煤层瓦斯的生成与赋存

1、煤层瓦斯的生成与赋存 瓦斯是煤矿安全的瓦斯是煤矿安全的“第一杀手第一杀手” 表表 新中国成立以来的新中国成立以来的100人以上的矿难人以上的矿难 序号序号时间时间地点地点性质性质死亡死亡 人数人数 1950年年2月月27日日8：45河南宜洛煤矿老李沟井河南宜洛煤矿老李沟井瓦斯爆炸瓦斯爆炸187 1954年年12月月6日日内蒙古包头大发煤矿内蒙古包头大发煤矿瓦斯爆炸、煤瓦斯爆炸、煤 尘爆炸、火灾尘爆炸、火灾 104 1960年年5月月14日日同华煤矿同华煤矿发生煤量发生煤量1000t 的突出的突出 125 1960年年11月月28日日17：55河南平顶山矿务局龙山庙矿河南平顶山矿务局龙山庙矿瓦斯

2、煤尘爆炸瓦斯煤尘爆炸187 1960年年12月月15日日12：40中梁山煤矿南井中梁山煤矿南井瓦斯煤尘爆炸瓦斯煤尘爆炸124 1975年年5月月11日日8：11陕西铜川矿务局焦坪煤矿前卫井陕西铜川矿务局焦坪煤矿前卫井瓦斯煤尘爆炸瓦斯煤尘爆炸 死亡死亡 101 1977年年2月月24日日9： 18 江西丰城矿务局坪湖煤矿江西丰城矿务局坪湖煤矿瓦斯爆炸死瓦斯爆炸死 亡亡 114 1981年年12月月24日日17： 00 河南省平顶山矿务局五矿河南省平顶山矿务局五矿瓦斯煤尘爆瓦斯煤尘爆 炸炸 133 1991年年4月月21日日16： 05 山西省洪洞县三交河煤矿山西省洪洞县三交河煤矿瓦斯煤尘爆瓦斯煤

3、尘爆 炸炸 147 10101994年年1月月24日日11： 25 黑龙江鸡西矿务局二道河子煤黑龙江鸡西矿务局二道河子煤 矿多种经营公司七井矿多种经营公司七井 瓦斯爆炸瓦斯爆炸99 (含含37 名女名女) 11111996年年11月月27日日12： 09 山西省大同市新荣区郭家窑乡山西省大同市新荣区郭家窑乡 东村煤矿东村煤矿 瓦斯煤尘爆瓦斯煤尘爆 炸炸 114 12122000年年9月月27日日20： 30 贵州省水城矿务局木冲沟煤矿贵州省水城矿务局木冲沟煤矿 四采区四采区41114机巷机巷 瓦斯爆炸瓦斯爆炸162 13132002年年6月月20日日黑龙江鸡西矿务局城子河煤矿黑龙江鸡西矿务局城

4、子河煤矿 西二采区西二采区 瓦斯爆炸瓦斯爆炸 死亡死亡 124 14142004年年10月月20日日河南郑州大平煤矿河南郑州大平煤矿瓦斯爆炸瓦斯爆炸148 15152004年年11月月28日日陕西省铜川矿务局陈家山煤矿陕西省铜川矿务局陈家山煤矿瓦斯爆炸瓦斯爆炸166 16162005年年2月月14日日辽宁省阜新矿务局孙家湾煤矿辽宁省阜新矿务局孙家湾煤矿瓦斯爆炸瓦斯爆炸214 17172005年年12月月7日日河北唐山市刘官屯煤矿河北唐山市刘官屯煤矿瓦斯爆炸瓦斯爆炸108 182007年年12月月5日日山西省临汾市洪洞县新窑煤矿山西省临汾市洪洞县新窑煤矿瓦斯煤尘瓦斯煤尘 爆炸爆炸 105 v 瓦

5、斯爆炸后果举国震惊，世界震惊。严重危害社会的安定， 损害了国家的形象。 温家宝总理看望陕西省铜川矿务局陈家山矿难家属。温家宝总理看望陕西省铜川矿务局陈家山矿难家属。 四川省四川省2007年年112月份瓦斯事故统计表月份瓦斯事故统计表 全省合计全省合计乡镇煤矿乡镇煤矿国有重点国有重点备备 注注 起数起数 死亡死亡 人数人数 起数起数 死亡死亡 人数人数 起数起数 死亡死亡 人数人数 乡镇煤矿乡镇煤矿 为为9万吨万吨 以下矿井以下矿井 2264216014 第一节第一节 煤矿瓦斯的基本认识煤矿瓦斯的基本认识 1.1 瓦斯的定义瓦斯的定义 瓦斯瓦斯 是指在煤矿生产过程中，从煤层、岩层和 采空区放出的

