瓦斯地质学基本概念及一般规律

1第1章绪论1.瓦斯地质学研究的意义：①瓦斯是煤矿安全的第一杀手；②瓦斯（煤层气）是重要的洁净能源；③开发利用煤层气（瓦斯），减少空气污染，保护大气环境；④瓦斯地质理论是瓦斯治理最重要的基础。2.瓦斯地质学研究的对象：瓦斯地质学认为瓦斯是煤在地质历史演化过程中形成的气体地质体，它是研究瓦斯的形成、运移、赋存及发生瓦斯灾害的地质控制理论的一门交叉学科。3.瓦斯地质学研究的内容：①瓦斯赋存机理研究；②构造煤与瓦斯突出煤体基础理论研究；③瓦斯（煤层气）抽采地质控制机理研究；④煤与瓦斯突出地质控制机理研究。4.瓦斯地质学的研究方法：①瓦斯地质规律研究；②瓦斯赋存构造逐级控制理论研究；③编制煤矿多级瓦斯地质图研究。第2章含煤盆地与瓦斯形成含煤盆地系指赋存煤炭的沉积构造盆地。1.中国以石炭纪-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）及第三纪为主要成煤期。2.中国含煤盆地聚煤一般规律：①海相沉积系列聚煤作用与海平面的周期性升降密切相关，主要煤层多形成于沉积体系域的转换期；②泥炭沼泽可作为独立的沉积体系，富集的煤层多形成于废弃的沉积体系之上，下伏沉积体系仅仅是泥炭沼泽发育的平台；③聚煤盆地的基底构造决定富煤带的分布、煤层的稳定性和聚煤丰度，稳定地块基底上聚集了80%的已知煤炭资源。3.瓦斯（煤层气）次生生物成因：在含煤盆地中，次生生物作用过程活跃并影响气体成分的深度间隔称作蚀变带，一般位于盆地边缘或中浅部；不发生蚀变的气体一般出现在盆地深部，称原始气带。次生生物成因瓦斯在煤层中生成并保存基本条件是：（1）煤层经构造抬升进入或曾经进入细菌活动带；（2）煤层渗透性较好；（3）有携带细菌的潜水活动；（4）煤层压力高、围岩封闭性好。5.煤层瓦斯（或煤气）发生率：是表征煤生气能力的定量参数，是指成煤物质从泥炭到特定煤级所生成的烃类气体的总和，包括生物气和热演化成因气。6.煤层气的发生率包括以下几个基本概念：（1）煤层气发生率——指从泥炭到特定煤级瓦斯气体产生的总量；（2）视煤气发生率——指从褐煤到特定煤级瓦斯气体产生的量；（3）阶段生气率——指煤化过程特定阶段瓦斯气体产生的量。7.煤成烃物质来源：有机成因天然气的成气母岩可分为两大类，即：高等植物在成煤过程中形成的腐植质；低等植物在成煤过程中形成的腐泥质。前者形成腐植煤类，后者形成腐泥煤类，两者都产生天然气。8．煤的成烃演化过程包括生物地球化学作用（相当于生物煤化作用）和热力地球化学作用（相当于煤变质作用）两大阶段。9.瓦斯中的非烃气体类型包括CO2、N2、H2S、CO等。第3章瓦斯赋存构造逐级控制理论地震波：震源(大小为几公里到上百公里，深100～750km)或人工爆炸(如核爆炸)产生的弹性波，主要有体波和面波两大类。体波又分为纵波(P波)和横波(S)两种。1.转换断层：当海底分裂，向两侧移动的时候，由于板块在一个球面上移动，速度不可能是一致的，于是大致垂直于分裂带发生许多近于平行的平移断层，称转换断层。2.俯冲带：当洋壳板块向两侧移动，遇着大陆板块，彼此相碰的时候，则洋壳板块由于岩石密度较大，地位也低，便俯冲于大陆板块之下。这一俯冲部分的板块叫作俯冲带。3.地槽：对地层沉积较厚，分布在一个狭长的地带，称之为地槽。靠近大陆边缘、缺乏火山活动的为冒地槽，向海洋的一侧、有火山活动的为优地槽。4.大陆边缘可分为三种类型：①大西洋型，⑦安第斯型，③岛弧型及日本海型。5.中国四大构造域：古亚洲构造域、特提斯构造域、古华夏构造域和滨太平洋构造域。6.中国主要深断裂系统及其特征：古亚洲型断裂系统、特提斯型断裂系统、华夏－滨太平洋型断裂系统和贺兰－康滇型断裂系统。7.按构造特点盆地可分为拗陷与断陷两类，拗陷2一般与拗曲有关，没有断裂作为边界；而断陷则受断裂控制，并可再分为裂陷和压陷两类。8.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中国的强变形带是控制煤与瓦斯突出的敏感地带。