瓦斯地质
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瓦斯地质《瓦斯地质学》复习思考题一、名词解释1.煤与瓦斯突出:煤与瓦斯突出是发生在煤矿井下的一种复杂的瓦斯动力现象,表现为在很短时间(几秒至数十秒)内,大量的煤(几吨至数千吨)和瓦斯(数百至数百万米)由煤体向采掘巷道喷出,伴随着强大的冲击力,破坏煤壁,摧毁巷道,使风流逆转,煤流埋人,甚至造成严重的爆炸事故。
2.保护层开采:煤层群中的首采煤层(非突出煤层),当该煤层开采后,能够使具有突出危险性的煤层丧失或降低危险性。
3.煤层残存瓦斯含量:当煤层受采动影响而涌出一部分瓦斯后,此时,单位重量煤中所含有的换算成标准状态下的瓦斯体积称之为煤层残存瓦斯含量,它的常用计量单位亦是m3/t和cm3/g。
4.煤层原始瓦斯压力:当煤层未受采动影响而处于原始赋存状态时,煤中平衡瓦斯压力称之为煤层原始瓦斯压力,其物理单位为MPa。
5.瓦斯放散初速度:表示煤体当中瓦斯放散快慢的一个指标,通常是在实验室测定10-60秒充满瓦斯的煤体放散瓦斯的体积。
6.相对瓦斯涌出量:是指在矿井正常生产条件下平均每采一吨煤所涌出的瓦斯体积,单位是m3/t。
7.瓦斯解吸:煤体中的瓦斯由吸附状态转化为游离状态的过程称为瓦斯解吸。
8.瓦斯风化带:煤层中所含瓦斯的CH4成分达80%;煤层瓦斯压力为0.1~0.15MPa;在同样自然条件下(水分和温度等),与煤层瓦斯压力0.1~0.15MPa相当的瓦斯含量;矿井相对瓦斯涌出量为2m3/t 的这些深度。
9.煤的坚固性系数:坚固性系数或强度系数是一个无量纲量,它用于表示岩石抗冲击能力的大小或破坏时破碎功的大小。
坚固性系数f值越小说明岩石抗冲击能力越小,或破坏时所需要的破碎功越小。
f值的研究表明,它是一个很好的表征煤体破坏程度的量。
10.构造煤:构造煤(deformed coal; tectoniccoal)是在构造应力作用下煤层发生破裂、粉化作用或强烈的韧塑性变形及流变迁移作用,发生物理化学变化,煤层原生的成分、结构、构造发生改变,是地球演化的产物,是地球应力的记录。
瓦斯地质学复习资料矿井瓦斯是指从煤层及煤层围岩中涌出的,以及在煤矿生产过程中产生的各种气体的统称。
其主要成分是甲烷(CH4),其次是二氧化碳(CO2)和氮气(N2),还含有少量或微量的重烃类气体、氢(H2)、一氧化碳(CO)、二氧化硫(SO2)、硫化氢(H2S)等。
瓦斯成因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)均有关系。
瓦斯的成因类型○1生物化学成气时期(生物成因)(T≤50℃)两个阶段:原生生物成因次生生物成因在植物成煤的第一阶段(泥炭化阶段),有机物质的分解是在微生物参与下发生的复杂的生物化学过程。
在这个阶段的早期,植物遗体暴露在空气中或处于沼泽浅部富氧的条件下,由于氧气和亲氧细菌的作用,遭受氧化和分解。
生成的气态产物主要是CO2、NO 等。
在这个阶段的晚期,由于地壳下降、沼泽水面上升和植物遗体堆积厚度的增加,使正在分解的植物遗体逐渐与空气隔绝,从而出现了弱氧环境或还原环境。
在缺氧条件下,因细菌作用分解出甲烷、重碳氢化合物、氢及其它气体,碳相对富集起来。
