煤層瓦斯的生成與賦存

1、煤 礦 瓦 斯 災(zāi) 害 防 治煤層瓦斯的生成與賦存1瓦斯是煤礦安全的“第一殺手”表 新中國(guó)成立以來的100人以上的礦難序號(hào)時(shí)間地點(diǎn)性質(zhì)死亡人數(shù)1950年2月27日8：45河南宜洛煤礦老李溝井瓦斯爆炸1871954年12月6日內(nèi)蒙古包頭大發(fā)煤礦瓦斯爆炸、煤塵爆炸、火災(zāi)1041960年5月14日同華煤礦發(fā)生煤量1000t的突出1251960年11月28日17：55河南平頂山礦務(wù)局龍山廟礦瓦斯煤塵爆炸1871960年12月15日12：40中梁山煤礦南井瓦斯煤塵爆炸1241975年5月11日8：11陜西銅川礦務(wù)局焦坪煤礦前衛(wèi)井瓦斯煤塵爆炸死亡10121977年2月24日9：18江西豐城礦務(wù)局坪湖煤礦瓦

2、斯爆炸死亡1141981年12月24日17：00河南省平頂山礦務(wù)局五礦瓦斯煤塵爆炸1331991年4月21日16：05山西省洪洞縣三交河煤礦瓦斯煤塵爆炸147101994年1月24日11：25黑龍江雞西礦務(wù)局二道河子煤礦多種經(jīng)營(yíng)公司七井瓦斯爆炸99 (含37名女)111996年11月27日12：09山西省大同市新榮區(qū)郭家窯鄉(xiāng)東村煤礦瓦斯煤塵爆炸114122000年9月27日20：30貴州省水城礦務(wù)局木沖溝煤礦四采區(qū)41114機(jī)巷瓦斯爆炸1623132002年6月20日黑龍江雞西礦務(wù)局城子河煤礦西二采區(qū)瓦斯爆炸死亡124142004年10月20日河南鄭州大平煤礦瓦斯爆炸148152004年11月

3、28日陜西省銅川礦務(wù)局陳家山煤礦瓦斯爆炸166162005年2月14日遼寧省阜新礦務(wù)局孫家灣煤礦瓦斯爆炸214172005年12月7日河北唐山市劉官屯煤礦瓦斯爆炸108182007年12月5日山西省臨汾市洪洞縣新窯煤礦瓦斯煤塵 爆炸1054 瓦斯爆炸后果舉國(guó)震驚，世界震驚。嚴(yán)重危害社會(huì)的安定，損害了國(guó)家的形象。5溫家寶總理看望陜西省銅川礦務(wù)局陳家山礦難家屬。6四川省2007年112月份瓦斯事故統(tǒng)計(jì)表全省合計(jì)鄉(xiāng)鎮(zhèn)煤礦國(guó)有重點(diǎn)備 注起數(shù)死亡人數(shù)起數(shù)死亡人數(shù)起數(shù)死亡人數(shù)鄉(xiāng)鎮(zhèn)煤礦為9萬噸以下礦井22642160147第一節(jié) 煤礦瓦斯的基本認(rèn)識(shí) 1.1 瓦斯的定義 瓦斯 是指在煤礦生產(chǎn)過程中，從煤層、巖

4、層和采空區(qū)放出的，以甲烷（CH4）為主要成分的各種有害氣體的總稱。 主要成分：甲烷（主要成分）、二氧化碳、氮?dú)?，還有少量的乙烷、乙烯、氫氣、一氧化碳、二氧化碳、硫化氫和二氧化硫等。 我國(guó)規(guī)定：礦井中主要由煤層氣構(gòu)成的以甲烷為主的有害氣體叫瓦斯。 狹義而言：瓦斯有時(shí)專指甲烷。81.2 瓦斯的生成 煤的形成大可分為兩個(gè)時(shí)期或階段： 第一階段：泥炭化階段，生成的氣體物質(zhì)主要為CH4、CO2和H2O。這一過程發(fā)生于地表附近，生成的氣體大部分散失于大氣中。 第二階段：煤化作用階段，是煤質(zhì)變化成氣時(shí)期。生成的氣體物質(zhì)主要為CH4、CO2。 煤層瓦斯瓦斯沿深度呈帶狀分布： 當(dāng)煤層有露頭或在沖沖積層下有含煤地

