第一章 緒論
瓦斯地質學的概念、研究內容、研究的目的和意義，研究的方法：
瓦斯地質學是研究煤層瓦斯的形成、賦存和運移以及瓦斯地質災害防治理論的交叉學科。研究的內容包括：煤層瓦斯的形成過程研究或者說煤層瓦斯組成與煤級的關係研究；瓦斯在煤層內的賦存與運移；煤與瓦斯突出機理研究；構造煤特征研究；地質構造控製煤與瓦斯突出理論；煤與瓦斯突出預測方法與控製措施；瓦斯資源地麵開發；瓦斯地質圖編製。研究的意義：瓦斯是影響煤礦安全生產的有害氣體，控製瓦斯湧出量、減少煤與瓦斯突出動力災害，可以提高煤礦安全性；瓦斯是溫室效應氣體，同時是清潔能源，提高煤層瓦斯抽采率可以保護大氣環境，提高資源利用率。研究的方法：利用地質統計法、鑽探、探掘、地球物理方法，結合煤田地質、構造地質和水文地質等理論綜合研究。
（一）、煤層氣和瓦斯的概念
近來，人們采用術語“煤層氣”一詞，意指賦存在煤層裏的天然氣。此術語翻譯自英語“coalbed gas”。如果討論“煤層氣”的成分，則包含甲烷、重烴、二氧化碳、氮等多種氣體成分。如果計算“煤層氣”的含量或資源量（儲量），又僅指甲烷一種氣體的量。“瓦斯”是我國采煤界習慣用的術語。廣義上講，瓦斯是煤礦井下除大氣以外的氣體的總稱,包含：賦存在煤層及岩層裏並湧入到礦井的天然氣、礦井生產過程中生成的炮煙和其它廢氣、井下各種化學及生物化學反應生成的氣體、深源放射性物質蛻變生成的氣體、自地下水釋放出的氣體等多種來源的氣體。包括：甲烷（CH4）、重烴（即乙烷C2H6、丙烷C3H8、丁烷C4H5）、氫（H2）、二氧化碳（CO2）、一氧化碳（CO）、二氧化氮（NO2）、二氧化硫（SO2）、硫化氫（H2S）等。
“瓦斯”一詞的常用含義有以下兩種：
1, 煤礦井下工程裏的甲烷（CH4），又稱沼氣，有時還指二氧化碳（CO2）；在確定“瓦斯風化帶”時又指甲烷、二氧化碳和氮(N2)三種氣體。通常所稱的“瓦斯湧出量”往往僅指甲烷一種氣體的湧出量，不包含二氧化碳和氮的量。
2，賦存在煤層和岩層裏，尚未湧入礦井的天然氣。在分析其成分時，通常隻分析甲烷（CH4）、二氧化碳（CO2）、氮(N2)等三種氣體成分，有時還分析重烴；特殊需要時才分析其他氣體成分。通常所稱的 “煤層瓦斯含量”又僅僅指甲烷一種氣體的含量，所稱的“瓦斯資源量（儲量）”也僅僅指甲烷一種氣體的資源量（儲量）。如果計算二氧化碳含量，則需說明。
（二）“瓦斯抽采（放）”和“煤層氣地麵開發”
自上世紀50年代我國煤礦開始從待采煤層裏先抽放瓦斯，現在國家要求所有高瓦斯礦井都必需“先抽後采”，保證安全采煤；還要求利用抽出的瓦斯，減少向大氣排放瓦斯。為此將“瓦斯抽放”改稱“瓦斯抽采”。近來我國瓦斯抽采量大幅度增加。
自上世紀70年代美國開始“煤層氣地麵開發”試驗，取得商業化開發成功。我國研究與試驗“煤層氣地麵開發”始於上世紀80年代。目前進展最好的試驗區在山西省沁水盆地東南的晉城礦區。
“瓦斯抽采”與“煤層氣地麵開發”兩類采氣方法的根本區別是：
瓦斯抽采——在煤礦已開拓的地區，從煤礦井下，也可以從地麵抽采已受過采掘影響的煤層中的瓦斯；其首要任務是保障煤礦生產安全，同時利用被抽采出來的瓦斯。抽采規模取決於采煤的需要。抽采瓦斯的成本主要或全部被計入采煤成本。
煤層氣地麵開發——在未建煤礦或煤礦未開拓的地區，引用開采常規天然氣的技術從地麵開采尚處於自然狀態下的煤層氣；其任務是煤層氣資源開發利用，當然也將有利於將來在該地區安全采煤。煤層氣地麵開發必需達到商業性開發的規模。
這兩種方法開采與利用甲烷都將減少向大氣排放甲烷，具有重要的環境意義。
第二章 煤層瓦斯的形成理論
一、煤的形成與演化
1，成煤母質——植物（低等、高等）
2，成煤環境——泥炭沼澤
3，地質構造條件——緩慢下沉
4，成煤作用階段——
第一階段：泥炭化作用階段,植物殘體經生物-地球化學作用演化成泥炭;
第二階段：煤化作用階段, 泥炭經地球化學作用演化成煤.
由褐煤演化成煙煤，再到無煙煤，稱為“煤變質作用”。
植物——→泥炭——→ 褐煤——→煙煤——→無煙煤——→石墨
∣←泥炭化作用→∣←———— 煤化作用 ———→ ∣石墨化作用
∣←—— 變質作用———→∣
二、煤的成分和種類
煤是自然界成分最複雜的一類岩石，屬沉積岩中的生物化學岩類。
1，煤是三相物質的複合物，又是有機質和無機質的複合物
固相——有機顯微組分（macerals）和礦物（minerals）；
液相——水和極微量的液態烴（石油）；
氣相——瓦斯（甲烷、二氧化碳、氮）。
其中有機顯微組分、液態烴和甲烷屬有機質；礦物、水、二氧化碳、氮屬無機質。所以煤是有機質和無機質的複合物。
①當然有機質是煤中主要成分。有機顯微組分（macerals）是用顯微鏡可識別的基本單元。有機顯微組分被劃分為三組：鏡質組（vitrinite group）、惰質組（inertinita goup）、殼質組（exinite group）。其中鏡質組是主要組分，通常占70％以上。
由這三組顯微組分組成四種有機宏觀組分（lithotypes）：
鏡煤（vitrain）——幾乎全由鏡質組組分組成；
亮煤（clarain）——大部分由鏡質組組分組成；
暗煤（durain）——少部分由鏡質組組分組成；
絲炭（fusain）——由惰質組組分中的絲質體組成；
②從煤裏已發現的礦物種類雖然很多（經文獻報道的礦物超過150種），常見的礦物種類並不多，如：粘土類礦物、黃鐵礦、石英、方解石, 菱鐵礦等。礦物常成為碎屑或碎屑集合體形態分散在有機顯微組分之間，多數礦物的顆粒微小，呈球粒、結核、透鏡體、條帶等等形態；還有一些亞微米-納米級的礦物微粒鑲嵌在有機顯微組分內部。
通常用煤燃燒後的固體殘渣灰分產率（質量分數，％）近似代表煤中無機質的質量分數；可燃物質的質量分數則近似代表有機質的質量分數。按煤炭勘探規範的規定，煤的灰分產率低於40％，方可參與煤炭資源量（儲量）計算。
2，煤的元素組成——從煤中共檢測出86種元素。
按元素的含量，分為常量元素（含量＞1‰）和微量元素（含量＜1‰）兩大類：
常量元素12 種：碳、氫、氧、氮、硫、鈣、鎂、鋁、鐵、鈉、鉀、矽。
其中碳、氫、氧、氮和少部分硫是組成有機質的主要元素；
其餘是組成無機質的主要元素
