瓦斯防治 第3講

第3講煤層瓦斯含量及其影響因素王亞軍黑龍江科技學(xué)院安全工程學(xué)院2010年

煤層瓦斯含量

1）概念：?jiǎn)挝惑w積或重量的煤在自然狀態(tài)下所含有的瓦斯量(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的瓦斯體積)，包括游離瓦斯和吸附瓦斯兩部分

2）影響因素瓦斯生成量；瓦斯運(yùn)移條件；煤層貯存瓦斯的性能。

煤體在從植物遺體到無(wú)煙煤的變質(zhì)過(guò)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(guò)50m3/t?！鲆环矫媸怯捎诿簩颖旧砗咚沟哪芰λ?；■另一方面是因?yàn)橥咚故且詨毫怏w存在于煤層中，經(jīng)過(guò)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?！鲆虼?，可以說(shuō)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)牌號(hào)，而更主要的是取決于儲(chǔ)存瓦斯的地質(zhì)條件。

煤層儲(chǔ)氣條件

煤層儲(chǔ)氣條件對(duì)于煤層瓦斯賦存及含量具有重要作用，這些儲(chǔ)氣條件主要包括：

◆煤層的埋藏深度；

◆煤層和圍巖的透氣性；

◆煤層傾角；

◆煤層露頭；

◆煤的煤化作用程度等?！舻刭|(zhì)史

1)煤層的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。

2)煤層和圍巖的透氣性

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。煤層及其圍巖的透氣性越大，瓦斯越易流失，煤層瓦斯含量就越小；反之，瓦斯易于保存，煤層的瓦斯含量就高。煤層與巖層的透氣性可在非常寬的范圍內(nèi)變化。

◆從表1-3-3中可以看出：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(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。

◆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。

◆反之，當(dāng)圍巖是由厚層中、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小。例如山西大同煤田煤層頂?shù)装逯饕呛駥由皫r，透氣性好，故而煤層瓦斯含量較低。

目前，根據(jù)巖性及透氣性的不同，可將煤層圍巖劃分為屏障層、半屏障層以及透氣層三種基本類型：

◆屏障層：即瓦斯難以通過(guò)的巖層。

例如，泥巖和砂質(zhì)泥巖、粉砂巖；

◆半屏障層：即瓦斯從巖層中流動(dòng)通過(guò)的難易程度介于屏障層與透氣層之間的巖層。

例如，粉砂巖；細(xì)一中粒砂巖夾薄層砂質(zhì)泥巖。

◆透氣層：即瓦斯易于流動(dòng)通過(guò)的巖層。

例如，砂巖和礫巖、石灰?guī)r。

以煤層圍巖的透氣性為主要依據(jù)，并適當(dāng)考慮構(gòu)造斷裂等因素，又可將煤層圍巖劃分為：◆封閉型；◆半封閉型；◆開放型三類。

①封閉型：煤層直接圍巖均由屏障層組成，當(dāng)屏障層較薄時(shí)，在煤層頂板屏障層之上，底板屏障層之下尚有透氣層但不太厚，且與屏障層或半屏障層互層組成的巖層，區(qū)內(nèi)切穿煤層并與透氣層溝通的斷裂不發(fā)育，瓦斯一般只能沿煤層由深部往淺部運(yùn)移放散(如圖1-3-4)，能很好地保存瓦斯。②半封閉型：這一類型較復(fù)雜，目前認(rèn)為凡具有下列情況之一者，均屬半封閉型。(a)煤層圍巖均為半屏障層；煤層頂板為半屏障層，底板為屏障層；煤層頂板為屏障層，底板為半屏障層。(b)煤層頂?shù)装鍘r性均為屏障層，但由于屏障層薄、不穩(wěn)定，常有“氣窗”出現(xiàn)，只在一定范圍內(nèi)仍能保存一定量的瓦斯。(c)煤層圍巖為屏障層，但有密度較大的張性斷層或裂隙切穿煤層和透氣層，構(gòu)成了瓦斯排放通道，如圖1-3-6所示。

◆上述三種情況，一般尚能在一定范圍內(nèi)保存“承壓瓦斯”，使煤層中瓦斯流動(dòng)狀態(tài)復(fù)雜多變。③開放型：煤層圍巖為透氣層，其中包括三神情況：

★第一種，煤層頂板為屏障層，底板為透氣層。

★第二種，煤層底板為屏障層，頂板為透氣層。

★第三種，頂?shù)装逋笟鈱幽┍黄渌钠琳蠈铀忾]，瓦斯放散條件好，如圖1-3-7所示。

在這種情況下，煤層中的瓦斯難于保存，低瓦斯礦井煤層圍巖有許多就屬于開放型。

我國(guó)瓦斯地質(zhì)工作者曾對(duì)湖南35對(duì)礦井的主采煤層的圍巖對(duì)瓦斯的封閉類型進(jìn)行了初步劃分，其結(jié)果如表l-3-4所列。從表中可以看出：◆有嚴(yán)重突出的礦井，其圍巖全為封閉型；◆局部突出的礦井，其煤層圍巖以半封閉型為主；◆而非突出礦井，則煤層圍巖多為半封閉型或開放型。實(shí)例3)煤層傾角

