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1、三、煤层瓦斯赋存及运移三、煤层瓦斯赋存及运移1 1 矿井瓦斯的性质矿井瓦斯的性质 2 2 瓦斯赋存状态瓦斯赋存状态 3 3 煤的孔隙特征煤的孔隙特征 4 4 煤体表面的吸附作用煤体表面的吸附作用5 5 煤层瓦斯封存条件煤层瓦斯封存条件6 6 瓦斯运移瓦斯运移 7 7 瓦斯分带特征瓦斯分带特征 1 1 矿井瓦斯的性质（矿井瓦斯的性质（1 1）瓦斯性质瓦斯性质甲烷甲烷重烃重烃氢气氢气甲烷甲烷二氧化碳二氧化碳氮气氮气一氧化碳一氧化碳硫化氢硫化氢二氧化硫二氧化硫二氧化氮二氧化氮可燃性可燃性室息性室息性有毒性有毒性煤矿常见气体的部分物理性质煤矿常见气体的部分物理性质1 1 矿井瓦斯的性质（矿井瓦斯的性质
2、（2 2）三、煤层瓦斯赋存及运移三、煤层瓦斯赋存及运移1 1 矿井瓦斯的性质矿井瓦斯的性质 2 2 瓦斯赋存状态瓦斯赋存状态 3 3 煤的孔隙特征煤的孔隙特征 4 4 煤体表面的吸附作用煤体表面的吸附作用5 5 煤层瓦斯封存条件煤层瓦斯封存条件 6 6 瓦斯运移瓦斯运移7 7 瓦斯分带特征瓦斯分带特征 2 2 瓦斯赋存状态瓦斯赋存状态瓦斯在煤体内存在状态瓦斯在煤体内存在状态瓦斯在煤体内存在状态瓦斯在煤体内存在状态吸附瓦斯吸附瓦斯吸附瓦斯吸附瓦斯游离瓦斯游离瓦斯游离瓦斯游离瓦斯吸收状态吸收状态吸收状态吸收状态吸着状态吸着状态吸着状态吸着状态 以自由气体以自由气体以自由气体以自由气体分子存在于煤分
3、子存在于煤分子存在于煤分子存在于煤体或围岩的较体或围岩的较体或围岩的较体或围岩的较大裂隙、孔隙大裂隙、孔隙大裂隙、孔隙大裂隙、孔隙和空洞之中。和空洞之中。和空洞之中。和空洞之中。在与颗粒固体在与颗粒固体在与颗粒固体在与颗粒固体在分子之间引力在分子之间引力在分子之间引力在分子之间引力作用下，被吸着作用下，被吸着作用下，被吸着作用下，被吸着在煤体孔隙的内在煤体孔隙的内在煤体孔隙的内在煤体孔隙的内表面上。表面上。表面上。表面上。图例图例图例图例 瓦斯在煤层内存在状态瓦斯在煤层内存在状态瓦斯在煤层内存在状态瓦斯在煤层内存在状态1-1-1-1-游离瓦斯；游离瓦斯；游离瓦斯；游离瓦斯；2-2-2-2-吸收
4、瓦斯；吸收瓦斯；吸收瓦斯；吸收瓦斯；3-3-3-3-吸着瓦斯吸着瓦斯吸着瓦斯吸着瓦斯 瓦斯分子进瓦斯分子进瓦斯分子进瓦斯分子进入煤体颗粒结入煤体颗粒结入煤体颗粒结入煤体颗粒结构内部，与煤构内部，与煤构内部，与煤构内部，与煤体固体分子相体固体分子相体固体分子相体固体分子相结合。结合。结合。结合。Methane Hydrates-The Gas Resource of the Future 1 1 矿井瓦斯的性质矿井瓦斯的性质 2 2 瓦斯赋存状态瓦斯赋存状态 3 3 煤的孔隙特征煤的孔隙特征 4 4 煤体表面的吸附作用煤体表面的吸附作用5 5 煤层瓦斯封存条件煤层瓦斯封存条件6 6 瓦斯运移瓦斯
5、运移 7 7 瓦斯分带特征瓦斯分带特征 三、煤层瓦斯赋存及运移三、煤层瓦斯赋存及运移 微微孔孔：直直径径10 1010-1-1 mmmm，层流和紊流混合渗透区间。层流和紊流混合渗透区间。煤煤中中也也孔孔径径孔孔隙隙分分类类渗渗透透容容积积：小小孔孔至至可可见见孔孔孔隙体积之和。孔隙体积之和。总总孔孔隙隙体体积积：吸吸附附容容积积和和渗透容积之和。渗透容积之和。中中孔孔：直直径径1010-4-4 mmmm1010-3-3 mmmm，缓慢层流渗透区间。缓慢层流渗透区间。大大孔孔：直直径径1010-3-3mmmm1010-1-1mmmm，强烈的层流渗透区间。强烈的层流渗透区间。小小孔孔：直直径径10
