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1、煤 矿 瓦 斯 灾 害 防 治煤层瓦斯的生成与赋存,瓦斯是煤矿安全的“第一杀手”,表 新中国成立以来的100人以上的矿难,瓦斯爆炸后果举国震惊，世界震惊。严重危害社会的安定，损害了国家的形象。,温家宝总理看望陕西省铜川矿务局陈家山矿难家属。,四川省2007年112月份瓦斯事故统计表,第一节 煤矿瓦斯的基本认识,1.1 瓦斯的定义 瓦斯 是指在煤矿生产过程中，从煤层、岩层和采空区放出的，以甲烷（CH4）为主要成分的各种有害气体的总称。主要成分：甲烷（主要成分）、二氧化碳、氮气，还有少量的乙烷、乙烯、氢气、一氧化碳、二氧化碳、硫化氢和二氧化硫等。我国规定：矿井中主要由煤层气构成的以甲烷为主的有害气
2、体叫瓦斯。狭义而言：瓦斯有时专指甲烷。,1.2 瓦斯的生成,煤的形成大可分为两个时期或阶段：第一阶段：泥炭化阶段，生成的气体物质主要为CH4、CO2和H2O。这一过程发生于地表附近，生成的气体大部分散失于大气中。第二阶段：煤化作用阶段，是煤质变化成气时期。生成的气体物质主要为CH4、CO2。煤层瓦斯瓦斯沿深度呈带状分布：当煤层有露头或在冲冲积层下有含煤地层时，煤化过程生成的瓦斯经煤层、上覆岩层和断层不断由煤层深部向地表运移；而地表的空气和生物化学生成的气体，则由地表向煤层深部渗透和扩散。由于这两种反向运移的结果，造成了煤层瓦斯组分沿赋存深度的带状分布。如下图1-3所示。,图1-3顿巴斯煤田煤层
3、瓦斯组分在各瓦斯带中的变化氮气二氧化碳带；氮气带；氮气甲烷带；甲烷带,瓦斯带的前三带统称为瓦斯风化带。瓦斯风化带下部边界煤层中甲烷组分含量为80%；煤层瓦斯压力为0.10.15MPa，煤的瓦斯含量为23%（烟煤）和57%(无烟煤)；在瓦斯风化带开采煤层时，其相对瓦斯涌出量一般不超过2m3/t。,图1-4 各煤化阶段甲烷生成量曲线,由上图1-4可以看出，成煤过程生成的瓦斯量是很大的，最高可达300400m3/t，但煤矿开采实践表明。煤层瓦斯含量一般不超过2030 m3/t，由此看来，成煤过程生成瓦斯的绝大部分已经逸散到大气中，扩散到煤层围岩或运移至储气构造形成煤层气田。,1.3 瓦斯生成的影响因
4、素及其分析,在煤化作用过程中，瓦斯将不断地产生，煤化作用程度越高，累积产生的瓦斯量就越多，其主要原因是：第一，煤层瓦斯的伴生量直接依赖于煤化作用程度；第二，随着煤化作用程度的加深煤的气体渗透率下降，煤的储气能力提高，气体沿煤层向地表运移能力减弱；第三煤化作用程度越高，煤中微孔隙和超微孔隙所占比例提高，煤的吸附能力增强。因此煤化作用程度不仅影响瓦斯的生成量，而且对瓦斯的吸咐能力也有影响。在成煤初期，褐煤的结构疏松，孔隙率大，瓦斯分子能渗入煤体内部，但是，由于该阶段瓦斯生成量较少且不易保存，煤中实际所含瓦斯量并不大。,在变质作用过程中，由于地应力的作用，煤的孔隙率减少，煤质渐趋致密，如长焰煤，其孔
