《瓦斯影响因素》PPT课件.ppt

1,影响煤层瓦斯赋存的 主要地质因素,2011.3.,2,影响煤层瓦斯赋存的主要地质因素,提 纲 相关术语和知识； 影响煤层瓦斯赋存的主要地质因素： 沉积环境及煤田地质史；煤层露头；埋藏深度；煤层及其围岩的透气性；煤层倾角；煤的变质程度；地质构造；水文地质条件；岩浆活动.,3,相关术语和知识,煤层瓦斯是与煤伴生，主要吸附在煤体或游离于煤及围岩空隙中以甲烷为主的可燃气态地质体，有时单独指甲烷。煤层是其主要储集层，故亦称煤层气，是不可再生的洁净能源。 矿井瓦斯是指煤矿井采掘过程中从煤层、围岩、采空区释放出的，以及生产过程中产生的各种有害气体的总称，又称沼气，成分以甲烷(CH4)为主，还有CO2、N2、CO、H2S、SO2、H2、重烃等。,4,相关术语和知识,煤层瓦斯含量是指单位重量或体积煤中所含的瓦斯量（m3/t 或m3/m3）。 矿井瓦斯涌出量是指在矿井生产过程中涌入采掘空间的瓦斯量。分别可用绝对瓦斯涌出量（m3/min或m3/d）和相对瓦斯涌出量（m3/t）表示。 涌出量与煤层瓦斯含量正相关。,5,相关术语和知识,矿井瓦斯类型 显然，煤矿井采掘中瓦斯的涌出是不可避免的。涌出量通常与煤层瓦斯含量、压力；地应力及采掘应力；煤的物理力学性质等因素有关。涌出方式有：一般涌出、异常涌出和突、喷出。 按矿井瓦斯涌出量和涌出方式可将矿井分为：瓦斯矿井；高瓦斯矿井；煤与瓦斯突出矿井。瓦斯突、喷出是煤层瓦斯的一种动力现象。,6,相关术语和知识,煤层气地面预抽的意义 （1）减灾增效。通过一定时期的地面煤层气预抽采可有效降低开采煤层的瓦斯压力和含量，有效防止矿井瓦斯喷出、煤与瓦斯突出和瓦斯局部积聚、瓦斯爆炸等瓦斯灾害；使矿井瓦斯涌出量降至可风排的程度； （2）提供洁净能源，缓解大气污染。 （3）提高矿井备采地段的地质探明程度。,7,相关术语和知识,煤的孔隙性、孔隙率 煤是一种多孔性、孔隙系统发达的可燃有机岩。煤的孔隙性决定着煤吸附瓦斯的能力、煤的渗透性和强度等性质。煤中具有孔隙直径小至5 大至数百万 的不同数量级的孔隙系统 (1 =10m ) 。 按煤的组成及其结构性质，煤中孔隙可分为： 宏观孔隙 (大孔) 1000 渗透容积 显微孔隙 (过渡孔) 100-1000 扩散容积 分子孔隙 (微孔) 100 吸附容积 孔隙率是煤中孔隙体积与实体煤体积之比率。 煤孔隙率的大小与煤的变质程度有关。,8,相关术语和知识,吸附性 煤是一种很好的吸附剂。吸附作用是瓦斯分子在煤表面上凝结与蒸发的可逆过程. 煤吸附瓦斯量的多少主要取决于煤的变质程度，同时还取决于瓦斯压力、煤体温度、煤中内在水分及煤岩组分等。 煤中瓦斯的赋存形态 吸附态：以单分子薄膜形式凝聚在煤的微孔和超微孔的表面上，CH4分子和C分子相互吸引的结果。 游离态：自由充填在煤的小孔、中孔、大孔或裂隙中的瓦斯，存在于渗透容积之中。 还应有液态、固溶体或两相体等。,9,相关术语和知识,800-1000m采深的中等变质煤中各种瓦斯形态及构成表,10,相关术语和知识,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；,通常，吸附瓦斯占80%-90%，微孔、超微孔的内表面积高达200m/g，吸附容积相当大。 吸附与游离瓦斯依温压条件的变化处于动平衡状态。,11,相关术语和知识,瓦斯固溶态 瓦斯水化物(hydrate)是瓦斯和水所形成的类冰状固态化合物。 