煤層瓦斯賦存與煤儲層物性特征

煤層瓦斯賦存與煤儲層物性特征第一頁，共一百七十五頁，2022年，8月28日2一、瓦斯的化學組分

（一）烴類氣體

瓦斯的主要成分是甲烷，其含量一般大于80%，其他烴類氣體含量極少。在同一煤階中，通常是烴類氣體含量隨埋藏深度的增大而增加，重烴氣主要分布于未受風化的煤層中。此外，重烴含量與煤變質程度有關，通常中變質煤的重烴含量高，低、高變質煤的重烴含量低。第一節(jié)煤層瓦斯地球化學特征

第二頁，共一百七十五頁，2022年，8月28日3

（二）非烴類氣體

煤層瓦斯中非烴類氣體含量通常小于20%。如美國阿巴拉契亞盆地、阿科馬盆地和黑勇士盆地，其煤層瓦斯中非烴類氣體含量極低，遠遠低于10%。非烴類氣體中，氮氣含量約占2/3，二氧化碳約占1/3。某些煤層瓦斯的氮氣和二氧化碳含量變化很大。如江西豐城煤礦煤層氣的氮氣含量處于0.20%～83.39%之間，二氧化碳含量處于0.02%～10.12%之間。二氧化碳易溶于水且易被地下水帶走，因而此其含量受地下水活動影響較大。此外，氮氣和二氧化碳含量亦受煤層埋深和煤變質程度影響。一般而言，越靠近地表，氮氣和二氧化碳的含量越高；煤變質程度越高，氮氣和二氧化碳的含量越低。第三頁，共一百七十五頁，2022年，8月28日4二、影響瓦斯地球化學組成的地質因素瓦斯的地球化學組成主要受煤巖組分（母質）、煤階、生氣過程、埋藏深度及相應的溫壓條件等因素影響。此外，水動力條件和次生作用（如混合、氧化作用）等也能夠影響瓦斯的地球化學組成。第四頁，共一百七十五頁，2022年，8月28日5（一）煤巖組分的影響大多數(shù)煤歸類為腐殖型干酪根，其煤巖組分以鏡質組為主，并含有少量的殼質組和惰質組。殼質組通常相對富氫，是煤成油的主要顯微組分，具有很高的生烴能力。有機巖石學和地球化學最新研究已證明：鏡質組與Ⅲ型干酪根的熱演化途徑一致，主要生成甲烷和其他氣體；鏡質組富氫的某些組分亦可生成液態(tài)烴；惰質組的產氣量比相同煤階的殼質組和鏡質組低。三種煤巖組分的烴氣產率以殼質組最高，鏡質組次之，惰質組最低。對于中、高揮發(fā)分煙煤（中變質煤），腐泥型煤（Ⅰ、Ⅱ型干酪根，主要為殼質組和富氫鏡質組)能夠生成濕氣和液態(tài)烴，而腐殖型煤（Ⅲ型干酪根，主要含鏡質組)則生成較干的氣體。高變質煤中的瓦斯由殘留干酪根和早期生成的重烴裂解而形成。第五頁，共一百七十五頁，2022年，8月28日6干酪根（Kerogen）一詞最初被用來描述蘇格蘭油頁巖中的有機質，它經(jīng)蒸餾后能產出似蠟質的粘稠石油?，F(xiàn)在為人們所普遍接受的概念是：干酪根是沉積巖中不溶于一般有機溶劑的沉積有機質。與其相對應，巖石中可溶于有機溶劑的部分，稱為瀝青。第六頁，共一百七十五頁，2022年，8月28日7I型干酪根（稱為腐泥型）：以含類脂化合物為主，直鏈烷烴很多，多環(huán)芳烴及含氧官能團很少，具高氫低氧含量，它可以來自藻類沉積物，也可能是各種有機質被細菌改造而成，生油潛能大，每噸生油巖可生油約1.8kg。

Ⅱ型干酪根：氫含量較高，但較Ⅰ型干酪根略低，為高度飽和的多環(huán)碳骨架，含中等長度直鏈烷烴和環(huán)烷烴較多，也含多環(huán)芳烴及雜原子官能團，來源于海相浮游生物和微生物，生油潛能中等，每噸生油巖可生油約1.2kg。

Ⅲ型干酪根（稱為腐殖型）：具低氫高氧含量，以含多環(huán)芳烴及含氧官能團為主，飽和烴很少，來源于陸地高等植物，對生油不利，每噸生油巖可生油約0.6kg，但可成為有利的生氣來源第七頁，共一百七十五頁，2022年，8月28日8（二）煤化程度的影響煤化程度是控制氣體生成量和組分的重要因素。一般而言，煤變質程度越高，生成的氣體量也越多。低變質煤（亞煙煤至中揮發(fā)分煙煤)生成的熱成因氣以二氧化碳為主，高變質煤(低揮發(fā)分煙煤及以上煤階的煤)生成的氣體主要成分為甲烷。（三）瓦斯成因的影響瓦斯生成包括生物成因和熱成因兩個過程（見圖4-1，圖4-2）。生物成因氣和熱成因氣在形成時間、生成溫壓、母質和生氣機理（有無細菌活動等）方面的差異，導致這兩個過程中所生成的瓦斯組成有較大差異。第八頁，共一百七十五頁，2022年，8月28日9圖4-1煤層瓦斯生成過程（據(jù)吳佩芳等煤層氣開發(fā)理論與實踐，2000）第九頁，共一百七十五頁，2022年，8月28日10圖4-2煤化過程中生成的甲烷（據(jù)吳佩芳等，2000）第十頁，共一百七十五頁，2022年，8月28日11

生物成因氣由二氧化碳還原作用和有機酸發(fā)酵作用生成。通常，由二氧化碳還原作用生成的甲烷的碳同位素較輕，且富氘；由有機酸發(fā)酵作用生成的甲烷的碳同位素較重，且消耗氘。與生物成因氣相比，熱成因氣有如下特征：①重烴一般出現(xiàn)在中高揮發(fā)分煙煤和煤化程度更高的煤中；②隨著煤化程度的增高，重同位素13C在甲烷和乙烷中富集；③隨著煤化程度的增高，甲烷也相對富集氘。第十一頁，共一百七十五頁，2022年，8月28日12（四）煤層埋藏深度的影響煤層埋藏深度不同，瓦斯的組分也發(fā)生變化。隨著煤層埋藏深度增加，煤層甲烷的同位素δ13C1值呈增大趨勢。與深層瓦斯相比，淺層瓦斯為較干氣體，且所含甲烷的同位素δ13C1值低。參照世界各地的資料可以看出，在煤階相同或相近的情況下，δ13C1值較小的瓦斯，其賦存深度一般也較淺。第十二頁，共一百七十五頁，2022年，8月28日13（五）瓦斯的解吸和擴散煤層后期抬升，煤層壓力場發(fā)生改變，瓦斯出現(xiàn)解吸和擴散。結構簡單、分子量小、質量輕的甲烷比結構復雜、分子量大、質量重的重烴氣容易解吸且解吸速度快。同為甲烷分子，輕同位素12C1比較重的、極性更強的13C1容易解吸，且解吸速度快。第十三頁，共一百七十五頁，2022年，8月28日14（六）次生作用的影響瓦斯的次生作用，即對早期已生成瓦斯的改造作用。主要是生物成因氣和熱成因氣的混合和濕氣組分的氧化作用。次生作用影響瓦斯的組成，對于淺層瓦斯而言更是如此。在淺部，煤層通常為細菌繁盛的含水層，細菌影響瓦斯組成的方式有三種：①厭氧菌活動導致大量生物成因氣的生成并和以前生成的熱成因氣混合；②喜氧菌優(yōu)先和濕氣組分發(fā)生作用，濕氣大部分遭到破壞，從而使殘留濕氣組分的δ13C1值也比預期的要高；③喜氧菌的活動令甲烷被氧化和消耗，使殘留甲烷的δ13C1值增大。第十四頁，共一百七十五頁，2022年，8月28日15（七）水文地質條件的影響有些地區(qū)水動力條件對瓦斯組成的影響十分明顯。如美國圣胡安盆地，其北部超高壓區(qū)瓦斯為富CO2干氣，南部低壓區(qū)瓦斯則為貧CO2濕氣。在區(qū)域抬升后又遭受剝蝕的盆地邊緣，大氣降水進入可滲透煤層，細菌隨流動水一起遷移到煤層中，在細菌的降解和自身代謝活動作用下生成次生生物成因氣。第十五頁，共一百七十五頁，2022年，8月28日16第一節(jié)煤層瓦斯地球化學特征第二節(jié)煤層瓦斯賦存與瓦斯吸附解吸特征第三節(jié)煤層瓦斯含量及其影響因素第四節(jié)煤層瓦斯垂向分帶第五節(jié)煤儲層壓力特征第六節(jié)煤層孔隙與裂隙特征第七節(jié)煤儲層滲透性特征第八節(jié)煤儲層瓦斯流動規(guī)律

