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1、影响煤层瓦斯赋存的 主要地质因素2011.3.1影响煤层瓦斯赋存的主要地质因素提 纲 相关术语和知识； 影响煤层瓦斯赋存的主要地质因素 ：沉积环境及煤田地质史；煤层露头；埋藏 深度；煤层及其围岩的透气性；煤层倾角； 煤的变质程度；地质构造；水文地质条件； 岩浆活动. 2相关术语和知识煤层瓦斯是与煤伴生，主要吸附在煤体或 游离于煤及围岩空隙中以甲烷为主的可燃气 态地质体，有时单独指甲烷。煤层是其主要 储集层，故亦称煤层气，是不可再生的洁净 能源。矿井瓦斯是指煤矿井采掘过程中从煤层、 围岩、采空区释放出的，以及生产过程中产 生的各种有害气体的总称，又称沼气，成分 以甲烷(CH4)为主，还有CO2、
2、N2、CO、H2S 、SO2、H2、重烃等。3相关术语和知识煤层瓦斯含量是指单位重量或体积煤 中所含的瓦斯量（m3/t 或m3/m3）。矿井瓦斯涌出量是指在矿井生产过程 中涌入采掘空间的瓦斯量。分别可用绝 对瓦斯涌出量（m3/min或m3/d）和相对 瓦斯涌出量（m3/t）表示。涌出量与煤层瓦斯含量正相关。4相关术语和知识矿井瓦斯类型 显然，煤矿井采掘中瓦斯的涌出是不可避免的。涌出量通常与煤层瓦斯含量、压力；地应 力及采掘应力；煤的物理力学性质等因素有关 。涌出方式有：一般涌出、异常涌出和突、喷 出。按矿井瓦斯涌出量和涌出方式可将矿井分为：瓦斯矿井；高瓦斯矿井；煤与瓦斯突出矿 井。瓦斯突、喷出
3、是煤层瓦斯的一种动力现象 。5相关术语和知识煤层气地面预抽的意义 （1）减灾增效。通过一定时期的地面煤层气预抽采可有效降低开采煤层的瓦斯压力和含 量，有效防止矿井瓦斯喷出、煤与瓦斯突出和 瓦斯局部积聚、瓦斯爆炸等瓦斯灾害；使矿井 瓦斯涌出量降至可风排的程度；（2）提供洁净能源，缓解大气污染。（3）提高矿井备采地段的地质探明程度。 6相关术语和知识 煤的孔隙性、孔隙率煤是一种多孔性、孔隙系统发达的可燃有机岩。煤是一种多孔性、孔隙系统发达的可燃有机岩。 煤的孔隙性决定着煤吸附瓦斯的能力、煤的渗透性煤的孔隙性决定着煤吸附瓦斯的能力、煤的渗透性 和强度等性质。煤中具有孔隙直径小至和强度等性质。煤中具有
4、孔隙直径小至5 5 大至数百大至数百 万万 的不同数量级的孔隙系统的不同数量级的孔隙系统 (1 =10(1 =10m m ) ) 。按煤的组成及其结构性质，煤中孔隙可分为：按煤的组成及其结构性质，煤中孔隙可分为：宏观孔隙 (大孔) 1000 渗透容积显微孔隙 (过渡孔) 100-1000 扩散容积分子孔隙 (微孔) 100 吸附容积 孔隙率是煤中孔隙体积与实体煤体积之比率。 煤孔隙率的大小与煤的变质程度有关。7相关术语和知识 吸附性 煤是一种很好的吸附剂。吸附作用是瓦斯分子在煤 表面上凝结与蒸发的可逆过程. 煤吸附瓦斯量的多少主要取决于煤的变质程度，同 时还取决于瓦斯压力、煤体温度、煤中内在水
5、分及 煤岩组分等。 煤中瓦斯的赋存形态 吸附态：以单分子薄膜形式凝聚在煤的微孔和超微 孔的表面上，CH4分子和C分子相互吸引的结果。 游离态：自由充填在煤的小孔、中孔、大孔或裂隙 中的瓦斯，存在于渗透容积之中。 还应有液态、固溶体或两相体等。8相关术语和知识800-1000m采深的中等变质煤中各种瓦斯形态及构成表9相关术语和知识煤内瓦斯的存在状态示意图1-游离瓦斯；2-吸附瓦斯； 3-吸收瓦斯；4-煤；5孔隙；通常，吸附瓦斯占 80%-90%，微孔、超微孔的内表面积高 达200m/g，吸附容积相当大。吸附与游离瓦斯依温压条件的变化处于 动平衡状态。10相关术语和知识瓦斯固溶态瓦斯固溶态 瓦斯水
