煤层气瓦斯地质基础知识

煤层气地质学唐修义2目录一、前言.........................................................................................................................................................2二、有关煤的若干基础知识.........................................................................................................................4三、煤型（成）气的生成...........................................................................................................................11四、煤层气（瓦斯）的成分和“瓦斯风化带”............................................................................................14五、煤层气（瓦斯）在煤层内的赋存与运移...........................................................................................15六、煤层甲烷（瓦斯）含量与分布...........................................................................................................30七、煤矿瓦斯涌出与突出...........................................................................................................................33八、煤矿瓦斯爆炸.......................................................................................................................................36九、瓦斯抽采（放）...................................................................................................................................37一、前言（一）、煤层气和瓦斯的概念近来，人们采用术语“煤层气”一词，意指赋存在煤层里的天然气。此术语翻译自英语“coalbedgas”。如果讨论“煤层气”的成分，则包含甲烷、重烃、二氧化碳、氮等多种气体成分。如果计算“煤层气”的含量或资源量（储量），又仅指甲烷一种气体的量。在英文文献里更多应用术语“煤层甲烷coalbedmethane”，意指赋存在煤层里的天然气中的甲烷。这个术语的含义比较明确，我国文献也用术语“煤层甲烷”，但多数文献应用术语“煤层气”。“瓦斯”是我国采煤界习惯用的术语。“瓦斯”来自日语“ガス（瓦斯）”，这里的“瓦斯”是“ガス”的汉字写法。“瓦”的发音在日文里是“ga”，不是“wa”，“gas”一词在世界主要文字里都相互用音译，日文的“ガス（瓦斯）”也是音译自“gas”，唯有汉语误用日语的汉字写法“瓦斯”，又用汉语的读音“瓦wa斯si”。有些文献中出现术语“瓦斯气”，此术语的提出显然不妥。“瓦斯”尚没有一个严密的确切定义。广义上讲，瓦斯是煤矿井下除大气以外的气体的总称,包含：赋存在煤层及岩层里并涌入到矿井的天然气、矿井生产过程中生成的炮烟和其它废气、井下各种化学及生物化学反应生成的气体、深源放射性物质蜕变生成的气体、自地下水释放出的气体等多种来源的气体。其中主要是天然气。在有些文献里，瓦斯指矿井下有害气体，包括：甲烷（CH4）、重烃（即乙烷C2H6、丙烷C3H8、丁烷C4H5）、氢（H2）、二氧化碳（CO2）、一氧化碳（CO）、二氧化氮（NO2）、二氧化硫（SO2）、硫化氢（H2S）等。“瓦斯”一词的常用含义有以下两种：1,煤矿井下工程里的甲烷（CH4），又称沼气，有时还指二氧化碳（CO2）；在确定“瓦斯风化带”时又指甲烷、二氧化碳和氮(N2)三种气体。通常所称的“瓦斯涌出量”往往仅指甲烷一种气体的涌出量，不包含二氧化碳和氮的量。矿井下的甲烷来自煤层和岩层里的天然气。2，赋存在煤层和岩层里，尚未涌入矿井的天然气。在分析其成分时，通常只分析甲烷（CH4）、二氧化碳（CO2）、氮(N2)等三种气体成分，有时还分析重烃；特殊需要时才分析其他气体成分。通常3所称的“煤层瓦斯含量”又仅仅指甲烷一种气体的含量，所称的“瓦斯资源量（储量）”也仅仅指甲烷一种气体的资源量（储量）。如果计算二氧化碳含量，则需说明。总之，在我国“瓦斯”一词已早被广泛使用，现在又加上“煤层气”一词。“瓦斯”和“煤层气”这两个术语都没有确定的含义，有时仅指天然气中的甲烷，有时又指由甲烷、重烃、二氧化碳、氮等多种成分组成的天然气。在陈述这类天然气的地质问题时，两个术语是同义词；但是，在陈述煤矿巷道里的“瓦斯”时，二者又不能完全看成同义词。因为煤矿巷道里的“瓦斯”虽然主要来自煤层气，但也可能来自其他岩层；巷道里的“瓦斯”运移不仅受控于煤层气地质因素，还在很大程度上受控于采掘方面的因素。（二）、“煤型（成）气”的概念在含煤岩系（简称煤系）形成与演化过程中，煤系地层（包括煤层和岩层）里的有机质产出以甲烷为主的天然气，被称为“煤型气coal-typegas”，或称“煤成气coalgeneratedgas”。