第四章煤層瓦斯賦存及煤儲層物性特征

1主講：史廣山講師安全學(xué)院瓦斯地質(zhì)研究所

瓦斯地質(zhì)學(xué)第四章2第一節(jié)煤層瓦斯地球化學(xué)特征

第二節(jié)煤層瓦斯賦存與瓦斯吸附解吸特征第三節(jié)煤層瓦斯含量及其影響因素第四節(jié)煤層瓦斯垂向分帶第五節(jié)煤儲層壓力特征第六節(jié)煤層孔隙與裂隙特征第七節(jié)煤儲層滲透性特征第八節(jié)煤儲層瓦斯流動規(guī)律

第四章煤層瓦斯賦存與煤儲層物性特征

第四章3第一節(jié)煤層瓦斯地球化學(xué)特征

一、瓦斯的化學(xué)組分烴類氣體:甲烷及其同系物非烴類氣體:二氧化碳、氮氣、氫氣、一氧化碳、硫化氫和稀有氣體氦、氬等。

（一）烴類氣體主要成分是甲烷，其含量一般大于80%，其他烴類氣體含量極少。（二）非烴類氣體非烴類氣體含量通常小于20%第四章4二、影響瓦斯地球化學(xué)組成的地質(zhì)因素

煤巖組分（母質(zhì)）煤階瓦斯成因埋藏深度及相應(yīng)的溫壓條件瓦斯解吸和擴(kuò)散水動力條件和次生作用第四章5（一）煤巖組分的影響顯微煤巖組分：鏡質(zhì)組、殼質(zhì)組、惰質(zhì)組煤分為腐殖煤類和腐泥煤類腐殖煤類以鏡質(zhì)組為主，含少量的殼質(zhì)組、惰質(zhì)組腐泥煤類以殼質(zhì)組和富氫鏡質(zhì)組為主產(chǎn)氣量：殼質(zhì)組>鏡質(zhì)組>惰質(zhì)組腐殖煤產(chǎn)氣：高甲烷（90％～95％以上），低濕氣（一般＜0.5％），腐泥煤類：甲烷較低（47％～75％左右）濕氣較高（20％左右）（二）煤化程度的影響6一般而言，煤變質(zhì)程度越高，生成的氣體量也越多；低變質(zhì)煤生成的熱成因氣以二氧化碳為主；高變質(zhì)煤生成的氣體主要成分為甲烷。（三）瓦斯成因的影響瓦斯成因：生物成因：二氧化碳的還原作用；生成的甲烷其同位素較輕且富氘；有機(jī)酸(一般為乙酸)的發(fā)酵作用。

生成甲烷同位素較重且消耗氘熱成因：1、

重?zé)N一般出現(xiàn)在中高揮發(fā)分煙煤；2、

隨著煤化程度的增高重同位素13C在甲烷和乙烷中富集；3、

隨著煤化程度的增高甲烷也相對富集氘7二、影響瓦斯地球化學(xué)組成的地質(zhì)因素

（四）埋藏深度影響隨著煤層埋藏深度增加，煤層甲烷的同位素δ13C1值呈增大趨勢。

（五）瓦斯解吸和擴(kuò)散同為甲烷分子，輕同位素12C1比較重的、極性更強(qiáng)的13C1容易解吸，且解吸速度快。

（六）水文地質(zhì)條件如美國圣胡安盆地，北部：超高壓區(qū)瓦斯為富CO2干氣，南部：低壓區(qū)瓦斯則為貧CO2濕氣。在區(qū)域抬升后又遭受剝蝕的盆地邊緣，在細(xì)菌的降解和自身代謝活動作用下生成次生生物成因氣。（七）次生作用的影響主要是生物成因氣和熱成因氣的混合和濕氣組分的氧化作用。第四章8第一節(jié)煤層瓦斯地球化學(xué)特征第二節(jié)煤層瓦斯賦存與瓦斯吸附解吸特征

第三節(jié)煤層瓦斯含量及其影響因素第四節(jié)煤層瓦斯垂向分帶第五節(jié)煤儲層壓力特征第六節(jié)煤層孔隙與裂隙特征第七節(jié)煤儲層滲透性特征第八節(jié)煤儲層瓦斯流動規(guī)律

第四章煤層瓦斯賦存與煤儲層物性特征

第四章9一、煤層瓦斯賦存狀態(tài)

第二節(jié)煤層瓦斯賦存與瓦斯吸附解吸特征

圖4-3煤體中瓦斯賦存狀態(tài)煤體游離瓦斯吸著瓦斯煤體孔隙吸附瓦斯10(一)吸附態(tài)瓦斯煤層瓦斯以吸附方式儲存于煤層中。吸附狀態(tài)的瓦斯占煤中瓦斯總量的80%～95%。煤是一種多孔介質(zhì)，對瓦斯具有很強(qiáng)的吸附能力。一、煤層瓦斯賦存狀態(tài)美國幾個含煤盆地中煤與砂石儲氣能力的比較（據(jù)Kuuskvaa等，1989）1—圣胡安盆地高揮發(fā)分煙煤；2—黑勇士盆地中揮發(fā)分煙煤；3—常規(guī)砂巖儲層（孔隙度Φ=25%，水飽和度為30%）；4—圣胡安盆地中揮發(fā)分煙煤；5—常規(guī)砂巖儲層（孔隙度Φ=22.5%，水飽和度為35%）。（二）游離態(tài)瓦斯

存在于煤體或圍巖的較大裂隙、孔隙和空洞之中自由分子服從一般氣體狀態(tài)方程，因分子熱運動顯現(xiàn)出氣體壓力

煤中游離瓦斯的含量不大。埋深在300～1200m范圍內(nèi)的中變質(zhì)煤，其游離瓦斯僅占總含氣量的5%～12%。

游離瓦斯的含量取決于煤的孔隙（裂隙）體積、溫度、壓力和瓦斯成分及其壓縮系數(shù)

式中：Qy為游離氣含量（cm3/g）；fi為第i氣體摩爾分?jǐn)?shù)，V為單位質(zhì)量煤的孔隙體積（cm3/g）；p為氣體壓力（MPa）；Ki為第i氣體的壓縮系數(shù)。

