瓦斯防治 第3讲

1、第第3讲讲 煤层瓦斯含量及其影响因素煤层瓦斯含量及其影响因素黑龙江科技学院安全工程学院黑龙江科技学院安全工程学院20132013年年3 3月月 煤体在从植物遗体到无烟煤的变质过程中，每吨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煤至少可以生成100m100m3 3以上的瓦斯。但是，在目前的以上的瓦斯。但是，在目前的天然煤层中，最大的瓦斯含量不超过天然煤层中，最大的瓦斯含量不超过50m50m3 3/t/t。 一方面是由于煤层本身含瓦斯的能力所限；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，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

2、地质年代，放散了大部分，目前储藏在煤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。体中的瓦斯仅是剩余的瓦斯量。 因此，可以说煤层瓦斯含量的多少主要取决于保因此，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。的地质条件。 煤层储气条件煤层储气条件 煤层储气条件对于煤层瓦斯赋存及含量具有重要作煤层储气条件对于煤层瓦斯赋存及含量具有重要作用，这些储气条件主要包括：用，这些储气条件主要包括：

3、 煤层的埋藏深度；煤层的埋藏深度； 煤层和围岩的透气性；煤层和围岩的透气性； 煤层倾角；煤层倾角； 煤层露头；煤层露头； 煤的煤化作用程度等。煤的煤化作用程度等。 地质史地质史 1)1)煤层的埋藏深度煤层的埋藏深度 煤层埋藏深度的增加不仅会因地应力增高而使煤层和围岩的透气性降低，而且瓦斯向地表运移的距离也增大，这二者的变化均朝着有利于封存瓦斯，而不利于放散瓦斯的方向发展。 研究表明：当深度不大时，煤层瓦斯含量随埋深的增大基本上呈线性规律增加；当埋深达到一定值后，煤层瓦斯含量将趋于常量。 2)2)煤层和围岩的透气性煤层和围岩的透气性 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。煤层及其围

4、岩的透气性越大，瓦斯越易流失，煤层瓦斯含量就越小；反之，瓦斯易于保存，煤层的瓦斯含量就高。煤层与岩层的透气性可在非常宽的范围内变化。 从表1-3-3中可以看出：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。 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

5、顶底板主要是厚层砂岩，透气性好，故而煤层瓦斯含量较低。 目前，根据岩性及透气性的不同，可将煤层围岩目前，根据岩性及透气性的不同，可将煤层围岩划分为屏障层、半屏障层以及透气层三种基本类型：划分为屏障层、半屏障层以及透气层三种基本类型： 屏障层：即瓦斯难以通过的岩层。屏障层：即瓦斯难以通过的岩层。 例如，泥岩和砂质泥岩、粉砂岩；例如，泥岩和砂质泥岩、粉砂岩； 半屏障层：即瓦斯从岩层中流动通过的难易程度半屏障层：即瓦斯从岩层中流动通过的难易程度介于屏障层与透气层之间的岩层。介于屏障层与透气层之间的岩层。 例如，粉砂岩；细一中粒砂岩夹薄层砂质泥岩。例如，粉砂岩；细一中粒砂岩夹薄层砂质泥岩。 透气层：透

6、气层：即瓦斯易于流动通过的岩层即瓦斯易于流动通过的岩层 。 例如，砂岩和砾岩、石灰岩。例如，砂岩和砾岩、石灰岩。 以煤层围岩的透气性为主要依据，并适当考以煤层围岩的透气性为主要依据，并适当考虑构造断裂等因素，又可将煤层围岩划分为：虑构造断裂等因素，又可将煤层围岩划分为： 封闭型；封闭型； 半封闭型；半封闭型； 开放型三类。开放型三类。 封闭型：煤层直接围岩均由封闭型：煤层直接围岩均由屏障层屏障层组成，当屏障层较薄时，组成，当屏障层较薄时，在煤层顶板屏障层之上，底板屏障层之下尚有透气层但不太厚，在煤层顶板屏障层之上，底板屏障层之下尚有透气层但不太厚，且与屏障层或半屏障层互层组成的岩层，区内切穿煤

7、层并与透且与屏障层或半屏障层互层组成的岩层，区内切穿煤层并与透气层沟通的断裂不发育，瓦斯一般只能沿煤层由深部往浅部运气层沟通的断裂不发育，瓦斯一般只能沿煤层由深部往浅部运移放散移放散( (如图如图1-3-4)1-3-4)，能很好地保存瓦斯，能很好地保存瓦斯。 半封闭型：这一类型较复杂，目前认为凡具有下列情况半封闭型：这一类型较复杂，目前认为凡具有下列情况之一者，均属半封闭型。之一者，均属半封闭型。(a)(a)煤层围岩均为半屏障层；煤层顶板为半屏障层，底板为煤层围岩均为半屏障层；煤层顶板为半屏障层，底板为屏障层；煤层顶板为屏障层，底板为半屏障层。屏障层；煤层顶板为屏障层，底板为半屏障层。(b)(

