煤矿瓦斯地质培训课件

3.2围岩力学性质和变形特点
围岩力学性质 强岩层：不易塑性变形，易破裂(砂岩和石灰岩) 弱岩层：发生塑性变形(煤层、细碎屑岩类)
围岩变形特点
a.断层裂隙型顶板，主要由 砂岩组成。 b.紧密褶皱型围岩顶板，主 要由粉砂岩、泥岩、细砂 组成。 c.透镜化现象围岩顶板。
几种不同的顶板变形
1、强岩层产生垂直层面 破劈理
(1) 按突出特征分类：突出、压出和倾出 (2) 按突出强度分类
突出强度是指突出发生过程中抛出的煤量和涌出的瓦斯量。但由于突 出时瓦斯涌出量的计量工作尚存在一些技术问题，目前按突出强度分类主要 依据抛出的煤量。按突出强度一般分为五类：
小型突出（<50t）; 中型突出（≥50，<100t）; 次大型突出（≥100，<500t）; 大型突出（≥500，<1000t）; 特大型突出（≥1000t）。 (3)按突出发生地点分类 石门突出、平巷突出、上山突出、下山突出、回采工作面突出 2)煤与瓦斯突出区划 按突出的分布范围：突出区、突出带、突出点 按突出的严重程度：突出危险区、突出威胁区、非突出区
泥炭化阶段所生成的瓦斯，由于接近地表，大部分已扩散到空气 中，保存在泥炭中的很少。
煤化作用阶段
在温度、压力和作用持续时间的影响下，泥炭物质产生热分解， 引起一系列的物理化学变化，使泥炭转变为褐煤，进一步可转变为烟煤 和无烟煤。在这一过程中可生成大量的以甲烷为主的气态产物。
形成一吨煤的产气量
褐煤 68m3
(1)低瓦斯矿井 ：矿井相对瓦斯涌出量不大于10m3/t，矿井 绝对瓦斯涌出量不大于40m3/min，掘进工作面绝对瓦斯涌出量 不大于3m3/min，采煤工作面绝对瓦斯涌出量不大于5m3/min。 （同时满足上述条件为低瓦斯矿井）
(2) 高瓦斯矿井：矿井相对瓦斯涌出量大于10m3/t，矿井绝 对瓦斯涌出量大于40m3/min。掘进工作面绝对瓦斯涌出量大于 3m3/min，采煤工作面绝对瓦斯涌出量大于5m3/min。（满足 上述条件之一的为高瓦斯矿井）
2、弱岩层产生密集的、 与层面斜交或大致平 行的流劈理；
3、相邻的强弱岩层中 裂隙出现折射现象。
不同岩性的岩层中节理的特点
4、地质构造
(1) 褶皱构造 褶皱类型、封闭情况、复杂程度影响瓦斯赋存。 向斜盆地构造的矿区，顶板封闭条件良好时，瓦 斯沿垂直地层方向运移是比较困难的，大部分瓦斯 仅能沿两翼流向地表。 封闭的背斜有利于瓦斯的储存，是良好的储气构 造，或者称圈闭构造。
3)含煤岩系沉积旋回：河流相->河漫相->沼泽相->湖泊相完整旋回 ，以泥质岩为主沉积时，有利于瓦斯赋存。上覆地层以冲积相->湖泊相 旋回不利于瓦斯赋存。
（3）沉积相组合对瓦斯赋存影响
滨海（内湖）相
三角洲（滨海平原）相
滨海相
深水湖泊相 扇三角洲相 河流、河漫相 山间河流、洪积相
洪积、冲积平原相 山前冲积平原相 滨海冲积平原相
肥煤 230 m3
瘦煤 330 m3
无烟煤 ＞400 m3
煤的形成
成煤作用阶段划分示意图
3、瓦斯在煤体中的赋存状态
5
1
A、吸附状态
2
4
（80%-90%）
3
（1） 吸着瓦斯：附着 在煤体孔隙表面的瓦斯
（2） 吸收瓦斯：进入 煤体内部的瓦斯
B、游离状态
1-煤体；2-煤中孔隙；3-吸着瓦斯；4-游离瓦斯；5-吸收瓦斯
泥炭化阶段早期，植物遗体暴露在空气中或处于沼泽浅部富氧的 条件下，遭受氧化和分解，可生成二氧化碳(CO2)、一氧化氮(NO)等气 态产物。
这一阶段的晚期，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，从而出现弱氧环 境或还原环境。在缺氧条件下，细菌作用可分解出甲烷、重碳氢化合物、 氢及其它气体。
3.1 围岩特征
孔隙性、渗透性、孔隙结构 孔隙性：绝对孔隙度、有效孔隙度
绝对孔隙度
=
孔隙体积 岩石总体积
×100%
有效孔隙度
=
相互连通孔隙体积 岩石总体积
×100%
孔隙相互连通影响因素：岩石成份、组成、胶结物 、胶结类型、构造情况、裂隙发育情况、裂隙特征。
渗透性
岩石渗透性：是指在一定的压差下，岩石允许流体 通过其连通孔隙性质。
