《瓦斯地质学》word版.doc

瓦斯地质学第一章 绪论第一节 瓦斯地质学的研究意义一、瓦斯是煤矿安全的第一杀手瓦斯，是一种易燃易爆气体，无色、无味，是威胁煤矿安全生产和矿工生命的最大灾害源。煤炭是我国能源的主体。在我国一次性能源消费结构中，煤炭占70%左右，预计2050年仍将占50%以上，国家能源中长期发展规划纲要（2004-2020）确定了我国“坚持以煤炭为主体、电力为中心，油、气和新能源全面发展”的能源战略。煤炭工业是我国的基础产业，其健康、稳定、持续发展是关系国家能源安全的重大问题。二、瓦斯（煤层气）是重要的洁净能源瓦斯（煤层气）是一种洁净、热效率高、污染低的优质能源，可作为民用和工业燃料以及汽车燃料或用于发电，还可用于生产炭黑、甲醛、化肥和其他工业品。煤层气热值达36-40MJ/m3之间（地球科学大辞典应用科学卷）。甲烷（CH4）占90%以上，每1000m3煤层气热能即相当于381.8kg石油和1.4t标准煤。开发利用煤层气（瓦斯）对减少空气污染、保护大气环境有重要意义。甲烷是“温室气体”（CO2、水气、CH4、NO、氟利昂）之一，以原子为基准甲烷的加热效应是CO2的30倍，甲烷排入大气层对臭氧层的破坏能力是CO2的7倍。据统计，我国因煤炭开采向大气排放的瓦斯（甲烷）约为150亿m3。目前，全国煤矿瓦斯排放量占全部工业生产排放甲烷总量的1/3左右。国家安全生产监督管理总局下发的安监总煤装200788号文件关于加强煤矿瓦斯先抽后采工作的指导意见指出：煤矿瓦斯先抽后采是治理瓦斯是根本性措施，要尽最大能力对煤层瓦斯进行抽采，努力实现煤炭开采前瓦斯抽采的最大化。三、瓦斯地质理论是瓦斯防治最重要的基础瓦斯是一种地质成因的气体地质体，它是在数千万至数亿年中与煤的演化作用相伴生而形成的，它生于煤层、存储于煤层及其围岩之中。它的生成条件、保存条件、赋存和分布规律都受极其复杂的地质演化作用控制，宏观上涉及板块构造和区域地质演化理论，微观上涉及煤的化学结构。瓦斯在煤层中的赋存状态与煤颗粒、煤分子之间的关系经历过极其复杂的地质历史演化过程，其解吸、运移、流动规律涉及流体力学等方面知识；瓦斯的赋存和分布控制着瓦斯的含量、涌出量和煤层气资源量；地质构造复杂程度控制着煤与瓦斯突出的危险性；构造煤的发育特征控制着瓦斯（煤层气）抽采和瓦斯治理的难度。高瓦斯矿井、煤与瓦斯突出矿井的瓦斯防治，是世界产煤国家共同面临的国际性技术难题。我国煤矿95%以上的井工开采，开采深度每年平均以近20m的速度增加着。深部开采使得原来的低瓦斯矿井升为高瓦斯矿进，高瓦斯矿井则升为煤与瓦斯突出矿井。我国高瓦斯矿井、煤与瓦斯突出矿井总数已有5000余对，占我国煤矿总数的一半左右。煤气瓦斯突出机理的研究和认识，目前仍停留在假说阶段，从而导致煤与瓦斯突出灾害防治和事故的处理难度加大。第二节 瓦斯地质学的研究对象和内容二、瓦斯地质学的研究内容1、瓦斯赋存机理研究瓦斯赋存机理研究，是世界产煤国家目前共同面监的国际性技术难题。瓦斯赋存分布规律控制瓦斯含量和瓦斯涌出量，构造复杂程度控制煤与瓦斯突出的危险性，构造煤的赋存分布控制瓦斯的抽采难度。2、构造煤与瓦斯突出煤体基础论研究构造煤是煤层受地质构造挤压剪切破坏作用产物。瓦斯突出煤体，是指含 高能瓦斯的构造煤体。实践证明：所有的煤与瓦斯突出动力现象均发生在构造煤分布区。瓦斯突出煤体具有瓦斯高含量、高解吸速度、低强度、低渗透性的“两高两低”特性。3、瓦斯（煤层气）抽采地质控制机理研究目前，我国煤矿瓦斯抽采率只有5%-12%，平均吨煤瓦斯抽采量尚不足1m3，仅为平均煤层瓦斯含量的6%-10%。在含煤地层中，石炭二叠系的煤层经历的地质演化历史时间最长、经历的地质构造运动次数最多，煤产地的地质构造最复杂，煤层破坏程度高、煤层渗透率低、煤化程度高、煤层瓦斯含量高。资源量约为16.98万亿m3，占全国煤层气资源总量的45.9%。4、煤与瓦斯突出的地质控制机理研究几乎所有的煤与瓦斯突出都间接或直接地与地质构造有关。板缘构造活动带、造山带、深层构造陡变带、深大断裂活动带、逆冲推覆构造带、强变形带等，是发生煤与瓦斯突出的敏感地带。瓦斯赋存分布是构造演化作用的结果，构造煤的形成和分布是构造挤压和剪切作用的结果。煤与瓦斯突出动力灾害主要发生的构造复杂区和构造发育区。第三节 瓦斯地质学的研究方法和手段2、瓦斯赋存构造逐级控制理论研究现今煤层储存的瓦斯仅占瓦斯生成量的20%以下，80%以上都逸散掉了。其主要原因是煤层形成后在经历构造运动中的拉张裂陷活动会使得煤层瓦斯大量逸散。同时，构造运动引起的煤层深成变质和岩浆热变质作用亦会引起生烃作用。构造挤压、剪切作用常使煤体结构发生不同程度的韧塑性破坏而形成构造煤。构造逐级控制特征控制着不同级别和范围的煤层瓦斯的赋存和分布。瓦斯赋存、构造煤和煤与瓦斯突出危险区的分布都是受构造控制的。第三节 瓦斯生成理论瓦斯成因学说较多，但目前多数学者认为煤中瓦斯是在煤化作用过程中形成的。瓦斯的成因与煤的成因息息相关。