瓦斯地质学基本概念及一般规律

1、第1章绪论瓦斯地质学研究的意义：瓦斯是煤矿安全的第一杀手；瓦斯（煤层气）是重要的洁净能源；开发利用煤层气（瓦斯），减少空气污染，保护大气环境；瓦斯地质理论是瓦斯治理最重要的基础。瓦斯地质学研究的对象：瓦斯地质学认为瓦斯是煤在地质历史演化过程中形成的气体地质体，它是 研究瓦斯的形成、运移、赋存及发生瓦斯灾害的地质控制理论的一门交叉学科。瓦斯地质学研究的内容：瓦斯赋存机理研究；构造煤与瓦斯突出煤体基础理论研究；瓦斯（煤层气）抽采地质控制机理研究；煤与瓦斯突出地质控制机理研究。瓦斯地质学的研究方法：瓦斯地质规律研究；瓦斯赋存构造逐级控制理论研究；编制煤矿多级瓦斯地质图研究。第2章含煤盆地与瓦斯形成含

2、煤盆地系指赋存煤炭的沉积构造盆地。中国以石炭纪-二叠纪、三叠纪（晚三叠世）、侏罗纪（早、中侏罗世）、白垩纪（早白垩世）及第 三纪为主要成煤期。中国含煤盆地聚煤一般规律：海相沉积系列聚煤作用与海平面的周期性升降密切相关，主要煤层多形成于沉积体系域的转 换期；泥炭沼泽可作为独立的沉积体系，富集的煤层多形成于废弃的沉积体系之上，下伏沉积体系仅 仅是泥炭沼泽发育的平台；聚煤盆地的基底构造决定富煤带的分布、煤层的稳定性和聚煤丰度，稳定地块基底上聚集了 80% 的已知煤炭资源。瓦斯（煤层气）次生生物成因：在含煤盆地中，次生生物作用过程活跃并影响气体成分的深度间隔称作蚀变带，一般位于盆地 边缘或中浅部；不发

3、生蚀变的气体一般出现在盆地深部，称原始气带。次生生物成因瓦斯在煤层中生成并保存基本条件是：（1）煤层经构造抬升进入或曾经进入细菌 活动带；（2）煤层渗透性较好；（3）有携带细菌的潜水活动；（4）煤层压力高、围岩封闭性好。煤层瓦斯（或煤气）发生率：是表征煤生气能力的定量参数，是指成煤物质从泥炭到特定煤级所生 成的烃类气体的总和，包括生物气和热演化成因气。煤层气的发生率包括以下几个基本概念：（1）煤层气发生率一一指从泥炭到特定煤级瓦斯气体产生的总量；（2）视煤气发生率一一指从褐煤 到特定煤级瓦斯气体产生的量；（3）阶段生气率一一指煤化过程特定阶段瓦斯气体产生的量。煤成烃物质来源：有机成因天然气的成

4、气母岩可分为两大类，即：高等植物在成煤过程中形成的腐 植质；低等植物在成煤过程中形成的腐泥质。前者形成腐植煤类，后者形成腐泥煤类，两者都产生 天然气。煤的成烃演化过程包括生物地球化学作用（相当于生物煤化作用）和热力地球化学作用（相当于煤 变质作用）两大阶段。瓦斯中的非烃气体类型包括CO2、N2、H2S、CO等。第3章 瓦斯赋存构造逐级控制理论地震波：震源（大小为几公里到上百公里，深100750km）或人工爆炸（如核爆炸）产生的弹性波，主 要有体波和面波两大类。体波又分为纵波（P波）和横波（S）两种。转换断层：当海底分裂，向两侧移动的时候，由于板块在一个球面上移动，速度不可能是一致的， 于是大致

5、垂直于分裂带发生许多近于平行的平移断层，称转换断层。俯冲带：当洋壳板块向两侧移动，遇着大陆板块，彼此相碰的时候，则洋壳板块由于岩石密度较大， 地位也低，便俯冲于大陆板块之下。这一俯冲部分的板块叫作俯冲带。地槽：对地层沉积较厚，分布在一个狭长的地带，称之为地槽。靠近大陆边缘、缺乏火山活动的为 冒地槽，向海洋的一侧、有火山活动的为优地槽。大陆边缘可分为三种类型：大西洋型，安第斯型，岛弧型及日本海型。中国四大构造域：古亚洲构造域、特提斯构造域、古华夏构造域和滨太平洋构造域。中国主要深断裂系统及其特征：古亚洲型断裂系统、特提斯型断裂系统、华夏一滨太平洋型断裂系 统和贺兰一康滇型断裂系统。按构造特点盆地

