瓦斯灾害预测瓦斯的生成及赋存

1硕士研究生课程

瓦斯灾害预测与防治2授课的主要内容第一讲：瓦斯的生成及赋存第二讲：瓦斯基础参数测定技术第三讲：煤矿瓦斯涌出及瓦斯喷出第四讲：矿井瓦斯涌出量预测第五讲：瓦斯突出、预测及防治3第一讲瓦斯的生成及赋存本章要求：1.掌握矿井瓦斯的概念、瓦斯的垂直分带、瓦斯的吸附性能、瓦斯压力、含量及其影响因素；2.熟悉矿井瓦斯的生成各成气时期、瓦斯孔隙隙特征及其分类。4一、矿井瓦斯的概念与性质1.矿井瓦斯的概念可燃可爆气体:有毒性气体：烃类气体，如CH4、链烷烃（CnHn+2）、环烷烃（CnH2n）、烯烃、炔烃、芳香烃等。其他气体，H2、CO、H2S等CO、H2S、SO2、NH3、NO2、NO等矿井气体的分类窒息性气体：放射性气体：N2、CH4、CO2、H2等Rn

有的气体既是可燃可爆气体，又是有毒性气体和窒息性气体。上述气体统称为有毒有害气体。5一、矿井瓦斯的概念与性质2.甲烷的性质无色、无味、无嗅的气体。窒息性气体：CH4：0%O2：21%N2：79%甲烷的性质分子直径：0.41nm扩散性：是空气的1.34倍可燃可爆性气体：5%-15%，>15%燃烧CH4：43%O2：12%N2：45%CH4：57%O2：9%N2：34%正常呼吸空气呼吸困难昏迷、死亡密度：0.716kg/m3（标况），是空气的0.554倍。上浮微溶于水：3.31L/100L（20℃），5.56L/100L（0℃）。化学性质不活泼，稳定，不会自然分解、氧化或反应。6二、煤层瓦斯的生成1.煤是怎样形成的？煤是腐植型有机物在经受长期的地层高温、高压作用，并经过漫长的变质作用形成的。植物遗体→泥炭生物化学成气时期泥炭→褐煤→烟煤(长焰、气、肥、焦、贫、瘦)→无烟煤成煤过程成气时期煤化变质作用成气时期7二、煤层瓦斯的生成2.煤层中的瓦斯是怎样形成的？煤层瓦斯是腐植型有机物在成煤过程中形成的。生物化学成气时期：植物在厌氧、潮湿，温度小于65℃的条件下产生瓦斯。特点：成煤物质埋藏浅、固结性差、透气性好，生成的瓦斯难以保存。沼泽、三角洲8二、煤层瓦斯的生成2.煤层中的瓦斯是怎样形成的？煤化变质作用成气时期：

褐煤层进一步沉降，在高温及地层压力在下，便进入变质作用造气阶段。变质初期：基本单元——侧链和官能团的缩合稠环芳烃体系。羟基（-OH）甲基（-CH3）羧基（-COOH）醚基（-O-）键力强稳定键力弱不稳定易断裂易脱落9二、煤层瓦斯的生成2.煤层中的瓦斯是怎样形成的？煤化变质作用成气时期：变质中后期：在瓦斯产出的同时，芳核进一步缩合，碳元素进一步集中在碳网中。随着煤化变质作用的加深，基本结构单元中的缩聚芳核的数目不断增加，到无烟煤时，主要由缩聚芳核组成。10二、煤层瓦斯的生成3.不同成煤期的瓦斯生成量