第四章煤層瓦斯賦存與煤儲層物性特征

第十六頁，共一百七十五頁，2022年，8月28日17一、煤層瓦斯賦存狀態(tài)煤對瓦斯的吸附作用主要是物理吸附，是瓦斯分子與碳分子相互吸引的結果，如圖4-3所示。在被吸附瓦斯中，人們通常把進入煤體內部的瓦斯稱為吸收瓦斯，把附著在煤體表面的瓦斯稱為吸著瓦斯，吸收瓦斯和吸著瓦斯統(tǒng)稱為吸附瓦斯。煤層賦存的瓦斯中，通常吸附瓦斯量占80％～90％，游離瓦斯量占10％～20％，吸附瓦斯量中又以煤體表面吸著瓦斯量占多數(shù)。第二節(jié)煤層瓦斯賦存與瓦斯吸附解吸特征

第十七頁，共一百七十五頁，2022年，8月28日18圖4-3煤體中瓦斯賦存狀態(tài)（據(jù)周世寧等，1999）第十八頁，共一百七十五頁，2022年，8月28日19

在外界條件恒定時，煤體中吸附瓦斯和游離瓦斯處于動態(tài)平衡狀態(tài)，吸附瓦斯分子和游離瓦斯分子相互更替，在瓦斯緩慢的流動過程中，不存在游離瓦斯易放散、吸附瓦斯不易放散的情況；當外界的瓦斯壓力和溫度發(fā)生變化或給予沖擊和振蕩，并影響到分子的能量時，原有平衡會被破壞，并最終形成新的平衡狀態(tài)。例如，在煤與瓦斯突出（以下簡稱突出）過程的短暫時間內，游離瓦斯首先放散，然后吸附瓦斯迅速加以補充。第十九頁，共一百七十五頁，2022年，8月28日201．吸附態(tài)瓦斯煤層瓦斯以吸附方式儲存于煤層中。經(jīng)測算，吸附狀態(tài)的瓦斯占煤中瓦斯總量的80%～95%，具體比例取決于煤的變質程度和埋藏深度等因素（張新民等，1991；A.T．艾魯尼等，1987）。煤是一種多孔介質，煤中的孔隙大部分是直徑小于50nm的微孔，這使煤具有豐富的內表面積，形成煤較高的表面吸引力，所以煤具有很強的儲氣能力。我國中、高變質程度煙煤和無煙煤的實測煤層瓦斯含量（干燥無灰基）為10～30cm3/g，最高可達36cm3/g，甚至更高。據(jù)測算，煤層儲氣能力是同體積常規(guī)砂巖儲氣能力的2～3倍（圖4-4）第二十頁，共一百七十五頁，2022年，8月28日21圖4-4美國幾個含煤盆地中煤與砂石儲氣能力的比較（據(jù)Kuuskvaa等，1989）1—圣胡安盆地高揮發(fā)分煙煤；2—黑勇士盆地中揮發(fā)分煙煤；3—常規(guī)砂巖儲層（孔隙度Φ=25%，水飽和度為30%）；4—圣胡安盆地中揮發(fā)分煙煤；5—常規(guī)砂巖儲層（孔隙度Φ=22.5%，水飽和度為35%）。第二十一頁，共一百七十五頁，2022年，8月28日222．游離態(tài)瓦斯在氣飽和的情況下，煤的孔隙和裂隙中充滿著處于游離狀態(tài)的瓦斯。這部分氣體服從一般氣體狀態(tài)方程，因分子熱運動顯現(xiàn)出氣體壓力。游離瓦斯的含量取決于煤的孔隙（裂隙）體積、溫度、壓力和瓦斯成分及其壓縮系數(shù)，即：（4-1）式中：Qy為游離氣含量（cm3/g）；為第i氣體摩爾分數(shù)，Ф為單位質量煤的孔隙體積（cm3/g）；p為氣體壓力（MPa）；為第i氣體的壓縮系數(shù)。第二十二頁，共一百七十五頁，2022年，8月28日23

煤中游離瓦斯的含量不大。據(jù)前蘇聯(lián)科學院A.T．艾魯尼等人的資料，埋深在300～1200m范圍內的中變質煤，其游離瓦斯僅占總含氣量的5%～12%。煤體內瓦斯的賦存狀態(tài)不僅有吸附態(tài)和游離態(tài)，還包含有瓦斯的液態(tài)和固溶體狀態(tài)。但是，由于吸附態(tài)和游離態(tài)瓦斯所占的比例在85％以上，正常情況下，整體所表現(xiàn)出的特征仍是吸附和游離狀態(tài)瓦斯的賦存特征。第二十三頁，共一百七十五頁，2022年，8月28日24二、煤的吸附特征（一）吸附類型煤是一種多孔的固體介質，具有很大的內表面積，因而具有吸附氣體的能力。所謂吸附，是指氣體以凝聚態(tài)或類液態(tài)被多孔介質所容納的一種過程。吸附過程可分為物理吸附和化學吸附兩種類型。物理吸附是由范德華力和靜電力引起的，氣體和固體之間的結合較微弱；物理吸附是快速、可逆的?；瘜W吸附是由共價鍵引起的，氣體和固體之間的結合力很強；化學吸附是緩慢、不可逆的。大量研究表明，煤對氣體的吸附以物理吸附為主體。第二十四頁，共一百七十五頁，2022年，8月28日25

吸附平衡：在一個封閉系統(tǒng)里，固體顆粒表面同時進行著吸附和解吸兩種相反的過程，即一部分氣體由于吸引力而被吸留在表面而成吸附氣相；被吸附住的氣體分子，在熱運動和振動的作用下，其動能增加到足以克服吸引力的束縛時，就會離開表面而重新進入游離氣相。當這兩種作用的速度相等（即單位時間內被固體顆粒表面吸留的氣體分子數(shù)等于離開表面的分子數(shù)）時，顆粒表面上的氣體分子數(shù)目就維持在某一個定量，此時稱為吸附平衡。這是一種動態(tài)平衡，所達到的狀態(tài)即為平衡狀態(tài)。在平衡狀態(tài)時，吸附劑所吸附的氣體量與溫度與壓力有關。第二十五頁，共一百七十五頁，2022年，8月28日26

吸附量（V）是溫度（T）和壓力（p）的函數(shù)，可表示為：

V=f(T,p)(4-2)

在上述函數(shù)關系式中，當溫度恒定時，稱為吸附等溫線；當壓力恒定時，稱為吸附等壓線。

最常用的是吸附等溫線，即在某一固定溫度下，達到吸附平衡時，吸附量（V）與游離氣相壓力（p）之間的關系曲線。在煤層瓦斯地質及勘探開發(fā)中，某一溫度（通常為儲層溫度）下煤的吸附等溫線對評價煤層的最大儲氣能力、預測煤層瓦斯含量、確定臨界解吸壓力和計算煤層瓦斯理論回收率等具有重要意義。第二十六頁，共一百七十五頁，2022年，8月28日27圖4-5吸附等溫線的5種類型（據(jù)S.Brunauer等，1940；轉引自嚴繼民等，1986）P0為吸附質在溫度T時的飽和蒸氣壓；P/P0為相對壓力第二十七頁，共一百七十五頁，2022年，8月28日28（二）煤的瓦斯吸附理論1．單分子層吸附理論—Langmuir方程和Henry公式