6、，以甲烷（CH4）为主要成分的各种 有害气体的总称。 主要成分主要成分：甲烷（主要成分）、二氧化碳、氮 气，还有少量的乙烷、乙烯、氢气、一氧化碳、二 氧化碳、硫化氢和二氧化硫等。 我国规定：矿井中主要由煤层气构成的以甲烷为 主的有害气体叫瓦斯。 狭义而言：瓦斯有时专指甲烷。 煤层瓦斯的生成与赋存 1.2 瓦斯的生成瓦斯的生成 煤的形成大可分为两个时期或阶段： 第一阶段：泥炭化阶段，生成的气体物质主要 为CH4、CO2和H2O。这一过程发生于地表附近， 生成的气体大部分散失于大气中。 第二阶段：煤化作用阶段，是煤质变化成气时 期。生成的气体物质主要为CH4、CO2。 煤层瓦斯瓦斯沿深度呈带状分布

7、煤层瓦斯瓦斯沿深度呈带状分布： 当煤层有露头 或在冲冲积层下有含煤地层时，煤化过程生成的瓦斯经煤 层、上覆岩层和断层不断由煤层深部向地表运移；而地表 的空气和生物化学生成的气体，则由地表向煤层深部渗透 和扩散。由于这两种反向运移的结果，造成了煤层瓦斯组 分沿赋存深度的带状分布。如下图1-3所示。 煤层瓦斯的生成与赋存 图1-3顿巴斯煤田煤层瓦斯组分在各瓦斯带中的变化 氮气二氧化碳带；氮气带； 氮气甲烷带；甲烷带 煤层瓦斯的生成与赋存 瓦斯带的前三带统称为瓦斯风化带。瓦斯 风化带下部边界煤层中甲烷组分含量为80%； 煤层瓦斯压力为0.10.15MPa，煤的瓦斯含量 为23%（烟煤）和57%(无烟

8、煤)；在瓦斯 风化带开采煤层时，其相对瓦斯涌出量一般不 超过2m3/t。 煤层瓦斯的生成与赋存 煤层瓦斯的生成与赋存 图1-4 各煤化阶段甲烷生成量曲线 煤层瓦斯的生成与赋存 由上图1-4可以看出， 成煤过程生成的瓦 斯量是很大的，最高可达300400m3/t ，但 煤矿开采实践表明。煤层瓦斯含量一般不超过 2030 m3/t，由此看来，成煤过程生成瓦斯 的绝大部分已经逸散到大气中，扩散到煤层围 岩或运移至储气构造形成煤层气田。 煤层瓦斯的生成与赋存 1.3 瓦斯生成的影响因素及其分析瓦斯生成的影响因素及其分析 在煤化作用过程中，瓦斯将不断地产生，煤化 作用程度越高，累积产生的瓦斯量就越多，其

9、主要 原因是：第一，煤层瓦斯的伴生量直接依赖于煤化 作用程度；第二，随着煤化作用程度的加深煤的 气体渗透率下降，煤的储气能力提高，气体沿煤层 向地表运移能力减弱； 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 增强。因此煤化作用程度不仅影响瓦斯的生成量， 而且对瓦斯的吸咐能力也有影响。在成煤初期，褐 煤的结构疏松，孔隙率大，瓦斯分子能渗入煤体内 部，但是，由于该阶段瓦斯生成量较少且不易保存， 煤中实际所含瓦斯量并不大。 煤层瓦斯的生成与赋存 在变质作用过程中，由于地应力的作用，煤的孔隙率减少， 煤质渐趋致密，如长焰煤，其孔隙和比表面积都比较小，所以吸 咐瓦斯的能力并不

