瓦斯生成理论

1第二章瓦斯生成理论瓦斯的形成和煤的形成是同时进行的，且贯穿于整个成煤过程的始终。因此，瓦斯的成因与煤的成因息息相关，煤中瓦斯的原始含量与成煤物质、成煤环境、煤岩组成、围岩性质、成煤阶段（生物化学作用、成岩作用、变质作用等阶段）等均有关系。22.1煤的形成与演化成煤母质——植物（低等、高等）成煤环境——泥炭沼泽地质构造条件——缓慢下沉成煤作用阶段——第一阶段：泥炭化作用阶段,植物残体经生物-地球化学作用演化成泥炭;第二阶段：煤化作用阶段,泥炭经地球化学作用演化成煤.

32.1煤的形成与演化42.2煤的成分与种类煤是自然界成分最复杂的一类岩石，属沉积岩中的生物化学岩类。煤是三相物质的复合物，又是有机质和无机质的复合物固相——有机显微组分（macerals）和矿物（minerals）；液相——水和极微量的液态烃（石油）；气相——瓦斯（甲烷、二氧化碳、氮）。其中有机显微组分、液态烃和甲烷属有机质；矿物、水、二氧化碳、氮属无机质。所以煤是有机质和无机质的复合物。52.2煤的成分与种类1、煤的有机成分：有机质是煤中主要成分。有机显微组分（macerals）是用显微镜可识别的基本单元。有机显微组分被划分为三组：镜质组（vitrinitegroup）、惰质组（inertinita

goup）、壳质组（exinitegroup）。其中镜质组是主要组分，通常占70％以上。由这三组显微组分组成四种有机宏观组分（lithotypes）：镜煤（vitrain）——几乎全由镜质组组分组成；亮煤（clarain）——大部分由镜质组组分组成；暗煤（durain）——少部分由镜质组组分组成；丝炭（fusain）——由惰质组组分中的丝质体组成；6显微煤岩组分镜质组：最常见组分，橙红色，O高、C低；挥发份高，粘结性好，炼焦的主要组分。7显微煤岩组分惰质组：常见组分，黑色，C高、H低；挥发份低，无粘结性。8显微煤岩组分壳质组：稳定组，低煤阶中煤常见。透明黄色，H高；挥发份高，粘结性差。大孢子92.2煤的成分与种类2、煤的无机成分——矿物从煤里已发现的矿物种类虽然很多（经文献报道的矿物超过150种），常见的矿物种类并不多，如：粘土类矿物、黄铁矿、石英、方解石,菱铁矿等。矿物常成为碎屑或碎屑集合体形态分散在有机显微组分之间，多数矿物的颗粒微小，呈球粒、结核、透镜体、条带等等形态；还有一些亚微米-纳米级的矿物微粒镶嵌在有机显微组分内部。通常用煤燃烧后的固体残渣灰分产率（质量分数，％）近似代表煤中无机质的质量分数；可燃物质的质量分数则近似代表有机质的质量分数。按煤炭勘探规范的规定，煤的灰分产率低于40％，方可参与煤炭资源量（储量）计算。102.2煤的成分与种类3、煤的种类根据煤的用途，煤被分为3大类，17小类：褐煤——褐煤一号、褐煤二号烟煤——长焰煤、气煤、1/3焦煤、气肥煤、肥煤、焦煤、瘦煤、贫瘦煤、贫煤、不粘煤、弱粘煤、中粘煤无烟煤——无烟煤三号、无烟煤二号、无烟煤一号划分煤类的指标是：挥发分析出率和粘结性。挥发分析出率——挥发分（volatilematter，代号V）是煤样品在特定条件下受熱分解出来的液体（蒸气状态）和气体产物，挥发分占样品的质量分数称为“挥发分析出率”，或“挥发分产率”。粘结性——煤干馏时粘结其本身的或外来的惰型物质的能力。112.3瓦斯的生成按照生物地球化学营力和热力地球化学营力作用效果，可将瓦斯区分为生物成因和热成因两种基本生成类型。

