职工防突培训教材

1职工防突培训教材第一章瓦斯地质瓦斯地质就是把瓦斯作为一个地质，从地质角度研究煤层瓦斯赋存、涌出和煤与瓦斯突出的自然规律，为煤矿生产建设能源开发服务的一门新兴的边缘科学。本章着重介绍瓦斯地质研究的内容及意义、影响瓦斯赋存的地质条件、控制煤与瓦斯突出的地质因素以及瓦斯地质图的作用和地质预测预报。第一节瓦斯地质研究的内容和意义一、地质研究的对象与内容瓦斯地质工作的主要内容是：（1）考察和分析瓦斯赋存的地质条件，掌握瓦斯赋存的分布规律。如考察分析瓦斯富集的地质条件，煤层赋存状态与瓦斯赋存分布的关系，煤层地质构造与瓦斯赋存、分布的关系等。（2）现场取样观察、统计和分析有关瓦斯参数资料并掌握其规律性。如取样观察、分析煤层瓦斯含量、矿井瓦斯涌出量、煤层瓦斯压力、通气性系数、煤体孔隙率、坚固性系数、瓦斯放散初速度等有关瓦斯参数、掌握与突出的关系。（3）考察和分析煤与瓦斯突出发生的关系。（4）进行瓦斯危险性预测，包括煤层瓦斯含量预测，瓦斯涌出量预测和煤与瓦斯突出危险性预测。（5）编制有关瓦斯地质图，如矿井（采区）瓦斯地质图、瓦斯地质综合柱状图、瓦斯地质剖面图、突出地点剖面图、突出地点分布图等。为矿井安全生产提供可靠的依据。二、瓦斯地质研究对防治煤与瓦斯突出的意义（1）开展瓦斯地质和瓦斯突出危险性的预测预报，对采掘工作面前方进行瓦斯地质分析和突出危险性预测，不仅可以减少防突措施的工程量，提高矿井经济效益，而且可为确保煤矿安全生产作出贡献。（2）查明瓦斯赋存和瓦斯突出的地质条件，为合理制定防治煤与瓦斯突出“四位一体”的综合措施提供可靠的依据。可以认为：瓦斯地质工作者是防治煤与瓦斯突出的前线侦查员。（3）查明瓦斯资源储量及分布特征，为合理布置瓦斯抽放工程、减少瓦斯灾害、利用瓦斯资源提供可靠的依据。第二节瓦斯地质基础一、煤层瓦斯的运移煤层内游离瓦斯沿不同方向运动和转移叫瓦斯运移。瓦斯的存在状态有游离状态和吸附状态两种。游离瓦斯可以自由运动；在一定条件下，吸附瓦斯可以转化成游离瓦斯。因此，瓦斯运移是一种经常而普遍的现象。瓦斯运移可分为以下3种方式：（1）瓦斯在地壳深处从形成和聚积地点向地表方向的运移称为渗滤。（2）深处瓦斯沿煤层（或岩层）向地表露头方向的运移，称为层移。（3）瓦斯分子向四周自然散布的现象，称为扩散。渗滤、层移、扩散是彼此紧密的交织在一起的，经常形成混合型瓦斯流，统称运移。产生运移的基本原因是瓦斯分子浓度的差异和瓦斯压力的差异。瓦斯流总是由高浓度地段向低浓度地段运移，以达到扩散平衡；又总是由高压地段向低压地段运移，以达到动平衡。另外，地下水的运动也可促进瓦斯的运移。瓦斯主要是沿煤层或岩层的空隙和裂隙运移，这是瓦斯运移的基本方式（途径）；其次是沿煤层或岩层的微空隙缓慢渗滤；也有一部分瓦斯溶解在水中，沿构造裂隙或含水层和地下水一起流动。因此，瓦斯的运移、排放和保存受地质条件制约。瓦斯在漫长的慢速运动中与所穿过的各种不同的煤（岩）层（也与地下水）发生一定作用，从而不同程度地改变着瓦斯成分。另一方面，随着埋藏深度的加深，煤（岩）层的气体渗滤性将要变差，从而有利于瓦斯的保存。这就是说，在不同的深度瓦斯成分应该有所不同。总之，煤层中原始瓦斯的大部分已经逸出，目前在煤层中保留下来的瓦斯只是当初的一小部分，而且煤层中瓦斯含量分布的不均衡等，都是由于瓦斯在长期的地质历史过程中运移的结果。二、瓦斯分带根据许多矿井和钻孔不同深度瓦斯成分的分析，证明煤层中各种瓦斯成分由浅到深有规律地逐淅变化，这种现象就是煤层瓦斯分带现象。一般从浅部分可划分成4个带，自上而下分别为：（1）氮气一二氧化碳带。（2）氮气带。（3）氮气一甲烷带。（4）甲烷带。各瓦斯带的划分标准见表3—1。表3—1按瓦斯成分划分瓦斯带的标准这种自上而下垂直分带现象是瓦斯长期慢速运移和地表风化作用的结果。前三带合称瓦斯风化带，瓦斯风化带以下全为甲烷带。需要说明的是，不同煤田和矿区各带的具体深度及瓦斯成分各不相同，有的只有三带，甚至有的只有一带。