具体而言，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。一、瓦斯的成因类型从泥炭到褐煤、烟煤再到无烟煤，其分子组成变化如下所示：4C16H18O5（泥炭）C57H56O10（褐煤）+4CO2+3CH4+2H2OC57H56O10（褐煤）C54H42O5（烟煤）+CO2+2CH4+3H2OC54H42O5(烟煤) C15H14（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的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。（一）瓦斯（煤层气）的原生生物成因（二）瓦斯（煤层气）的次生生物成因煤层在后期抬升阶段，煤层温度等环境条件又适宜微生物生存。这些微生物主要通过位于补给区的煤层露头由大气降水带入。三、瓦斯的热成因（一）瓦斯（煤层气）的热解成因该过程相当于长焰煤-贫煤阶段（0.5R02.0%）。（二）瓦斯（煤层气）的裂解成因第五节 瓦斯中的非烃气体一、瓦斯中的非烃气体类型随着我国煤炭开发强度不断加大，矿井瓦斯中CO2、N2、S2、CO等非烃气体成分的异常对煤炭生产和安全的影响日益突出。煤矿瓦斯中上述几种成分的异常聚集受控于以下多种地质。异常热化学作用；水渗透作用；顶板封盖作用；煤阶和煤岩组成重要原因，燃点较低的煤惚发生CO含量异常。二、CO2的富集成因在正常情况下，煤层埋藏浅部的瓦斯风化带CO2气含较高。主要是次生或后生成因的。同时，在岩浆岩侵蚀区煤的热变质作用加剧，煤层及其顶底板的透气性增加，且煤对CO2的吸附量大于甲烷，生成的CO2很容易被煤层吸附。此外，CO2从煤中的解吸速度亦于甲烷，因而当煤层瓦斯中存在大量CO2时，压力梯度就此较高，突出的猛烈程度亦高于甲烷。四、H2S的富集成因硫化氢为无色、具臭鸡蛋气体、有剧毒的可燃气体，极易溶于水。第六节 瓦斯的保存条件有关研究指出，形成1t地烟煤可以生存267-461m3瓦斯气体。目前煤层瓦斯含量最高为50m3/t左右，仅占瓦斯生成总量的20%，80%以上的瓦斯。第四章 煤层瓦斯赋存与煤储层物性特征第一节 煤层瓦斯地球化学特征一、瓦斯的化学组分瓦斯的化学组分可分为两大类烃类气体（甲烷及其同系物）和非烃类气体。（一）烃类气体瓦斯的主要成分是甲烷，其含量一般，气体含量极少。（二）非烃类气体煤层瓦斯中非烃类气体含量通常小于20%。二、影响瓦斯地球化学组成的地质因素（一）煤岩组分的影响；（二）煤化程度的影响；（三）瓦斯成因的影响；（四）煤层埋藏深度的影响；（五）瓦斯解吸和扩散的影响；（六）次生作用的影响；（七）水文地质条件的影响。第二节 煤层瓦斯赋存状态与瓦斯吸附解吸特征（一）吸附态瓦斯经测算，吸附态的瓦斯占煤中瓦斯总的80%-95%。（二）游离态瓦斯埋深在300-1200m范围内的中变质煤，其游离瓦斯仅占总含气量的5%-12%。二、煤的瓦斯吸附特征（一）吸附类型多孔的固体介质，具有很大的内表面积，因而具有较强的吸附气体的能力。所谓吸附，是指气体以凝聚态或类液态被多孔介质所容纳的过程。物理吸附是由范德瓦耳斯力和静电力引起的，气体和固体之间的结合较微弱；物理吸附是快速、可逆的。化学吸附是由共价键引起的，气体和固体之间的结合力强，化学吸附是缓慢、不可逆的。煤对气体的吸附以物理吸附为主任。在一个封闭系统里，固体颗粒表面同时进行着吸附和解吸两种相反的过程，即一部分气体由于吸引力而被吸留在表面而成吸附气相；被吸附住的气体分子，在热运动和振动作用的速度相等时，颗粒表面的气体分子数目就维持在某一定量，此时称为吸附平衡，吸附量（V）是温度（T）和压力（P）的函。V=f（T，p）某一温度（通常为储层温度）下煤的吸附等温线对评价煤层的最大储气能力、预测煤层瓦斯含量、确定临界解吸压力和计算煤层瓦斯理论回收率等具有重要意义。四、影响煤吸附性的因素煤吸附性强弱主要取决于3个方面的因素，即：煤结构、煤的有机组成和煤的变质程度；被吸附物质的性质；煤体吸附所处的环境条件。煤中瓦斯吸附量的大小主要取决于煤化程度、煤中水分、瓦斯成分、瓦斯太力以及吸附平衡温度等。1、瓦斯压力的影响在给定温度下，随着瓦斯压力的升高，煤体吸附瓦斯量增大。2、吸附温度的影响目前的实验研究表面：温度升高，瓦斯分子活性增大，不易被煤体吸附；同时，已被吸附的瓦斯分子在温度升高时易于获得功能，发生脱附现象。3、瓦斯成分的影响矿井中的瓦斯实际是一种以甲烷为主的混合气体。煤对由CO2与CH4、CH4与N2组成的混合气体及CO2、CH4、N2的吸吸附性强弱顺序依次为：CO2CO2+CH4CH4CH4+N2N2。（一）解吸率和解吸量我国前期煤田地质勘查资料中瓦斯（煤层气）解吸资料多由四部分构成，即损失气量（V1），通常，把损失气量与解吸气量之和与总含气量之比称为解析率，损失气量与现场两小时解吸气量之和为解吸量，即解吸率与实测含气量的乘积。华北石炭一二叠系煤的甲烷吸率介于22.0%-59%之间。煤层的解吸时间变化很大，最大值与最小值可相差100倍以上。