1916年，法國化學家Langmuir在研究固體表面吸附特性時，得出了單分子層吸附的狀態(tài)方程，即朗格繆爾方程。隨后，國內外瓦斯研究工作者經(jīng)過實驗和理論分析后發(fā)現(xiàn)，該方程同樣適用于瓦斯在煤體表面的吸附，目前采用該方程式來計算煤的瓦斯吸附量。朗格繆爾方程的基本假設條件是：①吸附平衡是動態(tài)平衡；②固體表面是均勻的；③被吸附分子間無相互作用力；④吸附作用僅形成單分子層。第二十八頁，共一百七十五頁，2022年，8月28日29其數(shù)學表達式為

(4-3)其中：

式中：a—吸附常數(shù)，取決于吸附劑和吸附質的性質，表示在給定的溫度下，單位質量固體的極限吸附量。對煤體吸附瓦斯而言，該值一般為15～55m3/t；b—吸附常數(shù)，一般為0.5～5.0MPa-1，取決于溫度和吸附劑的性質；P—吸附平衡時的瓦斯壓力，MPa；V—在給定溫度條件下，瓦斯壓力為P時單位質量固體表面吸附的瓦斯量，cm3/g；第二十九頁，共一百七十五頁，2022年，8月28日30V0—標準狀態(tài)下氣體克分子體積，22.4升／/克分子；

—煤體的比表面積；

N—阿佛加德羅常數(shù)．6.02×1023個／/mol；

—一個吸附位的面積，nm2／/位；

kt—根據(jù)氣體運動論得出的參數(shù)；

Zm—完全的單分子層中每平方厘米所吸附的氣體分子數(shù)；

—解吸活化能；

—和表面垂直的吸附氣體的振動頻率；

R—氣體常數(shù)；

T—煤體的溫度。

a是一個只與煤體比表面積以及被吸附氣體有關的參數(shù)，不同煤樣吸附量差異由a值的不同來反映。b是一個與溫度、被吸附氣體有關的參數(shù)，溫度變化引起的吸附量變化由b值集中反映出來。不同吸附氣體所引起的吸附量變化則分別反映在a、b值的不同上。第三十頁，共一百七十五頁，2022年，8月28日31Langmuir方程的另一種表達方式是

(4-4)

式中：VL為Langmuir體積（cm3/g），其物理意義與a值相同，即VL=a；PL為Langmuir壓力（MPa），代表吸附量達到Langmuir體積的一半時所對應的平衡氣體壓力，其與壓力常數(shù)b的關系是PL＝1/b；其他符號意義同上。圖4-6為30℃時煤的Langmuir壓力－Rmax關系圖。第三十一頁，共一百七十五頁，2022年，8月28日32圖4-630℃時煤的Langmuir壓力與Rmax關系圖（據(jù)張新民等，2002）第三十二頁，共一百七十五頁，2022年，8月28日33

氣體平衡壓力較低時，Langmuir方程分母中的b·p項與1相比，可以忽略不計，此時的吸附量與壓力成正比。即：

V=a·b·p(4-5)

式（4-5）被稱為亨利（Henry）公式，它只有在吸附劑的內表面積最多有10%被氣體分子覆蓋時，即在平衡氣體壓力很低時才成立。氣體平衡壓力很高時，Langmuir方程分子中的1相對于b·p項可以忽略不計，即V＝a，這就是飽和吸附，它反映了a值的物理意義。單分子層吸附理論適合于描述圖4-5中的Ⅰ類吸附等溫線，是目前廣泛應用的煤的吸附狀態(tài)方程。第三十三頁，共一百七十五頁，2022年，8月28日342．多分子層吸附理論—BET方程在單分子層吸附理論基礎上，Brunauer、Emmett和Teller等人于1938年提出多分子層吸附理論，除上述Langmuir單分子層模型中的前3項假設（即吸附是動態(tài)平衡，固體表面是均勻的，被吸附分子間無相互作用力）外，還補充了以下假設：①被吸附分子和碰撞到其上面的氣體分子之間也存在范德華力，發(fā)生多層吸附；②第一層的吸附熱和以后各層的吸附熱不同，而第二層以上各層的吸附熱相同；③吸附質的吸附和脫附只發(fā)生在直接暴露于氣相的表面上。雖然吸附是多分子層的，但不是第一層吸附滿時才進行第二層吸附，而是每一層都可能有“空著”的吸附位，層是不連續(xù)的。第三十四頁，共一百七十五頁，2022年，8月28日35

這種吸附由BET方程描述，BET方程的二常數(shù)表達式為：

(4-6)

式中：Vm為單分子層達到飽和時的吸附量；P0為實驗溫度下吸附質的飽和蒸氣壓力；C為與吸附熱和吸附質液化熱有關的系數(shù)。多分子層吸附理論可以描述前述所有5種類型的吸附等溫線，它的一個重要用途是測定固體的比表面積。第三十五頁，共一百七十五頁，2022年，8月28日363．吸附勢理論—RD方程吸附勢理論認為，吸附是由勢能引起的，在固體表面附近存在一個勢能場，即吸附勢。就如同地球存在引力場，使空氣在地球表面附近包覆成大氣層一樣。距離固體表面越近吸附勢能越高，因此，吸附質的濃度也越高，反之則越低。Polanyi曾對吸附勢進行了定量描述，因此這種理論有時也被稱為Polanyi吸附勢理論。吸附勢理論對微孔吸附劑的等溫吸附作定量描述的方程是DubininRadushkevich（RD）方程，即第三十六頁，共一百七十五頁，2022年，8月28日37(4-7)

式中：V為吸附勢能；V0為微孔體積；β為吸附質的親和系數(shù)；K為與孔隙結構有關的常數(shù)；P0為實驗溫度下吸附質的飽和蒸氣壓力；R為氣體常數(shù)；T為絕對溫度。吸附勢模型可以描述前述Ⅱ類吸附等溫線，適合于孔徑較小的物質（一般孔徑為0.6～0.7nm），并且不易發(fā)生多層吸附或毛細凝結現(xiàn)象。第三十七頁，共一百七十五頁，2022年，8月28日38

4．統(tǒng)計勢動力學理論——多相吸附模型單分子層吸附和多分子層吸附理論是基于兩相平衡的概念，即吸附氣相與游離氣相之間是平衡的。Collins則認為，煤體內部孔隙中的氣體分子不是游離的，而是處于煤分子的電磁場中。正是這種分子力改變了微孔中流體的性質。于是，他提出四相平衡的新吸附理論，即吸附劑外表的游離氣相、單分子層吸附相、孔隙氣相和類液相（Collins，1991）。該理論認為，氣體分子與固體分子間的作用力為倫敦分散力，氣體分子之間的作用力為范德華力。假設多孔介質為具有一定孔隙體積的固體，這個孔隙體積由所有具有相同半徑的圓筒形孔隙的集合體組成，則較高壓力下的吸附等溫線方程為第三十八頁，共一百七十五頁，2022年，8月28日39

(4-8)

