煤层瓦斯赋存课件

第二讲煤层瓦斯赋存安全工程专业核心课程中国矿业大学安全工程学院2013年3月程远平教授李伟博士第二讲安全工程专业核心课程中国矿业大学程远平教授《矿井瓦斯防治》课程第二讲课程目标一、了解煤层瓦斯的生成过程及成分二、掌握瓦斯的赋存状态及煤层瓦斯的垂向分带三、了解煤的孔隙分类、孔隙率及测定方法四、掌握煤的吸附、解吸性能五、掌握煤层瓦斯压力的概念、测定原理及方法六、掌握煤层瓦斯含量的含义及影响因素七、了解含瓦斯煤的力学及渗透性能《矿井瓦斯防治》课程第二讲课程目标《矿井瓦斯防治》课程第二讲章节提纲一、煤层瓦斯的生成与组分二、煤层瓦斯赋存状态与垂向分带三、煤的孔隙特征四、煤的瓦斯吸附性能五、煤的瓦斯解吸性能六、煤层瓦斯压力七、煤层瓦斯含量八、含瓦斯煤的力学性能与渗透性能《矿井瓦斯防治》课程第二讲章节提纲第一部分煤层瓦斯的生成与组分

《矿井瓦斯防治》课程第二讲第一部分煤层瓦斯的生成与组分《矿井瓦斯防治》课程第二讲我国煤矿每年以10～20m的速度向深部延深，许多矿井开采深度达到800～1200m；地应力及瓦斯压力不断增加，造成我国煤矿的煤与瓦斯突出灾害日趋严重。一、煤层瓦斯的生成与组分瓦斯成气过程煤层瓦斯是腐植型有机物在成煤的过程中生成的。煤的原始母质——腐殖质沉积以后，一般经历两个成气时期：从植物遗体到泥炭属于生物化学成气时期；在地层的高压高温作用下从褐煤到烟煤直到无烟煤属于煤化变质作用成气时期。我国煤矿每年以10～20m的速度向深部延深，许多矿井开采深一、煤层瓦斯的生成与组分瓦斯成气过程植物死亡泥炭褐煤无烟煤烟煤埋藏堆积及泥炭化作用煤化作用气体

在煤化作用过程中，成煤物质发生了复杂的物理化学变化，挥发份含量和含水量减少，发热量和固定碳含量增加，同时也生成了以甲烷为主的气体。。一、煤层瓦斯的生成与组分瓦斯成气过程植物死亡泥炭褐煤无烟煤烟一、煤层瓦斯的生成与组分瓦斯成气过程煤化变质作用时期瓦斯的成因在植物沉积成煤初期的泥炭化过程中，有机物在隔绝外部氧气进入和温度不超过65℃的条件下，被厌氧微生物分解为CH4、CO2和H2O。泥炭时期埋深不大，生成的瓦斯通过渗滤和扩散排放到大气中，因此，生物化学作用产生的瓦斯一般不会保留在煤层内。随着煤系地层的沉降及所处压力和温度的增加，泥炭转化为褐煤.有机物在高温、高压作用下，处于变质造气时期，挥发分减少，固定碳增加，生成的气体主要为CH4和CO2。一、煤层瓦斯的生成与组分瓦斯成气过程煤化变质作用时期瓦在植物煤化过程中有机质分解脱出甲基侧链和含氧官能因而生成CO2、CH4、和H2O是煤化过程中形成瓦斯的基本反应，可以用下列反应式来表达不同煤化阶段的成气反应：稠环侧链一、煤层瓦斯的生成与组分煤化变质作用时期瓦斯的生成煤化过程中有机质分解脱出甲基侧链和含氧官能因而生稠环侧链一、一、煤层瓦斯的生成与组分煤层瓦斯成分煤层瓦斯有约20种组分，其中甲烷及其同系物和二氧化碳是成煤过程的主要产物。当煤层赋存深度大于瓦斯风化带深度时，煤层瓦斯的主要组分（>80%）是甲烷。

一、煤层瓦斯的生成与组分煤层瓦斯成分煤层瓦斯有约20种组分，第二部分煤层瓦斯赋存状态与垂向分带

《矿井瓦斯防治》课程第二讲第二部分煤层瓦斯赋存状态与垂向分带《矿井瓦斯防治》课程二、煤层瓦斯赋存状态与垂向分带煤层瓦斯赋存状态游离瓦斯吸附瓦斯游离瓦斯吸收状态吸着状态二、煤层瓦斯赋存状态与垂向分带煤层瓦斯赋存状态游离瓦斯吸附瓦二、煤层瓦斯赋存状态与垂向分带煤层瓦斯赋存状态煤中瓦斯的赋存状态一般有吸附状态和游离状态2种。在煤层赋存的瓦斯量中，通常吸附瓦斯量占80％～90％，游离瓦斯量占10％～20％；游离瓦斯以自由气体形式存在（孔径大于10nm）内；吸附瓦斯分为吸着状态与吸收状态；在吸附瓦斯量中又以煤体表面吸着的瓦斯量占多数。二、煤层瓦斯赋存状态与垂向分带煤层瓦斯赋存状态煤中瓦斯的赋存二、煤层瓦斯赋存状态与垂向分带煤层瓦斯赋存状态煤是一种天然的吸附剂，具有良好的吸附性能。煤对瓦斯的吸附属于物理吸附，即瓦斯分子煤分子之间的作用力是剩余的表面自由力（范德华引力）。在一定条件下，瓦斯还可以从煤中解吸出来，吸附与解吸是可逆的。PortPort游离状态瓦斯吸附状态瓦斯二、煤层瓦斯赋存状态与垂向分带煤层瓦斯赋存状态煤是一种天然的二、煤层瓦斯赋存状态与垂向分带煤层瓦斯垂向分带

形成原因：当煤层直达地表或直接为透气性较好的第四系冲积层覆盖时，由于煤层中瓦斯向上运移和地面空气向煤层中渗透，使煤层内的瓦斯呈现出垂直分带特征。瓦斯空气-1000m-800m-600m-400m-200m二、煤层瓦斯赋存状态与垂向分带煤层瓦斯垂向分带形成原因：15二、煤层瓦斯赋存状态与垂向分带煤层瓦斯垂向分带瓦斯风化带甲烷带深度15二、煤层瓦斯赋存状态与垂向分带煤层瓦斯垂向分带瓦斯风化带二、煤层瓦斯赋存状态与垂向分带煤层瓦斯垂向分带二、煤层瓦斯赋存状态与垂向分带煤层瓦斯垂向分带二、煤层瓦斯赋存状态与垂向分带煤层瓦斯垂向分带瓦斯风化带下部边界确定煤层内的瓦斯压力为0.1～0.15MPa煤的瓦斯含量达到2～3m3/t（烟煤）和5～7m3/t（无烟煤）煤层内的瓦斯组分中甲烷组分含量达到80%（体积比）在瓦斯风化带开采煤层时，煤层的相对瓦斯涌出量达到2m3/t氮气—二氧化碳带、氮气带、氮气—甲烷带统称为瓦斯风化带二、煤层瓦斯赋存状态与垂向分带煤层瓦斯垂向分带瓦斯风化带煤层第三部分煤的孔隙特征

《矿井瓦斯防治》课程第二讲第三部分煤的孔隙特征《矿井瓦斯防治》课程第二讲三、煤的孔隙特征煤的孔隙分类按煤的组成及其结构性质，煤中孔隙可以分为三种:宏观孔隙是指可用肉眼分辨的层理、节理、劈理及次生裂隙等形成的孔隙。显微孔隙是指用光学显微镜和扫描电镜能分辨的孔隙。分子孔隙指煤的分子结构所构成的超微孔隙。

三、煤的孔隙特征煤的孔隙分类按煤的组成及其结构性质，煤中孔隙三、煤的孔隙特征煤的孔隙分类三、煤的孔隙特征煤的孔隙分类三、煤的孔隙特征煤的孔隙分类煤的变质程度与孔隙的关系不同形态的孔示意图对于烟煤，中等变质程度的煤的总孔隙率较小、变质程度较高和较低的煤总孔隙率较大。三、煤的孔隙特征煤的孔隙分类煤的变质程度与孔隙的关系不同形态三、煤的孔隙特征煤的孔隙分类三、煤的孔隙特征煤的孔隙分类三、煤的孔隙特征孔隙率

