煤层瓦斯赋存及流动规律

煤层瓦斯赋存及流动规律
摘要: 煤矿井下的瓦斯主要来自煤层和煤系地层，还与煤的成因息息相关。

瓦斯在煤层中的赋存状态一般有两种，即吸附状态和游离状态。

而煤层瓦斯含量实际上是指吸附瓦斯量和游离瓦斯量之和，其值的大小往往是评价煤层瓦斯储量和是否具有抽放价值的重要指标。

煤层瓦斯含量的多少主要取决于保存瓦斯的条件，而不是生成瓦斯量的多少，也就是说，不仅取决于煤质质量，而更重要的是取决于储存瓦斯的地质条件。

根据目前的研究成果认为，影响煤层瓦斯含量的主要因素有:煤层储气条件、区域地质构造和采矿工作。

另一方面，煤层是孔隙、裂隙结构组成的物质，瓦斯在孔隙中的流动主要是扩散,在煤层裂隙系统的流动属于渗透。

本文将对煤层瓦斯赋存及流动规律进行阐述，并作简单的分析。

关键词：煤层瓦斯赋存流动规律
Coal seam gas occurrence and flow pattern Abstract: the coal gas mainly comes from coal and coal measure strata, it is closely related to the causes of coal. Gas in the coal seam occurrence state is generally has two kinds, namely the adsorption state and free state. And coal seam gas content actually refers to the amount of gas and free gas quantity, the sum of its value tends to be the size of the evaluation of coal seam gas reserves and is an important index of drainage value. Coal seam gas content depends mainly on save gas conditions, it is not how much the amount of generated gas, that is to say, not only depends on the quality of coal, but more importantly depends on the geological conditions of gas storage. According to current research argues that the main factors affecting gas content of coal seam are: coal gas storage conditions, regional geological structure and mining work. On the other hand, the coal seam is material composed of pore and fracture structure. Gas flow in the pore is mainly spread in the flow of the fissure system of coal seam belongs to penetration. This article will
explain coal seam gas occurrence and flow pattern, and make a simple analysis.
Key words: coal seam gas , occurrence, flow ,pattern
1.煤层瓦斯赋存影响因素
瓦斯的生成、运移、赋存和富集,受地质条件的控制。

对于不同区域、不同煤田或块段,影响瓦斯赋存的地质条件存在着差异,起主导作用的因素也有区别1。

影响煤层瓦斯赋存及分布的因素是多种多样的,通过对瓦斯地质规律的研究可知,影响煤层瓦斯含量和分布规律的地质因素主要有:煤层埋藏深度、地质构造、煤层顶底板岩性、煤体结构和煤的变质程度等。

1.1煤层埋藏深度
煤层埋藏深度的增加不仅会因地应力增高而使煤层和围岩的透气性降低，而且瓦斯向地表运移的距离也增大，这二者的变化均朝着有利于封存瓦斯，而不利于放散瓦斯的方向发展。

研究表明：当深度不大时，煤层瓦斯含量随埋深的增大基本上呈线性规律增加；当埋深达到一定值后，煤层瓦斯含量将趋于常量。

另外有一些研究表明：1) 在煤层瓦斯风化带以下，煤层瓦斯含量随着煤层埋藏深度的增加而呈单调递增趋势。

而随着深度的不断增加，瓦斯含量增长率逐渐减小，达到一定的深度，煤层瓦斯含量基本保持不变。

2) 当煤层埋藏超过一定深度时，预测瓦斯含量呈下降趋势2。

1.2煤层围岩
煤系地层岩性组合及其透气性对煤层瓦斯含量有重大影响。

围岩条件直接影响煤层瓦斯赋存量的大小,决定了煤层顶底板岩性及其透气性的强弱。

顶板岩层越疏松、颗粒及孔隙度越大,越利于瓦斯运移逸散3。

煤层及其围岩的透气性越小，瓦斯易于保存，煤层的瓦斯含量就高。

甲烷对煤层及岩石的透气性系数表
从表中可以看出:可见孔隙与裂缝发育的砾岩、砂岩和灰岩的透气性系数非常大，它比致密而裂隙不发育的岩石（如砂页岩、页岩、泥质页岩等）的透气性系数高成千上万倍；故而在漫长的地质年代中，会排放大量的瓦斯。

