型擴(kuò)散。KnN 10時(shí)，孔隙直徑遠(yuǎn)大于 瓦斯氣體分子的平均自由程，這時(shí)瓦斯氣體分子的碰撞主要發(fā)生在自由瓦斯氣體分子之間，而 分子和毛細(xì)管壁的碰撞機(jī)會(huì)相對(duì)較少,此類(lèi)擴(kuò)散仍然遵循菲克定理，稱(chēng)為菲克型擴(kuò)散。當(dāng)KnW 0.1時(shí)，分子的平均自由程大于孔隙直徑，此時(shí)瓦斯氣體分子和孔隙壁之間的碰撞占主導(dǎo)地位 而分子之間的碰撞退居次要地位，此類(lèi)擴(kuò)散不再遵循菲克擴(kuò)散而為諾森擴(kuò)散。當(dāng)0.1Kn 10 時(shí)，孔隙直徑與瓦斯氣體分子的平均自由程相似，分子之間的碰撞和分子與面的碰撞同樣重要, 因此此時(shí)的擴(kuò)散是介于菲克型擴(kuò)散與諾森擴(kuò)散之間的過(guò)渡型擴(kuò)散。瓦斯?jié)B透-擴(kuò)散理論瓦斯?jié)B透與擴(kuò)散理論認(rèn)為，煤層內(nèi)瓦斯運(yùn)動(dòng)是包含

17、了滲透和擴(kuò)散的混合流動(dòng)過(guò)程。煤層 中存在相互溝通的裂隙網(wǎng)絡(luò)，沿著這些裂隙網(wǎng)絡(luò)，游離瓦斯流向低壓工作面，而煤體的透氣率 與該裂隙網(wǎng)絡(luò)密切相關(guān)。與此同時(shí),塊煤內(nèi)部的瓦斯解吸，向裂隙擴(kuò)散，因此煤層中瓦斯的滲透 率和介質(zhì)的擴(kuò)散性共同決定了瓦斯的流動(dòng)狀況9。非線性瓦斯流動(dòng)理論著名的流體力學(xué)家EM. Allen指出,將達(dá)西定律用于描述從均勻固體物（煤樣）中涌出瓦斯 的試驗(yàn)，結(jié)果導(dǎo)致了與實(shí)際觀測(cè)不相符合的結(jié)論。從通過(guò)變化壓差測(cè)定煤樣瓦斯?jié)B透率看達(dá) 西定律不太符合瓦斯流動(dòng)規(guī)律。在大量試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上提出了更能符合瓦斯流動(dòng)的基本規(guī) 律一冪定律。地物場(chǎng)效應(yīng)的煤層瓦斯流動(dòng)理論該理論認(rèn)為地應(yīng)力場(chǎng)、地溫場(chǎng)及地電場(chǎng)1。,

18、應(yīng)力史對(duì)瓦斯流動(dòng)場(chǎng)也有重要影響，應(yīng)該考慮 進(jìn)去，修正達(dá)西定律和冪定律11。多煤層系統(tǒng)瓦斯越流理論根據(jù)地下滲流力學(xué)多煤層瓦斯越流的定義，如保護(hù)層開(kāi)采的有效保護(hù)范圍的確定問(wèn)題、 井下鄰近層（采空區(qū)）瓦斯抽放工程的合理布孔設(shè)計(jì)抽放率預(yù)估問(wèn)題、地下多氣層之間煤層氣 運(yùn)移規(guī)律的預(yù)估和評(píng)估問(wèn)題，都可以歸結(jié)為多煤層系統(tǒng)瓦斯越流問(wèn)題。但由于此問(wèn)題的復(fù)雜 性，均未從煤層瓦斯越流的角度去抽象出其普遍規(guī)律并創(chuàng)建多煤層系統(tǒng)瓦斯越流理論，因此, 應(yīng)用流體一巖石的相互作用的觀點(diǎn)創(chuàng)建和發(fā)展煤層瓦斯耦合模型及數(shù)值方法，豐富和完善煤 層瓦斯?jié)B流力學(xué)，這是當(dāng)今該學(xué)科理論研究的前沿課題。結(jié)論每種煤層瓦斯流動(dòng)理論,在一定的簡(jiǎn)化假設(shè)下

19、，已形成了一定的理論體系，并在煤礦安全 生產(chǎn)中起到了一定的作用。但是，由于煤層內(nèi)瓦斯流動(dòng)是一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程，這不僅與煤 的結(jié)構(gòu)有關(guān)，而且受到眾多因素的影響。目前我國(guó)煤礦煤與瓦斯突出事故頻繁發(fā)生，死亡人 數(shù)多，嚴(yán)重影響煤礦安全生產(chǎn)，而瓦斯流動(dòng)規(guī)律對(duì)于預(yù)防煤與瓦斯突出，改善煤層瓦斯抽放 率和煤層氣開(kāi)發(fā)利用具有重要意義，因此煤層瓦斯流動(dòng)理論有待繼續(xù)深入研究12。個(gè)人觀點(diǎn)現(xiàn)在科學(xué)研究在煤層瓦斯的賦存與流動(dòng)規(guī)律方面已經(jīng)取得了很大的成就，我們大部分學(xué) 者花了大量的時(shí)間和精力去學(xué)習(xí)研究前人總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，雖然也會(huì)去實(shí)際的煤礦工作環(huán)境 去考察，但依然無(wú)法避免煤礦事故的頻頻發(fā)生，究其原因還是實(shí)際的煤層瓦斯情況和地質(zhì)條 件復(fù)雜得出乎預(yù)料，雖然現(xiàn)在的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)技術(shù)已經(jīng)很精確，但是有些危險(xiǎn)就是這樣突然的發(fā) 生。我覺(jué)得我們應(yīng)該重視井下工作人員的生命安全，光靠管理人員的監(jiān)督管理政策遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠， 光靠研究那些書(shū)本上的理論知識(shí)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，我們需要從根本上減少事故的發(fā)生，而每當(dāng)事故 發(fā)生時(shí)，井下的工作人員是最先受到威脅的群體，我們需要讓井下工作人員深刻地認(rèn)識(shí)到生 命安全的重要性，加強(qiáng)對(duì)礦工的安全知識(shí)培訓(xùn)，讓