3，煤的化學結構
煤的分子結構很複雜，到目前為止，人們對煤結構的認識還屬於假說。
通常認為，煤的基本結構是由芳香族為核心及其周圍的官能團和側鏈組成。芳香族核心由苯環組成。
官能團和側鏈有：含氧官能團、含氮官能團、含硫官能團、烷基側鏈等
隨煤化程度的增加，苯環增加，官能團和側鏈脫落。
煤氣和煤油就是脫落的官能團和側鏈重新組合而成。
4，煤的工業分類——
根據煤的用途，煤被分為3大類，17小類：
褐煤——褐煤一號、褐煤二號
煙煤——長焰煤、氣煤、1/3焦煤、氣肥煤、肥煤、焦煤、瘦煤、貧瘦煤、貧煤、不粘煤、弱粘煤、中粘煤
無煙煤——無煙煤三號、無煙煤二號、無煙煤一號
劃分煤類的指標是：揮發分析出率和粘結性。
揮發分析出率——揮發分（volatile matter，代號V）是煤樣品在特定條件下受熱分解出來的液體（蒸氣狀態）和氣體產物，揮發分占樣品的質量分數稱為“揮發分析出率”，或“揮發分產率”。
粘結性——煤幹餾時粘結其本身的或外來的惰型物質的能力。
三、瓦斯的生成
在煤形成與演化的全過程中，固相煤物質演化的同時產出氣體（瓦斯）。
按成因，煤型（成）氣包括“生物成因氣”和“熱成因氣”。
生物成因氣——在泥炭化作用階段，沼澤裏的植物殘體主要受生物化學作用轉化為泥炭，同時產出的氣稱“生物成因氣”。現今煤層裏不可能保存有這種氣。
熱成因氣——在煤化作用階段，固相煤物質主要因受熱發生複雜的物理化學變化，同時產出的氣稱“熱成因氣”。 現今煤層裏的氣應該屬這種氣。
下圖簡明表述了煤成（型）氣的生成：
生物成因又包括原生生物成因和次生生物成因。原生生物成因發生於泥炭到褐煤階段，纖維素首先水解為單糖，單糖發酵生成酸、二氧化碳、氫氣和甲烷，二氧化碳和氫氣在甲烷菌作用下形成甲烷；次生生物成因發生於煤層後期抬升階段，化學反應特征類似於原生生物成因。
2 瓦斯的熱成因
討論問題：
現今煤岩組分的含氫量，以及生烴模擬試驗結果僅僅表明現今煤岩組分具有的生烴潛能的強弱。如若設想：現今的煤將來再次經受變質作用，各有機煤岩組分的生烴潛能才可能發揮出來，產生上述情況。可是人們希望知道的不是假想的將來，而是煤已經生成的氣態烴與液態烴的過去，是各煤岩組分已有過的生烴貢獻。現今煤岩組分生烴潛能的強與弱等同於過去已生烴的多與少嗎？現今煤岩組分生烴潛能的強與弱等同於過去生烴貢獻的大與小嗎？顯然不等同，煤岩學早已作過論證。
殼質組又稱“穩定組”。再泥炭化階段和煤化作用早期，殼質組內的多數組分是穩定的。這些組分現今的生烴潛能最強，可是過去的生烴貢獻卻最小。
惰質組組分現今的生烴潛能很弱，其化學結構的芳構化程度強，官能團與側鏈幾乎全脫落‘被認為是具“惰性”的組分，劃歸Ⅳ型幹酪根。惰質組組分這些特征是天生的嗎？惰質組的成因很複雜，其中有些惰質組組分天生如此，它們現今的生烴潛能弱，過去的生烴貢獻也小。惰質組內還有些組分並非天生如此，在以往的煤變質作用過程中，與共生的殼質組和殼質組比較，它們產出多較多的氣態與液體烴，以致自身芳構化程度增強。這些惰質組現今生烴潛能弱卻是過去生烴貢獻大所造成。
研究瓦斯（煤層氣）的生成對於煤礦安全生產和瓦斯抽采沒有重要意義。因為：煤層瓦斯（煤層氣）是現今殘留在煤層裏的煤成（型）氣，其數量隻是已生成氣體的很少部分。決定煤層瓦斯（煤層氣）的數量和質量的主要地質因素是氣體的運移與保存因素，而不是氣體的成因因素。
四、煤層氣（瓦斯）的成分和“瓦斯風化帶”
（一）、煤層氣的成分
煤層氣是多種氣體的混合物，其成分有：
烴類氣體——甲烷（CH4）和少量乙烷（C2H6）、丙烷 （C3H8）、丁烷 （C4H10）；
乙烷、丙烷、丁烷統稱“重烴”
在天然氣地質界所稱的幹氣，指各種烴類總體積中CH4 >95%，重烴<5%，
濕氣中CH4<95%，重烴>5%。煤礦瓦斯一般都是幹氣。
非烴氣體——二氧化碳（CO2）和氮（N2）；
微量氣體——氫（H2）、一氧化碳（CO）、二氧化硫（SO2）、硫化氫（H2S）、氦（He）、氖（Ne）、氬（Ar）、氪（Kr）、氙（Xe）等。
煤層氣的主要成分是甲烷 （CH4），又稱“沼氣”；次為二氧化碳（CO2）和氮 （N2）。
在個別礦區（如：甘肅省窯街礦區，吉林省菅城礦區）煤層氣的主要成分是CO2，屬無機成因的氣體運移進入煤層。
（二）、“瓦斯風化帶 gas weathered zone”
早在上世紀50年代，前蘇聯學者發現，頓巴斯淺部瓦斯的成分有垂向分帶現象，自淺部向深部一般可分四個帶（如下表所列），采煤界習慣將前三個帶統稱為“瓦斯風化帶”。
淺部瓦斯成分垂向各帶氣體組成
名 稱 CH4 （體積 %） CO2 （體積 %） N2 （體積 %）
瓦斯
風化帶 CO2—N2帶 < 10 > 20 20～80
N2帶 < 20 < 10～20 > 80
N2—CH4帶 < 80 < 10～20 < 80
甲烷帶 CH4帶 > 80 < 10 < 20
嚴格說，用“瓦斯風化”一詞並不確切。在所謂“瓦斯風化帶”內，煤層裏發生過瓦斯與地表大氣互相交換，以甲烷為主要成分的瓦斯中的部分甲烷散入大氣，同時大氣中的二氧化碳與氮進入煤層，以致煤層內的甲烷濃度減小，二氧化碳與氮的濃度增大。甲烷、二氧化碳與氮本身並沒有“風化”。 現在術語“瓦斯風化帶”已經廣為流行。
“瓦斯風化帶”以下的甲烷（CH4）帶的氣體成分才是正常的瓦斯成分。研究煤層瓦斯應該以正常瓦斯帶，即甲烷帶為對象。正常瓦斯帶的氣成分中的甲烷濃度理應不低於80％。有些文獻作者沒有注意這一點，把“瓦斯風化帶”裏的氣體與正常甲烷帶的氣體混在一起作分析，以致在討論瓦斯成分與含量時往往發生概念不清。
確定“瓦斯風化帶”的下部邊界應該用甲烷及重烴濃度之和 ≥80 %（按體積）為指標。煤礦實測瓦斯成分的資料往往不足，難以勾畫出“瓦斯風化帶”下界。采煤人員用相對瓦斯湧出量（＜2m3/t.d），或瓦斯壓力（＜0.15MPa），或瓦斯含量(煙煤2～3m3/t，無煙煤5～7 m3/t)等指標劃定“瓦斯風化帶”下界。
第三章 瓦斯在煤層內的賦存與運移
一、煤的孔隙和裂隙結構
煤層內存在有孔隙和裂隙兩個係統，即雙孔隙係統（dual pore system）。
