瓦斯地质课件.ppt

瓦斯地质,主要内容,一、瓦斯的赋存与成因,二、煤层瓦斯含量的影响因素,三、矿井瓦斯涌出量及等级划分,四、煤与瓦斯突出及其影响因素,五、瓦斯地质图编制,瓦斯地质是70年代后期在我国煤炭行业发展比较快的一个新领域，它是研究煤层瓦斯赋存、运移、分布，矿井瓦斯涌出和煤与瓦斯突出与地质因素的关系，并探明其规律性的边缘学科，是在吸收地质工程和安全技术工程两学科的相关理论，经过生产实践、科学研究和理论提炼，直接应用于资源、环境和煤矿安全生产的新学科。瓦斯地质研究的显著特点是密切联系生产实际，它把煤矿瓦斯涌出和突出分布规律的研究与瓦斯的综合治理结合起来，提高了防治措施的针对性和有效性，更好地发挥了瓦斯防治措施的安全和经济效益。,一、瓦斯的赋存与成因,1、瓦斯的成分与性质瓦斯是指在煤矿生产过程中，从煤层和围岩中泄出的一种多成分的混合气体。瓦斯中甲烷占绝大多数，其次为氮气和二氧化碳，其它成分的含量很少。由于甲烷是矿井瓦斯的主要成分，因此一般矿井所说的瓦斯仅指甲烷而言。 瓦斯是地质作用的产物，它的形成、保存、运移都与地质条件密切相关。,甲烷俗称沼气，为无色、无嗅、无味、无毒，可以燃烧和爆炸的气体。在标准状态下，甲烷对空气的比重比为0.554，比空气轻，聚积在巷道上部，化学性稳定，微溶于水，易于扩散，渗透岩体的能力为空气的1.6倍。当空气中混有516的沼气时，遇高温能引起爆炸。可能产生爆炸的沼气的最低浓度称为爆炸下限，最高浓度称为爆炸上限。,瓦斯的赋存与成因,2、瓦斯的赋存状态两种状态：(1) 游离状态（自由状态）：瓦斯是以自由的气体状态存在于煤体、围岩的孔隙、裂隙或空洞中。瓦斯的分子可以在煤体的孔隙内自由运动。游离状态的瓦斯赋存量的大小，取决于煤、岩层的孔隙度，同时也取决于外界的温度和压力。,瓦斯的赋存与成因,(2) 吸着状态（吸附与吸收两种状态）吸附瓦斯：瓦斯分子被吸附在煤、岩体孔隙的表面，形成一层瓦斯薄膜。薄膜的形成是由于气体分子与固体颗粒之间存在着极大的分子引力。吸附量的大小，取决于煤的孔隙率、变质程度以及外界的温度和压力。吸收瓦斯：瓦斯分子进入煤体内部，瓦斯分子与煤分子紧密地结合成固溶体（这与气体被液体溶解的现象类似）。,瓦斯的赋存与成因,瓦斯在煤体中的赋存状态,瓦斯的赋存与成因,上述两种状态，在一定的温度、压力下，处于动平衡状态：压力增大，温度降低，部分游离瓦斯吸附瓦斯 （吸附过程）压力降低，温度增大，吸附瓦斯部分游离瓦斯 （解吸过程）,瓦斯的赋存与成因,3、瓦斯的成因瓦斯属于天然气范畴，基本上可以分为煤型气和油型气两类：腐植型有机物的主要演化产物为煤和煤型气；腐泥型有机物的主要演化产物为石油和油型气。煤型气是煤矿瓦斯的主要来源。瓦斯成因学说很多，但多数认为煤中的瓦斯是在煤化作用过程中形成的。,瓦斯的赋存与成因,成煤第一阶段（泥炭化阶段），生成的气体物质主要为CH4、CO2和H2O。这一过程发生于地表附近，生成的气体大部分散失于大气中。由于接近地表，多数已在自然状态下逸散；成煤第二阶段（煤化阶段），随着埋深增加，地温升高，在热分解过程中产生大量的甲烷，且易保存。所以，现今煤层中所含的瓦斯大部分是在这个阶段生成的，其赋存量取决于后来的地质变迁。,瓦斯的赋存与成因,二、煤层瓦斯含量的影响因素,1、煤变质程度煤的变质程度，一方面决定着产气的数量，变质程度越高，产气数量越多，瓦斯含量越大；另一方面决定着煤内微孔隙的发育程度，影响着煤对瓦斯的吸附能力。