第1章 煤层瓦斯的赋存与含量

（1）煤的变质程度 煤的孔隙率随变质程度的变化呈 焦煤和瘦煤孔隙率最低，低变质程度 的褐煤和高变质程度的无烟煤孔隙率 均较大。
5 Φ/% 10 0 20
一马鞍型变化关系，即中变质程度的
15
10
20
30 V ad/%
40
50
22
四、煤的孔隙特征
4. 煤孔隙率的主要影响因素
孔隙体积 / (m3/t) 煤质牌号 挥发分 （%） 总孔隙 区间值 长焰煤 气煤 肥煤 焦煤 瘦煤 贫煤 半无烟煤 无烟煤 46-43 40-35 34-28 27-22 21-18 17-10 9-6 5-2 0.073-0.091 0.028-0.080 0.026-0.078 0.021-0.068 0.028-0.065 0.034-0.084 0.041-0.049 0.055-0.136 平均 0.084 0.053 0.051 0.045 0.045 0.055 0.065 0.088 小孔-大孔 区间值 0.045-0.070 >0.001-0.053 >0.001-0.050 >0.001-0.039 >0.001-0.036 >0.001-0.052 >0.001-0.054 >0.001-0.076 平均 0.061 0.030 0.025 0.019 0.016 0.022 0.023 0.029 微孔 区间值 0.021-0.028 0.015-0.034 0.019-0.033 0.021-0.038 0.022-0.033 0.027-0.052 0.033-0.056 0.049-0.062 平均 0.023 0.026 0.026 0.026 0.029 0.033 0.044 0.055 23
3
一、矿井瓦斯的概念与性质
1. 矿井瓦斯的概念
可燃可爆气体: 矿 井 气 体 的 分 类 烃类气体，如CH4、链烷烃（CnHn+2）、环烷烃 （CnH2n）、烯烃、炔烃、芳香烃等。 其他气体，H2、CO、H2S等 有毒性气体： 窒息性气体： 放射性气体： CO、H2S、SO2、NH3、NO2、NO等 N2、CH4、CO2、H2等 Rn
38-68*
0.55
1.61
* 引用国外文献数据。表中数据：阶段产气量/累计产气量/(m3/t)
三、煤层瓦斯赋存的垂向分带
1. 煤层甲烷逸散及气体渗透
N2 O 2
瓦斯风化带 CH4 甲烷带 CH4 CH4 CH4 CH4
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三、煤层瓦斯赋存的垂向分带
2. 煤层瓦斯的垂直分带特征
CO2-N2带
CO2 CO2
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三、煤层瓦斯赋存的垂向分带
4. 甲烷带的特征
（1）煤层瓦斯含量随埋深增加而增大； （2）煤层瓦斯压力随埋深增加而增大； （3）矿井相对瓦斯涌出量随埋深增大而增大； （4）随着埋深增加，有可能出现瓦斯异常涌出、瓦斯喷出、甚至 瓦斯突出的情况。
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四、煤的孔隙特征
1. 煤中的孔隙分类
煤是一种典型的多孔介质，煤具有很强的吸附性能，其吸附性能 与煤的孔隙特征有较大的关系。 B.B霍多特的分类方法
四、煤的孔隙特征
3. 煤的比表面积
江西涌山煤矿煤的挥发分与比表面积的关系
煤层编号 挥发分 （%） 比表面积 （m2/g） 三21煤 7.52 三23煤 5.03 二煤 四煤 六煤
7.70
7.08
10.57
140.37
184.23
255.13
201.13
165.36
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四、煤的孔隙特征
4. 煤孔隙率的主要影响因素
瘦 煤
无 烟 煤
前苏联B.A.乌斯别斯基根据地球化学与煤化作用 前苏联B．A．索科洛夫等人给出的 腐植煤在煤化变质各阶段成气的一股模式。 过程反应物与生成物平衡原理，计算的甲烷生成量。 10
二、煤层瓦斯的生成
3. 不同成煤期的瓦斯生成量
我国部分煤的热模拟实验产期结果