被裂隙分割成的煤塊體稱煤岩基塊（coal matrix，又翻譯為“煤基質”）。煤岩基塊內孔隙的容積占煤孔隙和裂隙總容積的絕大部分，是煤層氣吸附儲集的主要空間。天然裂隙係統是煤中流體（液體和氣體）滲透的通道。由於雙孔隙係統的存在，煤中氣體的運移有兩種機製，即在基塊中的擴散，以及在裂隙係統中的滲透。
（一）、煤孔隙結構（coal pore structure）
煤孔隙結構指煤層所含孔隙的大小、形態、發育程度及其相互組合關係。表征煤孔隙結構的基本參數是：孔徑、比孔容、比表麵積、孔隙度和中值孔徑等。觀測煤孔隙的方法很多，如壓汞法可用於測量直徑大於7.5nm的孔隙；低溫氮吸附法可測量孔徑更小的孔隙；二氧化碳吸附法常用於測量比表麵積；用光學顯微鏡和電子顯微鏡可觀察孔隙特征及其充填情況，並可判別孔隙的成因。
①煤比孔容（specific pore volume of coal）——單位質量煤中孔的容積，常以厘米3/克或毫升/克為單位。在煤變質過程中，大孔和中孔的比孔容在總比孔容中所占比例有減少趨勢，而微孔的比孔容所占比例有增加趨勢。
②煤比表麵積（specific surface area of coal）——單位質量煤中孔隙的表麵積，常以米2/克為單位。煤中孔徑小於10納米的微孔的比表麵積在總比表麵積中占有的比例最大。用不同方法測量比表麵積的結果不一樣。通常用二氧化碳作吸附質，采用吸附法測量比表麵積，若改用氮作吸附質，或者用壓汞法測比表麵積，其結果小很多。
③煤孔隙尺寸分類
煤中孔的大小差別極大，最小孔的孔寬為納米（nm，即10-9 m）級。我們曾測出的最小的孔寬約0.6nm左右，其中裝下一個甲烷分子（直徑為0.41nm）後，第二個甲烷分子進不去。煤中還可能有更小的孔，連一個氦分子（直徑為0.178nm）也通不過。
前蘇聯學者霍多特（Ходот，В.В.）1966年提出煤孔隙大小分類方案，即按孔半徑將煤中所含的孔分成四類：
霍多特的煤孔隙大小分類
孔類別 孔 半 徑
大 孔 孔半徑 ＞10000 A（ ＞1000 nm）
中 孔 孔半徑 10000～1000 A（1000～100 nm）
過渡孔 孔半徑 1000 ～ 100 A（100 ～10 nm）
微 孔 孔半徑 ＜ 100 A（ ＜10 nm）
我國煤中孔隙發育特征有如下認識：
(1)、所有煤裏同時存在大小不等的孔隙。
(2)、在煤這種多孔物質內，以孔寬小於200 nm的過渡孔、小孔、微孔和超微孔為主。
(3)、在同煤級的煤中，鏡質組（特別是基質鏡質體）內部小於200 nm的孔較發育，由此推測，在以鏡質組為主要成分的鏡煤和亮煤裏較為富集煤層氣。
(4)、在不同煤變質程度的煤中，孔隙總體變化趨勢是：褐煤的孔隙最為發育，煙煤的孔隙發育程度相對較差，到無煙煤階段，孔隙又有所增加；隨煤級升高，孔寬大的孔所占比例下降，孔寬小的孔所占比例上升。褐煤的孔隙雖然最為發育，但是孔寬大的孔所占比例較大，總比表麵積並不大，褐煤又含水較多，褐煤礦埋藏一般都淺，以致褐煤的含氣量通常較少。無煙煤內孔寬小的孔所占比例較大，總比表麵積較大，加上無煙煤對甲烷的吸附性較強，以致在其他地質條件相同條件下，無煙煤往往含有較多的煤層氣。
以上隻是測試資料反映出來的現象。
從實用角度出發，用壓汞法和低溫吸附法定量測試煤的孔隙，以及用顯微鏡和電子顯微鏡定性觀察煤孔隙都沒有很大的實用意義。
（二）、煤中裂隙（fracture in coal）
煤受各種地質應力的作用所形成的自然裂縫。裂隙是煤層氣（瓦斯）運移的通道。
我國傳統煤地質學關於煤裂隙的概念引自前蘇聯文獻。按傳統概念，煤裂隙可分為內生裂隙和外生裂隙兩種成因類型。
內生裂隙（endogenetic fracture）——煤化作用過程中，煤中凝膠化物質受溫度和壓力的影響，體積均勻收縮產生內張力，從而形成的裂隙。它主要出現在光亮煤和鏡煤條帶中，其特點是：①垂直或大致垂直層理；②裂隙麵較平坦，常伴有眼球狀的張力痕跡；③有裂隙方向大致相互垂直的兩組，其中一組較發育，為主要內生裂隙組，另一組稀疏為次要內生裂隙組；④在中變質煙煤中最發育，而在褐煤和無煙煤中不發育。由於內生裂隙的發育與煤變質程度有關，光亮煤條帶單位長度中的內生裂隙數目可作為煤變質程度的標誌。
外生裂隙（exogenetic fracture）——煤受構造應力作用產生的裂隙。其特點是：①發育不受煤岩類型限製，可切穿幾個煤岩分層；②以各種角度與煤層層理斜交；③裂隙麵上常有波狀、羽毛狀擦痕；④外生裂隙有時沿襲內生裂隙重疊發生。
煤中的外生裂隙相當其他岩石中的構造裂隙，煤中的內生裂隙是煤獨有，其他岩石沒有的裂隙。
割理（cleat）——煤中的自然裂隙。按有些文獻對“割理”的描述，“割理”相當“內生裂隙”。
割理被分為兩組:
麵割理（face cleat）——煤中的一組延伸較長的主要割理。麵割理是煤層氣滲透的主要通道。
端割理（butt cleat）——煤中一組次要割理，發育在兩條麵割理之間，其延伸受麵割理的製約。
二、煤層氣在煤中的賦存狀態coalbed gas occurrence
氣體在煤層內有三種基本賦存狀態，即：①被吸附於煤的孔隙、裂隙內表麵上的氣體，即吸附氣；②以遊離狀態存在於煤的孔（裂）隙中，即遊離氣；③溶解於煤層水中的氣體，即溶解氣。在一定溫度和壓力條件下，這三種狀態的氣體處於統一動態平衡體係中。在儲氣空間內，當壓力增高或溫度降低時，遊離氣量減少，吸附氣量增加；反之，壓力降低或溫度升高時，吸附氣量減少，遊離氣量增加。溶解氣的多少也受控於溫度和壓力。
煤層氣總量中以吸附氣占絕大部分，遊離氣占少部分，溶解氣占極少部分。
(一) 吸附與解吸
當被吸附的氣體分子的熱運動動能足以克服吸附引力場的作用時，可回到遊離氣相，並吸收熱量，這一過程稱為解吸。吸附和解吸互為可逆過程。
通常采用煤對甲烷的吸附等溫線表征煤對甲烷的吸附特征。
吸附等溫曲線（adsorption isotherm curve）——在吸附平衡溫度恒定的條件下，煤吸附甲烷的量與甲烷平衡壓力的函數曲線。煤對甲烷的吸附等溫線通常可用蘭格繆爾方程（Langmuir equation）描述，即
Ｖ= (VL•b•p)/(1+b•p)
或Ｖ = (VL•p)/(PL+p)或
