煤層瓦斯賦存和煤儲(chǔ)層物性特征專題培訓(xùn)課件

煤層瓦斯賦存和煤儲(chǔ)層物性特征PPT講座2一、瓦斯的化學(xué)組分

（一）烴類氣體

瓦斯的主要成分是甲烷，其含量一般大于80%，其他烴類氣體含量極少。在同一煤階中，通常是烴類氣體含量隨埋藏深度的增大而增加，重?zé)N氣主要分布于未受風(fēng)化的煤層中。此外，重?zé)N含量與煤變質(zhì)程度有關(guān)，通常中變質(zhì)煤的重?zé)N含量高，低、高變質(zhì)煤的重?zé)N含量低。第一節(jié)煤層瓦斯地球化學(xué)特征

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（二）非烴類氣體

煤層瓦斯中非烴類氣體含量通常小于20%。如美國阿巴拉契亞盆地、阿科馬盆地和黑勇士盆地，其煤層瓦斯中非烴類氣體含量極低，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于10%。非烴類氣體中，氮?dú)夂考s占2/3，二氧化碳約占1/3。某些煤層瓦斯的氮?dú)夂投趸己孔兓艽?。如江西豐城煤礦煤層氣的氮?dú)夂刻幱?.20%～83.39%之間，二氧化碳含量處于0.02%～10.12%之間。二氧化碳易溶于水且易被地下水帶走，因而此其含量受地下水活動(dòng)影響較大。此外，氮?dú)夂投趸己恳嗍苊簩勇裆詈兔鹤冑|(zhì)程度影響。一般而言，越靠近地表，氮?dú)夂投趸嫉暮吭礁?；煤變質(zhì)程度越高，氮?dú)夂投趸嫉暮吭降汀?二、影響瓦斯地球化學(xué)組成的地質(zhì)因素瓦斯的地球化學(xué)組成主要受煤巖組分（母質(zhì)）、煤階、生氣過程、埋藏深度及相應(yīng)的溫壓條件等因素影響。此外，水動(dòng)力條件和次生作用（如混合、氧化作用）等也能夠影響瓦斯的地球化學(xué)組成。5（一）煤巖組分的影響大多數(shù)煤歸類為腐殖型干酪根，其煤巖組分以鏡質(zhì)組為主，并含有少量的殼質(zhì)組和惰質(zhì)組。殼質(zhì)組通常相對(duì)富氫，是煤成油的主要顯微組分，具有很高的生烴能力。有機(jī)巖石學(xué)和地球化學(xué)最新研究已證明：鏡質(zhì)組與Ⅲ型干酪根的熱演化途徑一致，主要生成甲烷和其他氣體；鏡質(zhì)組富氫的某些組分亦可生成液態(tài)烴；惰質(zhì)組的產(chǎn)氣量比相同煤階的殼質(zhì)組和鏡質(zhì)組低。三種煤巖組分的烴氣產(chǎn)率以殼質(zhì)組最高，鏡質(zhì)組次之，惰質(zhì)組最低。對(duì)于中、高揮發(fā)分煙煤（中變質(zhì)煤），腐泥型煤（Ⅰ、Ⅱ型干酪根，主要為殼質(zhì)組和富氫鏡質(zhì)組)能夠生成濕氣和液態(tài)烴，而腐殖型煤（Ⅲ型干酪根，主要含鏡質(zhì)組)則生成較干的氣體。高變質(zhì)煤中的瓦斯由殘留干酪根和早期生成的重?zé)N裂解而形成。6干酪根（Kerogen）一詞最初被用來描述蘇格蘭油頁巖中的有機(jī)質(zhì)，它經(jīng)蒸餾后能產(chǎn)出似蠟質(zhì)的粘稠石油?，F(xiàn)在為人們所普遍接受的概念是：干酪根是沉積巖中不溶于一般有機(jī)溶劑的沉積有機(jī)質(zhì)。與其相對(duì)應(yīng)，巖石中可溶于有機(jī)溶劑的部分，稱為瀝青。7I型干酪根（稱為腐泥型）：以含類脂化合物為主，直鏈烷烴很多，多環(huán)芳烴及含氧官能團(tuán)很少，具高氫低氧含量，它可以來自藻類沉積物，也可能是各種有機(jī)質(zhì)被細(xì)菌改造而成，生油潛能大，每噸生油巖可生油約1.8kg。

Ⅱ型干酪根：氫含量較高，但較Ⅰ型干酪根略低，為高度飽和的多環(huán)碳骨架，含中等長度直鏈烷烴和環(huán)烷烴較多，也含多環(huán)芳烴及雜原子官能團(tuán)，來源于海相浮游生物和微生物，生油潛能中等，每噸生油巖可生油約1.2kg。

Ⅲ型干酪根（稱為腐殖型）：具低氫高氧含量，以含多環(huán)芳烴及含氧官能團(tuán)為主，飽和烴很少，來源于陸地高等植物，對(duì)生油不利，每噸生油巖可生油約0.6kg，但可成為有利的生氣來源8（二）煤化程度的影響煤化程度是控制氣體生成量和組分的重要因素。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（亞煙煤至中揮發(fā)分煙煤)生成的熱成因氣以二氧化碳為主，高變質(zhì)煤(低揮發(fā)分煙煤及以上煤階的煤)生成的氣體主要成分為甲烷。（三）瓦斯成因的影響瓦斯生成包括生物成因和熱成因兩個(gè)過程（見圖4-1，圖4-2）。生物成因氣和熱成因氣在形成時(shí)間、生成溫壓、母質(zhì)和生氣機(jī)理（有無細(xì)菌活動(dòng)等）方面的差異，導(dǎo)致這兩個(gè)過程中所生成的瓦斯組成有較大差異。9圖4-1煤層瓦斯生成過程（據(jù)吳佩芳等煤層氣開發(fā)理論與實(shí)踐，2000）10圖4-2煤化過程中生成的甲烷（據(jù)吳佩芳等，2000）11

生物成因氣由二氧化碳還原作用和有機(jī)酸發(fā)酵作用生成。通常，由二氧化碳還原作用生成的甲烷的碳同位素較輕，且富氘；由有機(jī)酸發(fā)酵作用生成的甲烷的碳同位素較重，且消耗氘。與生物成因氣相比，熱成因氣有如下特征：①重?zé)N一般出現(xiàn)在中高揮發(fā)分煙煤和煤化程度更高的煤中；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(duì)富集氘。12（四）煤層埋藏深度的影響煤層埋藏深度不同，瓦斯的組分也發(fā)生變化。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。與深層瓦斯相比，淺層瓦斯為較干氣體，且所含甲烷的同位素δ13C1值低。參照世界各地的資料可以看出，在煤階相同或相近的情況下，δ13C1值較小的瓦斯，其賦存深度一般也較淺。13（五）瓦斯的解吸和擴(kuò)散煤層后期抬升，煤層壓力場發(fā)生改變，瓦斯出現(xiàn)解吸和擴(kuò)散。結(jié)構(gòu)簡單、分子量小、質(zhì)量輕的甲烷比結(jié)構(gòu)復(fù)雜、分子量大、質(zhì)量重的重?zé)N氣容易解吸且解吸速度快。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。14（六）次生作用的影響瓦斯的次生作用，即對(duì)早期已生成瓦斯的改造作用。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。次生作用影響瓦斯的組成，對(duì)于淺層瓦斯而言更是如此。在淺部，煤層通常為細(xì)菌繁盛的含水層，細(xì)菌影響瓦斯組成的方式有三種：①厭氧菌活動(dòng)導(dǎo)致大量生物成因氣的生成并和以前生成的熱成因氣混合；②喜氧菌優(yōu)先和濕氣組分發(fā)生作用，濕氣大部分遭到破壞，從而使殘留濕氣組分的δ13C1值也比預(yù)期的要高；③喜氧菌的活動(dòng)令甲烷被氧化和消耗，使殘留甲烷的δ13C1值增大。15（七）水文地質(zhì)條件的影響有些地區(qū)水動(dòng)力條件對(duì)瓦斯組成的影響十分明顯。如美國圣胡安盆地，其北部超高壓區(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，大氣降水進(jìn)入可滲透煤層，細(xì)菌隨流動(dòng)水一起遷移到煤層中，在細(xì)菌的降解和自身代謝活動(dòng)作用下生成次生生物成因氣。16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(chǔ)層壓力特征第六節(jié)煤層孔隙與裂隙特征第七節(jié)煤儲(chǔ)層滲透性特征第八節(jié)煤儲(chǔ)層瓦斯流動(dòng)規(guī)律

