瓦斯地质概说

1、1 瓦斯地质概说 汤友谊 教授 联系方式河南理工大学资源环境学院 2 提 要 煤层瓦斯 矿井瓦斯 瓦斯地质图及其编制方法 3 一、煤层瓦斯 煤层瓦斯是地质作用的产物，它是在 成煤过程中由植物遗体经过复杂的生物化 学和物理化学作用转变而成的，主要成分 是甲烷、重烃、二氧化碳、氮气等。 4 1、煤层瓦斯的生成 1）泥炭化阶段 是有机物质在微生物参与下发生复杂的生物 化学过程。早期在氧气和亲氧菌的作用下，产生 CO2、NO等；晚期在缺氧条件下，因细菌作用分 解出甲烷、重炭化物、氮及其它气体。 2）煤化作用阶段 在温度、压力和作用持续时间的影响下，泥炭 物质产生热分解，引起一

2、系列的物理化学变化， 使泥炭转变为烟煤，烟煤进而转变为无烟煤。在这 个阶段主要生成以甲烷为主的气态烃。 5 2、煤层瓦斯的赋存 煤层瓦斯赋存的场所: 1） 煤层是储存瓦斯的主要场所； 2） 围岩中储存着部分瓦斯； 3） 液体中溶解着少量瓦斯。 煤层瓦斯的赋存状态: 游离状态 吸附状态(主要) 吸收状态 6 3、煤层瓦斯的运移 1）瓦斯运移方式： 渗滤 扩散 2）瓦斯运移的动力条件： 地层压力 构造运动力 浮力 水动力 7 4、瓦斯分带 1）二氧化碳氮气带； 2）氮气带； 3）氮气甲烷带； 4）甲烷带。 8 5、影响煤层瓦斯赋存的主要地质因素 含煤岩系沉积环境和岩性特征对瓦斯赋存的影响 瓦斯主要

3、赋存于煤层，而煤层的赋存和分布与聚煤期有 着密切的关系。聚煤沉积环境控制了煤层的原始分布，煤 层的聚积厚度及变化等又受沉积环境的制约。因此，沉积 环境是影响瓦斯区域分布的主要因素之一。 沉积环境及其演化，影响着煤层围岩岩性、岩性组合 及其厚度的变化。沉积相组合决定了含煤岩系的岩性组合， 而瓦斯的形成与保存条件无一不是沉积环境的物质反映， 所以沉积环境对岩层的透气性，对瓦斯的保存或逸散有着 重要的影响。 9 煤变质程度的影响 1）煤层瓦斯的产出量直接依赖于煤化程度； 2）变质程度加深，煤的渗透率下降； 3）变质程度越高，煤的吸附能力越强。 10 11 区域地质构造的影响 区域地质构造控制着煤层瓦

4、斯含量的区域 分布。在瓦斯地质研究中，考虑区域构造的作 用，着重于地质构造的力学分析和形态分析两 方面，侧重从构造体系和构造型式以及构造复 合、联合部位等方面探讨其对瓦斯分布的影响 1.构造体系的影响 不同的构造体系造成了型式不同的控气或 排气的构造条件，形成了不同的瓦斯分布特点， 这是瓦斯分布不均衡的重要原因。 12 2.构造形迹的影响 1）褶皱构造与瓦斯赋存的关系； 2）断裂构造与瓦斯赋存的关系； 3）构造复合、联合对瓦斯赋存的影响； 4）构造组合与瓦斯赋存及分布的关系。 13 14 15 其它地质条件的影响 1）含煤岩系冲蚀对瓦斯赋存的影响； 2）地下水活动与瓦斯赋存的关系： 3）岩浆侵

5、入煤层对瓦斯赋存的影响； 4）煤层埋藏深度与瓦斯赋存的关系。 16 二、矿井瓦斯 在煤矿井下生产过程中，来自 煤层、煤层围岩、采空区以及生产 过程中产生的各种气体。 17 1、矿井瓦斯的来源 1）开采煤层瓦斯； 2）邻近煤层瓦斯； 3）围岩中存储的瓦斯； 4）巷道煤壁； 5）掘进落煤瓦斯； 6）采空区瓦斯。 18 2、矿井瓦斯涌出及其分类 是指在开拓、掘进和回采过程中，瓦斯 从煤体或岩层中涌向采掘空间的现象。 1）矿井瓦斯涌出 2）矿井瓦斯涌出分类 普通涌出，异常涌出 瓦斯喷出 煤与瓦斯突出 19 3、矿井瓦斯涌出量预测 1.矿山统计法 1）瓦斯梯度法： 所谓瓦斯梯度是指相对瓦斯涌出量每增加1

6、m3/t时 深度增加的米数： 式中 H1、H2瓦斯风化带以下两次测定涌出量的深度， m，H2H1； q1、q2对应于H1、H2的相对瓦斯涌出量，m3/t。 利用求得的瓦斯梯度，可对深部的瓦斯涌出量进行预 测： 式中 q待求深度的相对瓦斯涌出量，m3/t； H对应于q的深度，m。 12 12 qq HH a a HH qq 1 1 20 2）一元回归法 如果在已采区域测定有多个点的瓦斯涌出 量，那么利用回归分析方法可得到更高的预测 精度。 Hbbq 10 H q 一元回归法 21 2.瓦斯含量法 3.分源预测法 这两种方法，公式繁多，这里不多讲。 4.多元回归与瓦斯地质数学模型法 通过瓦斯地质规