前苏联B.A.乌斯别斯基根据地球化学与煤化作用过程反应物与生成物平衡原理，计算的甲烷生成量。

前苏联B．A．索科洛夫等人给出的腐植煤在煤化变质各阶段成气的一股模式。连续生成不连续生成11二、煤层瓦斯的生成3.不同成煤期的瓦斯生成量试验单位未变质煤低变质煤中变质煤高变质煤褐煤长焰煤气煤肥煤焦煤瘦煤贫煤无烟煤煤炭科学研究总院地质勘探分院（1987年）38-68*3-2541-9310-5448-12227-10265-17055-17093-238108-246146-413134-333172-401268-393306-461石油开发研究院（1985年）38-68*4-3142-997-5845-12626-10864-17648-17686-24486-230124-298114-321152-389168-390206-458地质矿产部石油地质研究所（1985年，舒兰褐煤）0.551.064.2524.3255.994.77127.72221.13兰州地质研究所（1986年，乌苏褐煤）1.612.494.1022.9224.5353.0454.65113.57115.18183.34184.95325.23326.84我国部分煤的热模拟实验产期结果*引用国外文献数据。表中数据：阶段产气量/累计产气量/(m3/t)12三、煤层瓦斯赋存的垂向分带1.煤层甲烷逸散及气体渗透CH4CH4CH4CH4N2O2CH4瓦斯风化带甲烷带13三、煤层瓦斯赋存的垂向分带2.煤层瓦斯的垂直分带特征CO2-N2带N2带N2-CH4带CH4带14三、煤层瓦斯赋存的垂向分带2.煤层瓦斯的垂直分带特征15三、煤层瓦斯赋存的垂向分带2.煤层瓦斯的垂直分带特征矿区煤质牌号煤层倾角(°)瓦斯风化带深度(m)抚顺长焰煤、气煤80180~205北票（台吉）气煤60115~150南桐（鱼田堡）瘦煤3070涟邵（洪山殿）贫煤30130红卫（里王庙）无烟煤25-30<15郴州（三五矿）无烟煤60<15焦作（焦西）无烟煤12180我国部分矿区的瓦斯风化带深度表16三、煤层瓦斯赋存的垂向分带3.瓦斯风化带的特征我国确定瓦斯风化带下部边界时主要采用如下指标：⑴瓦斯压力P=0.1～0.15MPa；⑵甲烷（CH4）组分浓度≥80%（体积百分数）；⑶相对瓦斯涌出量q=2～3m3/t；⑷瓦斯含量（煤芯中的甲烷含量）X：①气煤X=1.5～2.0m3/t；②肥煤与焦煤X=2.0～2.5m3/t可燃物；③瘦煤X=2.5～3.0m3/t可燃物；④贫煤X=3.0～4.0m3/t可燃物；⑤无烟煤X=5.0～7.0m3/t。17三、煤层瓦斯赋存的垂向分带4.甲烷带的特征（1）煤层瓦斯含量随埋深增加而增大；（2）煤层瓦斯压力随埋深增加而增大；（3）矿井相对瓦斯涌出量随埋深增大而增大；（4）随着埋深增加，有可能出现瓦斯异常涌出、瓦斯喷出、甚至瓦斯突出的情况。18四、煤的孔隙特征1.煤中的孔隙分类

煤是一种典型的多孔介质，煤具有很强的吸附性能，其吸附性能与煤的孔隙特征有较大的关系。

B.B霍多特的分类方法孔隙分类孔径范围（nm）孔隙特征描述微孔<10构成煤中的吸附容积小孔10~100毛细管凝结及瓦斯扩散空间中孔100~1000缓慢的层流渗透区域大孔1000~100000强烈层流渗透区域可见孔/裂隙>100000层流及紊流混合区域吸附孔容渗透孔容甲烷分子直径0.41nm19

