瓦斯基础知识2

第一节矿井瓦斯概述

瓦斯：矿井中主要由煤层气构成的以甲烷为主的有害气体，有时单独指甲烷。它是种无色、无味、无臭、无毒的气体，对空气的相对密度为0.554。因比空气轻，所以常积聚于巷道的顶部、上山独头或冒落高顶处。它微溶于水，不助燃也不能供呼吸，但空气中沼气含量过大时，因缺氧会使人窒息。沼气的分子直径很小，扩散能力比空气大1.6倍，易从煤岩层穿过而进入井巷中。纯沼气不燃烧也不爆炸，只有和适当的空气混合后才有燃烧性和爆炸性。瓦斯的爆炸界限为5%～16%。

尽管煤矿瓦斯具有窒息性、燃烧性和爆炸性，若将井下空气中的瓦斯含量控制在安全含量以下，并杜绝一切引燃引爆的火源，煤矿瓦斯的窒息、燃烧或爆炸事故是可以避免的。

一、煤层瓦斯的生成及分带

1、煤层瓦斯的生成

⑴煤层瓦斯组分

为主的有毒、有害气体的总称。有时单指甲烷。

矿井瓦斯是指井下以甲烷CH

4

矿井瓦斯是成煤过程中的一种伴生产物。古代植物遗体在形成泥炭过程中，由于厌氧菌的作用，植物的纤维质被分解、发酵，逐渐生成腐植酸和沥青质，同时生成瓦斯；此后，在煤的炭化变质过程中，随着化学成分和结构的变化，泥炭转变成褐煤、烟煤和无烟煤，同时继续有大量瓦斯伴随生成。在长期的地质年代里，由于地层变动造成的断裂和裂隙，部分瓦斯逸散到大气中去，另一部分则被保存在煤体和围岩之中。

矿井瓦斯是各种气体的混合物，其成分是很复杂的，它含有甲烷、二氧化碳、氮和数量不等的重烃以及微量的稀有气体等，但主要成分是甲烷。因此，习惯上所说的矿井瓦斯就是指甲烷而言。国内外对煤层瓦斯组分的大量测定表明，煤层瓦斯有约20种组分：甲烷及其同系烃类气体（乙烷、丙烷、丁烷、戊烷、己烷等）、二氧化碳、氮、二氧化硫、硫化氢、一氧化碳和稀有气体（氦、氖、氩、氪、氙）等。其中甲烷及其同系物和二氧化碳是成煤过程的主要产物。当煤层赋存深度大于瓦斯风化带深度时，煤层瓦斯的主要组分（>80%）是甲烷。

⑵煤层瓦斯的生成

煤是一种腐植型有机质高度富集的可燃有机岩，是植物遗体经过复杂的生物、地球化学、物理化学作用转化而成。从植物死亡、堆积到转变为煤要经过一系列演变过程，这个过程称为成煤作用。在整个成煤过程都伴随有烃类、二氧化碳、氢和稀有气体的产生。结合成煤过程，大致可划分为两个造气时期，即生物化学造气时期和煤化变质作用造气时期。

①生物化学造气时期

这是成煤作用的第一阶段，即泥炭化或腐泥化阶段。在该阶段，植物在泥炭沼泽、湖泊或浅海中不断繁殖，其遗体在微生物参加下不断分解、化合和聚积。在这个阶段中起主导作用的是生物化学作用，低等植物经生物化学作用形成腐泥，高等植物形成泥炭。在泥炭化过程中，有机组分的变化是十分复杂的。一般认为，泥炭化过程的生物化学大致分为两个阶段：第一阶段，植物遗体中的有机化合物，经过氧化分解和水解作用，转化为简单的化学性质活

泼的化合物；第二阶段，分解产物相互作用进一步合成新的较稳定的有机化合物，如腐植酸、沥青质等。

植物各有机组分抵抗微生物分解的能力不同。以植物中主要组分之一的纤维素为例，当存在需氧性细菌时，可把纤维素水解为葡萄糖等单糖，单糖进一步分解为二氧化碳和水；当环境逐渐转化为缺氧时，纤维素、果胶质又可在厌氧细菌作用下，产生发酵作用，形成甲烷、水、丁酸、醋酸等。其化学反应式可描述如下：

②煤化变质作用造气时期

这是成煤作用的第二阶段，即泥炭、腐泥在以温度和压力为主的作用下变化为煤的过程。在该阶段中，由于埋藏较深且覆盖层已固化，故在压力和温度影响下，泥炭进一步变为褐煤，褐煤再变为烟煤和无烟煤。

煤的有机质基本结构单元是带侧键官能团并含有杂原子的缩合芳香核体系。在煤化作用过程中，侧键官能团因断裂、分解而减少，芳香核环数则不断增加，芳香核纵向堆积加厚，排列逐渐趋于有序化，从而造成有机质一系列物理的和化学的变化。在芳香核缩合和侧键与官能团脱落分解过程中，伴随有大量烃类气体的产生，其中主要的是甲烷。

成煤作用各阶段形成甲烷的示意反应式可描述如下：

一般认为，在埋藏深度小于1000m条件下，地温低于50℃时，泥炭变为褐煤。这一阶段，仍以生物化学作用为主，可以产生甲烷、乙烷和丙烷等。随着埋藏深度增大，地温进一步升高到50～160℃时，细菌的生化作用已不明显，由温度产生的热分解起决定作用，这时煤化作用处于长焰煤到瘦煤的阶段，以甲烷为主的烃类物质大量产生。热模拟煤化过程的试验表明，两次甲烷生气高峰皆出现在该阶段内，甲烷产生量在焦煤时期达最高值。在焦煤和部分肥煤阶段是重烃产率最高的时期，也是液态烃主要的产出阶段。该阶段产气的特点是甲烷与重烃兼生并存。当埋藏深度达6000～7000m时，地温超过160～200℃，贫煤转变为无烟煤。在该阶段，由于有机质芳香化程度和苯环缩聚大为增加，大部分富氢侧键脱落，以及先期生成的重烃在高温下裂解等，均可导致甲烷生成。在该阶段生成的气体组分中，甲烷占绝对优势。

③煤层瓦斯生成规模

煤矿开采实践表明，煤层瓦斯含量一般不超过20～30m3/t，成煤过程生成瓦斯的绝大部

分已逸散入大气中，扩散到煤层围岩或运移至储气构造的形成煤成气田。

2、煤层瓦斯沿深度的带状分布

在漫长地质年代中，变质作用过程中生成的瓦斯在其压力差与浓度差的驱动下不断向古大气中运移，而地表空气通过渗透和扩散也不断向煤层深部运移，这就导致沿煤层垂深出现

了特征明显的四个分带，即CO

2-N

2

带、N

2

带、N

2

-CH

4

带和CH

4

带，见图3-1。按照各带的成因

和组分变化规律，第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ带又统称为瓦斯风化带，第Ⅳ带称为甲烷带。

图3-1 煤层瓦斯垂向分带图

Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ—瓦斯风化带；Ⅳ—带称为甲烷带

确定瓦斯风化带和甲烷带的深度是很重要的，因为在甲烷带内，煤层中瓦斯含量、瓦斯压力以及在开采条件变化不大的前提下的瓦斯涌出量都随着深度的增加而有规律地增大。研究这些规律及影响因素，是防治矿井瓦斯灾害的基本工作之一。

二、瓦斯在煤层中的赋存状态

瓦斯在煤层及围岩中的赋存状态有两种，一种是游离状态（也称自由状态），另一种是吸附状态，如图3-2所示。

图3-2 煤层瓦斯赋存状态示意图