6、10-5-5mmmm1010-4-4mmmm，毛细凝结和瓦斯扩散空间。毛细凝结和瓦斯扩散空间。3 3 煤的孔隙特征煤的孔隙特征 3.1 3.1 煤中孔隙的分类煤中孔隙的分类 原生气孔原生气孔 缩聚失水孔缩聚失水孔煤煤中中孔孔隙隙成成因因分分类类微内生裂隙微内生裂隙矿物铸模矿物铸模/溶蚀孔溶蚀孔颗粒间孔颗粒间孔植物残余组织孔植物残余组织孔3 3 煤的孔隙特征煤的孔隙特征 3.1 3.1 煤中孔隙的分类煤中孔隙的分类 微构造裂隙微构造裂隙 煤的变质程度与孔隙的关系煤的变质程度与孔隙的关系3.2 3.2 影响煤的孔隙特征的主要因素影响煤的孔隙特征的主要因素（1）煤煤的的变变质质程程度度不同变质程度煤
7、的孔隙分布不同变质程度煤的孔隙分布3.2 3.2 影响煤的孔隙特征的主要因素影响煤的孔隙特征的主要因素3.2 3.2 影响煤的孔隙特征的主要因素影响煤的孔隙特征的主要因素3.2 3.2 影响煤的孔隙特征的主要因素影响煤的孔隙特征的主要因素3.2 3.2 影响煤的孔隙特征的主要因素影响煤的孔隙特征的主要因素 褐煤褐煤 长焰煤长焰煤 气煤气煤 肥煤肥煤瘦煤瘦煤无烟煤无烟煤(2)煤的破坏程度煤的破坏程度 对于烟煤而言，煤的破坏程度越高，煤的渗透容积就对于烟煤而言，煤的破坏程度越高，煤的渗透容积就越大。煤的渗透容积主要由中孔和大孔组成，我们认为，越大。煤的渗透容积主要由中孔和大孔组成，我们认为，煤的破
8、坏程度对大孔和中孔有影响，但对微孔影响不大。煤的破坏程度对大孔和中孔有影响，但对微孔影响不大。3.2 3.2 影响煤的孔隙特征的主要因素影响煤的孔隙特征的主要因素(3)地应力地应力3.2 3.2 影响煤的孔隙特征的主要因素影响煤的孔隙特征的主要因素压压性性的的地地应应力力(压压应应力力)渗透容积缩小渗透容积缩小张性的地应力张性的地应力(张应力张应力)渗透容积渗透容积增加增加孔隙率增加孔隙率增加孔隙率减少孔隙率减少 目目前前的的试试验验表表明明，地地应应力力并并不不减减少少煤煤的的吸吸附附体体积积或或减减少少得得不不多多，因因此此地地应应力力对对煤煤的的吸吸附附性性影影响响很很小小，但但对对渗透
9、性有很大的影响。渗透性有很大的影响。1 1 矿井瓦斯的性质矿井瓦斯的性质 2 2 瓦斯赋存状态瓦斯赋存状态 3 3 煤的孔隙特征煤的孔隙特征 4 4 煤体表面的吸附作用煤体表面的吸附作用5 5 煤层瓦斯封存条件煤层瓦斯封存条件 6 6 瓦斯运移瓦斯运移7 7 瓦斯分带特征瓦斯分带特征 三、煤层瓦斯赋存及运移三、煤层瓦斯赋存及运移4.14.1煤的煤的 吸附等温线吸附等温线1916年郎格缪尔导出单分子层吸附年郎格缪尔导出单分子层吸附状态方程状态方程-郎格缪尔方程：郎格缪尔方程：式式中中：X给给定定温温度度下下，瓦瓦斯斯压压力力为为p时时单单位质量固体表面吸附的气体体积，位质量固体表面吸附的气体体积
10、，m3/t；p煤层平衡的瓦斯压力，煤层平衡的瓦斯压力，MPa；a吸吸附附常常数数，试试验验温温度度下下煤煤的的极极限吸附量，限吸附量，m3/t；b吸附常数，吸附常数，MPa-1。4 4 煤体表面的吸附作用煤体表面的吸附作用4.2 4.2 煤的吸附能力主要影响因素煤的吸附能力主要影响因素 1 1 瓦斯压力瓦斯压力 煤煤的的吸吸附附能能力力主主要要影影响响因因素素 5 5 煤中水分煤中水分4 4 变质程度变质程度温度每升高温度每升高1 1度，吸附瓦斯的能力要降低度，吸附瓦斯的能力要降低8%8%。COCO2 2 CH CH4 4 N N2 2 在给定温度下，吸附量与瓦斯压力呈双曲线变化。在给定温度下
