瓦斯地质基础(4)

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1、1 1 矿井瓦斯的性质矿井瓦斯的性质 2 2 瓦斯赋存状态瓦斯赋存状态 3 3 煤的孔隙特征煤的孔隙特征 4 4 煤体表面的吸附作用煤体表面的吸附作用5 5 煤层瓦斯封存条件煤层瓦斯封存条件6 6 瓦斯运移瓦斯运移 7 7 瓦斯分带特征瓦斯分带特征 1 1 矿井瓦斯的性质（矿井瓦斯的性质（1 1）瓦斯性质瓦斯性质甲烷甲烷重烃重烃氢气氢气甲烷甲烷二氧化碳二氧化碳氮气氮气一氧化碳一氧化碳硫化氢硫化氢二氧化硫二氧化硫二氧化氮二氧化氮可燃性可燃性室息性室息性有毒性有毒性煤矿常见气体的部分物理性质煤矿常见气体的部分物理性质甲烷甲烷二氧化碳二氧化碳一氧化碳一氧化碳硫化氢硫化氢乙烷乙烷氢气氢气CH4CO2C

2、OH2SC2H6H2分子量分子量16.0444.0128.0134.0830.072.01密度，密度，kg/m30.71681.981.251.541.360.09对空气的比重对空气的比重0.55451.530.971.171.050.07沸点，沸点，0，（0.1MPa下）下）-161.7-78.5-190-61.8-88.3-252.8爆炸下限，爆炸下限，%5/12.54.334爆炸上限，爆炸上限，%15/74.245.512.574.2发热量，发热量，MJ/m335.99/11.8623.564.5311.94性性 质质1 1 矿井瓦斯的性质（矿井瓦斯的性质（2 2）1 1 矿井瓦斯的性质

3、矿井瓦斯的性质 2 2 瓦斯赋存状态瓦斯赋存状态 3 3 煤的孔隙特征煤的孔隙特征 4 4 煤体表面的吸附作用煤体表面的吸附作用 5 5 煤层瓦斯封存条件煤层瓦斯封存条件 6 6 瓦斯运移瓦斯运移 7 7 瓦斯分带特征瓦斯分带特征 2 2 瓦斯赋存状态瓦斯赋存状态Methane Hydrates-The Gas Resource of the Future 1 1 矿井瓦斯的性质矿井瓦斯的性质 2 2 瓦斯赋存状态瓦斯赋存状态 3 3 煤的孔隙特征煤的孔隙特征 4 4 煤体表面的吸附作用煤体表面的吸附作用5 5 煤层瓦斯封存条件煤层瓦斯封存条件6 6 瓦斯运移瓦斯运移 7 7 瓦斯分带特征瓦斯

4、分带特征 微孔：直径微孔：直径10 10 10-1-1 mm mm，层流和紊流混合渗透区间。层流和紊流混合渗透区间。煤中也孔径孔隙分类煤中也孔径孔隙分类渗透容积：小孔至可见孔渗透容积：小孔至可见孔孔隙体积之和。孔隙体积之和。总孔隙体积：吸附容积和总孔隙体积：吸附容积和渗透容积之和。渗透容积之和。中孔：直径中孔：直径1010-4-4 mmmm1010-3-3 mmmm，缓慢层流渗透区间。，缓慢层流渗透区间。大孔：直径大孔：直径1010-3-3mmmm1010-1-1mmmm，强烈的层流渗透区间。，强烈的层流渗透区间。小孔：直径小孔：直径1010-5-5mmmm1010-4-4mmmm，毛细凝结和

5、瓦斯扩散空间。，毛细凝结和瓦斯扩散空间。3 3 煤的孔隙特征煤的孔隙特征 3.1 3.1 煤中孔隙的分类煤中孔隙的分类 原生气孔原生气孔 缩聚失水孔缩聚失水孔 煤中孔隙成因分类煤中孔隙成因分类微内生裂隙微内生裂隙矿物铸模矿物铸模/溶蚀孔溶蚀孔颗粒间孔颗粒间孔植物残余组织孔植物残余组织孔3 3 煤的孔隙特征煤的孔隙特征 3.1 3.1 煤中孔隙的分类煤中孔隙的分类 微构造裂隙微构造裂隙 煤的变质程度与孔隙的关系煤的变质程度与孔隙的关系3.2 3.2 影响煤的孔隙特征的主要因素影响煤的孔隙特征的主要因素（1）煤的变质程度煤的变质程度不同变质程度煤的孔隙分布不同变质程度煤的孔隙分布3.2 3.2 影

