1、烃类气体烃类气体:甲烷及其同系物甲烷及其同系物非烃类气体非烃类气体:二氧化碳、氮气、氢气、一氧化碳、硫二氧化碳、氮气、氢气、一氧化碳、硫化氢和稀有气体氦、氩等。化氢和稀有气体氦、氩等。主要成分是甲烷，其含量一般大于主要成分是甲烷，其含量一般大于80%80%，其他烃类气，其他烃类气体含量极少。体含量极少。非烃类气体含量通常小于非烃类气体含量通常小于20%20%4.1 煤层瓦斯地球化学特征煤层瓦斯地球化学特征 煤岩组分（母质）煤岩组分（母质）煤化程度（煤阶）煤化程度（煤阶）瓦斯成因（生气过程）瓦斯成因（生气过程）埋藏深度及相应的温压条件埋藏深度及相应的温压条件水动力条件和次生作用水动力条件和次生作
2、用4.1 煤层瓦斯地球化学特征煤层瓦斯地球化学特征 4.2 瓦斯赋存状态瓦斯赋存状态q瓦斯在煤体内赋存状态瓦斯在煤体内赋存状态图例图例 瓦斯在煤层内存在状态瓦斯在煤层内存在状态1-1-游离瓦斯；游离瓦斯；2-2-吸收瓦斯；吸收瓦斯；3-3-吸着瓦斯吸着瓦斯 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80-90%80-90%游离瓦斯游离瓦斯10-20%10-20%吸收状态吸收状态吸着状态吸着状态 以自由气体以自由气体分子存在于煤分子存在于煤体或围岩的较体或围岩的较大裂隙、孔隙大裂隙、孔隙和空洞之中。和空洞之中。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作用下，被吸着作用下
3、，被吸着在煤体孔隙的内在煤体孔隙的内表面上。表面上。瓦斯分子进瓦斯分子进入煤体颗粒结入煤体颗粒结构内部，与煤构内部，与煤体固体分子相体固体分子相结合。结合。4.2 瓦斯赋存状态瓦斯赋存状态4.2 瓦斯赋存状态瓦斯赋存状态(一一)吸附态瓦斯吸附态瓦斯煤层瓦斯以煤层瓦斯以吸附方式吸附方式储存于煤层中。储存于煤层中。吸附状态的瓦斯占煤中瓦斯总量的吸附状态的瓦斯占煤中瓦斯总量的80%80%90%90%。煤是一种多孔介质，对瓦斯具有很强的吸附能力。煤是一种多孔介质，对瓦斯具有很强的吸附能力。01234551015202530m 气/m 储层33 美国几个含煤盆地中煤与砂石储气能力的比较（据Kuuskva
4、a等，1989）1圣胡安盆地高挥发分烟煤；2黑勇士盆地中挥发分烟煤；3常规砂岩储层（孔隙度=25%，水饱和度为30%）；4圣胡安盆地中挥发分烟煤；5常规砂岩储层（孔隙度=22.5%，水饱和度为35%）。（二）游离态瓦斯存在于煤体或围岩的较大裂隙、孔隙和空洞之中自由分子存在于煤体或围岩的较大裂隙、孔隙和空洞之中自由分子服从一般气体状态方程，因分子热运动显现出气体压力服从一般气体状态方程，因分子热运动显现出气体压力煤中游离瓦斯的含量不大。煤中游离瓦斯的含量不大。埋深在埋深在3003001 200 m1 200 m范围内的中范围内的中变质煤，其游离瓦斯仅占总含气量的变质煤，其游离瓦斯仅占总含气量的5
5、%5%12%12%。游离瓦斯的含量取决于煤的孔隙（裂隙）体积、温度、压力和瓦游离瓦斯的含量取决于煤的孔隙（裂隙）体积、温度、压力和瓦斯成分及其压缩系数斯成分及其压缩系数 式中：式中：QyQy为游离气含量（为游离气含量（cmcm3 3/g/g）；）；fifi为第为第i i气体摩尔分数，气体摩尔分数，V V为单位质量煤的孔隙体积（为单位质量煤的孔隙体积（cmcm3 3/g/g）；）；p p为气体压力（为气体压力（MPaMPa）；）；KiKi为第为第i i气体的压缩系数。气体的压缩系数。iniiyVpKfQ.4.2 瓦斯赋存状态瓦斯赋存状态 提示：提示：煤体内瓦斯的赋存状态不仅有吸附态和游煤体内瓦斯
6、的赋存状态不仅有吸附态和游离态，还包含有瓦斯的液态和固溶体状态。但是，离态，还包含有瓦斯的液态和固溶体状态。但是，由于由于吸附态和游离态瓦斯所占的比例在吸附态和游离态瓦斯所占的比例在8585以上以上，正常情况下，整体所表现出的特征仍是吸附和游正常情况下，整体所表现出的特征仍是吸附和游离状态瓦斯的赋存特征。离状态瓦斯的赋存特征。4.2 瓦斯赋存状态瓦斯赋存状态一、煤的吸附特征（一）吸附类型（一）吸附类型煤是一种多孔的固体介质，具有很大的内表面积，因而具煤是一种多孔的固体介质，具有很大的内表面积，因而具有吸附气体的能力。有吸附气体的能力。吸附吸附，是指气体以凝聚态或类液态被多孔介质所容纳的一是指气