1.3煤变质程度
煤变质程度的增高,使煤层瓦斯生成量增大,煤对瓦斯的吸附能力增强。

所以,煤变质程度高为煤层瓦斯的生成和富集创造了有利条件4。

一般情况下，在瓦斯带内，倘若其他因素相同、煤化作用程度不同的煤，其瓦斯含量不仅有所不同，且随深度增加其瓦斯含量增加的量也有所不同。

1.4地质构造
地质构造既可改变煤层赋存形态及煤体结构,又可改变煤层围岩透气性能5。

具体而言，影响煤层瓦斯赋存的因素包括以下几方面：褶曲构造、断裂构造，构造复合、联合，构造组合以及水文地质条件。

褶曲使煤层在背斜、向斜轴部增厚,翼部变薄,褶曲发育部位多为厚煤层区段,同时也呈小断裂发育。

煤厚发生变化使瓦斯释放运移、集聚条件相应改变,褶曲轴部煤层瓦斯含量成倍增长,瓦斯压力增大,瓦斯涌出量增高。

断裂构造对瓦斯形成后的运移、赋存与分布起着直接控制作用。

张性、张扭性断裂一般为开放性断层,对煤层瓦斯的流动起到排放作用,当接近此类断层时煤层瓦斯含量明显下降;压性与压扭性断层一般属于封闭性断层,对煤层瓦斯起到封闭作用,不利于瓦斯逸散。

在此类断层区域内的煤层瓦斯含量明显增大6。

1.5煤体结构
构造应力使煤层形态和煤层厚度发生次生变化,使煤体构造遭到破坏。

煤层结构的破坏不仅对瓦斯赋存有利,而且使煤体强度明显降低。

构造煤具有快速解吸和涌出瓦斯的能力、高吸附能力、低透气性、高弹性能、低强度,易于形成高应力梯度和高瓦斯含量梯度带。

凡是构造煤变厚的地段,瓦斯涌出量明显增大7。

1.6采矿工作
煤矿井下采矿工作会使煤层所受应力重新分布，造成次生透气性结构；同时，矿山压力可以使煤体透气性增高或降低，其表现为在卸压区内透气性增高，在集中应力带内透气性降低。

这种情况会引起煤层瓦斯赋存状态发生变化，具体表现为在采掘空间中瓦斯涌出量的忽大忽小；如开采上、下保护层时，在保护范围内，由于煤（岩）体透气性的增大，使得煤体中的瓦斯大量释放。

工作面回采时，由于暴露面积和围岩移动大为增加，近工作面的透气性较掘进巷道时增大更多；这种增大往往会导致瓦斯涌出量的增大；然而回采时又必然形成具有最大值不断变化的应力集中带，且其最大应力值沿工作面长度分布，因而又会造成透气性降低，而集中应力最大值的增加是因局部集中应力引起的，如掘进巷道、矸石充填带、地质破坏、工作面形状、邻近层留的煤柱、顶底板岩石等的影响。

因此，回采时煤体透气性变化的特点更为复杂，并常常取决于大量的不经常明显表现出来的因素。

这种情况给煤层瓦斯赋存状态带来的变化也是十分复杂的，往往表现出来的是工作面瓦斯涌出量的变化不定，个别情况下还容易引起煤与瓦斯突出。

2.煤层瓦斯流动规律
2.1流动的原因
矿井瓦斯主要生成于煤的变质阶段,以吸附和游离两种状态存在于煤层中。

由于煤层渗气性弱,瓦斯在煤层中不易放散,因此瓦斯以具有压力的气体存在于煤层中。

我国各主要瓦斯煤田在目前的开采深度上,瓦斯压力约为10~40大气压。

矿井巷道空间的空气压力为1个大气压,采掘工作破坏了原有瓦斯压力的平衡,在煤层中形成了流动场。

这种由高压向低压的流动大多数表现为涌出,在特殊情况下也可以形成喷出和突出。

煤面的瓦斯涌出一般随煤面暴露时间的增长而逐渐减少。

矿井中各生产地点的瓦斯涌出除了与地质条件、瓦斯压力、透气性以及气候条件等自然因素有关外,还与生产过程、采掘方法、开采强度、矿山压力的活动、通风制度等采矿因素有着密切的关系,因此矿井瓦斯的涌出是
不均衡的。

除开采煤层本身的瓦斯涌出外,邻近煤层在层间岩石卸压或破裂以后,也向开采空间放散瓦斯
,其涌出规律与矿山压力的活动和层间岩石性质以及顶板管理的方法有关。

2.2流动的状态
煤层中瓦斯流动的状态随自然因素和采矿空间的几何形状而变化。

如按流动方向划分,基本上可分为单向流动、径向流动和球向流动。

按流动场与空间时间的关系划分,则可分为有限的、无限的、稳定的与不稳定的流动场8。

如下图所示
2.3瓦斯流动理论
煤层瓦斯流动理论是专门研究煤层内瓦斯压力分布及瓦斯流动变化规律的理论,根据应用范围和使用条件的不同,煤层瓦斯流动理论有以下几种。

①线性瓦斯流动理论
线性瓦斯渗流理论认为,煤层内瓦斯运移基本符合线性渗透定律—达西定律，1856年,法国水力学家Darcy通过实验总结出了著名的Darcy定律。

这个定律是反映水在岩土孔隙中渗流规律的实验定律。

这个定律说明了水通过多孔介质的速度同水力梯度的大小及介质的渗透性成正比。

这个理论同样适用于瓦斯在每层中的流动，瓦斯好比水，煤层孔隙好比多孔介质。

②瓦斯扩散理论
煤是一种典型的多孔介质,根据气体在多孔介质中的扩散机理的研究,可以用表示孔隙直径和分子运动平均自由程相对大小的诺森数Kn= d/ λ
式中d———孔隙平均直径,m
λ———气体分子的平均自由程,m
将扩散分为一般的菲克型扩散、诺森型扩散和过渡型扩散。