式中：Ｖ為在給定溫度條件下，氣體壓力為 p 時，單位質量的煤（換算成脫水無灰基）吸附氣體的體積，米3/噸；VL或a為吸附常數，又稱蘭格繆爾體積，米3/噸；b為 吸附常數，（兆帕）-1；PL為吸附常數，兆帕， 又稱蘭格繆爾壓力，PL = 1/b；p為吸附平衡時的氣體壓力,兆帕。我國采煤界常在30℃條件下作等溫吸附試驗。
煤層甲烷蘭格繆爾體積（coalbed methane Langmuir volume）——
描述煤對甲烷吸附等溫線的蘭格繆爾方程中的吸附常數（VL），中國采煤界常用字母 a 表示此常數。此常數的物理意義是，在給定溫度條件下單位質量煤飽和吸附氣體時，吸附的氣體體積，有文獻稱此為“飽和吸附量”或“極限吸附量”。
煤層甲烷蘭格繆爾壓力（coalbed methane Langmuir pressure）——
描述煤對甲烷吸附等溫線的蘭格繆爾方程中的吸附常數（PL）。此常數的物理意義是，煤對甲烷吸附量達到蘭格繆爾體積一半時，其所對應的壓力。PL 與吸附常數 b 的關係是， PL=1/b。蘭格繆爾壓力是影響煤吸附等溫曲線形態的參數，蘭格繆爾壓力越小，吸附曲線彎曲程度越大；反之，彎曲程度越小。吸附等溫曲線形態對煤層氣產出有明顯影響。
（二）吸附質（氣體）在單位質量吸附劑（固體）表麵的吸附量取決於四方麵因素：
①吸附質（氣體）的性質——試驗時隻用單一的甲烷。煤層氣的實際成分除甲烷
外還有二氧化碳、氮和其他微量氣體。人們已經研究用甲烷、二氧化碳和氮的混合氣體作試驗。按吸附性，二氧化碳＞甲烷＞氮。CO2分子直徑為0.46nm，CH4分子直徑為0.41nm，N2分子直徑為0.38nm，Hg原子直徑為7.5nm。
②吸附劑（固體）的性質——人們對試驗用的煤樣品考慮到水分。我國采煤界用
幹燥煤樣品，煤層氣探查部門用含“平衡水”的煤樣品，有機煤岩成分和礦物成分都未與考慮。另外，要考慮煤級、組分等。
③吸附平衡的溫度——我國采煤界用30℃，煤層氣探查部門用取樣點的地溫。
④吸附質（氣體）的平衡壓力——一般加壓到6 Mpa左右。
由此可見，人們對等溫吸附試驗的條件作了簡化處理。實測等溫吸附線的隻能大體反映煤對甲烷的吸附特征。
（三）煤層氣開采與瓦斯解吸中的基本概念：
①煤層含氣飽和度（gas saturation in coalbed）——
煤層孔隙被氣體充滿的程度。通常從吸附等溫曲線上求得，即含氣飽和度等於實測含氣量與原始儲層壓力在吸附等溫曲線上所對應的理論含氣量的比值。亦可用下列公式計算煤層含氣飽和度：
Sg ＝V/Vr =(V/VL)[(PL+Pr)/Pr]
式中：Sg 為煤層含氣飽和度；V 為實測含氣量（米3/噸）；Pr為實測儲層壓力（兆帕）；VL 為蘭格繆爾體積（米3/噸）；PL 為蘭格繆爾壓力（兆帕）。
②臨界解吸壓力（critical desorption pressure）——
在煤層降壓過程中，氣體開始從煤基質表麵解吸時所對應的壓力值。按下列公式計算：
Pcd=V•PL/（VL—V）
式中： Pcd 為臨界解吸壓力（兆帕）；V 為實測含氣量（米3/噸）；VL為蘭格繆爾體積（米3/噸）；PL 為蘭格繆爾壓力（兆帕）。也可直接從吸附等溫線上求取。對於氣飽和煤層隻要煤儲層壓力下降，就有吸附氣從煤層中解吸；對於氣不飽和煤層，需要降到臨界解吸壓力以下，才能有吸附氣解吸。因此，可根據臨界解吸壓力和原始儲層壓力及其兩者的比值，來了解煤層氣早期排采動態。臨界解吸壓力越接近於原始儲層壓力，在排水降壓過程中，需要降低的壓力越小，越有利於氣體開采。
③吸附時間（sorption time）——累計解吸出的氣量占總吸附氣量（包括殘餘氣）的63.2%所需的時間，單位是小時或天數。它可作為表征氣體從煤儲層中運移出來的速度的近似指標，在很大程度上控製著煤層氣的早期生產動態。若煤的吸附時間短，其開采井有可能在短時期內達到產氣高峰；反之，需較長時間後開采井方可達到產氣高峰。
④煤儲層壓力（coal reservoir pressure）——煤儲層孔隙內流體所承受的壓力，常以兆帕〔斯卡〕MPa為單位。煤儲層壓力一般都是指原始儲層壓力，即儲層被開采前，處於壓力平衡狀態時測得的儲層壓力（有人稱它是被生產擾動之前儲層中的壓力）。對煤儲層壓力的研究有重要意義，它不僅對煤層含氣量、氣體賦存狀態有重要影響，而且也是氣體和水從裂隙流向井筒的能量。
煤儲層壓力一般可通過試井測得，通常采用的方法是注水/壓降法（injection/falloff test）。在設計時間內，先向測試層段注入一定量的水，然後關井，壓力降落，測得井底壓力與時間的函數，根據壓力曲線的外推法求得該儲層壓力。
煤儲層壓力一般隨煤層埋深增加而增高。即，煤儲層壓力與深度顯示正相關關係。
⑤煤儲層壓力梯度（coal reservoir pressure gradient）——在單位垂直深度內，煤儲層壓力的增量。在地質構造和煤層賦存條件變化不大的情況下可用下列公式求得煤儲層壓力梯度：
ｍ＝（p－p0）/（H－H0）
式中：p、p0為在深度H、H0處的壓力；ｍ為壓力梯度；H為距地表深度；H0為風化帶深度。
⑥煤儲層壓力係數——
實測儲層壓力與同深度靜水壓力之比。
壓力係數 壓力梯度
超壓（高壓）—— ＞1 ＞0.98 MPa／100m 或＞9.8 KPa／m
正常壓力—— ＝1 ＝0.98 MPa／100m ＝9.8 KPa／m
欠壓（低壓）—— ＜1 ＜0.98 MPa／100m ＜9.8 KPa／m
據32個礦區資料，各煤級煤儲層超壓狀態占32％，正常壓力22％，欠壓46％；
中煤級煤儲層大多數為欠壓。
⑦煤層瓦斯壓力（coalbed gas pressure）——煤層孔隙內氣體分子自由熱運動撞擊所產生的作用力；在一個點上力的各向大小相等，方向與孔隙的壁垂直。瓦斯壓力測定方法是：自井下巷道打鑽進入煤層，在鑽孔中，密封一根剛性導氣管，實測管內穩定的氣壓，即為瓦斯壓力。
煤層瓦斯壓力大小受多種地質因素的影響，變化較大。在一個井田內的同一地質單元裏，瓦斯風化帶以下的近代礦井開采深度範圍內，未受采動影響的煤層瓦斯壓力與其埋深呈正相關。
煤層瓦斯壓力是決定煤層瓦斯含量和煤層瓦斯動力學特征的基本參數。按有關規程規定，煤層的瓦斯壓力≥0.74 Mpa，該煤層具有突出危險性。