6、可分为拗陷与断陷两类，拗陷一般与拗曲有关，没有断裂作为边界；而断陷则受断 裂控制，并可再分为裂陷和压陷两类。板块构造对中国煤与瓦斯突出区域分布的控制：板缘构造带控制着煤与瓦斯突出的敏感地带；板内造山带控制着煤与瓦斯突出的敏感地带；深层构造陡变带，是影响煤与瓦斯突出的敏感地带；深层活动断裂带是影响煤与瓦斯突出的敏感地带；推覆构造带是煤与瓦斯突出的敏感地带；中国的强变形带是控制煤与瓦斯突出的敏感地带。中国煤与瓦斯突出动力灾害特征：中国是世界上煤与瓦斯突出动力灾害最严重的国家；含有高能瓦斯的构造煤是煤与瓦斯突出发生的基础；煤与瓦斯突出发生在构造挤压剪切破坏带。第4章 煤层瓦斯赋存与煤储层物性特征瓦斯

7、的化学组分有烃类气体（甲烷及其同系物）、非烃类气体（二氧化碳、氮气、氢气、一氧化碳、 硫化氢和稀有气体氦、氩等）。在同一煤阶中，通常是烃类气体含量随埋藏深度的增大而增加，重烃气主要分布于未受风化的煤层 中。此外，重烃含量与煤变质程度有关，通常中变质煤的重烃含量高，低、高变质煤的重烃含量低。对于非烃类气体，一般而言，越靠近地表，氮气和二氧化碳的含量越高；煤变质程度越高，氮气和 二氧化碳的含量越低。瓦斯生成包括生物成因和热成因两个过程。煤对瓦斯的吸附作用主要是物理吸附，是瓦斯分子与碳分子相互吸引的结果。吸附：是指气体以凝聚态或类液态被多孔介质所容纳的一种过程。大量研究表明，煤对气体的吸附 以物理吸

8、附为主体。影响煤吸附性的因素：煤吸附性大小主要取决于3个方面的因素，即：煤结构、煤的有机组成和 煤的变质程度；被吸附物质的性质；煤体吸附所处的环境条件。解吸：煤层压力降低到一定程度，煤中被吸附的甲烷开始从微孔表面分离，即发生解吸，它是煤中 吸附气因储层压力降低或温度升高等而转变成游离气体的过程。解吸率和解吸量：通常，把损失气量与解吸气量之和与总含气量之比称为解析率，损失气量与现场 两小时解吸气量之和为解吸量，即解吸率与实测含气量的乘积。解吸时间：实测瓦斯解吸体积累计达到总解吸气量（STP:标准温度、压力）的63.2%时所对应的时 间称为解吸时间，它由罐装煤样解吸试验求得。解吸速率：单位时间内的

9、解吸气量称为解吸速率。煤层瓦斯含量：煤层瓦斯含量是指单位质量的煤中所含有的瓦斯体积（换算为标准状态下的体积） 单位是cm3/g或m3/t。煤层原始瓦斯含量:煤层未受采动影响而处于原始赋存状态时，单位质量煤中所含有的瓦斯体积（换 算成标准状态下体积），称之为煤层原始瓦斯含量，常用m3/t和cm3/g作计量单位。煤层残存瓦斯含量：煤层受采动影响而涌出一部分瓦斯后，单位质量煤中所含有的换算成标准状态 下的瓦斯体积称之为煤层残存瓦斯含量，常用计量单位亦是mt和cm3/g作计量单位。煤的可解吸瓦斯含量：煤的原始瓦斯含量与煤层残存瓦斯含量之差称为煤的可解吸瓦斯含量，其物 理单位为m3/t或cm3/g。煤的