在漫长的地质历史中，产出的气体运移出“生气层”。如果气体进入适宜的“储气层”，又有适宜的“盖层”和“圈闭”，这就形成常规“天然气气藏”。世界上很多常规天然气气藏的气源被论证为“煤成（型）气”。煤型气属腐殖型气，其成分以甲烷为主。由于煤层中含有数量不等的腐泥质，在煤型气中还可能检测到腐泥型天然气的成分。煤层气就是储存在煤层内的煤型气。煤系内其他岩层也可能赋存有煤型气，但极少成为有经济价值的储气层。例如：我国开滦煤田王家河气藏的储气层就是煤系中的砂岩层。煤层是良好的“生气层”，还具有储气性能。现今的“煤层气”不一定就是原地生成的。气体在煤层内一直处于运移的动态平衡状态。应用动态的观点看待煤层气十分重要。煤层气常被称为“自生自储”的天然气。应该从广义上理解此观点，煤层既是生气层又是储气层。不能认定煤层的某一点的气就是生于该点。由一个含煤岩系生成的“煤成（型）气”中，现今储集在煤层内的“煤层气”是其很少部分，能够聚集成常规天然气藏的更是少部分，大部分气体逸散。（三）、“瓦斯抽采（放）”和“煤层气地面开发”自上世纪50年代我国煤矿开始从待采煤层里先抽放瓦斯，现在国家要求所有高瓦斯矿井都必需“先抽后采”，保证安全采煤；还要求利用抽出的瓦斯，减少向大气排放瓦斯。为此将“瓦斯抽放”改称“瓦斯抽采”。近来我国瓦斯抽采量大幅度增加。自上世纪70年代美国开始“煤层气地面开发”试验，取得商业化开发成功。我国研究与试验“煤层气地面开发”始于上世纪80年代。目前进展最好的试验区在山西省沁水盆地东南的晋城矿区。“瓦斯抽采”与“煤层气地面开发”两类采气方法的根本区别是：瓦斯抽采——在煤矿已开拓的地区，从煤矿井下，也可以从地面抽采已受过采掘影响的煤层中的瓦斯；其首要任务是保障煤矿生产安全，同时利用被抽采出来的瓦斯。抽采规模取决于采煤的需要。抽采瓦斯的成本主要或全部被计入采煤成本。煤层气地面开发——在未建煤矿或煤矿未开拓的地区，引用开采常规天然气的技术从地面开采尚处于自然状态下的煤层气；其任务是煤层气资源开发利用，当然也将有利于将来在该地区安全采煤。煤层气地面开发必需达到商业性开发的规模。煤层是否遭受采掘影响，其物性大不一样。在煤矿已开拓的地区，地应力已不是原来处于自然4状态下的地应力，地层松动，煤层裂隙渗透性增加，还可能产生采动裂隙。与自然状态下的煤层相比，从受过采掘影响的煤层中抽采瓦斯应该较为容易，但是煤矿抽采瓦斯还是很困难。煤层气地面开发的难度更大，更需要适宜的地质条件。这两种方法开采与利用甲烷都将减少向大气排放甲烷，具有重要的环境意义。有文献报道，甲烷的温室效应是CO2的20余倍。据估算，大气中甲烷浓度每增加1ppm，可导致地球表面温度增加1℃。（四）、“煤层气地质学”和“瓦斯地质学”聚集成常规天然气藏的“煤成（型）气”属天然气地质学的内容。近些年来，我国学者提出“煤层气地质学”，指专门研究煤层气的学科，并出版了多种版本的专著，最近还将出版教材。在外文文献里只见有关文章，尚未见“煤层气地质学”专著。“瓦斯地质”是中国学者于上世纪80年代提出的，被认为是跨煤层气地质学与采煤学两学科的一门新学科，也出版了专著和教材。地质人员主要调查研究自然状态下在煤层和岩层里赋存的瓦斯（天然气）；而采煤人员关注的是进入井下工程里的瓦斯。瓦斯涌入井下工程里的数量和方式除受地质因素影响外，还要受采掘条件的影响。本课程主要讲解煤层气（瓦斯）地质有关基础知识，很少涉及与采掘有关的内容。（五）、煤矿瓦斯防治是“老、大、难”问题。人们对煤矿瓦斯的认识很肤浅，有些认识尚属“推测”或“假说”。二、有关煤的若干基础知识（一）、煤的成分和种类煤是自然界成分最复杂的一类岩石，属沉积岩中的生物化学岩类。1、煤是三相物质的复合物，又是有机质和无机质的复合物固相——有机显微组分（macerals）和矿物（minerals）；液相——水和极微量的液态烃（石油）；气相——瓦斯（甲烷、二氧化碳、氮）。其中有机显微组分、液态烃和甲烷属有机质；矿物、水、二氧化碳、氮属无机质。所以煤是有机质和无机质的复合物。当然有机质是煤中主要成分。有机显微组分（macerals）是用显微镜可识别的基本单元。有机显微组分被划分为三组：镜质组（vitrinitegroup）、惰质组（inertinitagoup）、壳质组（exinitegroup）。其中镜质组是主要组分，通常占70％以上。由这三组显微组分组成四种有机宏观组分（lithotypes）：镜煤（vitrain）——几乎全由镜质组组分组成；5亮煤（clarain）——大部分由镜质组组分组成；暗煤（durain）——少部分由镜质组组分组成；丝炭（fusain）——由惰质组组分中的丝质体组成；从煤里已发现的矿物种类虽然很多（经文献报道的矿物超过150种），常见的矿物种类并不多，如：粘土类矿物、黄铁矿、石英、方解石,菱铁矿等。矿物常成为碎屑或碎屑集合体形态分散在有机显微组分之间，多数矿物的颗粒微小，呈球粒、结核、透镜体、条带等等形态；还有一些亚微米-纳米级的矿物微粒镶嵌在有机显微组分内部。通常用煤燃烧后的固体残渣灰分产率（质量分数，％）近似代表煤中无机质的质量分数；可燃物质的质量分数则近似代表有机质的质量分数。按煤炭勘探规范的规定，煤的灰分产率低于40％，方可参与煤炭资源量（储量）计算。2、煤的元素组成——从煤中共检测出86种元素。按元素的含量，分为常量元素（含量＞1‰）和微量元素（含量＜1‰）两大类：常量元素12种：碳、氢、氧、氮、硫、钙、镁、铝、铁、钠、钾、硅。其中碳、氢、氧、氮和少部分硫是组成有机质的主要元素；其余是组成无机质的主要元素微量元素74种：可利用回收的元素：如锗、镓放射性元素：如铀、钍、氡有毒元素如砷、铅、汞、锑、硒、氟、磷……。多数微量元素是矿物的次要成分，少量微量元素可能被有机质束缚。在地壳岩石中发现的元素，从煤里都能检测到。煤的元素组成氢HHe氦He锂Li铍Be硼B碳C氮N氧O氟F氖Ne钠N