瓦斯地質理論培訓課件

瓦斯地質理論

何 俊

博士 副教授

安全科學與工程學院

河南理工大學

0391-3987436 13523358092

研究方向：瓦斯地質、瓦斯災害治理

瓦斯地質理論

瓦斯地質發展簡史

1960年，焦西礦開發井田深部地質構造複雜的西冀

瓦斯地質發展簡史

1964年10月，原煤炭部安監司指示：“應在原有基礎上，使它成為經常性的定期瓦斯預報”

1978年，瓦斯地質專業學術討論會， “瓦斯地質”概念得以確立.

1979年， “湘、贛、豫煤和瓦斯突出帶地質構造特征”

瓦斯地質發展簡史

1982年， “全國煤礦瓦斯地質編圖”

編製了25套省(區)瓦斯地質圖

125套礦區瓦斯地質圖

500餘套礦井瓦斯地質圖

開辦了兩屆瓦斯地質研究生班。

瓦斯地質發展簡史

1983年,原煤炭部頒發《關於加強瓦斯地質工作的通知》

1985年，中國煤炭學會批準成立瓦斯地質專業委員會，專委會創辦了《瓦斯地質》期刊

1990年，1：200萬中國煤層瓦斯地質圖

瓦斯地質發展簡史

1994年，煤炭部批準成立“焦作礦業學院瓦斯地質研究所”.

1994年，《煤礦安全規程》第181條規定：“及時編製礦井瓦斯地質圖”。

2005年，國家發改委出台的《煤礦瓦斯治理與利用總體方案》中明確指出：“及時編製礦區、礦井、采區采麵三級瓦斯地質圖，加強瓦斯地質規律研究”。

瓦斯地質發展簡史

國家科技重大專項研究課題“全國重點煤礦區瓦斯賦存分布規律和控製因素”花落我校

我校張子敏教授喜獲國家科技重大專項課題“全國重點煤礦區瓦斯賦存分布規律和控製因素”立項，資助經費總額2200萬元。 課題通過編製58個重點礦區的礦井、礦區瓦斯地質圖，進而編製28個省(區)1：50萬至1：100萬煤礦瓦斯地質圖，最終完成1：250萬中國煤礦瓦斯地質圖的編製。

瓦斯地質研究內容

一、瓦斯的基本性質

二、瓦斯的成因

三、影響瓦斯生成的因素

四、煤層瓦斯的分帶特性

五、煤層瓦斯賦存形態

六、影響煤層瓦斯含量的主要因素

煤礦瓦斯主要來自煤層和煤係地層，它是古代植物成煤過程中的伴生氣體。

一般經曆兩個成氣時期：

⑴生物化學成氣時期

⑵變質作用成氣時期

⑴生物化學成氣時期

從有機物堆積在沼澤相和三角洲相環境中開始的。在不超過65℃的溫度條件下，成煤物質經厭氧微生物分解成瓦斯：

4C6H10O5→7CH4+8CO 2+3H2O+C9H6O

或 2C6H10O5 →CH4+2Co 2+5H 2O+C9H6O

此階段成煤物質生成的泥炭層埋深淺，生成的瓦斯通過滲透和擴散容易排放到古大氣中去，一般不會保留在現有煤層內。此後，隨著泥炭層的下沉，上覆蓋層越來越厚，成煤物質中的溫度和所受壓力也隨之增高，生物化學作用逐漸減弱直至結束，在較高的壓力與溫度作用下泥炭轉化成褐煤，並逐漸進入煤化變質作用階段。

⑵變質作用成氣時期

褐煤進一步沉降，進入變質作用造氣期。在100℃高溫及地層壓力作用下，煤體產生強烈的熱力變質成氣作用。在煤化變質作用時期，煤中帶有羥基(-OH)、甲基(-CH3)、羧基(-COOH)、醚基(-O-)等側鏈和官能團不斷發生斷裂與脫落，生成CO2、CH4、H2O等揮發性氣體。

圖14 早二疊世全球古地理簡圖

圖15 後侏羅紀全球古地理簡圖(1.52億年前)

