第六章

11瓦瓦斯斯地地质质学学主讲主讲11魏国营魏国营教授教授主讲主讲22贾天让贾天让讲师讲师2第一节瓦斯地质规律研究第二节瓦斯含量测定和含量预测第三节矿井瓦斯涌出量预测第四节煤与瓦斯突出危险性预测第六章瓦斯地质规律和瓦斯预测23第一节瓦斯地质规律研究第二节瓦斯含量测定和含量预测第三节矿井瓦斯涌出量预测第四节煤与瓦斯突出危险性预测第六章瓦斯地质规律和瓦斯预测4一、瓦斯地质规律研究是瓦斯预测的基础一、瓦斯地质规律研究是瓦斯预测的基础1.1.概念概念瓦斯地质规律瓦斯地质规律是指瓦斯与地质因素之间内是指瓦斯与地质因素之间内在的本质的联系。在的本质的联系。2.2.地位地位瓦斯地质规律研究瓦斯地质规律研究是瓦斯地质学的核心内是瓦斯地质学的核心内容，是容，是瓦斯预测瓦斯预测、、治理治理的基础。的基础。3.3.外延外延瓦斯赋存状态、瓦斯含量多少、瓦斯压力瓦斯赋存状态、瓦斯含量多少、瓦斯压力大小、煤与瓦斯突出动力现象大小、煤与瓦斯突出动力现象等都受着自身瓦斯等都受着自身瓦斯地质规律的制约；地质规律的制约；瓦斯涌出规律、瓦斯抽采难易瓦斯涌出规律、瓦斯抽采难易及其方法及其方法等都受着瓦斯地质规律的控制。等都受着瓦斯地质规律的控制。第一节第一节瓦斯地质规律研究瓦斯地质规律研究354.4.主要研究观点主要研究观点（（11）不同级别的地质单元都存在着自身的瓦斯地）不同级别的地质单元都存在着自身的瓦斯地质规律。质规律。（（22）揭示瓦斯地质规律首先从主控地质因素入手。）揭示瓦斯地质规律首先从主控地质因素入手。5.5.重要研究内容重要研究内容（（11）构造煤和瓦斯突出煤体基础理论）构造煤和瓦斯突出煤体基础理论（（22）瓦斯赋存构造控制机理）瓦斯赋存构造控制机理（（33）煤与瓦斯突出地质控制机理）煤与瓦斯突出地质控制机理（（44）瓦斯抽采地质控制机理。）瓦斯抽采地质控制机理。6二、瓦斯地质规律与瓦斯含量预测二、瓦斯地质规律与瓦斯含量预测1.1.概念概念瓦斯含量瓦斯含量是指成煤过程中煤层经受地质历史是指成煤过程中煤层经受地质历史演化作用储存在煤层中单位体积或单位质量的煤所含演化作用储存在煤层中单位体积或单位质量的煤所含的瓦斯体积量（的瓦斯体积量（mm33/m/m33或或mm33/t/t）。）。2.2.主要观点主要观点（（11）瓦斯生成）瓦斯生成————成煤条件成煤条件（（22）瓦斯赋存）瓦斯赋存————保存条件保存条件3.3.主要例证主要例证（（11）低瓦斯）低瓦斯————拉张活动、风化剥蚀作用相对强烈拉张活动、风化剥蚀作用相对强烈（（22）高瓦斯）高瓦斯————挤压作用、连续拗陷沉积挤压作用、连续拗陷沉积474.4.影响瓦斯含量大小的主控因素影响瓦斯含量大小的主控因素（（11）地质演化历史）地质演化历史（（22）区域构造背景）区域构造背景低瓦斯低瓦斯————拉张活动、风化剥蚀（华北东部、西北大部）拉张活动、风化剥蚀（华北东部、西北大部）高瓦斯高瓦斯————挤压作用、连续拗陷沉积（华南）挤压作用、连续拗陷沉积（华南）（（33）煤化程度）煤化程度中高变质中高变质低变质低变质RRo,maxo,max66低瓦斯低瓦斯（（44）沉积环境）沉积环境中国石炭－二叠系的煤层，以浅海碳酸盐环境形成中国石炭－二叠系的煤层，以浅海碳酸盐环境形成的煤层，受地下水的径流作用，使得瓦斯含量降低。的煤层，受地下水的径流作用，使得瓦斯含量降低。8三、瓦斯地质规律与瓦斯涌出量预测三、瓦斯地质规律与瓦斯涌出量预测1.1.概念概念瓦斯涌出量是瓦斯涌出量是指在矿井建设和生产过程中指在矿井建设和生产过程中从煤与岩石内涌入采掘空间和抽入管道中的瓦斯从煤与岩石内涌入采掘空间和抽入管道中的瓦斯量，可用绝对瓦斯涌出量和相对瓦斯涌出量两个量，可用绝对瓦斯涌出量和相对瓦斯涌出量两个参数来表示。参数来表示。2.2.主要影响因素主要影响因素（（11）瓦斯地质条件）瓦斯地质条件本煤层、邻近煤层及围岩中的瓦斯含量（（22）开采技术条件）开采技术条件①开采顺序②开采方法59四、煤与瓦斯突出及其主要影响因素四、煤与瓦斯突出及其主要影响因素1.1.