式中：Na為吸附劑中的氣體分子數(shù)；PL為Langmuir壓力常數(shù)；G（T）為孔隙相氣體密度的溫度校正因子；α為常數(shù)；VP為吸附劑孔隙體積；K為Boltzman常數(shù)；B為范德華因子；S為吸附位總數(shù)量；T為絕對溫度；（h為Plank常數(shù)；m為氣體分子量）；Σ為比表面積(單位孔隙體積的表面積)。式（4-8）中，第一項為單層吸附的分子數(shù)量，實際為Langmuir等溫吸附項；第二項為以“孔隙氣”形式存在于孔隙體積VP中的分子數(shù)量；最后一項為以“壓縮”或“類液層”形式存在的氣體分子數(shù)量，壓力較低時取值為零。這種吸附等溫線可用圖4-7來表示，屬前述Ⅱ類吸附等溫線。第三十九頁，共一百七十五頁，2022年，8月28日40圖4-7等溫吸附條件下多孔固體中的三種相態(tài)（據(jù)傅雪海等，2007）第四十頁，共一百七十五頁，2022年，8月28日41（三）煤對甲烷的吸附能力煤是一種優(yōu)良的天然吸附劑，對各種氣體具有很強的吸附能力，這是煤層瓦斯與常規(guī)儲層儲氣機理不同的物質基礎。關于煤的等溫吸附特征，國內外做過大量工作。由上一節(jié)所討論的吸附理論可知，雖然人們對煤吸附氣體的特征和機理存在不同的理解和認識，但均認為煤吸附甲烷屬物理吸附是不爭的事實。煤中氣體以物理吸附存在的理由主要有：甲烷的吸附熱比氣化熱低2～3倍，氮氣和氫氣的吸附也與甲烷一樣，這表明煤對氣體的吸附是無選擇性的；大量的吸附試驗證明，煤對甲烷等氣體的吸附是快速和可逆的。因此，可以用物理吸附模型來探討煤吸附氣體的機理。第四十一頁，共一百七十五頁，2022年，8月28日42圖4-8美國黑勇士盆地煤樣的吸附等溫線（據(jù)Collins，1991）第四十二頁，共一百七十五頁，2022年，8月28日43

煤層溫度大都在10～50℃范圍內變化，這一溫度遠高于甲烷的臨界溫度（-82.57℃），煤的等溫吸附試驗一般也是在這一溫度范圍內進行，因而不易發(fā)生多層吸附；煤是一種孔隙結構比較復雜、孔徑分布較寬的多孔介質，吸附不可能只發(fā)生在微孔結構中（A.T.艾魯尼，1992），即吸附并非只以微孔充填過程為主。大量煤樣的吸附等溫線屬Ⅰ類；只有少數(shù)吸附等溫線屬Ⅱ類，且在壓力較高時才會出現(xiàn)，如圖4-8所示?？梢哉J為，煤吸附氣體屬單分子層吸附，用Langmuir方程可以較好地描述絕大部分煤的吸附等溫線；雖然有一定誤差，但可以滿足工程應用要求。第四十三頁，共一百七十五頁，2022年，8月28日44（四）影響煤吸附性的因素煤吸附性大小主要取決于3個方面的因素，即：①煤結構、煤的有機組成和煤的變質程度；②被吸附物質的性質；③煤體吸附所處的環(huán)境條件。煤對瓦斯的吸附是可逆的，環(huán)境條件尤為重要。煤中瓦斯吸附量的大小主要取決于煤化變質程度、煤中水分、瓦斯成分、瓦斯壓力以及吸附平衡溫度等。第四十四頁，共一百七十五頁，2022年，8月28日451．瓦斯壓力的影響給定溫度下，隨著瓦斯壓力的升高，煤體吸附瓦斯量增大。當瓦斯壓力大于3.0MPa增加到一定值后，吸附的瓦斯的吸附量增加較緩慢將趨于定值，如圖4-9示。2．吸附溫度的影響目前的實驗研究表明：溫度升高，瓦斯分子活性增大，不易被煤體吸附；同時，已被吸附的瓦斯分子在溫度升高時易于獲得動能，發(fā)生脫附現(xiàn)象，吸附瓦斯量降低。圖4-9給出了溫度對吸附性的影響。第四十五頁，共一百七十五頁，2022年，8月28日46圖4-9溫度對瓦斯吸附的影響（據(jù)傅雪海等，2007）第四十六頁，共一百七十五頁，2022年，8月28日473．瓦斯成分的影響礦井中的瓦斯實際上是一種以甲烷為主的混合氣體。圖4-10為單組分和多組分混合氣體(CO2、CH4、N2)的等溫吸附實驗研究結果，從圖中可以看出，煤對混合氣體的不同組分的吸附能力有強弱之分；當混合氣體由CO2、CH4組成時，在所研究的壓力范圍內，煤對CO2的吸附始終大于對CH4的吸附；當混合氣體由CH4和N2組成時，CH4為混合氣體中的強吸附組分，決定著吸附曲線的趨向性質。等溫吸附曲線顯示：在吸附壓力不高時，煤對混合氣體的等溫吸附接近強吸附組分的等溫吸附曲線；隨著吸附壓力的升高，其介于兩組分之間。另外，混合氣體各組分的百分比不同、分壓不同，所得的吸附等溫線也不同。第四十七頁，共一百七十五頁，2022年，8月28日48圖4-10單組分和多組分混合氣體等溫吸附曲線（據(jù)何學秋，1995）第四十八頁，共一百七十五頁，2022年，8月28日49

可以認為，一方面，煤對混合氣體的吸附性與混合氣體中各組分的吸附性強弱有關；另一方面，煤對混合氣體的吸附性與混合氣體中各組分的分壓有關，煤對分壓大的氣體組分的吸附性更大。

由分壓大的強吸附氣體和分壓小的弱吸附氣體組成的混合氣體的等溫吸附曲線很接近分壓大的強吸附氣體在作為純吸附質時的等溫吸附曲線。各組分的分壓變化與其吸附量的變化是不成比例的，在吸附過程中，游離相的成分會發(fā)生變化，使被吸附組分數(shù)量間的關系與原始混合氣體不同，即各吸附質組分間會相互影響，但在恒溫條件下，吸附量與壓力之間的關系仍然可用Langmuir等溫吸附的修正方程加以表示。第四十九頁，共一百七十五頁，2022年，8月28日50

從圖4-11可以看出，煤對混合氣體中各組分的吸附量比對該組分單獨作為吸附質時的吸附量要小，這說明煤對混合氣體的吸附不僅與煤的性質有關，還與混合氣體中各組分的組合類型有關。煤對由CO2與CH4、CH4與N2組成的混合氣體及CO2、CH4、N2的吸附性強弱順序依次為：CO2＞CO2+CH4

＞CH4＞CH4+N2＞N2。第五十頁，共一百七十五頁，2022年，8月28日51圖4-11給定吸附氣體、溫度條件下的等溫吸附線（據(jù)周世寧等，1999）第五十一頁，共一百七十五頁，2022年，8月28日524．煤的變質程度的影響圖4-6給出了30℃等溫吸附Langmuir體積與Rmax關系，圖4-12給出了不同變質程度的煤在45℃時的等溫吸附變化情況。煤的變質程度對煤的瓦斯生成量及比表面積有較大影響，參見圖4-6，圖4-12。一般情況下，從中變質煙煤到無煙煤，吸附量相應增加。圖4-12不同變質程度（Rmax）煤在45℃條件下的等溫吸附曲線（據(jù)張新民等，2002）第五十二頁，共一百七十五頁，2022年，8月28日535．煤中水分的影響水分的增加會使煤的吸附能力降低（見圖4-13，圖4-14所示）。通常用俄羅斯煤化學家艾琴格爾的經(jīng)驗公式來確定煤中天然水分對甲烷吸附量的影響，其計算公式為： （4-9）式中：Xch—含有水分為W(％)的濕煤的甲烷吸附量，m3/t；

W—煤中的天然水分的質量含量，％；圖4-13煤中天然水分對甲烷吸附量的影響（據(jù)周世寧等，1999）第五十三頁，共一百七十五頁，2022年，8月28日54圖4-14干燥煤樣與平衡水煤樣等溫吸附曲線對比（據(jù)葉建平等，1998）第五十四頁，共一百七十五頁，2022年，8月28日55三、煤的解吸特征