10、瓦斯容量：煤中瓦斯压力升高时，单位质量煤所能吸附瓦斯的最大体积（换算为标准状态下的 体积），称之为煤的瓦斯容量。煤层瓦斯垂向分带：煤层中瓦斯的分布状况由浅到深可划分为四个成分带，自上而下依次为：二 氧化碳氮气带；氮气带；氮气甲烷带；甲烷带。前三个带统称为瓦斯风化带，甲烷带称为瓦 斯带。瓦斯带内甲烷浓度超过80%，瓦斯含量随埋深增加而有规律的增加，但是增加的瓦斯梯度因 地质条件而定。煤储层压力：是指作用于煤孔隙和裂隙空间上的流体压力（包括水压和气压），故又称为孔隙流体 压力，相当于常规油气储层中的油层压力或气层压力。瓦斯压力：是指在煤田勘探钻孔或煤矿矿井中测得的煤层孔隙中的气体压力。渗透性：是流

11、体通过多孔介质的能力。绝对渗透率：若孔隙中只存在一相流体，且流体与介质不发生任何物理化学作用，则多孔介质允许 流体通过的能力称为绝对渗透率。有效（相）渗透率：若孔隙中存在多相流体，则多孔介质允许每一相流体通过的能力称为每相流体 的相渗透率，也称为有效渗透率。相对渗透率：有效（相）渗透率与绝对渗透率的比值称为相对渗透率。第5章煤体结构与构造煤煤体结构：指煤层在地质历史演化过程中经受各种地质作用后表现的结构特征。原生结构煤：指保留了原生沉积结构、构造特征的煤层，原生结构煤的煤岩成分、结构、构造、内 生裂隙清晰可辨。构造煤：煤层在构造应力作用下，发生成分、结构和构造的变化，引起煤层破坏、粉化、增厚、

12、减 薄等变形作用和煤的降解、缩聚等变质作用的产物。温度、压力及其作用持续的时间是引起煤发生变质作用的三个主要因素，而其中起主导作用的是温 度。煤的深成变质作用：指沉降到地下深处的煤层，受到地热及上覆岩系产生的静压力的作用，发生了 变质程度随深度增加而增加的变质作用。煤的区域岩浆热变质作用：指聚煤坳陷内有岩浆活动，岩浆及其所携带气液体的热量可使地温场增 高，形成地热异常带，从而引起煤的变质作用。煤的接触变质作用：指岩浆直接接触或侵入煤层，由其所带来的高温、气体、液体和压力，促使煤 发生变质的作用。煤的动力变质作用：指地壳构造变动促使煤发生变质的作用。煤的瓦斯放散初速度（AP）：表示充有瓦斯的煤样

13、放散瓦斯快慢的程度，它是预测煤与瓦斯突出的 一个指标。渗透性：指煤储层的孔裂隙系统在一定的压差下，流体介质可以发生渗流通过的性质。煤化度（P）：即煤的化学成熟程度，是描述整个煤样的参数。构造煤的宏观结构分为碎裂结构、碎粒结构、糜棱结构3种类型，相应的煤体为碎裂煤、碎粒煤和糜棱煤。第六章瓦斯地质规律是指揭示瓦斯与地质因素之间内在联系的规律。瓦斯地质的主要研究观点：（1）不同级别的地质单元都存在着自身的瓦斯地质规律。（2）揭示瓦斯地质规律首先从主控地质因素入手。瓦斯地质的主要研究内容：（1）构造煤形成分布规律。（2）瓦斯赋存构造控制机理。（3）煤与瓦斯突出地质控制机理。（4）瓦斯抽采地质控制机理。

14、瓦斯地质规律研究是瓦斯地质学的核心内容，是瓦斯预测、治理的基础。瓦斯含量是指成煤过程中煤层经受地质历史演化作用储存在煤层中单位体积或单位质量的煤所含的瓦斯体积量（m3/m3或m3/t）。低瓦斯一一拉张活动、风化剥蚀；高瓦斯一一挤压作用、连续拗陷沉积。瓦斯含量主控因素：（1）地质演化历史（2）区域构造背景（3）煤化程度（4）沉积环境煤与瓦斯突出机理研究还处在假说阶段，目前，大多数人认可综合作用假说，认为，煤与瓦斯突出是地应力、煤体中的瓦斯、煤的物理力学性质三者共同作用的结果。煤层瓦斯含量煤层瓦斯含量是单位质量煤中所含的瓦斯体积（换算为标准状态）量，单位是m3/t或cm3/g。煤层原始（或天然）瓦

