第五章煤体结构与构造煤.ppt

1、什么叫游离瓦斯？吸附瓦斯？2、简述郎缪尔方程基本假设，公式及各物理量的意义。3、简述温度、压力、瓦斯成分、煤的变质程度、水分对瓦斯吸附的影响4、什么叫做解吸？解吸时间？5、什么叫做瓦斯含量、煤层原始瓦斯含量、煤层残存瓦斯含量、煤的可解吸瓦斯瓦斯含量？6、简述背斜的瓦斯逸散区、瓦斯集聚区7、简述断层的开发性与封闭性的条件？8、简述煤层瓦斯的垂直分带？9、简述划分瓦斯风化带下界的指标？10、什么叫煤储层压力、储层压力梯度和压力系数。11、什么叫孔隙率、简述其公式和物理量的意义12、简述煤的变质程度、破坏类型、地应力对孔隙率的影响。13、什么叫做绝对渗透率、相对渗透率、有效渗透率14、简述气体穿过煤储层孔隙介质的流动机制？,作业：,2,主讲：史广山讲师安全学院瓦斯地质研究所,瓦斯地质学,3,第一节煤体结构特征和分类第二节煤体变形和构造煤分布第三节煤的变质作用第四节构造煤结构演化和力化学作用,第五章煤体结构与构造煤,4,基本概念,1.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。,5,构造煤,原生结构煤,6,基本概念,7,一、原生结构煤及其煤岩学特征原生结构煤（即原生煤，亦称为非构造煤）是指煤层未受构造变动，保留原生沉积结构、构造特征，煤层原生层理完整、清晰，仅发育少量内生裂隙和外生裂隙。,第一节煤体结构特征与分类,8,1、宏观煤岩成分和宏观煤岩类型,（1）宏观煤岩成分,9,（1）宏观煤岩成分,镜煤：,是煤中颜色最深光泽度最强的成分，多呈黑色，结构致密均一，呈贝壳状、眼球状断口，性脆，内生裂隙比较发育，在煤层中它多呈厚度为几毫米到12cm的透镜状分布于暗煤或亮煤之中。,10,丝煤：,颜色为黑暗色，外观似木炭，简单的煤岩成分具有纤维状结构和丝绢光泽，疏松多孔，性脆易随。丝炭在煤层中多沿着层理程透镜状分布，厚度一般为12mm或几毫米，有时也能形成不连续的薄层。,（1）宏观煤岩成分,11,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。可单独成层较厚的煤分层，也可呈贝壳状分布。,亮煤：,（1）宏观煤岩成分,12,暗煤：,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。,（1）宏观煤岩成分,13,（2）宏观煤岩类型,烟煤宏观煤岩类型的划分,14,2煤的原生结构和构造,条带结构:,1、细条带，13mm2、中条带，35mm3、宽条带，大于5mm,煤的原生结构是由成煤原始物质及成煤环境所形成的结构。煤的宏观结构指宏观煤岩成分的形态、大小、排列方式所表现的特征。,15,线理状结构：,2煤的原生结构和构造,16,2煤的原生结构和构造,透镜状结构：,17,2煤的原生结构和构造,木质构造：,2煤的原生结构和构造,18,纤维状结构：,2煤的原生结构和构造,19,粒状结构：,2煤的原生结构和构造,20,叶片状结构：,2煤的原生结构和构造,21,原生结构煤的构造：,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，它与植物遗体的聚集条件及其变化过程有关。,层状构造：是指在垂直煤层层面方向上的煤层具有明显不均性特征。它反映了成煤物质和成煤条件变化的情况。在复杂结构煤层中层状构造最为明显，煤中最常见的是水平层理，偶见波状层理和斜层理。,块状构造：不见层理，外观均一的煤称为块状构造。块状构造表明了成煤物质的相对均匀和聚积条件相对稳定的特征。,22,显微结构：镜质组、壳质组、惰质组,3显微煤岩组分与类型,23,显微镜下显微组分分层排列，界限清晰。原生结构煤的煤岩成分、结构、构造、内生裂隙清晰可辨。,3显微煤岩组分与类型,24,二、构造煤及其煤岩学特征,构造煤结构类型分类,25,碎裂煤,1）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。,1宏观结构特征,26,2)碎粒结构煤被破碎成粒：主要粒级大于1mm。大部分煤粒由于相互位移摩擦失去棱角，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。碎粒结构往往紧靠碎裂结构分布，常常距离煤层顶板或底板一定距离，也常常位于断裂带的中心部位。