圖16 中國大地構造簡圖

地質構造的表觀形式是多種多樣的，在一定範圍(一個井田或一個礦區)內，可歸納為單斜構造、褶皺構造和斷裂構造三種基本類型。

控製煤與瓦斯突出的地質因素

礦井中小型地質構造

煤層厚度及其變化

煤體結構

煤與瓦斯突出實例及分析

煤與瓦斯突出

在采掘過程中，突然從煤(岩)壁內部向采掘空間噴出煤岩和瓦斯的現象，稱為煤與瓦斯突出，簡稱突出。

煤與瓦斯突出實例及分析

煤與瓦斯突出實例及分析

煤與瓦斯突出實例及分析

煤與瓦斯突出實例及分析

煤與瓦斯突出實例及分析

煤與瓦斯突出實例及分析

煤與瓦斯突出實例及分析

煤與瓦斯突出實例及分析

煤與瓦斯突出實例及分析

一、地質構造與突出的關係

地質構造是控製突出發生的主導性地質因素

這一結論已為大量的實際資料所證實，這裏所指的是井田範圍內的中小型地質構造。

地質構造與突出的關係，大量的瓦斯地質調查資料說明，與地質構造有關的突出點所占的比例很大，地質構造與突出的關係極為密切，有些突出點雖然其附近的地質條件並無明顯的差異但卻處於某些封閉性構造圈閉的範圍，或受某些特殊的構造邊界所控製。

根據調查資料分析，在發生突出的地段內，煤層產狀及其變化，地質構造類型，規模，性質，疏密程度，排列組合以及構造部位等的差異，對瓦斯突出的發生均有不同程度的影響，在具有良好的瓦斯形成和保存的地質條件前提下，上述某些方麵的特殊性是發生突出的重要內在因素，地質構造與突出的關係主要表現在：

一、地質構造與突出的關係

1)煤岩層產狀及其變化與突出發生關係密切

在煤岩層走向，傾向或傾角突然變化的部位，多屬於應力集中的塊段，應力變化梯度大，這些部位的突出危險性較大。

例如，湖南立新礦蛇形山井一二兩個采區，開采三層煤層的範圍基本一致，但二采區的地質構造較為簡單，產狀變化也小，是比較穩定的單斜構造，該采區不僅突出次數少，強度亦小。而一采區則為一傾伏背構造，煤、岩層走向由近於東西向變化為北東向，傾角由緩變陡，個別地段近於直立，變形係數是二采區的7倍，該采區屬嚴重突出帶。

一、地質構造與突出的關係

2)突出危險性與褶皺緊閉程度，複雜程度有關：形變量增大，突出危險性增加

廣東梅田二礦北三和南二采區，雖然同位於兩條逆斷層所夾的一條帶內，但可劃分為突出嚴重程度不同的兩個突出帶，北三采區兩條邊界斷層間距較小，褶皺緊閉，構造複雜，屬嚴重突出帶，而南二采區的兩條邊界斷層間距增大，褶皺寬緩，構造相對簡單，是一般突出帶。

一、地質構造與突出的關係

3)在不協調褶皺發育的多煤層礦井，不同煤層的突出危險程度，和煤層褶皺幅度、強度密切相關

例如湖南金竹山煤礦一平硐，在可采和局部可采煤層中，靠上部的二、三、四、煤層褶皺輕微，而五煤層及其下付各層煤褶皺強烈，突出主要發生在五煤層及其以下各煤層中，

一、地質構造與突出的關係

4)同煤層不同分層比較，突出危險程度決定於層間滑動和層間褶皺的發育程度

軟硬相間的煤、岩層或同一煤層的不同自然分層，由於力學性質的差異，在褶皺過程中往往發生層間滑動，產生層間褶皺，造成不同自然分層的煤體結構破壞程度的差別，破壞嚴重的煤分層，突出危險性增大，例如，湖南紅衛煤礦坦家衝和裏王廟井，主采的四煤層的頂板較穩定，煤層靠上部的自然分層保存有較好的原生結構，而煤層底板褶皺起伏，使靠下部的自然煤分層遭受褶皺撚搓，該煤層的突出主要發生在靠近底板的自然分層中。

再如，焦作礦區的山西組大煤，近頂板的分層屬構造煤，層間褶皺發育，煤質酥軟，突出也主要發生在此構造煤分層內。

一、地質構造與突出的關係

5)在褶皺的不同部分，突出危險性也有較大差別：一般褶皺軸部的突出危險性大於翼部

有些礦區在斷層兩側牽引褶皺的軸部突出點分布較為集中.

除以上介紹的褶皺構造對突出的影響處，斷裂構造對突出的發生和分布也有重要的控製作用，斷裂構造是岩層受力作用發生脆性變形的一種表現。沿破裂麵發生明顯位移的斷層，可根據兩盤相對位移的方向分為多種類型，按力學性質又可分為分張性，壓性，扭性等幾種型式，不同性質，不同力學性質及不同規模的斷層，不僅對瓦斯保存和排放有影響，而且與瓦斯突出有也密切的關係。

一、地質構造與突出的關係

斷層可分為封閉和開放類型，但斷層的封閉與開放是相對的，據實測的資料分析，各種類型的斷層帶附近，瓦斯湧出一般比較小，隨著距斷層距離的改變，瓦斯湧出量有一定峰值變化，在斷層兩側一定範圍內，有低值區，高值區和正常區之分，據統計，突出點主要分布在瓦斯湧出量的升高區內，這種特點對預測突出點的分布有一定的意義.