一、瓦斯賦存狀態(tài)二、

煤層瓦斯吸附特征一、煤的吸附特征（一）吸附類型

煤是一種多孔的固體介質(zhì)，具有很大的內(nèi)表面積，具有吸附氣體的能力。吸附是指氣體以凝聚態(tài)或類液態(tài)被多孔介質(zhì)所容納的一種過程。吸附過程可分為物理吸附和化學(xué)吸附兩種類型。

物理吸附是由范德華力和靜電力引起的，氣體和固體之間的結(jié)合較微弱；物理吸附是快速、可逆的?；瘜W(xué)吸附是由共價鍵引起的，氣體和固體之間的結(jié)合力很強(qiáng)；化學(xué)吸附是緩慢、不可逆的。煤對氣體的吸附以物理吸附為主體。二、

煤層瓦斯吸附特征吸附瓦斯游離瓦斯壓力↓溫度↑壓力↑溫度↓吸附瓦斯與游離瓦斯處于動平衡狀態(tài)；外界壓力、溫度變化，原平衡破壞，重新達(dá)到新的平衡狀態(tài)；在平衡狀態(tài)時，吸附劑所吸附的氣體量與溫度與壓力有關(guān)。吸附等溫線的5種類型（二）煤的瓦斯吸附理論1．單分子層吸附理論—Langmuir方程和Henry公式朗繆爾方程的基本假設(shè)條件是：①吸附平衡是動態(tài)平衡；②固體表面是均勻的；③被吸附分子間無相互作用力；④吸附作用僅形成單分子層。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

Langmuir方程的另一種表達(dá)方式是：二、

煤層瓦斯吸附特征討論：1：吸附劑的內(nèi)表面積最多有10%被氣體分子覆蓋時，即氣體平衡壓力較低時，Langmuir方程會演變成什么？

V=a·b·p(4-5)

式（4-5）被稱為亨利（Henry）公式2：氣體平衡壓力很高時，Langmuir方程有變?yōu)槭裁?？V＝a，這就是飽和吸附，它反映了a值的物理意義。單分子層吸附理論適合于描述圖4-5中的Ⅰ類吸附等溫線，是目前廣泛應(yīng)用的煤的吸附狀態(tài)方程。二、

煤層瓦斯吸附特征（三）煤對甲烷的吸附能力

煤是一種優(yōu)良的天然吸附劑，對各種氣體具有很強(qiáng)的吸附能力，與常規(guī)儲層儲氣機(jī)理不同

煤吸附氣體的特征和機(jī)理存在不同的理解和認(rèn)識，但均認(rèn)為煤吸附甲烷屬物理吸附是不爭的事實。

大量的吸附試驗證明，煤對甲烷等氣體的吸附是快速和可逆的。大量煤樣的吸附等溫線屬Ⅰ類；只有少數(shù)吸附等溫線屬Ⅱ類，且在壓力較高時才會出現(xiàn)。煤吸附氣體屬單分子層吸附，用Langmuir方程可以較好地描述絕大部分煤的吸附等溫線；雖然有一定誤差，但可以滿足工程應(yīng)用要求。二、

煤層瓦斯吸附特征17美國黑勇士盆地煤樣的吸附等溫線（據(jù)Collins，1991）圖4-8（四）影響煤吸附性的因素煤吸附性大小主要取決于3個方面的因素：①煤結(jié)構(gòu)、煤的有機(jī)組成和煤的變質(zhì)程度；②被吸附物質(zhì)的性質(zhì)；③煤體吸附所處的環(huán)境條件。煤化變質(zhì)程度；煤中水分；瓦斯成分；瓦斯壓力破壞程度；吸附平衡溫度等。二、

煤層瓦斯吸附特征1．瓦斯壓力的影響給定溫度下，隨著瓦斯壓力的升高，煤體吸附瓦斯量增大。當(dāng)瓦斯壓力增加到一定值后，吸附的瓦斯的吸附量增加較緩慢將趨于定值二、

煤層瓦斯吸附特征2．吸附溫度的影響

目前的實驗研究表明：溫度升高，瓦斯分子活性增大，不易被煤體吸附；同時，已被吸附的瓦斯分子在溫度升高時易于獲得動能，發(fā)生脫附現(xiàn)象，吸附瓦斯量降低。二、

煤層瓦斯吸附特征3．瓦斯成分的影響給定吸附氣體、溫度條件下的等溫吸附線

單組分時，煤對氣體的吸附能力：CO2＞CH4＞N2二、

煤層瓦斯吸附特征單組分和多組分混合氣體等溫吸附曲線二、

煤層瓦斯吸附特征煤對混合氣體中各組分的吸附量比對強(qiáng)吸附組分單獨作為吸附質(zhì)時的吸附量要小，這說明煤對混合氣體的吸附不僅與煤的性質(zhì)有關(guān)，還與混合氣體中各組分的組合類型有關(guān)。煤對由CO2與CH4、CH4與N2組成的混合氣體及CO2、CH4、N2的吸附性強(qiáng)弱順序依次為：CO2＞CO2+CH4

＞CH4

＞CH4+N2

＞N2

。4．煤的變質(zhì)程度的影響

煤的變質(zhì)程度對煤的瓦斯生成量及比表面積有較大影響。隨著煤變質(zhì)程度的增加，煤對甲烷的吸附能力先減小，再變大，呈U型變化，見下圖。從中變質(zhì)煙煤到無煙煤，吸附量相應(yīng)增加。不同變質(zhì)程度煤的吸附瓦斯量

二、

煤層瓦斯吸附特征圖4-12不同變質(zhì)程度（Rmax）煤在45℃條件下的等溫吸附曲線（據(jù)張新民等，2002）5．煤中水分的影響水分的增加會使煤的吸附能力降低。圖4-13煤中天然水分對甲烷吸附量的影響二、