6、化物瓦斯水化物(hydrate)(hydrate)是瓦斯和水所形成的类冰状固态是瓦斯和水所形成的类冰状固态 化合物。化合物。 水化物通常是当温度低于水化物形成温度时而生成。水化物通常是当温度低于水化物形成温度时而生成。 瓦斯水化物形成的主要条件是：瓦斯水化物形成的主要条件是： 瓦斯含量处于近饱和状态瓦斯含量处于近饱和状态 ； 足够高的压力和足够低的温度。足够高的压力和足够低的温度。 瓦斯水化物（可燃冰）密度很大，有些呈固态。地质瓦斯水化物（可燃冰）密度很大，有些呈固态。地质 学家和石油开采工程师早就知道这种学家和石油开采工程师早就知道这种 冰原黄金冰原黄金 的存在的存在 和价值，可是因为技术不
7、够成熟，还不敢开采。和价值，可是因为技术不够成熟，还不敢开采。 我国南海和东海均有发现，黄海水域也应有资源蕴藏我国南海和东海均有发现，黄海水域也应有资源蕴藏 。11相关术语和知识 2008年11月，国土资源部在青海省祁连山南缘永久冻土带(青海省天峻县木里镇，海拔 4062m)成功钻获天然气水合物(可燃冰)实物 样品。1m的可燃冰在常温常压下可释放 164m的天然气及0.8m的淡水。 12相关术语和知识瓦斯压力、温度 对瓦斯吸附的 影响： 等温吸附试验 （试验温度为 28，并采用 平衡水分煤样 和30、 40 ）结果：13相关术语和知识除煤岩类型、煤阶、煤中水分含量对 煤的吸附能力有重要影响外。
8、瓦斯成分 对吸附也有影响。对于指定的煤，在给 定温度与瓦斯压力条件下，煤体对于二 氧化碳(CO2) 、甲烷(CH4) 和氮气(N2) 的吸附能力不同，其吸附能力大小关系为 ：CO2 CH4 N2 。14相关术语和知识吸附时间吸附时间由罐装煤样解吸试验求得，定义为 实测气体体积累计达到63%所对应的时间。 显然，吸附时间短，则煤层气井有可能在短期 内达到产能高峰，有利于缩短开发周期，但不 利于煤层气井的长期稳产。煤层气的吸附时间变化较大。例如，美国圣 胡安盆地、中阿巴拉契亚等为1-5d，黑勇士盆 地为1-30d，北阿巴拉契亚为80-100d，长短相 差悬殊，最大值与最小值相差达100倍以上。15
9、相关术语和知识临界解吸压力临界解吸压力（Pcd）系指在等温曲线 上煤样实测含气量（Q）所对应的压力值 。煤层气临界解吸压力与煤层瓦斯含量及 吸附解吸特性呈函数关系，是估算煤层 瓦斯抽放率的重要参数。临界解吸压力与 储层压力之比（简称为临储压力比）往往 决定了地面煤层气开采中排水降压的难易 程度。16相关术语和知识瓦斯的解吸特性瓦斯解吸是煤中瓦斯由于储层压力降低，由吸附 瓦斯转变成游离瓦斯的过程。在降压过程中，吸附/解吸动态平衡的结果是造成瓦斯吸附量的减少。煤 储层解吸特性常用解吸率和解吸速率来衡量。我国现有煤层瓦斯含量资料多有4部分组成，即逸散量、现场两小时解吸量、真空加热脱气量和粉碎 脱气量
10、。逸散气量、解吸气量之和与总气量的体积 百分比称为可解吸率。 我国煤的吸附特性变化较大 ：煤层甲烷解吸率变化于9.1%-59.0%之间。解吸速率往往采用吸附时间来定量表示。17影响煤层瓦斯赋存的主要地质因素 沉积环境及煤田地质史沉积环境及煤田地质史沉积环境 沉积环境及其演化，影响着煤层围岩岩 性、厚度及其岩性组合特征。沉积相组合决定 了含煤岩系的岩性组合，而瓦斯的形成与保存 条件无一不是沉积环境的物质反映，所以沉积 环境对岩层的透气性，瓦斯的保存或逸散有着 重要的影响。18影响煤层瓦斯赋存的主要地质因素煤田地质史煤层瓦斯生成、瓦斯含量分布以及瓦斯向地表的运移，取决于煤田地质史。成煤后地 壳的上