煤層壓力降低到一定程度，煤中被吸附的甲烷開始從微孔表面分離，即發(fā)生解吸，它是煤中吸附氣因儲層壓力降低或溫度升高等而轉變成游離氣體的過程。煤層解吸特征常用可解吸率（或可解吸量）和解吸速率衡量，解吸總量由階段解吸量組成，解吸速率往往采用吸附時間定量表示。第五十五頁，共一百七十五頁，2022年，8月28日56（一）解吸率和解吸量我國前期煤田地質勘探資料中瓦斯（煤層氣）解吸資料多由四部分構成，即損失氣量（V1）、現(xiàn)場兩小時解吸量（V2）、真空加熱脫氣量（V3）和粉碎脫氣量（V4）。通常，把損失氣量與解吸氣量之和與總含氣量之比稱為解析率，損失氣量與現(xiàn)場兩小時解吸氣量之和為解吸量，即解吸率與實測含氣量的乘積。我國煤層氣井和美國煤層氣解吸資料均由三部分構成，即逸散氣量、解吸氣量（解吸至一周內平均每天小于10cm3時為止）、殘余氣量。逸散氣量、解吸氣量之和為理論可解吸量，其與總含氣量之比稱為理論可解吸率。第五十六頁，共一百七十五頁，2022年，8月28日57

我國煤的解吸特征變化較大。煤層甲烷解吸率介于9.1%～59.0%之間。甘肅窯街煤層瓦斯中因CO2含量達25%，甲烷解吸率只有9.1%，遼河古近紀煤的甲烷解吸率為22.6%，鐵法上侏羅統(tǒng)煤的甲烷解吸率為19.2%，西北靖遠下中侏羅統(tǒng)煤的甲烷解吸率為29.8%，華北石炭－二疊系煤的甲烷解吸率介于22.0%～59%之間，云南恩洪中二疊統(tǒng)煤的甲烷解吸率在53%左右。第五十七頁，共一百七十五頁，2022年，8月28日58

煤層甲烷解吸率受煤層原位含氣量和儲層壓力影響，與煤層埋藏深度有關（見圖4-15，圖4-16所示）。沁水盆地中南部煤層甲烷解吸率介于15.6%～68.0%之間，平均為37.82%。其中3煤解吸率、解吸量基本上隨埋深增加而增大，平均解析率為30.9%，15煤埋深500m左右，平均解吸率為37.8%。圖4-16給出了沁水盆地中南部煤層甲烷解吸率與煤層埋深關系的統(tǒng)計。東北鐵法和西北寶積山等中生界煤層隨埋深增大煤層甲烷解吸率卻有明顯的降低趨勢，最佳解吸深度在400～600m之間。由此來看，不同地區(qū)和不同時代煤層甲烷解吸率與埋深之間關系有很大差異。第五十八頁，共一百七十五頁，2022年，8月28日59圖4-15沁水盆地中南部煤層甲烷解吸速率與煤層埋深的關系（據(jù)傅雪海等，2007）第五十九頁，共一百七十五頁，2022年，8月28日60圖4-16沁水盆地中南部煤層甲烷解吸速率與煤層埋深的關系（據(jù)傅雪海等，2007）第六十頁，共一百七十五頁，2022年，8月28日61（二）解吸時間實測瓦斯解吸體積累計達到總解吸氣量（STP：標準溫度、壓力）的63.2%時所對應的時間稱為解吸時間，它由罐裝煤樣解吸試驗求得。該時間參數(shù)對給定煤樣來說，與逸散氣無關，即不管采用何種方法計算逸散氣量，解吸時間都是相同的。解吸時間取決于煤的組成、煤基塊大小、煤化程度和煤的裂隙間距。煤層氣勘探開發(fā)實踐表明：解吸時間與產能達到高峰的時間有關，與煤層氣長期的產能關系并不密切。解吸時間短，煤層氣井有可能在短期內達到產能高峰，有利于縮短開發(fā)周期，但不利于氣井的長期穩(wěn)產。第六十一頁，共一百七十五頁，2022年，8月28日62

吸附時間可以通過擴散系數(shù)和煤基塊甲烷量來計算，即：

(4-10)

式中：τ——吸附時間D——擴散系數(shù)σ——形狀因子

σ由下式定義：式中：α——比例系數(shù)；

Am——煤基質塊的面積；

Vm——煤基質塊的體積。煤中裂隙級別較多，裂隙間距和形狀因子難于厘定，通常由煤樣的自然解吸實驗來確定解吸時間。第六十二頁，共一百七十五頁，2022年，8月28日63①計算累計達到總解吸氣量的63.2%時所對應的氣體體積:

（4-11）②計算累計達到總解吸氣量的63.2%時所對應的時間:

在煤樣的自然解吸實驗中找到該樣品累計達到總解吸氣量的63.2%時所在的時間區(qū)間t1和t2，其所對應的累計解吸量為Vt1和Vt2，則:

(4-12)

煤層的解吸時間變化很大，最大值與最小值可相差100倍以上。例如，美國圣胡安盆地、中阿巴拉契亞盆地等為l～5d，黑勇士盆地為1～30d，北阿巴拉契亞盆地為80～100d。第六十三頁，共一百七十五頁，2022年，8月28日64

我國煤層解吸時間在數(shù)小時至20d之間。例如，平頂山三9-10煤層解吸時間為2～3d，二1煤層解吸時間為13h?；茨?3-1煤層吸附時間為1h～4.6d,11-1煤層吸附時間為1h～1.8d，8煤層解吸時間為3h～1.5d。韓城3煤層吸附時間在1d左右，11煤層吸附時間為8h。峰峰2煤層吸附時間為1.5h～1.6d，4煤和6煤層吸附時間僅有數(shù)h。沁水盆地石炭二疊系煤層的吸附時間相對較長，但也只有1～20d。表4-1給出了我國部分煤層的解吸時間。與美國圣胡安盆地和中阿巴拉契亞地區(qū)相類似，煤層解吸速率較快，若為水飽和煤層，很快就能達到較高氣產量。第六十四頁，共一百七十五頁，2022年，8月28日65（三）解吸速率

單位時間內的解吸氣量稱為解吸速率。解吸速率受控于煤的組成、煤基塊大小、煤化程度和煤的破碎程度。自然解吸條件下解吸速率總體表現(xiàn)為快速下降，但初始存在一個加速過程，中間解吸速率出現(xiàn)跳躍性變化，可能是煤孔徑結構影響的結果（圖4-17）。第六十五頁，共一百七十五頁，2022年，8月28日66圖4-17晉城3煤層解吸過程中解吸速率的變化規(guī)律（據(jù)傅雪海等，2007）第六十六頁，共一百七十五頁，2022年，8月28日67第一節(jié)煤層瓦斯地球化學特征第二節(jié)煤層瓦斯賦存與瓦斯吸附解吸特征第三節(jié)煤層瓦斯含量及其影響因素第四節(jié)煤層瓦斯垂向分帶第五節(jié)煤儲層壓力特征第六節(jié)煤層孔隙與裂隙特征第七節(jié)煤儲層滲透性特征第八節(jié)煤儲層瓦斯流動規(guī)律

第四章煤層瓦斯賦存與煤儲層物性特征

第六十七頁，共一百七十五頁，2022年，8月28日68一、煤層瓦斯含量的基本概念

煤層瓦斯含量是指單位質量的煤中所含有的瓦斯體積（換算為標準狀態(tài)下的體積），單位是cm3/g或m3/t。煤層瓦斯含量也可用單位質量純煤(去掉煤中水分和灰分)的瓦斯體積表示，單位是cm3/g,daf或m3/t,daf。所謂標準狀態(tài)是指：絕對溫度273.2K(（0℃)），大氣壓力1.013kPa（760mm汞柱）。

煤層原始瓦斯含量煤層未受采動影響而處于原始賦存狀態(tài)時，單位質量煤中所含有的瓦斯體積（換算成標準狀態(tài)下體積），稱之為煤層原始瓦斯含量，常用m3/t和cm3/g作計量單位。第三節(jié)煤層瓦斯含量及其影響因素

第六十八頁，共一百七十五頁，2022年，8月28日69

煤層殘存瓦斯含量煤層受采動影響而涌出一部分瓦斯后，單位質量煤中所含有的換算成標準狀態(tài)下的瓦斯體積稱之為煤層殘存瓦斯含量，常用計量單位亦是m3/t和cm3/g作計量單位。

煤的可解吸瓦斯含量煤自的原始瓦斯含量與煤層殘存瓦斯含量之差稱為煤的可解吸瓦斯含量，其物理單位為m3/t或cm3/g。煤的可解吸瓦斯含量大致代表單位質量的煤在開采過程中，在井下可能涌出的瓦斯量。