○2煤化变质作用时期(热成因)(T=50-220℃)两个阶段:热解成因裂解成因当泥炭物质由于地壳下降而为其它沉积物覆盖时,成煤作用就由第一阶段进入第二阶段——煤化作用阶段。
在温度、压力和作用力持续时间的影响下,泥炭物质产生热分解,引起一系列的物理—化学变化,使泥炭转变为烟煤,烟煤进而转变为无烟煤煤层瓦斯发生率煤层瓦斯发生率是表征煤生气能力的定量参数,他是指成煤物质从泥炭到特定阶煤所产生的烃类气体的总和,包括生物成因气和热演化成因气。
煤层瓦斯垂向分带各带气体组分煤层瓦斯自上而下可划分为四个带:二氧化碳氮气带、氮气带、氮气甲烷带和甲烷带。
前三个带统称为瓦斯风化带。
瓦斯风化带下限煤层赋存地质条件(围岩性质、煤层有无露头、断层发育、煤层倾角、地下水活动等)瓦斯在煤体内赋存状态游离瓦斯(10-20%)吸附瓦斯(80-90%)○1吸着状态:在与颗粒固体在分子之间引力作用下,被吸着在煤体孔隙的内表面上。
第一章瓦斯:瓦斯狭义上讲就是甲烷,广义上是指井下所有涌出有害气体的总称煤与瓦斯突出:煤与瓦斯突出是指在压力作用下,破碎的煤与瓦斯由煤体内突然向采掘空间大量喷出,是另一种类型的瓦斯特殊涌出现象地质构造变动:岩层形成后,在地壳运动影响下发生变形和变位(位移、倾斜、弯曲、断裂),其原始产状受到不同程度的改变,称为地质构造变动。
地质构造:发生构造变动的岩层所呈现的各种空间形态称为地质构造。
地质构造分为两类:褶皱构造、断裂构造。
瓦斯地质学是研究瓦斯的形成、运移、赋存和发生瓦斯灾害的地质控制理论的一门交叉学科。
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,因此构造煤控制着瓦斯灾害的发生,影响着瓦斯的治理,亦控制着煤层气的地面开发,是瓦斯地质研究的核心理论之一。
第二章中国含煤盆地成生时期与全球具有同时性,主要发生在晚古生代石炭纪以后,并以石炭纪、二叠纪、三叠纪(晚三叠世)、侏罗纪(早、中侏罗世)、白垩纪(早白垩世)及古近纪和新近纪(第三纪)为主要成煤期板块:地球岩石圈被洋中脊、岛弧海沟系、转换断层等三大构造活动带分割形成的大小不一的不连续的岩石圈块体。
板块构造:由于洋底分裂、扩张、板块间的运动和相互作用形成的全球性板状地质构造。
1 中国石炭纪含煤盆地经过多期构造运动改造,现今含煤盆地主要分布在塔里木~华北板块和华南板块。
在西伯利亚板块的准噶尔~兴安活动带仅有零星的残存盆地。
2 中国二叠纪含煤盆地的分布格局与石炭纪大体相似,含煤盆地主要分布在塔里木~华北板块和华南板块。
从沉积范围、沉积特征及改造后的含煤盆地特征方面,华北板块更具继承性。
华南板块石炭至二叠纪随着海盆的扩展、退缩,二叠纪含煤盆地比石炭纪更为广阔,几乎遍布整个扬子地块。
中国三叠纪含煤盆地主要分布于华北板块与扬子地块。
侏罗纪含煤盆地分布经过三叠纪过渡时期后,侏罗纪含煤盆地分布状况已完全改观。
瓦斯地质规律与瓦斯预测第一节研究瓦斯地质理论的意义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1、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%。
瓦斯地质管理规定第一条随着矿井开采深度的延深,煤层瓦斯压力、瓦斯压力、瓦斯含量越来越大,尤其在地质构造附近,瓦斯异常涌出严重威胁着安全生产。
为杜绝瓦斯超限事故的发生,确保矿井安全生产,特制订规定。
