瓦斯地质学作业Word文档下载推荐.docx

1、瓦斯（煤层气）抽采地质控制机理研究瓦斯（煤层气）高效抽采是瓦斯治理的根本。正是由于煤层中赋存着高含量瓦斯和透气性低才造成煤与瓦斯突出危险性，高瓦斯煤与瓦斯突出矿井、矿区时时刻刻都受着煤与瓦斯突出和瓦斯爆炸灾害的威胁。目前，我国煤矿瓦斯抽采率只达5%12%左右，吨煤瓦斯抽采量不足1m3，仅为平均煤层瓦斯含量的6%10%。以煤矿瓦斯（煤层气）抽采地质控制机理为核心，围绕瓦斯富集和渗透性两个科学问题，运用板块构造、区域地质演化和瓦斯赋存构造逐级控制理论，依据中国煤矿地质条件复杂、瓦斯低渗富集区分布面积大、高瓦斯、煤与瓦斯突出矿井居多的特点，开展瓦斯赋存构造逐级控制理论、瓦斯低渗富集区成因与分布、高渗

2、富集区成因与分布、高富集低渗煤层甲烷解吸、流动特性、煤矿瓦斯（煤层气）高效抽采地质控制机理5个方面的研究，突破 “突出煤层为煤层气开发禁区”的认知，揭示低渗煤层可抽性和瓦斯富集构造控制机理，为高瓦斯、煤与瓦斯突出煤层瓦斯井下抽采和煤层气地面开发奠定理论基础。煤与瓦斯突出地质控制机理研究国务院常务会议决定采取七项措施大力开展瓦斯集中整治，其中一项就是加快煤与瓦斯突出机理及预测预报科研攻关。1：200万中国煤层瓦斯地质图编制提出：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。中国目

3、前有58个高瓦斯煤与瓦斯突出矿区，其中有49个高突矿区属于石炭-二叠系煤层；中国目前有3500余对高瓦斯矿井和煤与瓦斯突出矿井。发生煤与瓦斯突出近20000次，是世界上突出矿井对数、突出次数最多的国家。瓦斯赋存分布是构造演化作用的结果，构造煤的形成与分布是构造强挤压剪切作用的结果。煤与瓦斯突出动力灾害主要发生在构造复杂区、构造煤发育区。运用板块构造、区域地质演化和瓦斯赋存构造逐级控制理论，研究我国58个高瓦斯、煤与瓦斯突出矿区构造演化特征；研究煤与瓦斯突出矿井发生突出的地质原因；研究煤与瓦斯突出危险区的分布规律；研究瓦斯突出煤体的分布规律。煤层瓦斯（煤层气）的成因瓦斯成因学说有很多，多数认为煤

4、中瓦斯是在煤化作用过程中形成的。瓦斯的形成和煤的形成是同时进行的且贯穿于整个成煤过程始终。因此，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、成煤阶段等均有关系。按照生物地球化学营力和热力学化学营力作用效果，可将瓦斯区分为生物成因和热成因两种基本生成类型。生物生成瓦斯，是指由各类微生物的一系列复杂作用过程而导致成煤物质讲解所生成的瓦斯气体；热成因瓦斯，是指随着煤化作用进行，伴随温度升高、煤分子结构和成分的变化而生成的瓦斯气体。生物生成瓦斯可形成于早期生物地球化学煤化作用阶段。煤层形成后因构造抬升可重新经受生物改造，因此又可分为原生生物成因瓦

