瓦斯地质学(讲义).jsp

第一章绪论

瓦斯地质学的概念、研究内容、研究的目的和意义，研究的方法：

瓦斯地质学是研究煤层瓦斯的形成、赋存和运移以及瓦斯地质灾害防治理论的交叉学科。研究的内容包括：煤层瓦斯的形成过程研究或者说煤层瓦斯组成与煤级的关系研究；瓦斯在煤层内的赋存与运移；煤与瓦斯突出机理研究；构造煤特征研究；地质构造控制煤与瓦斯突出理论；煤与瓦斯突出预测方法与控制措施；瓦斯资源地面开发；瓦斯地质图编制。研究的意义：瓦斯是影响煤矿安全生产的有害气体，控制瓦斯涌出量、减少煤与瓦斯突出动力灾害，可以提高煤矿安全性；瓦斯是温室效应气体，同时是清洁能源，提高煤层瓦斯抽采率可以保护大气环境，提高资源利用率。研究的方法：利用地质统计法、钻探、探掘、地球物理方法，结合煤田地质、构造地质和水文地质等理论综合研究。

（一）、煤层气和瓦斯的概念

近来，人们采用术语“煤层气”一词，意指赋存在煤层里的天然气。此术语翻译自英语“coalbed gas”。如果讨论“煤层气”的成分，则包含甲烷、重烃、二氧化碳、氮等多种气体成分。如果计算“煤层气”的含量或资源量（储量），又仅指甲烷一种气体的量。“瓦斯”是我国采煤界习惯用的术语。广义上讲，瓦斯是煤矿井下除大气以外的气体的总称,包含：赋存在煤层及岩层里并涌入到矿井的天然气、矿井生产过程中生成的炮烟和其它废气、井下各种化学及生物化学反应生成的气体、深源放射性物质蜕变生成的气体、自地下水释放出的气体等多种来源的气体。包括：甲烷（CH4）、重烃（即乙烷C2H6、丙烷C3H8、丁烷C4H5）、氢（H2）、二氧化碳（CO2）、一氧化碳（CO）、二氧化氮（NO2）、二氧化硫（SO2）、硫化氢（H2S）等。

“瓦斯”一词的常用含义有以下两种：

1, 煤矿井下工程里的甲烷（CH4），又称沼气，有时还指二氧化碳（CO2）；在确定“瓦斯风化带”时又指甲烷、二氧化碳和氮(N2)三种气体。通常所称的“瓦斯涌出量”往往仅指甲烷一种气体的涌出量，不包含二氧化碳和氮的量。

2，赋存在煤层和岩层里，尚未涌入矿井的天然气。在分析其成分时，通常只分析甲烷（CH4）、二氧化碳（CO2）、氮(N2)等三种气体成分，有时还分析重烃；特殊需要时才分析其他气体成分。通常所称的“煤层瓦斯含量”又仅仅指甲烷一种气体的含量，所称的“瓦斯资源量（储量）”也仅仅指甲烷一种气体的资源量（储量）。如果计算二氧化碳含量，则需说明。（二）“瓦斯抽采（放）”和“煤层气地面开发”

自上世纪50年代我国煤矿开始从待采煤层里先抽放瓦斯，现在国家要求所有高瓦斯矿井都必需“先抽后采”，保证安全采煤；还要求利用抽出的瓦斯，减少向大气排放瓦斯。为此将“瓦斯抽放”改称“瓦斯抽采”。近来我国瓦斯抽采量大幅度增加。

自上世纪70年代美国开始“煤层气地面开发”试验，取得商业化开发成功。我国研究与试验“煤层气地面开发”始于上世纪80年代。目前进展最好的试验区在山西省沁水盆地东南的晋城矿区。

“瓦斯抽采”与“煤层气地面开发”两类采气方法的根本区别是：

瓦斯抽采——在煤矿已开拓的地区，从煤矿井下，也可以从地面抽采已受过采掘影响的煤层中的瓦斯；其首要任务是保障煤矿生产安全，同时利用被抽采出来的瓦斯。抽采规模取决于采煤的需要。抽采瓦斯的成本主要或全部被计入采煤成本。

煤层气地面开发——在未建煤矿或煤矿未开拓的地区，引用开采常规天然气的技术从地面开采尚处于自然状态下的煤层气；其任务是煤层气资源开发利用，当然也将有利于将来在该地区安全采煤。煤层气地面开发必需达到商业性开发的规模。

这两种方法开采与利用甲烷都将减少向大气排放甲烷，具有重要的环境意义。

第二章煤层瓦斯的形成理论

一、煤的形成与演化

1，成煤母质——植物（低等、高等）

2，成煤环境——泥炭沼泽

3，地质构造条件——缓慢下沉

4，成煤作用阶段——

第一阶段：泥炭化作用阶段,植物残体经生物-地球化学作用演化成泥炭;

第二阶段：煤化作用阶段, 泥炭经地球化学作用演化成煤.