6、响煤的孔隙特征的主要因素影响煤的孔隙特征的主要因素3.2 3.2 影响煤的孔隙特征的主要因素影响煤的孔隙特征的主要因素3.2 3.2 影响煤的孔隙特征的主要因素影响煤的孔隙特征的主要因素3.2 3.2 影响煤的孔隙特征的主要因素影响煤的孔隙特征的主要因素 褐煤褐煤 长焰煤长焰煤 气煤气煤 肥煤肥煤瘦煤瘦煤无烟煤无烟煤(2)煤的破坏程度煤的破坏程度 对于烟煤而言，煤的破坏程度越高，煤的渗透容积就对于烟煤而言，煤的破坏程度越高，煤的渗透容积就越大。煤的渗透容积主要由中孔和大孔组成，我们认为，越大。煤的渗透容积主要由中孔和大孔组成，我们认为，煤的破坏程度对大孔和中孔有影响，但对微孔影响不大。煤的破坏

7、程度对大孔和中孔有影响，但对微孔影响不大。3.2 3.2 影响煤的孔隙特征的主要因素影响煤的孔隙特征的主要因素(3)地应力地应力3.2 3.2 影响煤的孔隙特征的主要因素影响煤的孔隙特征的主要因素压性的地应力压性的地应力(压应压应力力)渗透容积缩小渗透容积缩小张性的地应力张性的地应力(张应力张应力)渗透容积渗透容积增加增加孔隙率增加孔隙率增加孔隙率减少孔隙率减少 目前的试验表明，地应力并不减少煤的吸附体积或目前的试验表明，地应力并不减少煤的吸附体积或减少得不多，因此地应力对煤的吸附性影响很小，但对减少得不多，因此地应力对煤的吸附性影响很小，但对渗透性有很大的影响。渗透性有很大的影响。1 1 矿

8、井瓦斯的性质矿井瓦斯的性质 2 2 瓦斯赋存状态瓦斯赋存状态 3 3 煤的孔隙特征煤的孔隙特征 4 4 煤体表面的吸附作用煤体表面的吸附作用 5 5 煤层瓦斯封存条件煤层瓦斯封存条件 6 6 瓦斯运移瓦斯运移 7 7 瓦斯分带特征瓦斯分带特征 4.14.1 煤的煤的 吸附等温线吸附等温线 1916年郎格缪尔导出单分子层吸附年郎格缪尔导出单分子层吸附状态方程状态方程-郎格缪尔方程：郎格缪尔方程：式中：式中：X给定温度下，瓦斯压力为给定温度下，瓦斯压力为p时单时单位质量固体表面吸附的气体体积，位质量固体表面吸附的气体体积，m3/t；p煤层平衡的瓦斯压力，煤层平衡的瓦斯压力，MPa；a吸附常数，试验

9、温度下煤的极吸附常数，试验温度下煤的极限吸附量，限吸附量，m3/t；b吸附常数，吸附常数，MPa-1。bPabPX14 4 煤体表面的吸附作用煤体表面的吸附作用4.2 4.2 煤的吸附能力主要影响因素煤的吸附能力主要影响因素 1 1 瓦斯压力瓦斯压力煤的吸附能力主要影响因素煤的吸附能力主要影响因素 5 5 煤中水分煤中水分4 4 变质程度变质程度温度每升高温度每升高1 1度，吸附瓦斯的能力要降低度，吸附瓦斯的能力要降低8%8%。COCO2 2 CH CH4 4 N N2 2 在给定温度下，吸附量与瓦斯压力呈双曲线变化。在给定温度下，吸附量与瓦斯压力呈双曲线变化。艾琴格尔经验公式：艾琴格尔经验公