沁分盆地石岩一二叠系煤层的吸附时间相对较长，但也只有1-20d。煤层瓦斯含量是煤层瓦斯赋存主要参数之一，它是矿井进行瓦斯涌出量预测和煤与斯突出预测的重要依据参数之一。一、煤层瓦斯含量的基本概念煤层瓦斯含量单位质量的煤中所含有的瓦斯体积（换算为标准状态下的体积），单位是cm3/g或m3/t。煤层原始瓦斯含量煤层未受采动影响而处于原始赋存状态时，单位质量煤中所含有的瓦斯体积。煤层残存瓦斯含量煤层受采动影响而涌出一部分瓦斯后。煤的可解吸瓦斯含量煤的原始瓦斯含量与煤层残存瓦斯之差称为煤的可解吸瓦斯含量。煤的瓦斯容量煤中瓦斯压力升高时，单位质量煤所能吸附瓦斯的最大体积，称为煤的瓦斯容量。瓦斯容量实际上是煤对瓦斯的极限吸附量。二、影响煤层瓦斯含量的因素瓦斯是地质作用的产物，瓦斯的形成和保存、运移和富集与地质条件关系密切。影响瓦斯赋存和分布的主要地质因素包括：煤的变质程度、围岩条件、地质构造、煤层埋藏深度、煤田的暴露程度、地下水活动和岩浆活动。（一）煤变质程度的影响煤化作用过程中会不断产生瓦斯，煤化程度越高，生成的瓦斯量越多。在成煤初期，褐煤的结构疏充分，孔隙率大，瓦斯分子能渗入煤体内部，因而褐煤具有很强的吸附能力。但该阶段瓦斯生成量较少，且不易保存，煤中实际所含的瓦斯量是很小的。在煤的变质过程中，地压作用使煤的孔隙率减小，煤质渐趋致密。长焰煤的孔隙较少，内表面积较小，其吸附瓦斯的能力较弱，最大瓦斯吸附量为20-30m3/t，随着煤的先一步变质，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，在无烟煤时内表面积达到最大，与之相应，煤的吸附能力最强。焦作无烟煤吸附瓦斯的能力达40m3/t。到石墨阶段时吸附瓦斯能力消失。不同变质程度的煤，在区域分布上常呈带状分布，形成不同的变质带，这种变质分带在一定程度上控制着瓦斯的赋存和区域性分布。（二）围岩条件的影响煤层围岩是指包括煤层直接顶、老顶和直接底板等在内的一定厚度范围的煤层顶底岩层。煤层围岩对瓦斯赋存的影响，取决于它的隔气和透气性能。当煤层顶板岩性为致密完整的岩石，如页岩、油页岩和泥岩时，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。但有些地区的砂岩因孔隙率和渗透率较低。按岩石的力学性质，可将围岩分为脆性岩层（砂岩、石灰岩等）和韧塑性岩层，危性岩层易于破裂不易发生塑性变成，韧塑性岩层则常呈塑性变形。（三）地质构造的影响地技构造对瓦斯赋存影响较大，一方面造成瓦斯分布不均衡，另一方面形成了瓦斯储存或瓦斯排放的有利条件。1、褶皱构造褶皱的类型、封闭情况和复杂程度对瓦斯赋存均有影响当煤层顶板岩石透气性差，且未遭受构造破坏时，背斜有利于瓦斯的储存，是良好的储气构造，背斜轴部的瓦斯会相对聚集，在向斜盆地构造的矿区，顶板封闭条件良好时，瓦斯沿垂直地层方向运移比较困难。2、断裂构造断裂构造破坏了煤层的连续完整性，使煤层瓦斯运移条件发生变化。有的断层有利于瓦斯的排放，有的断层抑制瓦斯排放而成为逸散的屏障。断层属性和力学性质。断层与地表或与冲积层的连通情况。断层将煤层断开后，煤层与断层另一盘接触的岩层性质有关，若透气性好则利于瓦斯排放。断层带的特征、断层带的充填情况、紧闭程度、裂隙发育情况等都会影响到断层的开放性或封闭性。3、构造组合（四）煤层埋藏浓度的影响当埋藏深度继续增大时，瓦斯一定深度范围内，煤层瓦斯含量亦随埋藏深度的增大而增加；当埋藏深度继续增大时，瓦斯含量增加的幅度将会减缓。（五）煤田暴露程度的影响在评价一个煤田的暴露情况时，不仅要注意该煤田目前的暴露程度，还要考虑到成煤整个地质因史时期内煤系地层的暴露及瓦斯风化过程的情况。（六）地下水活动的影响地下水的运移，一方面驱动裂隙和孔隙中瓦斯运移，另一方面又带动溶解于水中的瓦斯流动。尽管瓦斯在水中的溶解仅为1%-4%，但在地下水交换活跃的地区，水能从煤层中带走大量的瓦斯，使煤层瓦斯含量明显减少。同时，水胡附在裂隙和孔隙的表面，还减弱了煤对瓦斯的吸附能力。遍布湘中及湘东南地区的龙潭煤系，由于在形成过程中沉积环境的差异，分为“南型”和“北型”，分界线在北纬2740附近。龙潭煤系的南北分异在水文地质条件上也表现出明显的差异。煤系下伏地层为茅口灰岩，属岩溶裂隙发育的强含水层。当煤层与茅口灰岩之间的隔气层较薄或缺失时，矿井涌水量大，造成易于瓦斯排放的条件。“北型”的茅口灰岩与上部煤层间距0-10m，形成一些水大瓦斯小的矿井，如恩口、煤炭坝等矿均为低瓦斯矿井，矿井涌水量大于1000m3/h；“南型”的茅口灰岩与煤层的间距增大，为300-400m，属于“南型”的斗笠山矿区观山井、洪山殿矿区各生产矿井均为高瓦斯和突出矿井，水文地质条件简单，矿井涌水量小于100m3/h。（七）岩浆活动的影响第五节 煤储层压力特征一、煤储层压力煤储层压力，是指作用于煤孔隙和裂隙空间上的流体压力（包括水压和气压），故又称为孔隙流体压力。煤储层中流体受到三方面力的作用，包括上覆岩层压力，静水柱压力和构造应力。