煤層瓦斯吸附特征干燥煤樣與平衡水煤樣等溫吸附曲線對比二、

煤層瓦斯吸附特征解吸:煤中吸附氣因儲層壓力降低或溫度升高等而轉(zhuǎn)變成游離氣體的過程叫解吸。第四章26三、煤的解吸特征煤層解吸特征常用可解吸率（或可解吸量）和解吸速率衡量。（一）解吸率和解吸量我國前期煤田地質(zhì)勘探瓦斯（煤層氣）含量由四部分構(gòu)成，即損失氣量、現(xiàn)場兩小時解吸量、真空加熱脫氣量和粉碎脫氣量。解吸率：損失氣量與解吸氣量之和與總含氣量之比。解吸量：損失氣量與現(xiàn)場兩小時解吸氣量之和，即解吸率與實測含氣量的乘積。三、煤的解吸特征27（二）解吸時間實測瓦斯解吸體積累計達(dá)到總解吸氣量（STP：標(biāo)準(zhǔn)溫度、壓力）的63.2%時所對應(yīng)的時間稱為解吸時間。解吸時間取決于煤的組成、煤基塊大小、煤化程度和煤的裂隙間距。煤層氣勘探開發(fā)實踐表明：解吸時間與產(chǎn)能達(dá)到高峰的時間有關(guān)，與煤層氣長期的產(chǎn)能關(guān)系并不密切。解吸時間短，煤層氣井有可能在短期內(nèi)達(dá)到產(chǎn)能高峰，有利于縮短開發(fā)周期，但不利于氣井的長期穩(wěn)產(chǎn)。（三）解吸速率

單位時間內(nèi)的解吸氣量稱為解吸速率。解吸速率受控于煤的組成、煤基塊大小、煤化程度和煤的破碎程度。自然解吸條件下解吸速率總體表現(xiàn)為快速下降，但初始存在一個加速過程，中間解吸速率出現(xiàn)跳躍性變化，可能是煤孔徑結(jié)構(gòu)影響的結(jié)果。4.4煤層瓦斯解吸特征圖4-17晉城3煤層解吸過程中解吸速率的變化規(guī)律（據(jù)傅雪海等，2007）29第一節(jié)煤層瓦斯地球化學(xué)特征第二節(jié)煤層瓦斯賦存與瓦斯吸附解吸特征第三節(jié)煤層瓦斯含量及其影響因素第四節(jié)煤層瓦斯垂向分帶第五節(jié)煤儲層壓力特征第六節(jié)煤層孔隙與裂隙特征第七節(jié)煤儲層滲透性特征第八節(jié)煤儲層瓦斯流動規(guī)律

第四章煤層瓦斯賦存與煤儲層物性特征

含量的四種定義殘存瓦斯含量煤層瓦斯含量原始瓦斯含量可解吸瓦斯含量一、煤層瓦斯含量的基本概念第三節(jié)煤層瓦斯含量及其影響因素煤層受到采動影響，已經(jīng)排放出部分瓦斯，則剩余在煤層中的瓦斯含量煤層未受采動影響時的瓦斯含量煤的原始瓦斯含量與煤層殘存瓦斯含量之差（一）煤的變質(zhì)程度的影響

煤的變質(zhì)程度吸附能力石墨煙煤褐煤無煙煤不同變質(zhì)程度煤對瓦斯的吸附能力示意圖煤的變質(zhì)程度越高，生成的瓦斯量越大。當(dāng)其它條件相同，從褐煤到無煙煤階段，煤的變質(zhì)程度越高，煤層瓦斯含量就越大。瓦斯生成量煤的吸附能力二、

影響煤層瓦斯含量的主要因素二、

影響煤層瓦斯含量的主要因素（二）圍巖條件的影響

煤層圍巖是指包括煤層直接頂、老頂和直接底板等在內(nèi)的一定厚度范圍的煤層頂?shù)讕r層。煤層圍巖對瓦斯賦存的影響，取決于它的隔氣和透氣性能。當(dāng)煤層頂板巖性為致密完整的巖石，如頁巖、油頁巖和泥巖時，煤層中的瓦斯容易被保存下來；頂板為多孔隙或脆性裂隙發(fā)育的巖石，如礫巖、砂巖時，瓦斯容易逸散。二、

影響煤層瓦斯含量的主要因素（三）地質(zhì)構(gòu)造類型及組合對瓦斯保存的影響不同類型的地質(zhì)構(gòu)造在其形成過程中，由于構(gòu)造應(yīng)力場及其內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)的不同，導(dǎo)致煤層和蓋層的產(chǎn)狀、結(jié)構(gòu)、物性、裂隙發(fā)育狀況及地下水徑流等條件出現(xiàn)差異，進(jìn)而影響到煤層瓦斯的保存。地質(zhì)構(gòu)造不同的部位及組合對瓦斯的保存、運移等都不盡相同。二、

影響煤層瓦斯含量的主要因素褶皺構(gòu)造：巖層在外力作用下發(fā)生各種各樣的變形，但仍保持巖層的連續(xù)性和完整性。這種構(gòu)造形態(tài)叫褶皺構(gòu)造。1、褶曲構(gòu)造對瓦斯保存的影響褶皺構(gòu)造影響煤層瓦斯的保存為多數(shù)研究者所承認(rèn)，也是煤礦開采實際所證明背斜和向斜特別是它們的軸部及其附近,既有煤層瓦斯含量較高、或者發(fā)生瓦斯涌出或發(fā)生煤與瓦斯突出的現(xiàn)象,也有煤層瓦斯含量較低或不發(fā)生集中瓦斯涌出或煤與瓦斯突出褶曲構(gòu)造是如何影響瓦斯保存的？1、褶曲構(gòu)造對瓦斯保存的影響1、褶曲構(gòu)造對瓦斯保存的影響（1）褶皺中和面褶皺構(gòu)造是自然界發(fā)育最為廣泛的構(gòu)造類型之一,褶皺中和面是層狀巖體遭受水平擠壓發(fā)生彎曲變形時所表現(xiàn)的一種構(gòu)造現(xiàn)象。定義：指褶皺巖層彎曲時，強(qiáng)硬巖層的外弧受到切向拉伸線應(yīng)變，內(nèi)弧受到切向壓縮線應(yīng)變，而在內(nèi)、外弧之間必定有一個沒有有限應(yīng)變的面，稱為褶皺中和面