10、式：式中：式中：X Xw w湿煤的瓦斯吸附量，湿煤的瓦斯吸附量，m m3 3/t/t；X Xd d干煤的瓦干煤的瓦斯吸附量，斯吸附量，m m3 3/t/t；M Madad煤中水分含量，煤中水分含量，%。变质程度和孔隙结构和比表面积及化学成份有关，呈变质程度和孔隙结构和比表面积及化学成份有关，呈马鞍型变化。马鞍型变化。3 3 温度温度2 2 气体性质气体性质dadWXMX31.0114 4 煤体表面的吸附作用煤体表面的吸附作用4.34.3 不同变质程度煤的吸附瓦斯量不同变质程度煤的吸附瓦斯量 图图2 2 不同变质程度煤的吸附瓦斯量不同变质程度煤的吸附瓦斯量 （“t=30t=30，p=2 MPap

11、=2 MPa ）1 1、2 2、3 3一非突出煤；一非突出煤；4 4、5 5，6 6一突出煤；一突出煤；1 1、4 4一新容量法一新容量法2 2、5 5一重量法，一重量法，3 3、6 6一旧容量法一旧容量法4 4 煤体表面的吸附作用煤体表面的吸附作用 4.3 4.3煤层瓦斯含量主要决定因素煤层瓦斯含量主要决定因素煤的变质程度煤的变质程度煤层瓦斯含量主要决定因素煤层瓦斯含量主要决定因素水文地质条件水文地质条件地质构造地质构造煤层赋存条件煤层赋存条件煤层围岩性质煤层围岩性质 煤层有露头瓦斯易于排放，无露头瓦斯易于保存；煤层有露头瓦斯易于排放，无露头瓦斯易于保存；对对同一煤层，瓦斯风化带以下，煤层瓦

12、斯含量随深度加大同一煤层，瓦斯风化带以下，煤层瓦斯含量随深度加大而增大；而增大；在其它条件相同，同一开采深度上，煤层倾角在其它条件相同，同一开采深度上，煤层倾角越小，煤层所含瓦斯越多。越小，煤层所含瓦斯越多。围岩致密完整、不透气时，煤层瓦斯易于保存；反之，围岩致密完整、不透气时，煤层瓦斯易于保存；反之，煤层瓦斯易于逸散。煤层瓦斯易于逸散。煤的变质程度越高，生成的瓦斯量越大。当其它条煤的变质程度越高，生成的瓦斯量越大。当其它条件相同，煤的变质程度越高，煤层瓦斯含量就越大。件相同，煤的变质程度越高，煤层瓦斯含量就越大。地下水交换活跃地区，水能从煤层中带走大量瓦斯地下水交换活跃地区，水能从煤层中带走

13、大量瓦斯，从而使煤层瓦斯含量明显减少。，从而使煤层瓦斯含量明显减少。开放性构造是煤层有利于瓦斯的放散，因此开放性开放性构造是煤层有利于瓦斯的放散，因此开放性构造发育煤层，瓦斯含量就小；封闭性构造，阻断瓦斯构造发育煤层，瓦斯含量就小；封闭性构造，阻断瓦斯放散通道，相应煤层瓦斯含量大。放散通道，相应煤层瓦斯含量大。4 4 煤体表面的吸附作用煤体表面的吸附作用 1 1 矿井瓦斯的性质矿井瓦斯的性质 2 2 瓦斯赋存状态瓦斯赋存状态 3 3 煤的孔隙特征煤的孔隙特征 4 4 煤体表面的吸附作用煤体表面的吸附作用 5 5 煤层瓦斯封存的构造条件煤层瓦斯封存的构造条件 6 6 瓦斯运移瓦斯运移 7 7 瓦

14、斯分带特征瓦斯分带特征 5.1 5.1 构造升降运动对瓦斯保存条件的影响构造升降运动对瓦斯保存条件的影响 构造升降运动可以改变地层的温压条件打破原有瓦斯吸附构造升降运动可以改变地层的温压条件打破原有瓦斯吸附平衡关系，使吸附气与游离气与相转化，从而影响瓦斯的保存。平衡关系，使吸附气与游离气与相转化，从而影响瓦斯的保存。一般情况下，随着煤层埋藏深度的增加，含气量也增加，一般情况下，随着煤层埋藏深度的增加，含气量也增加，这主要是因为随着煤层埋深增大，煤的演化程度增高，生气条这主要是因为随着煤层埋深增大，煤的演化程度增高，生气条件变好，同时随着煤层埋深增大，煤层压力增大，封闭条件相件变好，同时随着煤层