第六节 煤层孔隙与裂隙特征煤层是一种双重孔隙介质，属裂隙孔隙型气储层，割理将煤分割成若干基质块，基质块中包含有大量的微小孔隙，是气体储存的主要空间，其渗透性很低；割理是煤中的次要裂隙系统，但却是煤层中流体（气体和水）渗透的主要通道。表4-8 煤的孔隙类型及其成因简要表（据张慧，2001）类型成因简述原生孔结构孔成煤植物本身具有各种组织结构孔屑间孔镜屑体、惰屑体等内部碎屑之间的孔变质孔链间孔凝胶化物质在变质作用下缩聚而形成的链之间的孔隙气 孔煤化作用过程中由生气和聚气作用而形成的孔隙外生孔角砾孔煤受构造力破坏而形成的角砾之间的孔碎粒孔煤受构造力破坏而形成的碎粒之间的孔摩擦孔压应力作用下面与面之间磨擦而形成的孔矿物质孔铸模孔煤中矿物质在有机质中因硬度差异而铸成的印坑溶蚀孔可溶性矿物在长期气、水作用下受溶蚀而形成的孔晶间孔矿物晶粒之间的孔空间尺度划分为：0.01m为微孔，0.01-0.1m为小孔，0.1-1m为中孔，1m为大孔。（三）影响煤孔隙特征的主要因素1、煤变质程度的影响从长焰煤开始，随着煤化程度的加深（挥发分减小），煤的总孔隙体积逐渐减少；到焦煤、瘦煤时达最低值，而后又逐渐增加，至无烟煤达到最大值。煤中微孔体积则是随着煤变质程度的增加而增大（见表4-11）。2、煤破坏程度的影响对于煤烟而言，煤的破坏程度越高，煤的渗透容积就越大。破坏程度对煤的微孔影响不大。煤的渗透容积主要由中孔和大孔组成。3、地应力的影响压应力使煤的渗透容积缩小，压应力越高，煤体渗透容积缩小的就越多，而张应力则使裂隙张开，从而引起渗透容易增大。此外，卸压作用往往可使煤（岩）的渗透容积增大，即孔隙率增大，使瓦斯的排放量增加。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，但对渗透性影响较大。二、煤层裂隙煤层中的节理裂隙构造决定着煤层的结构构造和物理性质，对煤层瓦斯的生储、聚集及抽采性等起着直接或间接的控制作用。（一）煤层裂隙系统煤层裂隙系统是指不包括断层在内的，在自然条件下肉眼可以识别的裂隙系统，它由内生裂隙系统、气胀裂隙系统和外生裂隙系统三部分组成，大小通常为几毫米到几米。内生裂隙系统常见于镜煤和亮煤，裂隙面比较平坦，常呈眼球状，有时被矿物薄膜充填。它是在良好的封闭条件下，在瓦斯剧烈生成期由于张性破坏产生的裂隙。外生裂隙是煤层形成后受构造应力作用而生产的，外生裂隙间距较宽，裂隙面常见凹凸不平的滑动痕迹，多呈羽毛状、波纹状，但有些较光滑。（二）煤层割理系统煤层裂隙在国外煤层气工业中常称作割理（cleat）。割理，是指煤中的天然裂隙，整个煤层中连续分布的割理称为面割理，中止于面割理或与面割理交叉的不连续割理称为端割理。（三）煤层裂隙的评价方法我们提出裂隙密度、连通性及发育程度统一的评价方法和标准。裂隙密度。裂隙的连通性。（四）煤层裂隙影响因素3、煤体结构的影响原生结构煤的裂隙密度。构造煤的裂隙密度。4、矿物质的影响5、煤层结构的影响煤层结构是影响割理垂向延伸的主要因素，在简单结构煤层中，单条割理可以穿透整个煤层，垂向连通性好；在复杂结构煤层中，割理终止于煤和夹矸分界面，垂向不连通，夹矸层上、下煤层形成不同的割理系统。6、古地应力场的影响7、水文地质作用的影响静水压的效应力有利于裂隙的形成和张开。动水压一方面使部分煤储层瓦斯逸散、不利于瓦斯保存，另一方面又具有冲刷煤粉的作用，有利于煤储层瓦斯渗流。煤储层裂隙中高矿化度水易于形成大量自生矿物，如方解石、绿泥石等，将减少煤储层裂隙孔隙率、降低煤储层渗透率。水分与煤中矿物质如黏土矿物、石膏和芒硝等结全，可大大降低煤岩体骨架的结合力，使煤体发生膨胀变形而阻塞煤中孔隙、裂隙通道。8、构造样式的影响。第七节 煤储层渗透性特征一、渗透性的基本概念（一）绝对渗透率若孔隙中只存在一相流体，且流体与介质不发生任何物理化学作用，则多孔介质允许流体通过的能力称为绝对渗透率。（二）有效（相）渗透率若孔隙中存在多相流体，则多孔介质允许每相流体通过的能力称为每相流体的相渗。（三）相对渗透率有效（相）涌透率与绝对渗透率的比值称为相对渗透率。二、渗透性的地质影响因素影响煤储层渗透率的因素十分复杂。一般说来，煤层孔隙、裂隙等内在因素起着主导作用，地应力等外在因素对于煤储层渗透率也有很显著的影响。（一）地应力的影响既反映上覆地层对煤层的垂向作用力，也反映水平构造应力的作用。构造挤压区、逆冲推覆作用强烈地区以及不同走向断裂的结合部位，是构造应力集中的地区，往往也是低渗透率分布地区。构造应力松弛、与断层有关的次生裂隙以及破碎断层面，是低应力的分布地区，往往也是煤储层高渗透率分布地区。随着卸载继续进行，当围压或有效应力低于一定值时，渗透率会骤然增加。（二）埋藏深度的影响我国煤储层渗透率随应力增高而减少的趋势明显。（三）天然裂隙的影响（四）煤体结构的影响由于煤体破碎程度不一，煤体结构通常被分为原生结构煤、碎裂煤、碎粒煤和糜棱煤四种类型。煤和糜棱煤煤体结构松软，强度低，渗透性差。