第二讲-瓦斯地质编图基础

第二讲：瓦斯地质编图基础主讲：严家平教授目录瓦斯的概念瓦斯的形成瓦斯在煤中的赋存及其运移围岩及其地质构造对瓦斯的赋存运移的控制一、瓦斯的概念1、瓦斯(矿井瓦斯)

瓦斯是指在煤矿生产过程中，从煤层、岩层和采空区放出的各种有害气体的总称。

2、矿井瓦斯的来源主要有四类：一是煤层及围岩内赋存并能涌入到矿井的气体；二是矿井生产过程中生成的气体，如炮烟等；三是井下空气与煤、岩、矿用材料之间的化学或生物化学反应生成的气体；四是放射性物质蜕变过程中生成的气体。3、煤层瓦斯组分

实测表明，煤层中的瓦斯有约20种组分。煤层中瓦斯的主要成分是甲烷，一般占到煤层瓦斯组分的80％以上。从安全的角度可以将这些组分划分为四类：（1）可燃性气体：如甲烷等烷烃类(CnH2m+2)、环烷烃(CnH2n)、H2、CO、H2S等，这些气体具有可燃烧的特性，在一定浓度范围内与空气的混合往往具有爆炸性，对煤矿安全构成严重威胁。（2）有毒性气体：如H2S、CO、SO2、NH3、NO、NO2等，这些气体达到一定的浓度时，会直接威胁人体的健康甚至生命。（3）窒息性气体：如N2、CH4、CO2、H2等，这些气体作往赋存在煤体或其围岩内，开采过程中大量涌到生产空间，从而使空气中氧气的浓度降低，造成人员窒息。（4）放射性气体：如氧气。

由以上可以看出．矿井瓦斯成分相当复杂，但各种成分的含量差别极大。在煤矿井下，由煤层及其围岩涌出的甲烷往往占到瓦斯总量的90％以上。因此，在述及到矿井瓦斯时，通常是独指甲烷(本节如不特别指明，则瓦斯甲独指甲烷。二、瓦斯的形成一、瓦斯成因类型从泥炭到褐煤、烟煤到无烟煤，其分子组成变化如下：4C16H18O5(泥炭)→C57H56O10(褐煤)+4CO2+3CH4+2H2OC57H56O10(褐煤)→C54H42O5(烟煤)+CO2+2CH4+3H2OC54H42O5(烟煤)→C15H14O(半无烟煤)+CO2+CH4+H2OC15H14O(半无烟煤)→C13H4(无烟煤)+2CH4+H2O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。生物生成瓦斯是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；而热成因瓦斯是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）。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）0.30～1.50二、瓦斯生物成因

原生生物成因瓦斯产生在生物地球化学煤化作用阶段（泥炭—褐煤，Ro<0.5%），又被称为早期生物成因气。此时由于成煤物质埋藏浅、所处环境温度低，热力作用不足以造成有机质结构的显著变化，以CH4为主要成分的生物成因气是通过各类微生物参与下的生物化学反应而产生。

瓦斯（煤层气）次生生物成因：在煤层后期抬升阶段，煤层中温度等环境条件又适宜微生物生存。

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。三、瓦斯热成因1．瓦斯（煤层气）热解成因：相当于长焰煤—贫煤阶段（0.5%<Ro<2.0%）。在热力作用下，有机质中各种官能团和侧链分别按活化能的大小，依次发生分解，主要转化为具有不同分子结构的烃类及非烃气体，形成的部分液态烃类可以渗出沥青的形式产出但其多数被煤基质束缚和吸收。

2．瓦斯（煤层气）裂解成因：相当于贫煤—无烟煤阶段（Ro>2.0%）。由于煤基本结构单元上的大部分烷烃支链在成熟阶段已消耗，化学反应由以裂解为主转为芳香核之间的缩合为主，并由此产生大量CH4气体。在此阶段，有机质芳香度从0.85增至0.97，C原子几乎全部集中在芳香结构上。三、瓦斯在煤中的赋存及其运移一、瓦斯在煤层中的赋存状态1．游离状态：瓦斯以自由的气体状态存在于煤和者石的空隙小，游离的气体分子在煤体的空隙中可以自由远功，并遵循—般的气体定律，从压力大的地方向压力小的地方运移。煤和岩石个游离瓦斯的台失取决于空隙度(自由空间)的大小和它所承受的瓦斯压力。

