瓦斯地质

瓦斯地质

wasi dizhi coalbed gas geology

运用地质理论和方法，研究煤层瓦斯成分成因，赋存、运移规律，煤与瓦斯突出条件及预测，煤成气、煤层气可采性评价的学科。其任务是为煤矿瓦斯防治和煤成气、煤层气开发利用提供地质依据。

简史

瓦斯地质是20世纪70年代蕴酿，80年代在中国建立的新兴学科。它的萌芽期可追朔到20世纪50年代。杨力生在总结1956～1960年大同低瓦斯矿忻州窑矿三次严重瓦斯爆炸事故时发现，它们均与掘进巷道遇断层有关，进而在少数矿井进行瓦斯与地质关系的研究。七八十年代初，随着煤炭工业发展，瓦斯突出事故增加，瓦斯突出与地质条件相关的现象，被更多的通风安全工程技术人员发现，要求地质人员参与研究。中国矿业大学、焦作矿业学院部分地质教师到四川、贵州、山西、吉林、甘肃、河南、湖南和江西等省的突出矿区、矿井进行了气源，赋存及其地质背景的调查，总结了瓦斯突出及其地质条件的初步规律，为防治突出提供了初步依据。1983年，杨力生主持编制《全国瓦斯地质图》。同年12月，煤炭工业部颁发《关于加强瓦斯地质工作的通知》。1985年，中国煤炭学会设立瓦斯地质专业委员会，并在部分煤炭高等学校开设《瓦斯地质》选修课。

在煤和瓦斯突出较严重的其它国家，同样在从事这方面的研究。其中，以前苏联的资料较为丰富。他们在1951年设立了《防止煤与瓦斯突出中央委员会》，苏联科学院地质研究所参加了瓦斯突出与地质条件研究;莫斯科地质勘探学院的А.И.克拉符佐夫(А.И.Кравцов，1967，1973，1980)，乌克兰科学院地质技术力学研究所的В.Е.Забигайло

(1980)，苏联科学院矿产综合开发问题研究所的А.Г.Айруни

(1987)等都有专门的论著出版，其内容涉及瓦斯地质各个方面，包括气体成因、含气形式、瓦斯运移和分带，地质因素对天然气分布影响，煤层瓦斯突出的地质条件，煤的微结构、煤内瓦斯赋存与运移的理论等。1980年，还出版了

三卷《苏联煤田、煤产地内的含气性》，总结了苏联在煤田内对瓦斯的研究成果。

研究内容和方法

瓦斯成分及其成因通过勘探阶段或开采阶段采取煤层和其它含气岩石样品，装入密封罐，然后在实验室脱气，用色谱仪和质谱仪测定气体成分及其同位素，分析它们的成因。多数煤层及其围岩内的气体成分为甲烷、二氧化碳、氮，以及不等量的乙烷、丙烷、丁烷和戊烷等重烃;有的煤田显示有氢、一氧化碳和硫化氢存在;有的含有稀有气体氦、氖、氩、氪和氙。

在瓦斯风化带以下煤层内涌出的气体，甲烷占80%以上，一般在90%左右。因此狭义矿井瓦斯即指甲烷。但也有少数矿井煤层和岩石内涌出的是高浓度的二氧化碳，纯度可达99%左右，并曾发生二氧化碳与煤、二氧化碳与砂岩的突出。

常量的甲烷、二氧化碳和重烃是泥炭在煤化作用过程中产生(见煤成气)。高浓度二氧化碳，根据对中国吉林营城煤矿、和龙煤矿松下坪井和甘肃窑街煤矿三个二氧化碳突出矿井的调查，通过对突出气体的稳定同位素δ13C测定，结合对突出地点地质条件的研究查明，属外来无机成因。营城煤矿与和龙煤矿松下坪井突出气体的δ13C值分别为-9.3‰～11.2‰和-9.3‰～-10.2‰，属火山气。窑街煤矿突出气体的δ13C值为0.37‰～-4.4‰，系岩浆侵入大理岩，使大理岩热分解的产物。

煤内所含氮气一般系随空气混入泥炭，或由植物蛋白质分解而成。

一般认为，煤矿内极少量的一氧化碳与煤的不完全自燃有关。但也有人认为它是有机物分解的产物。А.И.Кравцов认为，煤矿中的硫化氢是硫酸盐水在细菌参与下与甲烷作用而产生。

J. M. Hunt

(1979)认为，腐泥物质在100℃以上的地温作用下，也可以产生硫化氢。硫化氢溶解度高，一般随水溶走。在某些矿井灰岩水中可闻到硫化氢的气味。

А.И.Кравцов认为，氦、氖、氩、氪、氙等稀有气体与氮有固定的比例关系，是空气成因。中国甘肃窑街突出孔检测出的氦气，有人解释属幔源气。

瓦斯赋存瓦斯有三种赋存方式，①游离于煤和岩石的较大的孔隙、裂隙内，其数量的多少，取决于煤和岩石的孔隙率，气体的压力、温度和压缩系数;②吸附于煤中各种大小孔隙的内表面，淮北朱仙庄矿8号煤层用压汞法测得的毛细孔隙率为5.37%，总的孔容为0.0264cm3/g，孔隙总表面积为6.09m2/g，其中直径在0.043μm以下的孔隙容积占总孔容的74%，0.043μm以下的孔隙表面积占总表面积的90%;③溶解于孔隙、裂隙水中，俄罗斯А.Г.Айруни等通过研究认为，煤内气体以储存于煤分子之间的空间者占多数，并称其为固溶或吸收(表1)。并指出了不同煤阶孔隙分布特征(见煤层气)，煤对各种气体的吸附量(表2)。不同煤类的煤对甲烷的吸附量(见煤层气)。