未变质煤 试验单位 褐煤 煤炭科学研究总院 地质勘探分院 （1987年） 石油开发研究院 （1985年） 地质矿产部石油地 质研究所（1985 年，舒兰褐煤） 兰州地质研究所 （1986年，乌苏 褐煤） 38-68* 长焰煤 3-25 41-93 4-31 42-99 1.06 2.49 4.10 气煤 10-54 48-122 7-58 45-126 4.25 22.92 24.53 肥煤 27-102 65-170 26-108 64-176 24.32 53.04 54.65 焦煤 55-170 93-238 48-176 86-244 55.9 113.57 115.18 瘦煤 108-246 146-413 86-230 124-298 94.77 贫煤 134-333 172-401 114-321 152-389 127.72 183.34 184.95 无烟煤 268-393 306-461 168-390 206-458 221.13 325.23 326.84 11 低变质煤 中变质煤 高变质煤
生物化学成气时期
泥炭→褐煤 →烟煤(长焰、气、肥、焦、贫、瘦) →无烟煤
煤化变质作用成气时期
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二、煤层瓦斯的生成
2. 煤层中的瓦斯是怎样形成的？
煤层瓦斯是腐植型有机物在成煤过程中形成的。 生物化学成气时期： 植物在厌氧、潮湿，温度小于65℃的条件下产生瓦斯。 沼泽、三角洲
65℃ 4C 6 H10 O 5 隔绝空气， 7CH 4 8CO 2 C 9 H 6 O 3H 2 O （纤维素） 微生物 （类烟煤）
矿井瓦斯防治
主讲：王兆丰 研究员 杨宏民 教授级高工
手 机：13939103988， 固 话：0391-3987919， 办公室：210， E-mail：wzf3988@163.com， 13723188518 0391-3987439 420 yhmfs@163.com；
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第一章 煤层瓦斯的赋存与含量
褐煤 无烟煤
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二、煤层瓦斯的生成
2. 煤层中的瓦斯是怎样形成的？
煤化变质作用成气时期： 变质中后期：在瓦斯产出的同时，芳核进一步缩合，碳元素进一步集中在碳 网中。随着煤化变质作用的加深，基本结构单元中的缩聚芳核 的数目不断增加，到无烟煤时，主要由缩聚芳核组成。
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二、煤层瓦斯的生成
3. 不同成煤期的瓦斯生成量
瓦 斯
N2带 N2-CH4带 CH4带
N2
N2
风 化 带
CH4
CH4
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ甲 烷 带
0 0.5 1.0 1.5 2.0 ml/g
瓦斯含量
0 20 40 60 %
瓦斯浓度
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三、煤层瓦斯赋存的垂向分带
2. 煤层瓦斯的垂直分带特征
瓦斯成分 % 名 称 气 带 成 因 N2 20～80 ＞80 ～80 20 CO2 20～80 10～20 10～20 10 CH4 10 20 ～80 ＞80
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三、煤层瓦斯赋存的垂向分带
3. 瓦斯风化带的特征
我国确定瓦斯风化带下部边界时主要采用如下指标：
⑴ 瓦斯压力P=0.1～0.15MPa； ⑵ 甲烷（CH4）组分浓度≥80%（体积百分数）； ⑶ 相对瓦斯涌出量q=2～3m3/t； ⑷ 瓦斯含量（煤芯中的甲烷含量）X： ① 气煤 ② 肥煤与焦煤 ③ 瘦煤 ④ 贫煤 ⑤ 无烟煤 X=1.5～2.0m3/t； X=2.0～2.5m3/t可燃物； X=2.5～3.0m3/t可燃物； X=3.0～4.0m3/t可燃物； X=5.0～7.0m3/t。
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ρt,ρp——煤的真相对密度和视相对密度， kg/m3。
四、煤的孔隙特征
2. 煤的孔隙与表面积
单孔Vp↘，Ss↗ ΣVp<V, Ss>>S 煤中孔隙直径、表面积和孔隙体积的关系
孔隙类别 微微孔 微孔 小孔 中孔 合计 孔隙直径（nm） <2 2~10 10~100 100~1000 孔隙表面积（%） 62.2 35.1 2.5 0.2 100.0 孔隙体积（%） 12.5 42.2 28.1 17.2 100.0 20
有的气体既是可燃可爆气体，又是有毒性气体和窒息性气体。上述气 体统称为有毒有害气体。
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一、矿井瓦斯的概念与性质
2. 甲烷的性质