5、隙和比表面积都比较小，所以吸咐瓦斯的能力并不大，其吸附量一般在：20m3/t30m3/t。随着变质作用程度提高，在高温、高压作用下，煤体内部因干馏作用而生成许多微孔隙，使煤的表面积到无烟煤时为最大；因此，无烟煤吸附瓦斯的能力最强，可达50m3/t60m3/t。以后，煤体内部的微孔又收缩、减少，到石墨时变为零。从而导致吸附瓦斯能力消失（图1-5）。,图1-5 不同煤级煤对瓦斯的吸附能力,1.3 瓦斯在煤体中的存在状态,1）游离状态2）吸附状态,图1-6 瓦斯在煤体中存在的形态示意图1-游离瓦斯；2吸附瓦斯；3吸收瓦斯；4煤体；5孔隙,瓦斯在煤层中的存在状态，有吸附、游离两种状态，其中吸附是主要的
6、，大致占80%90%。1m3煤可以吸附3040m3的瓦斯。吸附瓦斯与瓦斯压力有关，当煤层的瓦斯压力逐渐变小时，吸附瓦斯就会转变为游离瓦斯，反之也对。故煤体中的吸附瓦斯和游离瓦斯，是处于动态平衡状态。原始煤层经采动，采、掘工作面前方煤壁的游离瓦斯首先涌向采掘工作面空间，越靠近煤壁，瓦斯压力越小，吸附瓦斯则越容易转变为游离瓦斯-即所谓解吸。随着工作面向前推进，煤层内的瓦斯就将不断涌向采掘空间。,图1-7 瓦斯含量与温度、压力的关系,煤的瓦斯含量与温度、瓦斯正力的关系如图1-7所示，该图是某一煤样的测定曲线，从中可以看出：由吸附瓦斯和游离瓦斯组成的总瓦斯量随瓦斯压力增大而提高，随温度的升高而降低。这
7、是因为在一定温度下，当瓦斯压力升高时，则意味着单位体积内瓦斯分子数增加，从而增大了瓦斯分子与煤体吸附机会；当吸附量增加到一定程度后，就渐趋于饱和；目前认为，一般在瓦斯压力超过5MPa以后，吸附量基本上达到饱和范围。,煤与瓦斯一对双胞胎,瓦斯是与煤同时生成的，并存储于煤层和围岩之中，煤的地方必然有瓦斯。我们采煤时，瓦斯必然涌出来。不仅采落的煤炭涌出瓦斯。煤壁、煤层顶底板、采空区、邻近的煤层都会向采掘工作面涌出瓦斯。因此，在煤矿井下，瓦斯时刻威胁着我们。煤层附近的岩层，比如砂岩、石灰岩中，也可能存储瓦斯，岩石内的瓦斯，主要是游离瓦斯。,1.4 瓦斯的性质,瓦斯的性质是瓦斯所含各个成分性质的总和。甲
8、烷（CH4）性质 无色、无嗅、无味的可燃气体；比重0.554，比空气轻；微溶于水，具有强扩散性，其扩散速度是空气的1.34倍；在微风或无风的巷道中，由于瓦斯轻，易浮在巷道顶部，所以要规定风流的最低风速，防止瓦斯积聚。,有燃烧和爆炸性；,甲烷燃烧和爆炸的条件:（1）必须有高温热源或火源引燃或引爆；（2）甲烷浓度在516时才具爆炸性；这就是爆炸界限。当浓度为9.5时，爆炸的危险性和爆炸威力最大。瓦斯浓度在0%5%，为助燃区间；而瓦斯在大于16%时，为扩散燃烧区，即在与空气混合的界面上可被点燃；在5%16%为爆炸区，这是最危险的、过去最容易发生的。（3）空气中氧的含量要高于12。,空气中甲烷含量达到
9、一定浓度(超过40)时，可使人窒息。川南某重灾国有煤矿1970到1993年发生的瓦斯事故，死亡54人，其中28人是窒息死亡的，占51.85%。温室效应性 温室效应是CO2的21倍。目前瓦斯抽出来后要强调利用。,井下瓦斯含有的主要有毒有害气体,1.5 煤层瓦斯含量及影响因素,瓦斯含量定义 计算瓦斯含量：式中：X煤层瓦斯含量，m3/t；a吸附常数，试验温度下的极限吸附量，m3/t；b吸附常数，MPa1；P煤层绝对瓦斯压力，MPa；Aad煤的灰分，；Mad煤的水分，；K煤的孔隙体积，m3/m3；煤的视密度，t/m3。,1）地质部门提供的瓦斯含量（数据）认识ml/g,r(“g,r”克可燃物、或克纯煤)