（五）储层压力的影响煤储层渗透率随储层压力增大而呈明显的减小趋势。第八节 煤储层的瓦斯流动规律一、煤中气体的流动气体穿过煤储层孔隙介质的流动机制可以描述三个相互联系的过程：压力降低，气体从煤基质孔隙抽人表面上发生解吸；气体穿过基质和微孔扩散到裂隙中，扩散作用是由基质与裂隙间存在的浓度差引的；气体在压力差作用下以达西流方式的裂隙中渗流。这三种作用是互为前提、连续进行的统一过程，不能割裂开来单独进行。二、解吸当储层压力降至低于临界解吸压力时，气体分子开始解吸，并遵循给定介质的等温吸附过程。吸附时间是指总的吸附气量（包括残留气）的63.2%释放出来所需要的时间，一般用天或小时来表示。解吸过程的快慢可以用吸附时间来定性表示。三、扩散流气体穿过煤基质和微孔的扩散流动依煤基质块孔径大小有三种方式，即：整体扩散分子与分子间的相互作用；克努森型扩散；分子与孔壁间相互作用；表面扩散：像液膜一样吸附的甲烷沿微孔隙壁运移。三种扩散方式中，表面扩散作用最小。四、达西流一般认为，中孔（中径大于100nm）以上的孔隙和裂隙中，气体的流动为渗透，并且可以存在两种方式，即层流和紊流。第五章 煤体结构和构造煤煤体结构指煤层在地质历史演化过程中经受各种地质作用后表现的结构特征。煤体历经变形和变质作用过程中，分为原生结构煤和构造煤。原生结构煤是指保留了原生沉积结构、构造特征的煤层，原生结构煤和煤岩成分、结构、构造、内生裂隙清晰可辨。构造煤是煤层在构造应力作用下，发生成分、结构和构造的变化，引起煤层破坏、粉化、增厚、减薄等变形作用和煤的降解、缩聚等变质作用的产物。构造煤的宏观结构常见碎裂结构、碎粒结构、粉粒结构、糜棱结构等，对应的构造煤命名为碎裂煤、碎粒煤、粉粒煤和糜棱煤。2、原生结构煤的结构原生结构煤的结构是指煤岩组分的形态和大小所表现的特征，反映了成煤原始物质的性质、成分及其变化。条带状结构；线理状结构；透镜状结构；均一状结构；木质结构；粒状结构；纤维状结构；叶片状结构。3、原生结构煤的构造原生结构煤的构造是指煤中不同煤岩组分在空间排列上的相互关系。它与植物遗体的聚积条件及其变化过程有关。层理是煤的订构造，按层理特征可以将煤的构造分为层状构造和块状构造两种。（1）层状构造层状构造是指在垂直煤层层面方向上的不均一性特征。它反映了成煤物质和成煤条件上变化的情况。在复杂结构煤层中构造最为明显。（2）块状构造不见层理，外观均一的煤称为块状构造。（二）宏观煤岩成分和宏观煤岩类型1、宏观煤岩成分人们根据煤的成因将烩分为腐殖和腐泥煤。腐残煤是由高等植物形成的，腐泥煤是由低等植物和浮游动物形成的。腐殖煤进行观察并将宏观煤岩成分划分为四种类型镜煤、亮煤、暗煤和丝炭。宏观煤岩成分是肉眼能分辨的煤是基本单位，包括镜煤、亮煤、暗煤和丝炭四种成分，镜煤和丝炭为简单的煤岩成分，亮煤和暗煤则为复杂的煤岩成分。丝炭丝炭的颜色为暗黑色，外观似木炭，简单煤岩成分，具有明显的纤维状结构和丝绢光泽，疏松多孔，性脆易碎，易染指镜煤镜煤也是简单煤岩成分。它是煤中颜色最深、光泽最强的成分，多呈黑色，结构致密均一，呈贝壳状、眼球状断口，内生裂隙最为发育，性脆，易碎成棱角状小块。亮煤亮煤是最常见的煤岩成分，光泽较强，仅次于镜煤，较脆易碎，内生裂隙较为发育，相对密度较小，结构比较均一，呈贝壳状断口。亮煤可单独组成较厚的煤分层，也可呈透镜状分布。暗煤暗煤的颜色为灰黑色，光泽暗淡，致密坚硬，断口粗糙，内生裂隙不发育，相对密度较大，韧性较强。暗煤在煤层中普遍发育，可单独构成煤层或煤分层。、宏观煤岩类型烟煤的宏观岩类型可以分为光亮煤、半亮煤、半暗煤和暗淡煤四种。二、构造煤及其煤岩学特征构造煤是原生结构灶在构造应力作用下发生明显物理化学变化后的产物。原生结构煤在桥墩尖力作用下，发生成分、结构和构造等变化，引起煤层变形（破裂、粉化），流变（增厚）、变质（降解、缩聚）。构造煤的宏观结构、显微结构与显微构造，是煤体结构形成时构造应力作用的记录，是煤体变形、流变和变质作用的证据。（一）构造煤的宏观结构特征构造煤的宏观结构是指肉眼观察构造煤颗粒的形态、分布和大小等特征。常见碎裂结构、碎粒结构、鳞片状结构、粉粒结构和糜棱结构等，对应的构造煤命名为碎裂煤、碎粒煤、鳞片状煤、粉粒煤和糜棱煤。碎裂结构煤被密集的次生裂隙相互交切成碎块，但碎块之间基本没有位移，煤层原生层理基本可见，时断时续。碎裂结构常常位于原生结构与碎粒结构的过渡部位。碎粒结构煤被破碎成粒，主要粒级大于1mm。大部分分煤粒由于相互位移磨擦失去棱角，煤层原生层理被破坏，层理不清，裂隙较发育，煤层煤体主要呈粒状。结构往往紧靠碎裂结构分布。粉粒结构光泽暗淡、土状、粉状、无粉感，断面平坦、块状构造。糜棱结构煤被破碎成很细的粉末，主要粒级小于1mm。有时被重新压紧，已看不到煤层原生层理和节理，滑移面、磨擦面很多，呈现透镜体状、鳞片状，糜棱结构煤是强挤压、剪切破坏的结果。（二）构造煤的显微结构特征构造煤的显微结构是指在显微镜和扫描电镜下，构造煤颗粒的形态、分布和大小等特征。常见角砾状、粉粒状、鳞片状、糜棱质结构。