第二条地测科、通风科必须加强对瓦斯地质的研究。
1、地测科每月填绘一次14-1煤层瓦斯地质图(1:5000),图中要标明地质构造、采掘进度、被保护范围、突出点的位置、突出强度、瓦斯基本参数等地质资料。
2、抽排区根据瓦斯地质图,及时预测采掘工作面瓦斯涌出情况和突出危险性并制定相应的防突措施。
3、地测科要绘制11-2煤层瓦斯地质图(1:5000),标明瓦斯异常涌出地点及地质构造异常带。
4、通风负责划分矿井突出危险性区域。
第三条对石门揭穿突出煤层和突出煤层过断层,必须有前探钻孔资历料,以准确控制层位,探明瓦斯赋存情况。
第四条在突出煤层顶底板岩巷掘进过程中,地测部门必须定期验证层位,掌握施工巷道方向、层位和围岩变化情况,防止误穿突出煤层。
第五条地测科于每月月底前按生产作业计划编制地质预报,预报要内容充实、图文并茂。
第六条每月由矿总工程师组织召开一次瓦斯地质分析会,有关职能部门参加。
地测科要认真准备材料,总结上月工作面过断层情况,预测下月各采掘工作面地质构造成对瓦斯的影响,并采取针对性措施,确保过断层期间的安全。
第七条地测科对地质构造的预测要准确、及时。
地质人员要经常深入井下,及时了解掌握采掘工作面的地质变化情况。
经常和基层区队联系,掌握有关的地质信息,了解抽排区打钻遇构造情况,及时分析总结。
运用先进的三维地震勘探成果资料,并结合已掌握的地质资料,分析判断构造规律。
地测科应与科研单位合作开展主采煤层软煤厚度及分布规律的研究。
第八条生产单位班组长、区队长以及测气员、安监员要密切注意地质构造,当顶、底板、煤层发生异常变化时,要及时向调度所、地测科汇报,调度所要及时通知有关单位及人员,进行现场鉴定,制定针对性措施,确保过地质构造成期间的安全。
瓦斯地质王万青瓦斯:瓦斯是煤在地质历史演化过程中形成的气体地质体。
瓦斯是煤矿安全的第一杀手。
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。
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,还可生产炭黑、化肥和其他工业品。
瓦斯地质学研究的内容包括:煤层瓦斯的形成过程研究或者说煤层瓦斯组成与煤级的关系研究;瓦斯在煤层内的赋存与运移;煤与瓦斯突出机理研究;构造煤特征研究;地质构造控制煤与瓦斯突出理论;煤与瓦斯突出预测方法与控制措施;瓦斯资源地面开发;瓦斯地质图编制。
过渡页研究的意义:瓦斯是影响煤矿安全生产的有害气体,控制瓦斯涌出量、减少煤与瓦斯突出动力灾害,可以提高煤矿安全性;瓦斯是温室效应气体,同时是清洁能源,提高煤层瓦斯抽采率可以保护大气环境,提高资源利用率。
瓦斯成因类型:生物成因(原生生物成因、次生生物成因)和热成因(热解成因、裂解成因。
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cm 3/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。
我国瓦斯灾害严重、瓦斯开发利用少的原因地质构造复杂,煤层透气性低,抽采难度大;基础研究薄弱、专业技术人才严重匮乏;投入严重不足,安全基础薄弱;职工队伍素质下降,不适应安全生产要求;煤矿超能力生产;安全责任不落实,管理不到位.中国煤矿瓦斯灾害严重、抽采难度大的地质原因——地质构造复杂,煤层透气性低✓地处欧亚板块东南部,是现今全球板块构造运动最剧烈的地带之一;✓中国大陆是由中朝、扬子、塔里木三个小陆块和稳定性较差的50多个微陆块组成。