7、体以凝聚态或类液态被多孔介质所容纳的一种过程种过程。吸附过程吸附过程可分为可分为物理吸附物理吸附和和化学吸附化学吸附两种类型。两种类型。物理吸附物理吸附是由是由范德华力范德华力和和静电力静电力引起的，气体和固体之间的结合较微弱；引起的，气体和固体之间的结合较微弱；物理吸附是物理吸附是快速、可逆快速、可逆的。的。化学吸附化学吸附是由是由共价键共价键引起的，气体和固体之间引起的，气体和固体之间 的结合力很强；化学吸附是的结合力很强；化学吸附是缓慢、不可逆的缓慢、不可逆的。煤对气体的吸附以煤对气体的吸附以物理吸附物理吸附为主体为主体。4.3 煤层瓦斯吸附特征煤层瓦斯吸附特征4.3 煤层瓦斯吸附特征煤
8、层瓦斯吸附特征瓦斯吸附与解吸瓦斯吸附与解吸吸附吸附瓦斯瓦斯游离游离瓦斯瓦斯压力压力温度温度压力压力温度温度(1)(1)瓦斯由吸附状态转化为游离状态的现象，称为解吸；瓦斯由吸附状态转化为游离状态的现象，称为解吸；(2)(2)瓦斯由游离状态转化为吸附状态的现象，称为吸附；瓦斯由游离状态转化为吸附状态的现象，称为吸附；(3)(3)吸附瓦斯与游离瓦斯处于动平衡状态；吸附瓦斯与游离瓦斯处于动平衡状态；(4)(4)外界压力、温度变化，原平衡破坏，重新达到新的平衡状外界压力、温度变化，原平衡破坏，重新达到新的平衡状态；态；吸附平衡吸附平衡在一个封闭系统里，固体颗粒表面同时进行着吸附和解吸两在一个封闭系统里，
9、固体颗粒表面同时进行着吸附和解吸两种相反的过程，即一部分气体由于吸引力而被吸留在表面而种相反的过程，即一部分气体由于吸引力而被吸留在表面而成吸附气相；成吸附气相；被吸附住的气体分子，在热运动和振动的作用下，其动能增被吸附住的气体分子，在热运动和振动的作用下，其动能增加到足以克服吸引力的束缚时，就会离开表面而重新进入游加到足以克服吸引力的束缚时，就会离开表面而重新进入游离气相。离气相。当这两种作用的速度相等（即单位时间内被固体颗粒表面吸当这两种作用的速度相等（即单位时间内被固体颗粒表面吸留的气体分子数等于离开表面的分子数）时，颗粒表面上的留的气体分子数等于离开表面的分子数）时，颗粒表面上的气体分
10、子数目就维持在某一个定量，此时称为气体分子数目就维持在某一个定量，此时称为吸附平衡吸附平衡。这这是一种动态平衡，所达到的状态即为平衡状态。在平衡状态是一种动态平衡，所达到的状态即为平衡状态。在平衡状态时，吸附剂所吸附的气体量与温度与压力有关。时，吸附剂所吸附的气体量与温度与压力有关。4.3 煤层瓦斯吸附特征煤层瓦斯吸附特征aaaaaP/P0P/P0P/P0P/P0P/P011111IV吸附等温线的5种类型4.3 煤层瓦斯吸附特征煤层瓦斯吸附特征吸附类型吸附类型4.3 煤层瓦斯吸附特征煤层瓦斯吸附特征（二）煤的瓦斯吸附理论1单分子层吸附理论Langmuir方程和Henry公式 朗缪尔方程的朗缪尔
11、方程的基本假设条件基本假设条件是：是：吸附平衡是动态平衡吸附平衡是动态平衡；固体表面是均匀的固体表面是均匀的；被吸附分子间无相互作用力被吸附分子间无相互作用力；吸附吸附作用仅形成单分子层作用仅形成单分子层。bPPbaV1其数学表达式为其数学表达式为 LangmuirLangmuir方程的另一种表达方式是方程的另一种表达方式是PPPVVLL讨论：讨论：1 1：吸附剂的内表面积最多有：吸附剂的内表面积最多有10%10%被气体分子覆盖时，即被气体分子覆盖时，即气体平衡压力较低时，气体平衡压力较低时，LangmuirLangmuir方程分母中的方程分母中的b bp p项与项与1 1相比，可以忽略不计，
12、此时的吸附量与压力成正比。即：相比，可以忽略不计，此时的吸附量与压力成正比。即：V=aV=ab bp (4-5)p (4-5)式（式（4-54-5）被称为）被称为亨利亨利（HenryHenry）公式）公式2 2：气体平衡压力很高时，：气体平衡压力很高时，LangmuirLangmuir方程分母中的方程分母中的1 1相对相对于于b bp p项可以忽略不计，即项可以忽略不计，即V Va a，这就是饱和吸附，它反，这就是饱和吸附，它反映了映了a a值的物理意义。值的物理意义。4.3 煤层瓦斯吸附特征煤层瓦斯吸附特征bPPbaV12多分子层吸附理论BET方程在单分子层吸附理论基础上，在单分子层吸附理论