1、褶曲構(gòu)造對瓦斯保存的影響中和面褶皺作用伸長應(yīng)變區(qū)無應(yīng)變區(qū)縮短應(yīng)變區(qū)（2）褶皺中和面上下受力分析褶皺巖層在中和面上、下具有完全不同的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)1、褶曲構(gòu)造對瓦斯保存的影響（3）褶皺構(gòu)造控制煤層瓦斯的基本類型背斜上層逸散型背斜下層聚集型向斜上層聚集型向斜下層逸散型1、褶曲構(gòu)造對瓦斯保存的影響1、褶曲構(gòu)造對瓦斯保存的影響（3）褶皺構(gòu)造控制煤層瓦斯的基本類型背斜上層逸散型煤層位于中和面以上的背斜褶皺上層。中和面以上巖層或煤層為拉伸引張力作用,尤其背斜軸部引張力更為強(qiáng)大,致使韌性巖層在軸部厚度變薄、孔隙加大,或脆性巖層發(fā)育張性裂面或斷層,使煤層及巖層透氣性增高,提供了瓦斯活動的通道由于煤層的軟塑性特點,煤層由背斜軸部向著兩翼移動增厚,褶皺作用所伴生的沿層理的滑動極易選擇煤層作為滑動層,使得煤層揉皺、破碎,煤層瓦斯由吸附狀態(tài)大量解析為游離瓦斯,順其孔隙、張性裂面或斷層逸散。(1)(2)(3)1、褶曲構(gòu)造對瓦斯保存的影響（3）褶皺構(gòu)造控制煤層瓦斯的基本類型背斜下層封閉型指煤層位于中和面以下的背斜褶皺下層是巖層或煤層在擠壓力作用下煤層從褶皺冀部向軸部流動變厚,或產(chǎn)生層間滑動和順層斷層,使煤層揉皺、破碎,瓦斯由吸附解析為游離狀態(tài)。當(dāng)中和面之上張性裂面組成的非封閉構(gòu)造并未影響到煤層時,這時背斜軸部將處于一種高度擠壓,瓦斯富集的構(gòu)造封閉環(huán)境(1)(2)(3)（3）褶皺構(gòu)造控制煤層瓦斯的基本類型向斜上層聚集型指煤層位于中和面以上的向斜褶皺上層它的特點是巖煤層處于強(qiáng)烈被擠壓狀態(tài),向斜軸部煤層增厚、順煤層滑動等使煤層揉皺、破碎,瓦斯大量解析。盡管巖煤層中也有可能產(chǎn)生斷裂,但斷裂在擠壓狀態(tài)下裂面緊密,構(gòu)造封閉功能仍然存在,故向斜軸部煤層瓦斯富集(1)(2)(3)1、褶曲構(gòu)造對瓦斯保存的影響（3）褶皺構(gòu)造控制煤層瓦斯的基本類型向斜下層逸散型指煤層位于中和面以下的向斜褶皺下層特點是巖層或煤層處于引張拉伸狀態(tài),向斜軸部煤層受拉變薄,盡管由于下伏巖層的圈閉張性裂面不如背斜發(fā)育,但在煤層由向斜軸部向翼部流動運移中,將通過這些裂面使煤層瓦斯部分逸散,故向斜軸部的煤層瓦斯含量將降低或不發(fā)生突出。(1)(2)1、褶曲構(gòu)造對瓦斯保存的影響（3）褶皺構(gòu)造控制煤層瓦斯的基本類型注意：褶曲構(gòu)造對瓦斯賦存的影響主要分析煤層受力狀態(tài)以及力對煤層和上覆、下伏巖層的破壞情況。(1)褶皺控制煤層瓦斯基本類型屬標(biāo)淮的瓦斯褶皺類型,當(dāng)背斜上層之上有較好蓋層或背斜下層由于后期抬升剝蝕嚴(yán)重,或后期張性斷裂穿切煤層時,其煤層瓦斯的聚集與逸散情況將與標(biāo)準(zhǔn)類型有一定差異。(2)更加復(fù)雜！1、褶曲構(gòu)造對瓦斯保存的影響破裂面兩側(cè)巖塊有明顯相對位移的斷裂構(gòu)造。（1）斷層：1.下盤；2.上盤；3.斷層面2、斷裂構(gòu)造對瓦斯保存的影響斷盤（上盤）斷盤（下盤）斷層線正斷層——上盤相對下盤向下滑動的斷層上盤下降下盤上升逆斷層——斷層上盤相對下盤向上滑動的斷層。

逆掩斷層——指斷層傾角＜45°的逆斷層。上盤上升下盤下降平移斷層——斷層兩盤順斷層面走向相對滑動的斷層；規(guī)模巨大的平移斷層稱為走向滑動斷層。水平錯動

斷裂構(gòu)造破壞了煤層的連續(xù)完整性，使煤層瓦斯運移條件發(fā)生變化。有的斷層有利于瓦斯排放，有的斷層對抑制瓦斯排放而成為逸散的屏障。開放型斷層、封閉型斷層。2、斷裂構(gòu)造對瓦斯保存的影響斷層的開放性與封閉性取決于下列條件：斷層屬性和力學(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通常具有封閉性；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；斷層將煤層斷開后，煤層與斷層另一盤接觸的巖層性質(zhì)有關(guān)，若透氣性好則利于瓦斯排放；斷層帶的特征、斷層帶的充填情況、緊閉程度、裂隙發(fā)育情況等都會影響到斷層的開放性或封閉性。2、斷裂構(gòu)造對瓦斯保存的影響