例如，在2煤层埋藏浅、风化作用和脱气作用非常发育的地区，可能缺失甲烷带，甚至缺失3带或2带。岩浆浸入和地下水活动都可使分带复杂化，以致划不清。据有关资料，在无烟煤分布地区，这种分带现象表现更为明显。总之，瓦斯分带受多种地质因素的影响比较复杂，因此一般情况下，只需分出瓦斯风化带和甲烷带就可以了。瓦斯风化带的下界是甲烷带的上界，这个界限的确定具有实际意义。因为煤层甲烷富集程度、气体压力、矿井瓦斯涌出量，瓦斯梯度等指标及其变化，均从瓦斯风化带下界起算。因此，研究一个煤田或矿区的瓦斯分布规律，必须首先确定瓦斯风化带的深度。瓦斯风化带下部界限的确定，主要是依据瓦斯成分，但如果一些矿井缺乏瓦斯成分资料，还可借助于其他一些指示。确定瓦斯风化带下部界限的指标有：（1）煤层中瓦斯含甲烷的成分大于80%。（2）煤层瓦斯压力为0.1～0.15Mpa。（3）煤层瓦斯含量大于2m3/t。（4）矿井相对瓦斯涌出量大于2m3/t。第三节影响瓦斯赋存的地质条件在煤化过程中产生的瓦斯，只有其中的一部分被保存下来。不同煤田、不同矿区、不同井田、不同采区甚至同一采区的两翼、同一煤层的不同部位的地质条件不同，保存的瓦斯数量也不同。瓦斯的形成和保存、运移与富集同地质条件有密切关系，并且受到地质条件的制约。影响瓦斯赋存的地质条件主要有煤的变质程度、煤系特征和煤层特征、煤层围岩的透气性、地质构造、地下水活动和岩浆活动等。一、煤的变质程度的影响成煤的第二阶段为由泥岩变为煤的煤化作用，包括成岩作用和煤的变质作用。这一阶段在以温度和压力为主的物理化学作用下，泥炭褐煤、烟煤转变为无烟煤。随着煤的变质程度由低到高，产生的瓦斯量逐淅增多，煤的气体渗透率下降，煤对瓦斯的吸附能力呈现有规律的变化。因此，瓦斯含量是从褐煤到长焰煤呈降低的趋势；而长焰煤到超无烟煤显著下降，瓦斯含量很少，到石墨时为零。二、煤系特征的影响煤系及其基底和盖层特征的不同，瓦斯赋存和排放的条件不同。煤系形成时的古地理环境是瓦斯赋存的地质历史条件，不同煤系的现代分布反映了瓦斯赋存的区域特点。具体影响是：（1）煤系地层厚度、煤系的含煤性等关系到瓦斯的原始赋存特征。一般情况下煤系地层越厚，含煤性越好，瓦期含量越高，因此，聚煤中心可能是瓦斯含量较高的部位。（2）在同一地区，一般煤系时代老的（如古生代煤系）较煤系时代新的（如中、新生代煤系）瓦斯含量高。（3）煤系盖层和煤系基底情况。影响到煤系去气作用的性质，也就是说决定着已生成的瓦斯是保存还是逸散的问题。一般盖层厚度大、坚硬致密、透气性差者（如泥岩、页岩），对瓦斯起保存作用；而厚度小、疏松、裂隙发育、透气性好的盖层和基度，则易使瓦斯逸散。这里起决定作用因素的是它们的透气性能。（4）煤系的暴露程度和风化剥蚀程度与瓦斯含量有关。在其他条件相似情况下，盖层、煤系和基底在地表大面积暴露者，或煤系地层受大面积冲蚀作用者，瓦斯含量小，因为大量瓦斯已沿地表通道逸散。（5）凡煤系地层中，地下水补给来源充分、各含水层之间水力联系较好、富水性较强、活动性较大者，一般含量小。三、煤层特征的影响（1）煤层厚度越大，瓦斯含量越高，厚煤带一般也是瓦斯富集带，煤层往往也是瓦斯层。（2）一般厚度变化大、结构复杂的煤层瓦斯含量高。（3）煤层分岔处容易集中瓦斯，易引起突出。因为当煤层围岩是屏障层时，在分岔处构造应力必然会改变方向，而导致应力集中，形成较大的瓦斯内能。（4）当煤层受到构造应力时，可使煤的原生结构构造受到破坏，形成构造煤，破坏程度由弱到强，瓦斯含量逐淅增高。（5）煤层埋藏深度。瓦斯有分带现象，在瓦斯风化带以下，所有煤层的瓦斯含量、涌出量及瓦斯压力都随深度有规律的增加。（6）煤层透气性对保存煤层瓦斯亦有较密切的关系。煤层瓦斯在煤层围岩完全封闭型条件下，煤层瓦斯保存程度取决于煤层本身的透气性。透气性低的煤层，由于瓦斯在煤层中运移、放散很困难，所以有利于瓦斯保存，因而瓦斯含量大、压力高；反之则不利于瓦斯保存，因而瓦斯含量小、压力低。