13、基础上，BrunauerBrunauer、EmmettEmmett和和TellerTeller等等人于人于19381938年提出年提出除上述除上述LangmuirLangmuir单分子层模型中的前单分子层模型中的前3 3项假设（即吸附是动态项假设（即吸附是动态平衡，固体表面是均匀的，被吸附分子间无相互作用力）外，平衡，固体表面是均匀的，被吸附分子间无相互作用力）外，还补充了以下假设：还补充了以下假设：被吸附分子和碰撞到其上面的气体分子之间也存在范德华力，发生多层被吸附分子和碰撞到其上面的气体分子之间也存在范德华力，发生多层吸附吸附；第一层的吸附热和以后各层的吸附热不同，而第二层以上各层的吸附热
14、第一层的吸附热和以后各层的吸附热不同，而第二层以上各层的吸附热相同相同；吸附质的吸附和脱附只发生在直接暴露于气相的表面上。虽然吸附是多吸附质的吸附和脱附只发生在直接暴露于气相的表面上。虽然吸附是多分子层的，但不是第一层吸附满时才进行第二层吸附，而是每一层都可能分子层的，但不是第一层吸附满时才进行第二层吸附，而是每一层都可能有有“空着空着”的吸附位，层是不连续的的吸附位，层是不连续的。4.3 煤层瓦斯吸附特征煤层瓦斯吸附特征 这种吸附由这种吸附由BETBET方程描述，方程描述，BETBET方程的二常数方程的二常数表达式为：表达式为：(4-6)(4-6)多分子层吸附理论可以描述前述所有多分子层吸附
15、理论可以描述前述所有5 5种类种类型的吸附等温线，它的一个重要用途是测定固体型的吸附等温线，它的一个重要用途是测定固体的比表面积。的比表面积。0011)(ppCVCCVppVpmm4.3 煤层瓦斯吸附特征煤层瓦斯吸附特征4.3 煤层瓦斯吸附特征煤层瓦斯吸附特征3 3吸附势理论吸附势理论RDRD方程方程吸附是由势能引起的，在固体表面附近存在一个势能场，即吸附势。吸附是由势能引起的，在固体表面附近存在一个势能场，即吸附势。距离固体表面越近吸附势能越高，因此，吸附质的浓度也越高，反之则越距离固体表面越近吸附势能越高，因此，吸附质的浓度也越高，反之则越低。低。吸附势理论对微孔吸附剂的等温吸附作定量描述
16、的方程是吸附势理论对微孔吸附剂的等温吸附作定量描述的方程是Dubinin Dubinin RadushkevichRadushkevich（RDRD）方程，即）方程，即吸附势模型可以描述前述吸附势模型可以描述前述类吸附等温线，适合于孔径较小的物质。类吸附等温线，适合于孔径较小的物质。200lnexpppRTKVV4统计势动力学理论多相吸附模型 单分子层吸附和多分子层吸附理论是基于两相平衡的概念，单分子层吸附和多分子层吸附理论是基于两相平衡的概念，即吸附气相与游离气相之间是平衡的。即吸附气相与游离气相之间是平衡的。CollinsCollins则认为，煤体内部孔隙中的气体分子不是游离的，则认为，煤
17、体内部孔隙中的气体分子不是游离的，而是处于煤分子的电磁场中。正是这种分子力改变了微孔中而是处于煤分子的电磁场中。正是这种分子力改变了微孔中流体的性质。流体的性质。四相平衡的新吸附理论，即四相平衡的新吸附理论，即吸附剂外表的游离气相吸附剂外表的游离气相、单分子单分子层吸附相层吸附相、孔隙气相孔隙气相和和类液相类液相（CollinsCollins，19911991）。该理论）。该理论认为，气体分子与固体分子间的作用力为伦敦色散力，气体认为，气体分子与固体分子间的作用力为伦敦色散力，气体分子之间的作用力为范德华力。分子之间的作用力为范德华力。4.3 煤层瓦斯吸附特征煤层瓦斯吸附特征PV类液气孔隙气单
18、分子层吸附气Langmuir形式等温吸附条件下多孔固体中的三种相态（据傅雪海等，2007）4.3 煤层瓦斯吸附特征煤层瓦斯吸附特征（三）煤对甲烷的吸附能力（三）煤对甲烷的吸附能力煤是一种优良的天然吸附剂，对各种气体具有很强的吸附能煤是一种优良的天然吸附剂，对各种气体具有很强的吸附能力，与常规储层储气机理不同力，与常规储层储气机理不同煤吸附气体的特征和机理存在不同的理解和认识，但均认为煤吸附气体的特征和机理存在不同的理解和认识，但均认为煤吸附甲烷属物理吸附是不争的事实。煤吸附甲烷属物理吸附是不争的事实。大量的吸附试验证明，煤对甲烷等气体的吸附是快速和可逆大量的吸附试验证明，煤对甲烷等气体的吸附是