煤的孔隙率就是孔隙的总体积与煤的总体积的比，

孔隙率是决定煤的吸附、渗透和强度性能的重要因素；通过孔隙率和瓦斯压力的测定，可以计算出煤层中的游离瓦斯量；此外，孔隙率的大小与煤中瓦斯流动情况也有密切关系。三、煤的孔隙特征孔隙率煤的孔隙率就是孔隙的总体积与煤三、煤的孔隙特征孔隙大小测定方法在煤的孔隙特征的研究中，较常见的研究方法有2种，即用扫描电子显微镜观测煤表面孔隙特征、用压汞法测定煤体孔隙大小。压汞法：利用不同孔径的孔隙对压入汞的阻力不同这一特性，根据压入汞的质量和压力，计算孔隙体积和半径。三、煤的孔隙特征孔隙大小测定方法三、煤的孔隙特征影响煤的孔隙特征的因素煤的变质程度：随煤化程度加深，总孔隙体积先减少，到焦煤、瘦煤达到最低，而后逐渐增加，至无烟煤达最大。但微孔体积是随煤化程度的增加一直增长。煤的破坏程度：破坏程度越高，煤的渗透容积就越大，但破坏程度对微孔影响不大。地应力：压性的地应力（压应力）可使渗透容积缩小，压应力越高，煤体渗透容积缩小越多。而张性应力（张应力）则可使裂隙张开，从而使渗透容积增大。目前最有效的区域瓦斯治理方法：采动卸压瓦斯抽采技术，正是利用降低地应力来增加煤层渗透率。

三、煤的孔隙特征影响煤的孔隙特征的因素煤的变质程度：随煤化程第四部分煤的瓦斯吸附性能

《矿井瓦斯防治》课程第二讲第四部分煤的瓦斯吸附性能《矿井瓦斯防治》课程第二讲四、煤的瓦斯吸附性能煤对瓦斯的吸附

吸附是一种界面现象，是物理吸附、化学吸附和吸收的总称。煤对瓦斯的吸附属于物理吸附。吸附力为范德华力，煤吸附瓦斯是可逆过程，煤吸附的瓦斯量和脱附时解吸的瓦斯量基本相同；煤中除表面吸附瓦斯外，还存在吸收状态的瓦斯。所谓吸收是指瓦斯分子更深入地进入煤的微孔中，进入煤分子晶格之中，形成固溶体状态。四、煤的瓦斯吸附性能煤对瓦斯的吸附吸附是一种界面现象，四、煤的瓦斯吸附性能煤的吸附等温线煤的吸附性通常用煤的吸附等温线表示。国内外大量的试验表明，煤吸附瓦斯（甲烷）时，吸附等温线符合朗格缪尔方程式：四、煤的瓦斯吸附性能煤的吸附等温线煤的吸附性通常用煤的吸附等四、煤的瓦斯吸附性能煤的瓦斯吸附饱和度煤的瓦斯吸附饱和度是吸附瓦斯量与极限吸附瓦斯量之比。

在同一瓦斯压力下，吸附常数b值越大，则吸附饱和度越大。

四、煤的瓦斯吸附性能煤的瓦斯吸附饱和度煤的瓦斯吸附饱和度是吸四、煤的瓦斯吸附性能煤的吸附性与煤的变质程度大量实验发现，煤的吸附性与煤的变质程度之间并不存在单值联系，但有一个总的趋势，即在相同瓦斯压力下，煤的吸附瓦斯量随煤的变质程度提高而增大。四、煤的瓦斯吸附性能煤的吸附性与煤的变质程度大量实验四、煤的瓦斯吸附性能煤的吸附性与煤的显微组分煤对瓦斯吸附能力的大小，除与煤的变质程度有关外，还与煤的有机显微组分有关。煤的有机显微组分包括镜质组、惰质组和壳质组三种。产气能力壳>镜>惰质组。不同镜质组含量煤的吸附瓦斯量实线：谢二矿B11-b煤层，Vdaf＝34％；虚线：谢一矿B11-b煤层，Vdaf＝37％。随着镜质组含量的增加，煤的吸附瓦斯量增大。四、煤的瓦斯吸附性能煤的吸附性与煤的显微组分煤对瓦斯吸附能力四、煤的瓦斯吸附性能煤的吸附性与温度的关系煤的温度对煤的吸附能力有显著影响。在同一瓦斯压力下，温度越高，煤的吸附瓦斯量越小。

四、煤的瓦斯吸附性能煤的吸附性与温度的关系煤的温度对煤的吸附四、煤的瓦斯吸附性能煤的吸附性与煤中水分的关系煤中水分以多种状态存在着，但对煤吸附性影响最主要的是吸附水分。由于煤对水蒸气的吸附能力比对瓦斯的吸附能力大得多，故煤中含水时，煤的吸附瓦斯量将明显减小。当前，煤的吸附等温线测定通常是对干煤样进行的。当前国内外普遍应用的是爱琴格尔的经验公式：

考虑煤变质程度（挥发份）影响的水分与吸附瓦斯量的关系：化学结合水对吸附瓦斯量无影响，处于微孔隙呈吸附状态的结合水对煤吸附性起主要作用。毛细水和游离水充塞大孔隙和毛细管中，可溶解微量瓦斯，但对吸附瓦斯量无显著影响。四、煤的瓦斯吸附性能煤的吸附性与煤中水分的关系煤中水分以多种第五部分煤的瓦斯解吸性能

《矿井瓦斯防治》课程第二讲第五部分煤的瓦斯解吸性能《矿井瓦斯防治》课程第二讲五、煤的瓦斯解吸性能煤的瓦斯解吸条件在井下掘进巷道或进行钻孔施工时原来的应力平衡受到破坏，工作面或钻孔周围形成应力集中，煤的围岩产生细微裂隙和变弱，导致煤层渗透性发生变化，即甲烷—煤基吸附体系由于影响吸附—解吸平衡的条件发生变化时，破坏了吸附平衡状态，吸附气体转化为游离态而脱离吸附体系，吸附—解吸动态平衡体系中吸附量减少。绝大部分煤层瓦斯以物理吸附的形式赋存于煤的基质孔隙中，当煤储层压力降至临界解吸压力以下时，煤层瓦斯即开始解吸，由吸附态转化为游离态。五、煤的瓦斯解吸性能煤的瓦斯解吸条件在井下掘进巷道或进行钻孔五、煤的瓦斯解吸性能

煤解吸-吸附瓦斯的过程瓦斯和煤体表面接触后，瓦斯气体分子不能立即与所有的孔隙、裂隙表面接触，在煤体中形成了瓦斯压力梯度和浓度梯度。瓦斯压力梯度引起渗透，其遵循达西定理，这种过程在大的裂隙、孔隙系统面割理和端割理内占优势；瓦斯气体分子在其浓度梯度的作用下由高浓度向低浓度扩散，这种过程在小孔与微孔系统内占优势。瓦斯气体在向煤体深部进行渗透—扩散运移的同时，与接触到的煤体孔隙、裂隙表面发生吸附和解吸。因此，就整个过程来说，是渗透—扩散、吸附—解吸的综合过程。

五、煤的瓦斯解吸性能煤解吸-吸附瓦斯的过程瓦斯和煤体表面接煤基质吸附甲烷过程示意图1—吸附外扩散；2—吸附内扩散；3—吸附过程；4—解吸过程；5—内反扩散过程；6—外反扩散过程（1）渗透过程是吸附全过程的第一步。在一定瓦斯压力梯度下，瓦斯气体分子在煤体大孔系统（面割理和端割理）中渗透，在煤基质外表面形成瓦斯气体气膜。（2）外扩散过程是指煤基质外围空间的甲烷气体分子沿图中符号“1”穿过气膜，扩散到煤基质表面的过程。（3）内扩散的过程是指瓦斯气体分子沿着符号“2”进入煤基质微孔穴中，扩散到煤基质内表面的过程。（4）吸附过程经过“外扩散”、“内扩散”而到达“煤基质内表面”的瓦斯气体分子，如符号“3”所示煤基质吸附的过程。（5）解吸过程在进行上述“1、2、3”吸附过程的同时还伴有部分被解吸的甲烷气体分子，离开煤基质的内孔表面和外表面，沿图中符号“4”进入甲烷气膜层的过程。（6）内孔中甲烷气体分子的反扩散过程，是指经解吸过程进入甲烷气体气膜内以符号“5”方向扩散到煤基质外表面进入瓦斯气体气相主体的过程。（7）煤基质外表面反扩散过程，是指经解吸过程进入煤基质外表面瓦斯气体膜以符号“6”方向扩散到瓦斯气体相主体中的过程。五、煤的瓦斯解吸性能