石炭二叠纪煤炭资源丰富,目前开采的工业发达区的石炭二叠纪煤炭资源支撑着我国4/5的煤炭需求量。
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,地质构造复杂,煤层破坏程度高、煤层透气性低、煤化程度高、瓦斯含量高。
除沁水盆地、松辽盆地、鄂尔多斯盆地、准噶尔盆地外,90%以上高瓦斯矿区都是低渗难抽煤层。
瓦斯是煤在地质历史演化过程中形成的气体地质体;瓦斯地质学是研究瓦斯的形成、运移、赋存和发生瓦斯灾害的地质控制理论的一门交叉学科;构造煤是煤层受地质构造挤压剪切破坏作用的产物。
瓦斯突出煤体是指含高能瓦斯的构造煤体。
煤——是指植物遗体覆盖在地表之下压实转化而成的有机、可燃沉积岩成煤条件(1)植物大量繁殖生长(2)大面积沼泽化的地理环境(3)气候温暖潮湿(4)地壳运动:持续缓慢沉降从植物死亡、堆积到转变为褐煤到无烟煤经过的一系列的演变过程被称为成煤作用。
高等植物死亡以后,变成泥炭的生物化学作用过程称为泥炭化作用煤化作用是指已经形成的泥炭,因地壳下沉而埋藏于地下较深处后,在温度、压力和时间等因素的作用下转变成煤的过程。
煤的成岩作用是指已经形成的泥炭,因地壳下沉而埋藏于地下较深处后,在温度、压力等因素的作用下发生物理化学变化转变成年青褐煤(暗褐煤)的过程。
煤的变质作用是指年青褐煤(暗褐煤),在更高的温度和压力及时间因素的作用下进一步发生物理化学变化转变成老褐煤(亮褐煤)、烟煤、无烟煤的过程。
一、编制说明及采面概况(2-3)13130工作面位于东三采区进风行人下山东翼,工作面北部、南部均为未采动的(2-3)煤实体,该面为(2-3)煤上分层,黑色,煤岩成份以亮煤为主,沥青光泽,条带状构造,内生裂隙发育,裂隙被方解石脉充填,含夹矸两层,夹矸为灰黑色泥岩及灰白色砂岩,累计厚0.8m,煤层有益厚度4.8m,(2-1)煤与(2-3)煤在工作面中部已合并,东西部未合并,煤层倾角8—15度。
该面走向长1020米,倾斜长125米。
该面地质构造简单,掘进过程中没有揭露断层,由于巷道沿底掘进,且煤体较破碎,巷道压力显现明显。
该面水文地质条件简单,煤层顶板灰黑色泥岩为隔水层。
该面生产期间绝对瓦斯涌出量为7m3/min左右,根据《煤矿安全规程》第一百四十五条规定,必须实行瓦斯抽放,特制定本设计,望认真贯彻执行。
二、采煤方法该面采用走向长壁采煤法回采,综合机械化放顶煤一次采全高,全部跨落法管理顶板。
三、通风状况该面采用U型通风方式,上行通风,工作面设计风量650m3//min。
四、瓦斯地质该面在上、下巷掘进期间瓦斯涌出量较大,在正常回采时期绝对瓦斯涌出量在7m3/min左右,煤尘具有爆炸危险性,煤层自燃发火期为1个月。
总之,瓦斯是影响该面安全生产的主要因素,仅用通风方式无法有效解决瓦斯问题。
由于该面瓦斯主要来源是本煤层瓦斯释放,根据以往工作面瓦斯治理成功经验,将对该面采用上隅角瓦斯抽放为主,风排瓦斯为辅的综合治理方法。