19、快速和可逆的。的。大量煤样的吸附等温线属大量煤样的吸附等温线属类；只有少数吸附等温线属类；只有少数吸附等温线属类，类，且在压力较高时才会出现。煤吸附气体属单分子层吸附，且在压力较高时才会出现。煤吸附气体属单分子层吸附，用用LangmuirLangmuir方程可以较好地描述绝大部分煤的吸附等温线；方程可以较好地描述绝大部分煤的吸附等温线；虽然有一定误差，但可以满足工程应用要求。虽然有一定误差，但可以满足工程应用要求。4.3 煤层瓦斯吸附特征煤层瓦斯吸附特征总含气量吸附气游离气压力气体体积图4-8 美国黑勇士盆地煤样的吸附等温线（据Collins，1991）4.3 煤层瓦斯吸附特征煤层瓦斯吸附特征
20、（四）影响煤吸附性的因素（四）影响煤吸附性的因素 煤吸附性大小主要取决于煤吸附性大小主要取决于3 3个方面的因素：个方面的因素：煤结构、煤的有机组成和煤的变质程度煤结构、煤的有机组成和煤的变质程度；被吸附物质的性质被吸附物质的性质；煤体吸附所处的环境条件煤体吸附所处的环境条件煤化变质程度；煤中水分；瓦斯成分；瓦斯压力；破坏程度；吸附平衡煤化变质程度；煤中水分；瓦斯成分；瓦斯压力；破坏程度；吸附平衡温度等。温度等。4.3 煤层瓦斯吸附特征煤层瓦斯吸附特征4.3 煤层瓦斯吸附特征煤层瓦斯吸附特征1瓦斯压力的影响 给定温度下，随着瓦斯压力的升高，煤体吸附瓦斯量增大。当瓦斯压力增加到一给定温度下，随着
21、瓦斯压力的升高，煤体吸附瓦斯量增大。当瓦斯压力增加到一定值后，吸附的瓦斯的吸附量增加较缓慢将趋于定值定值后，吸附的瓦斯的吸附量增加较缓慢将趋于定值VL,daf/m3t-1VL,daf/m3t-1图 4-13 温度对吸附性的影响平衡水煤样Shannopin 2号矿Pittsburgh 煤层压力/MPa (b)765432102420168124050030压力/MPa (a)平顶山二1煤，(气煤干燥煤样)403064200510152025304.3 煤层瓦斯吸附特征煤层瓦斯吸附特征2吸附温度的影响 目前的实验研究表明：温度升高，瓦斯分子活性增大，不易被煤体吸附；目前的实验研究表明：温度升高，瓦
22、斯分子活性增大，不易被煤体吸附；同时，已被吸附的瓦斯分子在温度升高时易于获得动能，发生脱附现象，吸附瓦斯同时，已被吸附的瓦斯分子在温度升高时易于获得动能，发生脱附现象，吸附瓦斯量降低。量降低。VL,daf/m3t-1VL,daf/m3t-1图 4-13 温度对吸附性的影响平衡水煤样Shannopin 2号矿Pittsburgh 煤层压力/MPa (b)765432102420168124050030压力/MPa (a)平顶山二1煤，(气煤干燥煤样)403064200510152025303 3瓦斯成分的影响瓦斯成分的影响给定吸附气体、温度条件下的等温吸附线 4.3 煤层瓦斯吸附特征煤层瓦斯吸附
24、量要小，这说明煤对混合气体的吸附不仅与煤的性质有关，还与混附量要小，这说明煤对混合气体的吸附不仅与煤的性质有关，还与混合气体中各组分的组合类型有关。煤对由合气体中各组分的组合类型有关。煤对由COCO2 2与与CHCH4 4、CHCH4 4与与N N2 2组成的混组成的混合气体及合气体及COCO2 2、CHCH4 4、N N2 2的吸附性强弱顺序依次为：的吸附性强弱顺序依次为：COCO2 2COCO2 2+CH+CH4 4 CHCH4 4 CHCH4 4+N+N2 2 N N2 2 。4.3 煤层瓦斯吸附特征煤层瓦斯吸附特征4 4煤的变质程度的影响煤的变质程度的影响 煤的变质程度对煤的瓦斯生成量
25、及比表面积有较大影煤的变质程度对煤的瓦斯生成量及比表面积有较大影响。随着煤变质程度的增加，煤对甲烷的吸附能力先减小，响。随着煤变质程度的增加，煤对甲烷的吸附能力先减小，再变大，呈再变大，呈U U型变化，见下图。型变化，见下图。从中变质烟煤到无烟煤，吸从中变质烟煤到无烟煤，吸附量相应增加附量相应增加。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 4.3 煤层瓦斯吸附特征煤层瓦斯吸附特征从中变质烟煤从中变质烟煤4 4煤的变质程度的影响煤的变质程度的影响 因为随着煤的变质程度的增加，煤的孔隙体积先减小，后变大，煤的孔隙比表面积变化也是先减小后增加。煤的孔隙率随挥发分的变化4.3 煤层瓦斯吸附