7、律研究，分析瓦斯涌出量的变化规 律，筛选影响瓦斯涌出量变化的主要地质因素；在此基 础上，根据矿井已采地区的瓦斯涌出量实测资料和相关 的地质资料，综合考虑包括开采深度在内的多种影响因 素，采用一定的数学方法，建立预测瓦斯涌出量的多变 量数学模型（预测方程）；利用所建立的数学模型，对 矿井未采区域的瓦斯涌出量进行预测。 22 3、煤与瓦斯突出及其分类 1）煤与瓦斯突出 是指在采掘过程中煤与瓦斯的突然喷出。 2）煤与瓦斯突出分类 突出 压出 倾出 23 4、突出机理的代表性假说 1 ) 瓦斯起主导作用的假说 2 ) 地压为主导作用的假说 3 ) 化学流体假说 4 ) 综合假说 24 综合假说的主要论

8、点 煤和瓦斯突出是地应力、瓦斯压力和煤的物理力学 性质等因素综合作用的结果，除地应力和瓦斯压力 外，在煤层中不存在任何其它突出的能源； 地压破碎煤体是造成突出的首要原因，而瓦斯则起 着抛出煤体和搬运煤体的作用，从突出的总能量来 说，瓦斯是完成突出的主要能源； 煤的强度是形成突出的一个重要因素，只有当煤强 度很低、与围岩的摩檫力不大时，地压造成的煤的 变形潜能和围岩的功能才可能把煤体破碎，因此突 出往往是从软煤分层开始的。 25 5、影响瓦斯突出的主要因素 1）采矿因素： 2）地质因素： 采掘工艺条件是突出发生的外部诱导因素。 地质构造 煤层厚度、结构及其变化 煤体结构 26 27 28 6、突

9、出区（带）的预测 突出区域性预测在地质勘探、新井建 设和新水平开拓时进行。突出区域性预测可 有如下几种方法： 1）单项指标法 2）综合指标D与K法 3）地质指标法 4）地质统计法 5）根据煤的变质程度法 29 6.1、突出区域预测单项指标法 突出区域预测的单项指标主要有煤体结 构破坏类型、瓦斯放散初速度P、煤的坚 固性系数f和煤层瓦斯压力P等。 PP 突出 危险性 突出危险 煤体破坏 类型 III、IV、V 瓦斯放散初 速度P 煤的坚固性 系数f 瓦斯压力P (MPa) 10 0.5 0.74 30 6.2、突出区域预测综合指标 1）突出预测综合指标D： H煤层开采深度，m； P瓦斯压力，MP

10、a； f软分层煤体的平均坚固性系数。 2）突出综合指标K P软分层的瓦斯放散初速度。 31 6.3、突出预测的瓦斯地质方法 (1) (1) 研究区内构造规律，进行应力场分析；研究区内构造规律，进行应力场分析； (2) (2) 分析各种构造形迹与突出的关系，重点是构分析各种构造形迹与突出的关系，重点是构 造影响带和某些特殊的构造部位；造影响带和某些特殊的构造部位； (3) (3) 研究煤层厚度变化，分析煤厚变化的原因研究煤层厚度变化，分析煤厚变化的原因； (4) (4) 查明煤体结构特征及其分布规律；查明煤体结构特征及其分布规律； (5) (5) 测定、分析煤层的瓦斯压力和瓦斯含量测定、分析煤层

11、的瓦斯压力和瓦斯含量； (6) (6) 研究水文地质情况；研究水文地质情况； (7) (7) 分析顶、底板岩层对突出的影响；分析顶、底板岩层对突出的影响； (8) (8) 编制煤与瓦斯突出预测图。编制煤与瓦斯突出预测图。 32 三、瓦斯地质图及其编制方法 瓦斯地质图是瓦斯地质工作成果的反 映，是分析瓦斯分布和突出分布特点、研 究瓦斯规律、计算瓦斯储量和开展区域性 预测预报的基础图件。 33 1、瓦斯地质图的分类 1）型式上分类 瓦斯地质柱状图 瓦斯地质剖面图 瓦斯地质平面图 2）内容上分类 反映单项瓦斯参数和地质因素关系的图纸 瓦斯和相关地质因素综合叠加在一起的图件 34 3）从范围大小分类

12、工作面、采区煤层瓦斯地质图 井田煤层瓦斯地质图 矿区煤层瓦斯地质图 省（区）、全国煤层瓦斯地质图 35 2、瓦斯地质图的编制基础 瓦斯是地质作用的产物，瓦斯的赋存 和分布必然受到地质因素的制约；瓦斯地 质编图就是对瓦斯资料和地质资料进行系 统整理、综合分析，将二者有机地结合在 一起，逐步认识瓦斯地质规律的过程。 36 3、矿井瓦斯地质图的主要内容 1）各种瓦斯参数的实际材料点 2）各种瓦斯等值线 3）各项瓦斯参数在井田范围内的分区、分带 线、或瓦斯地质单元界线 4）反映井田范围内与瓦斯赋存和突出分布有 关的地质条件 37 4、综合分析 影响瓦斯赋存和突出的地质因素众多，但 起主导作用的因素随各矿井地质条件的差异而 有区别，必须对各影响因素进行综合分析。 综合分析首先要定性分析与瓦斯赋存和 突出分布有关的各项地质因素；再从诸项地 质因素中筛选出起主导作用的因素，并在图 上重点标出。 38 5、瓦斯地质图的编制方法 1）系统整理瓦斯地质历史资料 瓦斯资料的整理 A、钻孔的实测煤层瓦斯含量资料； B、矿井瓦斯涌出资料； C、矿井历年的突出资料； D、瓦斯喷出点、集中涌出点、煤层瓦斯压力。 地质资料 A、含煤岩系特征； B、煤层围岩及其变化 C、区域地质构造、井田地