⑧瓦斯壓力梯度（gas pressure gradient）——煤層埋藏深度每增加一單位（通常用1米或100米），煤層瓦斯壓力平均增加值。瓦斯壓力梯度隨地質條件而異，中國煤礦的瓦斯壓力梯度一般變化範圍為（0.01±0.005）兆帕每米。
由上圖可知，儲層初始壓力是1620psia（1psia=6.9KPa），大約為10Mpa，經排水降壓到一定程度後發現有氣體流出，此時的儲層壓力便稱為臨界解吸壓力，此時臨界壓力為648psia，大約為4Mpa。初始儲層壓力對應的甲烷吸附量為450，臨界解吸壓力對應的為實際吸附量355，則含氣飽和度為355/450=79%。
測量煤儲層壓力變化和等溫吸附線，就可以推測煤層氣的臨界解吸壓力，估算煤儲層的理論含氣量，計算煤層氣的飽和度；預測煤儲層在降壓、解吸過程中，煤層氣的采收率或可采資源量。
⑨廢棄壓力（abandonment pressure）——在現有經濟技術條件下，煤層氣井疏水降壓所能達到的最低井底壓力，又稱枯竭壓力。廢棄壓力大小與礦區地質構造、煤級等因素有關。據美國經驗，廢棄壓力可達0.7兆帕。煤層氣井廢棄壓力是計算煤層氣最大采收率的主要指標之一。
三、煤層氣在煤層中的運移
煤層氣在煤層的運移方式有二：擴散與滲透。
（一）氣體擴散（gas diffusion）——煤層氣在煤岩基塊內的微孔係統中因濃度差產生的運移。其過程可用菲克擴散定律描述。
Fick第一擴散定律：
——擴散速度；——擴散係數；——擴散麵積；——濃度梯度。
聶百勝、何學秋（2000a，2001a）根據努森數（孔隙直徑與氣體分子的平均自由程的比值，即）的大小對煤中瓦斯的擴散規律進行了研究提出，瓦斯在煤體中的擴散有以下幾種模式：菲克擴散、努森擴散、過渡擴散、表麵擴散和晶體擴散；當努森數時，孔隙直徑遠大於氣體分子的平均自由程，氣體分子的碰撞主要發生在氣體分子之間，氣體分子與孔道壁之間作用較小，符合菲克擴散定律，為菲克擴散；當時，分子的平均自由程大於孔隙直徑，氣體分子與孔道壁之間作用增強，而氣體分子間作用居於次要地位，為努森擴散；當時，兩種作用同樣重要，為介於菲克擴散和努森擴散之間的過渡型擴散；煤是良好的吸附劑，當氣體分子被強烈吸附於固體表麵時，就產生表麵擴散；當孔隙直徑和瓦斯氣體分子直徑相差不大，在壓力足夠大的情況下，瓦斯氣體分子可以進入微孔中以固溶體存在，發生晶體擴散，晶體擴散在所有擴散中所占的比重很小[75,76]。聶百勝(2001a)對煤粒（平均粒徑為0.473mm）的擴散實驗[77]表明，煤粒瓦斯的擴散速度隨時間變化呈現負指數規律。
（二）氣體滲透（gas seepage）——煤層氣在煤層裂隙（割理）係統內因壓力差產生的運移，其過程可用達西定律描述。
Darcy定律：
——滲透速度；——滲透係數；——壓力梯度。
1、煤層滲透率（permeability of coal seam）
煤層的滲透性是指在一定的壓力差條件下，允許流體通過其連通孔隙的性質，用滲透率表示。
實驗表明，單相流通過介質，沿孔隙通道呈層流時，符合達西線性滲流定律
（3）
式中：
——任一流體通過多孔介質時的體積流量，cm3/s；
——樣品兩端壓力差，MPa；
——樣品橫斷麵積，cm2；
——樣品長度，cm；
——流體粘度，cp（pa.s）；
——滲透率，d，。
對氣體而言，在利用達西公式計算滲透率時，必須引入平均體積流。
按氣體狀態方程：
（4）
式中：、——樣品前後兩端的氣體壓力；、——在、壓力下氣體體積流量；——Pa；——在下氣體體積流量
令 （5）
又 （6）
代入公式（3），則 （7）
煤體中瓦斯的滲透能力影響因素如下：
①煤基質解吸收縮對滲透能力的影響
根據傅雪海的研究，在煤層氣開發過程中，隨著煤儲層壓力的降低，煤層氣發生解吸，煤基質出現收縮，且隨著煤級的增加，煤基質收縮係數減小。理論和實踐證明，煤儲層在排水降壓過程中，隨著甲烷的解吸、擴散和排出，煤基質收縮，煤儲層滲透率得到改善，煤儲層的絕對滲透率越大，煤基質收縮效應越明顯，且收縮效應引起的滲透率增量與流體壓力呈現對數關係。
②有效應力對滲透能力的影響
有效應力等於作用於煤儲層的地應力與其孔隙和裂隙內的流體壓力之差。煤儲層流體壓力降低後，在圍壓不變的情況下，有效應力必然增加。有：
（8）
式中：為有效應力增量，和分別是前一狀態和後一狀態的流體壓力。
由此，單位體積煤體的孔隙、裂隙的壓縮量為：
（9）
式中：為體積壓縮係數。
因此，在隻考慮儲層壓力降低的情況下，隨著有效應力的增加，煤體被壓縮，孔隙率降低，導致煤體滲透性降低。馮增朝（2003a，2005a）的研究進一步表明，有效應力對裂隙的變形影響比孔隙的影響要靈敏的多，在煤體的孔隙裂隙雙重孔隙係統中，裂隙是決定煤體滲透性強弱的主導因素。
Mckee C R（1988a）、張新民（2002a）、董敏濤（2005a）的研究表明，煤層的滲透率與有效應力呈冪指數的負相關關係，而Somerton（1974a）、譚學術（1994a）、王宏圖（1999a）、孫培德（2000a、2001a）、鮮學福（2007a）的研究表明，煤層的滲透率與有效應力呈負指數關係。
③孔隙瓦斯壓力對煤體滲透率測試的影響
傅雪海（2002a）的研究表明，在有效應力不變的情況下，測試采用的流體壓力越小，滑脫效應（或克林伯格效應）越明顯，引起的滲透率增量越大。
④煤體力學性質（如強度、彈性摸量等）對滲透能力的影響
陳金剛（2004a）的研究表明，煤基質收縮能力與其力學參數具有良好的負指數關係，並進一步提出煤基質收縮的根本控製因素是煤本身固有的力學參數，強度大的煤體在開發煤層氣過程中的基質收縮變形量較小，煤儲層滲透性能改善較弱。
⑤煤體結構類型對煤層滲透能力的影響
鍾玲文（2004a）的研究表明，煤體結構類型對煤層滲透性的影響大於裂隙發育程度的影響，碎裂煤的滲透性最好，其次是原生結構煤，碎粒煤的滲透性差，糜棱煤滲透性最差。對於原生結構煤，煤體結構幾乎沒有受到構造破壞，煤層的原始結構、構造保存完整，以割理為主，這類煤的滲透能力最好，特別是割理最為發育的中變質階段煤；碎裂煤中割理依然存在，外生裂隙和繼承性裂隙增多，構造應力改造後的裂隙係統可能使滲透率提高，也可能降低，與裂隙發育的方向和充填程度有關；碎粒煤以外生裂隙多組、多方向發育為特征，滲透能力較差，其滲透率一般在以下；糜棱煤由發育劈理的鱗片狀煤和無任何裂隙的土狀煤組成，滲透性極差，滲透率在以下。