,表4-1,煤层瓦斯含量的影响因素,褐煤虽然孔隙率大，吸附瓦斯的能力强，但产气量小，瓦斯含量不高；长焰煤的孔隙和表面积都比较小，所以吸附瓦斯的能力大大降低，为2030m3/t；随着煤的进一步变质，到无烟煤时其孔隙和表面积都达到最大，吸附瓦斯的能力最强（5060m3/t），又由于无烟煤产气量大，因此瓦斯含量最高；无烟煤石墨阶段，因微孔隙显著收缩，吸附能力逐趋消失，瓦斯含量不高。（图4-3）,煤层瓦斯含量的影响因素,不同变质程度的煤,教材图4-3,煤层瓦斯含量的影响因素,前已述及（表4-1），生成1t无烟煤能产生超过400m3的瓦斯，但今天煤内能储存的瓦斯最多不超过50m3/t。显然，煤内瓦斯含量不仅决定于产气条件，更重要的还取决于储气条件。,2、围岩的透气性煤层和围岩的透气性，决定着瓦斯的储存条件和瓦斯在煤层内的流动特性。煤和围岩的透气性好，有利于瓦斯的运移和排放，煤层瓦斯含量较小，瓦斯分布较均一；反之，煤与围岩的透气性差，不利于瓦斯的运移和排放，有利于瓦斯的保存，煤层瓦斯含量较大，瓦斯分布不均匀。,煤层瓦斯含量的影响因素,3、地质构造地质构造对瓦斯的聚积和排放具有双重作用：在煤层顶板岩性致密、透气性差的条件下，在未受断裂破坏和严重剥蚀的褶皱地区，由于构造的圈闭，至使瓦斯沿煤层向上运移较易，因此背斜顶部较向斜槽部瓦斯相对聚积，瓦斯含量较大，瓦斯压力较高。与之相反，在遭受断裂破坏和严重剥蚀的褶皱地区，由于背斜顶部煤层埋藏较浅，通达地表的断裂发育，有利于煤层瓦斯的排放，因此背斜顶部较向斜槽部瓦斯含量较小，瓦斯压力较低。,煤层瓦斯含量的影响因素,煤层瓦斯含量的影响因素,张性、张扭性断裂，起着排放瓦斯的作用，致使断层附近瓦斯含量减小。局限于煤层附近的、掩伏式压性或压扭性断裂，起着封闭瓦斯的作用，致使断裂附近瓦斯含量增大。,4、煤层的埋藏深度纵向带状分布：随着煤层埋藏深度的增加，瓦斯的成分、含量及其性质也发生相应的变化。由浅而深，可分为四个带：,煤层瓦斯含量的影响因素,教材图4-4,煤层瓦斯含量的影响因素,教材图4-5,煤层瓦斯含量的影响因素,瓦斯风化带深度是随岩层的空气透入条件、上部煤岩层的风氧化情况，以及地下水活动的强弱程度不同而各地差异很大。5、地下水活动活动在煤层裂隙和孔隙中的地下水，不仅侵占了瓦斯的储存空间，排挤出部分游离瓦斯，而且由于水对煤粒的吸附还削弱了煤对瓦斯的吸附能力，在地下水的不断循环过程中煤内瓦斯逐步地被流水带走。因此，在其它条件相同的情况下，地下水活动强烈的矿井瓦斯含量较低，地下水活动微弱的矿井瓦斯含量较高。,煤层瓦斯含量的影响因素,除了上述诸因素外，煤田的暴露程度、煤层的厚度变化、岩浆的侵入活动，以及地区的地质发展历史等都对煤层的瓦斯含量有直接影响。在分析煤层瓦斯含量的影响因素时，要注意各因素的异同，从中筛析出差异较大的因素。,三、矿井瓦斯涌出量及瓦斯等级划分,1、矿井瓦斯涌出现象煤矿开采过程中，煤层和围岩中的瓦斯向采掘空间散放的现象称为瓦斯涌出。按瓦斯散放的形式不同，分为普通涌出和特殊涌出。（1）普通涌出 瓦斯从煤、岩层的孔隙或裂隙中，长期缓慢逸出的现象称为普通涌出。首先涌出的是游离瓦斯，然后吸附瓦斯通过解吸成游离瓦斯而涌出。普通涌出是矿井瓦斯散放的主要形式。,（2）特殊涌出 分为瓦斯喷出和煤与瓦斯突出两大类。瓦斯喷出是指大量承压瓦斯，从煤、岩层的裂隙中，快速喷出的现象。瓦斯喷出伴有咝咝的响声，但不产生煤和岩石抛出的动力现象。