煤解吸-吸附瓦斯的过程煤基质吸附甲烷过程示意图（1）渗透过程是吸附全过程的第一步五、煤的瓦斯解吸性能影响瓦斯解吸的因素瓦斯压力的影响

煤的原始瓦斯压力不但表征煤中瓦斯含量的大小，而且提供煤中瓦斯脱附所需动力。随着时间的延长解吸瓦斯量逐渐增加，解吸速度逐渐变小。初始时刻，瓦斯解吸速度很大，并且衰减快。不同平衡吸附压力下，解吸曲线不同，同一解吸时间区间内，吸附平衡压力越高，解吸瓦斯量越大。五、煤的瓦斯解吸性能影响瓦斯解吸的因素瓦斯压力的影响煤的原五、煤的瓦斯解吸性能影响瓦斯解吸的因素煤的破坏类型在相同的吸附平衡压力下，强烈破坏煤向空气介质中卸压释放瓦斯的初速度以及在给定解吸时间内的累计解吸瓦斯量均大于轻度破坏煤。同一变质程度的煤层而言，强烈破坏煤和轻度破坏煤虽然吸附常数a值相差不多，但前者的b值比后者的b值大许多。五、煤的瓦斯解吸性能影响瓦斯解吸的因素煤的破坏类型在相同的吸40五、煤的瓦斯解吸性能影响瓦斯解吸的因素煤的粒度①采样地点和吸附平衡压力相同的条件下，粒度越小，瓦斯解吸总量越大；②无论何种粒度的煤样，其瓦斯解吸总量与时间的关系曲线属于有上限单调增函数；③试样的瓦斯解吸总量曲线存在一条最大水平渐近线和若干条极值水平渐近线；④对相同煤质、相同破坏类型的煤样而言，粒度的大小反映解吸出来的路径长短和阻力大小。

煤的最小自然粒径。煤样粒度的大小首先会影响煤的总表面积，其次影响气体分子进入到煤粒内部的孔隙。

40五、煤的瓦斯解吸性能影响瓦斯解吸的因素煤的粒度①采样地五、煤的瓦斯解吸性能影响瓦斯解吸的因素煤的内在水分温度的影响煤对瓦斯的解吸能力随着水分含量的增加而降低，直到临界水分含量为止。水分作为阻止吸附与解吸瓦斯的因素之一，水分越大，煤中解吸或吸附瓦斯的强度会越小。其它条件一定时，煤基质温度越高，瓦斯解吸速度和解吸量就越大。

五、煤的瓦斯解吸性能影响瓦斯解吸的因素煤的内在水分温度的影响第六部分煤层瓦斯压力

《矿井瓦斯防治》课程第二讲第六部分煤层瓦斯压力《矿井瓦斯防治》课程第二讲六、煤层瓦斯压力基本概念煤层瓦斯压力是指煤层孔隙内气体分子自由热运动所产生的作用力，由游离瓦斯形成，即瓦斯作用于孔隙壁的压力。煤层原始瓦斯压力是指煤层未受采动、瓦斯抽采及人为卸压等影响处的煤层瓦斯压力；煤层残存瓦斯压力是指煤层受采动、瓦斯抽采及人为卸压等影响后残存的瓦斯呈现的压力；煤层瓦斯压力单位为MPa。煤层瓦斯压力是评价煤层突出危险性与决定煤层瓦斯含量的一个重要指标。煤层瓦斯压力的大小取决于煤生成后，煤层瓦斯的排放条件，它除与覆盖层厚度和透气性、煤层透气性及煤地质构造条件有关外，且同覆盖层的含水性密切相关。六、煤层瓦斯压力基本概念煤层瓦斯压力是指煤层孔隙内气体分子自44六、煤层瓦斯压力分布规律●赋存在煤层中的瓦斯表现垂向分带特征，一般可以分为瓦斯风化带与甲烷带。●风化带内瓦斯含量与瓦斯压力较小，风化带下部边界条件中瓦斯压力为0.15～0.2MPa；●甲烷带内，煤层的瓦斯压力随深度增加而增加，瓦斯压力梯度随地质条件而异，在地质条件相近的地质块段，相同深度的同一煤层具有大体相同的瓦斯压力，多数煤层瓦斯压力随埋深呈线性增加。44六、煤层瓦斯压力分布规律●赋存在煤层中的瓦斯表现垂向分带45六、煤层瓦斯压力测定原理煤层瓦斯压力井下直接测定法测定原理是通过钻孔揭露煤层，安设测定仪表并密封钻孔，利用煤层中瓦斯的自然渗透原理测定在钻孔揭露处达到平衡的瓦斯压力。具体的说是：当施工穿层钻孔测定煤层瓦斯压力时，由于钻杆的扰动，在钻孔周围岩石中形成了裂隙发育的松动圈，采用封孔材料进行松动圈和钻孔的封堵后，在煤层内形成测压室，煤层瓦斯通过测压管与压力表导通，测压室周围无限大空间煤体内的瓦斯不断向测压室运移，保证打钻过程和封孔后凝固时期（一般为24h）逸散的瓦斯通过周围流场的流动补充，最终平衡，达到煤层的原始瓦斯压力。45六、煤层瓦斯压力测定原理煤层瓦斯压六、煤层瓦斯压力测定方法分类按测压方式分类按测压时是否向测压钻孔内注入补偿气体，测定方法可分为主动测压法和被动测压法。按封孔方法及材料分类按测压钻孔封孔材料的不同，测定方法可分为黄泥（黏土）封孔法、水泥砂浆封孔法、胶圈封孔器法、胶圈-压力黏液封孔法、胶囊-压力黏液封孔法及聚氨酯泡沫封孔法等；按测压封孔方法的不同，测定方法可分为填料法和封孔器法两类，其中根据封孔器的结构特点，封孔器分为胶圈、胶囊和胶圈-黏液等几种方法。六、煤层瓦斯压力测定方法分类按测压方式分类六、煤层瓦斯压力井下直接测定方法填料封孔法（黄泥、黏土封孔）

填料法封孔的优点是不需要特殊装置，密封长度大，密封质量可靠。缺点是人工封孔长度短，费时费力。六、煤层瓦斯压力井下直接测定方法填料封孔法（黄泥、黏土封孔）六、煤层瓦斯压力井下直接测定方法注浆封孔测压法

注浆封孔测压法是目前应用最广泛的一种封孔方法，适应于井下各种情况下的封孔。注浆泵一般采用柱塞注浆泵，封孔材料一般采用膨胀不收缩水泥浆（一般由膨胀剂、水泥和水按一定比例制成），测压管一般采用铜管、高压软管或无缝钢管。六、煤层瓦斯压力井下直接测定方法注浆封孔测压法注浆封孔测压六、煤层瓦斯压力井下直接测定方法封孔器封孔胶圈封孔器

优点：简单易行，封孔器可重复使用；缺点是封孔深度小，且要求封孔段岩石必须致密、完整。六、煤层瓦斯压力井下直接测定方法封孔器封孔胶圈封孔器优点：六、煤层瓦斯压力井下直接测定方法封孔器封孔胶圈—压力黏液封孔器优点：一是增大了封孔段的长度；二是压力黏液可渗入封孔段岩（煤）体的裂隙，增大了密封效果。

六、煤层瓦斯压力井下直接测定方法封孔器封孔胶圈—压力黏液封孔六、煤层瓦斯压力通过对重庆、北票、湖南等矿区的突出实测数据统计分析，发现瓦斯压力随埋深变化线一般靠近静水压力线分布（图5中直线OC），并将煤层瓦斯压力随深度的变化可归结为两个类型。第一种类型是：瓦斯压力梯度<0.01MPa/m（图5中直线AD），此时，随着深度增加，煤层瓦斯压力与极限瓦斯压力相差越来越远；第二种类型：瓦斯压力梯度>0.01MPa/m（图5中直线AB），这时随着深度增大，煤层瓦斯压力将越来越接近煤层极限瓦斯压力。交点B的深度Hf为瓦斯压力的极限深度。超过这个深度后，瓦斯压力将按煤层极限瓦斯压力分布线（BC线）而变化。应当指出在某些地质条件局部变化区域，如覆盖岩层性质改变、岩浆岩侵蚀、开放式的大断层附近等，煤层瓦斯压力将会较大的偏离直线规律。

