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1、1第一章 煤层瓦斯的赋存与含量 第一章 煤层瓦斯的赋存与含量在煤矿建设和生产过程中，煤层和围岩中的瓦斯气体会涌到生产空间，对井下的安全生产构成威胁。对于不同的煤层、不同的矿井，由于瓦斯赋存状况不同，瓦斯涌出所造成的危险程度也是不同的。只有了解了瓦斯的基本性质和煤层瓦斯的赋存状况，掌握了瓦斯赋存的主要参数，才能为瓦斯治理提供可靠的基础依据。本章主要介绍瓦斯的概念及性质、煤层瓦斯的生成和赋存、煤层瓦斯压力及其测定、煤层瓦斯含量及其测定等内容。第一节 矿井瓦斯的概念及性质一、矿井瓦斯的概念矿井瓦斯是指矿井内以甲烷为主的有毒有害气体的总称，有时专指甲烷。由此可见，瓦斯指的是一种混合气体，其组分包括井下

2、产生的所有有毒有害气体。矿井瓦斯的来源主要有四类：一是煤层及围岩内赋存并能涌入到矿井的气体；二是矿井生产过程中生成的气体，如炮烟等；三是井下空气与煤、岩、矿用材料之间的化学或生物化学反应生成的气体；四是放射性物质蜕变过程中生成的气体。国内外对煤层瓦斯组分的大量实测表明，煤层中的瓦斯有约20种组分。表1-1是抚顺煤科分院对我国部分煤矿煤层瓦斯组分的分析结果，从表中可以看出，煤层中瓦斯的主要成分是甲烷，一般占到煤层瓦斯组分的80%以上。表1-1 中国部分煤矿煤层瓦斯组分测定结果采样地点煤层煤质煤层瓦斯组分（体积%）N2CO2CH4C2H6C3H8i-C4H10北票台吉矿-550m水平4气煤7.10

3、0.3992.030.09080.00790.0187北票台吉矿-550m，东三石门5A气煤1.421.6073.0716.185.490.7130北票冠山矿-58m水平5C气煤7.280.9391.570.07040.00180.0052铁法大隆矿西翼南二区7气煤12.271.0884.921.68680.00600.0003鸡西滴道立井二路18焦煤12.851.0785.870.04530.00420.0004中梁山北井2443采面K4焦煤4.613.3391.350.67080.01350.0020天府南井六石门K9焦煤5.052.9591.920.03440.02600.0026天府南

4、井北段+110mK2焦煤2.982.6493.780.54770.00430.0006南桐直属二井2504采面5瘦煤2.961.9787.446.27111.31210.0050沈阳红阳三井860孔7瘦煤5.455.5087.581.31420.08880.0031沈阳红阳三井895孔13瘦煤3.732.0292.791.37770.06070.0025阳泉一矿北头嘴井3无烟煤0.932.2996.720.05000.00360.002松藻+430m，1356采面K3无烟煤14.170.3284.840.54850.0060白沙红卫坦家冲井6无烟煤9.0712.1473.724.120.034

5、80.0027焦作李封大井2无烟煤9.159.1477.822.970.02050.0001续表采样地点煤层煤质煤层瓦斯组分（体积%）n-C4H10i-C5H12n-C5H12C6H14C7H16C8H18北票台吉矿-550m水平4气煤0.02280.01180.01690.02360.0271北票台吉矿-550m，东三石门5A气煤0.65200.17300.15800.09900.15400.064北票冠山矿-58m水平5C气煤0.01120.00600.01120.02230.06480.0194铁法大隆矿西翼南二区7气煤0.00050.00190.0108鸡西滴道立井二路18焦煤0.01

6、200.1590中梁山北井2443采面K4焦煤0.00570.00060.00030.0052天府南井六石门K9焦煤0.00690.00110.00180.00230.0065天府南井北段+110mK2焦煤0.00150.00050.0006南桐直属二井2504采面5瘦煤0.01270.00110.00210.00110.02810.0166沈阳红阳三井860孔7瘦煤0.00760.00120.00360.00530.0517沈阳红阳三井895孔13瘦煤0.00900.00030.00070.0062阳泉一矿北头嘴井3无烟煤0.0020松藻+430m，1356采面K3无烟煤0.00130.00