水化物通常是当温度低于水化物形成温度时而生成。瓦斯水化物形成的主要条件是： 瓦斯含量处于近饱和状态 ； 足够高的压力和足够低的温度。 瓦斯水化物（可燃冰）密度很大，有些呈固态。地质学家和石油开采工程师早就知道这种冰原黄金的存在和价值，可是因为技术不够成熟，还不敢开采。 我国南海和东海均有发现，黄海水域也应有资源蕴藏。,12,相关术语和知识,2008年11月，国土资源部在青海省祁连山 南缘永久冻土带(青海省天峻县木里镇，海拔4062m)成功钻获天然气水合物(可燃冰)实物样品。1m的可燃冰在常温常压下可释放164m的天然气及0.8m的淡水。,13,相关术语和知识,瓦斯压力、温度对瓦斯吸附的影响： 等温吸附试验 （试验温度为28，并采用平衡水分煤样和30、 40）结果：,14,相关术语和知识,除煤岩类型、煤阶、煤中水分含量对煤的吸附能力有重要影响外。瓦斯成分对吸附也有影响。对于指定的煤，在给定温度与瓦斯压力条件下，煤体对于二氧化碳(CO2) 、甲烷(CH4) 和氮气(N2) 的吸附能力不同，其吸附能力大小关系为：CO2 CH4 N2 。,15,相关术语和知识,吸附时间 吸附时间由罐装煤样解吸试验求得，定义为实测气体体积累计达到63%所对应的时间。 显然，吸附时间短，则煤层气井有可能在短期内达到产能高峰，有利于缩短开发周期，但不利于煤层气井的长期稳产。 煤层气的吸附时间变化较大。例如，美国圣胡安盆地、中阿巴拉契亚等为1-5d，黑勇士盆地为1-30d，北阿巴拉契亚为80-100d，长短相差悬殊，最大值与最小值相差达100倍以上。,16,相关术语和知识,临界解吸压力 临界解吸压力（Pcd）系指在等温曲线上煤样实测含气量（Q）所对应的压力值。 煤层气临界解吸压力与煤层瓦斯含量及吸附解吸特性呈函数关系，是估算煤层瓦斯抽放率的重要参数。临界解吸压力与储层压力之比（简称为临储压力比）往往决定了地面煤层气开采中排水降压的难易程度。,17,相关术语和知识,瓦斯的解吸特性 瓦斯解吸是煤中瓦斯由于储层压力降低，由吸附瓦斯转变成游离瓦斯的过程。在降压过程中，吸附/解吸动态平衡的结果是造成瓦斯吸附量的减少。煤储层解吸特性常用解吸率和解吸速率来衡量。 我国现有煤层瓦斯含量资料多有4部分组成，即逸散量、现场两小时解吸量、真空加热脱气量和粉碎脱气量。逸散气量、解吸气量之和与总气量的体积百分比称为可解吸率。 我国煤的吸附特性变化较大：煤层甲烷解吸率变化于9.1%-59.0%之间。解吸速率往往采用吸附时间来定量表示。,18,影响煤层瓦斯赋存的主要地质因素, 沉积环境及煤田地质史 沉积环境 沉积环境及其演化，影响着煤层围岩岩性、厚度及其岩性组合特征。沉积相组合决定了含煤岩系的岩性组合，而瓦斯的形成与保存条件无一不是沉积环境的物质反映，所以沉积环境对岩层的透气性，瓦斯的保存或逸散有着重要的影响。,19,影响煤层瓦斯赋存的主要地质因素,煤田地质史 煤层瓦斯生成、瓦斯含量分布以及瓦斯向地表的运移，取决于煤田地质史。成煤后地壳的上升将使剥蚀作用加强，从而给煤层瓦斯向地表运移提供了条件；当成煤后地表下沉时，煤田为新的沉积物掩盖，从而减缓了煤层瓦斯的逸散。,20,影响煤层瓦斯赋存的主要地质因素,2.煤层露头 暴露式煤田，煤层瓦斯往往沿煤层露头排放，瓦斯含量大为减少。 隐伏式煤田，如果盖层厚度较大，透气性又差，煤层瓦斯常积聚储存；反之，若盖层薄，透气性好，容易使煤层中的瓦斯缓慢逸散，煤层瓦斯含量一般不大。 