由於煤的非均質性強，一般采用試井獲得滲透率，而不采用在實驗室內測試樣品的滲透率。滲透率是評價煤層氣可采性的重要指標之一。
煤的滲透性比較差，我國煤的滲透性更差，多數礦區的多數煤層屬低滲透性煤層。
試井滲透率mD
外國煤層 中國煤層
高滲透率煤層—— ＞10 ＞1
中滲透率煤層—— 1－10 0.1-10
低滲透率煤層—— ＜1 ＜0.1
四、煤層內瓦斯賦存和運移的地質因素
煤層內現今的煤層甲烷（瓦斯）儲存量僅是生氣量的少部份，各部位的煤層甲烷又處於吸附—解吸和運移的動態平衡狀態，所以煤層甲烷（瓦斯）含量大小主要取決於氣體的運移與儲存條件。煤的變質程度隻是影響煤層含氣量的一個方麵的因素，煤層所處礦區地質條件又是另一方麵的因素。因為氣體是易運移的流體，所有地質因素，例如：煤層賦存深度、褶皺構造、斷裂構造（斷層，裂隙）、頂底板滲透性、水文地質、煤質、煤層厚度、岩漿侵入等等，都可以對其產生正麵的或者負麵的影響。采用“分析主導因素”的方法分析各地質因素。
第四章 煤與瓦斯突出特征和機理
一、瓦斯的湧出
1、瓦斯湧出gas emission——瓦斯均勻放散到井下空間。
煤礦采用“絕對瓦斯湧出量”和“相對瓦斯湧出量”兩個參數表示湧入全礦井或某煤層、水平、采區、工作麵的瓦斯量。
1.1 絕對瓦斯湧出量（absolute gas emission rate）——單位時間內礦井排出的瓦斯量，計量單位為米3/分(m3/min)，或米3/日(m3/d)。
1.2 相對瓦斯湧出量（relative gas emission rate）——一晝夜時間內平均每產出1噸煤，礦井排出的瓦斯量，計量單位為米3/噸·日（m3/t.d）。
相對瓦斯湧出量都大於瓦斯含量（一倍左右），礦井規模越大，開采時間越久，二者差距越大。
注意不要把相對瓦斯湧出量（m3/t.d）與瓦斯含量（m3/t.daf）弄混了。
我國煤炭工業部門規定：以礦井相對瓦斯湧出量10米3/噸·日為界，將礦井分為兩個礦井瓦斯等級——高瓦斯礦井和低瓦斯礦井。生產礦井每年應按程序進行礦井瓦斯等級鑒定，並按所定等級的要求進行生產管理。
1.3 如何獲得瓦斯的絕對湧出量？
根據通風量和瓦斯濃度計算瓦斯的絕對湧出量。通風量是人工控製的，瓦斯濃度可以使用瓦斯檢測儀測量，二者之積即是瓦斯絕對湧出量。
1.4 獲取瓦斯湧出量的意義是什麼？
可以幫助預測未開采工作麵的瓦斯湧出量，為指導通風設計服務。
1.5 如何預測未開采工作麵的瓦斯湧出量？
可以使用瓦斯湧出量的梯度進行預測。
1.6 瓦斯湧出的危害有哪些？
①瓦斯濃度超過40%可以使人窒息；②當甲烷濃度達到5-16%，氧氣濃度超過12%，在有明火或高溫條件下能產生爆炸。
1.7 瓦斯湧出危害的預防措施有哪些？
①下井人員要穿特製的防靜電工作服；②嚴禁井下明火；③佩帶自救器和瓦斯檢測儀；④巷道內安裝瓦斯濃度監測設備；⑤安裝自動斷電和報警裝置，一旦瓦斯超限，可即時采取措施。
2、煤與瓦斯突出gas outburst
2.1 煤與瓦斯突出（coal (rock) and gas outburst）簡稱突出——破碎的煤、岩石和瓦斯在很短時間內由煤體或岩體內突然向采掘空間大量拋出的異常動力現象。一般不單獨講瓦斯的突出，而是講煤與瓦斯突出，因為瓦斯的突出往往伴隨著煤的突出。煤與瓦斯突出是煤礦井下采掘過程中發生的一種複雜的動力現象，煤體遭受強烈破壞，同時瓦斯大量解吸。
2.1 煤與瓦斯突出分類
按照強度分類（gas outburst intensity）——突出規模的大小，用一次煤(岩)瓦斯突出所拋出的煤（岩）的重量和噴出的甲烷量衡量。因為在突出發生過程中難以計量噴出甲烷的量，通常隻用拋出的煤（岩）的重量作為突出強度的指標。
小型突出—— 一次拋出煤（岩）量小於100噸；
中型突出—— 一次拋出煤（岩）量100～500噸；
大型突出—— 一次拋出煤（岩）量500～1000噸；
特大型突出——一次拋出煤（岩）量大於1000噸。
按突出機理分類：壓出、傾出和噴出（突出）。
2.1.1 壓出
壓出是指在采掘煤層時，由於出現傾空麵，使得煤體在圍壓和煤體內部彈性應力的作用下產生的失穩現象，先是出現片幫、底鼓、壓出的煤就地堆積，無分選現象，有危害，但不大。
2.1.2 傾出
傾出，傾出是針對急傾斜煤層來講的，在采掘煤層時，由於出現傾空麵，使得煤體在自重應力的作用下垮落，垮落的煤自然堆積，無分選現象，煤層內留下空洞，危害較大。
2.1.3 噴出
噴出，噴出是指采掘煤層時由於出現傾空麵，使得煤體在瓦斯壓力的作用下，煤體被破碎並被拋向巷道空間的一種動力現象，並伴隨著瓦斯的大量解吸，巷道內堆積的煤有分道現象，煤層內留下“口小腔大”的空洞。
《細則》規定，在采掘過程中，有一個煤層或岩層發生過一次煤（岩）與瓦斯突出的礦井，被定為煤(岩)瓦斯突出礦井，簡稱突出礦井；發生一次瓦斯突出的煤層定為突出煤層。煤礦必需按突出礦井的安全規程進行生產管理。
3 關於煤與瓦斯突出機理的認識
1．瓦斯為主導作用的假說：瓦斯包假說、瓦斯水化物假說等；（把煤層比作高壓氣槍）
2．地壓為主導作用的假說：煤岩石的彈性變形能引起突出。（把煤層比作一個大的彈性體）
3、化學本質假說：組成煤的各種物質受外界條件引發的連鎖化學反應。
4、綜合假說：1976年，蘇聯科學院礦業研究所霍多特等人在實驗室對煤的物理力學性能和瓦斯性能進行了測定研究，並在壓力試驗機上進行了煤和瓦斯突出的模擬試驗。然後，從能量的觀點，用數學方法分析計算了圍岩的影響、煤層的變形潛能、瓦斯的內能以及造成突出所需要的能量，提出了綜合假說。其主要論點是：煤和瓦斯突出是地壓、高壓瓦斯、煤的結構性能等三個因素綜合作用的結果；軟煤層、破碎煤體是造成突出的重要原因。
公認的是“綜合假說”，內容是：煤與瓦斯突出是煤體結構強度、瓦斯內能與地應力（自重應力和構造應力）綜合作用的結果。
4、多數研究者認為，突出的發生和發展大體經曆以下幾個階段：
1)準備階段 即能量的積聚階段，形成高壓瓦斯區，大量彈性潛能積聚。