7、040.0949白沙红卫坦家冲井6无烟煤0.01010.00190.00490.00630.0143焦作李封大井2无烟煤0.00040.00140.00230.0332注：1、根据空气中氧和氮的比例，按试样中的含氧量扣除混进的空气量2、除红阳三井煤样为勘探钻孔煤样外，其它均为井下新暴露面煤样。瓦斯组分中的气体成分不同，其性质具有很大的差异。从安全的角度可以将这些组分划分为四类：（1）可燃性气体：如甲烷等烷烃类（CnH2n+2）、环烷烃（CnH2n）、H2、CO、H2S等等，这些气体具有可燃烧的特性，在一定浓度范围内与空气的混合往往具有爆炸性，对煤矿安全构成严重威胁。（2）有毒性气体：如H2S、

8、CO、SO2、NH3、NO、NO2等等，这些气体达到一定的浓度时，会直接威胁人体的健康甚至生命。（3）窒息性气体：如N2、CH4、CO2、H2等等，这些气体往往赋存在煤体或其围岩内，开采过程中大量涌到生产空间，从而使空气中氧气的浓度降低，造成人员窒息。（4）放射性气体：如氡气。以上可以看出，矿井瓦斯成分相当复杂，但各种成分的含量差别极大。在煤矿井下，由煤层及其围岩涌出的甲烷往往占到瓦斯总量的90%以上，除了个别矿井外，其他成分含量极少，因此在述及到矿井瓦斯时，通常是独指甲烷（本书如不特别指明，则瓦斯单独指甲烷）。二、瓦斯的性质1、瓦斯的基本性质瓦斯是一种无色、无味、无嗅、无毒的气体，人的感觉器

9、官无法感知瓦斯的存在。标准状态下瓦斯的密度为0.716kg/m3，为空气密度的0.554倍，在无风或微风的巷道中，涌出的瓦斯往往容易积聚在巷道的顶板上，形成瓦斯层。瓦斯在空气中具有较强的扩散性，扩散速度是空气1.43倍，局部地区较高浓度的瓦斯会自动向低浓度的区域扩散，从而使瓦斯浓度趋于均匀，因此，在风量充足的巷道中，瓦斯的分布通常是均匀的。瓦斯的渗透性也很强，其渗透能力是空气的1.6倍，在煤层附近的围岩中掘进巷道时，有时也能从围岩中涌出瓦斯。瓦斯难溶于水，在20和0.1013MPa时，100L水可溶3.31L瓦斯。瓦斯本身虽然无毒，但井下涌出的瓦斯会挤占空气的空间，使井下空气中的氧气浓度下降，

10、从而使空气具有窒息性。当混合气体中瓦斯的浓度达到43%时，空气中氧气的浓度降到12%，人在此环境下会感到呼吸短促；当瓦斯浓度在空气中达到57%时，相应的氧气浓度被冲淡到9%，人即刻处于昏迷状态并有死亡危险。井下空气中瓦斯和氧的含量关系如图1-1所示。图1-1 井下空气中瓦斯和氧的含量关系2、瓦斯的燃烧性和爆炸性瓦斯是一种可燃性气体，当其在空气中的浓度达到某一范围时，遇适当的火源就会发生燃烧或爆炸。当瓦斯浓度在05%（爆炸下限）时，遇火源发生氧化燃烧反应，在火焰外围形成稳定的燃烧层；瓦斯浓度位于5%16%范围内，遇火源会形成强烈的爆炸；瓦斯浓度超过爆炸上限16%时，混合气体无法被点燃，但与新鲜空

11、气混合时，可以在混合界面上被点燃，形成稳定的火焰。对煤矿井下安全威胁最大的是瓦斯爆炸，局部区域瓦斯的瞬间爆炸可以对井下的人员和设施造成很大的伤害和破坏，由此引发的煤尘爆炸、火灾、冒顶及通风系统紊乱等又会使事故进一步扩大，造成更大损失。瓦斯燃烧是煤矿非常危险的事故，瓦斯的瞬间燃烧往往使人来不及躲避，造成人员伤残，并引发火灾事故。因此，在煤矿建设和生产中，防治瓦斯爆炸和燃烧是防治瓦斯事故的主要环节。第二节 煤层瓦斯的生成和赋存一、煤层瓦斯的生成煤层瓦斯是腐植型有机物在成煤的过程中生成的。煤是一种腐植型有机质高度富集的可燃有机岩，是植物遗体经过复杂的生物、地球化学、物理化学作用转化而成。从植物死亡、

12、堆积到转变成煤要经过一系列演变过程，这个过程称为成煤作用。在整个成煤过程中都伴随有烃类、二氧化碳、氢和稀有气体的产生。结合成煤过程，大致可划分为两个成气时期。（一）生物化学作用成气时期这是成煤作用的第一阶段，即泥炭化或腐植化阶段。这个时期是从成煤原始有机物堆积在沼泽相和三角洲相环境中开始的，在温度不超过65条件下，成煤原始物质经厌氧微生物的分解生成瓦斯。这个过程，一般可以用纤维素的化学反应方程式来表达：4C6H10O57CH48COC9H6O3H2O（纤维素） （类烟煤）或 4C6H10O5CH42CO2C9H6O5H2O 这个阶段生成的泥炭层埋藏较浅，覆盖层的胶结固化程度不够，生成的瓦斯很容