5、斯和次生生物成因瓦斯。影响瓦斯赋存的地质因素通常影响煤层瓦斯赋存的地质因素主要有：区域地质演化过程和井田构造特征、煤层及围岩的组合特征、煤化程度、煤质特征、水文地质条件等井田构造控制作用断层的类型断层的类型对瓦斯的赋存有一定的影响，张性断层有利于瓦斯的排放，而压性断层对瓦斯的排放起着阻碍的作用。对于那些大断层中包含小断层的情况则更为复杂，小断层在井巷剖面上比较杂乱，这些小断层对瓦斯的赋存、运移、排放也有较大的影响。褶皱的类型和复杂程度褶皱的类型和复杂程度对瓦斯的赋存均有影响，封闭的背斜有利于瓦斯的储存，简单向斜有利于瓦斯排放。对于一些总体上属于一单斜构造，谢桥向斜对这类地区的影响不明显。而内部

6、发育的小褶皱对瓦斯的局部赋存有明显的影响，表现为在背斜的轴部瓦斯含量高于两翼。上覆基岩厚度和埋藏深度的影响上覆基岩厚度是指研究煤层顶板以上除冲积层之外的所有地层厚度。由于不同煤层以上煤系厚度的差异影响。造成顶板基岩厚度在研究区内纵、横向上的变化。在第四系松散沉积厚度较小和横向差异不大的矿区或井田，顶板基岩厚度和埋藏深度的影响基本上是相当的。基岩深度和基岩厚度，二者对瓦斯赋存的影响效果是一致的。当地面标高变化不大时，研究煤层底板标高也能较好地表征埋藏深度。就煤层瓦斯自然流场的纵、横向上的运移而言，瓦斯以沿煤层横向运移为主导；由于煤与围岩性质的差别，垂直煤层层面及其它方向的纵向运移往往是微弱的。一

7、般来讲，随着煤层上覆基岩深度的增大，煤层承受的静压力增大，煤体中的孔隙压缩，不仅使瓦斯的纵向和横向运移条件变差，而且使煤对瓦斯的吸附能力增强，赋存条件变好。但若上覆基岩深度较小，且与地表有连通的断层和裂隙，造成煤层瓦斯与大气的相互交换，瓦斯的纵向和横向运移又是明显的。所以，煤层上覆基岩深度或煤层埋藏深度的变化，往往是影响煤层瓦斯赋存的主要地质因素。煤层围岩对瓦斯赋存的影响煤层顶板岩性是指与研究煤层直接接触的伪顶或直接顶岩性。一般煤层顶板为砂质泥岩、泥岩类或致密灰岩时有利于瓦斯的保存，顶板岩层的岩性越疏松、颗粒及孔隙越大，则越利于瓦斯的运移和逸散。对于那些直接顶板主要是泥岩或砂质泥岩，有利于瓦斯

8、保存。且在横向上岩性变化不大。一般砂岩比越大越利于瓦斯的运移及逸散，反之，则利于保存。顶板岩性和砂岩比都是影响瓦斯纵向运移、逸散的重要因素。其它因素对瓦斯赋存的影响除上述地质因素外，对煤层瓦斯赋存的影响因素还有煤层厚度及结构、煤化程度及煤质、水文地质条件等。（1）煤层厚度及结构变化煤层是瓦斯的主要储积层，煤层厚度越大，可储存的瓦斯量也越多。对于一些中厚煤层，且煤厚变化不大，结构单一，在横向上煤层有一定的变化，是影响煤层瓦斯赋存的因素之一。煤体结构是指煤层在后期改造中所形成的结构。煤体的破坏程度一方面可以说明煤体对瓦斯赋存的影响程度，另一方面也表明了煤体抵抗外力破坏的能力。在遭到地应力作用而破碎

9、的煤体中，裂隙增多，煤颗粒的表面积增大，从而煤体吸附瓦斯的能力成倍增加。然而在地应力作用下，裂隙变小而杂乱无章，使煤层的透气性降低，从而形成了高瓦斯区或瓦斯集中带，在这些地段较正常区瓦斯要大。（2）煤质煤质包括煤岩类型、煤化程度及煤质指标等几个方面，其在横向上的变化往往是造成煤层瓦斯赋存差异性的主要因素之一。在矿井采掘的过程中还需要注意积累煤质方面的资料，并分析其对瓦斯赋存的影响。（3）水文地质条件赋存在含煤岩系及围岩中的地下水，与煤层瓦斯同属流体，它们的运移和赋存都与煤、岩层的孔隙、裂隙通道有关。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

