第二章 瓦斯基础知识

第二章基础知识

1．矿井瓦斯防治基础知识

(一)煤田瓦斯生成及分带

煤层中的瓦斯是植物残骸在成煤过程中伴生的产物，成煤过程可以分为两个阶段：

第一阶段——硬结成岩阶段。在有机物经积聚，分解成泥煤及褐煤，成煤初期有足够的氧气促使有机物生物反应，分解出大量的沼气、二氧化碳、硫的氧化物和氮气。随着条件的变化，氧气供应量的减少，微生物环境的变化，此时开始转入厌氧过程，并进一步释放出沼气、重烃、硫化氢、氨气、氢气和其他气体。此时，。

绝大多数的沼气散发于大气中。

第二阶段——变质炭化阶段。随着煤层上部冲积层不断加厚、埋藏深度不断加深，在地层温度与压力作用下，泥煤、褐煤不断地转化，煤层中的挥发分减少，固定碳增加，成为烟煤、无烟煤，此时，微生物停止活动不再产生生物来源的瓦斯。大部分生成的气体涌向大气，只有少部分保留在岩石和煤层中。

由于地质构造的原因，煤层暴露在地表（露头）空气中的二氧化碳、氮气和稀有气体也会渗入煤层中。除此而外煤层中的放射性物质也会分解出为氦气，其氦气含量的多少取决于煤层的生成年代，煤层越老，氦含量越高，但煤层不吸附氦，呈游离状态，大部分氦转向地面。除此之外，碳酸盐类的岩石，受火山活动的影响，也会分解出大

量二氧化碳。根据煤层瓦斯生成与活动规律煤，гּд李金将煤层中瓦斯成分随深度的分布可划分为4带：Ⅰ——二氧化碳带,Ⅱ——氮气带,Ⅲ——氮气—沼气带, Ⅳ——沼气带。见图（ 3 ,4）由于各个煤田的成煤条件不一致，因此，各煤田的瓦斯组分也不相同。例如：辽宁红阳三井，由于受火山活动的影响，在Ⅰ、Ⅳ带之间形成了少见的二氧化碳沼气带。通常将沼气带以上的三个带统称为瓦斯风化带。起划分标准见表（6 ）

图 3 煤层瓦斯分布图

成煤过程及伴随的瓦斯涌出过程见图

表6 瓦斯分布带划分标准表

确定瓦斯风化带的深度对预测矿井瓦斯涌出量具有很重要的意义。在瓦斯风化带中，一般瓦斯涌出量不大，为低瓦斯矿井。只有进入沼气带后，矿井的瓦斯涌出量急剧的增加。且随着开采深度的增加而增加。瓦斯风化带的深度取决于下列地质因素：

①、煤地层排放瓦斯时期的长短，时间越长，瓦斯风化带的深度越深；

②、层错动程度，错动程度越高。煤层排放瓦斯的不均匀性和排放程度就越大；

③、地层的剥蚀程度，剥蚀程度高，它可使煤层瓦斯排放程度提高或减少；

④、覆盖层的厚薄也会影响瓦斯风化带的深度，

瓦斯风化带它的下部边界可以用下述指标来确定

a、瓦斯浓度CH4≤80%；

b、斯压力P=0。1∽0。15Mpa；

c、斯含量W=1。0∽1。5M3/t（长焰煤），3∽45M3/t（气煤），3∽

45M3/t（肥、焦煤），4∽65M3/t（瘦煤、无烟煤）。

我国几个矿区的瓦斯风化带的深度见表（ 7 ）

表 7我国几个矿区的瓦斯风化带的深度表

(二)、决定煤层瓦斯量的几个基本参数

(1)几个名词的解释

①、瓦斯含量（W含）：指在自然条件下煤或岩石中所含有的瓦斯量，单位以m3/t或m3/m3表示。

煤中瓦斯含量由以下以两部分组成：

Ⅰ、游离瓦斯（W游）：这部分瓦斯以自由状态存在在煤的空隙中，因而煤的空隙越大、瓦斯压力越高，则这部分瓦斯量就越大，与煤层中的瓦斯压力和煤层的空隙率的乘积成正比。

Ⅱ、吸附瓦斯（W吸）：这部分瓦斯是以吸附状态吸着在煤的分子表面积上的瓦斯。因此，煤的表面积越大，在相同的吸附瓦斯压力下，瓦斯吸附量就越高。但应当指出，煤吸附瓦斯是单分子吸附，即在煤的分子表面积上只能吸附上一层瓦斯，当吸附瓦斯压力达到某一区间时（超过5 Mpa），吸附量增加缓慢而达到饱和，因而煤的吸附量有个极限值。