而煤的透气性与煤的变质程度及煤的结构、微空隙发育程度等因素有关。四、煤层围岩透气性的影响围岩指煤层顶底板岩石，它对保存瓦斯具有决定作用。当围岩透气性很差，煤层中的原始瓦斯含量很难通过围岩向外运移、逸散，对煤层瓦斯可起保存作用；反之，如煤层围岩透气性好，有利于煤层瓦斯通过围岩向外运称、逸散，煤层中的原始瓦斯含量就难以得到很好的保存。而透气性又与顶底板岩石的组成、结构、胶结、裂隙情况等有关。五、地质构造的影响对于煤层顶底板岩石透气性小的煤田或矿井，煤层中的瓦斯含量很大程度上取决于地质构造。在地质构造作用下，煤最容易产生运动和变化，从而影响到煤中瓦斯的保存和排放，往往一个地区的构造分区也是这一地区的瓦斯分区。地质构造对瓦斯的最终分布常常起着主导作用。31、断层的影响地质构造中的断层破坏了煤层的连续完整性，使煤层瓦斯排放条件发生了变化。有的断层有利于瓦斯排放，也有的断层对瓦斯排放起阻挡作用，成为逸散的屏障。前者称开放性断层，后者为封闭性断层。此外，断层的空间方位对瓦斯的保存、逸散也有影响。一般走向断层阻隔了瓦斯沿煤层倾斜方向的逸散，而倾向和斜交断层则把煤层切割成互不联系的块体。不同类型的断层，形成了不同块段的构造边界条件，对瓦斯的保存、排放有不同的影响。2、褶曲的影响巷道中所见的小型褶曲，一般对瓦斯含量影响不大，有影响的主要是大中型褶曲。矿井范围之内的中型褶曲，其瓦斯含量有两种情况：封闭条件好时，背斜较向斜瓦斯含量高；在封闭条件差透气性较好的情况下，向斜部位瓦斯含量较高。矿井或矿区规模的大型向斜埋藏深度大，瓦斯含量高；而背斜相对埋藏浅，瓦斯含量低。3、煤层倾角的影响在其他条件相似，煤层围岩较好的情况下，倾角平缓的煤层较倾角陡的煤层瓦斯含量大。因为前者瓦斯运移路线长，阻力大，去气难，后者则相反。六、地下水活动的影响地下水与瓦斯共存于煤系及围岩之中，它们的共性是均为流体，运移和赋存都与煤、岩层的空隙、裂隙、通道有关。由于地下水的运移，一方面驱动着裂隙和空隙中瓦斯的运移，另一方面又带动了溶解于水中的瓦斯一起流动。因此，地下水的活动有利于瓦斯逸散。同时，水吸附在煤、岩裂隙和孔隙的表面，也减弱了煤对瓦斯的吸附能力。地下水和瓦斯占有的空间是互补的，这种相逆的关系，表现为水大地带瓦斯小，水小地带瓦斯大。因此，水气运移和分布特征，可以作为认识矿床水文地质条件和瓦斯地质条件的共同规律而应用。七、岩浆活动的影响岩浆侵入煤系煤层使煤、岩层产生胀裂及压缩，岩浆的高温烘烤可使煤的变质程度升高。另外，岩浆岩体有时使煤层局部被覆盖或封闭。但也有因岩脉蚀变带裂隙增加，造成风化作用加强，透淅形成裂隙通道。所以说，岩浆浸入煤层对瓦斯赋存既有形成、保存瓦斯的作用，在某些条件下又有使瓦斯逸散的可能。因此，在研究岩浆岩对煤层瓦斯的影晌时，要结合地质条件作具体分析。还值得注意的是，火山作用所形成的大量二氧化碳，在一些矿井中可造成二氧化碳突出的威胁。第四节控制煤与瓦斯突出的地质因素控制煤与瓦斯突出的地质因素主要有：突出煤系和突出煤层的基本特征；煤层瓦斯含量和瓦斯压力；地应力；煤体结构；地质构造类型。一、突出煤系和突出煤层的基本特征1.突出煤系的基本特征（1）突出煤系细碎屑岩和泥岩所占的比例较大，煤层顶、底板多为泥岩、细粉砂岩等岩层，其透气性较差。非突出煤系中常有较厚的中粗粒砂岩层，有时存在构造内冲刷，煤层顶、底板透气性较好。（2）突出煤系聚古地理环境多属滨海平原型，煤系类型多为海陆交替相含煤岩系，其岩性、岩相和煤层层位在横向上比较稳定，煤层常被石灰岩等致密岩层所覆盖。（3）突出煤系一般比非突出煤系厚度大，含煤性好，含煤层数多，煤层厚度大，含煤系数高。（4）突出煤系往往水文地质条件简单，矿井涌水量小，矿井所揭露的巷道煤（岩）壁一般比较干燥。非突出煤系往往地下水活跃，或在主采煤层附近有裂隙溶洞发育的强含水层存在。2.突出煤层的基本特征（1）煤层厚度大。在煤层厚度较稳定的多煤层突出矿井，各煤层突出的危险程度决定于煤层厚度，一般煤层厚度越大，突出的危险程度越大。同