10、，地下水的径流有利于瓦斯的逸散。同时，水吸附在孔隙和裂隙的表面，还减弱了煤对瓦斯的吸附能力。在煤层及围岩中，地下水和瓦斯所占的空间往往是互补的，表现为水大的地带瓦斯小，水小的地段瓦斯大。综合假说如何阐述煤与瓦斯突出机理？综合作用假说认为：煤与瓦斯突出是由地应力、包含在煤体中的瓦斯以及煤体自身物理力学性质三者综合作用的结果。持综合作用假说观点的学者都承认，煤与瓦斯突出是综合因素作用的结果，但对各种因素在突出中所起的作用却说法不一。例如，法国学者入伯兰等认为瓦斯因素是主要的；而前苏联学者B比霍多持、日本学者肌部俊郎等许多学者则认为地应力是主要的，即地应力是发动突出、发展突出的主要因素，瓦斯是帮助突

11、出发展的因素。目前，具有代表性的综合作用假说主要有：（1）振动说 前苏联的儿Mo克利奥鲁奇科认为，煤与瓦斯突出的形成不是一个单独的过程，而是由围岩对煤层的振动作用有关的三个连续阶段组成的：第一阶段煤受到来自围岩方面的压力作用而破坏，煤的体积缩小，游离瓦斯压力增大，并有一部分转化为吸附瓦斯；第二阶段、卸压，煤层体积膨胀，瓦斯压力降低，瓦斯解吸；第三阶段，包含粉碎的煤和大量的游离瓦斯的煤层又再次受压，瓦斯压力再次增大。当巷道工作面接近上述破坏带时。处于高压的粉煤和瓦斯混合物就有可能冲破煤壁而发生突出。因此该假说认为：瓦斯是造成突出的主体。而煤粉碎、瓦斯解吸和瓦斯粉煤混合物的喷出所需的能量是由煤层的

12、围岩通过振动来传递的。（2）分层分离说 前苏联的1LM被图霍夫等人认为突出是由地应力和瓦斯共同作用的结果。突出过程分三个阶段：准备阶段。工作面附近的煤层始终处于地应力的作用下，造成了发生突出的条件、增加了瓦斯向巷道方向渗透的阻力，促使煤层保持高的瓦斯压力，煤体强度降低，煤校易于从煤体中分离。颗粒分离波的传播阶段。突出时，颗粒的分离过程是一层一层进行的。当突出危险带表面急剧暴露时由于瓦斯压力梯度作用使分层承受拉力，当拉力大于分层强度时、即发生分层从煤体上的分离。分层分离是一切突出的重要组成部分，影响着突出的主要待征，但并没有全面反映突出过程的多种形式。例如，分层分离波统过部分的压碎带，通常决定于

13、地压作用，伴随声响激发此时暴露面上约分层分离。突出常常是重复的破坏组合一部分是瓦斯参与下的分层分离而破坏，另一部分是地应力破坏。在急倾斜煤层的某些部分，则在自身的重力作用下分离。瓦斯和颗粒混合物的运动阶段。从煤体分离的煤颗粒和瓦斯急速冲向巷道随着混合物运动，瓦斯进一步膨胀，速度继续加快。当其遇到阻碍时，速度降低而压力升高、直到增高的压力不能超过破坏条件时，过程才停止。（3）破坏区说 日本的矾部俊郎等人认为、典型的冲击地压是由于集中应力所造成的破坏现象，而典型的瓦斯突出是瓦斯作用的结果。介于二者之间的现象称为冲击地压式突出，或叫做突出式的冲击地压。它是瓦斯压力和地应力共同作用的结果。他们认为：不

