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：
f n --------空隙率， cm 3 /g; d-------煤的密度，g/cm 3; s --------煤的视密度，g/cm 3; d 水----水的密度，取值为1；
F------受地层压力影响，对空隙率（f n ）的影响系数，取值0。

005╳0。

25H ，（H 为距地表的垂直深度）
除了在试验室中测定d 、s 计算f n 以外，还可用下列公式计算：
f
A
H d --=
100100)
08.069.1(2
)
(100100
)
0055.033.1(r
r
r
W A V s +--=
H 2--------煤中的含氢量，%； V r -----煤中的挥发分，% A f ——-煤中的灰分，% W f -----煤中的水分，%
煤的空隙率大小与每的变质程度有关，见图 （ 6 ）
图 6 煤的空隙率（f n）与挥发分（ V r）的关系图
从图6中可以看出，挥发分达到某一定值时，空隙率达到最小值，挥发分超出或小于此值时，空隙率都会随挥分的增加或减少而增加。

⑦、煤的吸附能力
吸着在煤子空隙表面上的瓦斯被称为吸附瓦斯，煤吸附瓦斯（甲烷）呈单分子吸附，煤的吸附能力大小不取决于煤的空隙的数量，而是空隙的几何尺寸。

例如：空隙为球形，1cm3 的物质当其空隙率为10%时，则物质空隙的表面积分布与空隙直径的关系见表(8)
表(8) 空隙直径与表面积关系表
煤的超微孔可达几个微米（1×10-8cm），可想而知，其表面积是很大的，因而在低于5~7Mpa的瓦斯压力下，煤中的瓦斯主要是由吸附瓦斯组成。

⑧、瓦斯含量确定方法
确定煤层瓦斯含量的方法分直接法和间接法。

Ⅰ、直接测定法
A、气测井法
利用半自动化的测井仪，测定从钻孔中流出冲洗液中溶解的瓦斯量，同时测定钻屑残余的瓦斯量，以此基础确定煤层的瓦斯含量。

B、密闭式岩芯采取器
将取煤屗后的密闭式岩芯采取器，送入试验室中，对煤芯进行脱气，抽出煤芯中的瓦斯，并计算出煤层中的瓦斯含量。

C、集气式岩芯采取器
利用岩芯采取器上部的钟形集气室，搜集在钻进及提升过程中煤样泄出的瓦斯，到地面将其抽出计量，并将岩芯采取器进行快速密封，送试验室进行脱气计量，将两部分瓦斯相加，计算出煤层的瓦斯含量。

因直接测定法必须要有专门的试验室与仪表设备，技术也较为复杂，主要用于有条件的地质勘探部门。

Ⅱ、解吸法
测定煤样中的瓦斯解吸数量与时间的关系来确定试验前煤样已经损失的瓦斯量，和目前煤样中残存的瓦斯量。

其原理为试验前损失的瓦斯量与煤样的暴露时间的平方根成正比，即
t
t Q +∞0
或将公式改写为
损Q T C Q -=
Q------解吸量 ，cm 3 ； Q 损----损失量，cm 3 ； t 0-----煤样暴露时间。

min ；
t------测试时煤样累计解吸时间， min 。

C------比例常数 T= t 0+t
通过测定大数据组，用最小二乘方方法处理，可得出煤样的损失瓦斯量。

也可直接由图表中算出损失量，见图 （7）
图 7 损失瓦斯量计算图 Ⅲ、间接法确定瓦斯含量 A 、游离瓦斯量的的计算 计算公式如下：
010f P W ⨯=
W 游----------游离瓦斯，M 3/t ；
B 、吸附瓦斯 吸附瓦斯计算公式如下：
)
100)(1(100r
r
W A bP abP
W --+=
吸
W 吸 --------吸附瓦斯，M 3/t ；； a 、b-----------吸附常数；
若没有试验室的a 、b 常数，可用下列经验公式计算：
100
)31.01()10(
)100(5.65146
.0r
n
r
r
r W e V
b P
a W A W ++--=
吸
a=2.4+0.21 V r b=1-0.004 V r
n=0.02t/(0.993+0.007P) e------------自然对数。

目前我国采掘深度下游离瓦斯在瓦斯含量中所占的比重较大，约占75%以上，并随深度的增加而`加大，瓦斯含量（W
含
）根据实验室中的测定，在不同瓦斯压力下（相当不同埋藏
深度），游离瓦斯和吸附瓦斯在煤的瓦斯含量中所占的比重见表(9)：
表 9 游离瓦斯和吸附瓦斯在煤的瓦斯含量中所占的比重表
C 、计算实例
例如：某矿垂深（H ）为400m ，挥发分（V r ）为15%，灰分（A f ）为4%，水分（W f ）为1%，煤的含氢量（H 2）为4。

4%，地温（t ）为摄氏25度。

用经验公式计算：
39.14
100100)
4.408.069.1(=-⨯-=
d
29.1)
14(100100)
150055.033.1(=+-⨯-=s
t
m
f 3
0042.0100
29.15.01
100129
.139.129.139.1=⨯-
--
⨯-=
F=0。

005╳×0。

25H
F=0。

005×0。

25×╳400=0。

5 计算游离瓦斯量
010f P W ⨯=
采公式P=0。

007H P=0。

007×400=2。

8Mpa
t
m
W 3
26.1042.08.210=⨯⨯=
计算吸附瓦斯量的公式为
100
)31.01()10(
)100(5.65146
.0r
n
r
r
r W e V
b P
a W A W ++--=
吸
a=2.4+0.21 V r b=1-0.004 V r
n=0.02t/(0.993+0.007P) 计算
a=2.4+0.21×15=5。

55
b=1-0.004×15=0。

94
n=0.02×25/(0.993+0.07×2。

8)=0。

420 e n =e 0。

420=1。

52276 V r0。

146=150。

146=1。

485
t
m
W 3
31.18100
)131.01(522.1485.1)94.08
.2105.5(
)
14100(5.65=⨯+⨯⨯+⨯--=
吸
煤层瓦斯含量
W 含=W 游+W 吸=1。

26+18。

31=19。

57M 3/t
Ⅳ、 影响瓦斯含量的几个主要因素
A 、煤的空隙率的大小，空隙率大能储存的游离瓦斯多，否
则则反之。

B 、煤的水分含量的多少能影响煤的游离瓦斯量和吸附瓦斯
量，因为水能占据空隙中游离瓦斯的空间的体积，且对瓦斯无吸附性能，因而也会使吸附瓦斯量降低。

根据实验，当煤中水分含量每增加1%时，煤的吸附性能就会下降1%。

C 、煤的灰分含量的多少也会影响煤的吸附瓦斯量，因煤的
灰分同样也不能吸附瓦斯，实验显示，当煤的灰分每增加1%时，同样，煤的吸附性能要降低1%。

D 、地温也会影响煤的吸附性能，众所周知，地温是随着地
层深度增加而增高，实验表明，煤的吸附量是随着温度的增高而降低，因而地温增高也会影响煤层的瓦斯含量。

E、煤层中瓦斯压力的大小是影响煤层瓦斯含量的主要因素之一，因此准确的确定煤层的瓦斯压力是能否准确的确定煤层瓦斯含量的主要的技术关键。

F、煤的吸附性能也是决定煤层瓦斯含量的主要因素，煤的吸附性能与煤的碳化程度有关，碳化程度高，煤的吸附性能强，反之则弱之。

见图（7）
图7 碳化程度与瓦斯容量大关系。