8、b)煤层顶底板岩性均为屏障层，但由于屏障层薄、不稳定煤层顶底板岩性均为屏障层，但由于屏障层薄、不稳定，常有，常有“气窗气窗”出现，只在一定范围内仍能保存一定量的瓦斯出现，只在一定范围内仍能保存一定量的瓦斯。(c)(c)煤层围岩为屏障层，但有密度较大的张性断层或裂隙切煤层围岩为屏障层，但有密度较大的张性断层或裂隙切穿煤层和透气层，构成了瓦斯排放通道，如图穿煤层和透气层，构成了瓦斯排放通道，如图1-3-61-3-6所示。所示。 上述三种情况，一般尚能在一定范围内保存上述三种情况，一般尚能在一定范围内保存“承压瓦斯承压瓦斯”，使煤层中瓦，使煤层中瓦斯流动状态复杂多变。斯流动状态复杂多变。 开放型：煤

9、层围岩为透气层，其中包括三神情况：开放型：煤层围岩为透气层，其中包括三神情况： 第一种，煤层顶板为屏障层，底板为透气层。第一种，煤层顶板为屏障层，底板为透气层。 第二种，煤层底板为屏障层，顶板为透气层。第二种，煤层底板为屏障层，顶板为透气层。 第三种，顶底板透气层末被其他的屏障层所封闭，瓦斯放第三种，顶底板透气层末被其他的屏障层所封闭，瓦斯放散条件好，如图散条件好，如图1-3-71-3-7所示。所示。 在这种情况下，煤在这种情况下，煤层中的瓦斯难于保存，层中的瓦斯难于保存，低瓦斯矿井煤层围岩低瓦斯矿井煤层围岩有许多就属于开放型有许多就属于开放型。 我国瓦斯地质工作者曾对湖南我国瓦斯地质工作者曾

10、对湖南3535对矿井的主采煤层的围岩对矿井的主采煤层的围岩对瓦斯的封闭类型进行了初步划分，其结果如表对瓦斯的封闭类型进行了初步划分，其结果如表l-3-4l-3-4所列。从所列。从表中可以看出：表中可以看出： 有严重突出的矿井，其围岩全为封闭型；有严重突出的矿井，其围岩全为封闭型； 局部突出的矿井，其煤层围岩以半封闭型为主；局部突出的矿井，其煤层围岩以半封闭型为主； 而非突出矿井，则煤层围岩多为半封闭型或开放型。而非突出矿井，则煤层围岩多为半封闭型或开放型。实例实例 3) 3)煤层倾角煤层倾角 在同一埋深及条件相同情况下，煤层倾角越小，煤层的瓦在同一埋深及条件相同情况下，煤层倾角越小，煤层的瓦斯

11、含量就越高。斯含量就越高。 这种现象的主要原因在于：煤层透气性一般大于围岩；煤这种现象的主要原因在于：煤层透气性一般大于围岩；煤层倾角越小，在顶板岩性密封好的条件下，瓦斯不易通过煤层层倾角越小，在顶板岩性密封好的条件下，瓦斯不易通过煤层排放，煤体中的瓦斯容易得到储存，故而煤层的瓦斯含量高。排放，煤体中的瓦斯容易得到储存，故而煤层的瓦斯含量高。 例如芙蓉煤矿北翼煤层倾角陡例如芙蓉煤矿北翼煤层倾角陡(40(408080) )，相对瓦斯涌出，相对瓦斯涌出量约量约20 m20 m3 3t t，无瓦斯突出现象；反之，南翼煤层倾角缓，无瓦斯突出现象；反之，南翼煤层倾角缓(6(61212) )，相对瓦斯涌出

12、量则高达，相对瓦斯涌出量则高达150 m150 m3 3t t，而且有发生瓦斯突，而且有发生瓦斯突出的危险。出的危险。 4)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，瓦斯排放就越多。头存在时间越长，瓦斯排放就越多。 例如福建、广东地区的煤层多有露头，故而瓦例如福建、广东地区的煤层多有露头，故而瓦斯含量往往较低；反之，地表无露头的煤层，瓦斯斯含量往往较低；反之，地表无露头的煤层，瓦斯含量往往较高。例如四川中梁山煤田，煤层无露头含量往往较高。例如四川中梁山煤田，煤层无露头且为背斜构造，所以煤层瓦斯含量比较高。且为背斜构造，

13、所以煤层瓦斯含量比较高。 5) 5)煤化作用程度煤化作用程度 煤是天然的吸附体，煤的煤化作用程度越高，其储存瓦斯的能力就越强。一般情况下，在瓦斯带内，倘若其他因素相同，煤化作用程度不同的煤，其瓦斯含量不仅有所不同且随深度增加其瓦斯含量增加的量也有所不同。 煤的平均甲烷含量与其变质程度的定量关系曲线煤的平均甲烷含量与其变质程度的定量关系曲线 区域地质构造区域地质构造 1 1）褶曲构造）褶曲构造 当围岩的封闭条件较好时，背斜往往有利于瓦当围岩的封闭条件较好时，背斜往往有利于瓦斯的储存，是良好的储气构造。但是，在封闭条件差，斯的储存，是良好的储气构造。但是，在封闭条件差，围岩透气性较好的情况下，上述