11、，吸附量与瓦斯压力呈双曲线变化。艾琴格尔经验公式：艾琴格尔经验公式：式式中中：X Xw w湿湿煤煤的的瓦瓦斯斯吸吸附附量量，m m3 3/t/t；X Xd d干干煤煤的的瓦瓦斯吸附量，斯吸附量，m m3 3/t/t；M Madad煤中水分含量，煤中水分含量，%。变变质质程程度度和和孔孔隙隙结结构构和和比比表表面面积积及及化化学学成成份份有有关关，呈呈马鞍型变化。马鞍型变化。3 3 温度温度2 2 气体性质气体性质4 4 煤体表面的吸附作用煤体表面的吸附作用4.34.3不同变质程度煤的吸附瓦斯量不同变质程度煤的吸附瓦斯量 图图2 2 不同变质程度煤的吸附瓦斯量不同变质程度煤的吸附瓦斯量 （“t=
12、30t=30，p=2 p=2 MPaMPa ）1 1、2 2、3 3一非突出煤；一非突出煤；4 4、5 5，6 6一突出煤；一突出煤；1 1、4 4一新容量法一新容量法2 2、5 5一重量法，一重量法，3 3、6 6一旧容量法一旧容量法4 4 煤体表面的吸附作用煤体表面的吸附作用 4.34.3煤层瓦斯含量主要决定因素煤层瓦斯含量主要决定因素煤的变质程度煤的变质程度煤煤层层瓦瓦斯斯含含量量主主要要决决定定因因素素水文地质条件水文地质条件地质构造地质构造煤层赋存条件煤层赋存条件煤层围岩性质煤层围岩性质 煤煤层层有有露露头头瓦瓦斯斯易易于于排排放放，无无露露头头瓦瓦斯斯易易于于保保存存；对对同同一一
13、煤煤层层，瓦瓦斯斯风风化化带带以以下下，煤煤层层瓦瓦斯斯含含量量随随深深度度加加大大而而增增大大；在在其其它它条条件件相相同同，同同一一开开采采深深度度上上，煤煤层层倾倾角角越小，煤层所含瓦斯越多。越小，煤层所含瓦斯越多。围围岩岩致致密密完完整整、不不透透气气时时，煤煤层层瓦瓦斯斯易易于于保保存存；反反之之，煤层瓦斯易于逸散。煤层瓦斯易于逸散。煤煤的的变变质质程程度度越越高高，生生成成的的瓦瓦斯斯量量越越大大。当当其其它它条条件相同，煤的变质程度越高，煤层瓦斯含量就越大。件相同，煤的变质程度越高，煤层瓦斯含量就越大。地地下下水水交交换换活活跃跃地地区区，水水能能从从煤煤层层中中带带走走大大量量
14、瓦瓦斯斯，从而使煤层瓦斯含量明显减少。从而使煤层瓦斯含量明显减少。开开放放性性构构造造是是煤煤层层有有利利于于瓦瓦斯斯的的放放散散，因因此此开开放放性性构构造造发发育育煤煤层层，瓦瓦斯斯含含量量就就小小；封封闭闭性性构构造造，阻阻断断瓦瓦斯斯放散通道，相应煤层瓦斯含量大。放散通道，相应煤层瓦斯含量大。4 4 煤体表面的吸附作用煤体表面的吸附作用1 1 矿井瓦斯的性质矿井瓦斯的性质 2 2 瓦斯赋存状态瓦斯赋存状态 3 3 煤的孔隙特征煤的孔隙特征 4 4 煤体表面的吸附作用煤体表面的吸附作用5 5 煤层瓦斯封存的构造条件煤层瓦斯封存的构造条件6 6 瓦斯运移瓦斯运移 7 7 瓦斯分带特征瓦斯分