五、瓦斯抽放设计(一)瓦斯抽放的必要性1、首先计算(2-3)13130工作面可以供给的最大风量Q m=SV·60式中:Q—工作面可以供给的最大风量 m3/minS—有效通风断面取S=6.0m2V—《规程》气体最高风速4m/S则:Q m=6×4×600=1440m3/min2、计算通风可以稀释排走的瓦斯量q=C·Q m/100K式中:q—风排瓦斯量 m3/minC—回风流中瓦斯浓度,%,为了确保该面安全回采,C取0.5。
瓦斯地质管理规定范文第一章总则第一条为了加强对瓦斯地质资源的合理开发和有效管理,保障人民生命财产安全,保护环境,促进瓦斯地质行业的可持续发展,制定本规定。
第二条本规定适用于瓦斯地质资源的勘探、开发、利用和管理活动。
第三条瓦斯地质资源的开发和利用应当遵循科学、合理、安全和可持续的原则。
第四条鼓励瓦斯地质资源勘探和开发的技术创新,提高资源利用率和生产效益。
第五条瓦斯地质资源的开发和利用应当符合国家法律法规和相关行业标准。
第六条瓦斯地质资源的所有权属于国家,依法分配给企事业单位进行开发和利用。
第七条瓦斯地质资源开发项目应当按照环境影响评价和相关审批程序进行审查和批准。
第八条国家支持和优先发展对瓦斯地质资源的科学研究和技术开发。
第二章瓦斯地质资源的勘探与开发第九条勘探瓦斯地质资源应当按照科学规划、合理布局、技术先进的原则进行。
第十条勘探瓦斯地质资源应当建立健全的调查评估体系和数据管理系统。
第十一条瓦斯地质资源的开发应当按照安全、科学和效益的原则开展。
第十二条瓦斯地质资源的开发应当合理区划、科学开采、有效利用。
第十三条瓦斯地质资源的开发应当制定与之相适应的安全工艺和管理措施。
第十四条瓦斯地质资源的开发应当注重环境保护,减少对生态环境的破坏。
第三章瓦斯地质资源的利用与管理第十五条对于已经开发的瓦斯地质资源,应当进行全面利用。
第十六条瓦斯地质资源的利用应当合理安排,优先满足国家和人民生产生活的需要。
第十七条瓦斯地质资源的利用应当提高资源利用效率和生产效益。
第十八条瓦斯地质资源的利用应当合理配置,避免资源浪费和过度开采。
第十九条瓦斯地质资源的利用应当保护环境,减少瓦斯排放对大气和水质的污染。
第二十条瓦斯地质资源的利用应当推动清洁能源替代传统能源,促进绿色发展。
第二十一条瓦斯地质资源的管理应当建立健全的监管体制和管理机制。
第二十二条瓦斯地质资源的管理应当加强监测和监控,及时发现并处理问题。
第二十三条瓦斯地质资源的管理应当建立健全的信息公开制度,增强透明度和公开性。
5瓦斯地质5.1煤层瓦斯参数和矿井瓦斯等级5.1.1瓦斯含量分布及预测研究一、瓦斯含量预测通常认为,瓦斯主要以物理吸附和承压游离两种状态赋存于煤体中,煤体对瓦斯的物理吸附关系在目前开采深度条件下可认为近似服从LANGMUIR方程,承压游离状态的瓦斯可近似认为服从理想气体状态方程,吸附量和游离量之和即为煤层的瓦斯含量。
实际工作中是通过测定方程中的相关参数计算得到煤层瓦斯含量。
然而由于煤层的不均匀性,煤层瓦斯含量的分布也是不均匀的。
因此,一般情况下是根据在不同点取样测定瓦斯含量,然后利用统计分析方法预测瓦斯含量分布趋势,以此作为瓦斯含量预测基础。
煤炭科学研究总院沈阳研究院(2009)曾对林西矿9煤层进行了等温吸附实验(表5-1,图5-1)。
表5-1 9煤层吸附瓦斯试验及煤质工业性分析图5-1 林西矿9煤煤样等温吸附曲线图(平衡温度:30℃)但对于尚未开采的煤层或已开采范围较小的煤层,原先认为低瓦斯的矿井,只有较小范围甚至根本没有井下实际测定的瓦斯含量数据,而地面通过勘探钻孔测定的瓦斯含量数据往往偏低或缺少瓦斯含量数据,使得瓦斯含量预测准确性差。