吸附容积与渗透容积之和称为总孔隙体积；

煤的孔隙率：煤中的总孔隙体积占煤的视体积的百分比，％。式中：

Φ——煤的孔隙率，%；K

,K1——煤的孔隙率，m3/t，m3/m3

；

Vp——煤中总孔隙体积，m3；Va——煤的视体积（包括孔隙体积），m3；

ρt,ρp——煤的真相对密度和视相对密度，kg/m3。四、煤的孔隙特征1.煤中的孔隙分类20四、煤的孔隙特征2.煤的孔隙与表面积孔隙类别孔隙直径（nm）孔隙表面积（%）孔隙体积（%）微微孔微孔小孔中孔<22~1010~100100~100062.235.12.50.212.542.228.117.2合计100.0100.0煤中孔隙直径、表面积和孔隙体积的关系单孔Vp↘，Ss↗ΣVp<V,Ss>>S21四、煤的孔隙特征3.煤的比表面积煤层编号三21煤三23煤二煤四煤六煤挥发分（%）7.525.037.707.0810.57比表面积（m2/g）140.37184.23255.13201.13165.36江西涌山煤矿煤的挥发分与比表面积的关系半个篮球场大小22四、煤的孔隙特征4.煤孔隙率的主要影响因素（1）煤的变质程度煤的孔隙率随变质程度的变化呈一马鞍型变化关系，即中变质程度的焦煤和瘦煤孔隙率最低，低变质程度的褐煤和高变质程度的无烟煤孔隙率均较大。23四、煤的孔隙特征4.煤孔隙率的主要影响因素（2）煤的破坏程度煤在沉积和变质过程中，受地层变迁的影响，煤层会遭到不同程度的破坏，产生断裂、滑移、挤压及岩浆浸入等，产生煤层产生大量的新生裂隙，导致煤的孔隙率增加。参数煤的破坏类型ⅠⅡⅢⅣⅤ渗透容积（cm3/g）0.012060.013050.021550.031360.0825坚固性系数f0.69-2.20.25-1.330.13-0.52<0.1-0.33<0.1连结力C(MPa)2.431.701.030.72-内摩擦角(°)38.837.534.633.3-瓦斯放散初速度(△p)0.5-2.80.5-81-19.32.8-21.716.7-22.124四、煤的孔隙特征4.煤孔隙率的主要影响因素（3）地应力地应力可以使渗透孔容压缩减小，地应力越大，煤中渗透孔容越小，孔隙率减小。煤地应力卸压后，渗透孔容会得到一定程度的恢复，孔隙率增加。这就是保护层开采卸压防突的原理。煤的孔隙率与承受压力之间的变化关系：式中

K，K0——在压力为σ和压力为0时煤的孔隙率，cm3/cm3；

σ——煤承受的压力，MPa；b——常数，MPa-1。25四、煤的孔隙特征4.煤孔隙率的主要影响因素（3）地应力

26五、煤的吸附能力1.固体表面的吸附现象（1）固体的表面吸附由于气体分子与固体表面分子之间的相互作用，气体分子暂时停留在围体表面上的现象称为气体分子在固体表面上的吸附。（2）吸附作用力物理吸附：剩余的表面自由力——范德华力；化学吸附：原子表面的剩余成键能力——化学键；（3）可逆性物理吸附：单分子层吸附，符合Langmuir等温式，可逆；化学吸附：单分子层吸附，也符合Langmuir等温式，不可逆。27五、煤的吸附能力1.固体表面的吸附现象（4）吸附位

经典的Langmuir吸附理论认为，固体表面存在着能够吸附分子或原子的吸附位（adsorptionsite），并将这些吸附位形象地比喻为“剧院座位”。这些吸附位大多数情况下不是均匀分布在固体表面。（5）吸附与解吸

吸附（adsorption）：分子由自由态进入到吸附位的过程。解吸（desorption）：分子脱离吸附位进入到自由空间的过程。（6）吸附平衡吸附平衡时，在单位时间内进入到吸附位的分子数等于离开吸附位的分子数，此时，吸附速度与解吸速度相等。28五、煤的吸附能力1.固体表面的吸附现象（7）气体分子的吸附态气体分子吸附到固体表面后，紧密地排列在固体表面的吸附位上，分子间的距离大大缩小，自由度降低，其状态已经完全失去了气体状态的特征，不再符合理想气态方程，以类似于“液态”的状态存在。可形象的比喻为“水蒸汽凝结在固体表面”。（8）吸附与解吸过程中的热量交换