煤（岩）与瓦斯突出是指在采掘过程中，在很短的时间内，从采掘工作面内部向工作空间突然喷出大量煤、岩石和瓦斯的现象。它是一种伴有声响和猛烈动能效应的动力现象。,矿井瓦斯涌出量及等级划分,2、矿井瓦斯涌出量矿井瓦斯涌出量是指矿井生产过程中，单位时间内实际涌入采掘空间的瓦斯数量。它只包括普通涌出的瓦斯，而不包括特殊涌出的瓦斯。矿井瓦斯涌出量有两种表示方法：（1）绝对瓦斯涌出量 指矿井在单位时间内涌出的瓦斯数量，单位为m3/d或m3/min。绝对瓦斯突出量一般按全矿井计算，也可根据需要按翼、水平、采区、采面和掘进巷道分别计算，以便掌握涌出量的变化情况。,矿井瓦斯涌出量及等级划分,（2）相对瓦斯涌出量指矿井在正常生产的条件下，月平均日产1t煤的瓦斯涌出量。其计算公式为,矿井瓦斯涌出量及等级划分,式中：q矿井相对瓦斯涌出量，m3/t； Q矿井绝对瓦斯涌出量，m3/d； T矿井瓦斯鉴定月份的煤产量，t； n矿井瓦斯鉴定月的工作日数，d。,由于矿井瓦斯来源不仅是掘进和回采工作面采落煤层中散放的瓦斯，还有各种煤柱、煤壁，岩帮和采空区排出的瓦斯。因此，瓦斯相对涌出量总是比煤层瓦斯含量高。在开采条件和地质条件大致相同时，两者的比值相对稳定。矿井瓦斯涌出量不仅受自然因素的影响，而且还受开采技术因素的制约，因此它比煤层瓦斯含量的影响因素更复杂。,矿井瓦斯涌出量及等级划分,3、矿井瓦斯等级的划分按矿井相对瓦斯涌出量、矿井绝对瓦斯涌出量、工作面绝对瓦斯涌出量和瓦斯涌出形式，划分为三类： 低瓦斯矿井：（同时满足相对量不大于10m3/t；绝对量40m3/min,掘进面3m3/min和采煤面5m3/min。 高瓦斯矿井：具备四个条件之一。 煤与瓦斯突出矿井：凡发生过煤与瓦斯突出矿井。,矿井瓦斯涌出量及等级划分,四、煤与瓦斯突出及其影响因素,1、煤与瓦斯突出的概念煤与瓦斯突出是在矿井采掘过程中，在很短的时间内，从采掘工作面内部向工作空间突然喷出大量煤、岩石和瓦斯的现象。它是一种伴有声响和猛烈力能效应的动力现象，可以摧毁巷道和设备，导致风流逆转，甚至引起瓦斯和煤尘爆炸。,总的来看，我国瓦斯突出的气体绝大多数矿井均为沼气，个别矿井为二氧化碳；突出的固体物主要为煤炭，有时也伴有岩石；绝大多数突出发生在掘进工作面，其中以石门揭穿煤层的强度最大。,煤与瓦斯突出及其影响因素,2、影响煤与瓦斯突出的因素（1）煤层瓦斯含量和瓦斯压力煤内瓦斯仅游离瓦斯显示压力。它和吸附瓦斯处于动平衡状态。如果外界压力突然减小，吸附瓦斯可以迅速解吸，产生大量游离瓦斯，瞬时产生高压释放，破碎煤体和岩石。四川天府矿务局三汇坝一井的特大型突出，把3t重的岩块抛出60m以外，并拐了两个直角弯，可见高压瓦斯搬运力量之大。,煤与瓦斯突出及其影响因素,所以，瓦斯含量高，瓦斯压力大的煤层容易引起突出。目前，世界各国采用0.74MPa的瓦斯压力作为煤层可能突出的危险性指标。关于瓦斯含量，据世界100多个煤田的统计，突出煤层中的瓦斯含量一般均大于8m3/t。,煤与瓦斯突出及其影响因素,（2）地应力在研究煤与瓦斯突出的范畴内，地应力一般理解为采掘前方某一点所受的各向应力。它包括地层的重力，由于采动引起的集中应力，以及地壳运动岩石内积聚的构造应力。地应力在煤与瓦斯突出中的作用，一方面使煤体产生位移和突然破碎，煤由静态度为动态；另一方面影响煤体内部结构，特别是煤的吸附性和透气性，控制着瓦斯的赋存和运动。,煤与瓦斯突出及其影响因素, 地层重力 随着深度的增加而增大。任何突出煤层都是开采到某一深度起才开始发生突出现象，并随着开采深度的增加，突出次数增多、突出强度增大。