因此,有必要探讨更有效的预测方法。
预测煤层瓦斯含量方法很多,有经验的,也有理论计算的。
主要预测方法大致有瓦斯梯度法、压力-等温吸附方程法、煤级-水分-瓦斯含量类比法以及地质条件综合研究法。
1、瓦斯梯度法煤层特征控制了煤中瓦斯的含量,该方法是基于大量实测瓦斯含量的基础上,建立瓦斯含量与煤层埋深的数学关系预测深部瓦斯含量。
其计算公式为: V=Vw+K (H-H0) 式中:V —预测瓦斯含量;Vw —瓦斯风氧化带下限深度煤层瓦斯含量; K —瓦斯含量梯度; H —煤层埋深;H0—瓦斯风氧化带下限深度对于瓦斯梯度法主要适合于区域地质构造相对比较简单的地区,特别是单斜构造发育地区,浅部瓦斯含量已知或基本已知,用于同一构造单元中的深部瓦斯预测或不同构造单元中基本地质条件相近的预测区。
瓦斯地质wasi dizhi coalbed gas geology
运用地质理论和方法,研究煤层瓦斯成分成因,赋存、运移规律,煤与瓦斯突出条件及预测,煤成气、煤层气可采性评价的学科。
其任务是为煤矿瓦斯防治和煤成气、煤层气开发利用提供地质依据。
简史
瓦斯地质是20世纪70年代蕴酿,80年代在中国建立的新兴学科。
它的萌芽期可追朔到20世纪50年代。
杨力生在总结1956~1960年大同低瓦斯矿忻州窑矿三次严重瓦斯爆炸事故时发现,它们均与掘进巷道遇断层有关,进而在少数矿井进行瓦斯与地质关系的研究。
七八十年代初,随着煤炭工业发展,瓦斯突出事故增加,瓦斯突出与地质条件相关的现象,被更多的通风安全工程技术人员发现,要求地质人员参与研究。
中国矿业大学、焦作矿业学院部分地质教师到四川、贵州、山西、吉林、甘肃、河南、湖南和江西等省的突出矿区、矿井进行了气源,赋存及其地质背景的调查,总结了瓦斯突出及其地质条件的初步规律,为防治突出提供了初步依据。
1983年,杨力生主持编制《全国瓦斯地质图》。
同年12月,煤炭工业部颁发《关于加强瓦斯地质工作的通知》。
1985年,中国煤炭学会设立瓦斯地质专业委员会,并在部分煤炭高等学校开设《瓦斯地质》选修课。
在煤和瓦斯突出较严重的其它国家,同样在从事这方面的研究。
其中,以前苏联的资料较为丰富。
他们在1951年设立了《防止煤与瓦斯突出中央委员会》,苏联科学院地质研究所参加了瓦斯突出与地质条件研究;莫斯科地质勘探学院的А.И.克拉符佐夫(А.И.Кравцов,1967,1973,1980),乌克兰科学院地质技术力学研究所的В. Е. Забигайло(1980),苏联科学院矿产综合开发问题研究所的А. Г. Айруни(1987)等都有专门的论著出版,其内容涉及瓦斯地质各个方面,包括气体成因、含气形式、瓦斯运移和分带,地质因素对天然气分布影响,煤层瓦斯突出的地质条件,煤的微结构、煤内瓦斯赋存与运移的理论等。
1980年,还出版了三卷《苏联煤田、煤产地内的含气性》,总结了苏联在煤田内对瓦斯的研究成果。
研究内容和方法
瓦斯成分及其成因通过勘探阶段或开采阶段采取煤层和其它含气岩石样品,装入密封罐,然后在实验室脱气,用色谱仪和质谱仪测定气体成分及其同位素,分析它们的成因。
多数煤层及其围岩内的气体成分为甲烷、二氧化碳、氮,以及不等量的乙烷、丙烷、丁烷和戊烷等重烃;有的煤田显示有氢、一氧化碳和硫化氢存在;有的含有稀有气体氦、氖、氩、氪和氙。