由褐煤演化成烟煤，再到无烟煤，称为“煤变质作用”。

植物——→泥炭——→褐煤——→烟煤——→无烟煤——→石墨

∣←泥炭化作用→∣←————煤化作用———→∣石墨化作用

∣←——变质作用———→∣

二、煤的成分和种类

煤是自然界成分最复杂的一类岩石，属沉积岩中的生物化学岩类。

1，煤是三相物质的复合物，又是有机质和无机质的复合物

固相——有机显微组分（macerals）和矿物（minerals）；

液相——水和极微量的液态烃（石油）；

气相——瓦斯（甲烷、二氧化碳、氮）。

其中有机显微组分、液态烃和甲烷属有机质；矿物、水、二氧化碳、氮属无机质。所以煤是有机质和无机质的复合物。

①当然有机质是煤中主要成分。有机显微组分（macerals）是用显微镜可识别的基本单元。有机显微组分被划分为三组：镜质组（vitrinite group）、惰质组（inertinita goup）、壳质组（exinite group）。其中镜质组是主要组分，通常占70％以上。

由这三组显微组分组成四种有机宏观组分（lithotypes）：

镜煤（vitrain）——几乎全由镜质组组分组成；

亮煤（clarain）——大部分由镜质组组分组成；

暗煤（durain）——少部分由镜质组组分组成；

丝炭（fusain）——由惰质组组分中的丝质体组成；

②从煤里已发现的矿物种类虽然很多（经文献报道的矿物超过150种），常见的矿物种类并不多，如：粘土类矿物、黄铁矿、石英、方解石, 菱铁矿等。矿物常成为碎屑或碎屑集合体形态分散在有机显微组分之间，多数矿物的颗粒微小，呈球粒、结核、透镜体、条带等等形态；还有一些亚微米-纳米级的矿物微粒镶嵌在有机显微组分内部。

通常用煤燃烧后的固体残渣灰分产率（质量分数，％）近似代表煤中无机质的质量分数；可燃物质的质量分数则近似代表有机质的质量分数。按煤炭勘探规范的规定，煤的灰分产率低于40％，方可参与煤炭资源量（储量）计算。

2，煤的元素组成——从煤中共检测出86种元素。

按元素的含量，分为常量元素（含量＞1‰）和微量元素（含量＜1‰）两大类：

常量元素12 种：碳、氢、氧、氮、硫、钙、镁、铝、铁、钠、钾、硅。

其中碳、氢、氧、氮和少部分硫是组成有机质的主要元素；

其余是组成无机质的主要元素

3，煤的化学结构

煤的分子结构很复杂，到目前为止，人们对煤结构的认识还属于假说。

通常认为，煤的基本结构是由芳香族为核心及其周围的官能团和侧链组成。芳香族核心由苯环组成。

官能团和侧链有：含氧官能团、含氮官能团、含硫官能团、烷基侧链等

随煤化程度的增加，苯环增加，官能团和侧链脱落。

煤气和煤油就是脱落的官能团和侧链重新组合而成。

4，煤的工业分类——

根据煤的用途，煤被分为3大类，17小类：

褐煤——褐煤一号、褐煤二号

烟煤——长焰煤、气煤、1/3焦煤、气肥煤、肥煤、焦煤、瘦煤、贫瘦煤、贫煤、不粘煤、弱粘煤、中粘煤

无烟煤——无烟煤三号、无烟煤二号、无烟煤一号

划分煤类的指标是：挥发分析出率和粘结性。

挥发分析出率——挥发分（volatile matter，代号V）是煤样品在特定条件下受熱分解出来的液体（蒸气状态）和气体产物，挥发分占样品的质量分数称为“挥发分析出率”，或“挥发分产率”。

粘结性——煤干馏时粘结其本身的或外来的惰型物质的能力。

三、瓦斯的生成

在煤形成与演化的全过程中，固相煤物质演化的同时产出气体（瓦斯）。

按成因，煤型（成）气包括“生物成因气”和“热成因气”。

生物成因气——在泥炭化作用阶段，沼泽里的植物残体主要受生物化学作用转化为泥炭，同时产出的气称“生物成因气”。现今煤层里不可能保存有这种气。

热成因气——在煤化作用阶段，固相煤物质主要因受热发生复杂的物理化学变化，同时产出的气称“热成因气”。现今煤层里的气应该属这种气。

下图简明表述了煤成（型）气的生成：

生物成因又包括原生生物成因和次生生物成因。原生生物成因发生于泥炭到褐煤阶段，纤维素首先水解为单糖，单糖发酵生成酸、二氧化碳、氢气和甲烷，二氧化碳和氢气在甲烷菌作用下形成甲烷；次生生物成因发生于煤层后期抬升阶段，化学反应特征类似于原生生物成因。