15、斯含量煤层未受采动影响时的瓦斯含量称为煤层原始（或天然）瓦斯含量。残存瓦斯含量煤层受采动影响，已部分排放了瓦斯后煤层中剩余的瓦斯含量。岩层瓦斯含量单位质量（或体积）岩石中所含的瓦斯体积。简述煤层瓦斯含量测定方法直接法与间接法及其优缺点。1）直接法直接从煤体内采取煤样，在现场解吸，然后将煤样送到实验室，用真空泵抽取瓦斯，并分析其瓦斯成份，然后进行煤质工业分析，计算确定煤层瓦斯含量。优点：直接测定。缺点：试样采取过程中逸散瓦斯量需要数学模型推断。突出煤层瓦斯损失量的经验公 式尚不完善。2）间接法先在井下实测或根据赋存规律推算煤层瓦斯压力，并在实验室测定煤的孔隙率、吸附等温线和煤的工业分析，然后再计

16、算煤层瓦斯含量。优点：煤样不须密封，采样方法简单，且如果已知煤层各个不同区域的瓦斯压力，则可根据吸附等温线 推算各个不同区域的煤层瓦斯含量。缺点：需要在井下实测煤层瓦斯压力。煤的瓦斯含量越大，煤样越破碎，损失瓦斯量所占比例也越大。为了提高煤层瓦斯含量的测定精度，应尽量减少煤样的暴露时间，尽量选取较大粒度的煤样，以减小瓦斯损失量在煤样总瓦斯量中所占的比重。绝对瓦斯涌出量：指单位时间涌出的瓦斯体积，单位为m3/d或m3/min。相对瓦斯涌出量：指矿井在正常生产条件下，平均日产1t煤同期所涌出的瓦斯量，单位是m3/t。瓦斯涌出量中除开采煤层涌出的瓦斯外，还有来自邻近层和围岩的瓦斯，所以相对瓦斯涌出量

17、一般 要比瓦斯含量大。一个矿井中只要有一个煤（岩）层发现瓦斯，该矿井即为瓦斯矿井。瓦斯矿井必须依照矿井瓦斯等 级进行管理。瓦斯喷出源有两种：地质生成瓦斯源和生产生成瓦斯源。地质生成瓦斯源是指喷出的瓦斯来源于成煤地质过程中，大量瓦斯积聚在地质的裂隙和空洞内，当 采矿工程揭露这些地层时，瓦斯就从裂隙及空洞中涌出，形成瓦斯喷出。生产生成瓦斯源是指喷出的瓦斯来源于：因开采松动卸压的影响，使开采层邻近的煤层卸压而形成 大量解吸瓦斯，当游离瓦斯积集达到一定能量时，冲破层间岩石而向回采巷道喷出。对地质生成的瓦斯喷出危险，应在有喷出危险的区域中进行采矿工程时，加强地质工作，如采取打 前探钻孔、打排瓦斯钻孔，加

18、大危险区域的风量，将喷出的瓦斯直接引入回风巷或抽放瓦斯管路内， 严禁工作面之间的串联通风；为防治生产生成的瓦斯喷出，在开采近距离保护层时，必须加强回采初期被保护层卸压瓦斯的抽放， 如加密钻孔等；搞好顶板管理工作，当悬顶过长时，应采取人工强制放顶等。煤层（包括可采层和邻近层）和围岩的瓦斯含量是瓦斯涌出量大小的决定因素，它们的瓦斯含量越 高，矿井瓦斯涌出量就越大。当前矿井的瓦斯涌出量预测把煤层瓦斯含量作为主要依据。随着开采深度的增大，煤层的瓦斯含量将增大，因而矿井瓦斯涌出量会相应地增大。开采规模是指开拓、开采范围以及矿井的产量而言。对某一矿井来说，开采规模越大，矿井的绝对 瓦斯涌出量也就越大；但就

