8李晓伟瓦斯赋存规律及矿井瓦斯涌出量预测

煤矿瓦斯赋存规律及瓦斯涌出量预测二○一八年四月提纲一、前言二、瓦斯赋存影响因素三、瓦斯涌出量预测研究历程四、矿山统计法五、分院预测法六、现有瓦斯涌出量预测法的问题七、基于瓦斯地质的涌出量预测一、前言研究瓦斯赋存规律意义：1、安全需要：瓦斯是煤矿安全的第一杀手；2、能源需要：瓦斯（煤层气）是重要的洁净能源；3、理论需要：瓦斯赋存规律是瓦斯治理最重要的基础。研究瓦斯赋存规律意义：研究涌出量预测的意义1、安全需要：初步掌握矿井瓦斯涌出规律，制定针对性的瓦斯治理措施，为瓦斯治理留下足够的时间；2、设计需要：瓦斯治理措施、方案等设计的依据；二、瓦斯赋存影响因素（一）煤田沉积环境（二）煤层变质程度（三）围岩性质特征（四）煤层埋藏深度（五）煤层倾角变化（六）地质构造条件（七）水文地质条件（八）岩浆侵入因素二、瓦斯赋存影响因素（一）煤田沉积环境瓦斯主要形成于煤层，而煤层的赋存和分布与聚煤期有着密切的关系，煤层的聚积厚度及变化等受沉积环境的制约。因此，沉积环境是影响瓦斯区域分布的主要因素之一。1．聚煤期沉积环境对瓦斯生成物质基础的影响。聚煤其沉积环境影响煤层的分布及厚度的变化，因而，也必然影响煤层瓦斯生成量。一般来说，在三角洲、滨海平原等环境中形成的煤层，其厚度较大，分布较广，较稳定；滨海冲积平原、冲积平原等环境中形成的煤层，煤厚变化大，不稳定；山间盆地、泻湖等环境中形成的煤层，煤厚也可能较大，但分布范围较小；障壁后湖坪、河口湾环境成煤厚度较小，且多呈窄带状分布。不同沉积环境对煤层分布及厚度变化的影响，也同样影响着瓦斯的生成量和区域性分布。二、瓦斯赋存影响因素2．沉积环境演化对煤层瓦斯赋存和逸散的影响聚煤期前后沉积环境及其演化，决定了煤层下伏及上覆地层的岩性、岩性组合和厚度，关系到岩层的透气性能。（1）聚煤期前后向平静水体环境演化的沉积，有利于煤层瓦斯赋存。聚煤期前后平静水体环境沉积的细碎屑岩、油页岩、硅质岩及泥灰岩等地层，岩性致密或具膨胀性能，透气性差，致使煤层中的瓦斯沿法向透气性差，阻挡了瓦斯的逸散。（2）聚煤前后冲积环境的沉积，不利于煤层瓦斯的赋存。冲积环境形成的砾岩、砂岩等粗碎屑岩，透气性能好，有利于瓦斯的逸散，不利于瓦斯保存。（3）含煤岩系沉积之后，沉积环境是否连续演化，对煤层瓦斯的保存也有重要影响。构造运动及间歇性的火山喷发，可影响聚煤环境或聚煤期后沉积环境的正常演化，造成沉积间断或导致沉积旋回的不完整，因而不利于瓦斯的保存。二、瓦斯赋存影响因素3．沉积相组合对煤层瓦斯的影响沉积环境演化导致的沉积相组合，对煤层瓦斯赋存有一定的关系，总的看来，由下而上有如下规律：（1）滨海相→三角洲相（或滨海平原相）→滨海相（或内陆湖泊相）沉积相组合；山间盆地相→湖泊相→湖泊充填相→泥炭沼泽相→深水湖泊相沉积相组合；山间河流相、洪冲积扇相→河流相、河漫相、扇三角洲相→深水湖泊相沉积相组合，有利于煤层瓦斯的赋存。（2）滨海平原相→滨海冲积平原相→山前冲积平原相→洪和扇、冲积扇相沉积相组合，不利于煤层瓦斯的赋存。二、瓦斯赋存影响因素（二）煤层变质程度1、煤的变质程度与甲烷含量的关系由泥炭演变为煤的煤化作用，包括先后进行的成岩作用和变质作用。这一阶段在以温度和压力为主的物理化学作用下，泥炭经过褐煤、烟煤转变成无烟煤。在煤化作用过程中，不断地产生瓦斯，煤的煤化程度越高，产生的瓦斯越多。其主要原因是：第一，煤层瓦斯的产出量直接依赖于煤化程度；第二，随着变质程度的加深，煤的气体渗透率下降，气体沿煤层向地表方向运移也就更慢；第三，变质程度越高，煤的吸附能力越加大，煤层中可以滞留更多的气体。