26、特征煤层瓦斯吸附特征5煤中水分的影响 水分的增加会使煤的吸附能力降低。水分的增加会使煤的吸附能力降低。=1+0.31W1XgXchXch/Xg0.3920.4660.5180.6170.765图 2-2-5 煤中天然水分对 甲烷吸附量的影响煤内天然水分质量含量W1.00.750.500.2543210图4-13 煤中天然水分对甲烷吸附量的影响4.3 煤层瓦斯吸附特征煤层瓦斯吸附特征图 4-14 干燥煤样与平衡水煤样等温吸附曲线对比图(据叶建平等，1998)VL,daf/m3t-1河北开滦平衡水煤样干燥煤样0123546789 101214108642原煤样(Amoco公司)平衡水煤样(Amoc
27、o公司)干燥煤样(西安分院)河北大城甲烷吸附量甲烷吸附量VL,daf/m3t-1压力/MPa 压力/MPa 1211109876453210246810161412干燥煤样与平衡水煤样等温吸附曲线对比4.3 煤层瓦斯吸附特征煤层瓦斯吸附特征4.3 煤层瓦斯吸附特征煤层瓦斯吸附特征6煤的破坏程度的影响 4.3 煤层瓦斯吸附特征煤层瓦斯吸附特征6煤的破坏程度的影响 解吸解吸:煤中吸附气因储层压力降低或温度升高等而转煤中吸附气因储层压力降低或温度升高等而转变成游离气体的过程叫解吸。变成游离气体的过程叫解吸。煤层解吸特征常用煤层解吸特征常用可解吸率可解吸率（或可解吸量）和（或可解吸量）和解解吸速率吸速
28、率衡量。衡量。4.4 煤层瓦斯解吸特征煤层瓦斯解吸特征（一）解吸率和解吸量我国前期煤田地质勘探我国前期煤田地质勘探瓦斯（煤层气）含量由四部分构成，即瓦斯（煤层气）含量由四部分构成，即损失气量损失气量、现场两小时解吸量现场两小时解吸量、真空加热脱气量真空加热脱气量和和粉碎脱粉碎脱气量气量。解吸率解吸率 损失气量与解吸气量之和与总含气量之比。损失气量与解吸气量之和与总含气量之比。解吸量解吸量 损失气量与现场两小时解吸气量之和，即解损失气量与现场两小时解吸气量之和，即解吸率与实测含气量的乘积。吸率与实测含气量的乘积。4.4 煤层瓦斯解吸特征煤层瓦斯解吸特征4.4 煤层瓦斯解吸特征煤层瓦斯解吸特征沁水
29、盆地中南部煤层甲烷解吸率与煤层埋深的关系沁水盆地中南部煤层甲烷解吸率与煤层埋深的关系沁水盆地中南部煤层甲烷解吸量与煤层埋深的关系沁水盆地中南部煤层甲烷解吸量与煤层埋深的关系（二）解吸速率 单位时间内的解吸气量单位时间内的解吸气量称为称为解吸速率解吸速率。解吸速率受控于煤的组成、煤基块大小、煤化解吸速率受控于煤的组成、煤基块大小、煤化程度和煤的破碎程度。自然解吸条件下解吸速率总程度和煤的破碎程度。自然解吸条件下解吸速率总体表现为快速下降，但初始存在一个加速过程，中体表现为快速下降，但初始存在一个加速过程，中间解吸速率出现跳跃性变化，可能是煤孔径结构影间解吸速率出现跳跃性变化，可能是煤孔径结构影响
31、5MPa平衡压力平衡压力1.0MPa平衡压力平衡压力2.5MPa平衡压力平衡压力4.0MPa4.4 煤层瓦斯解吸特征煤层瓦斯解吸特征（三）构造煤解吸规律平衡压力平衡压力0.5MPa平衡压力平衡压力1.0MPa4.4 煤层瓦斯解吸特征煤层瓦斯解吸特征（三）构造煤解吸规律不同破坏类型解吸速率4.4 煤层瓦斯解吸特征煤层瓦斯解吸特征一、煤层瓦斯含量的基本概念 煤层瓦斯含量煤层瓦斯含量是指单位质量的煤中所含有的瓦斯体积（换算为标是指单位质量的煤中所含有的瓦斯体积（换算为标准状态下的体积），单位是准状态下的体积），单位是cmcm3 3/g/g或或m m3 3/t/t。煤层瓦斯。煤层瓦斯含量也可用单位质量