2 瓦斯的热成因

讨论问题：

现今煤岩组分的含氢量，以及生烃模拟试验结果仅仅表明现今煤岩组分具有的生烃潜能的强弱。如若设想：现今的煤将来再次经受变质作用，各有机煤岩组分的生烃潜能才可能发挥出来，产生上述情况。可是人们希望知道的不是假想的将来，而是煤已经生成的气态烃与液态烃的过去，是各煤岩组分已有过的生烃贡献。现今煤岩组分生烃潜能的强与弱等同于过去已生烃的多与少吗？现今煤岩组分生烃潜能的强与弱等同于过去生烃贡献的大与小吗？显然不等同，煤岩学早已作过论证。

壳质组又称“稳定组”。再泥炭化阶段和煤化作用早期，壳质组内的多数组分是稳定的。这些组分现今的生烃潜能最强，可是过去的生烃贡献却最小。

惰质组组分现今的生烃潜能很弱，其化学结构的芳构化程度强，官能团与侧链几乎全脱落‘被认为是具“惰性”的组分，划归Ⅳ型干酪根。惰质组组分这些特征是天生的吗？惰质组的成因很复杂，其中有些惰质组组分天生如此，它们现今的生烃潜能弱，过去的生烃贡献也小。惰质组内还有些组分并非天生如此，在以往的煤变质作用过程中，与共生的壳质组和壳质组比较，它们产出多较多的气态与液体烃，以致自身芳构化程度增强。这些惰质组现今生烃潜能弱却是过去生烃贡献大所造成。

研究瓦斯（煤层气）的生成对于煤矿安全生产和瓦斯抽采没有重要意义。因为：煤层瓦斯（煤层气）是现今残留在煤层里的煤成（型）气，其数量只是已生成气体的很少部分。决定煤层瓦斯（煤层气）的数量和质量的主要地质因素是气体的运移与保存因素，而不是气体的成因因素。

四、煤层气（瓦斯）的成分和“瓦斯风化带”

（一）、煤层气的成分

煤层气是多种气体的混合物，其成分有：

烃类气体——甲烷（CH4）和少量乙烷（C2H6）、丙烷（C3H8）、丁烷（C4H10）；

乙烷、丙烷、丁烷统称“重烃”

在天然气地质界所称的干气，指各种烃类总体积中CH4 >95%，重烃<5%，

湿气中CH4<95%，重烃>5%。煤矿瓦斯一般都是干气。

非烃气体——二氧化碳（CO2）和氮（N2）；

微量气体——氢（H2）、一氧化碳（CO）、二氧化硫（SO2）、硫化氢（H2S）、氦（He）、氖（Ne）、氩（Ar）、氪（Kr）、氙（Xe）等。

煤层气的主要成分是甲烷（CH4），又称“沼气”；次为二氧化碳（CO2）和氮（N2）。在个别矿区（如：甘肃省窑街矿区，吉林省菅城矿区）煤层气的主要成分是CO2，属无机成因的气体运移进入煤层。

（二）、“瓦斯风化带gas weathered zone”

早在上世纪50年代，前苏联学者发现，顿巴斯浅部瓦斯的成分有垂向分带现象，自浅部向深部一般可分四个带（如下表所列），采煤界习惯将前三个带统称为“瓦斯风化带”。

严格说，用“瓦斯风化”一词并不确切。在所谓“瓦斯风化带”内，煤层里发生过瓦斯与地表大气互相交换，以甲烷为主要成分的瓦斯中的部分甲烷散入大气，同时大气中的二氧化碳与氮进入煤层，以致煤层内的甲烷浓度减小，二氧化碳与氮的浓度增大。甲烷、二氧化碳与氮本身并没有“风化”。现在术语“瓦斯风化带”已经广为流行。

“瓦斯风化带”以下的甲烷（CH4）带的气体成分才是正常的瓦斯成分。研究煤层瓦斯应该以正常瓦斯带，即甲烷带为对象。正常瓦斯带的气成分中的甲烷浓度理应不低于80％。有些文献作者没有注意这一点，把“瓦斯风化带”里的气体与正常甲烷带的气体混在一起作分析，以致在讨论瓦斯成分与含量时往往发生概念不清。

确定“瓦斯风化带”的下部边界应该用甲烷及重烃浓度之和≥80 %（按体积）为指标。煤矿实测瓦斯成分的资料往往不足，难以勾画出“瓦斯风化带”下界。采煤人员用相对瓦斯涌出量（＜2m3/t.d），或瓦斯压力（＜0.15MPa），或瓦斯含量(烟煤2～3m3/t，无烟煤5～7 m3/t)等指标划定“瓦斯风化带”下界。