分布规律六、煤层瓦斯压力通过对重庆、北票、湖南等矿区的突出52六、煤层瓦斯压力存在的问题矿井生产过程中的瓦斯压力实测数据，由于测试钻孔的岩性条件、封孔效果、煤层瓦斯赋存的不均匀性，煤层瓦斯压力测试结果本身无法保证为真实数值，大多数情况下均有误差，数据的离散化程度较高，无法满足回归的要求，因此其不具备采用回归方法的前提条件，此时再采用一元线性回归或者多项式回归进行预测将存在很大的安全隐患，采用回归方法将会使许多深部标高对应的预测压力小于真实测定的瓦斯压力，瓦斯压力曲线将大大远离极限压力曲线，此时若采用该预测数据进行指导采取措施消突与校检，理论上达到了消突标准（0.74MPa、8m3/t）以下，可是实际仍然大于该标准。因此该方法对于煤矿这种危险程度大，要求安全可靠性强的企业，生产过程中对瓦斯压力的预测不应采用该方法。回归方法常常可以应用来做描述、控制、预测等相关工作，概念容易且模式好用，概念容易且模式好用，但其要求预测变数须为连续性，残差须有常态性、独立性、同质性等特性。52六、煤层瓦斯压力存在的问题矿井生六、煤层瓦斯压力安全线图解法该方法对大量生产过程中测定瓦斯压力值进行统计分析，排除由于承压水等因素导致的数值较大的异常测点，然后选取其中两个真实的标志点进行线性连接，做出安全线，使除异常点外的其余部分测点均在该直线以下。

标志点需要结合风化带下限临界值（风化带下部边界条件中瓦斯压力为P＝0.15～0.2MPa）。在无法找到两个标志点时，充分考虑风化带下限临界值点，选择一个标志点，取静水压力梯度（0.01MPa/hm）作为瓦斯压力梯度做出安全线，并应满足除异常点外的其余部分测点均在该直线以下。由于测压环境及封孔质量影响，导致深部水平部分测定的压力值较低，不符合深部瓦斯压力变化基本规律，不能作为标志点予以采用。根据预测的瓦斯压力随埋深的变化斜率还要近似符合下列关系：一般斜率变化处于0.01±0.005范围内。（无特殊构造情况）六、煤层瓦斯压力安全线图解法该方法对大量生产过程中测定瓦斯压第七部分煤层瓦斯含量

《矿井瓦斯防治》课程第二讲第七部分煤层瓦斯含量《矿井瓦斯防治》课程第二讲七、煤层瓦斯含量含义煤层瓦斯含量间接法直接法游离瓦斯量吸附瓦斯量损失瓦斯量解吸瓦斯量残存瓦斯量经验公式反算采用瓦斯解吸仪采用真空脱气装置

单位质量煤中所含的瓦斯体积（换算为标准状态下的体积，单位是m3/t或mL/g。七、煤层瓦斯含量含义煤层间接法直接法游离瓦斯量吸附瓦斯量损失七、煤层瓦斯含量含义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）称为原始（或天然）瓦斯含量，单位为m3/t或mL/g。残余瓦斯含量相对原始煤层瓦斯含量而言，当煤体受到采动等因素的影响或瓦斯抽采后，煤层中剩余的瓦斯含量称为残余瓦斯含量，单位为m3/t或mL/g。七、煤层瓦斯含量含义原始瓦斯含量七、煤层瓦斯含量含义可解吸瓦斯含量

可解吸瓦斯含量是指当原始煤体受到采动等因素的影响，煤质在常压和储层温度下自然脱附出来的煤层瓦斯含量，单位为m3/t或mL/g可解吸瓦斯含量=煤层原始瓦斯含量-残存瓦斯含量残存瓦斯含量

残存瓦斯含量是指在标准状态下，煤样自然解吸平衡后，残存在煤样中的瓦斯含量，单位是m3/t或mL/g。低变质程度烟煤的残存瓦斯含量占总瓦斯含量的40～50%，在中—高变质程度烟煤的残存瓦斯含量占总量的10%左右七、煤层瓦斯含量含义可解吸瓦斯含量七、煤层瓦斯含量影响煤层瓦斯含量测定的主要因素煤层的埋藏深度煤层和围岩的透气性煤层露头地质构造煤化程度地层的地质史水文地质条件七、煤层瓦斯含量影响煤层瓦斯含量测定的主要因素煤层的埋藏深度第八部分含瓦斯煤的力学性能与渗透性能

《矿井瓦斯防治》课程第二讲第八部分含瓦斯煤的力学性能与渗透性能《矿井瓦斯防治》课程第八、含瓦斯煤的力学性能与渗透性能含瓦斯煤的力学性能游离瓦斯的压力对煤的力学作用与围压的作用相反，瓦斯压力增加，有效应力减小，使煤抵抗破坏的能力降低。在一定程度上，游离瓦斯阻碍了裂隙的收缩，促进其扩展，减弱了宏观裂缝面间的摩擦系数，也使得煤体的强度降低。瓦斯对煤的非力学作用，即吸附瓦斯减少了煤体内部裂隙表面的张力，从而使煤体骨架部分发生相对膨胀，导致煤体颗粒之间的作用力减弱，被破坏时所需要的表面能减小，同样也削弱了煤体的强度。八、含瓦斯煤的力学性能与渗透性能含瓦斯煤的力学性能游离瓦斯的八、含瓦斯煤的力学性能与渗透性能含瓦斯煤的力学性能瓦斯的非力学作用对煤体弹性模量的影响随孔隙瓦斯压力的增加而更加严重，因此瓦斯压力越大，弹性模量降低越多。煤体脆性度越大，其失稳破坏越容易发生，因此，瓦斯压力的增加加速了煤体失稳破坏的进程。八、含瓦斯煤的力学性能与渗透性能含瓦斯煤的力学性能瓦八、含瓦斯煤的力学性能与渗透性能含瓦斯煤的渗透性能

煤层透气系数是反映煤层内瓦斯流动难易程度的重要参数，也是评判瓦斯抽放的可行性指标之一，同时也是判断煤与瓦斯突出危险性的指标之一。因此，煤层瓦斯渗透率或煤层透气系数的测算方法研究是瓦斯渗流力学发展的关键技术，它始终是渗流力学界关注的热点之一。八、含瓦斯煤的力学性能与渗透性能含瓦斯煤的渗透性能 八、含瓦斯煤的力学性能与渗透性能含瓦斯煤的渗透性能含瓦斯煤的渗透性的影响因素影响煤层瓦斯渗透率变化的因素很多，但主要受煤体骨架结构的变化较大。煤体骨架结构的变化包括煤体由于矿山压力、冲击地压和瓦斯抽采而产生的收缩变形，以及煤体所具有的流变性等。随着采煤工作面的向前推进，顶底板岩层经历原始应力状态、应力升高状态、应力降低状态和应力恢复状态，相应煤岩层渗透系数也将随之发生变化。加卸载时，渗透率与有效应力关系曲线八、含瓦斯煤的力学性能与渗透性能含瓦斯煤的渗透性能含瓦斯煤的八、含瓦斯煤的力学性能与渗透性能含瓦斯煤的渗透性能在加载过程中，渗透率K随有效应力σ的增大而减小，两者之间的关系符合负指数方程：

在卸载过程中，渗透率K随有效应力σ的减小而增大，两者之间的关系符合幂函数方程：

通过上图可以看出，在加载和卸载过程中，渗透率K的变化是不可逆的，卸载过程较加载有一定的滞后性，不能恢复到加载前的初始状态。八、含瓦斯煤的力学性能与渗透性能含瓦斯煤的渗透性能在加载过程八、含瓦斯煤的力学性能与渗透性能含瓦斯煤的渗透性能