煤的瓦斯容量煤中瓦斯壓力升高時，單位質量煤所能吸附瓦斯的最大體積（換算為標準狀態(tài)下的體積），稱之為煤的瓦斯容量。瓦斯容量與煤的變質程度有關，從褐煤到無煙煤，隨著煤的變質程度升高，瓦斯容量加大。瓦斯容量實際上是煤對瓦斯的極限吸附量。第六十九頁，共一百七十五頁，2022年，8月28日70二、影響煤層瓦斯含量的因素瓦斯是地質作用的產物，瓦斯的形成和保存、運移和富集與地質條件關系密切。影響瓦斯賦存和分布的主要地質因素包括：煤的變質程度、圍巖條件、地質構造、煤層的埋藏深度、煤田的暴露程度、地下水活動和巖漿活動。第七十頁，共一百七十五頁，2022年，8月28日71（一）煤的變質程度的影響煤化作用過程中會不斷地產生瓦斯，煤化程度越高，生成的瓦斯量越多。即在其他因素恒定的條件下，煤的變質程度越高，煤層瓦斯含量越大。褐煤長焰煤無煙煤石墨可吸附瓦斯量生成瓦斯總量保存瓦斯量第七十一頁，共一百七十五頁，2022年，8月28日72（二）圍巖條件的影響

煤層圍巖是指包括煤層直接頂、老頂和直接底板等在內的一定厚度范圍的煤層頂?shù)讕r層。煤層圍巖對瓦斯賦存的影響，取決于它的隔氣和透氣性能。當煤層頂板巖性為致密完整的巖石，如頁巖、油頁巖和泥巖時，煤層中的瓦斯容易被保存下來；頂板為多孔隙或脆性裂隙發(fā)育的巖石，如礫巖、砂巖時，瓦斯容易逸散。第七十二頁，共一百七十五頁，2022年，8月28日73（三）地質構造的影響地質構造對瓦斯賦存影響較大，一方面造成瓦斯分布不均衡，另一方面形成了瓦斯賦儲存或瓦斯排放的有利條件。不同類型的構造形跡，地質構造的不同部位、不同力學性質和封閉情況，形成不同的瓦斯儲賦存條件。第七十三頁，共一百七十五頁，2022年，8月28日741．褶皺構造褶皺的類型、封閉情況和復雜程度對瓦斯賦存均有影響。當煤層頂板巖石透氣性差，且未遭受構造破壞時，背斜有利于瓦斯的儲存，是良好的儲氣構造，背斜軸部的瓦斯會相對聚集，瓦斯含量增大。在向斜盆地構造的礦區(qū)，頂板封閉條件良好時，瓦斯沿垂直地層方向運移比較困難，大部分瓦斯僅能沿兩翼流向地表，但在盆地的邊緣部分，若含煤地層暴露面積大，則便于瓦斯排放。緊密閉褶皺地區(qū)往往瓦斯含量較高，因為這些地區(qū)帶受強烈構造作用，應力集中；同時，發(fā)生褶皺的巖層往往塑性較強，易褶不易斷，封閉性較好，因而有利于瓦斯的聚集和保存。第七十四頁，共一百七十五頁，2022年，8月28日752．斷裂構造斷裂構造破壞了煤層的連續(xù)完整性，使煤層瓦斯運移條件發(fā)生變化。有的斷層有利于瓦斯排放，有的斷層對抑制瓦斯排放而成為逸散的屏障。前者稱為開放型斷層，后者稱為封閉型斷層。斷層的開放性與封閉性取決于下列條件：①斷層屬性和力學性質，一般張性正斷層屬開放型，而壓性或壓扭性逆斷層通常具有封閉性；②斷層與地表或與沖積層的連通情況，規(guī)模大且與地表相通或與沖積層相連的斷層一般為開放型；③斷層將煤層斷開后，煤層與斷層另一盤接觸的巖層性質有關，若透氣性好則利于瓦斯排放；④斷層帶的特征、斷層帶的充填情況、緊閉程度、裂隙發(fā)育情況等都會影響到斷層的開放性或封閉性。第七十五頁，共一百七十五頁，2022年，8月28日76

此外，斷層的空間方位對瓦斯的保存或逸散也有影響。一般而言，走向斷層能夠阻隔瓦斯沿煤層傾斜方向的逸散，而傾向和斜交斷層則把煤層切割成互不聯(lián)系的塊體。不同類型的斷層，形成了不同的構造邊界條件，對瓦斯賦存產生不同的影響。焦作礦區(qū)東西向的主體構造鳳凰嶺斷層和朱村斷層，落差均在百米以上，使煤層與裂隙溶洞發(fā)育的奧陶系灰?guī)r接觸，屬于開放型斷層，因而斷裂帶附近瓦斯含量低。而礦區(qū)內的一些中型斷層，與煤層接觸的斷層另一盤巖性多為粉砂巖或泥質巖，屬于封閉型斷層，它們是瓦斯分帶的構造邊界。第七十六頁，共一百七十五頁，2022年，8月28日773．構造組合控制瓦斯分布的構造形跡的組合形式，大致歸納為以下3種類型：（1）逆斷層邊界封閉型這一類型中，壓性、壓扭性逆斷層常為礦井或區(qū)域的兩翼邊界，斷層面一般相背傾斜，使整個區(qū)段處于封閉的條件之下。如內蒙古大青山煤田，南北兩側邊界均為逆斷層，斷層面傾向相背，煤田位于逆斷層的下盤，在構造組合上形成較好的封閉條件。該煤田各礦井煤層的瓦斯含量普遍高于開采同時代含煤巖系的烏海煤田和桌子山煤田。第七十七頁，共一百七十五頁，2022年，8月28日78（2）構造蓋層封閉型蓋層條件，原來是就沉積蓋層而言，從構造角度，也可以指構造成因的蓋層。如某一較大的逆掩斷層，將大面積透氣性差的巖層推覆到煤層或煤層附近之上，改變了原來的蓋層條件，同樣對瓦斯起到封閉作用。吉林通化礦區(qū)鐵廠二井，北東東向的張性斷層雖然有利于瓦斯排放，但煤層上覆地層被逆斷層的上盤所覆蓋，由于斷層面及上盤地層的封閉作用，下盤煤層瓦斯大量聚集，瓦斯含量顯著增高。第七十八頁，共一百七十五頁，2022年，8月28日79（3）斷層塊段封閉型該類型由兩組不同方向的壓扭性斷層在平面上組成三角形或多邊形塊體，塊段邊界為封閉型斷層所圈閉。如河北峰峰煤田，含煤巖系被晚期構造運動所產生的一系列高角度正斷層切割，形成若干小型地塹或地壘構造（圖4-19），構成一些有利于瓦斯儲存的封閉區(qū)。當這些封閉區(qū)遠離煤層露頭時（如羊渠河礦、大椒樹礦等），即使含煤地層被抬升、埋深較淺，礦井瓦斯涌出量仍然很大。第七十九頁，共一百七十五頁，2022年，8月28日80圖4-19峰峰煤田地質剖面略圖第八十頁，共一百七十五頁，2022年，8月28日81（四）煤層的埋藏深度的影響在瓦斯風化帶以下，煤層瓦斯含量、瓦斯壓力和瓦斯涌出量都與煤層埋藏深度有關。

一般而言，煤層中的瓦斯壓力隨著埋藏深度的增加而增大。隨著瓦斯壓力增加，煤與巖石中游離瓦斯量所占的比例增大，同時，煤中的吸附瓦斯逐漸趨于飽和。由此可以推斷，在一定深度范圍內，煤層瓦斯含量亦隨埋藏深度的增大而增加；當埋藏深度繼續(xù)增大時，瓦斯含量增加的幅度將會減緩。第八十一頁，共一百七十五頁，2022年，8月28日82