井田範圍內或在煤層中發育的各種小型斷裂構造，因為規模較小，對瓦斯的保存和排放影響不大，但這些斷層也是局部構造應力集中的反映，在小斷層發育、分布密集的地帶，反映了構造應力分布不均衡和相對應力集中點增多，這些部位的突出危險性也較大.

地質構造的組合，不僅影響瓦斯的賦存，對突出的發生亦有影響，不同構造組合特征的塊段其突出危險程度不同，我們把具有共性特征的突出帶人為地進行了歸納，提出瓦斯突出的危險帶地質構造類型的概念，突出危險帶地質構造類型的劃分，主要以構造形態的組合特征為基礎，還綜合考慮了構造應力引起的煤厚變化和煤體結構破壞等三項影響瓦斯突出分帶的地質因素。因此，突出危險帶地質構造類型也是瓦斯突出地質條件的綜合體現。

煤和瓦斯突出危險帶地質構造類型圖示

二、煤層厚度與突出的關係

據統計，突出點常分布在煤層厚度大和煤層厚度變化大的部位，突出危險程度的差異與煤厚及其變化的關係，有以下幾種表現形式：

1)在煤層厚度較穩定的多煤層礦井，各煤層的突出危險性決定於煤層的厚度，隨著煤層厚度的增大，突出危險性增加.

2)在煤層厚度變化大的礦井，突出多發生在厚煤地段和煤厚變化帶。凸透鏡狀煤包和被薄煤帶包圍的厚煤地段的突出危險性大。焦作小馬村礦二水平東部和田門井二水平西部，突出點都集中在被薄煤帶包圍的厚煤帶內。

二、煤層厚度與突出的關係

3)在煤層厚度變化較大的多煤層礦井：不同煤層相比較，突出危險性隨煤厚變化的增大而增強，煤厚變化大的塊段比變化小的塊段突出危險性大。

煤層厚度及其變化對突出危險程度的影響已為大量的突出資料所證實,煤層厚度的大小與生成的瓦斯量多少有關,此外,厚煤帶還為瓦斯的儲集提供了場所,一些礦井煤層厚度變化時,瓦斯絕對湧出量也呈現了明顯的正比例變化。

煤層厚度變化造成了瓦斯分布上差異,煤厚度變化的梯度在一定程度上反映了瓦斯的變化梯度,造成了瓦斯 突出點的不均衡分布.

三、煤體結構對瓦斯突出控製

煤與瓦斯的突出發生在煤層中，煤的結構特征對突出也有顯著影響，一般，原生結構的煤不發生突出，屬非突出煤，受構造應力作用，煤的原生結構遭受破壞後所表現出的結構稱為構造結構。突出煤層均有具有構造結構特征，我們把突出煤層的煤結構稱為煤體結構，它主要是指煤層在後期改造中所形成的結構。

根據大量突出點的調查統計，在發生突出的地點及附近的煤層都具有層理紊亂，煤質鬆軟的特點，人們習慣上把這種煤叫做軟分層煤，或簡稱軟煤，在突出礦井，煤質變軟是突出的一種預兆。

三、煤體結構對瓦斯突出控製

所謂軟分層或軟團塊，軟煤，是與正常煤層相比而言的，這種煤層比正常煤分層的強度明顯降低，具有極端的鬆軟性和易碎性，用手撚搓易成cm、mm級碎粒甚至煤粉，從地質角底分析，軟分層煤應屬於構造煤，它是煤層在構造應力作用下形變的產物。在地質的構造應力作用下，煤層比圍岩更容易破壞，極易破壞，其形變過程是，首先是發生密集的裂隙，使煤碎裂，隨後進一步破碎碎粒在移動過程中由於粒間的磨擦，擠壓，揉搓 ，形成了更小的碎粒，直到細粉狀，這樣的煤已失去原來的條帶狀結構，所以我們把這種煤稱為構造煤，煤的這種遭受破壞的構造 結構特征，往往與煤與瓦斯突出的發生有密切關係。