,宏观结构特征,27,1宏观结构特征,28,3）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，煤层原生层理完全被破坏，已看不到煤层原生层理和节理，滑移面、摩擦面很多，煤体呈透镜体状、粉状、鳞片状，极易捻成粉末。糜棱结构煤是强挤压、剪切破坏的束缚，常出现在压应力很大的断裂褶皱带中。,29,1宏观结构特征,30,2构造煤的显微结构特征,碎裂煤：,31,2构造煤的显微结构特征,碎粒煤,32,糜棱煤,2构造煤的显微结构特征,33,3煤体结构类型的四类划分,34,煤的破坏类型分类表,35,第一节煤体结构特征和分类第二节煤体变形和构造煤分布第三节煤的变质作用第四节构造煤结构演化和力化学作用,第五章煤体结构与构造煤,36,一、煤体变形机制自学,第二节煤体变形与构造煤分布,37,二、构造煤分布,1构造煤受构造逐级控制煤层瓦斯的赋存和构造煤分层破坏程度和厚度分布均受构造控制。张子敏（1998）论述了煤与瓦斯突出危险区的分布特征，发现深层构造陡变带、深层断裂带、推覆构造带、强变形带控制了中国众多的煤与瓦斯突出矿区和矿井的分布，实际上，这些地带都是区域构造挤压、剪切应力集中带和构造变形最强烈的地带，它常是煤层瓦斯富集带，也是构造煤发育的部位。,38,二、构造煤分布2顺煤层剪切带构造煤分布范围广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。顺层剪切带也叫逆掩断层、顺层断层、缓倾角断层、层滑构造等。,图3-59平顶山矿区东部戊9-10煤层顺层剪切带,39,二、构造煤分布,（1）与煤层产状一致的顺煤层剪切带这种大规模的顺煤剪切带的走向、倾向和倾角和煤层是近于一致的。形成大规模的构造煤。剪切带沿煤层发育，其位置可以在煤层上部，煤层下部，煤层中部或者整个煤层，其发育层位表现为一个顺层剪切煤层破坏带，一个煤层中可以发育一条剪切带，也可以是多条，在后一种情况下，剪切带可以相互交织，形成比较复杂的滑面结构。,40,平顶山东部煤田下石盒子组中的戊9-10煤层中部发育一稳定的顺层剪切带。据勘探资料及生产阶段的井下编录，该剪切带横跨一矿以东的十矿、十二矿、八矿三个井田，影响范围近百平方公里。该剪切带的上、下界面平直而规则，在大部分地段基本上沿煤岩层理界面展布。局部受一些切层断层的影响，其产状略有变化。剪切带厚度仅11.5m，上界面距顶板0.8m，下界面距底板1m左右，主剪切面位于上部。在四矿及一矿的丁5-6煤层中发育的顺层剪切带形态也是如此。,二、构造煤分布,焦作二1煤层顺煤层剪切带（构造煤为标志）,42,（2）波状起伏的顺煤层剪切带一些影响带较窄但范围较大的顺煤层剪切带在剖面上波状起伏，剪切面产状变化较大。,图5-15波状起伏的顺煤层剪切带（四川省白皎矿K3煤层）,二、构造煤分布,43,（3）顺煤层剪切带选层性,顺层剪切带的发生具有选层性。这一特性决定于煤层的岩石力学强度差异及其煤层所在构造剖面中的位置。根据其选层的级别可以分为三种：煤层、煤系和构造层。在同一煤层中，剪切优先选择以镜质组为主的光亮型煤分层中。在一个煤组或煤系中，当煤层层间距及岩石组合类型大致相同时，顺煤层剪切带优先发生在厚度较大的煤层中，在一个构造层内，顺煤层剪切带多发生在两组岩性强度差异较大的界面附近，煤层是弱面，滑动构造常选择在煤层顶板或底板。,图5-16芦店滑动构造剖面图,图5-17告成矿井线剖面图,45,（三）切层断层对构造煤分布的控制,断层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。,图5-16平顶山八矿丁5-612290迎头断面,图5-17平顶八矿丁5-612230采面断层点剖面,46,图5-18平顶山八矿丁5-612230断层素描,图5-19平顶山八矿丁5-6机巷断层素描,图5-22顺煤断层与切层断层的关系（平顶山矿区八矿戊9-1012121采面）,图5-23平顶山八矿己1513160顺煤断层与切层断层关系图,48,第一节煤体结构特征和分类第二节煤体变形和构造煤分布第三节煤的变质作用第四节构造煤结构演化和力化学作用,第五章煤体结构与构造煤,49,一、煤的深成变质作用二、煤的岩浆变质作用三、煤的动力变质作用,第三节煤的变质作用,50,第一节煤体结构特征和分类第二节煤体变形和构造煤分布第三节煤的变质作用第四节构造煤结构演化和力化学作用,第五章煤体结构与构造煤,51,一、构造煤的孔隙与渗透性1构造煤的孔隙结构与比表面积煤是自然界最为复杂的多孔物质之一，孔隙容积、孔径分布及比表面积是其重要的物理参数。