5、層時(shí)，煤化過程生成的瓦斯經(jīng)煤層、上覆巖層和斷層不斷由煤層深部向地表運(yùn)移；而地表的空氣和生物化學(xué)生成的氣體，則由地表向煤層深部滲透和擴(kuò)散。由于這兩種反向運(yùn)移的結(jié)果，造成了煤層瓦斯組分沿賦存深度的帶狀分布。如下圖1-3所示。9 圖1-3頓巴斯煤田煤層瓦斯組分在各瓦斯帶中的變化氮?dú)舛趸紟В坏獨(dú)鈳?；氮?dú)饧淄閹?；甲烷?0 瓦斯帶的前三帶統(tǒng)稱為瓦斯風(fēng)化帶。瓦斯風(fēng)化帶下部邊界煤層中甲烷組分含量為80%；煤層瓦斯壓力為0.10.15MPa，煤的瓦斯含量為23%（煙煤）和57%(無煙煤)；在瓦斯風(fēng)化帶開采煤層時(shí)，其相對(duì)瓦斯涌出量一般不超過2m3/t。1112圖1-4 各煤化階段甲烷生成量曲線13 由上圖1

6、-4可以看出， 成煤過程生成的瓦斯量是很大的，最高可達(dá)300400m3/t ，但煤礦開采實(shí)踐表明。煤層瓦斯含量一般不超過2030 m3/t，由此看來，成煤過程生成瓦斯的絕大部分已經(jīng)逸散到大氣中，擴(kuò)散到煤層圍巖或運(yùn)移至儲(chǔ)氣構(gòu)造形成煤層氣田。141.3 瓦斯生成的影響因素及其分析 在煤化作用過程中，瓦斯將不斷地產(chǎn)生，煤化作用程度越高，累積產(chǎn)生的瓦斯量就越多，其主要原因是：第一，煤層瓦斯的伴生量直接依賴于煤化作用程度；第二，隨著煤化作用程度的加深煤的氣體滲透率下降，煤的儲(chǔ)氣能力提高，氣體沿煤層向地表運(yùn)移能力減弱； 第三煤化作用程度越高，煤中微孔隙和超微孔隙所占比例提高，煤的吸附能力增強(qiáng)。因此煤化作用

7、程度不僅影響瓦斯的生成量，而且對(duì)瓦斯的吸咐能力也有影響。在成煤初期，褐煤的結(jié)構(gòu)疏松，孔隙率大，瓦斯分子能滲入煤體內(nèi)部，但是，由于該階段瓦斯生成量較少且不易保存，煤中實(shí)際所含瓦斯量并不大。15 在變質(zhì)作用過程中，由于地應(yīng)力的作用，煤的孔隙率減少，煤質(zhì)漸趨致密，如長(zhǎng)焰煤，其孔隙和比表面積都比較小，所以吸咐瓦斯的能力并不大，其吸附量一般在：20m3/t30m3/t。隨著變質(zhì)作用程度提高，在高溫、高壓作用下，煤體內(nèi)部因干餾作用而生成許多微孔隙，使煤的表面積到無煙煤時(shí)為最大；因此，無煙煤吸附瓦斯的能力最強(qiáng)，可達(dá)50m3/t60m3/t。以后，煤體內(nèi)部的微孔又收縮、減少，到石墨時(shí)變?yōu)榱?。從而?dǎo)致吸附瓦斯能

8、力消失（圖1-5）。圖1-5 不同煤級(jí)煤對(duì)瓦斯的吸附能力161.3 瓦斯在煤體中的存在狀態(tài)1）游離狀態(tài)2）吸附狀態(tài) 圖1-6 瓦斯在煤體中存在的形態(tài)示意圖1-游離瓦斯；2吸附瓦斯 ；3吸收瓦斯；4煤體；5孔隙17瓦斯在煤層中的存在狀態(tài)，有吸附、游離兩種狀態(tài)，其中吸附是主要的，大致占80%90%。1m3煤可以吸附3040m3的瓦斯。吸附瓦斯與瓦斯壓力有關(guān)，當(dāng)煤層的瓦斯壓力逐漸變小時(shí)，吸附瓦斯就會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)橛坞x瓦斯，反之也對(duì)。故煤體中的吸附瓦斯和游離瓦斯，是處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。原始煤層經(jīng)采動(dòng)，采、掘工作面前方煤壁的游離瓦斯首先涌向采掘工作面空間，越靠近煤壁，瓦斯壓力越小，吸附瓦斯則越容易轉(zhuǎn)變?yōu)橛坞x瓦斯-