它是煤体结构变形、流变和变质的重要特征，是认识瓦斯突出机理和开发瓦斯抽采技术的基础。碎裂角砾状结构；斑状结构；等粒结构；粉状结构；叶片装结构；鳞片状结构；鳞片粉状结构；鳞片嵌屑结构。（三）构造煤的显微构造特征波状消光；显微揉皱；不对称的眼球构造；C-S构造；书斜式构造；煤岩核幔构造；膝折构造；显微纵弯褶皱；显微帚状构造；显微“入”字形构造；鞘褶皱。三、煤体结构的分类表5-9 煤体结构类型（据焦作矿业学院瓦斯地质研究室，1982）类型号类型赋存状态和分层特点光泽和层理煤体破碎程度裂隙和揉皱的发育程度手试强度坚固性系数f瓦斯放散指数p突出危险程度原生结构煤层状、似层状，与上下分层呈整合接触煤岩类型界限清晰、原生条带状结构明显呈现较大的保持棱角的块体，块体间无相对位移内、外生裂隙均可辨认，未见揉皱镜面捏不动或成厘米级碎块0.810非突出碎裂煤层状、似层状、透镜状，与上下分层整合接触煤岩类型界限清晰，原生条带状结构继续可见呈现棱角状块体，但块体间已有相对位移煤体被多线互相交切的裂隙切割，未见揉皱镜面可捻搓成厘米、毫米级碎粒0.3-0.810-15过渡碎粒煤透镜状、团块状，与上下分层呈构造不整合接触光泽暗淡，原生结构遭到破坏煤被揉搓捻碎、主要粒级在1mm以上构造镜面发育易捻搓成毫米级碎粒或粉煤0.315易突出糜棱煤透镜状、团块状、与上下分层呈构造不整合接触光泽暗淡，原生结构遭到破坏煤被揉暗淡，原生结构遭到破坏构造、揉皱镜面发育极易捻搓成粉末或粉未0.320易突出第二节 煤体变形机制和构造煤分布一、煤体变形机制（一）煤体变形的影响因素1、围压2、温度影响温度升高，煤样的韧性行为增中，煤体的破坏强度降低。3、流体煤体中的流体主要包括两种介质水和瓦斯。流体在煤体中主要是以物理吸附和自由态赋存：水主要包含结构和自由水；瓦斯主要民含孔壁吸附瓦斯和孔隙游离瓦斯。水的两种赋存形态都可能会造成煤体软化。水对煤岩力学性质的影响主要体现在以下四个方面：润滑作用、水楔作用、孔隙压力作用和溶蚀潜蚀作用。前两种作用是由结合水造成的，后两种作用是由自由水造成的。（二）煤体脆性破裂煤体裂隙压密阶段；图5-9 煤的脆性破坏过程r残余力；y屈服应力；r极限应力煤体线弹性变形阶即AB段；煤体弹塑性变形阶段即BC段；煤体裂隙剧增剪切破坏阶段即CD段；煤体破坏剪切滑移阶段（宏观破坏阶段）即DE段。（三）煤体脆韧性破坏过程图5-10 煤的危韧性破坏过程线弹性阶段即OA段；应变硬化阶段即AB段；剪裂稳态滑移阶段即BC段；第二次应变硬化阶段即CD段。（四）煤体韧体破坏过程和剪切机制线弹性段即OA段应变转化段即OA段应变硬化阶段即BC段二、构造煤的分布特点（一）顺煤层剪切带对构造煤的控制顺煤层剪切带是指沿煤层发育的剪切面与煤层以小角度相交或者近于平行的剪切带。顺层剪切带也叫做逆掩断层、顺层断层、缓倾角断层、层滑构造等。煤体具有较低的抗压、抗剪强度，尤其是抗剪强度，大致为泥岩的一半，砂岩的四分之一。因此，在受到地应力的作用时，顺层剪切带则首先发育在煤层中。其次，高流体孔隙压力对顺煤层剪切带的形成有着非常重要的作用。（二）切层断层对构造煤的控制切层断面使构造煤呈现带状分布，构造煤厚度的增加和分布的范围与断层性质、断层落差有关，切层小型正断层仅在断面和断层下降盘一侧形成薄层构造煤，延伸不远即行消失。第三节 煤的变质作用煤的动力变质作用是指煤系形成以后，由于受构造变动的影响使煤发生的变质作用一、煤的深成变质作用煤的深成变质作用是指沉降到地下深处的煤层，受到地热及上覆岩系产生的静压力的作用，发生了变质程度随深度增加而增加的变质作用。因此又称为区域变质作用。煤的深成变质作用主要是由地热引起的，所以也称热变质作用。1、煤变质程度的垂直分带性希尔特规律随着地层浓度的增加，煤的挥发分有规律的减少，大致是每下降100m，煤的挥发分（Vdaf）减少2.3%左右。这种在同一煤田朵构造条件正常并大致相同的情况下，随着地层深度的增加而煤的挥发分（Vdaf）有规律的减少，煤的变质程度则有规律的增高，此规律称为希尔特规律。2、煤质的水平分带煤质水平分带是倾斜煤层的煤质垂直分带在平面上的反映。3、煤的深成变质作用与上覆岩层的关系在深成变质作用时，煤的变质程度随煤系及上覆岩系厚度的增大而增高。4、煤的变质程度随赋存深度加大而增高这就是说，在煤系发生构造变动时，煤在已有变质程度基础上，又在变动后的新的赋存条件、温度条件和时间因素的影响下，变质程度仍然可以继续加深。二、煤的岩浆变质作用三、煤的动力变质作用（一）煤的动力变质作用研究回顾煤的动力变质作用是指地壳构造变动促使煤发生变质的作用。（二）煤的动力变质作用类型煤的脆性变形变质作用脆性变形是在低温、快速应变条件下发生的煤体碎裂流变，主要表现为煤的物理煤化作用，没有化学煤化使用的表现。煤的韧性变形变质作用在地质构造作用下，不仅发生煤的物理煤化作用，还发生了化学煤化作用。第四节 构造煤结构演化和力化学使用构造煤是煤层在构造作用下发生变形、破坏而形成的，它是自然界中应力作用的产物。