32、纯煤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)的的瓦斯体积表示，单位是瓦斯体积表示，单位是cmcm3 3/g,daf/g,daf或或m m3 3/t,daf/t,daf。煤层原始瓦斯含量煤层原始瓦斯含量煤层未受采动影响而处于原始赋存状态时，单位质煤层未受采动影响而处于原始赋存状态时，单位质量煤中所含有的瓦斯体积（换算成标准状态下体积量煤中所含有的瓦斯体积（换算成标准状态下体积），称之为煤层原始瓦斯含量，常用），称之为煤层原始瓦斯含量，常用m m3 3/t/t和和cmcm3 3/g/g作作计量单位。计量单位。4.4 煤层瓦斯解吸特征煤层瓦斯解吸特征煤层残存瓦斯含量煤层残存瓦斯
33、含量煤层受采动影响而涌出一部分瓦斯后，单位质量煤煤层受采动影响而涌出一部分瓦斯后，单位质量煤中所含有的换算成标准状态下的瓦斯体积称之为煤中所含有的换算成标准状态下的瓦斯体积称之为煤层残存瓦斯含量。层残存瓦斯含量。煤的可解吸瓦斯含量煤的可解吸瓦斯含量煤自的原始瓦斯含量与煤层残存瓦斯含量之差称为煤自的原始瓦斯含量与煤层残存瓦斯含量之差称为煤的可解吸瓦斯含量。煤的可解吸瓦斯含量。煤的瓦斯容量煤的瓦斯容量煤中瓦斯压力升高时，单位质量煤所能吸附瓦斯的煤中瓦斯压力升高时，单位质量煤所能吸附瓦斯的最大体积（换算为标准状态下的体积），称之为煤最大体积（换算为标准状态下的体积），称之为煤的瓦斯容量。即的瓦斯容量
34、。即a a值值4.4 煤层瓦斯解吸特征煤层瓦斯解吸特征煤层有露头瓦斯易于排放，无露头瓦斯易于保存；煤层有露头瓦斯易于排放，无露头瓦斯易于保存；对同一对同一煤层，瓦斯风化带以下，煤层瓦斯含量随深度加大而增大煤层，瓦斯风化带以下，煤层瓦斯含量随深度加大而增大；在其它条件相同，同一开采深度上，煤层倾角越小，煤在其它条件相同，同一开采深度上，煤层倾角越小，煤层所含瓦斯越多。层所含瓦斯越多。围岩致密完整、不透气时，煤层瓦斯易于保存；反之，煤围岩致密完整、不透气时，煤层瓦斯易于保存；反之，煤层瓦斯易于逸散。层瓦斯易于逸散。煤的变质程度越高，生成的瓦斯量越大。当其它条件相同煤的变质程度越高，生成的瓦斯量越大
35、。当其它条件相同，煤的变质程度越高，煤层瓦斯含量就越大。，煤的变质程度越高，煤层瓦斯含量就越大。一是水力运移逸散作用；二是水力封闭作用；三是水力封一是水力运移逸散作用；二是水力封闭作用；三是水力封堵作用。堵作用。开放性构造是煤层有利于瓦斯的放散，因此开放性构造发开放性构造是煤层有利于瓦斯的放散，因此开放性构造发育的煤层，瓦斯含量就小；封闭性构造，阻断瓦斯放散通育的煤层，瓦斯含量就小；封闭性构造，阻断瓦斯放散通道，相应煤层瓦斯含量大。道，相应煤层瓦斯含量大。煤的形成过程中，经历了漫长的地质年代，期间地层的隆煤的形成过程中，经历了漫长的地质年代，期间地层的隆起或凹陷，覆盖地层加厚或剥蚀，陆相海相的
36、交替变化，起或凹陷，覆盖地层加厚或剥蚀，陆相海相的交替变化，遭受地质构造运动破坏影响等遭受地质构造运动破坏影响等煤的变质程度煤的变质程度影响煤层瓦斯含量的主要因素影响煤层瓦斯含量的主要因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地层的地质史地层的地质史4.5 影响煤层瓦斯含量的主要因素影响煤层瓦斯含量的主要因素（一）煤的变质程度的影响 吸吸附附瓦瓦斯斯量量（m m3 3/t/t ）石墨石墨烟煤烟煤褐煤褐煤无烟煤无烟煤不同变质程度煤对瓦斯的吸附能力示意图不同变质程度煤对瓦斯的吸附能力示意图4.5 影响煤层瓦斯含量的主要因素影响煤层瓦斯含量的主要因素
37、4.5 影响煤层瓦斯含量的主要因素影响煤层瓦斯含量的主要因素（二）围岩条件的影响 煤层围岩煤层围岩是指是指包括煤层直接顶、老顶和直接包括煤层直接顶、老顶和直接底板等在内的一定厚度范围的煤层顶底岩层底板等在内的一定厚度范围的煤层顶底岩层。煤。煤层围岩对瓦斯赋存的影响，取决于它的隔气和透层围岩对瓦斯赋存的影响，取决于它的隔气和透气性能。气性能。当煤层顶板岩性为致密完整的岩石，如页岩、当煤层顶板岩性为致密完整的岩石，如页岩、油页岩和泥岩时，煤层中的瓦斯容易被保存下来；油页岩和泥岩时，煤层中的瓦斯容易被保存下来；顶板为多孔隙或脆性裂隙发育的岩石，如砾岩、顶板为多孔隙或脆性裂隙发育的岩石，如砾岩、砂岩时