在瓦斯风化带以下煤层内涌出的气体,甲烷占80%以上,一般在90%左右。
因此狭义矿井瓦斯即指甲烷。
但也有少数矿井煤层和岩石内涌出的是高浓度的二氧化碳,纯度可达99%左右,并曾发生二氧化碳与煤、二氧化碳与砂岩的突出。
常量的甲烷、二氧化碳和重烃是泥炭在煤化作用过程中产生(见煤成气)。
高浓度二氧化碳,根据对中国吉林营城煤矿、和龙煤矿松下坪井和甘肃窑街煤矿三个二氧化碳突出矿井的调查,通过对突出气体的稳定同位素δ13C测定,结合对突出地点地质条件的研究查明,属外来无机成因。
营城煤矿与和龙煤矿松下坪井突出气体的δ13C值分别为-9.3‰~11.2‰和-9.3‰~-10.2‰,属火山气。
窑街煤矿突出气体的δ13C值为0.37‰~-4.4‰,系岩浆侵入大理岩,使大理岩热分解的产物。
煤内所含氮气一般系随空气混入泥炭,或由植物蛋白质分解而成。
一般认为,煤矿内极少量的一氧化碳与煤的不完全自燃有关。
但也有人认为它是有机物分解的产物。
А.И.Кравцов认为,煤矿中的硫化氢是硫酸盐水在细菌参与下与甲烷作用而产生。
J. M. Hunt(1979)认为,腐泥物质在100℃以上的地温作用下,也可以产生硫化氢。
硫化氢溶解度高,一般随水溶走。
在某些矿井灰岩水中可闻到硫化氢的气味。
А.И. Кравцов认为,氦、氖、氩、氪、氙等稀有气体与氮有固定的比例关系,是空气成因。
中国甘肃窑街突出孔检测出的氦气,有人解释属幔源气。
瓦斯赋存瓦斯有三种赋存方式,①游离于煤和岩石的较大的孔隙、裂隙内,其数量的多少,取决于煤和岩石的孔隙率,气体的压力、温度和压缩系数;②吸附于煤中各种大小孔隙的内表面,淮北朱仙庄矿8号煤层用压汞法测得的毛细孔隙率为5.37%,总的孔容为0.0264cm3/g,孔隙总表面积为6.09m2/g,其中直径在0.043μm以下的孔隙容积占总孔容的74%,0.043μm以下的孔隙表面积占总表面积的90%;③溶解于孔隙、裂隙水中,俄罗斯А. Г. Айруни等通过研究认为,煤内气体以储存于煤分子之间的空间者占多数,并称其为固溶或吸收(表1)。
并指出了不同煤阶孔隙分布特征(见煤层气),煤对各种气体的吸附量(表2)。
不同煤类的煤对甲烷的吸附量(见煤层气)。
宏观煤岩类型与煤结构破坏类型宏观煤岩类型可反映煤对瓦斯的吸附能力和煤的机械强度。
煤结构破坏类型根据煤层是否被构造挤压破坏和破坏程度划分的类型。
从外观上分为①未破坏煤,煤层条带、线理构造保存完好,节理稀少;②有破裂,节理较多的煤,煤层层理未被破坏;③角砾状煤;④褶曲揉皱状煤,滑面发育,呈鳞片状;⑤粉状或土状煤。
前两种煤无突出危险,后三种煤因强度低,瓦斯放散初速度大,属于突出危险的煤。
经调查,这类容易突出的煤在分布上有两种形式,①顺层分布,在井田范围内普遍存在,它位于煤层中部,也可以沿煤层顶、底分布,其空间厚度有变化;②沿某些断层带的上、下盘分布。
逆断层的上盘对煤的破坏程度超过下盘。
挠曲、正断层的引捩部位等处,也都可发育构造破碎的软煤。
顺层分布的软煤,常是含煤岩系被地应力侧向挤压产生褶皱时,顺层面的弯滑作用于较厚、强度较小的煤层,使其被剪切破坏而形成。
若煤层底板岩石和煤同时构成一个滑片,不仅煤层会全部遭到破坏,而且煤层厚度也会发生急剧变化。