13、易渗透和扩散到大气中去，因此，生化作用生成的瓦斯一般不会保留到现在的煤层内。 （二）煤化变质作用成气时期这是成煤作用的第二阶段，即泥炭、腐泥在以压力和温度为主的作用下变化为煤的过程。在这个阶段中，随着泥炭层的下沉，上覆盖层越积越厚，压力和温度也随之增高，生物化学作用逐渐减弱直至结束，进入煤化变质作用成气时期。由于埋藏较深且覆盖层已固化，在压力和温度影响下，泥炭进一步变为褐煤，褐煤再变为烟煤和无烟煤。煤的有机质基本结构单元是带侧键官能团并含有杂原子的缩合芳香核体系。在煤化作用过程中，芳香核缩合和侧键与官能团脱落分解，同时会伴有大量烃类气体的产生，其中主要的是甲烷。整个煤化作用阶段形成甲烷的示意反

14、应式可由下列方程式表达：4C16H18O5C57H56O104CO23CH42H2O （泥炭） （褐煤）C57H56O10C54H42O5CO22CH43H2O （褐煤） （沥青煤）C15H14OC13H42CH4H2O （烟煤） （无烟煤）从褐煤到无烟煤，煤的变质程度越高，生成的瓦斯量也越多。表1-2为我国一些单位对部分煤进行热模拟实验所得到的不同煤种各阶段的产气量。表1-2 我国部分煤热模拟实验煤气（甲烷）发生率 单位：m3/t试验单位变质阶段未变质煤低变质煤中变质煤高变质煤褐煤长焰煤气煤肥煤焦煤瘦煤贫煤无烟煤煤科总院地质勘探分院（1987年）阶段产气量325105427102551701

15、08246134333268393累计产气量3868*4193481226517093238146314172401306461石油开发研究所（1985年）阶段产气量431758261084817686230114321168390累计产气量3868*4299451266417686244124298152389206458地矿部石油地质研究所（1985年，舒兰褐煤）阶段产气量累计产气量0.551.064.2524.3255.994.77127.72221.13兰州地质研究所（1986年，乌苏褐煤）阶段产气量2.4922.9253.04113.57183.34325.23累计产气量1.614.

16、1024.5354.65115.18184.95326.84注：带*者为引用国外文献数据。数据表明，尽管各实验单位得出的结果有明显差异，却都反映出成煤过程生成的瓦斯量是很大的，最高可达300400m3/t。但从煤矿开采实践过程来看，煤层中的瓦斯含量一般不超过20 30m3/t，由此看来，在漫长的地质年代中，由于地层的隆起、侵蚀和断裂以及瓦斯在地层内的迁移，一部分或大部分瓦斯已经扩散到大气中，只有少部分瓦斯渗透到煤层围岩内或运移至储气构造中而形成煤成气田。二、瓦斯在煤体内的赋存状态（一）煤体内的孔隙特征1、煤体内的孔隙分类煤体之所以能保存一定数量的瓦斯，这与煤体内具有大量的孔隙有密切关系。根据煤

17、的组成及其结构性质，煤中的孔隙可以分为三种：（1）宏观孔隙：指可用肉眼分辨的层理、节理、劈理及次生裂隙等形成的孔隙。一般在0.1mm以上。（2）显微孔隙：指用光学显微镜和扫描电镜能分辨的孔隙。（3）分子孔隙：指煤的分子结构所构成的超微孔隙。一般在0.1m以下。根据孔隙对瓦斯吸附、渗透和煤强度性质的影响，一般按直径把孔隙分为以下几种：（1）微孔：直径小于0.01m，它构成煤的吸附空间。（2）小孔：直径为0.010.1m，是瓦斯凝结和扩散的空间。（3）中孔：直径为0. 11m，它构成瓦斯层流渗流的空间。（4）大孔：直径为1100m，它构成强烈层流渗透的空间，是结构高度破坏煤的破碎面。（5）可见孔和