第三章瓦斯在煤层内的赋存与运移

一、煤的孔隙和裂隙结构

煤层内存在有孔隙和裂隙两个系统，即双孔隙系统（dual pore system）。

被裂隙分割成的煤块体称煤岩基块（coal matrix，又翻译为“煤基质”）。煤岩基块内孔隙的容积占煤孔隙和裂隙总容积的绝大部分，是煤层气吸附储集的主要空间。天然裂隙系统是煤中流体（液体和气体）渗透的通道。由于双孔隙系统的存在，煤中气体的运移有两种机制，即在基块中的扩散，以及在裂隙系统中的渗透。

（一）、煤孔隙结构（coal pore structure）

煤孔隙结构指煤层所含孔隙的大小、形态、发育程度及其相互组合关系。表征煤孔隙结构的基本参数是：孔径、比孔容、比表面积、孔隙度和中值孔径等。观测煤孔隙的方法很多，如压汞法可用于测量直径大于7.5nm的孔隙；低温氮吸附法可测量孔径更小的孔隙；二氧化碳吸附法常用于测量比表面积；用光学显微镜和电子显微镜可观察孔隙特征及其充填情况，并可判别孔隙的成因。

①煤比孔容（specific pore volume of coal）——单位质量煤中孔的容积，常以厘米3/克或毫升/克为单位。在煤变质过程中，大孔和中孔的比孔容在总比孔容中所占比例有减少趋势，而微孔的比孔容所占比例有增加趋势。

②煤比表面积（specific surface area of coal）——单位质量煤中孔隙的表面积，常以米2/克为单位。煤中孔径小于10纳米的微孔的比表面积在总比表面积中占有的比例最大。用不同方法测量比表面积的结果不一样。通常用二氧化碳作吸附质，采用吸附法测量比表面积，若改用氮作吸附质，或者用压汞法测比表面积，其结果小很多。

③煤孔隙尺寸分类

煤中孔的大小差别极大，最小孔的孔宽为纳米（nm，即10-9 m）级。?我们曾测出的最小的孔宽约0.6nm左右，其中装下一个甲烷分子（直径为0.41nm）后，?第二个甲烷分子进不去。煤中还可能有更小的孔，连一个氦分子（直径为0.178nm）也通不过。

前苏联学者霍多特（Ходот，В.В.）1966年提出煤孔隙大小分类方案，即按孔半径将煤中所含的孔分成四类：

我国煤中孔隙发育特征有如下认识：

(1)、所有煤里同时存在大小不等的孔隙。

(2)、在煤这种多孔物质内，以孔宽小于200 nm的过渡孔、小孔、微孔和超微孔为主。

(3)、在同煤级的煤中，镜质组（特别是基质镜质体）内部小于200 nm的孔较发育，由此推测，在以镜质组为主要成分的镜煤和亮煤里较为富集煤层气。

(4)、在不同煤变质程度的煤中，孔隙总体变化趋势是：褐煤的孔隙最为发育，烟煤的孔隙发育程度相对较差，到无烟煤阶段，孔隙又有所增加；随煤级升高，孔宽大的孔所占比例下降，孔宽小的孔所占比例上升。褐煤的孔隙虽然最为发育，但是孔宽大的孔所占比例较大，总比表面积并不大，褐煤又含水较多，褐煤矿埋藏一般都浅，以致褐煤的含气量通常较少。无烟煤内孔宽小的孔所占比例较大，总比表面积较大，加上无烟煤对甲烷的吸附性较强，以致在其他地质条件相同条件下，无烟煤往往含有较多的煤层气。

以上只是测试资料反映出来的现象。

从实用角度出发，用压汞法和低温吸附法定量测试煤的孔隙，以及用显微镜和电子显微镜定性观察煤孔隙都没有很大的实用意义。

（二）、煤中裂隙（fracture in coal）

煤受各种地质应力的作用所形成的自然裂缝。裂隙是煤层气（瓦斯）运移的通道。

我国传统煤地质学关于煤裂隙的概念引自前苏联文献。按传统概念，煤裂隙可分为内生裂隙和外生裂隙两种成因类型。

内生裂隙（endogenetic fracture）——煤化作用过程中，煤中凝胶化物质受温度和压力的影响，体积均匀收缩产生内张力，从而形成的裂隙。它主要出现在光亮煤和镜煤条带中，其特点是：①垂直或大致垂直层理；②裂隙面较平坦，常伴有眼球状的张力痕迹；③有裂隙方向大致相互垂直的两组，其中一组较发育，为主要内生裂隙组，另一组稀疏为次要内生裂隙组；