14、论是突出还是冲击地压，首先必须破坏煤体。而煤体的破坏过程是一致的在不均质的煤内各点的强度不同，在高压力的作用下，由强度最低的点先发生破坏，并在其周围造成应力集中，如邻点的强度小于这个集中应力，就会被破坏成破坏区。在这种破坏区中，煤的强度显著下降，变成弱应力区。此区内的吸附瓦斯由于煤体破坏时释放的弹性能供给热量而解吸、煤粒子间的瓦斯使煤的内摩擦力下降，变成易于流动的状态。当这种粉碎的煤流喷射出时，便形成了突出。（4）游离瓦斯压力说 法国的J耿代尔等认为，突出是煤质、地应力、瓦斯压力综合作用的结果、但瓦斯因素是主要的，煤体内游离瓦斯压力是发动突出的主要力量，解吸的瓦斯仅参与突出煤的搬运过程。如果工

15、作面在突出危险区是逐渐推进的，那么工作面前方煤体处于匀速动态的状态；如果工作面前方的过载应力区的围岩突然变化将出现加速的动态而突出。有利的突出条件是：煤的结构紊乱，瓦斯压力高，煤和固岩的应力大。煤与瓦斯突出危险性预测的主要方法进行煤与瓦斯突出预测，不仅能指导防突措施科学地运用、减少防突措施工程量，而且由于对工作面突出危险性进行不间断地检查，还能保证突出层作业人员的人身安全。因此，突出预测具有重大的实际意义。一、煤与瓦斯突出预测分类我国突出预测分为区域性预测和工作面预测两类。区域性预测的任务是确定井田、煤层和煤层区域的危险性，相当于前苏联的区域性预测和局部预测。区域性预测的依据是查明突出区域性特

16、征，即各区域的突出主要因素（地应力、瓦斯和煤的物理力学性质）与突出危险性之间的联系。工作面预测，也称日常预测，其任务是确定工作面附近煤体的突出危险性，即该工作面继续向前推进时，有无突出危险。工作面预测是依据上述三因素在工作面前方的分布状况及其随工作面推进的变化。二、煤与瓦斯突出区域性预测区域性预测在地质勘探、新井建设和新水平开拓时进行。在地质勘探单位提供的井田地质报告中，应提供确定煤层突出危险性的基础资料。基础资料包括煤层赋存条件及其稳定性、煤的结构破坏类型及工业分析、煤层围岩性质及厚度、地质构造、煤层瓦斯含量、煤层瓦斯压力、煤层瓦斯成分、煤的瓦斯放散初速度指标P、煤的坚固性系数f值、水文地质

17、情况和火成岩侵入形态及分布等。区域性预测有如下几种方法：（1）单项指标法采用煤的破坏类型、煤的瓦斯放散初速度指标P、煤的坚固性系数f值和煤层瓦斯压力p作为预测指标，各种指标的突出危险临界值应根据实测资料来定。表1所列为预测突出危险性单项指标煤层突出危险性破坏类型瓦斯放散初速度P煤的坚固性系数f煤层瓦斯压力p（MPa）突出危险无突出危险、10100.50.50.740.74（2）按照煤的变质程度根据顿巴斯煤田1970-1978年期间的开采实践，煤层的突出危险程度与其挥发分之间是密切相关的：在烟煤的挥发分Vdaf35%和无烟煤的比电阻的对数值3.3时，无突出危险，而挥发分Vdaf=18%22%时，

18、突出危险程度最高，突出危险性之所以成这种分布形式，取决于煤变质过程中煤的分子结构及一系列物性的重大变化。但是近几年的生产实践表明，Vdaf=35%40%时，也可能发生突出，因此，一些研究人员建议，把突出危险的上限提高到40%。（3）综合指标D与K法抚顺分院、北票矿务局与红卫矿提出用综合指标D和K来预测煤层的突出危险性，其临界值参照表2。表2 判断突出危险性的综合指标临界值煤层突出危险性的综合指标突出危险性DK 0.250.251515D=（0.0075H/f-3）（p-0.74） （式1）式 D综合指标之一； H煤层开采深度，m； P煤层瓦斯压力，MPa； f煤的坚固性系数； K=P/f （式