15、带特征 三、煤层瓦斯赋存及运移三、煤层瓦斯赋存及运移 5.1 5.1 构造升降运动对瓦斯保存条件的影响构造升降运动对瓦斯保存条件的影响 构构造造升升降降运运动动可可以以改改变变地地层层的的温温压压条条件件打打破破原原有有瓦瓦斯斯吸吸附附平衡关系，使吸附气与游离气与相转化，从而影响瓦斯的保存。平衡关系，使吸附气与游离气与相转化，从而影响瓦斯的保存。一一般般情情况况下下，随随着着煤煤层层埋埋藏藏深深度度的的增增加加，含含气气量量也也增增加加，这这主主要要是是因因为为随随着着煤煤层层埋埋深深增增大大，煤煤的的演演化化程程度度增增高高，生生气气条条件件变变好好，同同时时随随着着煤煤层层埋埋深深增增大大
16、，煤煤层层压压力力增增大大，封封闭闭条条件件相相对对变变好好，煤煤的的吸吸附附量量随随之之增增加加。另另一一方方面面由由于于构构造造抬抬升升，上上覆覆地地层层，特特别别是是有有效效地地层层厚厚度度变变薄薄，导导致致瓦瓦斯斯的的散散失失，如如徐徐州州、山东等地一些煤田的煤层埋藏过浅，瓦斯保存量甚微。山东等地一些煤田的煤层埋藏过浅，瓦斯保存量甚微。5 5 煤层瓦斯封存的构造条件煤层瓦斯封存的构造条件 5.2 5.2 断裂对瓦斯保存条件的影响断裂对瓦斯保存条件的影响 断断裂裂的的影影响响是是多多方方面面的的，特特别别是是断断裂裂类类型型，不不仅仅对对煤煤层层的的完完整整性性和和煤煤层层的的封封闭闭条
17、条件件对对煤煤体体结结构构、显显微微特特征征和和煤煤的的孔孔渗渗性性均有个同程度的影响。均有个同程度的影响。5.2.1断裂的封闭性和开放性断裂的封闭性和开放性 正正断断层层一一般般为为开开放放型型，封封闭闭性性较较差差，逆逆断断层层多多属属压压性性、压压扭扭性性，封封闭闭性性能能好好(见见图图245)。华华北北地地区区形形成成的的断断裂裂多多为为阶阶梯梯状状以以正正断断层层为为主主，保保存存条条件件欠欠佳佳。华华南南多多为为压压性性、压压扭扭性性构造，对瓦斯保存有利。构造，对瓦斯保存有利。5 5 煤层瓦斯封存的构造条件煤层瓦斯封存的构造条件图图 断层与瓦斯富集与保存模式断层与瓦斯富集与保存模式
18、 压压性性、压压扭扭性性断断层层表表现现为为逆逆断断层层或或压压性性走走滑滑断断层层，断断层层面面为为密密闭闭型型，瓦瓦斯斯难难以以透透过过断断层层面面运运移移。同同时时，断断层层面面附附近近成成为为构构造造应应力力集集中中带带，可可加加大大煤煤层层压压力力，使使瓦瓦斯斯吸吸附附量量增增加加，而而且且煤煤层层本本身身裂裂缝缝增增多多。张张性性断断层层表表现现为为正正断断层层或或拉拉张张性性走走滑滑断断层层，断断层层面面为为开开放放性性，往往往往成成为为瓦瓦斯斯运运移移的的极极好好通通道道。断断层层面面附附近近为为低低压压区区，煤煤层层甲甲烷烷大大量量解解吸吸，台台气气量量下下降降。但但在在远远
19、离离断断层层面面的的两两侧侧一一般般形形成成两两个个构构造造应应力力高高压压区区，平平行行断断层层成成对对称称条条带带状状，煤层中烷含量相对升高。煤层中烷含量相对升高。5 5 煤层瓦斯封存的构造条件煤层瓦斯封存的构造条件5.2.2断裂规模断裂规模 断断裂裂规规模模人人，持持续续时时间间长长，煤煤层层为为高高渗渗层层；断断裂裂宽宽，充充填填少少，周周边边裂裂隙隙发发育育，甲甲烷烷容容易易散散失失。相相反反，断断裂裂规规模模小小，持持续续时时间间短短，对对盘盘为为封封闭闭层层，断断裂裂窄窄，充充填填好好，裂裂隙隙不不发发育育，瓦瓦斯斯不易散失，保存条件好。不易散失，保存条件好。5 5 煤层瓦斯封存