第四章煤層瓦斯賦存與煤儲(chǔ)層物性特征

17一、煤層瓦斯賦存狀態(tài)煤對(duì)瓦斯的吸附作用主要是物理吸附，是瓦斯分子與碳分子相互吸引的結(jié)果，如圖4-3所示。在被吸附瓦斯中，人們通常把進(jìn)入煤體內(nèi)部的瓦斯稱為吸收瓦斯，把附著在煤體表面的瓦斯稱為吸著瓦斯，吸收瓦斯和吸著瓦斯統(tǒng)稱為吸附瓦斯。煤層賦存的瓦斯中，通常吸附瓦斯量占80％～90％，游離瓦斯量占10％～20％，吸附瓦斯量中又以煤體表面吸著瓦斯量占多數(shù)。第二節(jié)煤層瓦斯賦存與瓦斯吸附解吸特征

18圖4-3煤體中瓦斯賦存狀態(tài)（據(jù)周世寧等，1999）19

在外界條件恒定時(shí)，煤體中吸附瓦斯和游離瓦斯處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，吸附瓦斯分子和游離瓦斯分子相互更替，在瓦斯緩慢的流動(dòng)過程中，不存在游離瓦斯易放散、吸附瓦斯不易放散的情況；當(dāng)外界的瓦斯壓力和溫度發(fā)生變化或給予沖擊和振蕩，并影響到分子的能量時(shí)，原有平衡會(huì)被破壞，并最終形成新的平衡狀態(tài)。例如，在煤與瓦斯突出（以下簡稱突出）過程的短暫時(shí)間內(nèi)，游離瓦斯首先放散，然后吸附瓦斯迅速加以補(bǔ)充。201．吸附態(tài)瓦斯煤層瓦斯以吸附方式儲(chǔ)存于煤層中。經(jīng)測算，吸附狀態(tài)的瓦斯占煤中瓦斯總量的80%～95%，具體比例取決于煤的變質(zhì)程度和埋藏深度等因素（張新民等，1991；A.T．艾魯尼等，1987）。煤是一種多孔介質(zhì)，煤中的孔隙大部分是直徑小于50nm的微孔，這使煤具有豐富的內(nèi)表面積，形成煤較高的表面吸引力，所以煤具有很強(qiáng)的儲(chǔ)氣能力。我國中、高變質(zhì)程度煙煤和無煙煤的實(shí)測煤層瓦斯含量（干燥無灰基）為10～30cm3/g，最高可達(dá)36cm3/g，甚至更高。據(jù)測算，煤層儲(chǔ)氣能力是同體積常規(guī)砂巖儲(chǔ)氣能力的2～3倍（圖4-4）21圖4-4美國幾個(gè)含煤盆地中煤與砂石儲(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)層（孔隙度Φ=22.5%，水飽和度為35%）。222．游離態(tài)瓦斯在氣飽和的情況下，煤的孔隙和裂隙中充滿著處于游離狀態(tài)的瓦斯。這部分氣體服從一般氣體狀態(tài)方程，因分子熱運(yùn)動(dòng)顯現(xiàn)出氣體壓力。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)，即：（4-1）式中：Qy為游離氣含量（cm3/g）；為第i氣體摩爾分?jǐn)?shù)，Ф為單位質(zhì)量煤的孔隙體積（cm3/g）；p為氣體壓力（MPa）；為第i氣體的壓縮系數(shù)。23

煤中游離瓦斯的含量不大。據(jù)前蘇聯(lián)科學(xué)院A.T．艾魯尼等人的資料，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%。煤體內(nèi)瓦斯的賦存狀態(tài)不僅有吸附態(tài)和游離態(tài)，還包含有瓦斯的液態(tài)和固溶體狀態(tài)。但是，由于吸附態(tài)和游離態(tài)瓦斯所占的比例在85％以上，正常情況下，整體所表現(xiàn)出的特征仍是吸附和游離狀態(tài)瓦斯的賦存特征。24二、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，因而具有吸附氣體的能力。所謂吸附，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(jià)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。大量研究表明，煤對(duì)氣體的吸附以物理吸附為主體。25

吸附平衡：在一個(gè)封閉系統(tǒng)里，固體顆粒表面同時(shí)進(jìn)行著吸附和解吸兩種相反的過程，即一部分氣體由于吸引力而被吸留在表面而成吸附氣相；被吸附住的氣體分子，在熱運(yùn)動(dòng)和振動(dòng)的作用下，其動(dòng)能增加到足以克服吸引力的束縛時(shí)，就會(huì)離開表面而重新進(jìn)入游離氣相。當(dāng)這兩種作用的速度相等（即單位時(shí)間內(nèi)被固體顆粒表面吸留的氣體分子數(shù)等于離開表面的分子數(shù)）時(shí)，顆粒表面上的氣體分子數(shù)目就維持在某一個(gè)定量，此時(shí)稱為吸附平衡。這是一種動(dòng)態(tài)平衡，所達(dá)到的狀態(tài)即為平衡狀態(tài)。在平衡狀態(tài)時(shí)，吸附劑所吸附的氣體量與溫度與壓力有關(guān)。26

吸附量（V）是溫度（T）和壓力（p）的函數(shù)，可表示為：

V=f(T,p)(4-2)

在上述函數(shù)關(guān)系式中，當(dāng)溫度恒定時(shí)，稱為吸附等溫線；當(dāng)壓力恒定時(shí)，稱為吸附等壓線。

最常用的是吸附等溫線，即在某一固定溫度下，達(dá)到吸附平衡時(shí)，吸附量（V）與游離氣相壓力（p）之間的關(guān)系曲線。在煤層瓦斯地質(zhì)及勘探開發(fā)中，某一溫度（通常為儲(chǔ)層溫度）下煤的吸附等溫線對(duì)評(píng)價(jià)煤層的最大儲(chǔ)氣能力、預(yù)測煤層瓦斯含量、確定臨界解吸壓力和計(jì)算煤層瓦斯理論回收率等具有重要意義。27圖4-5吸附等溫線的5種類型（據(jù)S.Brunauer等，1940；轉(zhuǎn)引自嚴(yán)繼民等，1986）P0為吸附質(zhì)在溫度T時(shí)的飽和蒸氣壓；P/P0為相對(duì)壓力28（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

1916年，法國化學(xué)家Langmuir在研究固體表面吸附特性時(shí)，得出了單分子層吸附的狀態(tài)方程，即朗格繆爾方程。隨后，國內(nèi)外瓦斯研究工作者經(jīng)過實(shí)驗(yàn)和理論分析后發(fā)現(xiàn)，該方程同樣適用于瓦斯在煤體表面的吸附，目前采用該方程式來計(jì)算煤的瓦斯吸附量。朗格繆爾方程的基本假設(shè)條件是：①吸附平衡是動(dòng)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。29其數(shù)學(xué)表達(dá)式為

(4-3)其中：

式中：a—吸附常數(shù)，取決于吸附劑和吸附質(zhì)的性質(zhì)，表示在給定的溫度下，單位質(zhì)量固體的極限吸附量。對(duì)煤體吸附瓦斯而言，該值一般為15～55m3/t；b—吸附常數(shù)，一般為0.5～5.0MPa-1，取決于溫度和吸附劑的性質(zhì)；P—吸附平衡時(shí)的瓦斯壓力，MPa；V—在給定溫度條件下，瓦斯壓力為P時(shí)單位質(zhì)量固體表面吸附的瓦斯量，cm3/g；30V0—標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下氣體克分子體積，22.4升／/克分子；

—煤體的比表面積；

N—阿佛加德羅常數(shù)．6.02×1023個(gè)／/mol；

—一個(gè)吸附位的面積，nm2／/位；

kt—根據(jù)氣體運(yùn)動(dòng)論得出的參數(shù)；

Zm—完全的單分子層中每平方厘米所吸附的氣體分子數(shù)；

—解吸活化能；

—和表面垂直的吸附氣體的振動(dòng)頻率；

R—?dú)怏w常數(shù)；

T—煤體的溫度。

a是一個(gè)只與煤體比表面積以及被吸附氣體有關(guān)的參數(shù)，不同煤樣吸附量差異由a值的不同來反映。b是一個(gè)與溫度、被吸附氣體有關(guān)的參數(shù)，溫度變化引起的吸附量變化由b值集中反映出來。不同吸附氣體所引起的吸附量變化則分別反映在a、b值的不同上。31Langmuir方程的另一種表達(dá)方式是

(4-4)