1）透气性的描述 物理意义是在1m3煤体的两侧，当其压力的平方差为0.01MPa2时，通过1m2煤面，每日流过的瓦斯量。

式中：λ—透气性系数，m3/（MPa2.d）；

k—煤的渗透率，m2；

μ—动力粘度，Pa·s；

pn—单位大气压力，。八、含瓦斯煤的力学性能与渗透性能含瓦斯煤的渗透性能 1）透气八、含瓦斯煤的力学性能与渗透性能含瓦斯煤的渗透性能透气性的描述

渗透率与透气性系数的换算关系详见下表。八、含瓦斯煤的力学性能与渗透性能含瓦斯煤的渗透性能透气性的描八、含瓦斯煤的力学性能与渗透性能含瓦斯煤的渗透性能煤层透气性计算与测定方法透气性系数计算方法 透气性系数的测定与计算方法主要有两种：实验室测定法和现场测定法。实验室测定煤样的渗透性不能代表地下煤层的透气性能，因为试验室的煤样，在制备过程中煤的大裂隙已经发生了变化；同时煤层埋藏于地下深处，有地应力、煤层水分和在应力作用下煤中裂隙的闭合程度等诸因素的影响，其与试验煤样的透气性能差异甚大。八、含瓦斯煤的力学性能与渗透性能含瓦斯煤的渗透性能煤层透气性68八、含瓦斯煤的力学性能与渗透性能含瓦斯煤的渗透性能

根据钻孔流量法，煤层瓦斯径向流动的主要无量纲相似准数有流量准数与时间准数，其表达式为

式中：λ—煤层透气性系数，m2/（MPa2.d）；

q—t时刻的钻孔煤壁单位面积瓦斯流量，m3/（m2.d）；

r—钻孔半径，m；

Q—在时间t时的钻孔流量，m3/d；

p0

—原始煤层绝对瓦斯压力，MPa；

p1—钻孔排瓦斯时的瓦斯压力，一般为0.1MPa；

t—从瓦斯排放到测量瓦斯流量q时的时间间隔，d；

α—煤层瓦斯含量系数，m3/（m3.MPa0.5）；

X—煤层瓦斯含量，m3/m3；

p—煤层瓦斯压力，MPa。68八、含瓦斯煤的力学性能与渗透性能含瓦斯煤的渗透性能八、含瓦斯煤的力学性能与渗透性能含瓦斯煤的渗透性能钻孔径向流量法计算煤层透气性系数参数八、含瓦斯煤的力学性能与渗透性能含瓦斯煤的渗透性能钻孔径向流八、含瓦斯煤的力学性能与渗透性能含瓦斯煤的渗透性能

流量准数与时间准数的关系为：

由于关系的复杂性，对于不同F0的取值范围，a，b的取值也不同。表中Y=A/λ，F0=Bλ，其中A，B可以通过测定得到的实际参数计算得到。八、含瓦斯煤的力学性能与渗透性能含瓦斯煤的渗透性能八、含瓦斯煤的力学性能与渗透性能含瓦斯煤的渗透性能从岩巷向煤层打钻孔测定煤层瓦斯压力和钻孔瓦斯流量。带入公式计算煤层的透气性系数。煤层透气性测定与计算步骤八、含瓦斯煤的力学性能与渗透性能含瓦斯煤的渗透性能从岩巷向煤八、含瓦斯煤的力学性能与渗透性能含瓦斯煤的渗透性能八、含瓦斯煤的力学性能与渗透性能含瓦斯煤的渗透性能八、含瓦斯煤的力学性能与渗透性能含瓦斯煤的渗透性能我国部分矿井实测的煤层透气性系数见表。八、含瓦斯煤的力学性能与渗透性能含瓦斯煤的渗透性能我国部分矿瓦斯的生成过程？瓦斯瓦斯垂向分带如何划分？瓦斯压力与瓦斯含量的概念？安全线图解法的解算过程？课后思考瓦斯的生成过程？课后思考第二讲煤层瓦斯赋存安全工程专业核心课程中国矿业大学安全工程学院2013年3月程远平教授李伟博士第二讲安全工程专业核心课程中国矿业大学程远平教授《矿井瓦斯防治》课程第二讲课程目标一、了解煤层瓦斯的生成过程及成分二、掌握瓦斯的赋存状态及煤层瓦斯的垂向分带三、了解煤的孔隙分类、孔隙率及测定方法四、掌握煤的吸附、解吸性能五、掌握煤层瓦斯压力的概念、测定原理及方法六、掌握煤层瓦斯含量的含义及影响因素七、了解含瓦斯煤的力学及渗透性能《矿井瓦斯防治》课程第二讲课程目标《矿井瓦斯防治》课程第二讲章节提纲一、煤层瓦斯的生成与组分二、煤层瓦斯赋存状态与垂向分带三、煤的孔隙特征四、煤的瓦斯吸附性能五、煤的瓦斯解吸性能六、煤层瓦斯压力七、煤层瓦斯含量八、含瓦斯煤的力学性能与渗透性能《矿井瓦斯防治》课程第二讲章节提纲第一部分煤层瓦斯的生成与组分

《矿井瓦斯防治》课程第二讲第一部分煤层瓦斯的生成与组分《矿井瓦斯防治》课程第二讲我国煤矿每年以10～20m的速度向深部延深，许多矿井开采深度达到800～1200m；地应力及瓦斯压力不断增加，造成我国煤矿的煤与瓦斯突出灾害日趋严重。一、煤层瓦斯的生成与组分瓦斯成气过程煤层瓦斯是腐植型有机物在成煤的过程中生成的。煤的原始母质——腐殖质沉积以后，一般经历两个成气时期：从植物遗体到泥炭属于生物化学成气时期；在地层的高压高温作用下从褐煤到烟煤直到无烟煤属于煤化变质作用成气时期。我国煤矿每年以10～20m的速度向深部延深，许多矿井开采深一、煤层瓦斯的生成与组分瓦斯成气过程植物死亡泥炭褐煤无烟煤烟煤埋藏堆积及泥炭化作用煤化作用气体

在煤化作用过程中，成煤物质发生了复杂的物理化学变化，挥发份含量和含水量减少，发热量和固定碳含量增加，同时也生成了以甲烷为主的气体。。一、煤层瓦斯的生成与组分瓦斯成气过程植物死亡泥炭褐煤无烟煤烟一、煤层瓦斯的生成与组分瓦斯成气过程煤化变质作用时期瓦斯的成因在植物沉积成煤初期的泥炭化过程中，有机物在隔绝外部氧气进入和温度不超过65℃的条件下，被厌氧微生物分解为CH4、CO2和H2O。泥炭时期埋深不大，生成的瓦斯通过渗滤和扩散排放到大气中，因此，生物化学作用产生的瓦斯一般不会保留在煤层内。随着煤系地层的沉降及所处压力和温度的增加，泥炭转化为褐煤.有机物在高温、高压作用下，处于变质造气时期，挥发分减少，固定碳增加，生成的气体主要为CH4和CO2。一、煤层瓦斯的生成与组分瓦斯成气过程煤化变质作用时期瓦在植物煤化过程中有机质分解脱出甲基侧链和含氧官能因而生成CO2、CH4、和H2O是煤化过程中形成瓦斯的基本反应，可以用下列反应式来表达不同煤化阶段的成气反应：稠环侧链一、煤层瓦斯的生成与组分煤化变质作用时期瓦斯的生成煤化过程中有机质分解脱出甲基侧链和含氧官能因而生稠环侧链一、一、煤层瓦斯的生成与组分煤层瓦斯成分煤层瓦斯有约20种组分，其中甲烷及其同系物和二氧化碳是成煤过程的主要产物。当煤层赋存深度大于瓦斯风化带深度时，煤层瓦斯的主要组分（>80%）是甲烷。

一、煤层瓦斯的生成与组分煤层瓦斯成分煤层瓦斯有约20种组分，第二部分煤层瓦斯赋存状态与垂向分带

《矿井瓦斯防治》课程第二讲第二部分煤层瓦斯赋存状态与垂向分带《矿井瓦斯防治》课程二、煤层瓦斯赋存状态与垂向分带煤层瓦斯赋存状态游离瓦斯吸附瓦斯游离瓦斯吸收状态吸着状态二、煤层瓦斯赋存状态与垂向分带煤层瓦斯赋存状态游离瓦斯吸附瓦二、煤层瓦斯赋存状态与垂向分带煤层瓦斯赋存状态煤中瓦斯的赋存状态一般有吸附状态和游离状态2种。在煤层赋存的瓦斯量中，通常吸附瓦斯量占80％～90％，游离瓦斯量占10％～20％；游离瓦斯以自由气体形式存在（孔径大于10nm）内；吸附瓦斯分为吸着状态与吸收状态；在吸附瓦斯量中又以煤体表面吸着的瓦斯量占多数。二、煤层瓦斯赋存状态与垂向分带煤层瓦斯赋存状态煤中瓦斯的赋存二、煤层瓦斯赋存状态与垂向分带煤层瓦斯赋存状态煤是一种天然的吸附剂，具有良好的吸附性能。煤对瓦斯的吸附属于物理吸附，即瓦斯分子煤分子之间的作用力是剩余的表面自由力（范德华引力）。在一定条件下，瓦斯还可以从煤中解吸出来，吸附与解吸是可逆的。PortPort游离状态瓦斯吸附状态瓦斯二、煤层瓦斯赋存状态与垂向分带煤层瓦斯赋存状态煤是一种天然的二、煤层瓦斯赋存状态与垂向分带煤层瓦斯垂向分带