10、，m3/t,r(“t,r”-吨可燃物、或吨纯煤）；煤层瓦斯含量X XX0（100AadMad）/1002）煤层瓦斯压力变化规律 PP0m(Z-Z0)P在深度为Z处的瓦斯压力，MPa；P0 瓦斯风化带深度的瓦斯压力，0.150.25MPa；Z0 瓦斯风化带深度，m；m 瓦斯压力梯度，MPa/m，取0.010.005 一般情况下，煤层的瓦斯压力随深度的增加而有规律地增加，可能大于、等于或小于同水平静水压力。个别地区，如地质构照附近瓦斯压力可能异常。如淮南潘集一号井，垂深650m的一号石门内测得瓦斯压力为4.2 MPa，而在其相邻的另一石门内测得0.6 MPa。可见，煤层瓦斯的压力应该进行实际测量。
11、,（3）取煤样送检测定煤吸附瓦斯常数a（即吨可燃物极限吸附瓦斯量）和b、（视密度）、K（孔隙率）等。,左图为煤的吸附瓦斯量和游离瓦斯量以及总瓦斯量之间的关系，从中可以看出：在瓦斯压力比较低时，吸附瓦斯量占绝大部分，随着瓦斯压力的增大，吸附瓦斯量渐趋饱和。而游离瓦斯所占的比例逐渐提高，因此，在深部地层中，当瓦斯压力较高时，煤层和岩层孔隙中所含有的游离瓦斯量，往往可以达到相当大的数值。,1.6 煤层瓦斯含量影响因素,煤体在从植物遗体到无烟煤的变质过程中，每吨煤至少可以生成100m3以上的瓦斯。但是，在目前的天然煤层中，最大的瓦斯含量不超过50m3/t。究其原因，一方面是由于煤层本身含瓦斯的能力所限
12、；另一方面是因为瓦斯是以压力气体存在于煤层中，经过漫长的地质年代，放散了大部分，目前储藏在煤体中的瓦斯仅是剩余的瓦斯量，因此，可以说煤层瓦斯含量的多少主要取决于保存瓦斯的条件，而不是生成瓦斯量的多少；也就是说不仅取决于煤质牌号，而更主要的是取决于储存瓦斯的地质条件，根据目的的研究成果认为，影响煤层瓦斯含量的主要因素有：煤层的埋藏深度，煤层和围岩的透气性，煤层倾角，煤层露头，地质构造。,1）煤层的埋藏深度 埋深的增加不仅会因地应力增高而使煤层及围岩的透气性变差，而且瓦斯向地表运移的距离也增长，这二者都有利于封存瓦斯。研究表明：当深度不大时，煤层瓦斯含量随埋深增大而有规律增加，一般情况下，深度每增
13、加100m，煤层瓦斯含量可增加0.51.1m3/t。当埋深达到一定值后，煤层瓦斯含量将趋于常量。原苏联的一些矿区实测瓦斯含量与深度之间的关系证实了上述分析，见下图。,煤系地层岩性组合及其透气性对煤层瓦斯含量有重大影响。一般情况下，煤层及其围岩透气性越大，瓦斯越易流失，煤层瓦斯含量就越小；反之，瓦斯易于保存，煤层的瓦斯含量就大。古蔺矿区煤系（二叠系上统龙潭组）主要岩层由泥岩、砂质泥岩、细砂岩、粉砂岩，而且厚度大（厚85140m），横向岩性变化小，围岩的透气性差，封闭瓦斯的条件好，故煤层瓦斯压力高，瓦斯含量大，因此古蔺县煤矿大多数为高瓦斯或煤与瓦斯突出矿井。,2）煤层和围岩的透气性,从上表看出：孔
14、隙与裂缝发育的砂岩、砾岩和灰岩的透气性系数非常大，它比致密而裂隙不发育的岩石（如砂页岩、页岩、泥质页岩等）的透气性系数高成千上万倍；故而在漫长的地质年代中，会排放大量的瓦斯。现场实践表明：煤层顶底板透气性低的岩层（如泥岩、胶结致密的细碎屑岩、裂隙不发育的灰岩等）越厚，它们在煤系地层中所占的比例越大，则往往煤层的瓦斯含量越高。例如重庆、贵州六枝、湖南涟邵等地区其煤系主要岩层均是泥岩、页岩、砂页岩、粉砂岩和致密的灰岩，而且厚度大，横向岩性变化小、围岩的透气性差，封闭瓦斯的条件好，所以煤层瓦斯压力高，瓦斯含量大。这些地区的矿井往往是高瓦斯或有煤与瓦斯突出危出的矿井。反之，当围岩是由厚层中、粗砂岩、砾