④在中变质烟煤中最发育，而在褐煤和无烟煤中不发育。由于内生裂隙的发育与煤变质程度有关，光亮煤条带单位长度中的内生裂隙数目可作为煤变质程度的标志。

外生裂隙（exogenetic fracture）——煤受构造应力作用产生的裂隙。其特点是：①发育不受煤岩类型限制，可切穿几个煤岩分层；②以各种角度与煤层层理斜交；③裂隙面上常有波状、羽毛状擦痕；④外生裂隙有时沿袭内生裂隙重叠发生。

煤中的外生裂隙相当其他岩石中的构造裂隙，煤中的内生裂隙是煤独有，其他岩石没有的裂隙。

割理（cleat）——煤中的自然裂隙。按有些文献对“割理”的描述，“割理”相当“内生裂隙”。

割理被分为两组:

面割理（face cleat）——煤中的一组延伸较长的主要割理。面割理是煤层气渗透的主要通道。端割理（butt cleat）——煤中一组次要割理，发育在两条面割理之间，其延伸受面割理的制约。

二、煤层气在煤中的赋存状态coalbed gas occurrence

气体在煤层内有三种基本赋存状态，即：①被吸附于煤的孔隙、裂隙内表面上的气体，即吸附气；②以游离状态存在于煤的孔（裂）隙中，即游离气；③溶解于煤层水中的气体，即溶解气。在一定温度和压力条件下，这三种状态的气体处于统一动态平衡体系中。在储气空间内，当压力增高或温度降低时，游离气量减少，吸附气量增加；反之，压力降低或温度升高时，吸附气量减少，游离气量增加。溶解气的多少也受控于温度和压力。

煤层气总量中以吸附气占绝大部分，游离气占少部分，溶解气占极少部分。

(一) 吸附与解吸

当被吸附的气体分子的热运动动能足以克服吸附引力场的作用时，可回到游离气相，并吸收热量，这一过程称为解吸。吸附和解吸互为可逆过程。

通常采用煤对甲烷的吸附等温线表征煤对甲烷的吸附特征。

吸附等温曲线（adsorption isotherm curve）——在吸附平衡温度恒定的条件下，煤吸附甲烷的量与甲烷平衡压力的函数曲线。煤对甲烷的吸附等温线通常可用兰格缪尔方程（Langmuir equation）描述，即

Ｖ= (V

L

?b?p)/(1+b?p)

或Ｖ = (V

L ?p)/(P

L

+p)或

bp

abp

V

+

=

1

式中：Ｖ为在给定温度条件下，气体压力为p时，单位质量的煤（换算成脱水无灰基）吸附气体的体积，米3/吨；V L或a为吸附常数，又称兰格缪尔体积，米3/吨；b为吸附常数，（兆帕）-1；P L为吸附常数，兆帕，又称兰格缪尔压力，P L= 1/b；p为吸附平衡时的气体压力,兆帕。我国采煤界常在30℃条件下作等温吸附试验。

煤层甲烷兰格缪尔体积（coalbed methane Langmuir volume）——

描述煤对甲烷吸附等温线的兰格缪尔方程中的吸附常数（V L），中国采煤界常用字母 a 表示此常数。此常数的物理意义是，在给定温度条件下单位质量煤饱和吸附气体时，吸附的气体体积，有文献称此为“饱和吸附量”或“极限吸附量”。

煤层甲烷兰格缪尔压力（coalbed methane Langmuir pressure）——

描述煤对甲烷吸附等温线的兰格缪尔方程中的吸附常数（P L）。此常数的物理意义是，煤对甲烷吸附量达到兰格缪尔体积一半时，其所对应的压力。P L 与吸附常数 b 的关系是，P L=1/b。兰格缪尔压力是影响煤吸附等温曲线形态的参数，兰格缪尔压力越小，吸附曲线弯曲程度越大；反之，弯曲程度越小。吸附等温曲线形态对煤层气产出有明显影响。

（二）吸附质（气体）在单位质量吸附剂（固体）表面的吸附量取决于四方面因素：

①吸附质（气体）的性质——试验时只用单一的甲烷。煤层气的实际成分除甲烷外还有二氧化碳、氮和其他微量气体。人们已经研究用甲烷、二氧化碳和氮的混合气体作试验。按吸附性，二氧化碳＞甲烷＞氮。CO2分子直径为0.46nm，CH4分子直径为0.41nm，N2分子直径为0.38nm，H g原子直径为7.5nm。

②吸附剂（固体）的性质——人们对试验用的煤样品考虑到水分。我国采煤界用干燥煤样品，煤层气探查部门用含“平衡水”的煤样品，有机煤岩成分和矿物成分都未与考虑。另外，要考虑煤级、组分等。