顺层滑动产生的软煤和勘探阶段已查明的主要逆断层带产生的软煤均可预测,然而,对局部小构造产生的局部软煤,目前尚难预测。
瓦斯含量和瓦斯压力煤层中瓦斯量的两种量化指标。
①瓦斯含量。
单位体积或单位重量煤体内瓦斯的体积数,一般用m3/m3煤或m3/t煤表示;由于煤中内在灰分和水分影响煤对瓦斯的吸附量,因而在勘探阶段换算成cm3/g可燃基。
煤层瓦斯含量是矿井通风设计的重要参数,它也可换算成瓦斯压力后成为评价煤层有无突出危险的指标。
含量大小又是煤层气气藏贫富的指标。
在地质勘探阶段,可采煤层瓦斯含量达8m3/t煤以上的井田,对可采煤层应逐层采样,测定气体组分和含量。
采样点分布均匀,在不同构造块段的不同深度各有2~3个采样点,方能绘制可采煤层瓦斯含量等值线图和瓦斯压力等值线图,为评价提供地质依据。
②瓦斯压力。
煤层内瓦斯的压力是煤层内瓦斯含量的另一种表现形式,是评价煤层有无突出危险的指标(见瓦斯突出危险性评价)。
煤矿开拓、开采阶段在判断煤层有突出危险后,才实施瓦斯测压工作,并按规程在开拓工程揭煤之前进行。
瓦斯地质背景为认识瓦斯赋存和分布规律所需研究的内容。
每个矿区各有其特点,应根据特点开展工作。
但都离不开研究生气和保存气的有关地质因素。
生气因素的研究包括对甲烷
含量高的煤层,主要研究煤的牌号、变质作用类型、变质作用的时间;对含高纯度二氧化碳的煤层,需测定二氧化碳稳定同位素δ13C值,同时结合地质条件,作出气源与空间赋存地段的说明;对重烃含量高(4%~5%以上)的煤层,除研究煤的变质阶段外,还需鉴定煤的煤岩显微组分,统计壳质组和腐泥成分的含量。
由于煤内瓦斯系自生自储,其生成量远远超过目前保存量,能保存多少取决于成气以后地质条件的变化。
因而储气因素的研究,主要包括①煤层直接顶板和直接底板岩石的岩性、透气性、厚度和含水性,对石灰岩,要了解其溶孔、溶洞发育情况;②含煤岩系、煤层露头上直接覆盖岩层岩石的透气性和厚度;③断层的透气性;
④煤层埋藏在基岩剥蚀面下的深度,煤层的倾角,相同埋深的煤层通往煤层露头的斜长;⑤含煤岩系经历地壳运动的次数,不同运动的应力性质、方向和形成的具体构造,这些构造在后期运动中的转化,它们对煤层内气体的影响等。
瓦斯地质图用矿井、矿区瓦斯信息和相关的地质资料编绘成的单幅或多幅图件。
用以分析和反映瓦斯和地质条件的有机联系,并借以对未开拓区和新区的瓦斯状况作区域性预测。
它是研究瓦斯地质必用的手段。
其表现方式可根据各矿特点自行设计,通常,以1∶5000的煤层底板等高线图作底图,标绘:煤层瓦斯含量点与含量值,煤层瓦斯含量等值线;瓦斯测压点和压力值,瓦斯压力等值线; 煤和瓦斯突出点及突出强度;瓦斯喷出点和喷出量;瓦斯风化带底界;始突深度标高线等瓦斯信息。
当没有瓦斯含量等值线、瓦斯压力等值线时,常用瓦斯相对涌出量等值线反映瓦斯涌出状况,而用比例尺相同的另一幅图反映相关的地质内容。
瓦斯地质评价通过对一个矿井或一个矿区的详细研究,对可采煤层中有无突出危险煤层;煤层瓦斯风化带的深度;煤层的始突深度;突出危险区、突出威胁区和不突出区的空间分布及其地质因素; 煤层渗透性系数; 分阶段煤内瓦斯储量及其抽排的可行性等问题作出评价。
研究瓦斯地质需要煤田地质学; 煤的有机地球化学;区域地质和盆地演化;构造地质学;矿井瓦斯防治和煤层瓦斯抽放技术等知识。
瓦斯地质正通过服务于煤矿安全、环境保护和综合利用地下资源而获得发展。