吸附（adsorption）：解吸（desorption）：是一个放热过程。是一个吸热过程。29五、煤的吸附能力2.Langmuir方程式中

a——吸附常数，表示在给定温度下，单位质量固体的表面饱和吸附气体时，吸附的气体体积，,cm3/g，一般为15-55m3/t；

b——吸附常数，MPa-1，一般为0.5-5.0MPa-1；

p——吸附平衡时的瓦斯压力，MPa；

V——在给定温度下，瓦斯压力为p时单位质量固体的表面吸附的气体体积，m3/t。30五、煤的吸附能力2.Langmuir方程p（MPa）V（cm3/g）31五、煤的吸附能力3.煤对甲烷的吸附

煤是一种吸附性强的多孔介质，对CH4、CO、N2、O2等多种气体均具有较强的吸附性。煤对甲烷分子的吸附属于单分子层物理吸附，符合Langumir等温吸附规律。不同煤种对甲烷的吸附量不同，其最大吸附量可达50m3/t以上。1t煤体积：1/1.4=0.71m31t煤孔隙体积：0.71×8%=0.57m31t煤为何能容纳高达50m3的甲烷？32五、煤的吸附能力3.煤对甲烷的吸附

（1）a值差异

不同矿区的煤对甲烷的吸附规律相差较大，表现在a值相差也较大。焦作大煤阳泉3煤峰峰大煤淮南B11b抚顺本层西山2层淮南13-133五、煤的吸附能力3.煤对甲烷的吸附（2）吸附饱和度

实质：已充填的吸附位占总吸附位的比率。定义：实际吸附量与极限吸附量的比率。34五、煤的吸附能力3.煤对甲烷的吸附（3）b值差异

b值的意义是等温吸附曲线始点（p=0）的斜率。b值越大，曲线越陡；b值越大，越容易吸附饱和；特征压力：饱和度达到0.5时的吸附压力。b=2b=1b=0.6b=0.4b=0.2pc1pc235五、煤的吸附能力4.影响吸附量的因素（1）吸附压力固体表面上的吸附量随着吸附压力的增加而增加，但这种增加趋势随着压力的增加而减弱，最后逐渐接近于极限吸附量a。p（MPa）V（cm3/g）36五、煤的吸附能力4.影响吸附量的因素（2）吸附温度吸附能力随着吸附温度的增加而减弱，煤在吸附甲烷时，温度每升高1℃，吸附能力减少约8%。式中：

Vt、V0——温度分别为t℃和0℃时煤的吸附瓦斯量，m3/t；

n——与瓦斯压力有关的系数。37五、煤的吸附能力4.影响吸附量的因素（3）气体性质不同性质的气体，其吸附能力不同。煤对气体吸附能力由强到弱的顺序为：

CO2>CH4>N2启发：*吸附性存在差异的混合气体吸附存在着竞争吸附。*可以用强吸附性气体置换弱吸附性气体。

瓦斯压力（MPa）吸附瓦斯量（m3/t）N226℃CH426℃CO226℃无烟煤在不同温度的吸附量38五、煤的吸附能力4.影响吸附量的因素（4）煤化程度随着煤的变质程度增加，煤的吸附能力越强。虽然煤对瓦斯的吸附量随挥发分有一定的变化规律，但其分散度较大，不存在一一对应的函数关系，因此无法根据挥发分确定瓦斯吸附量。t=30℃，p=0.1MPa39五、煤的吸附能力4.影响吸附量的因素煤的突出性突出煤一般具有孔隙和比表面积发育，坚固性系数小(f<0.5),瓦斯放散初速度大(△p>10)等特点。但突出煤与非突出煤的吸附量差异不大。t=30℃，p=2.0MPa突出煤非突出煤40五、煤的吸附能力4.影响吸附量的因素（5）煤中水分

水分的增加使煤的吸附能力降低。艾琴格尔经验公式：抚顺分院经验公式：煤中水分含量对吸附量的影响41六、煤层瓦斯压力1.煤层瓦斯压力的定义与意义（1）定义煤层孔隙内气体分子自由热运动撞击所产生的作用力，它在某一点上各向大小相等，方向与孔团壁垂直。（2）实质煤层中的游离瓦斯（气态）所呈现出来的压力。吸附态瓦斯由于失去了气态属性，对外不呈现压力。（3）意义煤层瓦斯压力是含量的决定因素，也是瓦斯流动的动力源，同时也是瓦斯突出的重要能量来源之一。（4）重要性是瓦斯防治技术领域最重要的基础参数之一，研究瓦斯储量、瓦斯涌出、瓦斯流动、瓦斯油放与瓦斯突出问题均需要该参数。42六、煤层瓦斯压力2.国内外煤层瓦斯压力概况