19、矿井的相对瓦斯涌出量来说，情况比较复杂。如果矿井是靠改进采煤工 艺，提高工作面单产来增大产量的，则相对瓦斯涌出量会有明显的减少，原因为：第一，与采面无 关的瓦斯源的瓦斯涌出量在产量提高时无明显增大；二是随着开采速度加快，邻近层及采落煤的残 存瓦斯量将增大。如果矿井仅是靠扩大开采规模来增大产量的，则矿井相对瓦斯涌出量或增大，或 保持不变。在厚煤层分层开采时，不同分层的瓦斯涌出量也有很大的差别。一般情况是，第一分层瓦斯涌出量 最大，最后一个分层瓦斯涌出量最小。采煤方法的回采率越低，瓦斯涌出量就越大，因为丢煤中所含瓦斯的绝大部分仍要涌入巷道。在开采煤层群时，由于采用陷落法管理顶板比采用填法管理顶板时

20、能造成顶板更大范围的破坏与松 动，因而采用陷落法管理顶板的工作面的瓦斯涌出量比采用充填法管理顶板的工作面的瓦斯涌出量 大。地面大气压的变化对煤层暴露面的瓦斯涌出量没有多大影响，但对采空区瓦斯涌出有较大的影响。 在生产规模较大，采空区瓦斯涌出量占很大比重的矿井，当气压突然下降时，采空区积存的瓦斯会 更多地涌入风流中，使矿井瓦斯涌出量增大；当气压变大时，矿井瓦斯涌出量会明显减小。矿井中有瓦斯参与的，且有动力效应显现的现象统称为煤与瓦斯突出。经区域预测后，突出煤层划分为突出危险区和无突出危险区。未进行区域预测的区域视为突出危险区。根据煤层瓦斯压力或瓦斯含量进行区域预测的临界值是瓦斯压力大于等于0.7

21、4MPa或瓦斯含量大 于等于8m3/t为突出危险区，其他为无突出危险区。有突出矿井的煤矿企业、突出矿井应当根据突出矿井的实际状况和条件，制定区域综合防突措施和 局部综合防突措施。区域综合防突措施包括下列内容：（一）区域突出危险性预测；（二）区域防突措施；（三）区域措 施效果检验；（四）区域验证。局部综合防突措施包括下列内容：（一）工作面突出危险性预测；（二）工作面防突措施；（三）工作面措施效果检验；（四）安全防护措施。补充：煤化作用过程中会不断地产生瓦斯，煤化程度越高，生成的瓦斯量越多。即在其他因素恒定的条件 下，煤的变质程度越高，煤层瓦斯含量越大。煤层围岩是指包括煤层直接顶、老顶和直接底板等

22、在内的一定厚度范围的煤层顶底岩层。煤层围岩 对瓦斯赋存的影响，取决于它的隔气和透气性能。当煤层顶板岩性为致密完整的岩石，如页岩、油页岩 和泥岩时，煤层中的瓦斯容易被保存下来；顶板为多孔隙或脆性裂隙发育的岩石，如砾岩、砂岩时，瓦 斯容易逸散。褶皱构造褶皱的类型、封闭情况和复杂程度对瓦斯赋存均有影响。当煤层顶板岩石透气性差，且未遭受构造破坏时，背斜有利于瓦斯的储存，是良好的储气构造，背 斜轴部的瓦斯会相对聚集，瓦斯含量增大。在向斜盆地构造的矿区，顶板封闭条件良好时，瓦斯沿垂直 地层方向运移比较困难，大部分瓦斯仅能沿两翼流向地表，但在盆地的边缘部分，若含煤地层暴露面积 大，则便于瓦斯排放。紧密闭褶皱

23、地区往往瓦斯含量较高，因为这些地区带受强烈构造作用，应力集中； 同时，发生褶皱的岩层往往塑性较强，易褶不易断，封闭性较好，因而有利于瓦斯的聚集和保存。断裂构造断裂构造破坏了煤层的连续完整性，使煤层瓦斯运移条件发生变化。有的断层有利于瓦斯排放，有 的断层对抑制瓦斯排放而成为逸散的屏障。前者称为开放型断层，后者称为封闭型断层。断层的开放性 与封闭性取决于下列条件：断层属性和力学性质，一般张性正断层属开放型，而压性或压扭性逆断层 通常具有封闭性；断层与地表或与冲积层的连通情况，规模大且与地表相通或与冲积层相连的断层一 般为开放型；断层将煤层断开后，煤层与断层另一盘接触的岩层性质有关，若透气性好则利于