11、升将使剥蚀作用加强，从而给煤层瓦 斯向地表运移提供了条件；当成煤后地表下 沉时，煤田为新的沉积物掩盖，从而减缓了 煤层瓦斯的逸散。19影响煤层瓦斯赋存的主要地质因素2.2.煤层露头煤层露头暴露式煤田，煤层瓦斯往往沿煤层露头排 放，瓦斯含量大为减少。隐伏式煤田，如果盖层厚度较大，透气性 又差，煤层瓦斯常积聚储存；反之，若盖层薄 ，透气性好，容易使煤层中的瓦斯缓慢逸散， 煤层瓦斯含量一般不大。在评价一个煤田的暴露情况时，不仅要注 意煤田当前的暴露程度，还要考虑到成煤后整 个地质时期内含煤地层的暴露情况及瓦斯风化 过程的延续时间。20影响煤层瓦斯赋存的主要地质因素埋藏深度埋藏深度在瓦斯风化带以下，煤
12、层瓦斯含量、压力和 瓦斯涌出量与埋深的增加往往具有正相关关系 。一般，煤层瓦斯压力随着埋藏深度的增加而 增大。而瓦斯压力的增大，煤中的吸附瓦斯渐 趋饱和，同时煤与围岩中游离瓦斯量所占的比 例增大。因此，在一定深度内，煤层瓦斯含量 亦随埋藏深度的增大而增加。但若埋藏深度继 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。21影响煤层瓦斯赋存的主要地质因素煤层甲烷含量与埋深的关系深度 (m)温度 ()压力（MPa)煤的孔 隙在压 力作用 下降低 系 数煤 的 孔 隙 体 积(m3/t)煤的甲烷含量（m3/t)岩石甲烷含量（m3/t) 煤孔隙 中游离 瓦斯量 占(%)比值
13、q1/q2地层静压 力 P1瓦 斯 压 力 P2p=p1-p2吸 附游 离总 计 q1孔隙中分散 有机 质中总 计 q2100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 120011 14 17 20 23 26 29 31 34 37 40 432.4 4.8 7.1 9.4 11.7 14.1 16.4 18.7 21.1 23.4 25.7 28.10.1 0.2 0.7 1.3 2.1 3.0 4.0 5.0 6.1 7.1 8.2 9.42.3 4.6 6.4 8.1 9.6 11.1 12.4 13.7 15.0 16.3 17.5 18.
14、70.91 0.84 0.82 0.80 0.78 0.77 0.76 0.75 0.74 0.73 0.72 0.710.118 0.109 0.107 0.104 0.101 0.100 0.099 0.098 0.096 0.095 0.094 0.092- 5.7 12.9 17.0 19.0 20.4 21.0 21.4 21.6 21.7 21.6 21.5- 0.2 0.7 1.3 2.0 2.8 3.7 4.7 5.7 6.5 7.4 8.3- 5.9 13.6 18.3 21.4 23.2 24.7 26.1 27.3 28.2 29.0 29.8- 0.1 0.4 0.9
15、1.4 2.0 2.6 3.4 4.1 4.8 5.5 6.3- 0.1 0.1 0.2 0.2 0.2 0.3 0.3 0.3 0.3 0.3 0.3- 0.2 0.5 1.1 1.6 2.2 2.9 3.6 4.4 5.1 5.8 6.0- 3 5 7 9 12 15 18 21 23 25 28- 30 27 17 13 11 9 7 6 6 5 5（据黎金，1962）2222影响煤层瓦斯赋存的主要地质因素埋藏深度埋藏深度的增加，不仅因地应力增高使煤 层及围岩的透气性变差，而且瓦斯向地表运 移的距离也增长；当深度不太大时，煤层瓦斯含量随埋深呈 线性增加；当深度很大时，煤层瓦斯含量趋 于常量。焦作煤田，在不受断层与地质构造影响的 地段，W0.038H+6.58；英国煤矿，深度每增加100m，煤层甲烷含 量增加0.5-1.1m/t。23影响煤层瓦斯赋存的主要地质因素 煤层及其围岩的透气性煤层及其围岩的透气性煤层围岩是指煤层直接顶、老顶和直接底板等在内 的一定厚度范围的岩层。煤层及其围岩隔气、透气性 能对煤层瓦斯赋存有重要影响。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