形成原因：当煤层直达地表或直接为透气性较好的第四系冲积层覆盖时，由于煤层中瓦斯向上运移和地面空气向煤层中渗透，使煤层内的瓦斯呈现出垂直分带特征。瓦斯空气-1000m-800m-600m-400m-200m二、煤层瓦斯赋存状态与垂向分带煤层瓦斯垂向分带形成原因：89二、煤层瓦斯赋存状态与垂向分带煤层瓦斯垂向分带瓦斯风化带甲烷带深度15二、煤层瓦斯赋存状态与垂向分带煤层瓦斯垂向分带瓦斯风化带二、煤层瓦斯赋存状态与垂向分带煤层瓦斯垂向分带二、煤层瓦斯赋存状态与垂向分带煤层瓦斯垂向分带二、煤层瓦斯赋存状态与垂向分带煤层瓦斯垂向分带瓦斯风化带下部边界确定煤层内的瓦斯压力为0.1～0.15MPa煤的瓦斯含量达到2～3m3/t（烟煤）和5～7m3/t（无烟煤）煤层内的瓦斯组分中甲烷组分含量达到80%（体积比）在瓦斯风化带开采煤层时，煤层的相对瓦斯涌出量达到2m3/t氮气—二氧化碳带、氮气带、氮气—甲烷带统称为瓦斯风化带二、煤层瓦斯赋存状态与垂向分带煤层瓦斯垂向分带瓦斯风化带煤层第三部分煤的孔隙特征

《矿井瓦斯防治》课程第二讲第三部分煤的孔隙特征《矿井瓦斯防治》课程第二讲三、煤的孔隙特征煤的孔隙分类按煤的组成及其结构性质，煤中孔隙可以分为三种:宏观孔隙是指可用肉眼分辨的层理、节理、劈理及次生裂隙等形成的孔隙。显微孔隙是指用光学显微镜和扫描电镜能分辨的孔隙。分子孔隙指煤的分子结构所构成的超微孔隙。

三、煤的孔隙特征煤的孔隙分类按煤的组成及其结构性质，煤中孔隙三、煤的孔隙特征煤的孔隙分类三、煤的孔隙特征煤的孔隙分类三、煤的孔隙特征煤的孔隙分类煤的变质程度与孔隙的关系不同形态的孔示意图对于烟煤，中等变质程度的煤的总孔隙率较小、变质程度较高和较低的煤总孔隙率较大。三、煤的孔隙特征煤的孔隙分类煤的变质程度与孔隙的关系不同形态三、煤的孔隙特征煤的孔隙分类三、煤的孔隙特征煤的孔隙分类三、煤的孔隙特征孔隙率

煤的孔隙率就是孔隙的总体积与煤的总体积的比，

孔隙率是决定煤的吸附、渗透和强度性能的重要因素；通过孔隙率和瓦斯压力的测定，可以计算出煤层中的游离瓦斯量；此外，孔隙率的大小与煤中瓦斯流动情况也有密切关系。三、煤的孔隙特征孔隙率煤的孔隙率就是孔隙的总体积与煤三、煤的孔隙特征孔隙大小测定方法在煤的孔隙特征的研究中，较常见的研究方法有2种，即用扫描电子显微镜观测煤表面孔隙特征、用压汞法测定煤体孔隙大小。压汞法：利用不同孔径的孔隙对压入汞的阻力不同这一特性，根据压入汞的质量和压力，计算孔隙体积和半径。三、煤的孔隙特征孔隙大小测定方法三、煤的孔隙特征影响煤的孔隙特征的因素煤的变质程度：随煤化程度加深，总孔隙体积先减少，到焦煤、瘦煤达到最低，而后逐渐增加，至无烟煤达最大。但微孔体积是随煤化程度的增加一直增长。煤的破坏程度：破坏程度越高，煤的渗透容积就越大，但破坏程度对微孔影响不大。地应力：压性的地应力（压应力）可使渗透容积缩小，压应力越高，煤体渗透容积缩小越多。而张性应力（张应力）则可使裂隙张开，从而使渗透容积增大。目前最有效的区域瓦斯治理方法：采动卸压瓦斯抽采技术，正是利用降低地应力来增加煤层渗透率。

三、煤的孔隙特征影响煤的孔隙特征的因素煤的变质程度：随煤化程第四部分煤的瓦斯吸附性能

《矿井瓦斯防治》课程第二讲第四部分煤的瓦斯吸附性能《矿井瓦斯防治》课程第二讲四、煤的瓦斯吸附性能煤对瓦斯的吸附

吸附是一种界面现象，是物理吸附、化学吸附和吸收的总称。煤对瓦斯的吸附属于物理吸附。吸附力为范德华力，煤吸附瓦斯是可逆过程，煤吸附的瓦斯量和脱附时解吸的瓦斯量基本相同；煤中除表面吸附瓦斯外，还存在吸收状态的瓦斯。所谓吸收是指瓦斯分子更深入地进入煤的微孔中，进入煤分子晶格之中，形成固溶体状态。四、煤的瓦斯吸附性能煤对瓦斯的吸附吸附是一种界面现象，四、煤的瓦斯吸附性能煤的吸附等温线煤的吸附性通常用煤的吸附等温线表示。国内外大量的试验表明，煤吸附瓦斯（甲烷）时，吸附等温线符合朗格缪尔方程式：四、煤的瓦斯吸附性能煤的吸附等温线煤的吸附性通常用煤的吸附等四、煤的瓦斯吸附性能煤的瓦斯吸附饱和度煤的瓦斯吸附饱和度是吸附瓦斯量与极限吸附瓦斯量之比。

在同一瓦斯压力下，吸附常数b值越大，则吸附饱和度越大。

四、煤的瓦斯吸附性能煤的瓦斯吸附饱和度煤的瓦斯吸附饱和度是吸四、煤的瓦斯吸附性能煤的吸附性与煤的变质程度大量实验发现，煤的吸附性与煤的变质程度之间并不存在单值联系，但有一个总的趋势，即在相同瓦斯压力下，煤的吸附瓦斯量随煤的变质程度提高而增大。四、煤的瓦斯吸附性能煤的吸附性与煤的变质程度大量实验四、煤的瓦斯吸附性能煤的吸附性与煤的显微组分煤对瓦斯吸附能力的大小，除与煤的变质程度有关外，还与煤的有机显微组分有关。煤的有机显微组分包括镜质组、惰质组和壳质组三种。产气能力壳>镜>惰质组。不同镜质组含量煤的吸附瓦斯量实线：谢二矿B11-b煤层，Vdaf＝34％；虚线：谢一矿B11-b煤层，Vdaf＝37％。随着镜质组含量的增加，煤的吸附瓦斯量增大。四、煤的瓦斯吸附性能煤的吸附性与煤的显微组分煤对瓦斯吸附能力四、煤的瓦斯吸附性能煤的吸附性与温度的关系煤的温度对煤的吸附能力有显著影响。在同一瓦斯压力下，温度越高，煤的吸附瓦斯量越小。

四、煤的瓦斯吸附性能煤的吸附性与温度的关系煤的温度对煤的吸附四、煤的瓦斯吸附性能煤的吸附性与煤中水分的关系煤中水分以多种状态存在着，但对煤吸附性影响最主要的是吸附水分。由于煤对水蒸气的吸附能力比对瓦斯的吸附能力大得多，故煤中含水时，煤的吸附瓦斯量将明显减小。当前，煤的吸附等温线测定通常是对干煤样进行的。当前国内外普遍应用的是爱琴格尔的经验公式：

考虑煤变质程度（挥发份）影响的水分与吸附瓦斯量的关系：化学结合水对吸附瓦斯量无影响，处于微孔隙呈吸附状态的结合水对煤吸附性起主要作用。毛细水和游离水充塞大孔隙和毛细管中，可溶解微量瓦斯，但对吸附瓦斯量无显著影响。四、煤的瓦斯吸附性能煤的吸附性与煤中水分的关系煤中水分以多种第五部分煤的瓦斯解吸性能