式中：VL為Langmuir體積（cm3/g），其物理意義與a值相同，即VL=a；PL為Langmuir壓力（MPa），代表吸附量達(dá)到Langmuir體積的一半時(shí)所對(duì)應(yīng)的平衡氣體壓力，其與壓力常數(shù)b的關(guān)系是PL＝1/b；其他符號(hào)意義同上。圖4-6為30℃時(shí)煤的Langmuir壓力－Rmax關(guān)系圖。32圖4-630℃時(shí)煤的Langmuir壓力與Rmax關(guān)系圖（據(jù)張新民等，2002）33

氣體平衡壓力較低時(shí)，Langmuir方程分母中的b·p項(xiàng)與1相比，可以忽略不計(jì)，此時(shí)的吸附量與壓力成正比。即：

V=a·b·p(4-5)

式（4-5）被稱為亨利（Henry）公式，它只有在吸附劑的內(nèi)表面積最多有10%被氣體分子覆蓋時(shí)，即在平衡氣體壓力很低時(shí)才成立。氣體平衡壓力很高時(shí)，Langmuir方程分子中的1相對(duì)于b·p項(xiàng)可以忽略不計(jì)，即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。342．多分子層吸附理論—BET方程在單分子層吸附理論基礎(chǔ)上，Brunauer、Emmett和Teller等人于1938年提出多分子層吸附理論，除上述Langmuir單分子層模型中的前3項(xiàng)假設(shè)（即吸附是動(dòng)態(tài)平衡，固體表面是均勻的，被吸附分子間無相互作用力）外，還補(bǔ)充了以下假設(shè)：①被吸附分子和碰撞到其上面的氣體分子之間也存在范德華力，發(fā)生多層吸附；②第一層的吸附熱和以后各層的吸附熱不同，而第二層以上各層的吸附熱相同；③吸附質(zhì)的吸附和脫附只發(fā)生在直接暴露于氣相的表面上。雖然吸附是多分子層的，但不是第一層吸附滿時(shí)才進(jìn)行第二層吸附，而是每一層都可能有“空著”的吸附位，層是不連續(xù)的。35

這種吸附由BET方程描述，BET方程的二常數(shù)表達(dá)式為：

(4-6)

式中：Vm為單分子層達(dá)到飽和時(shí)的吸附量；P0為實(shí)驗(yàn)溫度下吸附質(zhì)的飽和蒸氣壓力；C為與吸附熱和吸附質(zhì)液化熱有關(guān)的系數(shù)。多分子層吸附理論可以描述前述所有5種類型的吸附等溫線，它的一個(gè)重要用途是測定固體的比表面積。363．吸附勢理論—RD方程吸附勢理論認(rèn)為，吸附是由勢能引起的，在固體表面附近存在一個(gè)勢能場，即吸附勢。就如同地球存在引力場，使空氣在地球表面附近包覆成大氣層一樣。距離固體表面越近吸附勢能越高，因此，吸附質(zhì)的濃度也越高，反之則越低。Polanyi曾對(duì)吸附勢進(jìn)行了定量描述，因此這種理論有時(shí)也被稱為Polanyi吸附勢理論。吸附勢理論對(duì)微孔吸附劑的等溫吸附作定量描述的方程是DubininRadushkevich（RD）方程，即37(4-7)

式中：V為吸附勢能；V0為微孔體積；β為吸附質(zhì)的親和系數(shù)；K為與孔隙結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù)；P0為實(shí)驗(yàn)溫度下吸附質(zhì)的飽和蒸氣壓力；R為氣體常數(shù)；T為絕對(duì)溫度。吸附勢模型可以描述前述Ⅱ類吸附等溫線，適合于孔徑較小的物質(zhì)（一般孔徑為0.6～0.7nm），并且不易發(fā)生多層吸附或毛細(xì)凝結(jié)現(xiàn)象。38

4．統(tǒng)計(jì)勢動(dòng)力學(xué)理論——多相吸附模型單分子層吸附和多分子層吸附理論是基于兩相平衡的概念，即吸附氣相與游離氣相之間是平衡的。Collins則認(rèn)為，煤體內(nèi)部孔隙中的氣體分子不是游離的，而是處于煤分子的電磁場中。正是這種分子力改變了微孔中流體的性質(zhì)。于是，他提出四相平衡的新吸附理論，即吸附劑外表的游離氣相、單分子層吸附相、孔隙氣相和類液相（Collins，1991）。該理論認(rèn)為，氣體分子與固體分子間的作用力為倫敦分散力，氣體分子之間的作用力為范德華力。假設(shè)多孔介質(zhì)為具有一定孔隙體積的固體，這個(gè)孔隙體積由所有具有相同半徑的圓筒形孔隙的集合體組成，則較高壓力下的吸附等溫線方程為39

(4-8)

式中：Na為吸附劑中的氣體分子數(shù)；PL為Langmuir壓力常數(shù)；G（T）為孔隙相氣體密度的溫度校正因子；α為常數(shù)；VP為吸附劑孔隙體積；K為Boltzman常數(shù)；B為范德華因子；S為吸附位總數(shù)量；T為絕對(duì)溫度；（h為Plank常數(shù)；m為氣體分子量）；Σ為比表面積(單位孔隙體積的表面積)。式（4-8）中，第一項(xiàng)為單層吸附的分子數(shù)量，實(shí)際為Langmuir等溫吸附項(xiàng)；第二項(xiàng)為以“孔隙氣”形式存在于孔隙體積VP中的分子數(shù)量；最后一項(xiàng)為以“壓縮”或“類液層”形式存在的氣體分子數(shù)量，壓力較低時(shí)取值為零。這種吸附等溫線可用圖4-7來表示，屬前述Ⅱ類吸附等溫線。40圖4-7等溫吸附條件下多孔固體中的三種相態(tài)（據(jù)傅雪海等，2007）41（三）煤對(duì)甲烷的吸附能力煤是一種優(yōu)良的天然吸附劑，對(duì)各種氣體具有很強(qiáng)的吸附能力，這是煤層瓦斯與常規(guī)儲(chǔ)層儲(chǔ)氣機(jī)理不同的物質(zhì)基礎(chǔ)。關(guān)于煤的等溫吸附特征，國內(nèi)外做過大量工作。由上一節(jié)所討論的吸附理論可知，雖然人們對(duì)煤吸附氣體的特征和機(jī)理存在不同的理解和認(rèn)識(shí)，但均認(rèn)為煤吸附甲烷屬物理吸附是不爭的事實(shí)。煤中氣體以物理吸附存在的理由主要有：甲烷的吸附熱比氣化熱低2～3倍，氮?dú)夂蜌錃獾奈揭才c甲烷一樣，這表明煤對(duì)氣體的吸附是無選擇性的；大量的吸附試驗(yàn)證明，煤對(duì)甲烷等氣體的吸附是快速和可逆的。因此，可以用物理吸附模型來探討煤吸附氣體的機(jī)理。42圖4-8美國黑勇士盆地煤樣的吸附等溫線（據(jù)Collins，1991）43

煤層溫度大都在10～50℃范圍內(nèi)變化，這一溫度遠(yuǎn)高于甲烷的臨界溫度（-82.57℃），煤的等溫吸附試驗(yàn)一般也是在這一溫度范圍內(nèi)進(jìn)行，因而不易發(fā)生多層吸附；煤是一種孔隙結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜、孔徑分布較寬的多孔介質(zhì)，吸附不可能只發(fā)生在微孔結(jié)構(gòu)中（A.T.艾魯尼，1992），即吸附并非只以微孔充填過程為主。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(shí)才會(huì)出現(xiàn)，如圖4-8所示?？梢哉J(rèn)為，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。44（四）影響煤吸附性的因素煤吸附性大小主要取決于3個(gè)方面的因素，即：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。煤對(duì)瓦斯的吸附是可逆的，環(huán)境條件尤為重要。煤中瓦斯吸附量的大小主要取決于煤化變質(zhì)程度、煤中水分、瓦斯成分、瓦斯壓力以及吸附平衡溫度等。451．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)瓦斯壓力大于3.0MPa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，如圖4-9示。2．吸附溫度的影響目前的實(shí)驗(yàn)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(shí)，已被吸附的瓦斯分子在溫度升高時(shí)易于獲得動(dòng)能，發(fā)生脫附現(xiàn)象，吸附瓦斯量降低。圖4-9給出了溫度對(duì)吸附性的影響。46圖4-9溫度對(duì)瓦斯吸附的影響（據(jù)傅雪海等，2007）473．瓦斯成分的影響礦井中的瓦斯實(shí)際上是一種以甲烷為主的混合氣體。圖4-10為單組分和多組分混合氣體(CO2、CH4、N2)的等溫吸附實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果，從圖中可以看出，煤對(duì)混合氣體的不同組分的吸附能力有強(qiáng)弱之分；當(dāng)混合氣體由CO2、CH4組成時(shí)，在所研究的壓力范圍內(nèi)，煤對(duì)CO2的吸附始終大于對(duì)CH4的吸附；當(dāng)混合氣體由CH4和N2組成時(shí)，CH4為混合氣體中的強(qiáng)吸附組分，決定著吸附曲線的趨向性質(zhì)。等溫吸附曲線顯示：在吸附壓力不高時(shí)，煤對(duì)混合氣體的等溫吸附接近強(qiáng)吸附組分的等溫吸附曲線；隨著吸附壓力的升高，其介于兩組分之間。另外，混合氣體各組分的百分比不同、分壓不同，所得的吸附等溫線也不同。48圖4-10單組分和多組分混合氣體等溫吸附曲線（據(jù)何學(xué)秋，1995）49