38、，瓦斯容易逸散。砂岩时，瓦斯容易逸散。4.5 影响煤层瓦斯含量的主要因素影响煤层瓦斯含量的主要因素（三）地质构造的影响 地质构造对瓦斯赋存影响较大，一方面造成地质构造对瓦斯赋存影响较大，一方面造成瓦斯分布不均衡，另一方面形成了瓦斯储存或瓦瓦斯分布不均衡，另一方面形成了瓦斯储存或瓦斯排放的有利条件。不同类型的构造形迹，地质斯排放的有利条件。不同类型的构造形迹，地质构造的不同部位、不同力学性质和封闭情况以及构造的不同部位、不同力学性质和封闭情况以及构造组合形式，形成不同的瓦斯储存条件。构造组合形式，形成不同的瓦斯储存条件。l 褶曲褶曲l 断层断层l 构造组合等构造组合等4.5 影响煤层瓦斯含量的主
39、要因素影响煤层瓦斯含量的主要因素（四）煤层的埋藏深度的影响 在瓦斯风化带以下，煤层瓦斯含量、瓦斯压在瓦斯风化带以下，煤层瓦斯含量、瓦斯压力和瓦斯涌出量都与煤层埋藏深度有关。力和瓦斯涌出量都与煤层埋藏深度有关。一般而言，煤层中的瓦斯压力随着埋藏深度一般而言，煤层中的瓦斯压力随着埋藏深度的增加而增大的增加而增大。随着瓦斯压力增加，煤中的吸附。随着瓦斯压力增加，煤中的吸附瓦斯逐渐趋于饱和。由此可以推断，在一定深度瓦斯逐渐趋于饱和。由此可以推断，在一定深度范围内，煤层瓦斯含量亦随埋藏深度的增大而增范围内，煤层瓦斯含量亦随埋藏深度的增大而增加；当埋藏深度继续增大时，瓦斯含量增加的幅加；当埋藏深度继续增大
40、时，瓦斯含量增加的幅度将会减缓。度将会减缓。4.5 影响煤层瓦斯含量的主要因素影响煤层瓦斯含量的主要因素4.5 影响煤层瓦斯含量的主要因素影响煤层瓦斯含量的主要因素 个别矿井的煤层，随着煤层埋藏深度的增加个别矿井的煤层，随着煤层埋藏深度的增加瓦斯涌出量反而相对减小瓦斯涌出量反而相对减小。如徐州矿务局大黄山。如徐州矿务局大黄山矿，属于低瓦斯矿井，位处较浅的煤盆地，煤层矿，属于低瓦斯矿井，位处较浅的煤盆地，煤层倾角大，在新、老不整合面上有厚层低透气性盖倾角大，在新、老不整合面上有厚层低透气性盖层，瓦斯主要沿煤层向地表运移。由于煤盆地范层，瓦斯主要沿煤层向地表运移。由于煤盆地范围小，深部缺乏足够的瓦
42、影响煤层瓦斯含量的主要因素（五）煤田暴露程度的影响 暴露式煤田煤系地层出露于地表，煤层瓦斯易于暴露式煤田煤系地层出露于地表，煤层瓦斯易于沿煤层露头排放。而隐伏式煤田如果盖层厚度较大，沿煤层露头排放。而隐伏式煤田如果盖层厚度较大，透气性又差，则煤层瓦斯保存条件好；反之，若覆盖透气性又差，则煤层瓦斯保存条件好；反之，若覆盖层透气性好，容易使煤层中的瓦斯缓慢逸散，煤层瓦层透气性好，容易使煤层中的瓦斯缓慢逸散，煤层瓦斯含量一般不大。斯含量一般不大。在评价一个煤田的暴露情况时，不仅要注意该煤在评价一个煤田的暴露情况时，不仅要注意该煤田田目前目前的暴露程度，还要考虑到成煤整个地质的暴露程度，还要考虑到成煤
43、整个地质历史时历史时期内期内煤系地层的暴露及瓦斯风化过程的情况。煤系地层的暴露及瓦斯风化过程的情况。4.5 影响煤层瓦斯含量的主要因素影响煤层瓦斯含量的主要因素 如红阳煤田三井开采石炭如红阳煤田三井开采石炭-二叠系煤层，煤层露头上二叠系煤层，煤层露头上部有巨厚的侏罗系及古近纪、新近纪和第四系沉积地层覆部有巨厚的侏罗系及古近纪、新近纪和第四系沉积地层覆盖，盖，1313号煤层露头的埋藏深度达号煤层露头的埋藏深度达7007001100m1100m。尽管煤层埋。尽管煤层埋藏深度如此巨大，接近露头部分的煤层瓦斯含量仍然很小。藏深度如此巨大，接近露头部分的煤层瓦斯含量仍然很小。这主要是因为，在晚侏罗世地层
44、覆盖之前，从晚古生代到这主要是因为，在晚侏罗世地层覆盖之前，从晚古生代到晚侏罗世之间的漫长地质时期内，区内地壳上升，含煤地晚侏罗世之间的漫长地质时期内，区内地壳上升，含煤地层出露地表，遭受强烈地风化剥蚀作用。层出露地表，遭受强烈地风化剥蚀作用。红阳煤田三井地质剖面红阳煤田三井地质剖面4.5 影响煤层瓦斯含量的主要因素影响煤层瓦斯含量的主要因素（六）地下水活动的影响 地下水与瓦斯共存于煤层及围岩之中，运移和赋地下水与瓦斯共存于煤层及围岩之中，运移和赋存都与煤、岩层的孔隙及裂隙通道有关。地下水的运存都与煤、岩层的孔隙及裂隙通道有关。地下水的运移，一方面驱动着裂隙和孔隙中瓦斯的运移，另一方移，一方面