宏观煤岩类型与煤结构破坏类型宏观煤岩类型可反映煤对瓦斯的吸附能力和煤的机械强度。煤结构破坏类型根据煤层是否被构造挤压破坏和破坏程度划分的类型。从外观上分为①未破坏煤，煤层条带、线理构造保存完好，节理稀少;②有破裂，节理较多的煤，煤层层理未被破坏;③角砾状煤;④褶曲揉皱状煤，滑面发育，呈鳞片状;⑤粉状或土状煤。前两种煤无突出危险，后三种煤因强度低，瓦斯放散初速度大，属于突出危险的煤。经调查，这类容易突出的煤在分布上有两种形式，①顺层分布，在井田范围内普遍存在，它位于煤层中部，也可以沿煤层顶、底分布，其空间厚度有变化;②沿某些断层带的上、下盘分布。逆断层的上盘对煤的破坏程度超过下盘。挠曲、正断层的引捩部位等处，也都可发育构造破碎的软煤。

顺层分布的软煤，常是含煤岩系被地应力侧向挤压产生褶皱时，顺层面的弯滑作用于较厚、强度较小的煤层，使其被剪切破坏而形成。若煤层底板岩石和煤同时构成一个滑片，不仅煤层会全部遭到破坏，而且煤层厚度也会发生急剧变化。

顺层滑动产生的软煤和勘探阶段已查明的主要逆断层带产生的软煤均可预测，然而，对局部小构造产生的局部软煤，目前尚难预测。

瓦斯含量和瓦斯压力煤层中瓦斯量的两种量化指标。①瓦斯含量。单位体积或单位重量煤体内瓦斯的体积数，一般用m3/m3煤或m3/t煤表示;由于煤中

内在灰分和水分影响煤对瓦斯的吸附量，因而在勘探阶段换算成cm3/g可燃基。煤层瓦斯含量是矿井通风设计的重要参数，它也可换算成瓦斯压力后成为评价煤层有无突出危险的指标。含量大小又是煤层气气藏贫富的指标。在地质勘探阶段，可采煤层瓦斯含量达8m3/t煤以上的井田，对可采煤层应逐层采样，测定气体组分和含量。采样点分布均匀，在不同构造块段的不同深度各有2～3个采样点，方能绘制可采煤层瓦斯含量等值线图和瓦斯压力等值线图，为评价提供地质依据。②瓦斯压力。煤层内瓦斯的压力是煤层内瓦斯含量的另一种表现形式，是评价煤层有无突出危险的指标(见瓦斯突出危险性评价)。

煤矿开拓、开采阶段在判断煤层有突出危险后，才实施瓦斯测压工作，并按规程在开拓工程揭煤之前进行。

瓦斯地质背景为认识瓦斯赋存和分布规律所需研究的内容。每个矿区各有其特点，应根据特点开展工作。但都离不开研究生气和保存气的有关地质因素。生气因素的研究包括对甲烷含量高的煤层，主要研究煤的牌号、变质作用类型、变质作用的时间;对含高纯度二氧化碳的煤层，需测定二氧化碳稳定同位素δ13C值，同时结合地质条件，作出气源与空间赋存地段的说明;对重烃含量高(4%～5%以上)的煤层，除研究煤的变质阶段外，还需鉴定煤的煤岩显微组分，统计壳质组和腐泥成分的含量。由于煤内瓦斯系自生自储，其生成量远远超过目前保存量，能保存多少取决于成气以后地质条件的变化。因而储气因素的研究，主要包括①煤层直接顶板和直接底板岩石的岩性、透气性、厚度和含水性，对石灰岩，要了解其溶孔、溶洞发育情况;②含煤岩系、煤层露头上直接覆盖岩层岩石的透气性和厚度;③断层的透气性;④煤层埋藏在基岩剥蚀面下的深度，煤层的倾角，相同埋深的煤层通往煤层露头的斜长;⑤含煤岩系经历地壳运动的次数，不同运动的应力性质、方向和形成的具体构造，这些构造在后期运动中的转化，它们对煤层内气体的影响等。

瓦斯地质图用矿井、矿区瓦斯信息和相关的地质资料编绘成的单幅或多幅图件。用以分析和反映瓦斯和地质条件的有机联系，并借以对未开拓区和新区的瓦斯状况作区域性预测。它是研究瓦斯地质必用的手段。其表现方式可根据各矿特点自行设计，通常，以1∶5000的煤层底板等高线图作底图，标绘：

煤层瓦斯含量点与含量值，煤层瓦斯含量等值线;瓦斯测压点和压力值，瓦斯压力等值线;煤和瓦斯突出点及突出强度;瓦斯喷出点和喷出量;瓦斯风化带底界;始突深度标高线等瓦斯信息。当没有瓦斯含量等值线、瓦斯压力等值线时，常用瓦斯相对涌出量等值线反映瓦斯涌出状况，而用比例尺相同的另一幅图反映相关的地质内容。

瓦斯地质评价通过对一个矿井或一个矿区的详细研究，对可采煤层中有无突出危险煤层;煤层瓦斯风化带的深度;煤层的始突深度;突出危险区、突出威胁区和不突出区的空间分布及其地质因素;煤层渗透性系数;分阶段煤内瓦斯储量及其抽排的可行性等问题作出评价。

研究瓦斯地质需要煤田地质学;煤的有机地球化学;区域地质和盆地演化;构造地质学;矿井瓦斯防治和煤层瓦斯抽放技术等知识。瓦斯地质正通过服务于煤矿安全、环境保护和综合利用地下资源而获得发展。