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1、第四章 煤矿安全地质 影响煤矿安全生产的主要因素有人的思想和技术素质、安全设施和安全管理，以及地质和水文地质条件等。因此，要彻底改善煤矿的安全状况，必须采取综合治理的办法。1986年以来，为推动矿井地质为煤矿安全生产服务，在我国矿井地质界提出了煤矿安全地质这一核念。煤矿安全地质或称煤矿灾害地质，它是研究与煤矿安全有关的各种地质条件，着重从地质角度研究灾害产生的原因和规律，影响因素和判别指标，预测理论和方法等。其目的是为安全部门制定防治灾害措施，开展灾害预测预报，进而变害为利提供地质依据。众所周知，涉及煤矿安全的地质条件很多，如煤矿水、火、瓦斯和顶板灾害都不同程度地与地质条件有关。本章仅就瓦斯地
2、质、煤的自燃、煤尘爆炸等内容分别予以介绍，重点是瓦斯地质。第一节 瓦斯地质 瓦斯地质是从地质角度研究煤层瓦斯和煤与瓦斯突出规律，为煤矿安全和能源开发服务的一门新兴边缘学科。它主要研究瓦斯的形成、瓦斯的赋存和煤与瓦斯突出的地质条件、以及瓦斯危险性预测等方面的内容。 据1981年统计，我国主要煤矿多局沼气矿井，其中高沼气矿井占29.5，煤与瓦斯突出矿井占17，低沼气矿井占53.5%。随着矿井的不断延深，高沼气和煤与瓦斯突出矿井的比例还会逐步提高，许多矿井实际上已变成“煤瓦斯”矿井。因此开展瓦斯地质研究，对于保证煤矿安全和有针对性地选用防突措施，以及提高煤炭工业经济效益、充分利用瓦斯资源都具有重要意
3、义。 一、瓦斯概述 (一)瓦斯的成分与性质 瓦斯是指在煤矿生产过程中，从煤层和围岩中泄出的一种多成分的混合气体。瓦斯中甲烷占绝大多数，其次为氮气和二氧化碳，其它成分的含量很少。据苏联顿巴斯矿区的统计资料，按体积百分含量(即浓度)计算，瓦斯中甲烷占7096，氮气0.53，二氧化碳占0.32，以及少量的重烃和微量的惰性气体。由于甲烷是矿井瓦斯的主要成分，因此一般矿井所说的瓦斯仅指甲烷而言。 甲烷俗称沼气CH4，为无色、无嗅、无味、无毒，可以燃烧和爆炸的气体。在标准状态下，1m3的甲烷重0.716kg。对空气的比重为0.554，比空气轻，聚积在巷道上部。化学性稳定，微溶于水，易于扩散，渗透岩体的能力
4、为空气的1.6倍。当空气中混有5l6的沼气时，遇高温能引起爆炸。可能产生爆炸的沼气的最低浓度称为爆炸下限；最高浓度称为爆炸上限。煤矿安全规程规定：在矿井总回风流中，沼气浓度应小于0.75，在采掘工作面回风流中，沼气浓度应小于1。瓦斯是一种能源，1m3的瓦斯大约有3724.79kJ(889.65kcal)的发热量。二氧化碳CO2为无色、无嗅、略带酸味、有一定毒性的气体。对空气的比重为1.52，比空气重，停积在巷道下部。大量二氧化碳可使人窒息。煤矿安全规程规定：在矿井总回风流中二氧化碳浓度应小于0.75%；在采掘工作面回风流中应小于1。 (三)瓦斯的赋存状态煤内瓦斯赋存状态主要有游离和吸附两种。以
5、气体分子自由运动于煤层孔隙和裂隙中的瓦斯，称为游离状态(自由状态)瓦斯；受分子引力，呈薄膜吸附于煤层孔隙或裂隙表面的瓦斯，称为吸附状态瓦斯。由于煤内直径仅有0.52nm的微孔隙相当发育，1g无烟煤的表面积可达200m2。因此，煤内瓦斯以吸附状态为主，游离状态为辅。实测表明，在开采深度l0001200m以内，煤层中沼气的吸附量占7095，而游离沼气量只占530。上述两种状态的瓦斯，在一定的压力和温度条件下，处于动平衡状态。当压力增高、温度降低时，部分游离状态瓦斯可转变为吸附状态，这一过程称为吸附过程。为放热效应；反之，当压力降低、温度增高时，部分吸附状态瓦斯又可转化为游离状态，这一过程称为解吸过