迄今为止，我国测定最大瓦斯压力：8.25MPa，北票台吉矿-550水平，埋深729m；

世界实测最大瓦斯压力：13.6MPa，乌克兰顿巴斯彼得罗夫深矿，1425m。矿区南桐中梁山松藻天府芙蓉六枝鸡西瓦斯压力（MPa）1.55-6.02.0-4.471.60-1.951.2-8.01.95-3.21.32-1.983.70-5.00矿区水城白沙涟邵乐平淮南焦作平顶山瓦斯压力（MPa）1.10-2.400.87-0.951.46-2.401.53-2.100.76-5.850.74-1.431.40-2.07矿区阳泉开滦铁法阜新北票抚顺鹤岗瓦斯压力（MPa）0.05-2.452.08-2.653.69-4.101.30-1.902.10-8.250.80-4.610.50-4.50国内主要矿区煤层瓦斯压力实测结果43六、煤层瓦斯压力3.煤层瓦斯压力随深度的变化规律

甲烷带内，同一煤层同一地质单元内瓦斯压力随深度加深而增大，多数呈线性规律。式中:

p——甲烷带内埋深为H处的煤层瓦斯压力，MPa；

p´——甲烷带内埋深为H´处的煤层瓦斯压力，MPa；

p0——风化带深度H0处的瓦斯压力，MPa；

C——瓦斯压力梯度，MPa/m。注意：甲烷带内；同一地质单元内；同一煤层。44六、煤层瓦斯压力3.煤层瓦斯压力随深度的变化规律45七、煤层瓦斯含量1.瓦斯在煤层中的赋存状态吸附在微孔表面、基质内分子间空穴；与煤形成固溶体，以非气态存在；是煤层瓦斯含量的主要组成，占90%以上。瓦斯赋存状态1、游离瓦斯2、吸附瓦斯3、瓦斯水合物晶体自由空间内，呈气态，服从气态方程；占总瓦斯含量的5-12%。亦称“可燃冰”，结构：8M·46H2O，M代表烃；密度0.88-0.90cm3/g，能以爆炸形式分解；存在环境：高压、低温。煤层中少见，海底可见。46七、煤层瓦斯含量1.瓦斯在煤层中的赋存状态煤内瓦斯的存在状态示意图1—游离瓦斯；2—吸附瓦斯；3—吸收瓦斯；4—煤；5—孔隙47七、煤层瓦斯含量2.煤层瓦斯含量（1）瓦斯含量概念单位质量或体积的煤中所含的瓦斯量，m3/m3，m3/t。（2）游离瓦斯含量煤中包含的游离瓦斯含量，按气态方程计算：式中：