在评价一个煤田的暴露情况时，不仅要注意煤田当前的暴露程度，还要考虑到成煤后整个地质时期内含煤地层的暴露情况及瓦斯风化过程的延续时间。,21,影响煤层瓦斯赋存的主要地质因素,埋藏深度 在瓦斯风化带以下，煤层瓦斯含量、压力和瓦斯涌出量与埋深的增加往往具有正相关关系。 一般，煤层瓦斯压力随着埋藏深度的增加而增大。而瓦斯压力的增大，煤中的吸附瓦斯渐趋饱和，同时煤与围岩中游离瓦斯量所占的比例增大。因此，在一定深度内，煤层瓦斯含量亦随埋藏深度的增大而增加。但若埋藏深度继续增大，瓦斯含量增加的速度将要减慢。下表是前苏联学者黎金作的一个计算实例。,22,影响煤层瓦斯赋存的主要地质因素,煤层甲烷含量与埋深的关系,（据黎金，1962）,22,23,影响煤层瓦斯赋存的主要地质因素,埋藏深度的增加，不仅因地应力增高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； 当深度不太大时，煤层瓦斯含量随埋深呈线性增加；当深度很大时，煤层瓦斯含量趋于常量。 焦作煤田，在不受断层与地质构造影响的地段，W0.038H+6.58； 英国煤矿，深度每增加100m，煤层甲烷含量增加0.5-1.1m/t。,24,影响煤层瓦斯赋存的主要地质因素, 煤层及其围岩的透气性 煤层围岩是指煤层直接顶、老顶和直接底板等在内的一定厚度范围的岩层。煤层及其围岩隔气、透气性能对煤层瓦斯赋存有重要影响。 一般来说，当煤层顶板岩性为致密完整的岩石，如页岩、油母页岩时，煤层中的瓦斯容易被保存下来；顶板为多孔隙或脆性裂隙发育的岩石，如砾岩、砂岩时，瓦斯容易逸散。 煤层及其围岩的透气性不仅与煤岩层特征有关，还与一定范围内的煤岩层组合及其变形特点有关。不同力学性质的煤岩层组合具有不同的构造表象。,25,影响煤层瓦斯赋存的主要地质因素,不同类型的煤岩层中，裂隙发育是有差异的，对瓦斯赋存条件产生的影响也不同。硬岩层的节理多大致垂直于层面；软岩层则产生密集的、与层面斜交或大致平行的流劈理。,25,26,影响煤层瓦斯赋存的主要地质因素, 煤层倾角 在同一埋深下，一般煤层倾角越小，煤层瓦斯含量越高； 芙蓉煤矿北翼煤层倾角陡(40-80)，瓦斯涌出量约20m/t，无瓦斯突出现象； 南翼煤层倾角缓(6-12),相对瓦斯涌出量150m/t, 瓦斯突出严重。,27,影响煤层瓦斯赋存的主要地质因素,6. 煤的变质程度 一般随煤的变质程度增高，煤对瓦斯的吸附能力增强。 甲烷带内，在其它因素相同条件下，煤化程度不同的煤，煤层瓦斯含量不仅不同，而且随深度增加瓦斯含量增加的量也不同。 但超高变质无烟煤，瓦斯含量不服从上述规律。例如我国湖南梅田矿区的文化村矿大窝井煤，煤变质接近石墨（挥发分3.14），瓦斯含量很低。,28,影响煤层瓦斯赋存的主要地质因素,28,29,影响煤层瓦斯赋存的主要地质因素,29,30,影响煤层瓦斯赋存的主要地质因素, 地质构造 无论何种地质工作，构造分析均是重要的作业。由于构造对地质体是分级控制的，一般可分为大地构造背景和具体构造形迹分析；构造形迹又有尺度的差异。 大地构造背景通常起宏观控制作用。就受力状态一般可分为构造相对挤压带、伸展带和过渡带。 相对挤压带有利于煤层气的赋存，煤层气含量较大，但通常煤体结构破坏较严重，且煤中孔裂隙的连通性差，不利于煤层气的抽采；,31,影响煤层瓦斯赋存的主要地质因素,相对伸展带通常有利于煤层气的逸散，煤层气含量一般较低，但煤体结构基本未遭破坏或破坏较轻微，煤中孔裂隙的连通性也较好，较易抽采； 构造相对挤压带与伸展带的过渡带，含气量、煤体结构破坏程度和煤中孔裂隙的连通性均介于挤压带与伸展带之间，应是煤层气地面预抽采的重要靶区。 