2)激發(發動)階段 由於采掘活動所產生的附加應力(礦山壓力)與地應力的疊加，使原來的平衡狀態被破壞，煤體開始破碎，大量吸附瓦斯開始解吸。
3)擴展階段 上述階段迅速擴展，煤體大規模破碎，自由瓦斯大量形成，瓦斯壓力迅速增加，煤體強度迅速降低。
4)突出階段 大量煤和瓦斯(有時還有岩石)迅速被拋出，突出發生。
5)放氣階段 由於瓦斯壓力降低和彈性潛能釋放，地壓的轉移及抗突摩擦力的增加，使突出基本停止，但仍從拋出的煤(岩)中和突出空洞附近的煤體中繼續大量湧出瓦斯，由大到小，直到常量。
5、瓦斯爆炸（gas explosion）——瓦斯與空氣組成的爆炸性混合氣體在火源引發下發生的一種猛烈氧化反應，伴有高溫及壓力（壓強）上升的現象。
導致瓦斯爆炸發生的原因：煤塵的存在也會降低爆炸界限。煤塵本身也會爆炸。煤礦井下需要有爆炸防煤塵的措施。瓦斯爆炸產生原因：一方麵有：瓦斯集聚，爆炸界限風量減少，風機出故障，封閉區出來瓦斯，地質構造出現異常；另一方麵有：電火花，摩擦撞擊火花，炸藥爆破。
討論
(1)高壓瓦斯的存在是突出的能量來源和基礎條件。因此，研究大量高壓瓦斯源的形成和積聚因素及其分布規律是突出機理研究的一個重要內容。
(2)煤和瓦斯突出臨界條件的研究是突出預測、預報的主攻方向，也是突出機理研究的重要課題。這裏首先涉及到地質構造破壞帶、煤層中的構造煤(軟分層)、煤體強度等問題，這是因為一方麵儲存著大量潛能的高壓瓦斯時刻都有突破煤層的可能，以達到動平衡，另一方麵煤層(煤體)本身及其圍岩給這一可能造成阻力。
(3)采掘活動是突出的誘發原因。在已經具備突出條件的地區(即有潛在突出危險的地區)，如果不進行采掘，是不會突出的，一旦采掘活動涉及到這裏，又未采取必要的防突措施，便會發生突出。因為這裏暫時的臨界平衡已被破壞，礦山壓力、地應力、瓦斯壓力等迅速變化，給突出作了充分的“準備”，可見誘發原因十分重要。
(4)突出有一個發生、發展直到終止的過程，對這一全過程及其發展階段的研究，將會揭示突出的本質，並為突出的預測提供重要依據。因此，研究突出機理就必須研究突出過程。這就要求對突出點進行詳盡的調查研究，包括突出空洞特征、突出煤層特征、突出點附近的地質特征、突出物的分布特征、突出點與遠離突出點上述特征的對比等，同時還要研究煤與瓦斯突出的階段劃分及每一階段的具體特點。
(5)煤和瓦斯突出是一種動力現象，因此必須以運動的觀點和流體力學的原理去研究它。這就涉及到瓦斯流動理論問題，瓦斯—煤混合流的形成問題，煤和瓦期的轉化和變動問題，運動過程中的各種力學問題和數學問題等。這些問題正是煤和瓦斯突出機理研究中的重要理論課題。
第五章 構造煤結構特征研究
一、構造煤的宏觀結構
1 構造煤宏觀結構分類
我國地質文獻經常使用“構造煤”一詞，意指煤的原生結構遭受地質構造破壞的煤。有些文獻把非破壞煤稱為“原生結構煤”，把凡遭受地質構造破壞的煤，即第Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ破壞類型煤都稱為“構造煤”。在構造應力作用下，煤層發生碎裂和揉皺，《細則》將煤被破碎的程度被分成五種類型。（1995年頒布的《防治煤與瓦斯突出細則》於2009年由《防治煤與瓦斯突出規定》代替）
第Ⅰ類型非破壞煤——煤未遭受破壞，原生沉積結構、構造清晰；
第Ⅱ類型破壞煤——煤遭受輕微破壞，呈碎塊狀，但條帶結構和層理仍然可以識別；
第Ⅲ類型強烈破壞煤——煤遭受破壞，呈碎塊狀，原生結構構造和裂隙係統已不保存；
第Ⅳ類型粉碎煤——煤遭受強破壞，呈粒狀，用手撚之成粉狀；
第Ⅴ類型全粉煤：煤被破碎成粉狀。
其中，第Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ破壞類型的煤具有突出危險性。
河南理工大學和武漢地質大學將煤體結構劃分為4種類型：原生結構煤、碎裂煤、碎粒煤和糜棱煤。後三種為構造煤。
國內外研究煤體結構開始於20世紀20年代，進入20世紀80年代以後，河南理工大學開始重視構造煤的研究，並取得了一些研究成果。
2、對構造煤的研究之所以受到重視，因為：
國內外已經發生過的突出都發生在構造煤發育的煤層。預測構造煤發育程度是預測突出的核心問題。（瓦斯地質災害防治方麵）
構造煤的滲透性又特別差，而且壓裂措施又難以形成壓裂裂縫係統，構造煤發育的煤層不是開采煤層氣的良好目的層。（煤層氣開采方麵）
3、構造煤的判識
在以往的工作中，人們采用宏觀和顯微方法對構造煤進行觀察，宏觀方法包括現場肉眼觀察和手標本觀察，顯微方法包括光學顯微鏡觀察和掃描電子顯微鏡觀察。
鑒別煤的破壞類型，或者鑒別構造煤與非構造煤可以依靠宏觀觀察。在煤層尚未被揭露地區，如何預測構造煤尚是難題，利用地球物理測井資料可以在一定程度上判識構造煤。例如，嚴家平等的研究表明，與原生煤體相比，構造煤的物理性質發生一些變化，根據物性上的差異可以區分是否為構造煤。
二、構造煤微觀結構
1 構造煤微觀結構
從化學角度看，煤是以芳香族為核心，帶有各種官能團和側鏈等組成的三維網狀結構。其中，大分子網絡為固定相，小分子為流動相，固定相是主體，流動相是客體。煤中的分子既存在共價鍵交聯結合，又存在分子間作用力物理締合。
煤的孔隙結構是由煤基質中孔隙和基質外裂隙係統組成的雙重孔隙結構係統。孔隙的大小按照前蘇聯學者霍多特的十進製分類方案。
構造煤比同沉積的非構造煤的變質程度略有提高。表現為鏡質組反射率增大，煤化度提高等。
三、 構造煤中的動力變質作用
根據煤化作用理論，溫度、壓力和時間是影響煤化作用的主要因素。傳統的煤化作用理論強調溫度或者說是熱能的貢獻，而忽視了機械能引起的動力變質作用。
煤的動力變質作用是指地殼構造變動促使煤發生變質的作用。
動力變質作用的類型：按照煤體變形機製可分為脆性變形變質作用、韌性變形變質作用和介於二者之間的脆韌性變形變質作用。
脆性變形隻導致物理煤化作用，沒有化學煤化作用；韌性變形發生在古地溫較高的環境中，不僅發生物理煤化作用，而且發生化學煤化作用。後者發生的機理包括：一是應變能促進了芳環縮合，二是應力促使芳香碳網在平行於應力方向生長增厚，在垂直於應力的方向拚疊延展。