18、裂隙：大于100m，它构成层流及紊流混合渗流空间，是坚固和中等强度煤的破碎面。2、煤的孔隙率煤的孔隙率是指煤中孔隙总体积与煤的总体积之比，通常用百分数表示。即： （1-1） 式中 K煤的孔隙率，%；Vp煤的总体积，包括其中的孔隙体积，mL；Vt煤的实在体积，不包括其中孔隙体积，mL。煤的孔隙率可以通过实测煤的真密度和视密度来确定，不同单位煤的孔隙率与煤的真密度、视密度存在如下关系： （1-2） （1-3）式中 K、K1分别为单位质量和单位体积煤的孔隙率，m3/t、m3/m3（或%）； p煤的视密度，即包括孔隙在内的煤密度，t/m3；t煤的真密度，即扣除孔隙后煤的密度，t/m3。 煤的视密度s和

19、煤的真密度d可在实验室内测得。真密度与视密度的差值越大，煤的孔隙率也越大。 国内外对煤孔隙率的测定结果表明，煤的孔隙率与煤的变质程度有一定关系。表1-3列出了俄罗斯顿巴斯矿区不同变质程度煤的孔隙率，表1-4是我国部分矿井煤的孔隙率。图1-2是我国抚顺煤科分院对不同变质程度煤孔隙率的测定结果。表1-3 各种种类煤的孔隙率煤的种类孔隙率/m3.t-1煤的种类孔隙率/m3.t-1变化范围平均值变化范围平均值长焰煤气煤肥煤焦煤0.0730.0910.0280.0800.0260.0780.0210.0680.0840.0530.0510.045瘦煤贫煤半无烟煤无烟煤0.0280.0650.0340.0

20、840.0410.0940.0550.1360.0450.0550.0650.088表1-4 我国一些矿井煤的孔隙率表矿井煤的挥发分（%）孔隙率（%）抚顺老虎台45.7614.05鹤岗大陆31.8610.6开滦马家沟12号煤26.86.59本溪田师傅3号煤13.716.7阳泉三矿3号煤6.6614.1焦作王封大煤5.8218.5 图1-2 煤的孔隙率随煤可燃基挥发分含量的变化从以上图表可以看出，不同的煤种孔隙率有很大不同，即使是同一类煤，孔隙率的变化范围也很大，但总的趋势是中等变质程度的煤孔隙率最小，变质程度变小和变大时，孔隙率都会增大。（二）瓦斯在煤体内的赋存状态瓦斯在煤体中呈两种状态存在，

21、即游离状态和吸附状态。1、游离状态游离状态也叫自由状态，存在于煤的孔隙和裂隙中，如图1-3所示。这种状态的瓦斯以自由气体存在，呈现出的压力服从自由气体定律。游离瓦斯量的大小主要取决于煤的孔隙率，在相同的瓦斯压力下，煤的孔隙率越大，则所含游离瓦斯量也越大。在贮存空间一定时，其量的大小与瓦斯压力成正比，与瓦斯温度成反比。图1-3 瓦斯在煤内的存在状态示意图1游离瓦斯；2吸着瓦斯；3吸收瓦斯；4煤体；5孔隙2、吸附状态这种状态的瓦斯主要吸附在煤的微孔表面上（吸着瓦斯）和煤的微粒结构内部（吸收瓦斯）。吸着状态是在孔隙表面的固体分子引力作用下，瓦斯分子被紧密地吸附于孔隙表面上，形成很薄的吸附层；而吸收状

22、态是瓦斯分子充填到极其微小的微孔孔隙内，占据着煤分子结构的空位和煤分子之间的空间，如同气体溶解于液体中的状态。吸附瓦斯量的大小，取决于煤的孔隙结构特点、瓦斯压力、煤的温度和湿度等。一般规律是：煤中的微孔越多、瓦斯压力越大，吸附瓦斯量越大；随着煤的温度增加，煤的吸附能力下降；煤的水分占据微孔的部分表面积，故煤的湿度越大，吸附瓦斯量越小。煤体中的瓦斯含量是一定的，但处于游离状态和吸附状态的瓦斯量是可以相互转化的，这取决于外界的温度和压力等条件变化。如当压力升高或温度降低时，部分瓦斯将由游离状态转化为吸附状态，这种现象叫做吸附；相反，如果压力降低或温度升高时，又会有部分瓦斯由吸附状态转化为游离状态，

23、这种现象叫做解吸。吸附和解吸是两个互逆过程，这两个过程在原始应力下处于一种动态平衡，当原始应力发生变化时，这种动平衡状态将被破坏。根据国内外研究成果，现今开采的深度内，煤层中的瓦斯主要是以吸附状态存在着，游离状态的瓦斯只占总量的10%左右。但在断层、大的裂隙、孔洞和砂岩内，瓦斯则主要以游离状态赋存。随着煤层被开采，煤层顶底板附近的煤岩产生裂隙，导致透气性增加，瓦斯压力随之下降，煤体中的吸附瓦斯解吸而成为游离瓦斯，在瓦斯压力失去平衡的情况下，大量游离瓦斯就会通过各种通道涌入采掘空间，因此，随着采掘工作的进展，瓦斯涌出的范围会不断扩大，瓦斯将保持较长时间持续涌出。三、煤层瓦斯赋存的垂直分带当煤层有