可以認(rèn)為，一方面，煤對(duì)混合氣體的吸附性與混合氣體中各組分的吸附性強(qiáng)弱有關(guān)；另一方面，煤對(duì)混合氣體的吸附性與混合氣體中各組分的分壓有關(guān)，煤對(duì)分壓大的氣體組分的吸附性更大。

由分壓大的強(qiáng)吸附氣體和分壓小的弱吸附氣體組成的混合氣體的等溫吸附曲線很接近分壓大的強(qiáng)吸附氣體在作為純吸附質(zhì)時(shí)的等溫吸附曲線。各組分的分壓變化與其吸附量的變化是不成比例的，在吸附過程中，游離相的成分會(huì)發(fā)生變化，使被吸附組分?jǐn)?shù)量間的關(guān)系與原始混合氣體不同，即各吸附質(zhì)組分間會(huì)相互影響，但在恒溫條件下，吸附量與壓力之間的關(guān)系仍然可用Langmuir等溫吸附的修正方程加以表示。50

從圖4-11可以看出，煤對(duì)混合氣體中各組分的吸附量比對(duì)該組分單獨(dú)作為吸附質(zhì)時(shí)的吸附量要小，這說明煤對(duì)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(duì)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。51圖4-11給定吸附氣體、溫度條件下的等溫吸附線（據(jù)周世寧等，1999）524．煤的變質(zhì)程度的影響圖4-6給出了30℃等溫吸附Langmuir體積與Rmax關(guān)系，圖4-12給出了不同變質(zhì)程度的煤在45℃時(shí)的等溫吸附變化情況。煤的變質(zhì)程度對(duì)煤的瓦斯生成量及比表面積有較大影響，參見圖4-6，圖4-12。一般情況下，從中變質(zhì)煙煤到無煙煤，吸附量相應(yīng)增加。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）535．煤中水分的影響水分的增加會(huì)使煤的吸附能力降低（見圖4-13，圖4-14所示）。通常用俄羅斯煤化學(xué)家艾琴格爾的經(jīng)驗(yàn)公式來確定煤中天然水分對(duì)甲烷吸附量的影響，其計(jì)算公式為： （4-9）式中：Xch—含有水分為W(％)的濕煤的甲烷吸附量，m3/t；

W—煤中的天然水分的質(zhì)量含量，％；圖4-13煤中天然水分對(duì)甲烷吸附量的影響（據(jù)周世寧等，1999）54圖4-14干燥煤樣與平衡水煤樣等溫吸附曲線對(duì)比（據(jù)葉建平等，1998）55三、煤的解吸特征

煤層壓力降低到一定程度，煤中被吸附的甲烷開始從微孔表面分離，即發(fā)生解吸，它是煤中吸附氣因儲(chǔ)層壓力降低或溫度升高等而轉(zhuǎn)變成游離氣體的過程。煤層解吸特征常用可解吸率（或可解吸量）和解吸速率衡量，解吸總量由階段解吸量組成，解吸速率往往采用吸附時(shí)間定量表示。56（一）解吸率和解吸量我國前期煤田地質(zhì)勘探資料中瓦斯（煤層氣）解吸資料多由四部分構(gòu)成，即損失氣量（V1）、現(xiàn)場兩小時(shí)解吸量（V2）、真空加熱脫氣量（V3）和粉碎脫氣量（V4）。通常，把損失氣量與解吸氣量之和與總含氣量之比稱為解析率，損失氣量與現(xiàn)場兩小時(shí)解吸氣量之和為解吸量，即解吸率與實(shí)測含氣量的乘積。我國煤層氣井和美國煤層氣解吸資料均由三部分構(gòu)成，即逸散氣量、解吸氣量（解吸至一周內(nèi)平均每天小于10cm3時(shí)為止）、殘余氣量。逸散氣量、解吸氣量之和為理論可解吸量，其與總含氣量之比稱為理論可解吸率。57

我國煤的解吸特征變化較大。煤層甲烷解吸率介于9.1%～59.0%之間。甘肅窯街煤層瓦斯中因CO2含量達(dá)25%，甲烷解吸率只有9.1%，遼河古近紀(jì)煤的甲烷解吸率為22.6%，鐵法上侏羅統(tǒng)煤的甲烷解吸率為19.2%，西北靖遠(yuǎn)下中侏羅統(tǒng)煤的甲烷解吸率為29.8%，華北石炭－二疊系煤的甲烷解吸率介于22.0%～59%之間，云南恩洪中二疊統(tǒng)煤的甲烷解吸率在53%左右。58

煤層甲烷解吸率受煤層原位含氣量和儲(chǔ)層壓力影響，與煤層埋藏深度有關(guān)（見圖4-15，圖4-16所示）。沁水盆地中南部煤層甲烷解吸率介于15.6%～68.0%之間，平均為37.82%。其中3煤解吸率、解吸量基本上隨埋深增加而增大，平均解析率為30.9%，15煤埋深500m左右，平均解吸率為37.8%。圖4-16給出了沁水盆地中南部煤層甲烷解吸率與煤層埋深關(guān)系的統(tǒng)計(jì)。東北鐵法和西北寶積山等中生界煤層隨埋深增大煤層甲烷解吸率卻有明顯的降低趨勢，最佳解吸深度在400～600m之間。由此來看，不同地區(qū)和不同時(shí)代煤層甲烷解吸率與埋深之間關(guān)系有很大差異。59圖4-15沁水盆地中南部煤層甲烷解吸速率與煤層埋深的關(guān)系（據(jù)傅雪海等，2007）60圖4-16沁水盆地中南部煤層甲烷解吸速率與煤層埋深的關(guān)系（據(jù)傅雪海等，2007）61（二）解吸時(shí)間實(shí)測瓦斯解吸體積累計(jì)達(dá)到總解吸氣量（STP：標(biāo)準(zhǔn)溫度、壓力）的63.2%時(shí)所對(duì)應(yīng)的時(shí)間稱為解吸時(shí)間，它由罐裝煤樣解吸試驗(yàn)求得。該時(shí)間參數(shù)對(duì)給定煤樣來說，與逸散氣無關(guān)，即不管采用何種方法計(jì)算逸散氣量，解吸時(shí)間都是相同的。解吸時(shí)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(shí)踐表明：解吸時(shí)間與產(chǎn)能達(dá)到高峰的時(shí)間有關(guān)，與煤層氣長期的產(chǎn)能關(guān)系并不密切。解吸時(shí)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)。62

吸附時(shí)間可以通過擴(kuò)散系數(shù)和煤基塊甲烷量來計(jì)算，即：

(4-10)

式中：τ——吸附時(shí)間D——擴(kuò)散系數(shù)σ——形狀因子

σ由下式定義：式中：α——比例系數(shù)；

Am——煤基質(zhì)塊的面積；

Vm——煤基質(zhì)塊的體積。煤中裂隙級(jí)別較多，裂隙間距和形狀因子難于厘定，通常由煤樣的自然解吸實(shí)驗(yàn)來確定解吸時(shí)間。63①計(jì)算累計(jì)達(dá)到總解吸氣量的63.2%時(shí)所對(duì)應(yīng)的氣體體積:

（4-11）②計(jì)算累計(jì)達(dá)到總解吸氣量的63.2%時(shí)所對(duì)應(yīng)的時(shí)間:

在煤樣的自然解吸實(shí)驗(yàn)中找到該樣品累計(jì)達(dá)到總解吸氣量的63.2%時(shí)所在的時(shí)間區(qū)間t1和t2，其所對(duì)應(yīng)的累計(jì)解吸量為Vt1和Vt2，則:

(4-12)