③吸附平衡的温度——我国采煤界用30℃，煤层气探查部门用取样点的地温。

④吸附质（气体）的平衡压力——一般加压到6 Mpa左右。

由此可见，人们对等温吸附试验的条件作了简化处理。实测等温吸附线的只能大体反映煤对甲烷的吸附特征。

（三）煤层气开采与瓦斯解吸中的基本概念：

①煤层含气饱和度（gas saturation in coalbed）——

煤层孔隙被气体充满的程度。通常从吸附等温曲线上求得，即含气饱和度等于实测含气量与原始储层压力在吸附等温曲线上所对应的理论含气量的比值。亦可用下列公式计算煤层含气饱和度：

Sg ＝V/V r =(V/V L)[(P L+Pr)/Pr]

式中：Sg 为煤层含气饱和度；V 为实测含气量（米3/吨）；Pr为实测储层压力（兆帕）；V L为兰格缪尔体积（米3/吨）；P L为兰格缪尔压力（兆帕）。

②临界解吸压力（critical desorption pressure）——

在煤层降压过程中，气体开始从煤基质表面解吸时所对应的压力值。按下列公式计算： P cd=V?P L/（V L—V）

式中： P cd为临界解吸压力（兆帕）；V 为实测含气量（米3/吨）；V L为兰格缪尔体积（米3/吨）；P

L为兰格缪尔压力（兆帕）。也可直接从吸附等温线上求取。对于气饱和煤层只要煤储层压力下降，就有吸附气从煤层中解吸；对于气不饱和煤层，需要降到临界解吸压力以下，才能有吸附气解吸。因此，可根据临界解吸压力和原始储层压力及其两者的比值，来了解煤层气早期排采动态。临界解吸压力越接近于原始储层压力，在排水降压过程中，需要降低的压力越小，越有利于气体开采。

③吸附时间（sorption time）——累计解吸出的气量占总吸附气量（包括残余气）的

63.2%所需的时间，单位是小时或天数。它可作为表征气体从煤储层中运移出来的速度的近似指标，在很大程度上控制着煤层气的早期生产动态。若煤的吸附时间短，其开采井有可能在短时期内达到产气高峰；反之，需较长时间后开采井方可达到产气高峰。

④煤储层压力（coal reservoir pressure）——煤储层孔隙内流体所承受的压力，常以兆帕〔斯卡〕MPa为单位。煤储层压力一般都是指原始储层压力，即储层被开采前，处于压力平衡状态时测得的储层压力（有人称它是被生产扰动之前储层中的压力）。对煤储层压力的研究有重要意义，它不仅对煤层含气量、气体赋存状态有重要影响，而且也是气体和水从裂隙流向井筒的能量。

煤储层压力一般可通过试井测得，通常采用的方法是注水/压降法（injection/falloff test）。在设计时间内，先向测试层段注入一定量的水，然后关井，压力降落，测得井底压力与时间的函数，根据压力曲线的外推法求得该储层压力。

煤储层压力一般随煤层埋深增加而增高。即，煤储层压力与深度显示正相关关系。

⑤煤储层压力梯度（coal reservoir pressure gradient）——在单位垂直深度内，煤储层压力的增量。在地质构造和煤层赋存条件变化不大的情况下可用下列公式求得煤储层压

力梯度：

ｍ＝（p－p0）/（H－H0）

式中：p、p0为在深度H、H0处的压力；ｍ为压力梯度；H为距地表深度；H0为风化带深度。

⑥煤储层压力系数——

实测储层压力与同深度静水压力之比。

压力系数压力梯度

超压（高压）——＞1 ＞0.98 MPa／100m 或＞9.8 KPa／m

正常压力——＝1 ＝0.98 MPa／100m ＝9.8 KPa／m 欠压（低压）——＜1 ＜0.98 MPa／100m ＜9.8 KPa／m

据32个矿区资料，各煤级煤储层超压状态占32％，正常压力22％，欠压46％；

中煤级煤储层大多数为欠压。

⑦煤层瓦斯压力（coalbed gas pressure）——煤层孔隙内气体分子自由热运动撞击所产生的作用力；在一个点上力的各向大小相等，方向与孔隙的壁垂直。瓦斯压力测定方法是：自井下巷道打钻进入煤层，在钻孔中，密封一根刚性导气管，实测管内稳定的气压，即为瓦斯压力。

煤层瓦斯压力大小受多种地质因素的影响，变化较大。在一个井田内的同一地质单元里，瓦斯风化带以下的近代矿井开采深度范围内，未受采动影响的煤层瓦斯压力与其埋深呈正相关。

煤层瓦斯压力是决定煤层瓦斯含量和煤层瓦斯动力学特征的基本参数。按有关规程规定，煤层的瓦斯压力≥0.74 Mpa，该煤层具有突出危险性。

⑧瓦斯压力梯度（gas pressure gradient）——煤层埋藏深度每增加一单位（通常用1米或100米），煤层瓦斯压力平均增加值。瓦斯压力梯度随地质条件而异，中国煤矿的瓦斯压力梯度一般变化范围为（0.01±0.005）兆帕每米。