24、露头或在冲击层下有含煤地层时，在煤层内存在两个不同方向的气体运移，即煤层中经煤化作用生成的瓦斯经煤层、上覆岩层和断层等由深部向地表运移；地面的空气、表土中的生物化学作用生成的气体向煤层深部渗透和扩散。这两种反向运移的结果，形成了煤层中各种气体成分由浅到深有规律地变化，呈现出沿赋存深度方向上的带状分布。煤层瓦斯的带状分布是煤层瓦斯含量及巷道瓦斯涌出量预测的基础，也是搞好瓦斯管理的重要依据。（一）瓦斯风化带及其深度的确定依据根据前苏联矿业研究院对井下煤层瓦斯组分和含量的大量测定，将煤层瓦斯赋存按深度自上而下划分为4个带：氮气二氧化碳带、氮气带、氮气甲烷带和甲烷带。各带的煤层瓦斯组分和含量见表1-5

25、。表1-5 煤层瓦斯垂直分带瓦斯组分及含量表瓦斯带名称CO2N2CH4%m3/t%m3/t%m3/t氮气二氧化碳氮 气氮气甲烷甲 烷20800200200100.192.2400.2700.3900.3720808010020800200.151.420.221.860.251.7801.9301002020808010000.1600.220.065.270.6110.5图1-4是俄罗斯顿巴斯煤田煤层瓦斯组分在各瓦斯带中的变化图。由图中可见，甲烷带中的甲烷含量都在80%以上，而其它各带甲烷含量逐渐减少或消失，因此，把前面的氮气二氧化碳带、氮气带、氮气甲烷带统称为瓦斯风化带。图1-4 顿巴斯煤

26、田煤层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 由于各个煤田的形成条件和煤层瓦斯生成环境不同，各煤田的瓦斯组分可能有很大差别，此外，受成煤环境和各种地质条件的影响，有的矿井中甚至缺失了其中的一个或两个带，如沈阳红阳三井井田就缺失了氮气带和氮气甲烷带，而仅存在二氧化碳甲烷带和甲烷带。有的矿井甚至出现了二氧化碳甲烷带。瓦斯风化带的下部边界深度可根据下列指标中的任何一项来确定：（1）在瓦斯风化带开采煤层时，煤层的相对瓦斯涌出量达到2m3/t；（2）煤层内的瓦斯组分中甲烷组分含量达到80%（体积比）；（3）煤层内的瓦斯压力为0.10.15Mpa；（4）煤的瓦斯含量达到23

27、m3/t（烟煤）和57 m3/t（无烟煤）。瓦斯风化带的深度取决于井田地质和煤层赋存条件，如围岩性质、煤层有无露头、断层发育情况、煤层倾角、地下水活动情况等。围岩透气性越好、煤层倾角越大、开放性断层越发育、地下水活动越剧烈，则瓦斯风化带深度就越大。不同矿区瓦斯风化带的深度有较大差异，即使是同一井田有时也相差很大，如开滦矿区的唐山矿和赵各庄矿，两矿的瓦斯风化带深度下限就相差80m。表1-6是我国部分高瓦斯矿井煤层瓦斯风化带深度的实测结果。表1-6 我国部分高瓦斯矿井煤层瓦斯风化带深度矿区（矿井）煤层瓦斯风化带深度/m矿井煤层瓦斯风化带深度/m抚顺（龙凤）本层250南桐（南桐）43050抚顺（老虎台）本层300天府（磨心坡）950北票（台吉）4115六枝（地宗）770北票（三宝）9B110六枝（四角田）760焦作（焦西）大煤180200六枝（木岗）7100焦作（李封）大煤80淮北（卢岭）8240260焦作（演马庄）大煤100淮北（朱仙庄）8320白沙（红卫）615淮南（谢家集）C1345涟邵（洪山殿）43050淮南（谢家集）B11b35南桐（东林）43050淮南（李郢孜）C13428南桐（鱼田堡）43070淮南（李郢孜）B11b420需要说明的是，尽管位于瓦斯风化带内的矿井多为低瓦斯矿井或低瓦斯区，瓦斯对生产不构成主要威胁，但有的矿井或区域二氧化碳或氮气的