二、瓦斯赋存影响因素2、变质程度对瓦斯吸附能力的影响成煤初期，褐煤结构疏松，孔隙率大，吸附能力也大。但因该阶段瓦斯生成量较少，且不易保存，煤层瓦斯含量小。在煤的变质过程中，由于地压的作用，煤的孔隙率减小，煤质渐趋致密。长焰煤的孔隙和表面积都比较少，所以吸附瓦斯的能力小，最大吸附瓦斯量在20～30m3/t左右。随着煤的进一步变质，在高温高压作用下，煤体内部因干馏作用而生成许多微孔隙，使表面积到无烟煤时达到最大。据实验室测定，1g无烟煤的微孔表面积可达50～60m3/t。以后微孔又收缩、减少，到石墨时变为零，使吸附瓦斯的能力消失。二、瓦斯赋存影响因素3、煤类分布与瓦斯特征（1）总体具有成煤时期越老，经历的地质历史越长，煤的变质程度就越高的趋势。（2）我国大致在北纬38°以北，包括东北地区和西北大部分地区，从基本上是以褐煤和低、中变质烟煤为主；（3）北纬38°以南的华北地区产各种变质程度的烟煤和无烟煤；（4）西南地区主要是中、高变质烟煤赋存的地区，而东南地区则以高变质烟煤和无烟煤占优势。这种分布规律与煤矿瓦斯分布有一定的吻合性，表现在西北地区为低、中瓦斯区，华北地区为中瓦斯区，而华南地区为高瓦斯区。对东北地区来讲，情况比较复杂，在褐煤分布范围内低瓦斯矿井居多，但低、中变质煤分布范围多数矿井瓦斯较大，这与其它地质条件有关。二、瓦斯赋存影响因素（三）煤层围岩性质含煤岩系及煤层围岩的地质特征，主要是针对它们对瓦斯保存或逸散所起的作用进行的。也即决定于煤层顶底板的隔气、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。二、瓦斯赋存影响因素1、围岩的孔隙性、渗透性和孔隙结构（1）围岩的孔隙性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。绝对孔隙度：有效孔隙度：（2）围岩的渗透性是指在一定的压差下，岩石允许流体通过其连通孔隙性质。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。有效渗透率的大小取决于其中流体的性质和它们的数量比例关系，以及岩石本身的孔隙结构特征。二、瓦斯赋存影响因素2、围岩力学性质（1）强岩层：不易塑性变形，易破裂(砂岩和石灰岩)（2）弱岩层：发生塑性变形(煤层、细碎屑岩类)二、瓦斯赋存影响因素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。二、瓦斯赋存影响因素在不同岩性的岩层中，节理的发育情况也是不同的。强岩层产生大致垂直于层面的破劈理；弱岩层则产生密集的、与层面斜交或大致平行的流劈理；在相邻的弱、强岩层中节理出现折射现象二、瓦斯赋存影响因素（四）煤层埋藏深度在瓦斯风化带以下，煤层瓦斯含量、瓦斯压力和瓦斯涌出量都与深度的增加有一定的比例关系。一般情况下，煤层中的瓦斯压力随着埋藏深度的增加而增大。随着瓦斯压力的增加，煤与岩石中游离瓦斯量所占的比例增大，同时煤中的吸附瓦斯逐渐趋于饱和。因此从理论上分析，在一定深度范围内，煤层瓦斯含量亦随埋藏深度的增大而增加。但是如果埋藏深度继续增大，瓦斯含量增加的速度将要减慢。下表是前苏联学者黎金作的一个计算实例。二、瓦斯赋存影响因素二、瓦斯赋存影响因素二、瓦斯赋存影响因素1、当深度不太大时,煤层瓦斯含量随埋深成线性增加;当深度很大时,煤层瓦斯含量趋于常量。2、随着埋深增加,由于温度升高所导致吸咐甲烷量的减少抵消了压力增加导致的吸咐甲烷量的增高,因此任何地区都有一个吸咐量最大平衡点的埋深。3、需要注意的是:煤层瓦斯含量主要取决于煤层之上连续沉积地层残留厚度,即煤层与其上方区域不整合面之间的地层厚度,而与现今煤层埋深无关。