由上图可知，储层初始压力是1620psia（1psia=6.9KPa），大约为10Mpa，经排水降压到一定程度后发现有气体流出，此时的储层压力便称为临界解吸压力，此时临界压力为648psia，大约为4Mpa。初始储层压力对应的甲烷吸附量为450，临界解吸压力对应的为实际吸附量355，则含气饱和度为355/450=79%。

测量煤储层压力变化和等温吸附线，就可以推测煤层气的临界解吸压力，估算煤储层的理论含气量，计算煤层气的饱和度；预测煤储层在降压、解吸过程中，煤层气的采收率或可采资源量。

⑨废弃压力（abandonment pressure）——在现有经济技术条件下，煤层气井疏水降压

所能达到的最低井底压力，又称枯竭压力。废弃压力大小与矿区地质构造、煤级等因素有关。据美国经验，废弃压力可达0.7兆帕。煤层气井废弃压力是计算煤层气最大采收率的主要指标之一。

三、煤层气在煤层中的运移

煤层气在煤层的运移方式有二：扩散与渗透。

（一）气体扩散（gas diffusion ）——煤层气在煤岩基块内的微孔系统中因浓度差产生的运移。其过程可用菲克扩散定律描述。

Fick 第一扩散定律：dx

dc DA dt dm -= dt dm ——扩散速度；D ——扩散系数；A ——扩散面积；dx

dc ——浓度梯度。 聂百胜、何学秋（2000a ，2001a ）根据努森数（孔隙直径与气体分子的平均自由程的比值，即r d k n /=）的大小对煤中瓦斯的扩散规律进行了研究提出，瓦斯在煤体中的扩散有以下几种模式：菲克扩散、努森扩散、过渡扩散、表面扩散和晶体扩散；当努森数10≥n k 时，孔隙直径远大于气体分子的平均自由程，气体分子的碰撞主要发生在气体分子之间，气体分子与孔道壁之间作用较小，符合菲克扩散定律，为菲克扩散；当1.0≤n k 时，分子的平均自由程大于孔隙直径，气体分子与孔道壁之间作用增强，而气体分子间作用居于次要地位，为努森扩散；当101.0≤≤n k 时，两种作用同样重要，为介于菲克扩散和努森扩散之间的过渡型扩散；煤是良好的吸附剂，当气体分子被强烈吸附于固体表面时，就产生表面扩散；当孔隙直径和瓦斯气体分子直径相差不大，在压力足够大的情况下，瓦斯气体分子可以进入微孔中以固溶体存在，发生晶体扩散，晶体扩散在所有扩散中所占的比重很小[75,76]。聂百胜(2001a)对煤粒（平均粒径为0.473mm ）的扩散实验[77]表明，煤粒瓦斯的扩散速度随时间变化呈现负指数规律。

（二）气体渗透（gas seepage ）——煤层气在煤层裂隙（割理）系统内因压力差产生的运移，其过程可用达西定律描述。

Darcy 定律：L

p K KI V ?== V ——渗透速度；K ——渗透系数；I ——压力梯度。

1、煤层渗透率（permeability of coal seam ）

煤层的渗透性是指在一定的压力差条件下，允许流体通过其连通孔隙的性质，用渗透率表示。

实验表明，单相流通过介质，沿孔隙通道呈层流时，符合达西线性渗流定律

p

A L Q k V ?=

μ （3） 式中： V Q ——任一流体通过多孔介质时的体积流量，cm 3/s ；

p ?——样品两端压力差，MPa ；

A ——样品横断面积，cm 2；

L ——样品长度，cm ；

μ——流体粘度，cp （pa.s ）；

k ——渗透率，d ，2m d μ=。

对气体而言，在利用达西公式计算渗透率时，必须引入平均体积流V Q 。

按气体状态方程：

R Q p Q p Q p V V V ===221100 （4）

式中：1p 、2p ——样品前后两端的气体压力；1V Q 、2V Q ——在1p 、2p 压力下气体体积流量；0p ——5

1001.1?Pa ；0V Q ——在0p 下气体体积流量

令 2

21p p p += （5） 又p

Q p Q V V 00= （6） 代入公式（3），则)

(2222100p p A L Q p k V -=μ （7） 煤体中瓦斯的渗透能力影响因素如下：

①煤基质解吸收缩对渗透能力的影响

根据傅雪海的研究，在煤层气开发过程中，随着煤储层压力的降低，煤层气发生解吸，煤基质出现收缩，且随着煤级的增加，煤基质收缩系数减小。理论和实践证明，煤储层在排水降压过程中，随着甲烷的解吸、扩散和排出，煤基质收缩，煤储层渗透率得到改善，煤储层的绝对渗透率越大，煤基质收缩效应越明显，且收缩效应引起的渗透率增量与流体压力呈现对数关系。

