煤层瓦斯赋存与流动理论

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1、第一章煤层瓦斯的来源瓦斯，这一煤炭生成过程中的伴生物，早在世纪就开始为人们所认识。我国明代宋应星在《天工开物》年）一书中曾介绍，煤层中存在着一种能使人窒息和可燃爆的气体，并提出了利用竹管引排的方法；世纪末，英国和其他西欧国家在采煤时，也遇到了“有害的”气体，但并未引起人们的重视。直到世纪初期英国有的矿井开始发生瓦斯爆炸、年美国煤矿发生瓦斯爆炸及后来断断续续又发生的许多次爆炸，导致了人员和设备财产的严重损失后，才逐渐引起人们的重视，并开始研究爆炸的原因及应采取的防范措施。但是，有关瓦斯生成及来源的问题，直到世纪年代才开始逐

2、步引起人们的重视，并对此进行研究。煤矿井下的瓦斯主要来自煤层和煤系地层，它是成煤的煤化作用过程中伴生的。煤的原始母质沉积以后，一般经历个成气时期：从植物遗体到泥炭的生物化学成气时期和在地层的高温高压作用下从褐煤直到无烟煤的煤化变质作用成气时期。瓦斯的生成是和煤的形成同时进行且贯穿于整个成煤过程中的。煤层瓦斯的生成多年的理论研究和实践表明，瓦斯的生成与煤的成因息息相关，其除了与成煤物质、成煤环境、煤岩组成、围岩性质、成煤阶段等有关系外，还和个不同成气时期有很大的关系。一般情况下，瓦斯的成气母质可分为高等植物在成煤过程中形成

3、的腐植质和低等植物在成煤过程中形成的腐泥质大类，它们在成煤和成气过程中的差异，构成了各自特有的地球化学标志和各自不同的特点（见表表腐植质和腐泥质对比表生物化学成煤时期瓦斯的生成这个时期是从成煤原始有机物堆积在沼泽相和三角洲相环境中开始的在温度不超过条件下，成煤原始物质经厌氧微生物分解成瓦斯。这个过程用纤维素的化学反应式概括为：或在这个阶段，成煤物质生成的泥炭层埋深浅，上覆盖层的胶结固化不好，生成的瓦斯通过渗透和扩散容易排放到古大气中去，因此，生化作用生成的瓦斯一般不会保留在现有煤层内。此后，随着泥炭层的下沉，上覆盖层越来

4、越厚，成煤物质中的温度和所受压力也随之增高，生物化学作用逐渐减弱直至结束，在较高的压力与温度作用下泥炭转化成褐煤，并逐渐进入煤化变质作用阶段。煤化变质作用时期瓦斯的生成褐煤层进一步沉降，便进入煤化变质作用造气阶段。在高温及其相应的地层压力作用下，煤体就会产生强烈的热力变质成气作用。在煤化变质作用的初期，煤中有机质基本结构单元主要是带有羟基（、甲基（羧基（一、醚基（一）等侧链和官能团的缩合稠环芳烃体系，煤中的碳素则主要集中在稠环中。由于一般情况下，稠环的键结合力强、稳定性好，侧链和官能团之间及其与稠环之间的结合力弱、稳定性

5、差，因此，随着地层下降，压力及温度的增大与升图煤化作用（含碳量成气反应示意图高，侧链和官能团即不断发生断裂与脱落，生成等挥发性气体，如图所示。煤化过程中有机质分解脱出甲基侧链和含氧官能团而生成和是煤化过程中形成瓦斯的基本反应。从图中可以看出，煤化过程中生成的瓦斯以甲烷为主要组分。在瓦斯产出的同时，芳核进一步缩合，碳元素进一步集中在碳网中。随着煤化变质作用的加深，基本结构单元缩聚芳核的数目不断增加，到无烟煤时，主要由缩聚芳核所组成。从褐煤到无烟煤，煤的变质程度越高，生成的瓦斯量也越多；但是，各个煤化阶段生成的气体组份不仅不

6、同，而且数量上也有很大变化。图所示是原苏联学者索科洛夫等人给出的腐植煤在煤化变质阶段成气的一般模型。从图中可以看出，生成是个连续相，即在整个煤化阶段的各个时期都不断地有生成，只是各阶段生成的数量有较大的波动而已；但是，重烃的生成则是个不连续相。实验表明，这个以人工热演化产生瓦斯为基础的模型与实测的结果在趋势上是一致的。图腐植煤在煤化变质阶段图各煤化阶段甲烷生成量曲线成气演化的一般模型煤的有机显微组分可以分为镜质组、丝质组和壳质组，这些组分产烃的能力大小次序是：壳质组＞镜质组＞丝质组，其结果见表原苏联学者乌斯别斯基根据地球

7、化学与煤化作用过程反应物与生成物平衡原理，计算出了各煤化阶段的煤所生成的甲烷量，其结果如图所示。实际上，由于泥炭向褐煤过渡时期生成的甲烷很容易流失掉，所以，目前估算煤层生成甲烷量的多少，一般都是以褐煤作为计算起点；但是，由于自然界的实际煤化过程远比带有许多假设进行的理论计算复杂，所以，上述数据只能是近似的，仅供参考。表煤的各有机显微组分人工热演化产气结果在煤和石油共生矿区，有时煤层瓦斯同油气田的瓦斯侵入有关。例如，四川中梁山煤矿号煤层的瓦斯，与底板石灰岩溶洞中的瓦斯有关，而陕西铜川矿务局焦坪矿井下的瓦斯又与顶底板砂岩含油

8、层的瓦斯有关。一般来说，世界各国煤田中所含瓦斯以为主，但在某些煤层中还含有等重烃气体及等其他气体。甲烷的基本性质甲烷是无色无味的气体，在大气压力为个标准大气压、温度为的标准状态下，每立方米的质量为，相对密度为，与氧气适当混合后具有燃烧和爆炸性通常情况下，甲烷对水的溶解度很低，难溶于水，其溶解度和温度、压力的关系如图所