24、瓦斯排 放；断层带的特征、断层带的充填情况、紧闭程度、裂隙发育情况等都会影响到断层的开放性或封闭 性。一般而言，煤层中的瓦斯压力随着埋藏深度的增加而增大。在一定深度范围内，煤层瓦斯含量亦随埋 藏深度的增大而增加；当埋藏深度继续增大时，瓦斯含量增加的幅度将会减缓。个别矿井的煤层，随着煤层埋藏深度的增加瓦斯涌出量反而相对减小。如徐州矿务局大黄山矿，属于低 瓦斯矿井，位处较浅的煤盆地，煤层倾角大，在新、老不整合面上有厚层低透气性盖层，瓦斯主要沿煤 层向地表运移。由于煤盆地范围小，深部缺乏足够的瓦斯补给，当从盆地四周由浅部向深部开采时，瓦 斯涌出量随着开采深度的增加而减小。地下水的活动有利于瓦斯的逸散

25、。地下水和瓦斯占有的空间是互补的，这种相逆的关系，常表现为 水量大的地带，瓦斯量相对较小，反之亦然。自上而下依次为：二氧化碳氮气带；氮气带；氮气甲烷带；甲烷带。前三个带统称为瓦斯 风化带，甲烷带称为瓦斯带。瓦斯带内甲烷浓度超过80%，瓦斯含量随埋深增加而有规律的增加，但 是增加的瓦斯梯度因地质条件而定。煤储层压力总体上与埋深呈线性正相关关系，煤层埋藏深度增加，储层压力随之增高。煤体在一定的温度、压力条件下，发生脆性破坏、韧性变形和介于两者之间的脆韧性变形。瓦斯解吸是瓦斯吸附的逆过程，由于减压、升温，煤的瓦斯吸附平衡被破坏，瓦斯由吸附态变成游 离态的过程。瓦斯扩散是在浓度梯度的作用下，瓦斯（如甲

26、烷分子）从高浓度区域向低浓度区域转移，直到均匀 分布的现象。煤的瓦斯放散初速度（AP）表示充有瓦斯的煤样放散瓦斯快慢的程度，机械力化学的概念，即“物质受机械力作用而发生化学变化或者物理变化的现象根据煤化作用理论，温度、压力和时间是影响煤化作用的主要因素。煤结构演化是富碳、去氢、脱氧的过程构造应力（构造作用）影响有机质动力演化的方式，可以概括为摩擦热观点、应变能观点和力化学 观点等3种构造煤热解甲烷生成量比原生结构煤要小的多，反映构造煤的生气潜力小。煤层瓦斯赋存高低、煤层瓦斯涌出量大小，煤与瓦斯突出危险性等，主要取决于煤层瓦斯的生成条件和 保存条件，23.按照防治煤与瓦斯细则强化防突措施，将煤层

27、瓦斯压力降至0.74兆帕以下，各项指标达到煤层 无突出危险后，方可生产。现代构造应力场的方向和大小与煤层气储层的关系密切。如果现代构造应力场最大主应力方向与裂 隙的走向一致，则该方向的渗透率最高；如果最大主应力方向与裂隙走向垂直，则该方向渗透率较低。27.地下水的运移对瓦斯赋存存在两方面作用：一是水运移造成瓦斯逸散，最常见的是导水性断层的存 在沟通了煤层与含水层，造成瓦斯的散失，我国的太行山东麓、鲁西南等地区均存在此类情况；二是地 下水的运移可以造成瓦斯的富集与封堵，美国圣胡安盆地水果地组的高渗、高压带即属此类情况。煤的瓦斯吸附量不随煤的破坏程度增高而增加，这表明，决定煤比表积的微孔体积不受煤破坏程度 的影响。这一结果受到来自两个方面的支持：一是实验表明，构造煤没有增大其吸附容量；二是构造破 坏不影响到微孔体积的增加，进而也不