②、瓦斯容量（W容）：在实验室中，根据自然条件设定瓦斯压力、温度测定出的煤或岩石的瓦斯含有量，假如人们能在实验室中完全复制出自然条件下的全部条件，那么瓦斯含量与瓦斯容量应是一致的，但目前还未能做到，通常瓦斯含量因受地压温度等影响略少于瓦斯容量，在日常确定煤层瓦斯含量工作中将瓦斯容量视为瓦斯含量。③、瓦斯储量（W储）：是指在某一区段范围内煤炭储量中的含有的瓦斯总量，单位用m3表示。

④、瓦斯涌出量（q）煤层在开采过程中从煤层本身以及围岩和临近煤层中瓦斯涌出量的总和，其表示单位有两种：

Ⅰ、绝对瓦斯涌出量（q绝）是指单位时间内的瓦斯涌出量，用m3/min或m3/d表示。

Ⅱ、相对瓦斯涌出量（q相）或称吨当量，是指出24小时内矿井每采一吨煤涌出的瓦斯量，用m3/t标示。

应该注意到相对瓦斯涌出量与瓦斯含量、瓦斯容量的单位是一致的，但其含义不同，相对瓦斯含量高于瓦斯含量与瓦斯容量，这与井下的围岩、煤柱与丢煤的多少有关，除此而外临近层的瓦斯也是使相对瓦斯涌出量增大的主要原因之一。

⑤煤层瓦斯压力

煤层中的瓦斯压力是决定煤层瓦斯含量和煤与瓦斯突出的一个最主要的因素，此数据需用井下实测取得。煤层中的瓦斯压力是随煤层埋藏深度的加深而增加。我国一些瓦斯矿井实测资料见图（ 5 ）

图 5 我国瓦斯压力与深度的关系

从5图中可以看出：

Ⅰ、我国大多数的煤层的瓦斯压力随深度增加呈线性增加，与煤的变质程度无关；

Ⅱ、地质条件正常，瓦斯风化带深度相同，处于同一深度下的煤层，瓦斯压力基本上是一致的；

Ⅲ、我国矿井实测资料表明，瓦斯压力（P）与深度（H）的关系可用下列直线关系表示；

P=0。01H 或

P=0。01H—0。2

P-------瓦斯压力，Mpa;

H ——垂直深度，m 。

突出煤层的瓦斯压力值多处于两条直线之间 ⑥ 、煤层的空隙率

煤层的空隙率大小决定了煤中游离瓦斯量多少的一个重要因素，按照B 。B 霍多特的意见煤的空隙可分为以下几类： i.

超微空隙或微空隙，其孔直径小于10-6cm 构成煤的吸附容积； ii.

小孔（过度空隙）直径为10-5cm~10-6cm ，构成毛细管凝结和瓦斯扩散区间；

iii.

中孔（半大空隙），直径为10-5cm~10-4cm ，构成缓慢的确层滲透区间； iv.

大孔 ，直径为10-4cm10-2cm ，构成强烈的层滲透区间，并决定了强烈破坏结构煤的破坏面； v.

肉眼可以看见的空隙裂隙，直径等于或大于10-2cm ，构成层流和稳流混合滲透的区间，并决定了煤的破坏面。 一般把从小孔到肉眼可见的空隙容积总和成为滲透容积，吸附容积与滲透容积之和成为空隙率。

空隙率可以从实验室中对煤样进行真密度与视密度测定进行计算后取得。计算方法如下：

100

1000⨯-

--

-=

S F d w

ds

s d f a

水

式中：