10、大，其吸附量一般在：20m3/t30m3/t。随着 变质作用程度提高，在高温、高压作用下，煤体内部因干馏作用 而生成许多微孔隙，使煤的表面积到无烟煤时为最大；因此，无 烟煤吸附瓦斯的能力最强，可达50m3/t60m3/t。以后，煤体内 部的微孔又收缩、减少，到石墨时变为零。从而导致吸附瓦斯能 力消失（图1-5）。 图1-5 不同煤级煤对瓦斯的吸附能力 煤层瓦斯的生成与赋存 1.3 瓦斯在煤体中的存在状态瓦斯在煤体中的存在状态 1）游离状态 2）吸附状态 图1-6 瓦斯在煤体中存在的形态示意图 1-游离瓦斯；2吸附瓦斯 ；3吸收瓦斯；4煤体；5孔隙 煤层瓦斯的生成与赋存 瓦斯在煤层中的存在状态，

11、有吸附、游离两种状态， 其中吸附是主要的，大致占80%90%。1m3煤可 以吸附3040m3的瓦斯。 吸附瓦斯与瓦斯压力有关，当煤层的瓦斯压力逐渐 变小时，吸附瓦斯就会转变为游离瓦斯，反之也对。 故煤体中的吸附瓦斯和游离瓦斯，是处于动态平衡 状态。 原始煤层经采动，采、掘工作面前方煤壁的游离瓦 斯首先涌向采掘工作面空间，越靠近煤壁，瓦斯压 力越小，吸附瓦斯则越容易转变为游离瓦斯-即 所谓解吸。随着工作面向前推进，煤层内的瓦斯就 将不断涌向采掘空间。 煤层瓦斯的生成与赋存 图1-7 瓦斯含量与温度、压力的关系 煤层瓦斯的生成与赋存 煤的瓦斯含量与温度、瓦斯正力的关系如图1-7 所示，该图是某一煤

12、样的测定曲线，从中可以看出： 由吸附瓦斯和游离瓦斯组成的总瓦斯量随瓦斯压力 增大而提高，随温度的升高而降低。这是因为在一 定温度下，当瓦斯压力升高时，则意味着单位体积 内瓦斯分子数增加，从而增大了瓦斯分子与煤体吸 附机会；当吸附量增加到一定程度后，就渐趋于饱 和；目前认为，一般在瓦斯压力超过5MPa以后， 吸附量基本上达到饱和范围。 煤层瓦斯的生成与赋存 煤与瓦斯一对双胞胎 煤层瓦斯的生成与赋存 瓦斯是与煤同时生成的，并存储于煤层和围岩 之中，煤的地方必然有瓦斯。我们采煤时，瓦斯必 然涌出来。不仅采落的煤炭涌出瓦斯。煤壁、煤层 顶底板、采空区、邻近的煤层都会向采掘工作面涌 出瓦斯。因此，在煤矿

13、井下，瓦斯时刻威胁着我们。 煤层附近的岩层，比如砂岩、石灰岩中，也可 能存储瓦斯，岩石内的瓦斯，主要是游离瓦斯。 煤层瓦斯的生成与赋存 1.4 瓦斯的性质 瓦斯的性质是瓦斯所含各个成分性质的总 和。 甲烷（甲烷（CH4）性质）性质 无色、无嗅、无味的可燃气体； 比重0.554，比空气轻；微溶于水，具 有强扩散性，其扩散速度是空气的1.34倍； 在微风或无风的巷道中，由于瓦斯轻，易 浮在巷道顶部，所以要规定风流的最低风速， 防止瓦斯积聚。 煤层瓦斯的生成与赋存 有燃烧和爆炸性； 煤层瓦斯的生成与赋存 甲烷燃烧和爆炸的条件甲烷燃烧和爆炸的条件: （1）必须有高温热源或火源引燃或引爆； （2）甲烷浓

14、度在516时才具爆炸性；这就 是爆炸界限。当浓度为9.5时，爆炸的危险性和 爆炸威力最大。 瓦斯浓度在0%5%，为助燃区间；而瓦斯在 大于16%时，为扩散燃烧区，即在与空气混合的 界面上可被点燃；在5%16%为爆炸区，这是最 危险的、过去最容易发生的。 （3）空气中氧的含量要高于12。 煤层瓦斯的生成与赋存 空气中甲烷含量达到一定浓度(超过40) 时，可使人窒息。 川南某重灾国有煤矿1970到1993年发生 的瓦斯事故，死亡54人，其中28人是窒息 死亡的，占51.85%。 温室效应性 温室效应是CO2的21倍。目前瓦斯抽出来 后要强调利用。 煤层瓦斯的生成与赋存 井下瓦斯含有的主要有毒有害气