煤層的解吸時(shí)間變化很大，最大值與最小值可相差100倍以上。例如，美國圣胡安盆地、中阿巴拉契亞盆地等為l～5d，黑勇士盆地為1～30d，北阿巴拉契亞盆地為80～100d。64

我國煤層解吸時(shí)間在數(shù)小時(shí)至20d之間。例如，平頂山三9-10煤層解吸時(shí)間為2～3d，二1煤層解吸時(shí)間為13h?；茨?3-1煤層吸附時(shí)間為1h～4.6d,11-1煤層吸附時(shí)間為1h～1.8d，8煤層解吸時(shí)間為3h～1.5d。韓城3煤層吸附時(shí)間在1d左右，11煤層吸附時(shí)間為8h。峰峰2煤層吸附時(shí)間為1.5h～1.6d，4煤和6煤層吸附時(shí)間僅有數(shù)h。沁水盆地石炭二疊系煤層的吸附時(shí)間相對(duì)較長，但也只有1～20d。表4-1給出了我國部分煤層的解吸時(shí)間。與美國圣胡安盆地和中阿巴拉契亞地區(qū)相類似，煤層解吸速率較快，若為水飽和煤層，很快就能達(dá)到較高氣產(chǎn)量。65（三）解吸速率

單位時(shí)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(gè)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（圖4-17）。66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）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(chǔ)層壓力特征第六節(jié)煤層孔隙與裂隙特征第七節(jié)煤儲(chǔ)層滲透性特征第八節(jié)煤儲(chǔ)層瓦斯流動(dòng)規(guī)律

第四章煤層瓦斯賦存與煤儲(chǔ)層物性特征

68一、煤層瓦斯含量的基本概念

煤層瓦斯含量是指單位質(zhì)量的煤中所含有的瓦斯體積（換算為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的體積），單位是cm3/g或m3/t。煤層瓦斯含量也可用單位質(zhì)量純煤(去掉煤中水分和灰分)的瓦斯體積表示，單位是cm3/g,daf或m3/t,daf。所謂標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)是指：絕對(duì)溫度273.2K(（0℃)），大氣壓力1.013kPa（760mm汞柱）。

煤層原始瓦斯含量煤層未受采動(dòng)影響而處于原始賦存狀態(tài)時(shí)，單位質(zhì)量煤中所含有的瓦斯體積（換算成標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下體積），稱之為煤層原始瓦斯含量，常用m3/t和cm3/g作計(jì)量單位。第三節(jié)煤層瓦斯含量及其影響因素

69

煤層殘存瓦斯含量煤層受采動(dòng)影響而涌出一部分瓦斯后，單位質(zhì)量煤中所含有的換算成標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的瓦斯體積稱之為煤層殘存瓦斯含量，常用計(jì)量單位亦是m3/t和cm3/g作計(jì)量單位。

煤的可解吸瓦斯含量煤自的原始瓦斯含量與煤層殘存瓦斯含量之差稱為煤的可解吸瓦斯含量，其物理單位為m3/t或cm3/g。煤的可解吸瓦斯含量大致代表單位質(zhì)量的煤在開采過程中，在井下可能涌出的瓦斯量。

煤的瓦斯容量煤中瓦斯壓力升高時(shí)，單位質(zhì)量煤所能吸附瓦斯的最大體積（換算為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的體積），稱之為煤的瓦斯容量。瓦斯容量與煤的變質(zhì)程度有關(guān)，從褐煤到無煙煤，隨著煤的變質(zhì)程度升高，瓦斯容量加大。瓦斯容量實(shí)際上是煤對(duì)瓦斯的極限吸附量。70二、影響煤層瓦斯含量的因素瓦斯是地質(zhì)作用的產(chǎn)物，瓦斯的形成和保存、運(yùn)移和富集與地質(zhì)條件關(guān)系密切。影響瓦斯賦存和分布的主要地質(zhì)因素包括：煤的變質(zhì)程度、圍巖條件、地質(zhì)構(gòu)造、煤層的埋藏深度、煤田的暴露程度、地下水活動(dòng)和巖漿活動(dòng)。71（一）煤的變質(zhì)程度的影響煤化作用過程中會(huì)不斷地產(chǎn)生瓦斯，煤化程度越高，生成的瓦斯量越多。即在其他因素恒定的條件下，煤的變質(zhì)程度越高，煤層瓦斯含量越大。褐煤長焰煤無煙煤石墨可吸附瓦斯量生成瓦斯總量保存瓦斯量72（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(duì)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(shí)，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(shí)，瓦斯容易逸散。73（三）地質(zhì)構(gòu)造的影響地質(zhì)構(gòu)造對(duì)瓦斯賦存影響較大，一方面造成瓦斯分布不均衡，另一方面形成了瓦斯賦儲(chǔ)存或瓦斯排放的有利條件。不同類型的構(gòu)造形跡，地質(zhì)構(gòu)造的不同部位、不同力學(xué)性質(zhì)和封閉情況，形成不同的瓦斯儲(chǔ)賦存條件。741．褶皺構(gòu)造褶皺的類型、封閉情況和復(fù)雜程度對(duì)瓦斯賦存均有影響。當(dāng)煤層頂板巖石透氣性差，且未遭受構(gòu)造破壞時(shí)，背斜有利于瓦斯的儲(chǔ)存，是良好的儲(chǔ)氣構(gòu)造，背斜軸部的瓦斯會(huì)相對(duì)聚集，瓦斯含量增大。在向斜盆地構(gòu)造的礦區(qū)，頂板封閉條件良好時(shí)，瓦斯沿垂直地層方向運(yùn)移比較困難，大部分瓦斯僅能沿兩翼流向地表，但在盆地的邊緣部分，若含煤地層暴露面積大，則便于瓦斯排放。緊密閉褶皺地區(qū)往往瓦斯含量較高，因?yàn)檫@些地區(qū)帶受強(qiáng)烈構(gòu)造作用，應(yīng)力集中；同時(shí)，發(fā)生褶皺的巖層往往塑性較強(qiáng)，易褶不易斷，封閉性較好，因而有利于瓦斯的聚集和保存。752．?dāng)嗔褬?gòu)造斷裂構(gòu)造破壞了煤層的連續(xù)完整性，使煤層瓦斯運(yùn)移條件發(fā)生變化。有的斷層有利于瓦斯排放，有的斷層對(duì)抑制瓦斯排放而成為逸散的屏障。前者稱為開放型斷層，后者稱為封閉型斷層。斷層的開放性與封閉性取決于下列條件：①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；②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；③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；④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)影響到斷層的開放性或封閉性。76

此外，斷層的空間方位對(duì)瓦斯的保存或逸散也有影響。一般而言，走向斷層能夠阻隔瓦斯沿煤層傾斜方向的逸散，而傾向和斜交斷層則把煤層切割成互不聯(lián)系的塊體。不同類型的斷層，形成了不同的構(gòu)造邊界條件，對(duì)瓦斯賦存產(chǎn)生不同的影響。焦作礦區(qū)東西向的主體構(gòu)造鳳凰嶺斷層和朱村斷層，落差均在百米以上，使煤層與裂隙溶洞發(fā)育的奧陶系灰?guī)r接觸，屬于開放型斷層，因而斷裂帶附近瓦斯含量低。而礦區(qū)內(nèi)的一些中型斷層，與煤層接觸的斷層另一盤巖性多為粉砂巖或泥質(zhì)巖，屬于封閉型斷層，它們是瓦斯分帶的構(gòu)造邊界。773．構(gòu)造組合控制瓦斯分布的構(gòu)造形跡的組合形式，大致歸納為以下3種類型：（1）逆斷層邊界封閉型這一類型中，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(gè)區(qū)段處于封閉的條件之下。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(shí)代含煤巖系的烏海煤田和桌子山煤田。78（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(duì)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。79（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(yùn)動(dòng)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（圖4-19），構(gòu)成一些有利于瓦斯儲(chǔ)存的封閉區(qū)。當(dāng)這些封閉區(qū)遠(yuǎn)離煤層露頭時(shí)（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。80圖4-19峰峰煤田地質(zhì)剖面略圖81（四）煤層的埋藏深度的影響在瓦斯風(fēng)化帶以下，煤層瓦斯含量、瓦斯壓力和瓦斯涌出量都與煤層埋藏深度有關(guān)。

一般而言，煤層中的瓦斯壓力隨著埋藏深度的增加而增大。隨著瓦斯壓力增加，煤與巖石中游離瓦斯量所占的比例增大，同時(shí)，煤中的吸附瓦斯逐漸趨于飽和。由此可以推斷，在一定深度范圍內(nèi)，煤層瓦斯含量亦隨埋藏深度的增大而增加；當(dāng)埋藏深度繼續(xù)增大時(shí)，瓦斯含量增加的幅度將會(huì)減緩。82