意义及观点意义及观点煤与瓦斯突出动力灾害是威胁煤矿安全生产煤与瓦斯突出动力灾害是威胁煤矿安全生产和矿工生命安全最大的灾害，也是世界产煤国家和矿工生命安全最大的灾害，也是世界产煤国家目前面临的国际性技术难题。目前面临的国际性技术难题。煤与瓦斯突出机理研究还处在假说阶段，目煤与瓦斯突出机理研究还处在假说阶段，目前，大多数人认可前，大多数人认可综合作用假说综合作用假说，认为，煤与瓦，认为，煤与瓦斯突出是斯突出是地应力地应力、、煤体中的瓦斯煤体中的瓦斯、、煤的物理力学煤的物理力学性质性质三者共同作用的结果。三者共同作用的结果。10四、煤与瓦斯突出及其主控因素四、煤与瓦斯突出及其主控因素2.2.主控因素主控因素（（11）基础：高瓦斯含量）基础：高瓦斯含量（（22）必要条件：一定厚度的构造煤）必要条件：一定厚度的构造煤（（33）有利地带：压性、压扭性构造带）有利地带：压性、压扭性构造带（（44）主要位置：构造应力相对集中地带）主要位置：构造应力相对集中地带611第一节瓦斯地质规律研究第二节瓦斯含量测定和含量预测第三节矿井瓦斯涌出量预测第四节煤与瓦斯突出危险性预测第六章瓦斯地质规律和瓦斯预测12一、基本概念一、基本概念1.1.煤层瓦斯含量煤层瓦斯含量煤层瓦斯含量是单位质量煤中所含的瓦斯煤层瓦斯含量是单位质量煤中所含的瓦斯体积体积((换算为标准状态换算为标准状态))量，单位是量，单位是mm33/t/t或或cmcm33/g/g。煤层瓦。煤层瓦斯含量也可用单位质量纯煤斯含量也可用单位质量纯煤((去掉煤中水分和灰分去掉煤中水分和灰分))的瓦的瓦斯体积表示，单位是斯体积表示，单位是mm33/t/t，，dafdaf。。2.2.煤层原始瓦斯含量煤层原始瓦斯含量煤层未受采动影响时的瓦斯含量称为煤层未受采动影响时的瓦斯含量称为煤层原始瓦斯含量。煤层原始瓦斯含量。3.残存瓦斯含量残存瓦斯含量煤层受采动影响，已部分排放了瓦斯后煤煤层受采动影响，已部分排放了瓦斯后煤层中剩余的瓦斯含量。层中剩余的瓦斯含量。4.岩层瓦斯含量岩层瓦斯含量单位质量单位质量((或体积或体积))岩石中所含的瓦斯体积。岩石中所含的瓦斯体积。第二节第二节瓦斯含量测定和含量预测瓦斯含量测定和含量预测713一、基本概念一、基本概念第二节第二节瓦斯含量测定和含量预测瓦斯含量测定和含量预测14直接方法直接方法间接方法间接方法地勘方法地勘方法井下方法井下方法按方法特点分按方法特点分按应用范围分按应用范围分二、煤层瓦斯含量的测定二、煤层瓦斯含量的测定815（二）煤层瓦斯含量直接测定方法（二）煤层瓦斯含量直接测定方法1.1.地勘期间煤层地勘期间煤层瓦斯含量测定方法瓦斯含量测定方法解吸法解吸法图6—1密封罐1-罐盖；2-罐体；3-压紧螺丝；4-垫圈；5-胶垫；6-“Ｏ”型密封圈16917ttkVz+=021min/ml4)损失瓦斯量计算煤样解吸测定前损失的瓦斯量取决于煤芯在孔内和空气中的暴露时间和煤样瓦斯解吸规律。试验和理论分析结果表明，煤样在刚开始暴露的一段时间内，累计解吸的瓦斯量与煤样解吸时间的平方根成正比，即：式中Vz——煤样自暴露时起到解吸测定进行时间为t时的瓦斯总解吸体积，ml；t0——煤样在解吸测定前的暴露时间，min；t0=t1+t2;t1——提钻时间（煤样在钻孔的暴露时间），min；t2——解吸测定前煤样在地面的暴露时间，min；t——煤样解吸测定的时间，min；k——比例常数，1002tkV=20VttkV−+=显然，解吸测定测出的瓦斯解吸量V仅为煤样总解吸量Vz的一部分，仅是t0到t那部分解吸量，解吸测定前煤样在暴露时间t0时已损失的瓦斯量由此可得上式为直线方程式，可用最小二乘法求出常数k和V2，V2即为所求的瓦斯损失量。(6-2)20图6—4瓦斯损失量计算图1121５）煤层瓦斯含量计算煤层瓦斯含量是上述各阶段放出的瓦斯总体积与损失瓦斯量之和同煤样重量的比值。