個別礦井的煤層，隨著煤層埋藏深度的增加瓦斯涌出量反而相對減小。如徐州礦務局大黃山礦，屬于低瓦斯礦井，位處較淺的煤盆地，煤層傾角大，在新、老不整合面上有厚層低透氣性蓋層，瓦斯主要沿煤層向地表運移。由于煤盆地范圍小，深部缺乏足夠的瓦斯補給，當從盆地四周由淺部向深部開采時，瓦斯涌出量隨著開采深度的增加而減小。第八十二頁，共一百七十五頁，2022年，8月28日83（五）煤田暴露程度的影響暴露式煤田煤系地層出露于地表，煤層瓦斯易于沿煤層露頭排放。而隱伏式煤田如果蓋層厚度較大，透氣性又差，則煤層瓦斯保存條件好；反之，若覆蓋層透氣性好，容易使煤層中的瓦斯緩慢逸散，煤層瓦斯含量一般不大。

在評價一個煤田的暴露情況時，不僅要注意該煤田目前的暴露程度，還要考慮到成煤整個地質歷史時期內煤系地層的暴露及瓦斯風化過程的情況。

第八十三頁，共一百七十五頁，2022年，8月28日84

如紅陽煤田三井開采石炭-二疊系煤層，煤層露頭上部有巨厚的侏羅系及第三系和第四系沉積地層覆蓋，13號煤層露頭的埋藏深度達700～1100m。盡管煤層埋藏深度如此巨大，接近露頭部分的煤層瓦斯含量仍然很小。這主要是因為，在晚侏羅世地層覆蓋之前，從晚古生代到晚侏羅世之間的漫長地質時期內，區(qū)內地殼上升，含煤地層出露地表，遭受強烈地風化剝蝕作用，晚期地層覆蓋僅保存了早期存在的瓦斯分布狀態(tài)第八十四頁，共一百七十五頁，2022年，8月28日85（六）地下水活動的影響地下水與瓦斯共存于煤層及圍巖之中，運移和賦存都與煤、巖層的孔隙及裂隙通道有關。地下水的運移，一方面驅動著裂隙和孔隙中瓦斯的運移，另一方面又帶動溶解于水中的瓦斯一起流動。盡管瓦斯在水中的溶解度僅為1%～4%，但在地下水交換活躍的地區(qū)，水能從煤層中帶走大量的瓦斯，使煤層瓦斯含量明顯減少。同時，水吸附在裂隙和孔隙的表面，還減弱了煤對瓦斯的吸附能力。因此，地下水的活動有利于瓦斯的逸散。地下水和瓦斯占有的空間是互補的，這種相逆的關系，常表現(xiàn)為水量大的地帶，瓦斯量相對較小，反之亦然。第八十五頁，共一百七十五頁，2022年，8月28日86（七）巖漿活動的影響巖漿活動對瓦斯賦存影響比較復雜。巖漿侵入含煤巖系或煤層，在巖漿熱變質和接觸變質的影響下，煤的變質程度升高，瓦斯的生成量和吸附能力增大。在缺少隔氣蓋層或封閉條件不好時，巖漿的高溫作用可以強化煤層瓦斯排放，使煤層瓦斯含量減小。巖漿巖體有時會使煤層局部被覆蓋或封閉，形成隔氣蓋層。但在某些情況下，由于巖脈蝕變帶裂隙增加，造成風化作用加強，可逐漸形成裂隙通道，有利于瓦斯的排放。由此可見，巖漿活動對瓦斯賦存既有生成和保存作用，在某些條件下又會增加瓦斯逸散的可能性。因此，在研究巖漿活動對煤層瓦斯的影響時，要結合地質背景作具體分析。第八十六頁，共一百七十五頁，2022年，8月28日87

總的來看，巖漿侵入煤層有利于瓦斯生成和保存的現(xiàn)象比較普遍。如遼寧北票煤田的東西兩翼有強烈的巖漿活動，位于煤田東翼的三寶礦一井和西翼的臺吉四井，巖漿侵入體呈巖墻、巖床、巖脈和巖株等產狀侵入煤系地層。其中沿煤層侵入的巖床對瓦斯賦存和煤與瓦斯突出影響顯著，一是使煤層產生接觸變質，進一步生成瓦斯；二是巖床位于煤層頂板部位，對瓦斯排放起封閉作用；三是使煤層受力，揉搓粉碎，造成煤結構的破壞。三寶礦一井西一采區(qū)的九號煤層，巖床狀侵入體位于煤層頂板，覆蓋面積19.4×104m2

，該區(qū)域不僅瓦斯含量高，突出災害嚴重，曾發(fā)生過兩次特大型突出。臺吉四井的四號煤層，已發(fā)生的19次突出都分布在巖床覆蓋區(qū)的井田東翼，其他可采煤層在巖漿侵入?yún)^(qū)也有類似情況。第八十七頁，共一百七十五頁，2022年，8月28日88

在某些礦區(qū)和礦井，由于巖漿侵入煤層，瓦斯逸散與瓦斯含量降低的現(xiàn)象時有發(fā)生。如福建永安礦區(qū)屬暴露式煤田，巖漿巖呈巖墻、巖脈侵入煤層，對煤層有烘烤和蝕變現(xiàn)象。巖脈直通地表，巷道揭露時有淋水現(xiàn)象，表明裂隙通道良好，有利于瓦斯逸散。該礦區(qū)煤層瓦斯含量普遍很小，均屬低瓦斯礦井。在研究巖漿活動對瓦斯賦存的影響時，還應該注意火山作用所產生的二氧化碳。個別礦區(qū)的煤和圍巖中含有大量的二氧化碳氣，可能與火山噴發(fā)或巖漿侵入活動有關。如吉林營城五井的巖石與二氧化碳突出，二氧化碳氣源來自煤系沉積后的火山噴發(fā)，噴發(fā)氣體中的大量二氧化碳沿斷裂帶灌入煤系的沖積相砂巖中，或被高嶺石化的流紋巖和煤層所吸附。第八十八頁，共一百七十五頁，2022年，8月28日89第一節(jié)煤層瓦斯地球化學特征第二節(jié)煤層瓦斯賦存與瓦斯吸附解吸特征第三節(jié)煤層瓦斯含量及其影響因素第四節(jié)煤層瓦斯垂向分帶第五節(jié)煤儲層壓力特征第六節(jié)煤層孔隙與裂隙特征第七節(jié)煤儲層滲透性特征第八節(jié)煤儲層瓦斯流動規(guī)律

第四章煤層瓦斯賦存與煤儲層物性特征

第八十九頁，共一百七十五頁，2022年，8月28日90

根據(jù)黎金對蘇聯(lián)頓巴斯煤田的研究，煤層中瓦斯的分布狀況由淺到深可劃分為四個成分帶（圖4-22），自上而下依次為：①二氧化碳氮氣帶；②氮氣帶；③氮氣甲烷帶；④甲烷帶。前三個帶統(tǒng)稱為瓦斯風化帶，甲烷帶稱為瓦斯帶。瓦斯帶內甲烷濃度超過80%，瓦斯含量隨埋深增加而有規(guī)律的增加，但是增加的瓦斯梯度因地質條件而定。第四節(jié)煤層瓦斯垂向分帶

第九十頁，共一百七十五頁，2022年，8月28日91圖4-22瓦斯分帶（據(jù)焦作礦業(yè)學院瓦斯地質研究室，1990）A—瓦斯含量（m3/t）；B—瓦斯?jié)舛龋?）；1—二氧化碳氮氣帶；2—氮氣帶；3—氮氣甲烷帶；4—甲烷帶第九十一頁，共一百七十五頁，2022年，8月28日92表4-4按瓦斯成分劃分瓦斯帶標準瓦斯帶名稱組分含量（%）CH4N2CO2二氧化碳－氮氣帶氮氣帶氮氣－甲烷帶甲烷帶0～100～2020～8080～10020～8080～10020～800～2020～800～200～200～10第九十二頁，共一百七十五頁，2022年，8月28日93