個(gè)別礦井的煤層，隨著煤層埋藏深度的增加瓦斯涌出量反而相對(duì)減小。如徐州礦務(wù)局大黃山礦，屬于低瓦斯礦井，位處較淺的煤盆地，煤層傾角大，在新、老不整合面上有厚層低透氣性蓋層，瓦斯主要沿煤層向地表運(yùn)移。由于煤盆地范圍小，深部缺乏足夠的瓦斯補(bǔ)給，當(dāng)從盆地四周由淺部向深部開采時(shí)，瓦斯涌出量隨著開采深度的增加而減小。83（五）煤田暴露程度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(píng)價(jià)一個(gè)煤田的暴露情況時(shí)，不僅要注意該煤田目前的暴露程度，還要考慮到成煤整個(gè)地質(zhì)歷史時(shí)期內(nèi)煤系地層的暴露及瓦斯風(fēng)化過程的情況。

84

如紅陽煤田三井開采石炭-二疊系煤層，煤層露頭上部有巨厚的侏羅系及第三系和第四系沉積地層覆蓋，13號(hào)煤層露頭的埋藏深度達(dá)700～1100m。盡管煤層埋藏深度如此巨大，接近露頭部分的煤層瓦斯含量仍然很小。這主要是因?yàn)?，在晚侏羅世地層覆蓋之前，從晚古生代到晚侏羅世之間的漫長地質(zhì)時(shí)期內(nèi)，區(qū)內(nèi)地殼上升，含煤地層出露地表，遭受強(qiáng)烈地風(fēng)化剝蝕作用，晚期地層覆蓋僅保存了早期存在的瓦斯分布狀態(tài)85（六）地下水活動(dòng)的影響地下水與瓦斯共存于煤層及圍巖之中，運(yùn)移和賦存都與煤、巖層的孔隙及裂隙通道有關(guān)。地下水的運(yùn)移，一方面驅(qū)動(dòng)著裂隙和孔隙中瓦斯的運(yùn)移，另一方面又帶動(dòng)溶解于水中的瓦斯一起流動(dòng)。盡管瓦斯在水中的溶解度僅為1%～4%，但在地下水交換活躍的地區(qū)，水能從煤層中帶走大量的瓦斯，使煤層瓦斯含量明顯減少。同時(shí)，水吸附在裂隙和孔隙的表面，還減弱了煤對(duì)瓦斯的吸附能力。因此，地下水的活動(dòng)有利于瓦斯的逸散。地下水和瓦斯占有的空間是互補(bǔ)的，這種相逆的關(guān)系，常表現(xiàn)為水量大的地帶，瓦斯量相對(duì)較小，反之亦然。86（七）巖漿活動(dòng)的影響巖漿活動(dòng)對(duì)瓦斯賦存影響比較復(fù)雜。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(shí)，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(shí)會(huì)使煤層局部被覆蓋或封閉，形成隔氣蓋層。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。由此可見，巖漿活動(dòng)對(duì)瓦斯賦存既有生成和保存作用，在某些條件下又會(huì)增加瓦斯逸散的可能性。因此，在研究巖漿活動(dòng)對(duì)煤層瓦斯的影響時(shí)，要結(jié)合地質(zhì)背景作具體分析。87

總的來看，巖漿侵入煤層有利于瓦斯生成和保存的現(xiàn)象比較普遍。如遼寧北票煤田的東西兩翼有強(qiáng)烈的巖漿活動(dòng)，位于煤田東翼的三寶礦一井和西翼的臺(tái)吉四井，巖漿侵入體呈巖墻、巖床、巖脈和巖株等產(chǎn)狀侵入煤系地層。其中沿煤層侵入的巖床對(duì)瓦斯賦存和煤與瓦斯突出影響顯著，一是使煤層產(chǎn)生接觸變質(zhì)，進(jìn)一步生成瓦斯；二是巖床位于煤層頂板部位，對(duì)瓦斯排放起封閉作用；三是使煤層受力，揉搓粉碎，造成煤結(jié)構(gòu)的破壞。三寶礦一井西一采區(qū)的九號(hào)煤層，巖床狀侵入體位于煤層頂板，覆蓋面積19.4×104m2

，該區(qū)域不僅瓦斯含量高，突出災(zāi)害嚴(yán)重，曾發(fā)生過兩次特大型突出。臺(tái)吉四井的四號(hào)煤層，已發(fā)生的19次突出都分布在巖床覆蓋區(qū)的井田東翼，其他可采煤層在巖漿侵入?yún)^(qū)也有類似情況。88

在某些礦區(qū)和礦井，由于巖漿侵入煤層，瓦斯逸散與瓦斯含量降低的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。如福建永安礦區(qū)屬暴露式煤田，巖漿巖呈巖墻、巖脈侵入煤層，對(duì)煤層有烘烤和蝕變現(xiàn)象。巖脈直通地表，巷道揭露時(shí)有淋水現(xiàn)象，表明裂隙通道良好，有利于瓦斯逸散。該礦區(qū)煤層瓦斯含量普遍很小，均屬低瓦斯礦井。在研究巖漿活動(dòng)對(duì)瓦斯賦存的影響時(shí)，還應(yīng)該注意火山作用所產(chǎn)生的二氧化碳。個(gè)別礦區(qū)的煤和圍巖中含有大量的二氧化碳?xì)?，可能與火山噴發(fā)或巖漿侵入活動(dòng)有關(guān)。如吉林營城五井的巖石與二氧化碳突出，二氧化碳?xì)庠磥碜悦合党练e后的火山噴發(fā)，噴發(fā)氣體中的大量二氧化碳沿?cái)嗔褞Ч嗳朊合档臎_積相砂巖中，或被高嶺石化的流紋巖和煤層所吸附。89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(chǔ)層壓力特征第六節(jié)煤層孔隙與裂隙特征第七節(jié)煤儲(chǔ)層滲透性特征第八節(jié)煤儲(chǔ)層瓦斯流動(dòng)規(guī)律

第四章煤層瓦斯賦存與煤儲(chǔ)層物性特征

90

根據(jù)黎金對(duì)蘇聯(lián)頓巴斯煤田的研究，煤層中瓦斯的分布狀況由淺到深可劃分為四個(gè)成分帶（圖4-22），自上而下依次為：①二氧化碳氮?dú)鈳?；②氮?dú)鈳?；③氮?dú)饧淄閹В虎芗淄閹?。前三個(gè)帶統(tǒng)稱為瓦斯風(fēng)化帶，甲烷帶稱為瓦斯帶。瓦斯帶內(nèi)甲烷濃度超過80%，瓦斯含量隨埋深增加而有規(guī)律的增加，但是增加的瓦斯梯度因地質(zhì)條件而定。第四節(jié)煤層瓦斯垂向分帶

91圖4-22瓦斯分帶（據(jù)焦作礦業(yè)學(xué)院瓦斯地質(zhì)研究室，1990）A—瓦斯含量（m3/t）；B—瓦斯?jié)舛龋?）；1—二氧化碳氮?dú)鈳В?—氮?dú)鈳В?—氮?dú)饧淄閹В?—甲烷帶92表4-4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?dú)鈳У獨(dú)鈳У獨(dú)猓淄閹Ъ淄閹?～100～2020～8080～10020～8080～10020～800～2020～800～200～200～1093

目前我國煤層瓦斯風(fēng)化帶劃分標(biāo)準(zhǔn)的指標(biāo)尚未統(tǒng)一，多數(shù)采用瓦斯成分劃分方案，即以下界烷烴含量等于70%或烷烴含量等于80%來劃分。確定瓦斯風(fēng)化帶下界的指標(biāo)包括：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(duì)瓦斯涌出量大于2m3/t。其中：氣煤x=1.5～2.0m3/t可燃物肥煤與焦煤x=2.0～2.5m3/t可燃物瘦煤x=2.5～3.0m3/t可燃物貧煤x=3.0～4.0m3/t可燃物無煙煤x=5.0～7.0m3/t可燃物94

我國各煤田瓦斯風(fēng)化帶的深度差異很大。開灤趙各莊礦瓦斯風(fēng)化帶深達(dá)480m；湖南紅衛(wèi)、馬田、立新等礦不到100m；焦作焦西礦90m；撫順龍鳳礦200m；我國北方各礦區(qū)一般為200～300m。