即：(6-3)式中W0——煤层原始瓦斯含量，ml/g；V1——煤样解吸测定中累计解吸出的瓦斯量，cm3；V2——推算出的瓦斯损失量，cm3；V3——煤样粉碎前脱出的瓦斯量，cm3；V4——煤样粉碎后脱出的瓦斯量，cm3；G——煤样质量，g。应当指出，各阶段放出的瓦斯量皆应换算为标准状态下的体积。GVVVVW43210+++=2.井下煤层瓦斯含量测定方法抚顺分院在1980～1981年期间，研究提出了钻屑解吸法测定煤层瓦斯含量的方法。方法的原理与地勘钻孔所用解吸法相同。优点：一是煤样暴露时间短，一般为3～5min，且易准确进行测定；二是煤样在钻孔中的解吸条件与在空气中大致相同，无泥浆和泥浆压力的影响。试验表明，煤样解吸瓦斯随时间变化的规律较好地符合下式：v=v1t-k式中v——在解吸时间为t时煤样的解吸瓦斯速度，ml/(g·min)；v1——t=1min时煤样瓦斯解吸速度，ml/g·min；k——解吸速度随时间的衰减系数。12在解吸时间为t时累计的解吸瓦斯量为：（6－5）在测定时从石门钻孔见煤时开始计时，直至开始进行煤样瓦斯解吸测定这段时间即为煤样解吸测定前的暴露时间t0，显然，瓦斯损失量为：（6－6）式中Qs——煤样瓦斯损失量，ml/g；t0——解吸测定前煤样暴露时间，min。ktktkvdttvQ−−∫−==10111kstkvQ−−=1011由式(6－6)可以看出，当k≥1时，无解；因此，利用幂函数规律求算瓦斯损失量仅适用于k＜1的场合，为此在采煤样时应尽量选取较大粒度的煤块。当k≥1时，可以采用地勘期间煤层瓦斯含量测定方法（式6-2）或图解法计算损失瓦斯量。应用该法测定煤层瓦斯含量时，同样需要测定钻屑的现场解吸量Q1和实验室测出的试样粉碎前后瓦斯脱出量Q3和Q4，将Q1＋Q2＋Q3＋Q4值除以钻屑煤样的重量G，即可得到煤层的瓦斯含量，有关Q1、Q3和Q4的测定方法同前。1325(三)煤层瓦斯含量间接测定方法1.根据煤层瓦斯压力和煤的吸附等温线确定煤层瓦斯含量根据已知煤层瓦斯压力和实验室测出的煤对瓦斯吸附等温线，可用下式确定煤层瓦斯含量：式中X──煤层原始瓦斯含量，m3/t；a——吸附常数，试验温度下煤的极限吸附量，m3/t；b——吸附常数，MPa-1；p——煤层绝对瓦斯压力，MPa；Aad——煤的灰分，%；Mad——煤的水分，%；K——煤的孔隙率，m3/m3；γ——煤的视密度，t/m3。100110P110010.31adadadAMabPKWbPM−−=+++··γ262.含量系数法为了减小实验室条件和天然煤层条件的差异所带来的误差，中国矿业大学周世宁院士研究提出了井下煤层瓦斯含量测定的含量系数法，他在分析研究煤层瓦斯含量的基础上，发现煤中瓦斯含量和瓦斯压力之间的关系可以近似用下式表示：式中W——煤层原始瓦斯含量，m3/t；α——煤的瓦斯含量系数，m3/(m3·Mpa1/2)；P——瓦斯压力，MPa。γ——煤的视密度。煤层瓦斯含量系数在井下可直接测定得出。γpWα=14273.根据煤的残存瓦斯含量计算煤层瓦斯含量根据煤的残存瓦斯含量推算煤层原始瓦斯含量是一种简单易行的方法。在正常作业的掘进工作面，在煤壁暴露30min后，从煤层顶部和底部各取一个煤样，装入密封罐，送入实验室测定煤的残存瓦斯含量。如工作面煤壁暴露时间已超过30min，则采样时应把工作面煤壁清除0.2～0.3m深，再采煤样。28若实测煤的残存瓦斯含量在3m3/t·r以下，按下式计算煤的原始瓦斯含量：W0＝1.33Wc（6－11）式中W0——纯煤原始瓦斯含量，m3/t；Wc——实测煤的残存瓦斯含量，m3/t。由式（6-11）看出，这时的瓦斯损失量取为定值25%。当煤的残存瓦斯含量大于3m3/t·r时，用下式计算煤的瓦斯含量：W0＝2.05Wc-2.17（6－12）在所采两煤样中，以实测较大的残存量为计算依据。1529三、深部或某深度处煤层瓦斯含量预测三、深部或某深度处煤层瓦斯含量预测（一）线性回归分析法