19、2） K综合指标2； f煤层软分层的瓦斯放散初速度；（4） 地质指标湖南省煤研所提出用煤层围岩指标R5*（5m含砂岩率），地质构造指标Kf、煤质指标Kd（Kd=0.09P-1.62f2）和瓦斯压力p进行综合判断，各指标的临界值见表3。表3地质指标临界值R5*KfKdp（MPa）危险性0.70.7-0.450.450.250.25-0.750.7511-1.51.50.40.4-11无危险过渡性危险（5）综合指标俄罗斯斯科钦斯基矿业研究院提出用综合指标B作为预测指标认为当B15时煤层有突出危险，B15时煤层无突出危险。 （6）地质统计法该法的实质是根据已开采区域突出点分布与地质构造（包括褶曲、断

20、层、煤层赋存条件变化、火成岩侵入等）的关系，然后结合未采区的地质构造条件来大致预测突出可能发生的范围。不同矿区控制突出的地质构造因素是不同的，某些矿区主要受断层控制，另一些矿区主要受褶曲或煤层厚度变化控制，因此，各矿区可根据已采区域主要控制突出的地质构造因素，来预测为采区域的突出危险性。三、煤与瓦斯突出的工作面预测（1）石门揭煤突出危险性预测主要预测方法有：综合指标法、钻屑指标法和钻孔瓦斯初速度结合瓦斯涌出衰减系数法。（2）煤巷突出危险性预测钻孔瓦斯涌出初速度法、钻屑指标法、媒体温度、V30特征值、解吸指数Kt值、煤层瓦斯中氡浓度和微震声响预测（声发射预测）等瓦斯地质的一般规律瓦斯地质规律是指

21、揭示瓦斯与所有地质因素之间内在联系的规律。瓦斯赋存状态、瓦斯含量多少、瓦斯压力大小、煤与瓦斯突出动力现象等都受着自身瓦斯地质规律的制约；瓦斯涌出规律、瓦斯抽采难易及其方法等都受着瓦斯地质规律的控制。煤化作用过程煤化作用中会不断地产生瓦斯，煤化程度越高，生成的瓦斯量越多。即在其他因素恒定的条件下，煤的变质程度越高，煤层瓦斯含量越大。煤层围岩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

22、时，瓦斯容易逸散。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，瓦斯含量增大。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，大部分瓦斯仅能沿两翼流向地表，但在盆地的边缘部分，若含煤地层暴露面积大，则便于瓦斯排放。紧密闭褶皱地区往往瓦斯含量较高，因为这些地区带受强烈构造作用，应力集中；同时，发生褶皱的岩层往往塑性较强，易褶不易断，封闭性较好，因而有利于瓦斯的聚集和保存。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

23、于瓦斯排放，有的断层对抑制瓦斯排放而成为逸散的屏障。前者称为开放型断层，后者称为封闭型断层。断层的开放性与封闭性取决于下列条件：（1）断层属性和力学性质，一般张性正断层属开放型，而压性或压扭性逆断层通常具有封闭性；（2）断层与地表或与冲积层的连通情况，规模大且与地表相通或与冲积层相连的断层一般为开放型；（3）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；（4）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。瓦斯压力梯度一般而言，煤层中的瓦斯压力随着埋藏深度的增加而增大。在一定深度范围内，煤层瓦斯含量亦随埋藏深度的增大而增