(3) 突出矿井。
7、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。煤与瓦斯突出是 煤矿井下严重的自然灾害之一。 1) 煤与瓦斯突出分类
1985年8月 中国煤炭学会成立了瓦斯地质专业委员会，挂靠在 焦作矿业学院，并创办了《瓦斯地质》期刊。有关院校开始开设瓦 斯地质课，并开始招收瓦斯地质研究生。至此，瓦斯地质已逐步发 展为一门新的边缘学科。
从七十年代开始，焦作工学院长期致力于瓦斯地质基础理论研 究和应用技术研究，在瓦斯地质研究领域处于国内领先水平，推动 了瓦斯地质学科的创立和发展。 出版了我国第一部瓦斯地质学术专著《瓦斯地质概论》 在国内率先招收培养了瓦斯地质硕士研究生 出版了我国第一幅《中国煤层瓦斯地质图》 “《瓦斯地质》新学科与课程建设“获优秀教学成果国家级二
等奖 承担了国家“七五”、“八五”、“九五”、“十五”科技攻
关项目，国家自然科学基金项目等数十项瓦斯地质研究课题
二、瓦斯地质基础
1、矿井瓦斯 2、瓦斯的成因 3、瓦斯在煤体中的赋存状态 4、煤层瓦斯的带状分布 5、矿井瓦斯涌出量 6、矿井瓦斯等级 7、煤与瓦斯突出
1、矿井瓦斯
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。
1998年各主要产煤国家的百万吨死亡率
7000
6000
5798
5000
4000 3533
3000
2000
1000
0 2000
5670 2262
2001
2915 1467
02上半年
重大特大事故死亡人 数
总死亡人数
2000-2002年我国煤矿灾害事故死亡人数
瓦斯灾害事故居高不下
3人以上重大瓦斯灾害事故的比例 16%
（1）聚煤沉积环境控制煤层分布及厚度变化，从而控制瓦斯分布 三角洲、滨海平原沉积环境煤层厚 冲积平原、浅海环境沉积煤层薄
（2）聚煤期前后沉积环境演化对瓦斯赋存影响：环境演化决定下伏、上 覆地层厚度、岩性组合和厚度
1)聚煤期前后平静水体环境有利瓦斯赋存沉积细碎屑岩、页岩、硅 质岩、泥灰岩
2)聚煤期前后冲积环境沉积不利于瓦斯赋存沉积碎屑岩、砾岩，透 气性好
石不墨 同变无质烟程煤度煤长对焰瓦煤 斯的褐煤吸 附能力示意图 挥发份(%)
中
煤种及瓦斯分带界线
省界线
国界
市镇
高沼气矿井
低沼气矿 井
带 嘉峪关
斯 阿拉善右旗
二连
低
瓦
斯 渤海湾
瓦 瓦
质 呼市 包头 低
斯
带 银川 带
满洲里 低
牙克石 及
中 齐齐哈尔
变
高wk.baidu.com
东乌旗
白城
质 西乌旗 变
低 通辽 变
质
张家口
赤峰 承德
绝对渗透率：反映岩石本身的孔隙结构特征； 相对渗透率：岩石对每一种流体的渗透率。
有效渗透率大小：流体性质、流体数量比例关系、 岩石本身孔隙结构特征。
围岩孔隙结构
孔隙 喉道：孔隙中充填胶结物
一般孔隙大、喉道粗岩石渗透 率高；
喉道粗、孔隙中细岩石渗透率 中至偏低;
喉道细小，孔隙大岩石渗透率 低；
喉道细小，孔隙小岩石渗透率 均低。
三、影响瓦斯赋存地质条件
1、含煤岩系沉积环境 2、煤的变质程度 3、煤层围岩特征 4、地质构造 5、煤层埋藏深度 6、煤田的暴露程度 7、水文地质条件 8、岩浆活动
瓦斯是特殊的地质体
瓦斯生、贮于煤层，是气态地质体
瓦斯赋存受控于地质条件
瓦斯生成、运移、保存条件和赋存受地质作用控制
1、含煤岩系沉积环境
4、瓦斯地质学科的发展历史
60年代初 抚顺煤研所对峰峰矿区的瓦斯赋存规律进行了研究。 1965年 杨力生教授对焦作矿务局焦西矿进行了调研。 1972~1978年 焦作矿业学院及国内不少单位开展了瓦斯突出地质 条件的研究工作。 1978年底 焦作矿业学院和焦作矿务局在焦作联合召开了我国煤炭 史上第一次“瓦斯地质学术座谈会”，首次提出了瓦斯地质这一名称， 肯定了瓦斯地质研究的理论意义和实践意义。
滨海平原相
有利于瓦斯保存
不利于瓦斯保存
2、煤的变质程度
在煤化作用过程中，不断
地产生瓦斯，煤化程度越 高，生成的瓦斯量越多。 因此，在其它因素相同的 条件下，煤的变质程度越 高，煤层瓦斯含量越大 。