6、程，为吸热效应。瓦斯的两种赋存状态如图4-1所示。图4-1 瓦斯在煤体中的赋存状态1煤体；2裂隙；3游离瓦斯；4吸附瓦斯 (三)瓦斯的成因瓦斯属天然气范畴。自然界天然气的类型很多，但基本上可划分为煤型气和油型气两类。生腐植型有机物的主要演化产物为煤和煤型气；腐泥型有机物的主要演化产物为石油和油型气。煤型气是腐植型有机物在成煤过程中，主要是煤化作用阶段，形成并保存在煤层和岩层中的全部气体。它是煤矿瓦斯的主要来源。成煤有机物质的产气性能与煤的演化阶段和煤岩组分有着密切的关系。随着煤的演化阶段不同，煤的产气性能也有差异。泥炭化阶段已能生成甲烷，但因接近地皮，缺乏必要的保存条件，绝大部分已自然逸散。低
7、变质阶段大量生成二氧化碳，甲烷生成较少。中变质阶段大量生成甲烷，甲烷生成量已超过三氧化碳，并生成少量液态烃和重烃气。高变质阶段甲烷生成量仍占主要地位，重烃气趋于绝迹。向超级无烟煤发展，产气能力愈益降低，直至完全停止(图4-2)。总之，随着煤的变质程度增高，吨煤总产气量也增大(表4-1)。图4-2 型干酪根热解生烃模式图1甲烷；2重烃；3液态烃；4非烃（据中国煤成气研究）表4-1 煤的变质阶段与产气量的关系煤种褐煤长烟煤气煤肥煤焦煤瘦煤贫煤无烟煤产气量m2/t38-6868-138182-212199-230240-270257-287295-330346-422注：此表据煤田地质简要情报，19
8、82 试验表明，不同煤岩组分的产气性能也不同，丝质组产气量最低，从半无烟煤开始才生成烃气，而且仅生成甲烷，无液态烃产出。镜质组产气量为丝质组的34倍，一般从气煤开始才能生烃，中变质阶段尚可生成少量液态烃。壳质组产气量最多，为丝质组的l0倍，在成煤的所有阶段都生成烃气，且有较多的重烃气和一定数量的液态烃。 我国大多数矿区的瓦斯属煤型气，少数矿区如广西百色煤田东部那读一带属油型气，陕西焦坪、四川中梁山等矿区，由于煤系或下伏地层中含有腐泥质沉积，因此，煤矿瓦斯中除煤型气之外，还有油型气，属于混合型瓦斯。此外，还有个别矿区，如吉林营城、甘肃窑街的局部区域，煤和围岩中含有大量二氧化碳气，推测与火山喷发或
9、岩浆侵入活动有关。研究表明，吉林营城五井的二氧化碳和岩石突出，它的气源来自煤系沉积后的火山喷发，火山气体中的大量二氧化碳沿断裂带灌入煤系的冲积相砂岩内或被胶岭石化的流纹岩和煤层所吸附。甘肃窖街煤与二氧化碳突出也曾有人提出与超基性岩浆侵入和碳酸盐岩石热分解有关的看法。 综上所述，瓦斯可分为有机成因与无机成因；有机成因又分为煤型气和油型气。它们之间主要是根据同位素和某些微量元素(汞蒸气、氦、氩等)的含量加以区分。瓦斯形成后，在漫长的地质演变历史中，还可能发生运移。因此在研究瓦斯时，应注意研究气源岩和储集层，区分自储型和它储型瓦斯。自储型瓦斯是指煤和煤成气同源同储于同一煤系；它储型瓦斯是指煤和煤成气
10、同源而异居。 二、煤层瓦斯含量及其影响因素 煤层瓦斯含量是指单位体积或重量的煤体内，所含瓦斯的体积，单位为m3/t或m3m3或cm3g。由于一定质量的瓦斯气体的体积取决于所处的温度和压力条件，因此在不同温度和压力条件下测得的瓦斯含量（即瓦斯体积)是不相同的。(一)瓦斯含量的测定方法测定瓦斯含量的方法有直接测定法和间接测定法两类。1直接测定法 1)密封式测定法 利用密封式煤芯采取器上下端的活门，将未脱气的煤样在钻孔底部密封，送化验室破碎、加温、真空抽尽煤样瓦斯，测定瓦斯成分、体积和煤样重量，即可算出煤的瓦斯含量。 2)集气式测定法 利用集气式煤芯采取器上部的集气室。收集钻进和提钻过程中从煤芯中泄