控制瓦斯分布的構(gòu)造形跡的組合形式，大致歸納為以下3種類型：（1）逆斷層邊界封閉型

壓性、壓扭性逆斷層常為礦井或區(qū)域的兩翼邊界，斷層面一般相背傾斜，使整個區(qū)段處于封閉的條件之下，瓦斯封閉條件好。3、構(gòu)造組合對瓦斯保存的影響Arr2ArJ2ArAr∈+OJ1-2ArArQJ2-K1大青山煤田京包鐵路黃河大青山煤田剖面圖如內(nèi)蒙古大青山煤田，南北兩側(cè)邊界均為逆斷層，斷層面傾向相背，煤田位于逆斷層的下盤，在構(gòu)造組合上形成較好的封閉條件。該煤田各礦井煤層的瓦斯含量普遍高于開采同時代含煤巖系的烏海煤田和桌子山煤田。3、構(gòu)造組合對瓦斯保存的影響（2）構(gòu)造蓋層封閉型蓋層條件，原來是就沉積蓋層而言，從構(gòu)造角度，也可以指構(gòu)造成因的蓋層。如某一較大的逆掩斷層，將大面積透氣性差的巖層推覆到煤層或煤層附近之上，改變了原來的蓋層條件，同樣對瓦斯起到封閉作用。吉林通化礦區(qū)鐵廠二井，北東東向的張性斷層雖然有利于瓦斯排放，但煤層上覆地層被逆斷層的上盤所覆蓋，由于斷層面及上盤地層的封閉作用，下盤煤層瓦斯大量聚集，瓦斯含量顯著增高。3、構(gòu)造組合對瓦斯保存的影響（3）斷層塊段封閉型

該類型由兩組不同方向的壓扭性斷層在平面上組成三角形或多邊形塊體，塊段邊界為封閉型斷層所圈閉。如河北峰峰煤田，含煤巖系被晚期構(gòu)造運動所產(chǎn)生的一系列高角度正斷層切割，形成若干小型地塹或地壘構(gòu)造（下圖），構(gòu)成一些有利于瓦斯儲存的封閉區(qū)。當(dāng)這些封閉區(qū)遠(yuǎn)離煤層露頭時（如羊渠河礦、大椒樹礦等），即使含煤地層被抬升、埋深較淺，礦井瓦斯涌出量仍然很大。峰峰煤田地質(zhì)剖面略圖3、構(gòu)造組合對瓦斯保存的影響

暴露式煤田煤系地層出露于地表，煤層瓦斯易于沿煤層露頭排放。而隱伏式煤田如果蓋層厚度較大，透氣性又差，則煤層瓦斯保存條件好；反之，若覆蓋層透氣性好，容易使煤層中的瓦斯緩慢逸散，煤層瓦斯含量一般不大。在評價一個煤田的暴露情況時，不僅要注意該煤田目前的暴露程度，還要考慮到成煤整個地質(zhì)歷史時期內(nèi)煤系地層的暴露及瓦斯風(fēng)化過程的情況。

4、煤田暴露程度的影響

煤層瓦斯運移的總趨勢是瓦斯由地層深部向地表逸散隨著埋深的增加不僅會因地應(yīng)力增高而使圍巖的透氣性降低，氣體穿層逸散困難，而且瓦斯向地表運移的距離也增大一般來說，埋藏深度越深越利于封存瓦斯、而不利于逸散5、煤層的埋藏深度的影響巖漿侵入含煤巖系或煤層，在巖漿熱變質(zhì)和接觸變質(zhì)的影響下，煤的變質(zhì)程度升高，瓦斯的生成量和吸附能力增大。在缺少隔氣蓋層或封閉條件不好時，巖漿的高溫作用可以強(qiáng)化煤層瓦斯排放，使煤層瓦斯含量減小。巖漿巖體有時會使煤層局部被覆蓋或封閉，形成隔氣蓋層，瓦斯得以保存但在某些情況下，由于巖脈蝕變帶裂隙增加，造成風(fēng)化作用加強(qiáng)，可逐漸形成裂隙通道，有利于瓦斯的排放。巖漿活動對瓦斯賦存既有生成和保存作用，在某些條件下又會增加瓦斯逸散的可能性。因此，在研究巖漿活動對煤層瓦斯的影響時，要結(jié)合地質(zhì)背景作具體分析?？偟膩砜矗瑤r漿侵入煤層有利于瓦斯生成和保存的現(xiàn)象比較普遍。6、巖漿活動的影響61第一節(jié)煤層瓦斯地球化學(xué)特征第二節(jié)煤層瓦斯賦存與瓦斯吸附解吸特征第三節(jié)煤層瓦斯含量及其影響因素第四節(jié)煤層瓦斯垂向分帶第五節(jié)煤儲層壓力特征第六節(jié)煤層孔隙與裂隙特征第七節(jié)煤儲層滲透性特征第八節(jié)煤儲層瓦斯流動規(guī)律

第四章煤層瓦斯賦存與煤儲層物性特征

62第四節(jié)煤層瓦斯垂向分帶一、瓦斯垂向四帶CH4CH4CH4CH4N2CO2CH4瓦斯風(fēng)化帶甲烷帶63一、瓦斯垂向四帶瓦斯風(fēng)化帶瓦斯帶第四節(jié)煤層瓦斯垂向分帶64按瓦斯成分劃分瓦斯帶標(biāo)準(zhǔn)瓦斯帶名稱組分含量（%）CH4N2CO2二氧化碳－氮氣帶氮氣帶氮氣－甲烷帶甲烷帶0～100～2020～8080～10020～8080～10020～800～2020～800～200～200～10圖4-465

二、瓦斯風(fēng)化帶下界確定指標(biāo)①瓦斯壓力P=0.1～0.15MPa（1～1.5kg/cm2）；②瓦斯組分CH4≥80%（體積百分?jǐn)?shù)）；③相對瓦斯涌出量大于2m3/t。

④煤層瓦斯含量（x）氣煤x=1.5～2.0m3/t（燃）肥煤與焦煤x=2.0～2.5m3/t（燃）瘦煤x=2.5～3.0m3/t（燃）貧煤x=3.0～4.0m3/t（燃）無煙煤x=5.0～7.0m3/t（燃）66