瓦斯風(fēng)化帶深度存在差異性，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(duì)瓦斯的循環(huán)運(yùn)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(cuò)狀。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(chǔ)層壓力特征第六節(jié)煤層孔隙與裂隙特征第七節(jié)煤儲(chǔ)層滲透性特征第八節(jié)煤儲(chǔ)層瓦斯流動(dòng)規(guī)律

第四章煤層瓦斯賦存與煤儲(chǔ)層物性特征

96一、煤儲(chǔ)層壓力

煤儲(chǔ)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，相當(dāng)于常規(guī)油氣儲(chǔ)層中的油層壓力或氣層壓力。煤儲(chǔ)層流體受到三個(gè)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。

第五節(jié)煤儲(chǔ)層壓力特征

97

當(dāng)煤層滲透性較好并與地下水連通時(shí)，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(chǔ)層壓力等于靜水壓力；若煤儲(chǔ)層被不滲透地層所包圍，由于儲(chǔ)層流體被封閉而不能自由流動(dòng)，儲(chǔ)層孔隙流體壓力與上覆巖層壓力保持平衡，此時(shí)，儲(chǔ)層壓力等于上覆巖層壓力；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(chǔ)層內(nèi)孔隙流體和煤基質(zhì)塊共同承擔(dān)，此時(shí)，煤儲(chǔ)層壓力小于上覆巖層壓力而大于靜水壓力。即：

(4-13)

式（4-1326）中，σv—上覆巖層壓力，MPa；P—煤儲(chǔ)層壓力，MPa；σ—煤層骨架應(yīng)力，MPa。98

儲(chǔ)層壓力梯度是指單位垂深內(nèi)的儲(chǔ)層壓力增加，常用井底壓力除以從地表到測井井段終點(diǎn)深度而得出，用kPa/m或MPa/100m表示，在煤層研究中應(yīng)用廣泛。按儲(chǔ)層壓力梯度的大小可以將儲(chǔ)層壓力狀態(tài)劃分為3種類型（見表4-76）：若儲(chǔ)層壓力梯度等于靜水壓力梯度（注：9.78kPa/m，淡水），儲(chǔ)層壓力狀態(tài)為正常；若儲(chǔ)層壓力梯度大于靜水柱壓力梯度，則為高壓或超壓異常狀態(tài)；若儲(chǔ)層壓力梯度小于靜水柱壓力梯度，則稱為低壓異常狀態(tài)或欠壓狀態(tài)。表4-87給出了我國部分礦區(qū)儲(chǔ)層壓力梯度及儲(chǔ)層壓力類型。99表4-6煤儲(chǔ)層瓦斯壓力類型（據(jù)張新民等，2002）100

壓力系數(shù)定義為實(shí)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(chǔ)層壓力的性質(zhì)和大小。

當(dāng)壓力系數(shù)等于1時(shí)，儲(chǔ)層壓力與靜水柱壓力相等，儲(chǔ)層壓力正常；當(dāng)壓力系數(shù)大于1時(shí)，儲(chǔ)層壓力高于靜水壓力，稱為高異常壓力；如果儲(chǔ)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(chǔ)層壓力低于靜水柱壓力時(shí)，稱低異常壓力。101

三、煤儲(chǔ)層壓力的地質(zhì)控制煤層埋深和地應(yīng)力是儲(chǔ)層壓力的主要控制因素。試井結(jié)果顯示，我國煤儲(chǔ)層壓力梯度最低為2.24kPa/m，最高達(dá)17.28kPa/m。處于欠壓狀態(tài)的煤層占總測試層次數(shù)的45.3%；處于正常壓力狀態(tài)的煤層占總測試層次數(shù)的21.9%；處于高壓異常狀態(tài)的煤層占總測試層次數(shù)的32.8%（葉建平等，1998）。上述情況表明：我國以低異常狀態(tài)的煤層為主、分布普遍，但也不乏高壓煤層。102（一）埋藏深度的影響

煤儲(chǔ)層壓力總體上與埋深呈線性正相關(guān)關(guān)系，煤層埋藏深度增加，儲(chǔ)層壓力隨之增高。我國煤層氣試井成果表明，在埋深小于500m時(shí)，煤層氣平均壓力均小于5MPa，如晉城、韓城、沁源、柳林等盆地；埋深小于1000m時(shí)，絕大部分煤儲(chǔ)層的平均壓力均小于10Mpa；當(dāng)埋深大于1000m時(shí)，煤儲(chǔ)層平均壓力大都超過10Mpa，如大城、平頂山、淮南、吳堡等礦區(qū)。從圖4-25可以看出淮南煤田埋深與煤儲(chǔ)層壓力的關(guān)系。103圖4-25淮南煤田煤儲(chǔ)層壓力與埋藏深度之間的關(guān)系（據(jù)傅雪海等，2007）104（二）地應(yīng)力的影響構(gòu)造應(yīng)力增加，有利于煤儲(chǔ)層壓力保持，但往往導(dǎo)致滲透率降低并給煤層的排水、降壓及瓦斯的解吸、運(yùn)移和排出造成一定困難，在高地應(yīng)力區(qū)情況尤為顯著。不同地區(qū)地應(yīng)力的大小不同，當(dāng)?shù)貞?yīng)力增大、孔裂隙被壓縮、體積變小時(shí)，儲(chǔ)層壓力變大；當(dāng)?shù)貞?yīng)力降低、孔裂隙體積增大時(shí)，儲(chǔ)層壓力減小。因此，地應(yīng)力與儲(chǔ)層壓力存在相關(guān)性。105（三）水文地質(zhì)的影響壓力水頭的埋藏深淺（水位）造成不同的水動(dòng)力條件，也是影響儲(chǔ)層壓力和梯度變化的重要因素。一般而言，壓力水頭埋藏越深壓力梯度就越小，埋藏越淺則壓力梯度越高。106（四）瓦斯壓力的影響

瓦斯壓力是指在煤田勘探鉆孔或煤礦礦井中測得的煤層孔隙中的氣體壓力，煤層試井測得的儲(chǔ)層壓力是水壓。二者的測試條件和測試方法明顯不同。煤儲(chǔ)層壓力是水壓與氣壓的總和。瓦斯壓力梯度值的變化幅度很大，介于1.2~13.4kPa/m之間。撫順礦區(qū)的氣壓最低，天府礦區(qū)的氣壓最高。氣壓高低與煤層氣含氣飽和度、煤層風(fēng)化帶的深度有關(guān)。107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(chǔ)層壓力特征第六節(jié)煤層孔隙與裂隙特征第七節(jié)煤儲(chǔ)層滲透性特征第八節(jié)煤儲(chǔ)層瓦斯流動(dòng)規(guī)律

第四章煤層瓦斯賦存與煤儲(chǔ)層物性特征

108

煤層是一種雙重孔隙介質(zhì)，屬裂隙孔隙型氣儲(chǔ)層，這一點(diǎn)已在多領(lǐng)域、多學(xué)科范圍內(nèi)達(dá)成共識(shí)。圖4-26是煤層孔隙結(jié)構(gòu)的理想模型，割理將煤分割成若干基質(zhì)塊，基質(zhì)塊中包含有大量的微小孔隙，是氣體儲(chǔ)存的主要空間，其滲透性很低；割理是煤中的次要裂隙系統(tǒng)，但卻是煤層中流體（氣體和水）滲流的主要通道?？紫逗透罾矶际敲簩友芯康闹匾獌?nèi)容。第六節(jié)煤層孔隙與裂隙特征

109圖4-26煤的雙重孔隙系統(tǒng)（據(jù)Warren等，1996）110一、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(chǔ)氣及滲透性能的直接反映。根據(jù)成因，Gan（1972）等將煤中孔隙劃分為分子間孔、煤植物組織孔、熱成因孔和裂縫孔。本書立足于煤的巖石結(jié)構(gòu)和構(gòu)造，以煤的變質(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4大類10小類（如表4-8）。111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)部碎屑之間的孔變質(zhì)孔鏈間孔凝膠化物質(zhì)在變質(zhì)作用下縮聚而形成的鏈之間的孔隙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

根據(jù)孔隙割理一并研究的物理測試結(jié)果，通常將煤中孔隙（包含割理）的空間尺度劃分為：＜0.01μm為微孔，0.01～0.1μm為小孔，0.1～1μm為中孔，＞1μm為大孔。1121．原生孔