15、体井下瓦斯含有的主要有毒有害气体 名 称 主要危害 不允许超过浓度(%) 二氧化碳 微毒 窒息 总回风0.75 采掘进风0.5 采掘地点1.5 一氧化碳 剧毒 0.0024 二氧化氮 剧毒 0.00025 二氧化硫 剧毒 0.0005 硫化氢 剧毒 0.00066 煤层瓦斯的生成与赋存 1.5 煤层瓦斯含量及影响因素煤层瓦斯含量及影响因素 瓦斯含量定义瓦斯含量定义 计算瓦斯含量计算瓦斯含量： 式中： X煤层瓦斯含量，m3/t； a吸附常数，试验温度下的极限吸附量，m3/t； b吸附常数，MPa1； P煤层绝对瓦斯压力，MPa； Aad煤的灰分，； Mad煤的水分，； K煤的孔隙体积，m3/m3

16、； 煤的视密度，t/m3。 KP M MA bP abP X ad adad 10 31. 01 1 100 100 1 煤层瓦斯的生成与赋存 1）地质部门提供的瓦斯含量（数据）认识）地质部门提供的瓦斯含量（数据）认识 ml/g,r(“g,r”克可燃物、或克纯煤)， m3/t,r(“t,r”-吨可燃物、或吨纯煤）； 煤层瓦斯含量煤层瓦斯含量X XX0（100AadMad）/100 2）煤层瓦斯压力变化规律）煤层瓦斯压力变化规律 PP0m(Z-Z0) P在深度为Z处的瓦斯压力，MPa； P0 瓦斯风化带深度的瓦斯压力，0.150.25MPa； Z0 瓦斯风化带深度，m； m 瓦斯压力梯度，MPa

17、/m，取0.010.005 一般情况下，煤层的瓦斯压力随深度的增加而 有规律地增加，可能大于、等于或小于同水平静水 压力。个别地区，如地质构照附近瓦斯压力可能异 常。如淮南潘集一号井，垂深650m的一号石门内测 得瓦斯压力为4.2 MPa，而在其相邻的另一石门内测 得0.6 MPa。可见，煤层瓦斯的压力应该进行实际测 量。 煤层瓦斯的生成与赋存 （3）取煤样送检测定煤吸附瓦斯常数a（即吨可燃物极 限吸附瓦斯量）和b、（视密度）、K（孔隙率）等。 煤层瓦斯的生成与赋存 煤层瓦斯的生成与赋存 左图为煤的吸附瓦斯 量和游离瓦斯量以及总瓦 斯量之间的关系，从中可 以看出：在瓦斯压力比较 低时，吸附瓦斯

18、量占绝大 部分，随着瓦斯压力的增 大，吸附瓦斯量渐趋饱和。 而游离瓦斯所占的比例逐 渐提高，因此，在深部地 层中，当瓦斯压力较高时， 煤层和岩层孔隙中 所含有的游离瓦斯量，往 往可以达到相当大的数值。 煤层瓦斯的生成与赋存 1.6 1.6 煤层瓦斯含量影响因素煤层瓦斯含量影响因素 煤体在从植物遗体到无烟煤的变质过程中，每 吨煤至少可以生成100m3以上的瓦斯。但是，在目 前的天然煤层中，最大的瓦斯含量不超过50m3/t。 究其原因，一方面是由于煤层本身含瓦斯的能力所 限；另一方面是因为瓦斯是以压力气体存在于煤层 中，经过漫长的地质年代，放散了大部分，目前储 藏在煤体中的瓦斯仅是剩余的瓦斯量，因

19、此，可以 说煤层瓦斯含量的多少主要取决于保存瓦斯的条件， 而不是生成瓦斯量的多少；也就是说不仅取决于煤 质牌号，而更主要的是取决于储存瓦斯的地质条件， 根据目的的研究成果认为，影响煤层瓦斯含量的主 要因素有：煤层的埋藏深度，煤层和围岩的透气性， 煤层倾角，煤层露头，地质构造。 煤层瓦斯的生成与赋存 1）煤层的埋藏深度）煤层的埋藏深度 埋深的增加不仅会因地应力增高而使煤层及围 岩的透气性变差，而且瓦斯向地表运移的距离也增 长，这二者都有利于封存瓦斯。 研究表明：当深度不大时，煤层瓦斯含量随埋 深增大而有规律增加，一般情况下，深度每增加 100m，煤层瓦斯含量可增加0.51.1m3/t。当埋深 达