瓦斯風(fēng)化帶深度存在差異性的主要原因在于：化學(xué)風(fēng)化作用和水的循環(huán)通常是沿著煤層及其圍巖滲透性較大的部分進(jìn)行，它們對瓦斯的循環(huán)運移具有重要影響。這種現(xiàn)象不僅在不同煤田有很大差別，即使在同一煤層、同一深度，瓦斯風(fēng)化程度往往也不盡相同，以致于各瓦斯帶之間的界限呈犬牙交錯狀。三、瓦斯風(fēng)化帶深度存在差異性的原因67第一節(jié)煤層瓦斯地球化學(xué)特征第二節(jié)煤層瓦斯賦存與瓦斯吸附解吸特征第三節(jié)煤層瓦斯含量及其影響因素第四節(jié)煤層瓦斯垂向分帶第五節(jié)煤儲層壓力特征第六節(jié)煤層孔隙與裂隙特征第七節(jié)煤儲層滲透性特征第八節(jié)煤儲層瓦斯流動規(guī)律

第四章煤層瓦斯賦存與煤儲層物性特征

68一、煤儲層壓力

煤儲層壓力，是指作用于煤孔隙和裂隙空間上的流體壓力（包括水壓和氣壓），故又稱為孔隙流體壓力。煤儲層流體受到三個方面力的作用，包括上覆巖層靜壓力、靜水柱壓力和構(gòu)造應(yīng)力。

（1）當(dāng)煤層滲透性較好并與地下水連通時，孔隙流體所承受的壓力為連通孔道中的靜水柱壓力，即煤儲層壓力等于靜水壓力；（2）若煤儲層被不滲透地層所包圍，由于儲層流體被封閉而不能自由流動，儲層孔隙流體壓力與上覆巖層壓力保持平衡，此時，儲層壓力等于上覆巖層壓力；

第五節(jié)煤儲層壓力特征

第五節(jié)煤儲層壓力特征

69（3）在煤層滲透性很差且與地下水連通性較差的條件下，由于巖性不均而形成局部半封閉狀態(tài)，則上覆巖層壓力由儲層內(nèi)孔隙流體和煤基質(zhì)塊共同承擔(dān)，此時，煤儲層壓力小于上覆巖層壓力而大于靜水壓力。即：

式（4-13）中，σv—上覆巖層壓力，MPa；p—煤儲層壓力，MPa；σ—煤層骨架應(yīng)力，MPa。70二、壓力狀態(tài)

為了對比不同地區(qū)或不同儲層的壓力特征，實踐中通常是根據(jù)儲層壓力與靜水柱壓力之間的相對關(guān)系來確定儲層的壓力狀態(tài)，采用的參數(shù)為儲層壓力梯度或壓力系數(shù)。

1.儲層壓力梯度是指單位垂深內(nèi)的儲層壓力增加，常用井底壓力除以從地表到測井井段終點深度而得出，用kPa/m或MPa/100m表示。表4-6煤儲層瓦斯壓力類型（據(jù)張新民等，2002）壓力梯度/(kPa/m)<9.59.5~10.0>10.0儲存壓力類型低壓正常高壓71

2、壓力系數(shù)定義為實測地層壓力與同深度靜水柱壓力之比值，石油天然氣地質(zhì)中常用該參數(shù)表示儲層壓力的性質(zhì)和大小。

當(dāng)壓力系數(shù)等于1時，儲層壓力與靜水柱壓力相等，儲層壓力正常；當(dāng)壓力系數(shù)大于1時，儲層壓力高于靜水壓力，稱為高異常壓力；如果儲層壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于靜水柱壓力，則稱超壓異常；若壓力系數(shù)小于1，儲層壓力低于靜水柱壓力時，稱低異常壓力。二、壓力狀態(tài)72第一節(jié)煤層瓦斯地球化學(xué)特征第二節(jié)煤層瓦斯賦存與瓦斯吸附解吸特征第三節(jié)煤層瓦斯含量及其影響因素第四節(jié)煤層瓦斯垂向分帶第五節(jié)煤儲層壓力特征第六節(jié)煤層孔隙與裂隙特征第七節(jié)煤儲層滲透性特征第八節(jié)煤儲層瓦斯流動規(guī)律

第四章煤層瓦斯賦存與煤儲層物性特征

73

煤層是一種雙重孔隙介質(zhì)，屬裂隙孔隙型氣儲層。第六節(jié)煤層孔隙與裂隙特征

圖4-26煤的雙重孔隙系統(tǒng)（據(jù)Warren等，1996）74一、煤的孔隙特征（一）煤的孔隙

煤的孔隙成因及其發(fā)育特征是煤體結(jié)構(gòu)、煤層生氣、儲氣及滲透性能的直接反映。

以煤巖顯微組分和煤的變質(zhì)、變形特征為基礎(chǔ)，以大量的掃描電鏡觀察結(jié)果為依據(jù)，將煤孔隙的成因類型劃分為四大類九小類。75表4-8煤的孔隙類型及其成因簡述表（據(jù)張慧，2001）類型成因簡述原生孔結(jié)構(gòu)孔成煤植物本身具有各種組織結(jié)構(gòu)孔屑間孔鏡屑體、惰屑體等內(nèi)部碎屑之間的孔后生孔氣孔煤化作用過程中由生氣和聚氣作用而形成的孔隙外生孔角礫孔煤受構(gòu)造應(yīng)力破壞而形成的角礫之間的孔碎?？酌菏軜?gòu)造應(yīng)力破壞而形成的碎粒之間的孔摩擦孔壓應(yīng)力作用下面與面之間摩擦而形成的孔礦物質(zhì)孔鑄?？酌褐械V物質(zhì)在有機(jī)質(zhì)中因硬度差異而鑄成的印坑溶蝕孔可溶性礦物在長期氣、水作用下受溶蝕而形成的孔晶間孔礦物晶粒之間的孔一、煤的孔隙特征1原生孔76一、煤的孔隙特征結(jié)構(gòu)孔：成煤植物本身具有各種組織結(jié)構(gòu)孔結(jié)構(gòu)孔屑間孔屑間孔：鏡屑體、惰屑體等內(nèi)部碎屑之間的孔一、煤的孔隙特征77氣孔氣孔：煤化作用過程中由生氣和聚氣作用而形成的孔隙2后生孔氣孔3外生孔78一、煤的孔隙特征角礫孔碎?？啄Σ量捉堑[孔：煤受構(gòu)造應(yīng)力破壞而形成的角礫之間的孔碎粒孔：煤受構(gòu)造應(yīng)力破壞而形成的碎粒之間的孔摩擦孔：壓應(yīng)力作用下面與面之間摩擦而形成的孔79一、煤的孔隙特征4礦物質(zhì)孔鑄模孔溶蝕孔晶間孔鑄?？祝好褐械V物質(zhì)在有機(jī)質(zhì)中因硬度差異而鑄成的印坑溶蝕孔：可溶性礦物質(zhì)在長期氣、水作用下受溶蝕而形成的孔晶間孔：礦物晶粒之間的孔80