45、驱动着裂隙和孔隙中瓦斯的运移，另一方面又带动溶解于水中的瓦斯一起流动。尽管瓦斯在水面又带动溶解于水中的瓦斯一起流动。尽管瓦斯在水中的溶解度仅为中的溶解度仅为1%1%4%4%，但在地下水交换活跃的地区，但在地下水交换活跃的地区，水能从煤层中带走大量的瓦斯，使煤层瓦斯含量明显水能从煤层中带走大量的瓦斯，使煤层瓦斯含量明显减少。同时，水吸附在裂隙和孔隙的表面，还减弱了减少。同时，水吸附在裂隙和孔隙的表面，还减弱了煤对瓦斯的吸附能力。因此，煤对瓦斯的吸附能力。因此，地下水的活动有利于瓦地下水的活动有利于瓦斯的逸散斯的逸散。地下水和瓦斯占有的空间是互补的，这种。地下水和瓦斯占有的空间是互补的，这种相逆的
46、关系，常表现为水量大的地带，瓦斯量相对较相逆的关系，常表现为水量大的地带，瓦斯量相对较小，反之亦然。小，反之亦然。4.5 影响煤层瓦斯含量的主要因素影响煤层瓦斯含量的主要因素（1）在邯郸矿区以鼓山）在邯郸矿区以鼓山紫山背斜为界，在紫山背斜为界，在鼓山鼓山紫山背斜西翼煤层较多露头，且大中紫山背斜西翼煤层较多露头，且大中型断层发育，若干条较大断层使奥陶系灰岩型断层发育，若干条较大断层使奥陶系灰岩与含煤地层接触，与与含煤地层接触，与2#煤层发生水力联系，煤层发生水力联系，瓦斯处于地下水强径流范围，造成鼓山以西瓦斯处于地下水强径流范围，造成鼓山以西的矿井煤中瓦斯大多逸散，矿井瓦斯含量低，的矿井煤中瓦斯
47、大多逸散，矿井瓦斯含量低，鼓山鼓山紫山背斜西翼的云驾龄、郭二庄煤矿紫山背斜西翼的云驾龄、郭二庄煤矿为瓦斯矿井。为瓦斯矿井。（2）在鼓山）在鼓山紫山背斜东翼，大中型断裂不紫山背斜东翼，大中型断裂不甚发育，而且断裂构造主要为不含水构造，甚发育，而且断裂构造主要为不含水构造，发生的是水力封闭控气作用，特别是在一些发生的是水力封闭控气作用，特别是在一些边界断层，具有挤压、逆掩性质，成为隔水边界断层，具有挤压、逆掩性质，成为隔水边界，奥灰水只有补给和径流无排泄特点，边界，奥灰水只有补给和径流无排泄特点，地下水处于停滞状态，有利于封闭瓦斯，鼓地下水处于停滞状态，有利于封闭瓦斯，鼓山山紫山背斜东翼的临漳、亨
48、健、陶一、陶紫山背斜东翼的临漳、亨健、陶一、陶二为高瓦斯、突出矿井。二为高瓦斯、突出矿井。向斜、背斜正断层05km北云驾岭矿郭二庄矿临漳矿亨健矿邯郸市陶二矿陶一矿武安市武安断层河渠断层紫山鼓山断层F1F20F32紫泉断层半个山断层胡峪断层4.5 影响煤层瓦斯含量的主要因素影响煤层瓦斯含量的主要因素（七）岩浆活动的影响岩浆侵入含煤岩系或煤层，在岩浆热变质和接触变质的影响下，岩浆侵入含煤岩系或煤层，在岩浆热变质和接触变质的影响下，煤的变质程度升高，瓦斯的生成量和吸附能力增大。煤的变质程度升高，瓦斯的生成量和吸附能力增大。在缺少隔气盖层或封闭条件不好时，岩浆的高温作用可以强化煤在缺少隔气盖层或封闭条
49、件不好时，岩浆的高温作用可以强化煤层瓦斯排放，使煤层瓦斯含量减小。层瓦斯排放，使煤层瓦斯含量减小。由于岩脉蚀变带裂隙增加，造成风化作用加强，可逐渐形成裂隙由于岩脉蚀变带裂隙增加，造成风化作用加强，可逐渐形成裂隙通道，有利于瓦斯的排放。通道，有利于瓦斯的排放。岩浆岩体有时会使煤层局部被覆盖或封闭，形成隔气盖层，瓦斯岩浆岩体有时会使煤层局部被覆盖或封闭，形成隔气盖层，瓦斯得以保存得以保存岩浆活动对瓦斯赋存既有生成和保存作用，在某些条件下又会增岩浆活动对瓦斯赋存既有生成和保存作用，在某些条件下又会增加瓦斯逸散的可能性。因此，在研究岩浆活动对煤层瓦斯的影加瓦斯逸散的可能性。因此，在研究岩浆活动对煤层瓦
50、斯的影响时，要结合地质背景作具体分析。响时，要结合地质背景作具体分析。4.5 影响煤层瓦斯含量的主要因素影响煤层瓦斯含量的主要因素 总的来看，总的来看，岩浆侵入煤层有利于瓦斯生成和保存的现象比较岩浆侵入煤层有利于瓦斯生成和保存的现象比较普遍普遍。如辽宁北票煤田的东西两翼有强烈的岩浆活动，位于煤如辽宁北票煤田的东西两翼有强烈的岩浆活动，位于煤田东翼的三宝矿一井和西翼的台吉四井，岩浆侵入体呈岩墙、田东翼的三宝矿一井和西翼的台吉四井，岩浆侵入体呈岩墙、岩床、岩脉和岩株等产状侵入煤系地层。其中沿煤层侵入的岩床、岩脉和岩株等产状侵入煤系地层。其中沿煤层侵入的岩床对瓦斯赋存和煤与瓦斯突出影响显著，一是岩床
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