在构造作用下发生裂解、聚合、异构、芳构、分子重排等多种化学物理反应过程。有机质向两个方向变化，一方面聚合形成更大的高芳构化的大分子结构，另一方面形成低分子化合物和气态烃（瓦斯）。一、构造煤的孔隙和渗透性（一）构造煤的孔径结构和比表不面积煤的比表面积随破坏程度增高而增大。（二）构造煤的瓦斯吸附和解吸理论1、构造煤的吸附理论（1）煤体中瓦斯的吸附过程煤体表面分子与气体分子之间的吸引力大于气体分子之间的吸引力，因此，煤体孔隙表面处的气体分子浓度要高于气体本体相中的分子浓度，这就是瓦斯气体在煤体中的吸附。（2）煤体对瓦斯的吸附力煤对瓦斯的吸附属于物理吸附。引起物理吸附的力是范德瓦耳斯力。德拜诱导力，煤是由多种性质迥异的显微组分构成的，煤的大分子内和大分子之间存在大量交联键，大分子网络结构边缘存在着许多极性基团；同时，煤结构受到破坏后薄弱的交联键会断开，断面上会形成一些带有部分电荷的悬键，所以煤的大分子是具有极性的，它的诱导作用可使瓦斯气体分子形成诱导偶极矩。煤的大分子和瓦斯气体分子之间存在着德拜诱导力。伦敦色散力色散力是任何分子间都存在的作用力，它是诱导偶极矩之间相互作用产生的力，是靠相邻分子的电子密度的变化而引起的。（3）煤与瓦斯吸附的吸附能曲线2、构造煤的甲烷吸附量煤的瓦斯吸附量不随煤的破坏程度增高而增加，决定煤比表面积的微孔体积不受煤破坏程度的影响。3、构造煤的瓦斯放散特征煤体内瓦斯放散存在解吸、扩散、渗流等过程。瓦斯解吸是瓦斯吸附的逆过程。瓦斯扩散是在浓度梯度的作用下，从高浓度区域向低浓度区域转移，直到均匀分布的现象。孔隙表面向大孔、裂隙系统扩散，一直扩散到煤基质外表面，再进入甲烷气体相主体。瓦斯渗流是指瓦斯在煤体中的流动。而甲烷分子直径为0.414nm，比一般的微孔都要小，可以在煤层孔隙和裂隙中自由移动，煤层中瓦斯的运移主要呈层流运动。国内常用的瓦斯放散规律分析瓦斯放散初速度指标煤的瓦斯放散初速度指标（p），表示充有瓦斯的煤样放散瓦斯的快慢程度，它是预测煤与瓦斯突出的一项重要指标。在瓦斯含量相同的条件下，煤的放散初速度指标越大，煤的破坏类型越严重，越易形成具携带破碎能力的瓦斯流，越有利于煤与瓦斯突出的发生。构造煤瓦斯解吸指标。第六章 瓦斯地质规律和瓦斯预测第一节 瓦斯地质规律研究一、瓦斯地质规律研究是瓦斯预测的基础（一）瓦斯地质规律研究的意义瓦斯地质规律是指揭示瓦斯与所有地质因素之间内的联系的规律。（二）瓦斯地质规律研究的重要理论和技术1、构造煤形成和分布研究构造煤低强度、低渗透性、高吸附特性和快速解吸瓦斯的能力是造成煤与瓦斯突出的地质基础。构造煤高吸附和快速解吸瓦斯的特点是造成煤发育区瓦斯含量测试困难的根本原因；构造煤透气性低、破碎性强是造成构造煤发育区抽采困难的根本原因。2、瓦斯赋存构造逐级控制理论瓦斯赋存和分布、构造煤的形成和分布等是构造历史演化作用的结果，受构造复杂程度和构造应力场特征的控制。二、瓦斯地质规律与瓦斯含量预测（二）影响瓦斯含量大小的主控因素从不同地质时代的含煤地层比较，地质演化历史长的含煤地层中的煤层，高瓦斯矿区、矿井居多。从区域构造背景比较，挤压构造背景时间长、次数多的区域，高瓦斯矿区、矿井分布居多；拉张背景时间长、风化剥蚀时间长的区域，低瓦斯矿区、矿井分布居多。从煤化程度比较，瓦斯生成量随煤化程度增高而增大。中、高变质煤生成瓦斯量远远高于低变质煤。不同地质时代的含煤地层，由于沉积环境不同，煤层瓦斯含量生存在着总体差异。三、瓦斯地质规律与瓦斯涌出量预测（二）影响瓦斯涌出量大小的主要因素1、瓦斯地质条件煤炭采、掘瓦斯涌出量大小，主要取决于本煤层的瓦斯含量和邻近层及围岩中的瓦斯含量大小。2、开采技术条件开采顺序影响同等条件下，首采层瓦斯涌出量高；开采方法影响同等条件下，工作面日产量越高，单位时间内的绝对瓦斯涌出量越大，上行开采工作面瓦斯涌出量大于下行工作面，通常为绝对瓦斯涌出量。四、瓦斯地质规律与煤与瓦斯出危险性预测（二）影响煤与瓦斯突出动力灾害的主控因素瓦斯地质研究的实践认为，煤层瓦斯含量高是发生煤与瓦斯突出的基础；一定厚度的构造煤是发生煤与瓦斯突出的必要条件；压性、压扭性构造带是发生煤与瓦斯突出的有利地带；构造应力相对集中的地带是瓦斯突出发生的主要位置。构造挤压、剪切作用会使煤体结构发生不同程度的脆韧性破坏，形成构造煤。不同级别的构造活动和构造应力场控制着构造作用的范围和强度，也就控制着不同区域、不同范围煤层瓦斯的赋存和分布，同时控制着煤层赋存条件、煤体结构破坏的程度和范围，也就是控制着煤与瓦斯突出危险程度和危险区域的范围。第二节 瓦斯含量测定和含量预测一、煤层瓦斯含量的概念煤层未受采动影响时的瓦斯含量称为煤层原始（或天然）瓦斯含量。如煤层受采动影响，已部分排放了瓦斯，则煤层中剩余的瓦斯含量称为残存瓦斯含量。煤层围岩中有时也含有瓦斯，单位质量（或体积）岩石中所含的瓦斯体积称为岩层瓦斯含量。煤的瓦斯容量指在一定瓦斯压力、温度、水分和孔隙率条件下，煤中所含有的瓦斯量。第四节 煤与瓦斯突出危险性预测一、煤与瓦斯突出的分类（一）煤与瓦斯突出的分类矿井中有瓦斯参与的，且有动力效应显现的现象统称为煤与瓦斯突出。