15、埋深增大，煤层压力增大，封闭条件相对变好，煤的吸附量随之增加。另一方面由于构造抬升，上覆对变好，煤的吸附量随之增加。另一方面由于构造抬升，上覆地层，特别是有效地层厚度变薄，导致瓦斯的散失，如徐州、地层，特别是有效地层厚度变薄，导致瓦斯的散失，如徐州、山东等地一些煤田的煤层埋藏过浅，瓦斯保存量甚微。山东等地一些煤田的煤层埋藏过浅，瓦斯保存量甚微。5 5 煤层瓦斯封存的构造条件煤层瓦斯封存的构造条件 5.2 5.2 断裂对瓦斯保存条件的影响断裂对瓦斯保存条件的影响 断裂的影响是多方面的，特别是断裂类型，不仅对煤层的断裂的影响是多方面的，特别是断裂类型，不仅对煤层的完整性和煤层的封闭条件对煤体结构、

16、显微特征和煤的孔渗性完整性和煤层的封闭条件对煤体结构、显微特征和煤的孔渗性均有个同程度的影响。均有个同程度的影响。5.2.1断裂的封闭性和开放性断裂的封闭性和开放性 正断层一般为开放型，封闭性较差，逆断层多属压性、压正断层一般为开放型，封闭性较差，逆断层多属压性、压扭性，封闭性能好扭性，封闭性能好(见图见图245)。华北地区形成的断裂多为阶。华北地区形成的断裂多为阶梯状以正断层为主，保存条件欠佳。华南多为压性、压扭性梯状以正断层为主，保存条件欠佳。华南多为压性、压扭性构造，对瓦斯保存有利。构造，对瓦斯保存有利。5 5 煤层瓦斯封存的构造条件煤层瓦斯封存的构造条件图图 断层与瓦斯富集与保存模式断

17、层与瓦斯富集与保存模式 压性、压扭性断层表现为逆断层或压性走滑断层，断层面压性、压扭性断层表现为逆断层或压性走滑断层，断层面为密闭型，瓦斯难以透过断层面运移。同时，断层面附近成为为密闭型，瓦斯难以透过断层面运移。同时，断层面附近成为构造应力集中带，可加大煤层压力，使瓦斯吸附量增加，而且构造应力集中带，可加大煤层压力，使瓦斯吸附量增加，而且煤层本身裂缝增多。张性断层表现为正断层或拉张性走滑断层煤层本身裂缝增多。张性断层表现为正断层或拉张性走滑断层，断层面为开放性，往往成为瓦斯运移的极好通道。断层面附，断层面为开放性，往往成为瓦斯运移的极好通道。断层面附近为低压区，煤层甲烷大量解吸，台气量下降。但

18、在远离断层近为低压区，煤层甲烷大量解吸，台气量下降。但在远离断层面的两侧一般形成两个构造应力高压区，平行断层成对称条带面的两侧一般形成两个构造应力高压区，平行断层成对称条带状，煤层中烷含量相对升高。状，煤层中烷含量相对升高。5 5 煤层瓦斯封存的构造条件煤层瓦斯封存的构造条件5.2.2断裂规模断裂规模 断裂规模人，持续时间长，煤层为高渗层；断裂宽，充填断裂规模人，持续时间长，煤层为高渗层；断裂宽，充填少，周边裂隙发育，甲烷容易散失。相反，断裂规模小，持续少，周边裂隙发育，甲烷容易散失。相反，断裂规模小，持续时间短，对盘为封闭层，断裂窄，充填好，裂隙不发育，瓦斯时间短，对盘为封闭层，断裂窄，充填

19、好，裂隙不发育，瓦斯不易散失，保存条件好。不易散失，保存条件好。5 5 煤层瓦斯封存的构造条件煤层瓦斯封存的构造条件 5.3 5.3 圈闭对瓦斯保存条件的影响圈闭对瓦斯保存条件的影响 圈闭类型对瓦斯保存起决定性作用，分背斜构造、向斜构造。圈闭类型对瓦斯保存起决定性作用，分背斜构造、向斜构造。5.3.1 背斜构造背斜构造 两翼与轴部中和面以下表现为压应力，应力明显集中，这些部两翼与轴部中和面以下表现为压应力，应力明显集中，这些部位一般为高压区。背斜轴部中和面以上表现为拉张应力，产生大量位一般为高压区。背斜轴部中和面以上表现为拉张应力，产生大量的张性裂隙或断层，应力释放快，造成低压区。的张性裂隙或