构造分析时应注意“化整为零”与“化零为整”的相互对应和协调。,32,影响煤层瓦斯赋存的主要地质因素,33,影响煤层瓦斯赋存的主要地质因素,34,影响煤层瓦斯赋存的主要地质因素,34,35,影响煤层瓦斯赋存的主要地质因素,35,36,影响煤层瓦斯赋存的主要地质因素,构造形迹具体问题具体分析 闭合而完整的背斜又覆盖不透气的地层是良好的储瓦斯构造，在其轴部煤层内往往积存高压瓦斯，形成“气顶” 。,37,影响煤层瓦斯赋存的主要地质因素,向斜构造一般轴部的瓦斯含量比翼部高。 涌出量则不一定。例如抚顺龙风矿，在向斜轴部相对瓦斯涌出量反而比翼部低，这是因为开采越接近向斜轴部，瓦斯补给区域越来越窄小，补给瓦斯量越接近轴部越枯竭以及向斜轴部裂隙较发育，煤、岩透气性好，有利于轴部瓦斯散失的缘故。,38,影响煤层瓦斯赋存的主要地质因素,向斜部位富气的理论基础,39,影响煤层瓦斯赋存的主要地质因素,40,影响煤层瓦斯赋存的主要地质因素,41,影响煤层瓦斯赋存的主要地质因素,42,影响煤层瓦斯赋存的主要地质因素,43,影响煤层瓦斯赋存的主要地质因素,受构造影响形成煤层局部变厚的大煤包也会出现瓦斯含量增高现象。因为煤包周围在构造挤压应力作用下，煤层被压薄，形成对大煤包封闭的条件，有利于瓦斯的封存。,44,影响煤层瓦斯赋存的主要地质因素,断层对煤层瓦斯含量的影响比较复杂，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。 开放性断层(一般是张性、张扭性或导水断层)不论其与地表是否直接相通，都会引起断层附近的煤层瓦斯含量降低，当与煤层接触的对盘岩层透气性大时，瓦斯含量降低的幅度更大。 封闭性断层（一般是压性、压扭性、不导水、现在仍受挤压处于封闭状态的断层)而且与煤层接触的对盘岩层透气性低时，可以阻止煤层瓦斯的排放，在这种条件下，煤层具有较高的瓦斯含量。,45,影响煤层瓦斯赋存的主要地质因素,由两条封闭性断层与致密岩层封闭的地垒或地堑构造也能成为瓦斯含量增高区，特别是地垒构造，若再有深部供气来源，瓦斯含量可能会明显增大。营城五井，砂岩与CO2突出就发生在这种构造区。,46,影响煤层瓦斯赋存的主要地质因素,47,影响煤层瓦斯赋存的主要地质因素,48,影响煤层瓦斯赋存的主要地质因素,8.水文地质条件 水文地质条件一般指矿区或井田含、隔水层的赋存状况，各含水层的富水性、补迳排条件等。 地下水是指存在于地表以下松散堆积物和岩石空隙中的水。大气降水、冰雪融水和地表水体是其主要补给源。地下水有气、液、固三态，是重要的淡水资源。 地下水的分布、储量及其运动均由岩石空隙的数量、大小、形状及其连通情况所决定。空隙度是岩石内空隙的体积与总体积之比。 岩石的空隙包括孔隙、节理和洞穴。,49,影响煤层瓦斯赋存的主要地质因素,隔水层与含水层 空隙连通的岩层，地下水可在其中流动，称为透水层。有的岩层虽有很高的孔隙度但孔隙过小而且连通情况极差，例如粘土层和页岩层，地下水很难在其中流动，称为不透水层或隔水层。透水层若被地下水所充盈就成为含水层。含水层被地下水充盈的程度即富水性。,50,影响煤层瓦斯赋存的主要地质因素,地下水分类,51,影响煤层瓦斯赋存的主要地质因素,52,