◆在同一埋深及條件相同情況下，煤層傾角越小，煤層的瓦斯含量就越高?！暨@種現(xiàn)象的主要原因在于：煤層透氣性一般大于圍巖；煤層傾角越小，在頂板巖性密封好的條件下，瓦斯不易通過(guò)煤層排放，煤體中的瓦斯容易得到儲(chǔ)存，故而煤層的瓦斯含量高?！衾畿饺孛旱V北翼煤層傾角陡(40－80°)，相對(duì)瓦斯涌出量約20m3／t，無(wú)瓦斯突出現(xiàn)象；反之，南翼煤層傾角緩(6－12°)，相對(duì)瓦斯涌出量則高達(dá)150m3／t，而且有發(fā)生瓦斯突出的危險(xiǎn)。

4)煤層露頭

煤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)，瓦斯排放就越多。例如福建、廣東地區(qū)的煤層多有露頭，故而瓦斯含量往往較低；反之，地表無(wú)露頭的煤層，瓦斯含量往往較高。例如四川中梁山煤田，煤層無(wú)露頭且為背斜構(gòu)造，所以煤層瓦斯含量比較高。5)煤化作用程度煤是天然的吸附體，煤的煤化作用程度越高，其儲(chǔ)存瓦斯的能力就越強(qiáng)。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。

煤的平均甲烷含量與其變質(zhì)程度的定量關(guān)系曲線

區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造

1）褶曲構(gòu)造

◆當(dāng)圍巖的封閉條件較好時(shí)，背斜往往有利于瓦斯的儲(chǔ)存，是良好的儲(chǔ)氣構(gòu)造。但是，在封閉條件差，圍巖透氣性較好的情況下，上述運(yùn)移條件被破壞，背斜中的瓦斯容易沿裂隙逸散。

◆在簡(jiǎn)單的向斜盆地構(gòu)造的礦區(qū)中，煤層瓦斯排放的條件往往是比較困難的，在這種情況下，煤層瓦斯沿垂直地層方向運(yùn)移十分困難，大部分瓦斯僅能夠沿煤田兩翼流向地表，故而形成較好的瓦斯賦存條件。但是，在盆地邊緣部分，則由于含煤地層暴露面積大，瓦斯易于排放。2)斷裂構(gòu)造地質(zhì)構(gòu)造中的斷層不僅破壞了煤層的連續(xù)完整性，而且使煤層瓦斯排放條件發(fā)生了變化。有的斷層有利于煤層瓦斯的排放，也有的斷層不利于瓦斯的排放，成為阻擋瓦斯排放的屏障；前者通常稱為開放性斷層，后者則稱為封閉性斷層?？偠灾?，斷層對(duì)瓦斯的封閉作用如何，不僅與斷層的力學(xué)性質(zhì)有關(guān)，而且與煤層的圍巖性質(zhì)、斷層上下盤與煤層接觸地點(diǎn)巖層的巖性以及斷層的充填情況等均有關(guān)系。倘若在圍巖透氣性較好的開放型地區(qū)，構(gòu)造越復(fù)雜，裂隙越發(fā)育，則該處通道就越多，排氣就越快，瓦斯保存就越少。

斷層的開放與封閉性決定于下列條件：

a.斷層的性質(zhì)和力學(xué)性質(zhì)。一般張性正斷層屬開放型，而壓性或壓扭性逆斷層封閉條件較好。

b.斷層與地表或與沖積層的連通情況。規(guī)模大且與地表相通或與沖積層相連的斷層一般為開放型。

c.斷層將煤層斷開后，煤層與斷層另一盤接觸的巖層性質(zhì)。若透氣性好則利于瓦斯排放。

d.斷層帶的特征。斷層帶的充填情況、緊閉程度、裂隙發(fā)育情況等都會(huì)影響到斷層的開放或封閉性。

一般地，開放性斷層，不論其與地表是否連通，其附近，瓦斯含量低。

例如，我國(guó)湖南一些礦區(qū)，盡管那里的地質(zhì)構(gòu)造很復(fù)雜，斷裂較密集，且煤層破壞嚴(yán)重，煤體強(qiáng)度較低，只因?yàn)樵摰V區(qū)處于開放型系統(tǒng)中，煤層瓦斯含量低，在礦井中末發(fā)生過(guò)瓦斯突出。在圍巖透氣性較差的封閉型地區(qū)，巖層多為屏障層，況且即使有較多的張性斷裂存在，往往也不易形成瓦斯排放通道，故而瓦斯容易得到保存。實(shí)例

我國(guó)河北峰峰煤田是華北大水礦區(qū)之一，在該區(qū)鼓山兩側(cè)，若干條較大斷層切割含煤巖系，使主要可采煤層和斷層另一盤奧陶紀(jì)灰?guī)r相接觸，處于地下水強(qiáng)徑流帶范圍。鼓山以西的礦井全部屬于低瓦斯礦井，瓦斯含量小。

◆峰峰羊渠河礦開采山西組煤層時(shí)，水文地質(zhì)條件較為簡(jiǎn)單，相對(duì)瓦斯涌出量為10m3／t；

◆而開采受巖溶裂隙水影響較大的小青煤層時(shí)，相對(duì)瓦斯涌出量?jī)H有2m3／t－3m3／t。實(shí)例二：采礦工作

煤礦井下采礦工