20、到一定值后，煤层瓦斯含量将趋于常量。 原苏联的一些矿区实测瓦斯含量与深度之间的 关系证实了上述分析，见下图。 煤层瓦斯的生成与赋存 煤层瓦斯的生成与赋存 煤系地层岩性组合及其透气性对煤层瓦斯含量 有重大影响。一般情况下，煤层及其围岩透气性越 大，瓦斯越易流失，煤层瓦斯含量就越小；反之， 瓦斯易于保存，煤层的瓦斯含量就大。 古蔺矿区煤系（二叠系上统龙潭组）主要岩层 由泥岩、砂质泥岩、细砂岩、粉砂岩，而且厚度大 （厚85140m），横向岩性变化小，围岩的透气 性差，封闭瓦斯的条件好，故煤层瓦斯压力高，瓦 斯含量大，因此古蔺县煤矿大多数为高瓦斯或煤与 瓦斯突出矿井。 2）煤层和围岩的透气性）煤层和围

21、岩的透气性 煤层瓦斯的生成与赋存 煤层瓦斯的生成与赋存 从上表看出：孔隙与裂缝发育的砂岩、砾岩和灰岩的透 气性系数非常大，它比致密而裂隙不发育的岩石（如砂页岩、 页岩、泥质页岩等）的透气性系数高成千上万倍；故而在漫 长的地质年代中，会排放大量的瓦斯。现场实践表明：煤层 顶底板透气性低的岩层（如泥岩、胶结致密的细碎屑岩、裂 隙不发育的灰岩等）越厚，它们在煤系地层中所占的比例越 大，则往往煤层的瓦斯含量越高。例如重庆、贵州六枝、湖 南涟邵等地区其煤系主要岩层均是泥岩、页岩、砂页岩、粉 砂岩和致密的灰岩，而且厚度大，横向岩性变化小、围岩的 透气性差，封闭瓦斯的条件好，所以煤层瓦斯压力高，瓦斯 含量大

22、。这些地区的矿井往往是高瓦斯或有煤与瓦斯突出危 出的矿井。反之，当围岩是由厚层中、粗砂岩、砾岩或是裂 隙溶洞发育的灰岩组成时，煤层瓦斯含量往往较小；例如山 西大同煤田煤层顶底版主要是厚层砂岩、透气性好，故而煤 层瓦斯含量较低。 煤层瓦斯的生成与赋存 3）煤层倾角）煤层倾角 目前认为，在同一埋深及条件相同情况下，煤层 倾角越小，煤层的瓦断含量就越高。例如芙蓉煤矿 北翼煤层倾角陡（4080），相对瓦斯涌出量 约为20m3/t，南翼煤层倾角缓（612），相对 瓦斯涌出量则高达150m3/t，而且还有瓦斯突出现象。 发生这种现象的原因主要在于，煤层渗透性一般大 于围岩，煤层倾角小，在顶底板密封条件好的

23、条件 下，瓦斯越不容易通过煤层排放，煤体中产生的瓦 斯容易得到贮存；故而煤层的瓦斯含量高，瓦斯涌 出量大。 煤层瓦斯的生成与赋存 4) 煤层露头煤层露头 煤层露头是瓦斯向地面排放的出口，因 此，露头存在时间越长，瓦斯排放就多，煤 层有露头瓦断含量往往较低。 煤层瓦斯的生成与赋存 5）地质构造 地质构造是影响煤层瓦斯存贮的最重要的条件 之一。封闭型地质构造有利于封存瓦斯，开放型地 质构造有利于排放瓦斯；地质构造对煤层瓦斯存贮 的影响包括如下几个方面： 褶曲构造 现场实践表明，闭合而完整的背斜或穹窿又覆 盖不透气的地层是良好的贮瓦斯构造，在其轴部煤 层内往往存高压瓦斯，形成“气顶”。如图1-10 （a，b）所示。受地质构造影响形成煤层局部变厚 的大煤包也会出现瓦斯增高现象，如图1-10 （c，d， e）所示。向斜构造一般轴部的煤层瓦斯含量比翼 部高，如图1-10 （f）所示。由两条封闭性断层与 致密岩层封闭的地垒或地堑构造也能成为瓦斯含量 增高区，如图1-10 （g