②有效应力对渗透能力的影响

有效应力等于作用于煤储层的地应力与其孔隙和裂隙内的流体压力之差。煤储层流体压力降低后，在围压不变的情况下，有效应力必然增加。有：

j i e p p -=?σ （8）

式中：e σ?为有效应力增量，i p 和j p 分别是前一状态和后一状态的流体压力。 由此，单位体积煤体的孔隙、裂隙的压缩量为：

)(j i v e p p C -=?φ （9）

式中：v C 为体积压缩系数。

因此，在只考虑储层压力降低的情况下，随着有效应力的增加，煤体被压缩，孔隙率降低，导致煤体渗透性降低。冯增朝（2003a ，2005a ）的研究进一步表明，有效应力对裂隙的变形影响比孔隙的影响要灵敏的多，在煤体的孔隙裂隙双重孔隙系统中，裂隙是决定煤体渗透性强弱的主导因素。

Mckee C R （1988a ）、张新民（2002a ）、董敏涛（2005a ）的研究表明，煤层的渗透率与有效应力呈幂指数的负相关关系，而Somerton （1974a ）、谭学术（1994a ）、王宏图（1999a ）、孙培德（2000a 、2001a ）、鲜学福（2007a ）的研究表明，煤层的渗透率与有效应力呈负指数

关系。

③孔隙瓦斯压力对煤体渗透率测试的影响

傅雪海（2002a ）的研究表明，在有效应力不变的情况下，测试采用的流体压力越小，滑脱效应（或克林伯格效应）越明显，引起的渗透率增量越大。

④煤体力学性质（如强度、弹性摸量等）对渗透能力的影响

陈金刚（2004a ）的研究表明，煤基质收缩能力与其力学参数具有良好的负指数关系，并进一步提出煤基质收缩的根本控制因素是煤本身固有的力学参数，强度大的煤体在开发煤层气过程中的基质收缩变形量较小，煤储层渗透性能改善较弱。

⑤煤体结构类型对煤层渗透能力的影响

钟玲文（2004a ）的研究表明，煤体结构类型对煤层渗透性的影响大于裂隙发育程度的影响，碎裂煤的渗透性最好，其次是原生结构煤，碎粒煤的渗透性差，糜棱煤渗透性最差。对于原生结构煤，煤体结构几乎没有受到构造破坏，煤层的原始结构、构造保存完整，以割理为主，这类煤的渗透能力最好，特别是割理最为发育的中变质阶段煤；碎裂煤中割理依然存在，外生裂隙和继承性裂隙增多，构造应力改造后的裂隙系统可能使渗透率提高，也可能降低，与裂隙发育的方向和充填程度有关；碎粒煤以外生裂隙多组、多方向发育为特征，渗透能力较差，其渗透率一般在23101m μ-?以下；糜棱煤由发育劈理的鳞片状煤和无任何裂隙的土状煤组成，渗透性极差，渗透率在23101.0m μ-?以下。

由于煤的非均质性强，一般采用试井获得渗透率，而不采用在实验室内测试样品的渗透率。渗透率是评价煤层气可采性的重要指标之一。

煤的渗透性比较差，我国煤的渗透性更差，多数矿区的多数煤层属低渗透性煤层。

试井渗透率mD

外国煤层 中国煤层

高渗透率煤层—— ＞10 ＞1

中渗透率煤层—— 1－10 0.1-10

低渗透率煤层—— ＜1 ＜0.1

四、煤层内瓦斯赋存和运移的地质因素

煤层内现今的煤层甲烷（瓦斯）储存量仅是生气量的少部份，各部位的煤层甲烷又处于吸附—解吸和运移的动态平衡状态，所以煤层甲烷（瓦斯）含量大小主要取决于气体的运移与储存条件。煤的变质程度只是影响煤层含气量的一个方面的因素，煤层所处矿区地质条件又是另一方面的因素。因为气体是易运移的流体，所有地质因素，例如：煤层赋存深度、褶皱构造、断裂构造（断层，裂隙）、顶底板渗透性、水文地质、煤质、煤层厚度、岩浆侵入等等，都可以对其产生正面的或者负面的影响。采用“分析主导因素”的方法分析各地质因素。

第四章煤与瓦斯突出特征和机理

一、瓦斯的涌出

1、瓦斯涌出gas emission——瓦斯均匀放散到井下空间。

煤矿采用“绝对瓦斯涌出量”和“相对瓦斯涌出量”两个参数表示涌入全矿井或某煤