10.中国煤与瓦斯突出动力灾害特征：①中国是世界上煤与瓦斯突出动力灾害最严重的国家；②含有高能瓦斯的构造煤是煤与瓦斯突出发生的基础；③煤与瓦斯突出发生在构造挤压剪切破坏带。第4章煤层瓦斯赋存与煤储层物性特征1.瓦斯的化学组分有烃类气体(甲烷及其同系物)、非烃类气体(二氧化碳、氮气、氢气、一氧化碳、硫化氢和稀有气体氦、氩等)。2.在同一煤阶中，通常是烃类气体含量随埋藏深度的增大而增加，重烃气主要分布于未受风化的煤层中。此外，重烃含量与煤变质程度有关，通常中变质煤的重烃含量高，低、高变质煤的重烃含量低。3.对于非烃类气体，一般而言，越靠近地表，氮气和二氧化碳的含量越高；煤变质程度越高，氮气和二氧化碳的含量越低。4.瓦斯生成包括生物成因和热成因两个过程。5.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。6.吸附：是指气体以凝聚态或类液态被多孔介质所容纳的一种过程。大量研究表明，煤对气体的吸附以物理吸附为主体。7.影响煤吸附性的因素：煤吸附性大小主要取决于3个方面的因素，即：①煤结构、煤的有机组成和煤的变质程度；②被吸附物质的性质；③煤体吸附所处的环境条件。8.解吸：煤层压力降低到一定程度，煤中被吸附的甲烷开始从微孔表面分离，即发生解吸，它是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。9.解吸率和解吸量：通常，把损失气量与解吸气量之和与总含气量之比称为解析率，损失气量与现场两小时解吸气量之和为解吸量，即解吸率与实测含气量的乘积。10.解吸时间：实测瓦斯解吸体积累计达到总解吸气量（STP：标准温度、压力）的63.2%时所对应的时间称为解吸时间，它由罐装煤样解吸试验求得。11.解吸速率：单位时间内的解吸气量称为解吸速率。12.煤层瓦斯含量：煤层瓦斯含量是指单位质量的煤中所含有的瓦斯体积（换算为标准状态下的体积），单位是cm3/g或m3/t。13.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（换算成标准状态下体积），称之为煤层原始瓦斯含量，常用m3/t和cm3/g作计量单位。14.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，常用计量单位亦是m3/t和cm3/g作计量单位。15.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，其物理单位为m3/t或cm3/g。16.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。17.煤层瓦斯垂向分带：煤层中瓦斯的分布状况由浅到深可划分为四个成分带，自上而下依次为：①二氧化碳氮气带；②氮气带；③氮气甲烷带；④甲烷带。前三个带统称为瓦斯风化带，甲烷带称为瓦斯带。瓦斯带内甲烷浓度超过80%，瓦斯含量随埋深增加而有规律的增加，但是增加的瓦斯梯度因地质条件而定。18.煤储层压力：是指作用于煤孔隙和裂隙空间上的流体压力（包括水压和气压），故又称为孔隙流体压力，相当于常规油气储层中的油层压力或气层压力。19.瓦斯压力：是指在煤田勘探钻孔或煤矿矿井中测得的煤层孔隙中的气体压力。320.渗透性：是流体通过多孔介质的能力。21.绝对渗透率：若孔隙中只存在一相流体，且流体与介质不发生任何物理化学作用，则多孔介质允许流体通过的能力称为绝对渗透率。22.有效（相）渗透率：若孔隙中存在多相流体，则多孔介质允许每一相流体通过的能力称为每相流体的相渗透率，也称为有效渗透率。23.相对渗透率：有效(相)渗透率与绝对渗透率的比值称为相对渗透率。第5章煤体结构构造煤24.1.煤体结构：指煤层在地质历史演化过程中经受各种地质作用后表现的结构特征。2.