9、即所謂解吸。隨著工作面向前推進(jìn)，煤層內(nèi)的瓦斯就將不斷涌向采掘空間。18圖1-7 瓦斯含量與溫度、壓力的關(guān)系19 煤的瓦斯含量與溫度、瓦斯正力的關(guān)系如圖1-7所示，該圖是某一煤樣的測(cè)定曲線，從中可以看出：由吸附瓦斯和游離瓦斯組成的總瓦斯量隨瓦斯壓力增大而提高，隨溫度的升高而降低。這是因?yàn)樵谝欢囟认?，?dāng)瓦斯壓力升高時(shí)，則意味著單位體積內(nèi)瓦斯分子數(shù)增加，從而增大了瓦斯分子與煤體吸附機(jī)會(huì)；當(dāng)吸附量增加到一定程度后，就漸趨于飽和；目前認(rèn)為，一般在瓦斯壓力超過5MPa以后，吸附量基本上達(dá)到飽和范圍。20煤與瓦斯一對(duì)雙胞胎21 瓦斯是與煤同時(shí)生成的，并存儲(chǔ)于煤層和圍巖之中，煤的地方必然有瓦斯。我們采煤時(shí)，

10、瓦斯必然涌出來。不僅采落的煤炭涌出瓦斯。煤壁、煤層頂?shù)装?、采空區(qū)、鄰近的煤層都會(huì)向采掘工作面涌出瓦斯。因此，在煤礦井下，瓦斯時(shí)刻威脅著我們。 煤層附近的巖層，比如砂巖、石灰?guī)r中，也可能存儲(chǔ)瓦斯，巖石內(nèi)的瓦斯，主要是游離瓦斯。221.4 瓦斯的性質(zhì) 瓦斯的性質(zhì)是瓦斯所含各個(gè)成分性質(zhì)的總和。 甲烷（CH4）性質(zhì) 無色、無嗅、無味的可燃?xì)怏w； 比重0.554，比空氣輕；微溶于水，具有強(qiáng)擴(kuò)散性，其擴(kuò)散速度是空氣的1.34倍； 在微風(fēng)或無風(fēng)的巷道中，由于瓦斯輕，易浮在巷道頂部，所以要規(guī)定風(fēng)流的最低風(fēng)速，防止瓦斯積聚。23 有燃燒和爆炸性；24甲烷燃燒和爆炸的條件: （1）必須有高溫?zé)嵩椿蚧鹪匆蓟蛞?/p>

11、 （2）甲烷濃度在516時(shí)才具爆炸性；這就是爆炸界限。當(dāng)濃度為9.5時(shí)，爆炸的危險(xiǎn)性和爆炸威力最大。 瓦斯?jié)舛仍?%5%，為助燃區(qū)間；而瓦斯在大于16%時(shí)，為擴(kuò)散燃燒區(qū)，即在與空氣混合的界面上可被點(diǎn)燃；在5%16%為爆炸區(qū)，這是最危險(xiǎn)的、過去最容易發(fā)生的。 （3）空氣中氧的含量要高于12。25 空氣中甲烷含量達(dá)到一定濃度(超過40)時(shí)，可使人窒息。 川南某重災(zāi)國(guó)有煤礦1970到1993年發(fā)生的瓦斯事故，死亡54人，其中28人是窒息死亡的，占51.85%。溫室效應(yīng)性 溫室效應(yīng)是CO2的21倍。目前瓦斯抽出來后要強(qiáng)調(diào)利用。26井下瓦斯含有的主要有毒有害氣體 名 稱 主要危害 不允許超過濃度(%)

12、二氧化碳 微毒 窒息 總回風(fēng)0.75采掘進(jìn)風(fēng)0.5采掘地點(diǎn)1.5 一氧化碳 劇毒 0.0024 二氧化氮 劇毒 0.00025 二氧化硫 劇毒 0.0005 硫化氫 劇毒 0.00066 271.5 煤層瓦斯含量及影響因素 瓦斯含量定義 計(jì)算瓦斯含量： 式中： X煤層瓦斯含量，m3/t； a吸附常數(shù)，試驗(yàn)溫度下的極限吸附量，m3/t； b吸附常數(shù)，MPa1； P煤層絕對(duì)瓦斯壓力，MPa； Aad煤的灰分，； Mad煤的水分，； K煤的孔隙體積，m3/m3； 煤的視密度，t/m3。28 1）地質(zhì)部門提供的瓦斯含量（數(shù)據(jù)）認(rèn)識(shí)ml/g,r(“g,r”克可燃物、或克純煤)，m3/t,r(“t,r”-