生物成因瓦斯：由各类微生物的一系列复杂作用过程导致成煤物质降解而生成的；

热成因瓦斯：指随着煤化作用的进行，伴随温度升高、煤分子结构与成分的变化而生成的瓦斯气体。生物生成瓦斯可形成于早期生物地球化学煤化作用阶段（泥炭—褐煤），当煤层形成后因构造抬升可重新经受生物改造，因此又可分为原生生物成因瓦斯与次生生物成因瓦斯表2-1生物成因和热成因瓦斯生成阶段煤层气生成阶段镜质组反射率（Ro）/%原生生物成因甲烷（CH4）<0.5早期热成因甲烷（CH4）0.50～0.80最大量湿气（C2+）生成0.60～0.80热成因甲烷（CH4）急剧生成开始0.80～1.00冷凝液次生裂解成甲烷（CH4）开始1.00～1.35最大量热成因甲烷（CH4）生成1.20～2.00显著量湿气（C2+）生成的最后期限1.80显著量热成因甲烷（CH4）生成的最后期限3.00次生生物成因甲烷（CH4）0.30～1.50

2.4煤层瓦斯发生率煤层瓦斯（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。包括以下几个基本概念：（1）煤层气发生率——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——指从褐煤到特定煤级瓦斯气体产生的量。（3）阶段生气率——指煤化过程特定阶段瓦斯气体产生的量。13

2.4煤层瓦斯发生率视煤气发生率常是评价生气量的首选指标。在泥炭沼泽中，成煤植物遗体经受生物化学作用便开始产生生物气，多数情况下，泥炭化作用形成的生物气因保存条件不好而散失殆尽；煤层气得以保存即气田开始形成多始于褐煤阶段。

142.5关于煤成烃烃类烃类化合物是碳、氧与氢原子所构成的化合物,主要又分为醇(alcohols)、醛(aldehydes)、酯(esters)、酮(ketones)与酚(phenols)。煤中的碳元素主要集中在芳香稠环当中，因其键能较高表现出强固的键合力和较高的热稳定性。侧链和官能团之间及其与稠环之间的结合力相对较弱，热稳定性较差。因此在成烃演化（煤化作用）过程中，官能团和脂族结构的不断减少，侧链断裂变短，伴随着桥链的破裂，芳香核的进一步缩合增长，在元素组成上表现为碳的相对增加和氢氧等杂原子的相对减少。152.5关于煤成烃《实用煤岩学》赵师庆现今煤岩组分的含氢量，以及生烃模拟试验结果仅仅表明现今煤岩组分具有的生烃潜能的强弱。如若设想：现今的煤将来再次经受变质作用，各有机煤岩组分的生烃潜能才可能发挥出来，产生上述情况。可是人们希望知道的不是假想的将来，而是煤已经生成的气态烃与液态烃的过去，是各煤岩组分已有过的生烃贡献。现今煤岩组分生烃潜能的强与弱等同于过去已生烃的多与少吗？现今煤岩组分生烃潜能的强与弱等同于过去生烃贡献的大与小吗？显然不等同，煤岩学早已作过论证。162.5关于煤成烃壳质组又称“稳定组”。再泥炭化阶段和煤化作用早期，壳质组内的多数组分是稳定的。这些组分现今的生烃潜能最强，可是过去的生烃贡献却最小。惰质组组分现今的生烃潜能很弱，其化学结构的芳构化程度强，官能团与侧链几乎全脱落‘被认为是具“惰性”的组分，划归Ⅳ型干酪根。惰质组组分这些特征是天生的吗？惰质组的成因很复杂，其中有些惰质组组分天生如此，它们现今的生烃潜能弱，过去的生烃贡献也小。惰质组内还有些组分并非天生如此，在以往的煤变质作用过程中，与共生的壳质组和壳质组比较，它们产出多较多的气态与液体烃，以致自身芳构化程度增强。这些惰质组现今生烃潜能弱却是过去生烃贡献大所造成。172.5关于煤成烃研究瓦斯（煤层气）的生成对于煤矿安全生产和瓦斯抽采没有重要意义。因为：煤层瓦斯（煤层气）是现今残留在煤层里的煤成（型）气，其数量只是已生成气体的很少部分。决定煤层瓦斯（煤层气）的数量和质量的主要地质因素是气体的运移与保存因素，而不是气体的成因因素。182.6瓦斯的成分瓦斯是多种气体的混合物，其成分有：

烃类气体——甲烷（CH4）和少量乙烷（C2H6）、丙烷（C3H8）、丁烷（C4H10）；乙烷、丙烷、丁烷统称“重烃”在天然气地质界所称的干气，指各种烃类总体积中CH4>95%，重烃<5%，湿气中CH4<95%，重烃>5%。煤矿瓦斯一般都是干气。非烃气体——二氧化碳（CO2）和氮（N2）；微量气体——氢（H2）、一氧化碳（CO）、二氧化硫（SO2）、硫化氢（H2S）、氦（He）、氖（Ne）、氩（Ar）、氪（Kr）、氙（Xe）等。瓦斯的主要成分是甲烷（CH4），又称“沼气”；次为二氧化碳（CO2）和氮（N2）。192.6瓦斯风化带瓦斯风化带“gasweatheredzone”，早在上世纪50年代，前苏联学者发现，顿巴斯浅部瓦斯的成分有垂向分带现象，自浅部向深部一般可分四个带（如下表所列），采煤界习惯将前三个带统称为“瓦斯风化带”。202.6瓦斯风化带