煤的变质程度不仅影响瓦
斯的生成量，还在很大程度 上决定着煤对瓦斯的吸附能 力。
吸 附 瓦 斯 量
(cm3/ g)
5、矿井瓦斯涌出量
矿井瓦斯涌出量是指在矿井生产过程中涌入采掘 空间的瓦斯数量。
(1) 绝对瓦斯涌出量：矿井在单位时间内涌出的瓦斯 体积，单位是m3/min或m3/d。
(2) 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。
6、矿井瓦斯等级
根据矿井相对瓦斯涌出量、矿井绝对瓦斯涌出量、工作面 绝对瓦斯涌水量和瓦斯涌出形式矿井瓦斯等级划分为三类：
学习提纲
一、瓦斯地质概况 二、瓦斯地质基础 三、影响瓦斯赋存的地质条件 四、瓦斯地质理论 五、突出发生一般规律 六、控制突出的地质条件 七、瓦斯地质图的编制
一、瓦斯地质概况
1、煤炭是我国的主要能源 2、煤矿安全状况严峻
1）主要产煤国家百万吨死亡率 2）我国煤矿灾害事故死亡人数 3）瓦斯灾害事故居高不下 3、瓦斯地质工作的重要性 4、瓦斯地质学科的发展历史
1982年6月 煤炭部在四川天池召开的全国第三次煤与瓦斯突出 机理和预测预报工作会议上，焦作矿院的瓦斯地质研究成果受到很 高的评价。
1983年8月 受煤炭部委托，焦作矿院在秦皇岛举办了全国第一 期瓦斯地质工作方法学习班。同年，杨力生教授开始主持全国煤矿 瓦斯地质编图项目。
1983年12月 煤炭部颁发了“关于加强瓦斯地质工作的通知”。 随后，煤炭部在1986年颁布的《煤矿安全规程》中加入了瓦斯地质 的工作内容。
内蒙古自治区煤变质及瓦斯分带图
3、煤层围岩特征
煤层围岩是指煤层直接顶、老顶和直接底板等在内的一定 厚度范围的层段。煤层围岩对瓦斯赋存的影响，决定于它的隔 气、透气性能。 一般来说，当煤层顶板岩性为致密完整的岩石，如页岩、 油母页岩时，煤层中的瓦斯容易被保存下来；顶板为多孔隙或 脆性裂隙发育的岩石，如砾岩、砂岩时，瓦斯容易逸散。 煤层围岩的透气性不仅与岩性特征有关，还与一定范围内 的岩性组合及变形特点有关。不同力学性质的岩层具有不同的 构造表象 。
瓦斯在煤体中的赋存状态
压力↓温度↑ 吸附瓦斯
游离瓦斯
（10%-20%）
压力↑温度↓
4、煤层瓦斯的带状分布
自上而下可划分为四个带：
二氧化碳氮气带
氮气
瓦斯风化带
氮气甲烷带
甲烷带
按瓦斯成分划分瓦斯带的标准
瓦斯带名称
组分含量（%）
CH4
N2
CO2
二氧化碳氮气带 氮气带
氮气甲烷带 甲烷带
0~10 0~20 20~80 80~100
矿井瓦斯成分很复杂，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。
2、瓦斯的成因
煤层瓦斯是地质作用的产物，是在成煤过程中形成的。
泥炭化阶段
1、煤炭是我国的主要能源
18.91%
中国
2.56% 2.42% 0.54%
76.86%
煤
石油 天然气 水电 核能
世界平均
24%
3% 10%
39%
24%
中国和世界的一次性能源结构
2、煤矿安全状况严峻
6 5 5.02 4 3 2 1 0
中国
0.7 俄罗斯
0.5 印度
0.23 波兰
0.23 南非
0.03 美国
瓦斯灾害 其它
84%
10人以上特大瓦斯灾害事故的比例
5%
瓦斯灾害 其它
95%
2001年瓦斯事故死亡人数比例
3、瓦斯地质的重要性
1）瓦斯地质：是应用地质学理论和 方法，研究煤层瓦斯的赋存、运移 和分布规律，矿井瓦斯涌出和煤与 瓦斯突出的地质条件及其预测方法， 直接应用于资源、环境和煤矿安全 生产的一门新的边缘学科。 2）瓦斯地质是瓦斯防治工作的基础。
20~80 80~100 20~80
0~20
20~80 0~20 0~20 0~10
确定瓦斯风化带下界的其它指标:
⑴ 煤层中所含瓦斯的CH4成分达80%； ⑵ 煤层瓦斯压力为0.1～0.15MPa； ⑶ 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； ⑷ 矿井相对瓦斯涌出量为2m3/t。