微孔：直徑<10nm,構(gòu)成煤中吸附容積。可見孔及裂隙，>105nm，層流和紊流混合滲透區(qū)間。

煤中孔隙分類滲透容積：小孔至可見孔孔隙體積之和?？偪紫扼w積：吸附容積和滲透容積之和。中孔：直徑102nm～103nm，緩慢層流滲透區(qū)間。

大孔：直徑103nm～105nm，強(qiáng)烈的層流滲透區(qū)間。小孔：直徑10nm～100nm，毛細(xì)凝結(jié)和瓦斯擴(kuò)散空間。一、煤的孔隙特征81（二）煤的孔隙特征評價方法通常用孔隙率n來衡量煤的多孔程度。煤的孔隙率就是孔隙的總體積與煤的總體積之比，其計算公式為：

式中：n－煤的孔隙率，％；

Vs－煤的總體積，包括其中孔隙體積，cm3；

Vd－煤的實在體積，不包括其中孔隙體積，cm3

；

M－煤的質(zhì)量，g；

d－煤的真密度，g/cm3

；－煤的視密度，g/cm3

。82圖4-27煤總孔隙率與變質(zhì)程度的關(guān)系（二）煤的孔隙特征評價方法

對于煙煤，中等變質(zhì)程度的煤的總孔隙率較小，變質(zhì)程度較高和較低的煤總孔隙率較大。831煤的變質(zhì)程度的影響孔隙體積長焰煤無煙煤焦煤、瘦煤總孔隙體積微孔體積（三）影響煤孔隙特征的主要因素從長焰煤開始，隨著煤化程度的加深(揮發(fā)分減小)，煤的總孔隙體積逐漸減少；到焦煤、瘦煤時達(dá)最低值，而后又逐漸增加，至無煙煤時達(dá)最大。煤中微孔體積則是隨著煤化變質(zhì)程度的增加而一直增長。842煤的破壞程度的影響對于煙煤而言，煤的破壞程度越高，煤的滲透容積就越大。破壞程度對煤的微孔影響不大。煤的滲透容積主要由中孔和大孔組成。3．地應(yīng)力的影響

壓應(yīng)力使煤的滲透容積縮小，壓應(yīng)力越高，煤體滲透容積縮小的就越多，即孔隙率減少的越多；而張應(yīng)力則使裂隙張開，從而引起滲透容積增大，張應(yīng)力越高，滲透容積增長的就越多，即孔隙率增加越大。853地應(yīng)力的影響注意：卸壓作用往往可使煤(巖)的滲透容積增大，即使孔隙率增大。使瓦斯的排放量增加；增壓作用可使煤(巖)受到壓縮，導(dǎo)致滲透容積減小，即使孔隙率降低。如開采保護(hù)層。目前的試驗表明，地應(yīng)力并不減少煤的吸附體積或減少得不多，因此地應(yīng)力對煤的吸附性影響很小，但對滲透性有很大的影響。86二、煤層裂隙（一）煤層裂隙系統(tǒng)是指不包括斷層在內(nèi)的，在自然條件下肉眼可以識別的裂隙系統(tǒng)，它由內(nèi)生裂隙系統(tǒng)、氣脹裂隙系統(tǒng)和外生裂隙系統(tǒng)三部分組成，大小通常為幾毫米到幾米。二、煤層裂隙內(nèi)生裂隙系統(tǒng)：一般認(rèn)為內(nèi)生裂隙是煤中凝膠化物質(zhì)在煤化過程中受了溫度、壓力的影響，內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化，體積均勻收縮，產(chǎn)生內(nèi)張力而形成的。87二、煤層裂隙88內(nèi)生裂隙系統(tǒng)常見于鏡煤和亮煤，裂隙面比較平坦，常呈眼球狀，有時被礦物薄膜充填，內(nèi)生裂隙往往有主要組和次要組。二、煤層裂隙89內(nèi)生裂隙的發(fā)育程度與煤化程度有關(guān)。腐植煤中以焦煤的內(nèi)生裂隙最多，通常主要組內(nèi)生裂隙為30~40條/5厘米，有時可達(dá)50~60條；低煤化煙煤中較少，一般長焰煤只有幾條，煤氣10~15條；無煙煤也比較少，一般少于10條，但某些地帶可達(dá)15~20條以上。褐煤的內(nèi)生裂隙不發(fā)育，而有干縮裂紋。因此，煤層的內(nèi)生裂隙發(fā)育程度是判斷煤化程度的標(biāo)志。90氣脹裂隙系統(tǒng)它是在良好的封閉條件下，在瓦斯劇烈生成期由于張性破壞產(chǎn)生的裂隙，王生維稱之為氣脹節(jié)理。流體壓力越大，裂隙規(guī)模也越大。氣脹裂隙不僅對煤儲層物理性質(zhì)有重要影響，而且對研究煤層瓦斯形成、發(fā)育和破壞具有標(biāo)志性意義。外生裂隙系統(tǒng)是煤層形成后受構(gòu)造應(yīng)力作用而產(chǎn)生的。