吸附状态:由于瓦斯分子和煤团体颗粒之间的分子引力作用，瓦斯分子被吸附在煤体或者体灼微孔隙或超微孔隙表面，形成一层瓦斯薄膜。因此，吸附瓦斯就是滞田在煤或岩石微孔隙或超微孔隙表面的瓦斯，它不服从气体定律，瓦斯分子不能象游离瓦斯那样自由运动，因而不容易逸散煤层。

3．吸收状态：瓦斯分子进入煤的分子团中，与煤分于紧密结合为一体(被煤分子所吸收)。这种状态的瓦斯与吸附状态的瓦斯有相似的特点，但其自由度更低，极难从煤中逸出，而且它在煤层瓦斯中只占少量，故一般可忽略不计。二、煤层瓦斯的运移：游离瓦斯可以自由运动，在一定条件下，吸附瓦斯可以转化成游离瓦斯。这种运移大致可分为三种情况，一种是瓦斯在地壳深处从形成和聚集地点向地表方向的运移，称为渗滤；一种是深处瓦斯沿煤层(或岩层)向地表露头方向的运移，称为层移；还有一种是瓦斯分子向四周自然散布的现象，称为扩散。渗滤、层移、扩散且彼此紧密的交织在一起的，经常形成混合型瓦斯流，统称运移。影响瓦斯运移运移的因素：1)煤层自身特征对瓦斯运移的影响:煤层的孔隙结构、煤层裂隙、煤层的层理、地应力及煤层的含水性均对瓦斯的运移有影响。2)围岩对瓦斯运移的影响:煤层中的气体沿裂隙逸散并与围岩相通后,围岩的特征、地质构造条件均会影响瓦斯的储积与运移。如果煤层的顶、底板均为粉砂岩、泥岩、炭质泥岩等结构致密、透气性差的层,有良好的封闭作用。3)地质构造对瓦斯的储积运移的影响:压扭应力较强的区域,由于煤岩层受到压扭应力作用,裂隙、孔隙被压密、压实而闭合,阻止了瓦斯向外逸散,从而有利于瓦斯的富集。张应力较强的区域,由于煤岩层受到张应力作用,割理、节理、微孔隙得以扩张,为瓦斯储积提供了良好空间,提高了煤层的渗透率,形成瓦斯运移的通道,有助于煤层中吸附气体的逸出。

四、围岩及其地质构造对瓦斯的赋存运移的控制瓦斯的形成和保存、运移与富集同地质条件有密切关系，并且受到地质条件的制约。影响瓦斯赋存的地质条件主要有煤的变质程度、煤系特征和煤层特征、煤层围岩的透气性、地质构造、地下水的活动和岩浆活动等，下面以煤层围岩的透气性、地质构造对瓦斯的赋存运移的控制作用叙述其影响。

在煤化过程中产生的瓦斯，只有其中的一部分被保存下来。不同煤田、不同矿区、不同井田、不同采区甚至同一采区的两翼、同一煤层的不同部位的地质条件不同，因此，保存的瓦斯数量也不同。一、煤层围岩透气性的影响

围岩指煤层顶底板岩石，它对保存瓦斯具有决定印用。当围岩透气性很差，煤层中的原始瓦斯含量很难通过围岩向外运移、逸散，对煤层瓦斯可起保存作用；反之，如煤层围岩透气性好，有利于煤层瓦斯通过围岩向外运移、逸散，煤层中的原始瓦斯含量就难以得到很好的保存。而透气性又与顶底板岩石的组成、结构、胶结、裂隙情况等有关。

1、据湖南有关研究报告，根据围岩的岩住及透气性不同：分为三种类型：1)屏障层。即瓦斯难以通过的岩层，并具有一定厚度。在煤系地层中常见的屏障层，如以粘土矿物为主、岩性致密的泥岩和砂质泥岩；胶结物含量不低于15％、成分以粘土矿物为主、孔隙式或基底式胶结的粉砂岩，薄层砂岩与砂质泥岩互层等等。2)透气层。即瓦斯易于通过的岩层，并具有一定厚度。属于这一类的如裂隙发育的细、中、粗粒砂岩和砾岩，此类岩石一般胶结物含量在15％以下，分选和磨圆中等；泥质成分低、岩镕裂隙发育的石灰岩等等。