与原生结构煤相比，构造煤在构造应力作用下历经变形变质过程，其原生的孔隙结构遭受构造破坏、变形、改造，孔隙结构的各向异性增强。,第四节构造煤结构演化与力化学作用,52,（1）构造煤的孔隙结构1）孔径结构分类,第四节构造煤结构演化与力化学作用,煤是一种孔隙系统的固态物质具有发达。煤的孔径结构特征与其孔隙的赋存状态有关，其孔径结构可极地大影响煤孔隙与气、液分子之间的相互作用。因此，正确认识煤的孔径结构是研究煤孔隙性及煤空间结构特征的基础。,53,表5-14孔结构类型划分的孔径方案比较单位：（直径）nm,*IUPAC为“国际纯化学与应用化学联合会”代号(转引自M.A.Elliott,1981)。*据抚顺煤炭科学研究所进行的煤层烃类气体组合与煤岩煤化关系的研究。,54,不同类型煤的渗透孔隙体积分别为：原生结构煤：0.01606cm3/g；类煤：0.01305cm3/g；类煤：0.02155cm3/g；类煤：0.03166cm3/g；类煤：0.0825cm3/g。严重破坏的类煤的渗透孔隙体积是原生结构煤的6.5倍引起构造煤渗透孔体积增加的主要原因是中孔体积大幅度增加了。类煤的中孔体积是原生结构煤的16.69倍。在原生结构煤中，中孔占24.3%，而在类煤中，中孔体积占59.2%。结论：构造煤主要增加了中孔的孔容，但不影响微孔的孔容。,1）孔径结构分类,55,2）孔隙形态与连通性构造煤中总孔隙空间由有效孔隙空间和孤立孔隙空间构成，前者为气、液体能进入的孔隙，后者则为全封闭性的“死孔”。,(a)半封闭孔(b)开放孔(c)细颈瓶孔,56,2）孔隙形态与连通性,构造煤孔隙连通性主要可分为两种类型：一种是中孔较多、连通性较强。如脆性变形煤碎裂煤、碎斑煤。另一种是以半封闭孔为主，存在大量细颈瓶孔，孔隙连通件较弱。如脆性变形煤碎粒煤、薄片煤，韧性变形条件下的糜棱煤等。,57,2构造煤的比表面积煤的比表面积（specificsurfacearea）与孔隙特征具有密切的联系，其大小直接关系着煤与气体介质间的接触面积、煤吸附气体的能力。,表5-16不同破坏程度煤的比表面积（据罗志明，1989，有改动）,58,实测结果（见表5-16）表明，高级烟煤和无烟煤的比面积随煤体破坏程度增高而增大；煤的比表面积S（根据其数量级，应是CO2比表面积）与瓦斯放散指标P呈线性相关，即：（5-1）比表面积随坚固性系数f值降低急剧升高。这一结论有力地证明了随煤体破坏程度增高比表面积升高的一般规律。,2构造煤的比表面积,59,（二）构造煤瓦斯吸附与解吸理论,1构造煤的吸附理论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，当煤体与瓦斯接触,或煤体孔隙、裂隙中含有瓦斯气体时，作随机热运动的瓦斯气体分子当其撞击到煤体孔隙表面时,要作短时的停留。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。,60,2构造煤的甲烷吸附量,霍多特（1966）对顿巴斯20个煤样的实验证明，突出危险和非突出危险层在瓦斯吸附性质方面没有明显区别。前苏联的研究表明，对于正常煤和破坏煤，其吸附能力的变化范围不超过10%，对英国威尔士无烟煤的研究也得出了同样结果（巴克里德和拉德琴科，1990）。他们所说的突出危险性煤、破坏煤就是我们所说的构造煤。,61,2构造煤的甲烷吸附量,王佑安和杨思敬（1980）认为，煤的瓦斯吸附量不随煤的破坏程度增高而增加，这表明，决定煤比表积的微孔体积不受煤破坏程度的影响。这一结果受到来自两个方面的支持：一是实验表明，构造煤没有增大其吸附容量；二是构造破坏不影响到微孔体积的增加，进而也不影响到比表面积的增加，从而也不提高瓦斯吸附容量。,62,图5-38是焦作无烟煤原生结构煤与构造煤等温吸附实验对比结果，构造煤与原生结构煤的吸附体积常数存在差异，构造煤的吸附常数大于原生结构煤的，但两者的差异不大。,图5-38原生结构煤与构造煤的等温吸附曲线M-曲线为构造煤，K-曲线为原生结构煤,2构造煤的甲烷吸附量,63,3构造煤瓦斯放散特征1）构造煤瓦斯放散过程煤是一种多孔介质，当煤体内瓦斯放散存在解吸、扩散、渗流等过程。目前国内外提出了一些有关瓦斯扩散、渗流的微观数学模型和宏观经验公式，主要