20、的构造条件煤层瓦斯封存的构造条件 5.3 5.3 圈闭对瓦斯保存条件的影响圈闭对瓦斯保存条件的影响 圈闭类型对瓦斯保存起决定性作用，分背斜构造、向斜构造。圈闭类型对瓦斯保存起决定性作用，分背斜构造、向斜构造。5.3.1 背斜构造背斜构造 两两翼翼与与轴轴部部中中和和面面以以下下表表现现为为压压应应力力，应应力力明明显显集集中中，这这些些部部位位一一般般为为高高压压区区。背背斜斜轴轴部部中中和和面面以以上上表表现现为为拉拉张张应应力力，产产生生大大量量的张性裂隙或断层，应力释放快，造成低压区。的张性裂隙或断层，应力释放快，造成低压区。煤煤层层甲甲烷烷在在背背斜斜的的两两翼翼能能较较好好地地封封存
21、存，在在轴轴部部就就要要看看煤煤层层与与中中和和面面的的关关系系，中中和和面面以以上上煤煤层层甲甲烷烷易易散散，中中和和面面以以下下煤煤层层甲甲烷烷易易聚聚集集。若若泥泥岩岩盖盖层层发发育育良良好好，裂裂隙隙不不发发育育，中中和和面面以以上上煤煤层层也也能能富富含含甲烷，两翼煤层的甲烷也会向轴部运移，造成煤层甲烷富集。甲烷，两翼煤层的甲烷也会向轴部运移，造成煤层甲烷富集。5 5 煤层瓦斯封存的构造条件煤层瓦斯封存的构造条件5 5 煤层瓦斯封存的构造条件煤层瓦斯封存的构造条件5 5 煤层瓦斯封存的构造条件煤层瓦斯封存的构造条件5 5 煤层瓦斯封存的构造条件煤层瓦斯封存的构造条件 5.3.1 向斜
22、构造向斜构造 两两翼翼与与袖袖部部中中和和面面以以上上去去现现明明显显的的压压应应力力集集中中；中中和和面面以以下下表表现现为为拉拉张张应应力力。向向斜斜的的两两翼翼和和轴轴部部往往往往为为煤煤层层甲甲烷烷含含虽虽高高异异常常区区。向向斜斜轴轴部部中中和和面面以以下下的的瓦瓦斯斯封封存存较较差差。当当煤煤层层埋埋深深较较大，底板为厚层泥岩时，中和面以下也会出现瓦斯富集。大，底板为厚层泥岩时，中和面以下也会出现瓦斯富集。5 5 煤层瓦斯封存的构造条件煤层瓦斯封存的构造条件 5.3.3 向斜和单斜易于形成水封堵气藏向斜和单斜易于形成水封堵气藏 这这种种瓦瓦斯斯有有利利保保存存区区带带是是近近供供水
23、水区区和和承承压压区区，水水充充填填于于孔孔、裂裂隙隙中中，形形成成水水体体压压力力圈圈闭闭。如如黑黑勇勇士士盆盆地地煤煤层层瓦瓦斯斯气气田田分分布布于于阿阿帕帕拉拉契契亚亚隆隆起起的的伯伯明明翰翰复复向向斜斜西西部部向向西西南南倾倾没没的的单单斜斜部部位位，圣圣胡胡安安盆盆地地水水果果地地组组煤煤层层瓦瓦斯斯气田位于中生代构造盆地北部单斜部位和中部向斜地区气田位于中生代构造盆地北部单斜部位和中部向斜地区 总之，构造运动和断裂对瓦斯的保存具有两重性。总之，构造运动和断裂对瓦斯的保存具有两重性。总之，构造运动和断裂对瓦斯的保存具有两重性。总之，构造运动和断裂对瓦斯的保存具有两重性。5 5 煤层瓦
24、斯封存的构造条件煤层瓦斯封存的构造条件1 1 矿井瓦斯的性质矿井瓦斯的性质 2 2 瓦斯赋存状态瓦斯赋存状态 3 3 煤的孔隙特征煤的孔隙特征 4 4 煤体表面的吸附作用煤体表面的吸附作用5 5 煤层瓦斯封存条件煤层瓦斯封存条件 6 6 瓦斯运移瓦斯运移7 7 瓦斯分带特征瓦斯分带特征 三、煤层瓦斯赋存及运移三、煤层瓦斯赋存及运移图图 顶板密封条件下瓦斯流动示意图顶板密封条件下瓦斯流动示意图 图图 顶板有顶板有“气窗气窗”瓦斯流动示瓦斯流动示意图意图6 6 瓦斯运移瓦斯运移 图图 有断裂通道瓦斯流动示意图有断裂通道瓦斯流动示意图 图图 顶板透气层瓦斯流动示意图顶板透气层瓦斯流动示意图6 6 瓦斯运移瓦斯运移