二、瓦斯赋存影响因素（五）煤层倾角变化煤层的倾角也反映了应力的大小，倾角陡比倾角缓更有利于瓦斯的排放。若其它条件相同，一般缓倾斜煤层要比急倾斜煤层瓦斯大。二、瓦斯赋存影响因素（六）地质构造条件煤与瓦斯突出主要是受区域地质构造控制，同时也受局部地质条件的影响。1、地质构造改变煤层赋存形态2、地质构造破坏煤体结构3、地质构造改变煤层围岩透气性能4、地质构造影响应力分布二、瓦斯赋存影响因素1、褶皱构造对瓦斯的影响褶皱的类型、封闭情况和复杂程度对瓦斯赋存均有影响。背斜：当煤层顶板岩石透气性差，且未遭受构造破坏时，背斜有利于瓦斯的储存，是良好的储气构造，背斜轴部的瓦斯会相对聚集，瓦斯含量增大。向斜：在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比较困难，大部分瓦斯仅能沿两翼流向地表，但在盆地的边缘部分，若含煤地层暴露面积大，则便于瓦斯排放。紧密闭褶皱地区往往瓦斯含量较高，因为这些地区带受强烈构造作用，应力集中；同时，发生褶皱的岩层往往塑性较强，易褶不易断，封闭性较好，因而有利于瓦斯的聚集和保存。二、瓦斯赋存影响因素2、断裂构造对瓦斯影响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。二、瓦斯赋存影响因素（七）水文地质条件水文地质条件是煤层瓦斯含量大小的影响因素之一。一般情况下，水大，瓦斯小水小，瓦斯大在地下水交换活跃地区,地下水不仅能溶解而且能从煤层中带走大量瓦斯,从而使煤层瓦斯量明显减少。二、瓦斯赋存影响因素1、正常情况下瓦斯的溶解度在101.3kPa条件下,当温度20℃时,100L水可溶3.31L甲烷,而0℃时可溶5.56L。2、水溶性瓦斯溶解机理甲烷气体分子以2种机理溶解于地层水中：一是间隙填充，即水中分子之间存在着一定的间隙，气体分子在压力的作用下可以填充于间隙之中。温度一定时，溶解度随压力增大而增大，并最终稳定于一个极限值；二是水合作用，某些气体分子在一定的压力和温度条件下，与水分子结合成水合分子，以这种方式溶解的气体其溶解度随温度升高而降低。虽然瓦斯在水中的溶解度不大，但如果煤层中有较大的含水裂隙或流通的地下水通过时，经过漫长的地质年代，也能从煤层中溶解大量瓦斯，溶解的这部分瓦斯即为水溶性瓦斯的主体。二、瓦斯赋存影响因素3、甲烷溶解度与压力的关系甲烷气的溶解度与压力成正比在高压情况下，随着压力的增加，溶解度增加的幅度减少甲烷在不同压力条件下的溶解度如图所示。二、瓦斯赋存影响因素4、甲烷溶解度与温度的关系温度对地层水中总溶解度的影响相对较为复杂:当温度小于80℃左右时，温度升高，瓦斯在地层水中的溶解度逐渐减小；当温度大于80℃左右时，温度升高，瓦斯在地层水中的溶解度逐渐增大，原因是由于高温使水的氢键削弱，有效间隙度增大，在高压下更有利于重烃气的溶解。二、瓦斯赋存影响因素5、甲烷溶解度与矿化度的关系矿化度对甲烷在地层水中的溶解度的影响主要表现在对间隙填充形式上：矿化度升高，甲烷溶解度减小，这是由于水中矿物质的分子数目增大，被其填充的水分子间隙数目增多，造成甲烷分子所能填充的水分子间隙数目相对减小。同理，矿化度降低，甲烷溶解度增大。二、瓦斯赋存影响因素6、水溶性瓦斯的危害煤田和水溶性瓦斯往往是伴生的许多煤矿在开采过程中曾发生过在裂隙中有水和瓦斯喷出,也有的煤层底板积水中有瓦斯气泡冒出,这往往被解释为瓦斯从底板裂隙中涌出。水溶性瓦斯对安全生产潜在威胁很大煤矿工程技术人员对地下涌水中可能含有大量瓦斯缺少基本认识,也就谈不上对水溶瓦斯的预防与控制。在石门巷道掘进穿过泥岩盖层进入含水溶瓦斯的岩层时,就会有大量的瓦斯由于