在構造應力作用下，以結構變化為主，化學成分變化不大。反映煤微觀結構變化為主的指標包括雙反射率、自由基濃度等。（自由基，化學上也稱為“遊離基”，是含有一個不成對電子的原子團。煤中的自由基是煤中大分子的側鏈和官能團脫落的結果，構造煤中自由基濃度增加了，說明構造應力加速了側鏈和官能團的脫落；構造煤的反射率和雙反射率增加，說明構造應力促使芳香層片大小和定向性增加；核磁共振測試顯示，構造煤中的芳香碳增加了，脂肪碳減少了，說明構造應力促進了煤的變質。）
構造應力影響煤化作用的方式，可以概括為三個觀點：摩擦熱觀點、應變能觀點和力化學觀點。摩擦熱觀點實質上仍然是溫度因素，應變能觀點認為機械能直接導致有機化學反應，力化學觀點認為應力可直接導致化學反應。
例如，繆奮等研究了構造煤的動力變質作用，研究認為，動力變質作用廣泛存在，構造煤比正常煤在煤化程度上有所加深。
三、構造煤方麵的研究成果：
1、構造煤對瓦斯的吸附能力
張紅日（1995a）研究了構造煤的孔隙形狀和吸附特征，其結果表明，構造煤孔隙多為封閉型孔和墨水瓶狀孔，且吸附量遠大於非構造煤。重慶煤研所等研究了構造煤的吸附特性，研究結果表明，構造煤平均極限吸附量a值比原生結構煤大。
琚宜文（2009a）研究表明，應力對於煤體分子結構和孔隙結構具有重要的影響；隨著物理作用在煤結構模型中重要性的增加，應力對於煤體超微結構的影響也越來越大。構造應力對不同類型構造煤大分子結構有著不同的影響，韌性變形較弱的揉皺煤的內部結構的變化主要反映在物理結構上；對於納米級孔隙結構的變形，隨著應力作用的增強，同一變質變形環境不同類型構造煤納米級過渡孔孔容和比表麵積所占比例明顯降低，微孔以下的孔容和比表麵積逐漸增加。
如果構造破壞沒有影響到煤的微孔體積的增加，那麼也就沒有影響到比表麵積的增加，從而就不能提高瓦斯的吸附量；反之，如果構造應力作用下，煤的微孔體積增加，則瓦斯吸附量增加。研究表明，糜棱煤破壞程度最高，在高構造應力作用下，微孔體積增加了，瓦斯吸附量增加。隨著煤體破壞程度提高，比表麵積增加，瓦斯吸附量增加。
2、構造煤的透氣性
郭德勇等（1998a）研究了構造煤的透氣性，結果表明，總體上隨著破壞程度增加，透氣性降低。呂紹林（1999a）的研究表明，構造煤的抗壓強度、抗拉強度遠遠小於原生結構煤，單軸抗壓強度隻有原生結構煤的1/3。薑波，秦勇等（2009a）研究了構造煤的結構演化和瓦斯特征，結果表明，碎裂煤總孔容主要集中於過渡孔和微孔；隨著構造變形的增強，碎粒煤總孔容迅速增高，可達碎裂煤總孔容的4 倍；糜棱煤在韌性剪切變形過程中，形成了大量的微孔隙，導致總孔容迅速增高；構造煤總孔容的演化反映了隨著構造變形的增強，孔容增大的變化趨勢。韌性變形糜棱煤具有總孔容高、孔隙連通性弱的特征，決定了糜棱煤含氣量較高和透氣性差的特點。
3、構造煤的解吸速度
張玉貴（2007a）的研究表明，在構造應力作用下，煤的原生結構構造遭受破壞，形成碎裂狀、片狀、鱗片狀、糜棱狀等類型的構造煤。由於煤層開采撓動, 微裂隙進一步拓展, 將許多原來相對封閉的微裂隙和微孔隙連通起來，使瓦斯具有很高的解吸速度。
魏建平等（2008a）研究表明，構造煤的瓦斯解吸初速度與其破壞程度有關，對於采自同一煤層的軟、硬分層煤樣而言，在相同的溫度、粒度、吸附平衡壓力等條件下，構造軟煤的瓦斯解吸初速度遠大於硬煤，原生結構煤的瓦斯解吸初速度最小。
煤體的破壞程度愈高，煤體強度愈小，瓦斯放散初速度愈大。
第六章 地質構造控製煤與瓦斯突出理論
一、中國地質構造分布特征
我們研究中國板塊構造以顯生宙為主，因此將前寒武紀地層以及岩漿岩都作為基底處理。中國的板塊構造單元包括：塔裏木-中朝地塊，揚子地塊，印度地塊（北緣），佳木斯中間地塊，柴達木中間地塊，羌塘中間地塊。
從顯生宙以來的構造發展來看，中國及其鄰區可以劃分為4個古板塊：中國板塊，北為西伯利亞板塊，西南為印度板塊，東南為太平洋板塊。其中，中國板塊以塔裏木-中朝地塊為核心，橫亙東西。
關於中國大陸周邊的構造邊界，學術界基本達成共識，西部印度板塊擠壓，東部太平洋板塊（菲律賓板塊）俯衝，北部西伯利亞地台相對阻擋。
二、中國煤礦地質構造
華北地區石炭二疊紀含煤地層形成以來，在印支期受西伯利亞板塊和揚子地塊南北擠壓，形成近東西走向的寬緩褶皺和斷裂；燕山期受太平洋板塊俯衝，形成北東走向的大規模隆起和凹陷。
華南地區構造複雜，北受華北板塊擠壓，南受印度板塊擠壓，西受藏滇板塊擠壓，東受太平洋板塊擠壓，構造煤發育。
西北地區受印度板塊由南向北擠壓，西伯利亞相對阻擋，地殼大幅度隆起，山體表現為東西向延伸，盆地為壓陷盆地。煤田地質構造多為逆衝推覆構造。
東北地區自印支運動以來受西伯利亞自北向南和太平洋板塊自東南向西北的擠壓，呈現東西向構造和北東向構造。
三、中國煤層瓦斯分布特征
華北地區東部由於受印支期太平洋板塊俯衝而隆起，缺失三疊紀地層，使得二疊紀煤係地層瓦斯保存條件變差。
華南地區長期受太平洋板塊擠壓，煤層不穩定，構造煤發育，80%以上為高瓦斯礦井。
西北地區由於受南北擠壓，盆地大麵積抬升，煤層距地表淺，並受到風化剝蝕作用，80%以上的礦井是低瓦斯礦井。
東北地區沉積於大興安嶺東側的侏羅紀煤層以褐煤為主，並遭受風化剝蝕，90%以上為低瓦斯礦井；沉積於鬆遼盆地的晚侏羅紀-早白堊紀煤層，受岩漿岩活動影響，煤化程度高，透氣性差，多為高瓦斯礦井。
四、地質構造是控製瓦斯分布的主導因素
煤是力學性質軟弱的岩體，在構造應力場中，煤既是傳遞應力的介質，又是受應力改造的岩體。在構造作用下，煤最易產生運動和變化，由此而引起煤中瓦斯的運移和變化。
因此，地質構造作用會使許多煤田原有的天然氣重新分布，影響到煤中瓦斯的保存、排放、富集、分散、相對靜止和運移等一係列問題。我國瓦斯分布的總體規律是：南方瓦斯大，北方瓦斯較小。
我國南、北方在瓦斯分布上的差異，是與南、北方區域地質構造密切相關。華南地區：因受印支、燕山等構造運動的強烈影響，多為壓性或壓扭性褶皺和斷裂，構造較複雜，地應力相對比較集中，因而瓦斯大，突出多；華北地區：多張性或張扭性斷裂，形成斷塊構造或階梯狀構造，以正斷層為主，常為 |
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