浅部瓦斯成分垂向各带气体组成名称CH4（体积%）CO2（体积%）N2（体积%）瓦斯风化带CO2—N2带<10>2020～80N2带<20<10～20>80N2—CH4带<80<10～20<80甲烷带CH4带>80<10<202.6瓦斯风化带222.6瓦斯风化带严格说，用“瓦斯风化”一词并不确切。在所谓“瓦斯风化带”内，煤层里发生过瓦斯与地表大气互相交换，以甲烷为主要成分的瓦斯中的部分甲烷散入大气，同时大气中的二氧化碳与氮进入煤层，以致煤层内的甲烷浓度减小，二氧化碳与氮的浓度增大。甲烷、二氧化碳与氮本身并没有“风化”。现在术语“瓦斯风化带”已经广为流行。232.6瓦斯风化带确定“瓦斯风化带”的下部边界应该用甲烷及重烃浓度之和≥80%（按体积）为指标。煤矿实测瓦斯成分的资料往往不足，难以勾画出“瓦斯风化带”下界。采煤人员用相对瓦斯涌出量（＜2m3/t.d），或瓦斯压力（＜0.15MPa），或瓦斯含量(烟煤2～3m3/t，无烟煤5～7m3/t)等指标划定“瓦斯风化带”下界。242.6瓦斯风化带瓦斯风化带“gasweatheredzone”，早在上世纪50年代，前苏联学者发现，顿巴斯浅部瓦斯的成分有垂向分带现象，自浅部向深部一般可分四个带（如下表所列），采煤界习惯将前三个带统称为“瓦斯风化带”。252.7瓦斯的保存条件1、构造运动演化对煤层瓦斯保存起重要作用

中国的含煤地层较早的石炭—二叠纪含煤地层形成以来主要经历了印支运动、燕山运动、喜马拉雅运动等。如在华北板块，普遍形成的石炭—二叠系的煤层，受太平洋库拉板块俯冲碰撞作用，印支期开始，中国东部先隆起，鲁西断隆隆起的早，普遍缺失三叠系盖层沉积，二叠系煤层遭受风化剥蚀作用，大量瓦斯逸散，埋深600-800m仍属瓦斯风化带262.7瓦斯的保存条件2、不同地质构造类型对瓦斯保存的影响不同类型的地质构造在其形成过程中，由于构造应力场及其内部应力状态的不同，导致煤层和盖层的产状、结构、物性、裂隙发育状况及地下水径流等条件出现差异，进而影响到煤层瓦斯的保存。272.7瓦斯的保存条件2.1向斜构造对瓦斯保存的影响通常向斜构造比背斜构造对瓦斯保存条件好。单纯从向斜构造来看，向斜两翼地层倾角越大，煤层瓦斯越易逸散；反之，两翼倾角较小，断裂不发育或发育逆断层，则有利于瓦斯保存。在大型宽缓向斜中，由于两翼有纵向正断层和次级褶曲发育，瓦斯易于顺两翼断层和次级背斜顶部裂隙运移逸散，瓦斯保存最好的地段往往位于向斜的次级向斜部位282.7瓦斯的保存条件2.1向斜构造对瓦斯保存的影响

292.7瓦斯的保存条件2.2背斜构造对瓦斯保存的影响

302.7瓦斯的保存条件2.3推覆构造对瓦斯保存的影响褶皱推覆构造一方面可形成区域性封盖的构造条件而有利于瓦斯保存，另一方面又可能强烈破坏煤层的原生结构而使煤储层渗透性降低，从而导致煤储层含气量较高而物性较差，有利于瓦斯保存。例如豫西、淮南、大青山等矿区的某些地段。逆冲推覆一般共生于单斜构造背景，只是构造相对简单的岩席推覆和逆冲。逆冲断层面同样是阻隔瓦斯逸散的良好构造界面，有利于煤层瓦斯的大面积保存。在某些情况下，褶皱～逆断层与褶皱～逆冲推覆构造共生，致使控气构造