原生孔是煤沉積時(shí)已有的孔隙，原生孔分為結(jié)構(gòu)孔和屑間孔。

結(jié)構(gòu)孔（或稱植物組織孔）是成煤植物本身所具有的各種組織結(jié)構(gòu)孔，如細(xì)胞腔、紋孔、篩孔、髓射孔等，其中細(xì)胞腔是煤中最常見的。結(jié)構(gòu)孔的孔徑為幾至幾十微米，形狀呈橢圓狀、三角狀和不規(guī)則狀等。細(xì)胞腔大多都有程度不同的變形，空間連通性差，尤其是纖維狀絲質(zhì)體的細(xì)胞腔，僅局限于向一個(gè)方向發(fā)育，相互之間很少連通。113

屑間孔指煤中各種碎屑狀顯微組分，如鏡屑體、惰屑體、殼屑體等碎屑顆粒之間的孔隙。這些碎屑顆粒無一定形態(tài)，呈不規(guī)則棱角狀、半棱角狀或似圓狀等，大小2～30μm不等（陳佩元，1996），由其構(gòu)成的屑間孔的形態(tài)以不規(guī)則狀為主，孔的大小一般小于碎屑。

原生孔在煤的低變質(zhì)階段保存較多，隨著變質(zhì)程度的加深或構(gòu)造作用的破壞，原生孔發(fā)生變形、縮小、閉合乃至消失等變化，原生孔不能再生。1142．變質(zhì)孔

變質(zhì)孔是煤在變質(zhì)過程中發(fā)生各種物理化學(xué)反應(yīng)而形成的孔隙。煤的變質(zhì)過程是一個(gè)芳香稠環(huán)體系在溫度、壓力作用下不斷增強(qiáng)其縮合程度，側(cè)鏈逐漸減少、縮短，芳構(gòu)化程度逐漸增高的過程。鏈間孔是凝膠化物質(zhì)在變質(zhì)作用下縮聚而形成的鏈與鏈之間的孔，其尺度范圍大體為0.01～0.1μm(小孔級(jí)為主)。氣孔主要由生氣和聚氣作用而形成，以往稱之為熱成因孔。常見氣孔的大小為0.1～3μm，1μm左右者多見。單個(gè)氣孔的形態(tài)以圓形為主,邊緣圓滑,其次有橢圓形、梨形、圓管形、不規(guī)則港灣形等。氣孔大多以孤立的形式存在，相互之間連通性較差。1153．外生孔

煤固結(jié)成巖后，受地質(zhì)構(gòu)造作用而形成的孔隙為外生孔。外生孔可分為角礫孔、碎?？缀湍Σ量?。

角礫孔是煤受構(gòu)造破壞而形成的角礫之間的孔。角礫呈直邊尖角狀，相互之間位移很小或沒有位移，角礫孔的大小以2～10μm者居多。原生結(jié)構(gòu)煤和碎裂煤的鏡質(zhì)組中角礫孔發(fā)育較好，并常有喉道發(fā)育，局部連通性比較好。在輕度變形的煤中，角礫孔占優(yōu)勢，對(duì)提高煤儲(chǔ)層滲透率有利。116

碎?？资敲菏茌^嚴(yán)重的構(gòu)造破壞而形成的碎粒之間的孔，碎粒呈似圓狀、條狀或片狀（張慧，1998），碎粒之間有位移或滾動(dòng)，碎粒大小多為5～50μm，其孔隙大小為0.5～5μm，碎?？左w積小，易堵塞。

摩擦孔是煤中壓性構(gòu)造面上常有的孔隙，此乃壓應(yīng)力或剪應(yīng)力作用下，面與面之間相互摩擦和滑動(dòng)而形成的孔。摩擦孔有圓狀、線狀、溝槽狀及長三角狀等形態(tài)，且常有方向性，孔邊緣多為鋸齒狀，大小相差懸殊，小者1～2μm，大者幾十或幾百微米。摩擦孔僅發(fā)生于構(gòu)造面上，空間連通性差。1174．礦物質(zhì)孔

由于礦物質(zhì)的存在而產(chǎn)生的孔隙統(tǒng)稱為礦物質(zhì)孔?？椎拇笮∫晕⒚准?jí)為主，常見的有鑄?？?、溶蝕孔和晶間孔。鑄?？资敲褐性V物質(zhì)在有機(jī)質(zhì)中因硬度差異而鑄成的印坑。溶蝕孔是煤中可溶性礦物質(zhì)（碳酸鹽類、長石等）在長期氣、水作用下受溶蝕而形成的孔。晶間孔指礦物晶粒之間的孔，有原生的，也有次生的。118（二）煤的孔隙特征評(píng)價(jià)方法準(zhǔn)確評(píng)價(jià)煤的孔隙待征是研究煤的吸附性的基礎(chǔ)。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(jì)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(shí)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。，，119

煤的真密度和視密度可在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)測得。煤的孔隙結(jié)構(gòu)、大小及其分布，關(guān)系到煤的吸附性和滲透性。對(duì)煤的孔隙率的研究表明：對(duì)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（如圖4-27所示）。這種狀況對(duì)瓦斯在煤體中的運(yùn)移起了重要的作用。圖4-27煤總孔隙率與變質(zhì)程度的關(guān)系120

目前，主要采用壓汞法測定煤體孔隙大小。壓汞法測定煤體孔隙大小的基本原理是：利用不同孔徑的孔隙對(duì)壓入汞的阻力不同這一特性，根據(jù)壓入汞的重量和壓力，計(jì)算出煤中孔隙體積和孔隙半徑。

表4-9我國一些礦井煤的孔隙率表煤種煤的揮發(fā)分/%孔隙率/%開欒馬家溝12煤26.806.59本溪田師傅3煤13.716.70陽泉三礦3煤6.6614.10焦作王封大煤5.8218.50121（三）影響煤孔隙特征的主要因素煤的孔隙特征與煤化變質(zhì)程度、地質(zhì)破壞程度和地應(yīng)力大小等因素有關(guān)。

1．煤的變質(zhì)程度從長焰煤開始，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(shí)達(dá)最低值，而后又逐漸增加，至無煙煤時(shí)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。V長焰煤無煙煤焦煤、瘦煤總孔隙體積微孔體積1222．煤的破壞程度

對(duì)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(duì)煤的微孔影響不大。煤的滲透容積主要由中孔和大孔組成。1233．地應(yīng)力壓應(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。此外，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。實(shí)際上，在現(xiàn)場工作中我們常常利用這種原理來達(dá)到增加瓦斯排放率的目的，如開采保護(hù)層。目前的試驗(yàn)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(duì)煤的吸附性影響很小，但對(duì)滲透性有很大的影響。124二、煤層裂隙（一）煤層裂隙系統(tǒng)

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(shí)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（圖4-28）。125

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(shí)被礦物薄膜充填。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。內(nèi)生裂隙往往有主要組和次要組，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(shí)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。126

氣脹裂隙系統(tǒng)氣脹裂隙的產(chǎn)狀、巖性選擇性和裂隙面性質(zhì)，其力學(xué)機(jī)制完全類似于內(nèi)生裂隙。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。裂隙規(guī)模主要取決于煤層流體壓力與煤層純張破裂壓力和有效地應(yīng)力之和的差值。流體壓力越大，裂隙規(guī)模也越大。氣脹裂隙不僅對(duì)煤儲(chǔ)層物理性質(zhì)有重要影響，而且對(duì)研究煤層瓦斯形成、發(fā)育和破壞具有標(biāo)志性意義。127

外生裂隙系統(tǒng)外生裂隙是煤層形成后受構(gòu)造應(yīng)力作用而產(chǎn)生的，它可以出現(xiàn)在煤層的任何區(qū)帶。外生裂隙間距較寬，裂隙面常見凹凸不平的滑動(dòng)痕跡，多呈羽毛狀、波紋狀，但有些較光滑；此外，裂隙中還可以見到次生礦物或破碎煤屑等充填物。一般說來，焦煤、瘦煤中外生裂隙特別發(fā)育。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€(gè)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(cuò)，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。128（二）煤層割理系統(tǒng)

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(gè)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)，如圖4-29。面割理和端割理通常是相互垂直或近似正交的。129圖4-29煤中割理系統(tǒng)圖（據(jù)張新民等，2002）130

在我國，受研究目的、研究方法及區(qū)域等因素的影響，研究者對(duì)割理的成因和內(nèi)涵認(rèn)識(shí)不完全一致，對(duì)其定義主要常見以下四種：①割理基本上是煤層中的收縮裂隙，其走向受形成期古構(gòu)造應(yīng)力場控制；②割理是煤化作用過程中形成的、煤儲(chǔ)層中最發(fā)育的裂隙，相當(dāng)于煤的內(nèi)生裂隙，氣脹裂隙；③割理相當(dāng)于其他沉積巖中的節(jié)理；④割理是煤層中基本上沒有發(fā)生位移的張性裂隙。131

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