11、出的瓦斯，送化验室测定集气室中和残存于煤样中的瓦斯成分、体积和煤样重量，即可算出煤的瓦斯含量。3)气测井法 利用气测井仪测定钻孔冲洗液中溶解的瓦斯量，煤芯和钻屑中残存的瓦斯量，然后算出总瓦斯量，除以钻进切除的煤重，即得煤的瓦斯含量。 2间接测定法 间接测定法是通过现场实测瓦斯压力，实验室测定煤样的吸附常数和煤质参数，用公式其出瓦斯含量。目前，这类计算公式很多，可参考有关的瓦斯专著。 (二)影响瓦斯含量的因素 煤层瓦斯含量受多种因素的影响。这些因素分别从产气数量、吸附能力、储气条件等方面影响着现今煤层的瓦斯含量。 1煤的变质程度煤的变质程度，一方面决定着产气的数量，变质程度越高，产气数量越多，瓦
12、斯含量越大；另一方面决定着煤内微孔隙的发育程度，影响着煤对瓦斯的吸附能力。实验室吸附试验表明，从长烟煤到无烟煤，煤吸附的瓦斯量由2030m3t增加到5060m3/t(图43)。由于半无烟煤产气量大，吸附能力最强，因此瓦斯含量最高；褐煤虽然孔隙率大，吸附瓦斯的能力强，但产气量小，瓦斯含量不高；无烟煤、变无烟煤又因微孔隙显著收缩，吸附能力逐趋消失，瓦斯含量不高。图4-3 不同变质程度的煤对瓦斯的吸附能力 前已述及，生成1t无烟煤能产生超过400m3的瓦斯，但今天煤内能储存的瓦斯最多不超过50m3/t显然，煤内瓦斯含量不仅决定于产气条件，更重要的还取决于储气条件。 2围岩的透气性 煤层和围岩的透气性
13、，决定着瓦斯的储存条件和瓦斯在煤层内的流动特性。煤和围岩的透气性好，有利于瓦斯的运移和排放，煤层瓦斯含量较小，瓦斯分布较均一，反之，煤与围岩的透气性差，不利于瓦斯的运移和排放，有利于瓦斯的保存，煤层瓦斯含量较大，瓦斯分布不均匀。 例如，辽宁抚顺矿区，煤系时代为老第三纪，在上部含煤组中含有数十米至一百米以上的厚煤层。煤层顶板为50190m厚的致密油页岩，再上为300600m厚的钙质页岩、页岩和石灰岩互层；底板为碳酸盐化的玄武岩、鲕状菱铁矿和粘土岩，上下岩层透气性均差。尽管煤化程度不高，仅达气煤和长烟煤阶段，但因封闭条件较好，因此煤层瓦斯含量大，开采1t煤涌出的瓦斯高达21.4m3。 又如，北京京
14、西矿区，无论下侏罗统或石炭二叠系煤层，煤种均为无烟煤。但因煤层顶板为1216m厚的中粒砂岩，透气性好；同时，由于煤系遭受剥蚀，仅存于向斜核部，在长期的剥蚀作用期间，向斜内部瓦斯沿煤层和砂岩顶板逸散，因此煤层瓦斯含量小，瓦斯涌出量低，门头沟煤矿日产lt煤涌出瓦斯仅1.17-3.49m3，为抚顺矿区的l/7。煤和围岩的透气性与层理、裂隙、孔隙的发育程度有关。一般用透气性系数来表征瓦斯流动的难易程度。 （4-1）式中 透气性系数； 煤的渗透率； 瓦斯的绝对粘度； 大气的压力。 透气性系数可在实验室测定，也可在现场测定。它对研究瓦斯流动理论、估算预排瓦斯量和瓦斯涌出量以及防治煤与瓦斯突出都有普遍的意义
15、。 (三)地质构造 地质构造对瓦斯的聚积和排放具有双重作用。在煤层顶板岩性致密、透气性差的条件下，在未受断裂破坏和严重剥蚀的褶皱地区，由于构造的圈闭，致使瓦斯沿煤层向上运移较易，因此背斜项部较向斜槽部瓦斯相对聚积，瓦斯含量较大，瓦斯压力较高。例如，在四川华蓥山中段倾伏背斜轴部，施工勘探钻孔时，曾发生瓦斯顶钻现象；在四川天府背斜倾伏端和中梁山背斜袖部均发生过煤与瓦斯突出现象。与之相反，在遭受断裂破坏和严重剥蚀的褶皱地区，由于背斜顶部煤层埋藏较浅，通达地表的断裂发育，有利于煤层瓦斯的排放，因此背斜顶部较向斜槽部瓦斯含量较小，瓦斯压力较低。例如四川南桐矿区乌龟山背斜北部倾伏端，煤层瓦斯沿岩石裂缝逸散地表，路人将其点辨，数堆火焰时同时低，昼夜燃烧，周围岩石已烧成红色。因此，乌龟山背斜比相邻的王家坝向斜瓦斯含量较小，瓦斯压力较低。 在遭受断裂构造破坏的地区，当张性、张扭性的断裂，或先期虽为压性或压扭，但后期转化为张性或张扭性的断裂等通达地表时，起着排放瓦斯的作用，
