瓦斯地质学

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。

大型盆地除鄂尔多斯侏罗纪含煤盆地仍继承发育外，在华北板块和扬子地块大型含煤盆地基本上不复存在，但在塔里木板块周缘以及西伯利亚板块准噶尔-兴安活动带西部的准噶尔地块却发育了规模较大的侏罗纪含煤盆地。

白垩纪含煤盆地分布白垩纪含煤盆地主要分布在西伯利亚板块的准噶尔-兴安活动带及塔里木-华北板块的天山-赤峰活动带和华北北缘隆起带。

中国大陆南部，仅在藏滇板块冈底斯-腾冲活动带见有零星白垩纪含煤盆地。

古近纪和新近纪（第三纪）含煤盆地分布古近纪和新近纪含煤盆地主要分布在大陆的东部。

除台湾活动带台西盆地面积稍大外，其余盆地面积都很狭小，分布零星。

古近纪和新近纪含煤盆地发育时代在大陆北部以老古近纪和新近纪为主，而大陆南部以新古近纪和新近纪为主。

瓦斯成因类型从泥炭到褐煤、烟煤到无烟煤，其分子组成变化如下：4C16H18O5(泥炭)→C57H56O10(褐煤)+4CO2+3CH4+2H2OC57H56O10 (褐煤)→C54H42O5(烟煤)+CO2+2CH4+3H2OC54H42O5(烟煤)→C15H14O(半无烟煤)+CO2+CH4+H2OC15H14O(半无烟煤)→C13H4(无烟煤)+2CH4+H2O上述反应所形成的瓦斯成分随煤阶而变化，除甲烷作为主要产物外，中低煤阶煤还伴随有CO2 氮气和水产出按照生物地球化学营力和热力地球化学营力作用效果，可将瓦斯区分为生物成因和热成因两种基本生成类型。

生物成因瓦斯是指由各类微生物的一系列复杂作用过程导致成煤物质降解而生成的瓦斯气体。

热成因瓦斯是指随着煤化作用的进行，伴随温度升高、煤分子结构与成分的变化而生成的瓦斯气体。

不同级别的构造活动和构造应力场控制着构造作用的范围和强度，亦控制着不同区域、不同范围煤层瓦斯的赋存和分布，同时还控制着煤层赋存条件、煤体结构的破坏条件和范围。

板块构造控制区域构造的作用范围和强度，区域构造控制矿区（煤田）构造作用的范围和强度，矿区构造控制井田和采区和工作面构造，因此地质构造控制着不同级别范围煤层瓦斯的形成和分布。

不同类型的地质构造在其形成过程中，由于构造应力场及其内部应力状态的不同，导致煤层和盖层的产状、结构、物性、裂隙发育状况及地下水径流等条件出现差异，进而影响到煤层瓦斯的保存。

通常向斜构造比背斜构造对瓦斯保存条件好。

单纯从向斜构造来看，向斜两翼地层倾角越大，煤层瓦斯越易逸散；反之，两翼倾角较小，断裂不发育或发育逆断层，则有利于瓦斯保存。

在大型宽缓向斜中，由于两翼有纵向正断层和次级褶曲发育，瓦斯易于顺两翼断层和次级背斜顶部裂隙运移逸散，瓦斯保存最好的地段往往位于向斜的次级向斜部位，沁水大型宽缓向斜就属于这种情况。

根据影响瓦斯保存的特点可将背斜构造划分为对称背斜、不对称背斜和次级背斜3种基本类型。

在对称背斜类型中，大型背斜顶部裂隙密集发育，形成气体逸散运移的通道，故背斜轴部的含气性往往较差，而向两翼和倾伏端方向含气性变好；如果构造挤压变形强度加大，导致背斜轴部发育逆断层系统，则在一定程度上有利于瓦斯保存，其含气性可能较好。

不对称背斜顶部多发育张性裂隙，在缓翼有逆断层形成，瓦斯在陡翼顺层运移并从裂隙逸散，在缓翼因受逆断层阻隔瓦斯常得以较好保存。

次级背斜多位于大型宽缓复式向斜两翼或发育在单斜构造背景中，一般次级背斜幅度小、两翼产状缓、裂隙不甚发育，有利于形成小型构造“圈闭”。

如果大型背斜顶部遭受剥蚀且涉及煤层，则形成瓦斯“逸散窗”，瓦斯由深部向浅部补给并顺煤层露头逸散，则背斜顶部附近煤层含气性极差，含气性较好的地段往往位于两翼斜坡部位。

对瓦斯保存具有重要影响的推覆构造包括褶皱推覆和逆冲推覆两种基本类型。

在挤压应力作用下形成的褶皱推覆构造中逆断层面的倾角极缓、呈波状起伏，上盘逆冲岩席规模往往较大，对推覆体下伏地层和煤层构造破坏作用更为强烈。

因而，褶皱推覆构造一方面可形成区域性封盖构造条件而有利于瓦斯保存；另一方面又可能强烈破坏煤层原生结构而使煤储层渗透性降低，从而导致煤储层含气量较高而物性较差、有利于瓦斯保存。