13、噸可燃物、或噸純煤）； 煤層瓦斯含量X XX0（100AadMad）/1002）煤層瓦斯壓力變化規(guī)律 PP0m(Z-Z0) P在深度為Z處的瓦斯壓力，MPa； P0 瓦斯風(fēng)化帶深度的瓦斯壓力，0.150.25MPa； Z0 瓦斯風(fēng)化帶深度，m； m 瓦斯壓力梯度，MPa/m，取0.010.005 一般情況下，煤層的瓦斯壓力隨深度的增加而有規(guī)律地增加，可能大于、等于或小于同水平靜水壓力。個(gè)別地區(qū)，如地質(zhì)構(gòu)照附近瓦斯壓力可能異常。如淮南潘集一號(hào)井，垂深650m的一號(hào)石門內(nèi)測(cè)得瓦斯壓力為4.2 MPa，而在其相鄰的另一石門內(nèi)測(cè)得0.6 MPa?？梢?，煤層瓦斯的壓力應(yīng)該進(jìn)行實(shí)際測(cè)量。 29（3）取煤樣

14、送檢測(cè)定煤吸附瓦斯常數(shù)a（即噸可燃物極限吸附瓦斯量）和b、（視密度）、K（孔隙率）等。3031 左圖為煤的吸附瓦斯量和游離瓦斯量以及總瓦斯量之間的關(guān)系，從中可以看出：在瓦斯壓力比較低時(shí)，吸附瓦斯量占絕大部分，隨著瓦斯壓力的增大，吸附瓦斯量漸趨飽和。而游離瓦斯所占的比例逐漸提高，因此，在深部地層中，當(dāng)瓦斯壓力較高時(shí)，煤層和巖層孔隙中所含有的游離瓦斯量，往往可以達(dá)到相當(dāng)大的數(shù)值。321.6 煤層瓦斯含量影響因素 煤體在從植物遺體到無煙煤的變質(zhì)過程中，每噸煤至少可以生成100m3以上的瓦斯。但是，在目前的天然煤層中，最大的瓦斯含量不超過50m3/t。究其原因，一方面是由于煤層本身含瓦斯的能力所限；另

15、一方面是因?yàn)橥咚故且詨毫怏w存在于煤層中，經(jīng)過漫長(zhǎng)的地質(zhì)年代，放散了大部分，目前儲(chǔ)藏在煤體中的瓦斯僅是剩余的瓦斯量，因此，可以說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；也就是說不僅取決于煤質(zhì)牌號(hào)，而更主要的是取決于儲(chǔ)存瓦斯的地質(zhì)條件，根據(jù)目的的研究成果認(rèn)為，影響煤層瓦斯含量的主要因素有：煤層的埋藏深度，煤層和圍巖的透氣性，煤層傾角，煤層露頭，地質(zhì)構(gòu)造。331）煤層的埋藏深度 埋深的增加不僅會(huì)因地應(yīng)力增高而使煤層及圍巖的透氣性變差，而且瓦斯向地表運(yùn)移的距離也增長(zhǎng)，這二者都有利于封存瓦斯。 研究表明：當(dāng)深度不大時(shí)，煤層瓦斯含量隨埋深增大而有規(guī)律增加，一般情況下，深度每增

16、加100m，煤層瓦斯含量可增加0.51.1m3/t。當(dāng)埋深達(dá)到一定值后，煤層瓦斯含量將趨于常量。 原蘇聯(lián)的一些礦區(qū)實(shí)測(cè)瓦斯含量與深度之間的關(guān)系證實(shí)了上述分析，見下圖。3435 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。一般情況下，煤層及其圍巖透氣性越大，瓦斯越易流失，煤層瓦斯含量就越小；反之，瓦斯易于保存，煤層的瓦斯含量就大。 古藺礦區(qū)煤系（二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M）主要巖層由泥巖、砂質(zhì)泥巖、細(xì)砂巖、粉砂巖，而且厚度大（厚85140m），橫向巖性變化小，圍巖的透氣性差，封閉瓦斯的條件好，故煤層瓦斯壓力高，瓦斯含量大，因此古藺縣煤礦大多數(shù)為高瓦斯或煤與瓦斯突出礦井。2）煤層和圍巖的透氣性363