煤層中的外生裂隙可分為兩類，一類是切穿煤層進(jìn)入煤層頂?shù)装宓耐馍严叮硪活愂乔写┱麄€或大部分煤層但不切穿煤層頂?shù)装宓耐馍严?。外生裂隙與煤的層理面相互交錯，其中斜交者較多。主要外生裂隙組的方向常與附近斷層方向一致。二、煤層裂隙91煤層裂隙在國外煤層氣工業(yè)中常稱作割理(cleat)。割理是指煤中的天然裂隙，整個煤層中連續(xù)分布的割理稱為面割理(facecleat)，中止于面割理或與面割理交叉的不連續(xù)割理稱為端割理(bullcleat)。面割理和端割理通常是相互垂直或近似正交的。

（二）煤層割理系統(tǒng)二、煤層裂隙92二、煤層裂隙

總體而言，煤的光澤越亮、鏡煤和亮煤越多、厚度越大，割理越發(fā)育、割理高度越大。割理高度小則幾微米，大則幾十厘米。

端割理與面割理通常是互相連通的，長度受面割理的控制，面割理間距越寬，端割理越長。端割理與面割理的高度受控因素相同，即煤巖類型和煤巖組分。

割理形態(tài)各異，主要包括：①網(wǎng)狀，這種割理連通性好，極發(fā)育；②一組大致平行排列的面割理極發(fā)育，而端割理極少，這種割理發(fā)育，連通性較好；③面割理呈短裂紋狀或斷續(xù)狀，端割理少見，這種割理連通性差，較發(fā)育。93（三）煤層裂隙的評價方法（1）裂隙密度

裂隙密度反映裂隙發(fā)育的程度?？梢杂靡欢ň嚯x內(nèi)裂隙數(shù)量的多少來表示，也可用單位面積裂隙數(shù)量的多少來表示。（2）裂隙的連通性

裂隙的連通性包括同類型裂隙之間的連通和不同裂隙類型之間的連通狀況。（3）裂隙發(fā)育程度

裂隙發(fā)育程度包括裂隙的密度、長度、高度、裂口寬度及連通性，它從整體上反映了裂隙的發(fā)育狀況及其與煤儲層滲透性的關(guān)系。通常采用裂隙密度和連通性兩個指標(biāo)對裂隙發(fā)育程度進(jìn)行劃分。二、煤層裂隙表4-12割理密度級別劃分方案（據(jù)張新民等，2002）統(tǒng)計方法割理密度級別一級二級三級肉眼/（條/10cm）>1010～3<3光學(xué)顯微鏡/（條/10cm）>100100～30<30掃描電鏡/（條/cm2）>10001000～300<300表4-13割理的連通性等級劃分方案（據(jù)張新民等，2002）評價項目連通性評價等級好較好差割理形態(tài)網(wǎng)狀一組平行面割理為主，端割理少見，階梯狀短裂紋狀，單個分散充填狀態(tài)無部分多數(shù)表4-14割理發(fā)育程度劃分方案（據(jù)張新民等，2002）評價項目割理發(fā)育程度發(fā)育較發(fā)育不發(fā)育割理密度級別一級二級三級割理連通性好較好差95第一節(jié)煤層瓦斯地球化學(xué)特征第二節(jié)煤層瓦斯賦存與瓦斯吸附解吸特征第三節(jié)煤層瓦斯含量及其影響因素第四節(jié)煤層瓦斯垂向分帶第五節(jié)煤儲層壓力特征第六節(jié)煤層孔隙與裂隙特征

第七節(jié)煤儲層滲透性特征第八節(jié)煤儲層瓦斯流動規(guī)律

第四章煤層瓦斯賦存與煤儲層物性特征

96第七節(jié)煤儲層滲透性特征滲透性的基本概念

滲透性是流體通過多孔介質(zhì)的能力，表征滲透性的量是滲透率，與滲透率有關(guān)的概念有絕對滲透率、有效（相）滲透率、相對滲透率等。1絕對滲透率

只存在一相流體，且流體與介質(zhì)不發(fā)生任何物理化學(xué)作用，則多孔介質(zhì)允許流體通過的能力稱為絕對滲透率。

滲透率單位是達(dá)西，符號為D（相當(dāng)于SI制單位的μm2），1D的物理意義是：當(dāng)黏度為1cP（厘泊）的流體，在壓差為1atm作用下，通過截面積為1cm2、長度為1cm的多孔介質(zhì)，其流量為1cm3/s時，該多孔介質(zhì)的滲透率就稱為1D（達(dá)西）。煤儲層的滲透率往往較低，常用千分之一達(dá)西，即毫達(dá)西mD（10-3μm2）作為單位。973相對滲透率

有效(相)滲透率與絕對滲透率的比值稱為相對滲透率。煤儲層相對滲透率通常采用單相有效滲透率同氣相(甲烷或氦氣)克氏滲透率或絕對滲透率的比值。即：

(4-19)(4-20)

式中：Kτw，Krg——水、氣相對滲透率；Kwe，Kge——水、氣有效滲透率；2有效（相）滲透率

若孔隙中存在多相流體，則多孔介質(zhì)允許每一相流體通過的能力稱為每相流體的相滲透率，也稱為有效滲透率。滲透性的基本概念98第一節(jié)煤層瓦斯地球化學(xué)特征第二節(jié)煤層瓦斯賦存與瓦斯吸附解吸特征第三節(jié)煤層瓦斯含量及其影響因素第四節(jié)煤層瓦斯垂向分帶第五節(jié)煤儲層壓力特征第六節(jié)煤層孔隙與裂隙特征

第七節(jié)煤儲層滲透性特征第八節(jié)煤儲層瓦斯流動規(guī)律

第四章煤層瓦斯賦存與煤儲層物性特征

第八節(jié)煤儲層瓦斯流動規(guī)律

一、

煤層瓦斯流動1、原始煤體：

瓦斯在煤層中以呈壓縮狀態(tài)，煤層瓦斯壓力隨深度增大而增大，是在漫長的地質(zhì)年代里，煤層瓦斯由深部向地表流動的結(jié)果，但這種煤層瓦斯流動是極其緩慢的，在采礦工程中，研究煤層瓦斯流動時，一般忽略這種緩慢的瓦斯流動。通常認(rèn)為，在采掘工作或鉆孔未影響到的煤層，瓦斯處于平