14、运移条件被破坏，背围岩透气性较好的情况下，上述运移条件被破坏，背斜中的瓦斯容易沿裂隙逸散。斜中的瓦斯容易沿裂隙逸散。 在简单的向斜盆地构造的矿区中，煤层瓦斯排在简单的向斜盆地构造的矿区中，煤层瓦斯排放的条件往往是比较困难的放的条件往往是比较困难的，在这种情况下，煤层瓦在这种情况下，煤层瓦斯沿垂直地层方向运移十分困难，大部分瓦斯仅能够斯沿垂直地层方向运移十分困难，大部分瓦斯仅能够沿煤田两沿煤田两翼翼流向地表流向地表，故而形成较好的瓦斯赋存条件。故而形成较好的瓦斯赋存条件。但是，在盆地边缘部分但是，在盆地边缘部分，则由于则由于含含煤地层暴露面积大，煤地层暴露面积大，瓦斯易于瓦斯易于排排放。放。2)

15、2)断裂构造断裂构造地质构造中的断层不仅破坏了煤层的连续完整性，而且使地质构造中的断层不仅破坏了煤层的连续完整性，而且使煤层瓦斯排放条件发生了变化。有的断层有利于煤层瓦斯的排煤层瓦斯排放条件发生了变化。有的断层有利于煤层瓦斯的排放，也有的断层不利于瓦斯的排放，成为阻挡瓦斯排放的屏障放，也有的断层不利于瓦斯的排放，成为阻挡瓦斯排放的屏障；前者通常称为开放性断层，后者则称为封闭性断层。；前者通常称为开放性断层，后者则称为封闭性断层。总而言之，断层对瓦斯的封闭作用如何，不仅与断层的力总而言之，断层对瓦斯的封闭作用如何，不仅与断层的力学性质有关，而且与煤层的围岩性质、断层上下盘与煤层接触学性质有关，而

16、且与煤层的围岩性质、断层上下盘与煤层接触地点岩层的岩性以及断层的充填情况等均有关系。倘若在围岩地点岩层的岩性以及断层的充填情况等均有关系。倘若在围岩透气性较好的开放型地区透气性较好的开放型地区，构造越复杂，裂隙越发育，则该处构造越复杂，裂隙越发育，则该处通道就越多，排气就越快，瓦斯保存就越少。通道就越多，排气就越快，瓦斯保存就越少。 例如，我国湖南一些矿区，尽管那里的地质构造很例如，我国湖南一些矿区，尽管那里的地质构造很复杂，断裂较密集，且煤层破坏严重，煤体强度较低，复杂，断裂较密集，且煤层破坏严重，煤体强度较低，只因为该矿区处于开放型系统中，煤层瓦斯含量低，在只因为该矿区处于开放型系统中，煤

17、层瓦斯含量低，在矿井中末发生过瓦斯突出。在围岩透气性较差的封闭型矿井中末发生过瓦斯突出。在围岩透气性较差的封闭型地区，岩层多为屏障层，况且即使有较多的张性断裂存地区，岩层多为屏障层，况且即使有较多的张性断裂存在，往往也不易形成瓦斯排放通道，故而瓦斯容易得到在，往往也不易形成瓦斯排放通道，故而瓦斯容易得到保存。保存。实实 例例 我国河北峰峰煤田是华北大水矿区之一，在该区我国河北峰峰煤田是华北大水矿区之一，在该区鼓山两侧，若干条较大断层切割含煤岩系，使主要可鼓山两侧，若干条较大断层切割含煤岩系，使主要可采煤层和断层另一盘奥陶纪灰岩相接触，处于地下水采煤层和断层另一盘奥陶纪灰岩相接触，处于地下水强径

18、流带范围。鼓山以西的矿井全部属于低瓦斯矿井，强径流带范围。鼓山以西的矿井全部属于低瓦斯矿井，瓦斯含量小。瓦斯含量小。 峰峰羊渠河矿开采山西组煤层时，水文地质条峰峰羊渠河矿开采山西组煤层时，水文地质条件较为简单，相对瓦斯涌出量为件较为简单，相对瓦斯涌出量为10 m10 m3 3t t； 而开采受岩溶裂隙水影响较大的小青煤层时，而开采受岩溶裂隙水影响较大的小青煤层时，相对瓦斯涌出量仅有相对瓦斯涌出量仅有2 m2 m3 3t t 3 m3 m3 3t t。实例二：实例二：采矿工作采矿工作 煤矿井下采矿工作会使煤层所受应力重新分布，煤矿井下采矿工作会使煤层所受应力重新分布，暴露面积和围岩移动大为增加，造成次生透气性结构暴露面积和围岩移动大为增加，造成次生透气性结构