三、煤體結構對瓦斯突出控製

按照煤在構造作用下的破壞程度，可將構造煤分為三種類型。

碎裂煤：煤被密集的相互交叉的裂隙切割成碎塊，這些碎塊保持尖棱角狀，相互之間沒有大的移位，煤僅在一些剪性裂隙表麵被磨成細粉。

碎粒煤：煤已破碎成粒狀，由於運動過程 中顆料間相互磨擦，大部分顆粒被磨去了棱角，並被重新壓緊，為了描述上的統一，規定其主要粒級在1mm以上。

糜棱煤：煤已破碎成細粒狀或細粉狀，並被重新壓緊，其主要粒級在1mm以下，有時煤粒磨得很細，隻相當於岩石的粉砂級，由於這種煤經曆了強烈形變和發生了塑性流動，因而肉眼和鏡下常可看到流動構造，如長條狀顆粒的定向排列等。

瓦斯地質觀點

(4)構造煤對瓦斯突出控製

三、煤體結構對瓦斯突出控製

在井下觀測，構造煤呈層狀，似層狀，團塊狀，條帶狀等不同形態，以一層、多層或全層等多種形式位於突出煤層的一定層位或局部的構造部位上，構造煤分層的顯著特點是與煤層頂(底)板或者正常煤分層呈明顯的構造不協調現象接觸，並表現出特殊的賦存形態，例如，發育密集的近於平行排列的劈理，強烈的層間揉皺等

三、煤體結構對瓦斯突出控製

(一)、構造煤的宏觀，微觀特點和瓦斯地質參數特征

構造煤在宏觀上主要表現有三個特點：

一是煤的原生結構遭到程度不同的破壞，除碎裂煤可斷續見到原生條帶狀的結構處，大部分均失去了原生結構。

二是表現出明顯的構造結構特征，如碎裂狀，砂糖狀，鱗片狀，土狀等，還不同程度地發育有鏡麵，揉皺鏡麵或定向排列構造。

三是手試強度底，這種煤鬆軟易碎，用手撚搓可成cm、mm級碎粒或煤粉。

非構造煤：保留原生結構、原生構造特征

山東省瓦斯地質編圖培訓 山東·青島

(2)煤體結構與瓦斯突出

構造煤厚度越大和構造煤的破壞程度越大，突出危險性就越大。

(2)煤體結構與瓦斯突出

瓦斯地質觀點

(1)煤層瓦斯和瓦斯突出分布是不均衡的，具有分區分帶的特點

在全國的不同省(區)，同一省(區)的不同煤田，同一煤田的不同井田，同一井田的不同煤層及同一煤層的不同塊段內，煤層瓦斯含量、礦井瓦斯湧出量和瓦斯等級、煤層突出危險性和突出嚴重程度存在顯著差異

全國煤礦瓦斯分布勢態總體上表現有東高、西低、南高、北低的格局.

瓦斯地質觀點

(2)地質條件是影響瓦斯賦存和突出分布的主要因素

含煤岩係的沉積環境及其演化、煤盆地所處的大地構造位置及其構造特征、區域構造演化、煤化作用的程度等對瓦斯的形成和保存起著主導作用.

地質構造及組合、煤層圍岩及邊界條件、煤厚大小及其變化、煤的結構及顯微組成、煤的破壞類型及性能、煤層埋藏深度等，是影響瓦斯湧出和突出分布的主要地質因素

瓦斯地質觀點

(3)地質構造是控製突出發生的主導性地質因素

斷層附近突出分布規律

煤岩層產狀及其變化

褶皺緊閉程度，複雜程度

煤層褶皺幅度、強度

層間滑動和層間褶皺的發育程度

一般褶皺軸部的突出危險性大於翼部

(5)瓦斯地質規律與瓦斯預測

煤層瓦斯含量高是瓦斯突出發生基礎;

煤體結構破壞是發生瓦斯突出必要條件;

構造應力相對集中的地帶是瓦斯突出發生的主要位置;

壓性、壓扭性構造是發生煤與瓦斯突出的有利地帶。

中國煤層高瓦斯區域分布規律

(1)太行山造山帶東緣高突出瓦斯帶：安陽、鶴壁、焦作礦區等;

(2)豫西強變形“三軟”煤層高突出瓦斯帶：禹州、汝州、新密、登封、滎鞏、偃龍、陝澠—義馬、新安、宜洛礦區等;

(3)秦嶺造山帶北緣逆衝推覆構造係高突出瓦斯帶：平頂山礦區、確山煤田和周口預測區;

(4)魯西南豫東斷隆低瓦斯帶：永夏礦區。

謝謝!

祝身體健康 學習愉快!