Xy——煤的游离瓦斯含量，m3/t；

Vp——单位质量煤的孔隙容积，m3/t；

p,T——瓦斯温度和煤层瓦斯压力，K，MPa；

T0,p0——标准状况下的绝对温度和压力，273K，0.101325Pa；

ξ——甲烷的压缩系数。48（3）吸附瓦斯含量按Langumir方程计算并应考虑煤中水分、可燃物百分比、温度的影响系数而计算的：（4）煤层瓦斯含量游离含量与吸附含量之和：七、煤层瓦斯含量2.煤层瓦斯含量49八、影响煤层瓦斯含量的主要因素储生煤层倾角：倾角越大，瓦斯沿煤层运移逸散条件好，瓦斯含量低。盖瓦斯的生成量：煤中的瓦斯生成量与煤的变质程度有关，变质程度越高煤中瓦斯生成量就越大。上覆岩层性质：煤中生成的大量瓦斯有多少逸散到大气中，主要取决于上覆岩层的性质，上覆岩层岩性质密，透气性差，则瓦斯难以逸散。埋藏深度：埋藏越深，瓦斯含量越大。煤层露头：煤层露头是瓦斯逸散最好的通道。地质构造：断层、褶曲等地质构造对瓦斯含量的影响较大。水文地质：瓦斯微溶于水，长期的地下水冲刷，可带走大量的瓦斯。50八、影响煤层瓦斯含量的主要因素1.煤的变质程度（1）瓦斯生成量：变质程度越高，瓦斯生成量越大，保留下来的瓦斯量相对也较大；（2）瓦斯吸附性：变质程度越高，对瓦斯的吸附能力越大，瓦斯解吸、逸散的可能性相对较小；（3）煤瓦斯含量：从国内外煤层瓦斯赋存情况来看，高变质程度的煤的瓦斯含量较大。如晋城、潞安、阳泉、焦作等无烟煤矿区，煤层瓦斯含量普遍较大，一般在20~30m3/t之间；而兖州、龙口等典型的褐煤矿区，一般瓦斯含量普遍较小，一般不超过5m3/t。高变质无烟煤：无烟煤变质程度继续加深后，煤的结构发生了质的变化，碳分子紧密排列，煤的孔隙率降低，挥发分降低至3%以下，对瓦斯吸附能力急剧减小，瓦斯含量普遍极低。51八、影响煤层瓦斯含量的主要因素1.煤的变质程度52八、影响煤层瓦斯含量的主要因素2.煤层和围岩的透气性（1）砂岩类：砂岩透气性系数可达20~92000m2/MPa2·d，透气性好，煤层直接顶有较丰富的砂岩覆盖时，往往煤层瓦斯含量较低；（2）泥岩类：泥岩、油母页岩等透气性差，有利于瓦斯的保存；比较内容大同煤田抚顺煤田变质程度高变质程度焦煤（1/3焦、弱粘）中低变质程度气煤瓦斯生成量大小瓦斯吸附能力强较弱煤层平均厚度6-9m70m顶底板岩性砂岩、砾岩、砂页岩质密的油母页岩、绿色页岩煤层瓦斯含量瓦斯含量低，属低瓦斯矿区瓦斯含量高，属高瓦斯突出矿区典型实例：大同煤田与抚顺煤田的煤层瓦斯含量及差异性比较53八、影响煤层瓦斯含量的主要因素2.煤层和围岩的透气性（3）灰岩：灰岩透气性差异较大，透气性好的灰岩，具有较大的储气能力。如阳泉北部矿区，K3、K4灰岩分布较广的区域，矿井瓦斯涌出量大幅度增加，其中来自邻近灰岩层的瓦斯占有很大的比例。（4）煤层：煤层的透气性比大多数围岩透气性要好，因此，煤层是瓦斯运移和逸散的主要通道。煤层透气性差的矿区，往往瓦斯含量较大。我国大多数高瓦斯突出矿井煤层属于松软低透气煤层。54八、影响煤层瓦斯含量的主要因素3.埋藏深度（1）埋藏越深，运移距离越长：无论煤层中的瓦斯是沿着煤层运移，还是通过上覆岩层、构造破碎带逸散，埋藏深度越深，运移和逸散的距离越长，阻力越大，保留在煤层中的瓦斯也越多。（2）埋藏越深，地层压力越大：在高地应力作用下，煤层、地层中的孔隙被压缩，瓦斯运移的阻力大幅度增加。55八、影响煤层瓦斯含量的主要因素3.埋藏深度（3）煤层瓦斯含量随埋深的变化规律①埋藏较浅时，瓦斯含量与埋深呈线性关系。56八、影响煤层瓦斯含量的主要因素3.埋藏深度（3）煤层瓦斯含量随埋深的变化规律②埋藏较深时，随着埋深的增加，瓦斯含量逐渐趋向于煤的极限吸附量，呈Langmuir曲线。57八、影响煤层瓦斯含量的主要因素4.煤层倾角（1）倾角大，有利于瓦斯逸散：瓦斯密度轻，容易向上运移和逸散，当煤层倾角大时，有利于