《矿井瓦斯防治》课程第二讲第五部分煤的瓦斯解吸性能《矿井瓦斯防治》课程第二讲五、煤的瓦斯解吸性能煤的瓦斯解吸条件在井下掘进巷道或进行钻孔施工时原来的应力平衡受到破坏，工作面或钻孔周围形成应力集中，煤的围岩产生细微裂隙和变弱，导致煤层渗透性发生变化，即甲烷—煤基吸附体系由于影响吸附—解吸平衡的条件发生变化时，破坏了吸附平衡状态，吸附气体转化为游离态而脱离吸附体系，吸附—解吸动态平衡体系中吸附量减少。绝大部分煤层瓦斯以物理吸附的形式赋存于煤的基质孔隙中，当煤储层压力降至临界解吸压力以下时，煤层瓦斯即开始解吸，由吸附态转化为游离态。五、煤的瓦斯解吸性能煤的瓦斯解吸条件在井下掘进巷道或进行钻孔五、煤的瓦斯解吸性能

煤解吸-吸附瓦斯的过程瓦斯和煤体表面接触后，瓦斯气体分子不能立即与所有的孔隙、裂隙表面接触，在煤体中形成了瓦斯压力梯度和浓度梯度。瓦斯压力梯度引起渗透，其遵循达西定理，这种过程在大的裂隙、孔隙系统面割理和端割理内占优势；瓦斯气体分子在其浓度梯度的作用下由高浓度向低浓度扩散，这种过程在小孔与微孔系统内占优势。瓦斯气体在向煤体深部进行渗透—扩散运移的同时，与接触到的煤体孔隙、裂隙表面发生吸附和解吸。因此，就整个过程来说，是渗透—扩散、吸附—解吸的综合过程。

五、煤的瓦斯解吸性能煤解吸-吸附瓦斯的过程瓦斯和煤体表面接煤基质吸附甲烷过程示意图1—吸附外扩散；2—吸附内扩散；3—吸附过程；4—解吸过程；5—内反扩散过程；6—外反扩散过程（1）渗透过程是吸附全过程的第一步。在一定瓦斯压力梯度下，瓦斯气体分子在煤体大孔系统（面割理和端割理）中渗透，在煤基质外表面形成瓦斯气体气膜。（2）外扩散过程是指煤基质外围空间的甲烷气体分子沿图中符号“1”穿过气膜，扩散到煤基质表面的过程。（3）内扩散的过程是指瓦斯气体分子沿着符号“2”进入煤基质微孔穴中，扩散到煤基质内表面的过程。（4）吸附过程经过“外扩散”、“内扩散”而到达“煤基质内表面”的瓦斯气体分子，如符号“3”所示煤基质吸附的过程。（5）解吸过程在进行上述“1、2、3”吸附过程的同时还伴有部分被解吸的甲烷气体分子，离开煤基质的内孔表面和外表面，沿图中符号“4”进入甲烷气膜层的过程。（6）内孔中甲烷气体分子的反扩散过程，是指经解吸过程进入甲烷气体气膜内以符号“5”方向扩散到煤基质外表面进入瓦斯气体气相主体的过程。（7）煤基质外表面反扩散过程，是指经解吸过程进入煤基质外表面瓦斯气体膜以符号“6”方向扩散到瓦斯气体相主体中的过程。五、煤的瓦斯解吸性能

煤解吸-吸附瓦斯的过程煤基质吸附甲烷过程示意图（1）渗透过程是吸附全过程的第一步五、煤的瓦斯解吸性能影响瓦斯解吸的因素瓦斯压力的影响

煤的原始瓦斯压力不但表征煤中瓦斯含量的大小，而且提供煤中瓦斯脱附所需动力。随着时间的延长解吸瓦斯量逐渐增加，解吸速度逐渐变小。初始时刻，瓦斯解吸速度很大，并且衰减快。不同平衡吸附压力下，解吸曲线不同，同一解吸时间区间内，吸附平衡压力越高，解吸瓦斯量越大。五、煤的瓦斯解吸性能影响瓦斯解吸的因素瓦斯压力的影响煤的原五、煤的瓦斯解吸性能影响瓦斯解吸的因素煤的破坏类型在相同的吸附平衡压力下，强烈破坏煤向空气介质中卸压释放瓦斯的初速度以及在给定解吸时间内的累计解吸瓦斯量均大于轻度破坏煤。同一变质程度的煤层而言，强烈破坏煤和轻度破坏煤虽然吸附常数a值相差不多，但前者的b值比后者的b值大许多。五、煤的瓦斯解吸性能影响瓦斯解吸的因素煤的破坏类型在相同的吸114五、煤的瓦斯解吸性能影响瓦斯解吸的因素煤的粒度①采样地点和吸附平衡压力相同的条件下，粒度越小，瓦斯解吸总量越大；②无论何种粒度的煤样，其瓦斯解吸总量与时间的关系曲线属于有上限单调增函数；③试样的瓦斯解吸总量曲线存在一条最大水平渐近线和若干条极值水平渐近线；④对相同煤质、相同破坏类型的煤样而言，粒度的大小反映解吸出来的路径长短和阻力大小。

煤的最小自然粒径。煤样粒度的大小首先会影响煤的总表面积，其次影响气体分子进入到煤粒内部的孔隙。

40五、煤的瓦斯解吸性能影响瓦斯解吸的因素煤的粒度①采样地五、煤的瓦斯解吸性能影响瓦斯解吸的因素煤的内在水分温度的影响煤对瓦斯的解吸能力随着水分含量的增加而降低，直到临界水分含量为止。水分作为阻止吸附与解吸瓦斯的因素之一，水分越大，煤中解吸或吸附瓦斯的强度会越小。其它条件一定时，煤基质温度越高，瓦斯解吸速度和解吸量就越大。

五、煤的瓦斯解吸性能影响瓦斯解吸的因素煤的内在水分温度的影响第六部分煤层瓦斯压力

《矿井瓦斯防治》课程第二讲第六部分煤层瓦斯压力《矿井瓦斯防治》课程第二讲六、煤层瓦斯压力基本概念煤层瓦斯压力是指煤层孔隙内气体分子自由热运动所产生的作用力，由游离瓦斯形成，即瓦斯作用于孔隙壁的压力。煤层原始瓦斯压力是指煤层未受采动、瓦斯抽采及人为卸压等影响处的煤层瓦斯压力；煤层残存瓦斯压力是指煤层受采动、瓦斯抽采及人为卸压等影响后残存的瓦斯呈现的压力；煤层瓦斯压力单位为MPa。煤层瓦斯压力是评价煤层突出危险性与决定煤层瓦斯含量的一个重要指标。煤层瓦斯压力的大小取决于煤生成后，煤层瓦斯的排放条件，它除与覆盖层厚度和透气性、煤层透气性及煤地质构造条件有关外，且同覆盖层的含水性密切相关。六、煤层瓦斯压力基本概念煤层瓦斯压力是指煤层孔隙内气体分子自118六、煤层瓦斯压力分布规律●赋存在煤层中的瓦斯表现垂向分带特征，一般可以分为瓦斯风化带与甲烷带。●风化带内瓦斯含量与瓦斯压力较小，风化带下部边界条件中瓦斯压力为0.15～0.2MPa；●甲烷带内，煤层的瓦斯压力随深度增加而增加，瓦斯压力梯度随地质条件而异，在地质条件相近的地质块段，相同深度的同一煤层具有大体相同的瓦斯压力，多数煤层瓦斯压力随埋深呈线性增加。44六、煤层瓦斯压力分布规律●赋存在煤层中的瓦斯表现垂向分带119六、煤层瓦斯压力测定原理煤层瓦斯压力井下直接测定法测定原理是通过钻孔揭露煤层，安设测定仪表并密封钻孔，利用煤层中瓦斯的自然渗透原理测定在钻孔揭露处达到平衡的瓦斯压力。具体的说是：当施工穿层钻孔测定煤层瓦斯压力时，由于钻杆的扰动，在钻孔周围岩石中形成了裂隙发育的松动圈，采用封孔材料进行松动圈和钻孔的封堵后，在煤层内形成测压室，煤层瓦斯通过测压管与压力表导通，测压室周围无限大空间煤体内的瓦斯不断向测压室运移，保证打钻过程和封孔后凝固时期（一般为24h）逸散的瓦斯通过周围流场的流动补充，最终平衡，达到煤层的原始瓦斯压力。45六、煤层瓦斯压力测定原理煤层瓦斯压六、煤层瓦斯压力测定方法分类按测压方式分类按测压时是否向测压钻孔内注入补偿气体，测定方法可分为主动测压法和被动测压法。按封孔方法及材料分类按测压钻孔封孔材料的不同，测定方法可分为黄泥（黏土）封孔法、水泥砂浆封孔法、胶圈封孔器法、胶圈-压力黏液封孔法、胶囊-压力黏液封孔法及聚氨酯泡沫封孔法等；按测压封孔方法的不同，测定方法可分为填料法和封孔器法两类，其中根据封孔器的结构特点，封孔器分为胶圈、胶囊和胶圈-黏液等几种方法。六、煤层瓦斯压力测定方法分类按测压方式分类六、煤层瓦斯压力井下直接测定方法填料封孔法（黄泥、黏土封孔）