无色、无味、无嗅的气体。 甲 烷 的 性 质 CH4：0% 窒息性气体： O2：21% N2：79% 正常呼吸空气 分子直径：0.41nm 扩散性：是空气的1.34倍 密度：0.716kg/m3（标况），是空气的0.554倍。 上浮 微溶于水：3.31L/100L（20℃），5.56L/100L（0℃）。 化学性质不活泼，稳定，不会自然分解、氧化或反应。
本章要求： 1.掌握矿井瓦斯的概念、瓦斯的垂直分带、瓦斯的吸 附性能、瓦斯压力、含量及其影响因素； 2.熟悉矿井瓦斯的生成各成气时期、瓦斯孔隙隙特征 及其分类。
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一、矿井瓦斯的概念与性质
1. 矿井瓦斯的概念
瓦斯，又称甲烷，或沼气，CH4，Gas
瓦斯概念 广义： 矿井有毒有害气体的总称。 狭义： 专指甲烷。 煤层、围岩瓦斯能涌出到矿井的部分：CH4、CO2等 瓦 斯 来 源 生产过程中生成的气体：炮烟、内燃机尾气、充电氢气 化学、生物反应生成的气体：煤自燃（CO）、矿物质氧化（SO2、 H2S）、坑木等腐烂 放射性物质蜕变过程中生成的气体：Rn（氡）、He（氦）
四、煤的孔隙特征
4. 煤孔隙率的主要影响因素
0.09 总孔隙 小孔- 大孔 微孔 孔隙率（m3/t） 0.06
孔隙分类 微孔 小孔 中孔 大孔 可见孔/裂隙 孔径范围（nm） <10 10~100 100~1000 1000~100000 >100000 孔隙特征描述 构成煤中的吸附容积 毛细管凝结及瓦斯扩散空间 缓慢的层流渗透区域 强烈层流渗透区域 层流及紊流混合区域
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渗透孔容 吸附孔容
四、煤的孔隙特征
煤化 阶段 成气阶段（期）
500
褐 煤
连续生成
CH4
甲烷生成量(m /t)
419
400
长 焰 煤 气 煤 肥煤 焦煤 瘦 煤 贫煤 半无 烟煤 无烟 煤
I
339
CO2+CO
重烃
300
3
270 229
200
287
212 168
II
不连续生成
100
68
0
III
泥 煤
褐 煤
长 焰 煤
气 煤
肥 煤
焦 煤
贫 煤
CO2— N2 带 生物化学—空气 N2 带 N2—CH4 带 CH4 带 空气 空气—变质 变质
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三、煤层瓦斯赋存的垂向分带
2. 煤层瓦斯的垂直分带特征
我国部分矿区的瓦斯风化带深度表 矿区 抚顺 北票（台吉） 南桐（鱼田堡） 涟邵（洪山殿） 红卫（里王庙） 郴州（三五矿） 焦作（焦西） 煤质牌号 长焰煤、气煤 气煤 瘦煤 贫煤 无烟煤 无烟煤 无烟煤 煤层倾角(°) 80 60 30 30 25-30 60 12 瓦斯风化带深度(m) 180~205 115~150 70 130 <15 <15 180
1. 煤中的孔隙分类
吸附容积与渗透容积之和称为总孔隙体积； 煤的孔隙率：煤中的总孔隙体积占煤的视体积的百分比，％。
Vp Va 1 100% 1
t p K , K1 p t t
式中：
Φ——煤的孔隙率，%；
Vp——煤中总孔隙体积，m3；
K ,K1——煤的孔隙率，m3/t， m3/m3 ； Va——煤的视体积（包括孔隙体积），m3；
泥炭 羟基（-OH） 褐煤
键力弱 不稳定 易断裂 易脱落
） C H O 2CH CO 3H O C 57 H 58甲基（ O10 -CH3 34 42 5 4 2 2
褐煤羧基（-COOH） 烟煤
-O-） C H 2CH H O C15 H 14醚基（ O 13 4 4 2
5
CH4：43% O2：12% N2：45% 呼吸困难
CH4：57% O2：9% N2：34% 昏迷、死亡
可燃可爆性气体：5%-15%，>15%燃烧
二、煤层瓦斯的生成
1. 煤是怎样形成的？
煤是腐植型有机物在经受长期的地层高温、高压作用，并经过漫长的 变质作用形成的。
植物遗体→泥炭 成 煤 过 程 成 气 时 期
特点：成煤物质埋藏浅、固结性差、透气性好，生成的瓦斯难以保存。
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二、煤层瓦斯的生成
2. 煤层中的瓦斯是怎样形成的？
煤化变质作用成气时期： 褐煤层进一步沉降，在高温及地层压力在下，便进入变质作用造气阶段。 变质初期：基本单元——侧链和官能团的缩合稠环芳烃体系。
键力强 稳定
4C16 H 18 O 5 C 57 H 58 O10 4CO 2 3CH 4 2H 2 O