20、断层，应力释放快，造成低压区。煤层甲烷在背斜的两翼能较好地封存，在轴部就要看煤层与中煤层甲烷在背斜的两翼能较好地封存，在轴部就要看煤层与中和面的关系，中和面以上煤层甲烷易散，中和面以下煤层甲烷易聚和面的关系，中和面以上煤层甲烷易散，中和面以下煤层甲烷易聚集。若泥岩盖层发育良好，裂隙不发育，中和面以上煤层也能富含集。若泥岩盖层发育良好，裂隙不发育，中和面以上煤层也能富含甲烷，两翼煤层的甲烷也会向轴部运移，造成煤层甲烷富集。甲烷，两翼煤层的甲烷也会向轴部运移，造成煤层甲烷富集。5 5 煤层瓦斯封存的构造条件煤层瓦斯封存的构造条件5 5 煤层瓦斯封存的构造条件煤层瓦斯封存的构造条件5 5 煤层瓦斯封

21、存的构造条件煤层瓦斯封存的构造条件5 5 煤层瓦斯封存的构造条件煤层瓦斯封存的构造条件 5.3.1 向斜构造向斜构造 两翼与袖部中和面以上去现明显的压应力集中；中和面以两翼与袖部中和面以上去现明显的压应力集中；中和面以下表现为拉张应力。向斜的两翼和轴部往往为煤层甲烷含虽高下表现为拉张应力。向斜的两翼和轴部往往为煤层甲烷含虽高异常区。向斜轴部中和面以下的瓦斯封存较差。当煤层埋深较异常区。向斜轴部中和面以下的瓦斯封存较差。当煤层埋深较大，底板为厚层泥岩时，中和面以下也会出现瓦斯富集。大，底板为厚层泥岩时，中和面以下也会出现瓦斯富集。5 5 煤层瓦斯封存的构造条件煤层瓦斯封存的构造条件 5.3.3

22、向斜和单斜易于形成水封堵气藏向斜和单斜易于形成水封堵气藏 这种瓦斯有利保存区带是近供水区和承压区，水充填于孔、裂隙中，这种瓦斯有利保存区带是近供水区和承压区，水充填于孔、裂隙中，形成水体压力圈闭。如黑勇士盆地煤层瓦斯气田分布于阿帕拉契亚隆起的形成水体压力圈闭。如黑勇士盆地煤层瓦斯气田分布于阿帕拉契亚隆起的伯明翰复向斜西部向西南倾没的单斜部位，圣胡安盆地水果地组煤层瓦斯伯明翰复向斜西部向西南倾没的单斜部位，圣胡安盆地水果地组煤层瓦斯气田位于中生代构造盆地北部单斜部位和中部向斜地区气田位于中生代构造盆地北部单斜部位和中部向斜地区 5 5 煤层瓦斯封存的构造条件煤层瓦斯封存的构造条件 1 1 矿井瓦斯的性质矿井瓦斯的性质 2 2 瓦斯赋存状态瓦斯赋存状态 3 3 煤的孔隙特征煤的孔隙特征 4 4 煤体表面的吸附作用煤体表面的吸附作用 5 5 煤层瓦斯封存条件煤层瓦斯封存条件 6 6 瓦斯运移瓦斯运移 7 7 瓦斯分带特征瓦斯分带特征 图图 顶板密封条件下瓦斯流动示意图顶板密封条件下瓦斯流动示意图 图图 顶板有顶板有“气窗气窗”瓦斯流动示意图瓦斯流动示意图6 6 瓦斯运移瓦斯运移 图图 有断裂通道瓦斯流动示意图有断裂通道瓦斯流动示意图 图图 顶板透气层瓦斯流动示意图顶板透气层瓦斯流动示意图6 6 瓦斯运移瓦斯运移