目前较为统一的分类主要有以下几种分类。按动力现象的成因和特征分类煤与瓦斯突出、煤与瓦斯压出和煤与瓦斯倾出，简称为突出、压出和倾出。按参与突出物种类分类煤与瓦斯突出、岩石与瓦斯突出、煤与二氧化碳突出、岩石与二氧化碳突出。德国发生过盐与二氧化碳突出，我国窑街三矿发生了煤、岩、二氧化碳和瓦斯突出。按突出发生的地点分类石门突出、平巷突出、上山突出、下山突出和采煤工作面突出等。按突出强度分类小型突出（100t）、中型突出（100-499t）、大型突出（500-999t）和特大型突出（1000t）四类。目前生产中具有实际指导意义的主要是前三类，即按不同类型突出分别制定防突技术措施，做到区别对待。（二）煤与瓦斯突出的基本特征正确区分煤与瓦斯突出的特征，对突出矿井和突出煤层，针对性地制定防突技术措施具有重要的指导意义。各类煤与瓦斯突出的基本特征在防治煤与瓦斯突出细则（1995）附录一中进行了诚意细规定，简述如下。1、煤与瓦斯突出的基本特征突也的煤与外抛出距离较远，具有分选显现；抛出的煤堆积角小于煤的自然安息角；抛出的煤破碎程度较高，含有大量的煤块和手捻无粒感的煤粉；有明显的动力效应，破坏支架、扒倒矿车，破坏和抛出安装在巷道内的设施；有大量的瓦斯（二氧化碳）涌出，瓦斯（二氧化碳）涌出量远远超过突出煤的瓦斯（二氧化碳）含量，有时会使风流逆转；突出孔洞呈口小腔大的梨形、舌形、倒瓶形以及其他分贫形等。2、煤与瓦斯压出的基本特征压出有两种形式，即煤的整体位移和煤有一定距离的热量出，但位移和抛出的距离都较小；压出后，在煤层与顶板之间的裂隙中常留有细煤粉，整体位移的煤体上有大量裂隙；压出的煤呈块状、无分选现象；巷道瓦斯（二氧化碳）涌出量增大；压力可能无孔洞或呈口大腔小的楔形孔洞。3、煤与瓦斯倾出的基本特征倾出的煤就地按自然安息角堆积，并无分选现象；倾出的孔洞呈孔大腔小形状，孔洞轴线沿煤层倾斜或铅垂（厚煤层）方向方案；无明显动力效应；倾出常发生在煤质松软的急倾斜厚煤层中；巷道瓦斯（二氧化碳）涌出量明显增大。二、煤与瓦斯突出的一般规律突出矿井大量突出事例的统计表明我国煤矿发生的煤与瓦斯突出具有以下一般规律。（一）煤层突出危险性随采深增加而加大对同一矿区、同一矿井、同一煤层来说，随着开采深度的增加，煤层突出危险性增大，在浅部开采为高瓦斯矿井，甚至为低瓦斯矿井，开采到深部后，由于煤层赋存条件的变化，煤层瓦斯压力增大，而转变为突出矿井；一些在浅部开采突出危害较轻的突出矿井，开采到深部后，转变为严重突出矿井。（二）绝大多数突出发生在煤巷掘进工作面在统计9845次突出中，煤巷掘进工作面突出7482次，占5.76%，采煤工作面突出1556次，占15.8%。回采面突出次数少，而且回采面突出多数为危害相对较小的压出型煤与瓦斯突出，但采面人员集中，短兵相接，容易造成特大人身伤亡事故，不可忽视。（三）石门突出危险性最大在统计的9845次突出中，尽管石门突出次数少，但突出强度大，平均突出强度为316.5t，是平巷平均突出强度50t的6倍以上，瓦斯喷出量超过数万立方米，波及范围广，易造成非常严重的重大事故。而且从石门工作面距煤层2m起至穿过煤层全厚而进入顶板或底板2m上，整个揭穿过程都有危险，也曾发生过仅2m厚煤层在石站揭穿过程中突出两次的实例。（四）层突出危险性随煤厚增加而加大对同一矿区、同一矿井来说，突出煤层厚度越大，突出危险性也越大，特别是软分层的厚度的增加，次害的次数增多，突出强度增大。南桐矿务局三号煤煤层厚度0.3-0.5m，平均突出强度2t，最大突出强度5t；五号煤煤厚0.7-0.8m，平均突出强度38t，最大突出强度38t；六号煤厚1.0-1.5m，平均突出强度450t；而煤层厚度较大的4号层，煤厚为2.5-3.2m，平均突出强度88t，最大突出强度5000t。该局所有特大型突出都生在该煤层，突出次数占全局突出次数的60%以上。在同一煤层，煤层由薄变厚，突出危险性也增大。（五）突出大多数发生在地质构造带在有严重突出危险的矿务局的3082次有明确有无地质构造记录的突出中，有2525次突出地点有断层、褶层、火成岩侵入、煤层厚度变化等地质构造，无地质构造的突出的557次，仅占18.1%。需要指出的是，对刚刚开始突出的突出矿井、突出煤层、煅出几乎都和地质构造有关，而对突出已有几十年历史的严重突出矿井、突出煤层，当作业地点无地质构造时，也可能发生煤与瓦斯突出。（六）大多数突出前有作业方式诱导煤与瓦斯突出除受应力、瓦斯、煤质三自然要素决定外，发生突出与否，采掘作业是一种诱导因素得到了大多数从事防突技术研究和应用的专家学者的认可。在对我国8480次有明确作业方式记录的突出事例统计表明，有8253次有放炮、支护、落煤、打钻等作业方式诱导了突出，占97.3%，其中放炮作业突出5481次，占64.6%。值得注意的风镐落煤突出676次，占8%；手镐落煤突出1102次，占13%。尽管风镐落煤与手镐落煤突出强度一般不大，仅10-20t，但施工人员在现场，一旦发生