Kn≥10时,孔隙直径远大于瓦斯气体分子的平均自由程,这时瓦斯气体分子的碰撞主要发生在自由瓦斯气体分子之间
,而分子和毛细管壁的碰撞机会相对较少,此类扩散仍然遵循菲克定理,称为菲克型扩散。

当Kn≤ 0.1时,分子的平均自由程大于孔隙直径,此时瓦斯气体分子和孔隙壁之间的碰撞占主导地位,而分子之间的碰撞退居次要地位,此类扩散不再遵循菲克扩散,而为诺森扩散。

当0.1< Kn< 10时,孔隙直径与瓦斯气体分子的平均自由程相似,分子之间的碰撞和分子与面的碰撞同样重要,因此此时的扩散是介于菲克型扩散与诺森扩散之间的过渡型扩散。

③瓦斯渗透-扩散理论
瓦斯渗透与扩散理论认为,煤层内瓦斯运动是包含了渗透和扩散的混合流动过程。

煤层中存在相互沟通的裂隙网络,沿着这些裂隙网络,游离瓦斯流向低压工作面,而煤体的透气率与该裂隙网络密切相关。

与此同时,块煤内部的瓦斯解吸,向裂隙扩散,因此煤层中瓦斯的渗透率和介质的扩散性共同决定了瓦斯的流动状况9。

④非线性瓦斯流动理论
著名的流体力学家EM. Allen指出,将达西定律用于描述从均匀固体物(煤样)中涌出瓦斯的试验,结果导致了与实际观测不相符合的结论。

从通过变化压差测定煤样瓦斯渗透率看,达西定律不太符合瓦斯流动规律。

在大量试验研究的基础上提出了更能符合瓦斯流动的基本规律—幂定律。

⑤地物场效应的煤层瓦斯流动理论
该理论认为地应力场、地温场及地电场10,应力史对瓦斯流动场也有重要影响,应该考虑进去,修正达西定律和幂定律11。

⑥多煤层系统瓦斯越流理论
根据地下渗流力学多煤层瓦斯越流的定义,如保护层开采的有效保护范围的确定问题、井下邻近层(采空区)瓦斯抽放工程的合理布孔设计抽放率预估问题、地下多气层之间煤层气运移规律的预估和评估问题,都可以归结为多煤层系统瓦斯越流问题。

但由于此问题的复杂性,均未从煤层瓦斯越流的角度去抽象出其普遍规律并创建多煤层系统瓦斯越流理论,因此,应用流体—岩石的相互作用的观点创建和发展煤层瓦斯耦合模型及数值方法,丰富和完善煤层瓦斯渗流力学,这是当今该学科理论研究的前沿课题。

结论
每种煤层瓦斯流动理论,在一定的简化假设下，已形成了一定的理论体系,并在煤矿安全生产中起到了一定的作用。

但是,由于煤层内瓦斯流动是一个非常复杂的过程，这不仅与煤的结构有关，而且受到众多因素的影响。

目前我国煤矿煤与瓦斯突出事故频繁发生，死亡人数多
，严重影响煤矿安全生产，而瓦斯流动规律对于预防煤与瓦斯突出，改善煤层瓦斯抽放率和煤层气开发利用具有重要意义，因此煤层瓦斯流动理论有待继续深入研究12。

3.个人观点
现在科学研究在煤层瓦斯的赋存与流动规律方面已经取得了很大的成就，我们大部分学者花了大量的时间和精力去学习研究前人总结的经验教训，虽然也会去实际的煤矿工作环境去考察，但依然无法避免煤矿事故的频频发生，究其原因还是实际的煤层瓦斯情况和地质条件复杂得出乎预料，虽然现在的预测预报技术已经很精确，但是有些危险就是这样突然的发生。

我觉得我们应该重视井下工作人员的生命安全，光靠管理人员的监督管理政策远远不够，光靠研究那些书本上的理论知识远远不够，我们需要从根本上减少事故的发生，而每当事故发生时，井下的工作人员是最先受到威胁的群体，我们需要让井下工作人员深刻地认识到生命安全的重要性，加强对矿工的安全知识培训，让他们在工作时时刻刻保持警惕，注意危险源，消除危险隐患。

从井下工作的每一件小事做起，保障每一步操作的安全。

（注：可编辑下载，若有不当之处，请指正，谢谢!）
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