17、7 從上表看出：孔隙與裂縫發(fā)育的砂巖、礫巖和灰?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（如砂頁巖、頁巖、泥質(zhì)頁巖等）的透氣性系數(shù)高成千上萬倍；故而在漫長(zhǎng)的地質(zhì)年代中，會(huì)排放大量的瓦斯。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐表明：煤層頂?shù)装逋笟庑缘偷膸r層（如泥巖、膠結(jié)致密的細(xì)碎屑巖、裂隙不發(fā)育的灰?guī)r等）越厚，它們?cè)诿合档貙又兴嫉谋壤酱?，則往往煤層的瓦斯含量越高。例如重慶、貴州六枝、湖南漣邵等地區(qū)其煤系主要巖層均是泥巖、頁巖、砂頁巖、粉砂巖和致密的灰?guī)r，而且厚度大，橫向巖性變化小、圍巖的透氣性差，封閉瓦斯的條件好，所以煤層瓦斯壓力高，瓦斯含量大。這些地區(qū)的礦井往往是高瓦斯或有煤與瓦斯突出危出的礦井。反之，當(dāng)圍巖是由

18、厚層中、粗砂巖、礫巖或是裂隙溶洞發(fā)育的灰?guī)r組成時(shí)，煤層瓦斯含量往往較?。焕缟轿鞔笸禾锩簩禹?shù)装嬷饕呛駥由皫r、透氣性好，故而煤層瓦斯含量較低。383）煤層傾角 目前認(rèn)為，在同一埋深及條件相同情況下，煤層傾角越小，煤層的瓦斷含量就越高。例如芙蓉煤礦北翼煤層傾角陡（4080），相對(duì)瓦斯涌出量約為20m3/t，南翼煤層傾角緩（612），相對(duì)瓦斯涌出量則高達(dá)150m3/t，而且還有瓦斯突出現(xiàn)象。發(fā)生這種現(xiàn)象的原因主要在于，煤層滲透性一般大于圍巖，煤層傾角小，在頂?shù)装迕芊鈼l件好的條件下，瓦斯越不容易通過煤層排放，煤體中產(chǎn)生的瓦斯容易得到貯存；故而煤層的瓦斯含量高，瓦斯涌出量大。394) 煤層露頭 煤

19、層露頭是瓦斯向地面排放的出口，因此，露頭存在時(shí)間越長(zhǎng)，瓦斯排放就多，煤層有露頭瓦斷含量往往較低。405）地質(zhì)構(gòu)造 地質(zhì)構(gòu)造是影響煤層瓦斯存貯的最重要的條件之一。封閉型地質(zhì)構(gòu)造有利于封存瓦斯，開放型地質(zhì)構(gòu)造有利于排放瓦斯；地質(zhì)構(gòu)造對(duì)煤層瓦斯存貯的影響包括如下幾個(gè)方面： 褶曲構(gòu)造 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐表明，閉合而完整的背斜或穹窿又覆蓋不透氣的地層是良好的貯瓦斯構(gòu)造，在其軸部煤層內(nèi)往往存高壓瓦斯，形成“氣頂”。如圖1-10（a，b）所示。受地質(zhì)構(gòu)造影響形成煤層局部變厚的大煤包也會(huì)出現(xiàn)瓦斯增高現(xiàn)象，如圖1-10 （c，d，e）所示。向斜構(gòu)造一般軸部的煤層瓦斯含量比翼部高，如圖1-10 （f）所示。由兩條封閉性斷層與致密巖層封閉的地壘或地塹構(gòu)造也能成為瓦斯含量增高區(qū)，如圖1-10 （g，h）所示。41圖1-10 幾種常見的儲(chǔ)瓦斯構(gòu)造1不透氣巖層；2煤層瓦斯含量增高部位；3煤層42 斷裂構(gòu)造 斷層對(duì)煤層瓦斯含量的影響比較復(fù)雜，在實(shí)際工作中,一方面要看斷層（帶）