15、岩或是裂隙溶洞发育的灰岩组成时，煤层瓦斯含量往往较小；例如山西大同煤田煤层顶底版主要是厚层砂岩、透气性好，故而煤层瓦斯含量较低。,3）煤层倾角,目前认为，在同一埋深及条件相同情况下，煤层倾角越小，煤层的瓦断含量就越高。例如芙蓉煤矿北翼煤层倾角陡（4080），相对瓦斯涌出量约为20m3/t，南翼煤层倾角缓（612），相对瓦斯涌出量则高达150m3/t，而且还有瓦斯突出现象。发生这种现象的原因主要在于，煤层渗透性一般大于围岩，煤层倾角小，在顶底板密封条件好的条件下，瓦斯越不容易通过煤层排放，煤体中产生的瓦斯容易得到贮存；故而煤层的瓦斯含量高，瓦斯涌出量大。,4)煤层露头,煤层露头是瓦斯向地面排放的
16、出口，因此，露头存在时间越长，瓦斯排放就多，煤层有露头瓦断含量往往较低。,5）地质构造,地质构造是影响煤层瓦斯存贮的最重要的条件之一。封闭型地质构造有利于封存瓦斯，开放型地质构造有利于排放瓦斯；地质构造对煤层瓦斯存贮的影响包括如下几个方面：褶曲构造 现场实践表明，闭合而完整的背斜或穹窿又覆盖不透气的地层是良好的贮瓦斯构造，在其轴部煤层内往往存高压瓦斯，形成“气顶”。如图1-10（a，b）所示。受地质构造影响形成煤层局部变厚的大煤包也会出现瓦斯增高现象，如图1-10（c，d，e）所示。向斜构造一般轴部的煤层瓦斯含量比翼部高，如图1-10（f）所示。由两条封闭性断层与致密岩层封闭的地垒或地堑构造也
17、能成为瓦斯含量增高区，如图1-10（g，h）所示。,图1-10 几种常见的储瓦斯构造1不透气岩层；2煤层瓦斯含量增高部位；3煤层,断裂构造 断层对煤层瓦斯含量的影响比较复杂，在实际工作中,一方面要看断层（带）的封闭性，另一方面还要看与煤层接触的对盘岩层的透气性。目前的研究认为。开放性断层（一般是张性，张扭性断层）会引起断层附近的煤层瓦斯含量降低。如图1-11（a，b）所示。封闭性断层可以阻止煤层瓦斯排放，煤层往往具有较高的瓦斯含量。实际上大断层往往会出观一定宽度的瓦斯排放带，在这个带内瓦斯含量降低，如图1-11（c，d）。由于断层集中应力带的影响，距断层一定距离的岩层与煤层的透气性因受集中应力
18、作用而增大，故而会出现瓦斯含量增高区并且有利于瓦斯抽采，这一点在实际瓦斯抽采工作中应当引起注意。,图1-11 断层对煤层瓦斯含量影响示意图1瓦斯流失区；2瓦斯含量降低区；3瓦斯含量增高区；4瓦斯含量正常区；5地表,煤化程度 煤是天然的吸附体，煤层的煤化程度越高，其存储瓦斯的能力就越强。目前认为一般情况下，在瓦斯带内，尚若其它因素相同，则煤化程度不同的煤，其瓦斯含量不仅有所不同，而且随深度增加，其瓦斯含量增加的量也有所不同。水文地质条件 地下水与瓦斯共存于含煤岩系及围岩之中，它们的共性是均为流体，其运移和赋存都与 煤层和岩层的孔隙、裂隙通道有关。由于地下水的运移一方面驱动着裂隙和孔隙中瓦斯的运移；另一方面又带动了溶解于水中的瓦斯一起流动。因此地下水的活动有利于瓦斯的排放。同时，水吸附在裂隙和孔隙的表面，还降低了煤对瓦斯的吸咐能力及排放能力。地下水和瓦斯占有的空间是互补的，其表现为水大地带瓦斯小，反之，水小地带瓦斯大。,图 112 原苏联库兹巴斯煤田苋麦罗夫矿区水气对比曲线图,