逆冲推覆一般共生于单斜构造背景之中，只是构造相对简单的岩席推覆和逆冲。

逆冲断层面同样是阻隔瓦斯逸散的良好构造界面，有利于煤层瓦斯大面积保存。

伸展构造主要包括在拉张构造应力作用下的单斜断块、断陷盆地和滑动构造。

由于发育的地质时期不同和运动学特征差异，瓦斯保存条件亦有所不同。

我国断陷型含煤盆地多形成于中～新生代，同沉积盆缘断裂发育往往导致煤层本身及上覆地层厚度巨大，其特点是以高角度正断层为主体，大都呈现为在断裂基础上发育起来的地垒、地堑、半地堑和复式断陷盆地等组合形式。

其在总体上是瓦斯富集区，但煤层的连续性很差，瓦斯赋存具不均一性，如阜新、抚顺、鹤岗、鸡西、双鸭山等矿区。

单斜断块大都发育在大型盆地边缘或大型隆起区外缘地带，断块之间发育高角度张性正断层，破坏了煤储层连续性，瓦斯沿断层大量逸散或使含气性整体变差(如苏北地区)，或造成含气性区域分布具极大的不均一性(如太行山东麓各矿区)。

滑动构造又包括伸展滑脱和重力滑动两种形式，变形强度相对较低但剪切应变作用较强。

如果滑动面发育在煤层顶板附近或煤层之中，则可导致构造岩或构造煤发育，豫西的大部分矿区、涟邵矿区等均属此种类型；而滑动面若远离煤层，则对瓦斯保存没有直接影响。

聚煤特征、含煤岩系的岩性、岩相组成及其空间组合均受控于沉积环境。

因而，沉积作用在很大程度上决定了瓦斯生成的物质基础以及煤储层、盖层的几何和物性特征，并通过煤层与围岩之间的组合关系影响到瓦斯的保存条件。

煤层厚度对瓦斯保存的影响煤储层的几何特征，如煤层厚度、煤层稳定性、煤层结构等，对煤储层含气性和物性有一定影响，特别是煤层厚度对瓦斯的保存具有重要作用。

瓦斯的逸散以扩散方式为主，空间两点之间的浓度差是其扩散的主要动力。

在其他初始条件相似的情况下，煤储层厚度越大，达到中值浓度或者扩散终止所需要的时间就越长。

煤储层本身是一种高度致密的低渗透性岩层，上部分层和下部分层对中部分层有强烈的封盖作用，煤储层厚度越大，中部分层中煤层气向顶底板扩散的路径就越长，扩散阻力就越大，对瓦斯的保存就越有利。

水文地质对瓦斯保存的影响可概括为三种作用：一是水力运移逸散作用；二是水力封闭作用；三是水力封堵作用。

其中，第一种作用导致瓦斯散失，后两种作用则有利于瓦斯保存。

第三章中国四大构造域特征古亚洲构造域主要形成于晋宁—印支期，属古板块活动范畴；特提斯构造域包括主要形成于华力西期的古特提斯和主要形成演化于燕山期与喜马拉雅期的新特提斯，为现代板块构造活动的产物古华夏构造域主要形成于晋宁—印支期，属古板块活动范畴滨太平洋构造域生成于中、新生代，为现代板块构造活动的产物板块构造对中国煤与瓦斯突出区域分布的控制1、板缘构造带控制着煤与瓦斯突出的敏感地带2、板内造山带控制着煤与瓦斯突出的敏感地带3、深层构造陡变带是影响煤与瓦斯突出的敏感地带4、深层活动断裂带是影响煤与瓦斯突出的敏感地带5、推覆构造带是煤与瓦斯突出的敏感地带6、中国强变形带是控制煤与瓦斯突出的敏感地带解吸:煤中吸附气因储层压力降低或温度升高等而转变成游离气体的过程叫解吸煤对瓦斯的吸附作用主要是物理吸附，是瓦斯分子与碳分子相互吸引的结果，在被吸附瓦斯中，人们通常把进入煤体内部的瓦斯称为吸收瓦斯，把附着在煤体表面的瓦斯称为吸着瓦斯，吸收瓦斯和吸着瓦斯统称为吸附瓦斯。

煤层赋存的瓦斯中，通常吸附瓦斯量占80％～90％，游离瓦斯量占10％～20％，吸附瓦斯量中又以煤体表面吸着瓦斯量占多数。

煤层瓦斯赋存状态分为游离态瓦斯和吸附态瓦斯煤是一种优良的天然吸附剂，对各种气体具有很强的吸附能力，这是煤层瓦斯与常规储层储气机理不同的物质基础。

虽然人们对煤吸附气体的特征和机理存在不同的理解和认识，但均认为煤吸附甲烷属物理吸附是不争的事实。

大量的吸附试验证明，煤对甲烷等气体的吸附是快速和可逆的。

因此，可以用物理吸附模型来探讨煤吸附气体的机理。

煤层瓦斯含量是指单位质量的煤中所含有的瓦斯体积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，称之为煤层原始瓦斯含量煤层残存瓦斯含量煤层受采动影响而涌出一部分瓦斯后，单位质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煤的可解吸瓦斯含量煤的原始瓦斯含量与煤层残存瓦斯含量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（换算为标准状态下的体积），称之为煤的瓦斯容量。

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。