3)半屏障层。瓦斯通过的难易程度介于以上二者之间的岩层。例如胶结物占10一15％左右，粘土矿物含量较低，多为接触式胶结的粉砂岩；碎屑成分以石英为主，胶结物成分以粘土矿物为主，分选磨圆中等的薄至中厚层细砂岩等等。

2、以煤层围岩的透气性为主要依据，并适当考虑构造等因素，又可将煤层围岩对瓦斯的保存条件划分为封闭型、半封闭型和开放型三类：

(1)封闭型。煤层直接围岩均为屏障层组成，区内切穿煤层并与透气层沟通的裂隙不发育，煤层瓦斯除沿煤层由深部往浅部运移放散外，一般无其它出路。

(2)半封闭型。这一类型较复杂，凡有下列情况之一者，均可属此类：

A．煤层顶底板均为半屏障层，或其中之一为半屏障层，另一为屏障层。

B．煤层顶底板均为屏障层，但层薄、不稳定，常有“气窗”出现。C．煤层围岩为屏障层，但有较多的张性断层和裂隙切穿煤层和透气层。(3)开放型。煤层顶底板均为透气层，或其中之一为透气层，透气层又末被其它屏障层所封闭，瓦斯放散条件好。对湖南35对矿井主采煤层瓦斯的封闭类型进行初步划分的结果，简化列于下表。封闭型半封闭型开放型严重突出矿井15对局部突出矿井2对6对非突出矿井1对9对2对总计18对15对2对举例里王庙井、坦家冲井、蛇形山井、等等利民井3层煤2、3.4、5采区龙潭组北型煤层二、地质构造的影响

对于煤层顶底板岩石透气性小的煤田或矿井，煤层中的瓦斯含量很大程度上取决于地质构造。在地质构造作用下，煤最容易产生运动和变化，从而影响到煤中瓦斯的保存和徘放，往往一个地区的构造分区也是这一地区的瓦斯分区。地质构造对瓦斯的最终分布常常起着主导作用。1)断层的影响地质构造中的断层破坏了煤层的连续完整性，使煤层瓦斯排放条件发生了变化。有的断层有利于瓦斯排放，也有的断层对瓦斯排放起阻挡作用，成为逸散的屏障。前者称开放性断层，后者为封闭性断层。断层的开放与封闭性决定于下列条件：(1)断层的性质和力学性质：—般张性正断层届开放型，而压性或压扭性逆断层封闭条件较好。(2)断层与地面或冲积层的联通情况：规模大且与地面相通或与松散冲积层相连，一般为开放型。(3)断层将煤层断开后，煤层与断层另一盘接触的岩层性质：若透气性好则利于瓦斯诽放。(4)断层带的特征：断层带的充填情况、紧闭程度、裂隙发育情况不同，开放、封闭性也有差别。此外，断层的空间方位对瓦斯的保存、逸散也有影响。一般走向断层阻隔了瓦斯沿煤层倾斜方向的逸散，而倾向和斜交断层则把煤层切割成互不联系的块体。2)褶曲的影响巷道中所见的小型褶曲，一般对瓦斯含量影响不大，有影响的主要是大中型褶曲。

从区域构造来看，紧密褶皱地区往往瓦斯含量高。因为这些地区受强烈的构造作用，应力集中，同时这些地区又往往是塑性较强，延伸性较好，易褶不易断的岩层，这些岩层又往往是屏障层，有利于瓦斯的聚集和保存。矿井或矿区规模的大型向斜埋藏深度大，瓦斯含量高；而背斜相对埋藏浅，瓦斯含量低。大型背斜中和面上下瓦斯含量又不同；中和面以上，常存有张裂隙，瓦斯易逸散，瓦斯含量低，而中和面以下则瓦斯含量相对高。

矿井范围之内的中型褶曲，其瓦斯含量有两种情况：封闭条件好时，背斜较向斜瓦斯含量高，因为在封闭系统中，瓦斯只能沿煤层向外运移。特别是在倾伏背斜转折端，瓦斯运移距离长，受气面积往上逐渐缩小，阻力变大，故瓦斯高。在封闭条件差透气性增强的情况下，上述运移条件被破坏，背斜中的瓦斯容易沿张