24、加；当埋藏深度继续增大时，瓦斯含量增加的幅度将会减缓。个别矿井的煤层，随着煤层埋藏深度的增加瓦斯涌出量反而相对减小。如徐州矿务局大黄山矿，属于低瓦斯矿井，位处较浅的煤盆地，煤层倾角大，在新、老不整合面上有厚层低透气性盖层，瓦斯主要沿煤层向地表运移。由于煤盆地范围小，深部缺乏足够的瓦斯补给，当从盆地四周由浅部向深部开采时，瓦斯涌出量随着开采深度的增加而减小。地下水的活动地下水活动有利于瓦斯的逸散。地下水和瓦斯占有的空间是互补的，这种相逆的关系，常表现为水量大的地带，瓦斯量相对较小，反之亦然。矿井瓦斯地质图的主要作用矿井瓦斯地质图是以矿井煤层底板等高线图和采掘工程平面图作为地理底图。在系统收集、整

25、理建矿以来采、掘工程揭露和测试的全部瓦斯资料和地质资料，如采掘工作面每日的瓦斯浓度、风量和瓦斯抽采量，煤与瓦斯突出危险性预测指标及煤与瓦斯突出点资料等，在查清矿井瓦斯地质规律，进行瓦斯涌出量预测、煤与瓦斯突出危险性预测、瓦斯（煤层气）资源量评价和构造煤的发育特征等基础上按照图例绘制而成。矿井瓦斯地质图能高度集中反应煤层采掘揭露和地质勘探等手段测试的瓦斯地质信息；准确反映矿井瓦斯赋存规律和涌出规律；准确预测瓦斯涌出量、瓦斯含量、煤与瓦斯突出危险性；准确评价瓦斯（煤层气）资源量及开发技术条件。矿井瓦斯涌出量的预测方法矿井瓦斯涌出的概念瓦斯涌出量，是指在矿井建设和生产过程中从煤与岩石内涌入采掘空间和

26、抽入管道中的瓦斯量，可用绝对瓦斯涌出量和相对瓦斯涌出量两个参数来表示。、绝对瓦斯涌出量单位时间涌出的瓦斯体积，单位为m3/d或m3/min。式中Qj绝对瓦斯涌出量，m3/min； Q风量，m3/min； C风流中瓦斯平均浓度，%、相对瓦斯涌出量指矿井在正常生产条件下，平均日产1t煤同期所涌出的瓦斯量，单位是m3/t。式中相对瓦斯涌出量，m3/t；j绝对瓦斯涌出量，m3/d； Ad日产量，t/d。瓦斯涌出量中除开采煤层涌出的瓦斯外，还有来自邻近层和围岩的瓦斯，所以相对瓦斯涌出量一般要比瓦斯含量大。矿井瓦斯涌出量预测方法矿山统计法 一、简易统计法 1、矿井相对瓦斯涌出量与开采深度的关系由式（3）表

27、示。 式（3）式中：q矿井相对瓦斯涌出量，m3t； H开采深度，m； Ho瓦斯风化带深度，m；相对瓦斯涌出量随开采深度的变化梯度，m（m3t-1）。 2、a值确定1） 当有瓦斯风化带以下两个水平的实际相对瓦斯涌出量资料时，a值由式（4）确定。 式（4）H2瓦斯带内2水平的开采深度，m； H1瓦斯带内1水平的开采深度，m； q2在H2深度开采时的相对瓦斯涌出量，m3/t; q1在H1深度开采时的相对瓦斯涌出量，m3/t。2） 当有瓦斯风化带以下多个水平的实际相对瓦斯涌出量的资料时，a的加权平均值由式（5）确定。 式（5）Hi第i个水平的开采深度，m； qi第i个水平的相对瓦斯涌出量，m3/t； n统计的开采水平个数。3、 H0的确定1） H0可由式（6）确定。 式（6）式中符号同前。2）根据实测煤层瓦斯基本参数确定，瓦斯风化带的下部边界可参照下列条件确定甲烷及重烃的浓度之和占气体组分的80%（按体积）；瓦斯压力P=0.1MP