原生结构煤：指保留了原生沉积结构、构造特征的煤层，原生结构煤的煤岩成分、结构、构造、内生裂隙清晰可辨。3.构造煤：煤层在构造应力作用下，发生成分、结构和构造的变化，引起煤层破坏、粉化、增厚、减薄等变形作用和煤的降解、缩聚等变质作用的产物。16.温度、压力及其作用持续的时间是引起煤发生变质作用的三个主要因素，而其中起主导作用的是温度。17.煤的深成变质作用：指沉降到地下深处的煤层，受到地热及上覆岩系产生的静压力的作用，发生了变质程度随深度增加而增加的变质作用。18.煤的区域岩浆热变质作用：指聚煤坳陷内有岩浆活动，岩浆及其所携带气液体的热量可使地温场增高，形成地热异常带，从而引起煤的变质作用。19.煤的接触变质作用：指岩浆直接接触或侵入煤层，由其所带来的高温、气体、液体和压力，促使煤发生变质的作用。20.煤的动力变质作用：指地壳构造变动促使煤发生变质的作用。21.煤的瓦斯放散初速度（ΔP）：表示充有瓦斯的煤样放散瓦斯快慢的程度，它是预测煤与瓦斯突出的一个指标。22.渗透性：指煤储层的孔裂隙系统在一定的压差下，流体介质可以发生渗流通过的性质。23.煤化度（p）：即煤的化学成熟程度，是描述整个煤样的参数。24.构造煤的宏观结构分为碎裂结构、碎粒结构、糜棱结构3种类型，相应的煤体为碎裂煤、碎粒煤和糜棱煤。第六章1.瓦斯地质规律是指揭示瓦斯与地质因素之间内在联系的规律。2.瓦斯地质的主要研究观点：(1)不同级别的地质单元都存在着自身的瓦斯地质规律。（2）揭示瓦斯地质规律首先从主控地质因素入手。3.瓦斯地质的主要研究内容：（1）构造煤形成分布规律。（2）瓦斯赋存构造控制机理。（3）煤与瓦斯突出地质控制机理。（4）瓦斯抽采地质控制机理。4.瓦斯地质规律研究是瓦斯地质学的核心内容，是瓦斯预测、治理的基础。5.瓦斯含量是指成煤过程中煤层经受地质历史演化作用储存在煤层中单位体积或单位质量的煤所含的瓦斯体积量（m3/m3或m3/t）。6.低瓦斯——拉张活动、风化剥蚀；高瓦斯——挤压作用、连续拗陷沉积。7.瓦斯含量主控因素：（1）地质演化历史（2）区域构造背景（3）煤化程度（4）沉积环境8.煤与瓦斯突出机理研究还处在假说阶段，目前，大多数人认可综合作用假说，认为，煤与瓦斯突出是地应力、煤体中的瓦斯、煤的物理力学性质三者共同作用的结果。9.煤层瓦斯含量煤层瓦斯含量是单位质量煤中所含的瓦斯体积(换算为标准状态)量，单位是m3/t或cm3/g。10.煤层原始(或天然)瓦斯含量煤层未受采动影响时的瓦斯含量称为煤层原始(或天然)瓦斯含量。11.残存瓦斯含量煤层受采动影响，已部分排放了瓦斯后煤层中剩余的瓦斯含量。12.岩层瓦斯含量单位质量(或体积)岩石中所含的瓦斯体积。13.简述煤层瓦斯含量测定方法直接法与间接法及其优缺点。1）直接法直接从煤体内采取煤样，在现场解吸，然后将煤样送到实验室，用真空泵抽取瓦斯，并分析其瓦斯成份，然后进行煤质工业分析，计算确定煤层瓦斯含量。优点：直接测定。缺点：试样采取过程中逸散瓦斯量需要数学模型推断。突出煤层瓦斯损失量的经验公式尚不完善。2）间接法先在井下实测或根据赋存规律推算煤层瓦斯压力，并在实验室测定煤的孔隙率、4吸附等温线和煤的工业分析，然后再计算煤层瓦斯含量。优点：煤样不须密封，采样方法简单，且如果已知煤层各个不同区域的瓦斯压力，则可根据吸附等温线推算各个不同区域的煤层瓦斯含量。缺点：需要在井下实测煤层瓦斯压力。14.煤的瓦斯含量越大，煤样越破碎，损失瓦斯量所占比例也越大。15.为了提高煤层瓦斯含量的测定精度，应尽量减少煤样的暴露时间，尽量选取较大粒度的煤样，以减小瓦斯损失量在煤样总瓦斯量中所占的比重。16.绝对瓦斯涌出量：指单位时间涌出的瓦斯体积，单位为m3/d或m3/min。17.相对瓦斯涌出量：指矿井在正常生产条件下，平均日产1t煤同期所涌出的瓦斯量，单位是m3/t。18.瓦斯涌出量中除开采煤层涌出的瓦斯外，还有来自邻近层和围岩的瓦斯，所以相对瓦斯涌出量一般要比瓦斯含量大。19.一个矿井中只要有一个煤（