由此可见，地层重力是控制突出发生和加剧的重要因素之一。 采动集中应力 在井巷周围或采掘工作面前方，由于原始应力平衡状态遭到破坏而出现应力集中。该集中应力一般为原始应力的23倍，在采动集中应力叠加的地段，甚至可高达6倍。因此，在采动集中应力带内，采掘时极易发生突出。放炮震动常是诱发突出的原因。,煤与瓦斯突出及其影响因素, 构造应力 关于构造应力目前有两种认识：一种认为现今地壳中正在聚积构造应力，地震和新构造运动就是构造应力的重要表现形式；另一种认为在变形岩体中还保留着地质历史时期中残留下来的构造应力，称为残余构造应力。构造应力可以保持煤内的高压瓦斯，一旦采掘工程进入构造应力大的地段，原始应力遭到破坏，在采动集中应力和构造应力的共同作用下，煤体迅速破碎，瓦斯突然解吸，导致煤与瓦斯突出。所以，构造应力是煤与瓦斯突出的重要影响因素之一。,煤与瓦斯突出及其影响因素,（3）煤体结构破坏程度煤体结构是指煤层在构造应力作用下所形成的煤的构造结构。具有构造结构的煤称为构造煤。由构造煤的特征可知，在构造力的作用下，煤体首先产生密集的裂隙，使煤破裂；随后，由于碎块间的相互摩擦、挤压和揉搓，使碎块逐渐变小，成为失去棱角的碎粒；最后，在强烈变形和塑性流动的情况下，碎粒还可进一步破碎成细粉，挤压成鳞片状和流动状构造。,煤与瓦斯突出及其影响因素,块煤：节理面与断面,构造煤：断面揉皱,因此，煤体结构可客观地反映煤的破坏状况和突出的难易程度。煤体结构破坏越严重，煤的机械强度就越小，煤的孔隙空间和内表面积就越大。这不仅为瓦斯的聚积创造了条件，提高了煤对瓦斯的吸附和放散速度，而且减少了突出所需的能量，因此遭受构造应力破坏的煤层，尤其是破坏严重的煤层，突出危险程度越高。,煤与瓦斯突出及其影响因素,综上所述，在影响煤与瓦斯突出的三个主要因素中，高压瓦斯是突出的必要条件。没有高压瓦斯，即使地应力再大，煤体结构破坏再严重，也不会发生突出。但是，要保持煤层中的高压瓦斯，又必须有强大的地应力作用于煤层顶底板上才能保持平衡。因此地应力是保持高压瓦斯的前提条件。地层静压力、压性和压扭性的构造应力是适于地层中保持高压瓦斯的地应力；而张性和张扭性的地应力所造成的断裂构造，对附近煤和围岩起卸载作用，有利于高压瓦斯的排放。因此，压性、压扭性应力曾经集中至今尚未松弛的地段，易于发生突出。煤体结构遭受破坏是突出的有利条件。它削弱煤体强度、减少突出所需能量，所以突出常集中出现在地质构造破坏带内。,煤与瓦斯突出及其影响因素,瓦斯地质图,瓦斯地质图是瓦斯地质成果反映。分析瓦斯分布、突出分布特点，计算瓦斯储量、瓦斯区域预测预报的基础图件。瓦斯地质图不仅反映瓦斯内容，也反映与瓦斯赋存与突出分布有关的地质条件。,瓦斯地质图的种类和内容,从型式上分：瓦斯地质柱状图瓦斯地质剖面图瓦斯地质平面图,1.瓦斯地质图的种类,从范围上分：采区瓦斯地质图矿井瓦斯地质图矿区瓦斯地质图全国瓦斯地质图,从内容上分：反映单项瓦斯参数与地质因素关系图瓦斯和相关地质因素叠加图,(1)瓦斯地质柱状图,底图：煤系综合柱状图内容：一般地质内容以外、包括瓦斯特征和煤系地层透气性。,太原西山煤田瓦斯地质柱状图,7 瓦斯地质图,太原西山煤田瓦斯地质柱状图,(2)瓦斯地质剖面图 底图：地质剖面图。 内容：反映某一剖面瓦斯地质特征及邻近瓦斯资料 并附剖面上瓦斯参数变化曲线。,3.瓦斯地质平面图,(1)矿井瓦斯地质图底图：可采煤层底板等高线图，多煤层要分层编制，比例尺：1:2000或1:5000。