填料法封孔的优点是不需要特殊装置，密封长度大，密封质量可靠。缺点是人工封孔长度短，费时费力。六、煤层瓦斯压力井下直接测定方法填料封孔法（黄泥、黏土封孔）六、煤层瓦斯压力井下直接测定方法注浆封孔测压法

注浆封孔测压法是目前应用最广泛的一种封孔方法，适应于井下各种情况下的封孔。注浆泵一般采用柱塞注浆泵，封孔材料一般采用膨胀不收缩水泥浆（一般由膨胀剂、水泥和水按一定比例制成），测压管一般采用铜管、高压软管或无缝钢管。六、煤层瓦斯压力井下直接测定方法注浆封孔测压法注浆封孔测压六、煤层瓦斯压力井下直接测定方法封孔器封孔胶圈封孔器

优点：简单易行，封孔器可重复使用；缺点是封孔深度小，且要求封孔段岩石必须致密、完整。六、煤层瓦斯压力井下直接测定方法封孔器封孔胶圈封孔器优点：六、煤层瓦斯压力井下直接测定方法封孔器封孔胶圈—压力黏液封孔器优点：一是增大了封孔段的长度；二是压力黏液可渗入封孔段岩（煤）体的裂隙，增大了密封效果。

六、煤层瓦斯压力井下直接测定方法封孔器封孔胶圈—压力黏液封孔六、煤层瓦斯压力通过对重庆、北票、湖南等矿区的突出实测数据统计分析，发现瓦斯压力随埋深变化线一般靠近静水压力线分布（图5中直线OC），并将煤层瓦斯压力随深度的变化可归结为两个类型。第一种类型是：瓦斯压力梯度<0.01MPa/m（图5中直线AD），此时，随着深度增加，煤层瓦斯压力与极限瓦斯压力相差越来越远；第二种类型：瓦斯压力梯度>0.01MPa/m（图5中直线AB），这时随着深度增大，煤层瓦斯压力将越来越接近煤层极限瓦斯压力。交点B的深度Hf为瓦斯压力的极限深度。超过这个深度后，瓦斯压力将按煤层极限瓦斯压力分布线（BC线）而变化。应当指出在某些地质条件局部变化区域，如覆盖岩层性质改变、岩浆岩侵蚀、开放式的大断层附近等，煤层瓦斯压力将会较大的偏离直线规律。

分布规律六、煤层瓦斯压力通过对重庆、北票、湖南等矿区的突出126六、煤层瓦斯压力存在的问题矿井生产过程中的瓦斯压力实测数据，由于测试钻孔的岩性条件、封孔效果、煤层瓦斯赋存的不均匀性，煤层瓦斯压力测试结果本身无法保证为真实数值，大多数情况下均有误差，数据的离散化程度较高，无法满足回归的要求，因此其不具备采用回归方法的前提条件，此时再采用一元线性回归或者多项式回归进行预测将存在很大的安全隐患，采用回归方法将会使许多深部标高对应的预测压力小于真实测定的瓦斯压力，瓦斯压力曲线将大大远离极限压力曲线，此时若采用该预测数据进行指导采取措施消突与校检，理论上达到了消突标准（0.74MPa、8m3/t）以下，可是实际仍然大于该标准。因此该方法对于煤矿这种危险程度大，要求安全可靠性强的企业，生产过程中对瓦斯压力的预测不应采用该方法。回归方法常常可以应用来做描述、控制、预测等相关工作，概念容易且模式好用，概念容易且模式好用，但其要求预测变数须为连续性，残差须有常态性、独立性、同质性等特性。52六、煤层瓦斯压力存在的问题矿井生六、煤层瓦斯压力安全线图解法该方法对大量生产过程中测定瓦斯压力值进行统计分析，排除由于承压水等因素导致的数值较大的异常测点，然后选取其中两个真实的标志点进行线性连接，做出安全线，使除异常点外的其余部分测点均在该直线以下。

标志点需要结合风化带下限临界值（风化带下部边界条件中瓦斯压力为P＝0.15～0.2MPa）。在无法找到两个标志点时，充分考虑风化带下限临界值点，选择一个标志点，取静水压力梯度（0.01MPa/hm）作为瓦斯压力梯度做出安全线，并应满足除异常点外的其余部分测点均在该直线以下。由于测压环境及封孔质量影响，导致深部水平部分测定的压力值较低，不符合深部瓦斯压力变化基本规律，不能作为标志点予以采用。根据预测的瓦斯压力随埋深的变化斜率还要近似符合下列关系：一般斜率变化处于0.01±0.005范围内。（无特殊构造情况）六、煤层瓦斯压力安全线图解法该方法对大量生产过程中测定瓦斯压第七部分煤层瓦斯含量

《矿井瓦斯防治》课程第二讲第七部分煤层瓦斯含量《矿井瓦斯防治》课程第二讲七、煤层瓦斯含量含义煤层瓦斯含量间接法直接法游离瓦斯量吸附瓦斯量损失瓦斯量解吸瓦斯量残存瓦斯量经验公式反算采用瓦斯解吸仪采用真空脱气装置

单位质量煤中所含的瓦斯体积（换算为标准状态下的体积，单位是m3/t或mL/g。七、煤层瓦斯含量含义煤层间接法直接法游离瓦斯量吸附瓦斯量损失七、煤层瓦斯含量含义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）称为原始（或天然）瓦斯含量，单位为m3/t或mL/g。残余瓦斯含量相对原始煤层瓦斯含量而言，当煤体受到采动等因素的影响或瓦斯抽采后，煤层中剩余的瓦斯含量称为残余瓦斯含量，单位为m3/t或mL/g。七、煤层瓦斯含量含义原始瓦斯含量七、煤层瓦斯含量含义可解吸瓦斯含量

可解吸瓦斯含量是指当原始煤体受到采动等因素的影响，煤质在常压和储层温度下自然脱附出来的煤层瓦斯含量，单位为m3/t或mL/g可解吸瓦斯含量=煤层原始瓦斯含量-残存瓦斯含量残存瓦斯含量

残存瓦斯含量是指在标准状态下，煤样自然解吸平衡后，残存在煤样中的瓦斯含量，单位是m3/t或mL/g。低变质程度烟煤的残存瓦斯含量占总瓦斯含量的40～50%，在中—高变质程度烟煤的残存瓦斯含量占总量的10%左右七、煤层瓦斯含量含义可解吸瓦斯含量七、煤层瓦斯含量影响煤层瓦斯含量测定的主要因素煤层的埋藏深度煤层和围岩的透气性煤层露头地质构造煤化程度地层的地质史水文地质条件七、煤层瓦斯含量影响煤层瓦斯含量测定的主要因素煤层的埋藏深度第八部分含瓦斯煤的力学性能与渗透性能

《矿井瓦斯防治》课程第二讲第八部分含瓦斯煤的力学性能与渗透性能《矿井瓦斯防治》课程第八、含瓦斯煤的力学性能与渗透性能含瓦斯煤的力学性能游离瓦斯的压力对煤的力学作用与围压的作用相反，瓦斯压力增加，有效应力减小，使煤抵抗破坏的能力降低。在一定程度上，游离瓦斯阻碍了裂隙的收缩，促进其扩展，减弱了宏观裂缝面间的摩擦系数，也使得煤体的强度降低。瓦斯对煤的非力学作用，即吸附瓦斯减少了煤体内部裂隙表面的张力，从而使煤体骨架部分发生相