瓦斯内容：,各种瓦斯参数的材料点(瓦斯含量点、压力点、喷出点、突出点等)；各种瓦斯等值线(瓦斯风化带、瓦斯带界限；各项瓦斯参数在井田范围分区分带线(瓦斯涌出量、瓦斯含量、突出危险块段等)。,地质内容：,井田范围与瓦斯赋存和突出有关的地质条件(煤岩岩性特征、岩层产状、井田地质构造、煤层厚度及其变化、煤质、煤体结构等。可用等值线表示。各项地质因素分区(煤厚、煤质、岩性、构造分区)，变形系数等,(2)矿区瓦斯地质图底图：矿区主采煤层底板等高线图，比例尺1:1-1:5万。内容：与矿井瓦斯地质图基本相似。,各矿井进行瓦斯等级分别区划；基建井要进行瓦斯等级和突出危险性预测不同变质煤按高、中、低进行圈定范围；适当删减一些地质因素；增等值线差值；应配套瓦斯地质剖面图、柱状图。,（1）瓦斯资料整理,收集编图范围内各钻孔的实测煤层瓦斯含量资料，整理分析，填在平面图上；系统收集整理矿井瓦斯涌出资料；整理矿井历年瓦斯突出资料（突出点编号、坐标、突出类型、突出强度、突出瓦斯量、突出孔洞特征、突出点地质特征、突出原因等）；收集瓦斯喷出点、异常涌出点、煤层瓦斯压力测试等。,7.2瓦斯地质图编制方法,（2）地质资料整理,含煤岩系特征煤层围岩岩性及特征；区域和井田地质构造；煤层层数、厚度及变化；煤的变质程度；煤岩产状及变化；煤质和煤体结构；其它地质条件。,（3）瓦斯地质综合分析,定性分析与瓦斯赋存和突出有关的各种地质因素。在诸多因素中筛选主导作用因素，再定量分析不同因素的贡献。,（4）选择合理编图方法,编图步聚,（5）编图注意的问题,瓦斯地质图是一种综合图、系列图；瓦斯地质图应有统一要求（图件种类、图例）；瓦斯地质图要反映预测成果（瓦斯涌出量预测、瓦斯含量预测、突出危险性预测)；瓦斯参量等值线在复杂地质条件下的外推要符合实际情况；兼顾点、线、面统一。,7.3 瓦斯地质图作用7.3.1 矿井瓦斯地质图作用,1.划分出不同级别的瓦斯地质单元2.准确反映矿井瓦斯涌出规律3.准确预测煤与瓦斯突出危险性4.高度集中瓦斯地质信息，综合防治瓦斯灾害,1.划分不同瓦斯地质单元,运用板块构造理论和区域地质演化理论，搞清矿区地质构造在历次构造运动时期在区域地质构造中的大地构造位置。做到区域控制矿区、矿区控制矿井、矿井控制采区、采面，一级一级的控制。,2.准确反映瓦斯涌出规律,要在系统收集、整理建矿以来采掘工作面每日的瓦斯浓度、风量、产量和抽放量的基础上，准确地计算出各个采、掘工作面相对瓦斯涌出量点值。综合绘制出的瓦斯涌出量等值线，预测线，尽可能地反映井田范围内瓦斯涌出量的变化，提供瓦斯涌出规律。,3.准确反映煤与瓦斯突出危险性,矿井瓦斯地质图在综合分析地质因素的基础上，结合瓦斯参数测定结果，在图件上能直观、准确地反映出煤与瓦斯突出危险区域、无突出危险区域。,4. 瓦斯地质信息的综合,矿井瓦斯地质图随着矿井的开拓和延伸，瓦斯地质信息要不断更新和完善。图件能够正确反映矿井目前所有的瓦斯资料、突出危险性资料、瓦斯涌出规律、瓦斯赋存规律，以及瓦斯规律与地质条件的关系，为矿井安全生产提供技术支持和参考。,56,写在最后,成功的基础在于好的学习习惯The foundation of success lies in good habits,谢谢大家荣幸这一路，与你同行ItS An Honor To Walk With You All The Way,讲师：XXXXXX XX年XX月XX日,