目前我國煤層瓦斯風化帶劃分標準的指標尚未統(tǒng)一，多數(shù)采用瓦斯成分劃分方案，即以下界烷烴含量等于70%或烷烴含量等于80%來劃分。確定瓦斯風化帶下界的指標包括：①瓦斯壓力P=0.1～0.15MPa（1～1.5kg/cm2）；②瓦斯組分CH4≥80%（體積百分數(shù)）；③相對瓦斯涌出量大于2m3/t。其中：氣煤x=1.5～2.0m3/t可燃物肥煤與焦煤x=2.0～2.5m3/t可燃物瘦煤x=2.5～3.0m3/t可燃物貧煤x=3.0～4.0m3/t可燃物無煙煤x=5.0～7.0m3/t可燃物第九十三頁，共一百七十五頁，2022年，8月28日94

我國各煤田瓦斯風化帶的深度差異很大。開灤趙各莊礦瓦斯風化帶深達480m；湖南紅衛(wèi)、馬田、立新等礦不到100m；焦作焦西礦90m；撫順龍鳳礦200m；我國北方各礦區(qū)一般為200～300m。

瓦斯風化帶深度存在差異性，主要原因在于：化學風化作用和水的循環(huán)通常是沿著煤層及其圍巖滲透性較大的部分進行，它們對瓦斯的循環(huán)運移具有重要影響。這種現(xiàn)象不僅在不同煤田有很大差別，即使在同一煤層、同一深度，瓦斯風化程度往往也不盡相同，以致于各瓦斯帶之間的界限呈犬牙交錯狀。第九十四頁，共一百七十五頁，2022年，8月28日95第一節(jié)煤層瓦斯地球化學特征第二節(jié)煤層瓦斯賦存與瓦斯吸附解吸特征第三節(jié)煤層瓦斯含量及其影響因素第四節(jié)煤層瓦斯垂向分帶第五節(jié)煤儲層壓力特征第六節(jié)煤層孔隙與裂隙特征第七節(jié)煤儲層滲透性特征第八節(jié)煤儲層瓦斯流動規(guī)律

第四章煤層瓦斯賦存與煤儲層物性特征

第九十五頁，共一百七十五頁，2022年，8月28日96一、煤儲層壓力

煤儲層壓力，是指作用于煤孔隙和裂隙空間上的流體壓力（包括水壓和氣壓），故又稱為孔隙流體壓力，相當于常規(guī)油氣儲層中的油層壓力或氣層壓力。煤儲層流體受到三個方面力的作用，包括上覆巖層靜壓力、靜水柱壓力和構造應力。

第五節(jié)煤儲層壓力特征

第九十六頁，共一百七十五頁，2022年，8月28日97

當煤層滲透性較好并與地下水連通時，孔隙流體所承受的壓力為連通孔道中的靜水柱壓力，即煤儲層壓力等于靜水壓力；若煤儲層被不滲透地層所包圍，由于儲層流體被封閉而不能自由流動，儲層孔隙流體壓力與上覆巖層壓力保持平衡，此時，儲層壓力等于上覆巖層壓力；在煤層滲透性很差且與地下水連通性較差的條件下，由于巖性不均而形成局部半封閉狀態(tài)，則上覆巖層壓力由儲層內孔隙流體和煤基質塊共同承擔，此時，煤儲層壓力小于上覆巖層壓力而大于靜水壓力。即：

(4-13)

式（4-1326）中，σv—上覆巖層壓力，MPa；P—煤儲層壓力，MPa；σ—煤層骨架應力，MPa。第九十七頁，共一百七十五頁，2022年，8月28日98

儲層壓力梯度是指單位垂深內的儲層壓力增加，常用井底壓力除以從地表到測井井段終點深度而得出，用kPa/m或MPa/100m表示，在煤層研究中應用廣泛。按儲層壓力梯度的大小可以將儲層壓力狀態(tài)劃分為3種類型（見表4-76）：若儲層壓力梯度等于靜水壓力梯度（注：9.78kPa/m，淡水），儲層壓力狀態(tài)為正常；若儲層壓力梯度大于靜水柱壓力梯度，則為高壓或超壓異常狀態(tài)；若儲層壓力梯度小于靜水柱壓力梯度，則稱為低壓異常狀態(tài)或欠壓狀態(tài)。表4-87給出了我國部分礦區(qū)儲層壓力梯度及儲層壓力類型。第九十八頁，共一百七十五頁，2022年，8月28日99表4-6煤儲層瓦斯壓力類型（據(jù)張新民等，2002）第九十九頁，共一百七十五頁，2022年，8月28日100

壓力系數(shù)定義為實測地層壓力與同深度靜水柱壓力之比值，石油天然氣地質中常用該參數(shù)表示儲層壓力的性質和大小。

當壓力系數(shù)等于1時，儲層壓力與靜水柱壓力相等，儲層壓力正常；當壓力系數(shù)大于1時，儲層壓力高于靜水壓力，稱為高異常壓力；如果儲層壓力遠遠大于靜水柱壓力，則稱超壓異常；若壓力系數(shù)小于1，儲層壓力低于靜水柱壓力時，稱低異常壓力。第一百頁，共一百七十五頁，2022年，8月28日101

三、煤儲層壓力的地質控制煤層埋深和地應力是儲層壓力的主要控制因素。試井結果顯示，我國煤儲層壓力梯度最低為2.24kPa/m，最高達17.28kPa/m。處于欠壓狀態(tài)的煤層占總測試層次數(shù)的45.3%；處于正常壓力狀態(tài)的煤層占總測試層次數(shù)的21.9%；處于高壓異常狀態(tài)的煤層占總測試層次數(shù)的32.8%（葉建平等，1998）。上述情況表明：我國以低異常狀態(tài)的煤層為主、分布普遍，但也不乏高壓煤層。第一百零一頁，共一百七十五頁，2022年，8月28日102（一）埋藏深度的影響

煤儲層壓力總體上與埋深呈線性正相關關系，煤層埋藏深度增加，儲層壓力隨之增高。我國煤層氣試井成果表明，在埋深小于500m時，煤層氣平均壓力均小于5MPa，如晉城、韓城、沁源、柳林等盆地；埋深小于1000m時，絕大部分煤儲層的平均壓力均小于10Mpa；當埋深大于1000m時，煤儲層平均壓力大都超過10Mpa，如大城、平頂山、淮南、吳堡等礦區(qū)。從圖4-25可以看出淮南煤田埋深與煤儲層壓力的關系。第一百零二頁，共一百七十五頁，2022年，8月28日103圖4-25淮南煤田煤儲層壓力與埋藏深度之間的關系（據(jù)傅雪海等，2007）第一百零三頁，共一百七十五頁，2022年，8月28日104（二）地應力的影響構造應力增加，有利于煤儲層壓力保持，但往往導致滲透率降低并給煤層的排水、降壓及瓦斯的解吸、運移和排出造成一定困難，在高地應力區(qū)情況尤為顯著。不同地區(qū)地應力的大小不同，當?shù)貞υ龃蟆⒖琢严侗粔嚎s、體積變小時，儲層壓力變大；當?shù)貞档?、孔裂隙體積增大時，儲層壓力減小。因此，地應力與儲層壓力存在相關性。第一百零四頁，共一百七十五頁，2022年，8月28日105（三）水文地質的影響壓力水頭的埋藏深淺（水位）造成不同的水動力條件，也是影響儲層壓力和梯度變化的重要因素。一般而言，壓力水頭埋藏越深壓力梯度就越小，埋藏越淺則壓力梯度越高。第一百零五頁，共一百七十五頁，2022年，8月28日106（四）瓦斯壓力的影響

瓦斯壓力是指在煤田勘探鉆孔或煤礦礦井中測得的煤層孔隙中的氣體壓力，煤層試井測得的儲層壓力是水壓。二者的測試條件和測試方法明顯不同。煤儲層壓力是水壓與氣壓的總和。瓦斯壓力梯度值的變化幅度很大，介于1.2~13.4kPa/m之間。撫順礦區(qū)的氣壓最低，天府礦區(qū)的氣壓最高。氣壓高低與煤層氣含氣飽和度、煤層風化帶的深度有關。第一百零六頁，共一百七十五頁，2022年，8月28日107第一節(jié)煤層瓦斯地球化學特征第二節(jié)煤層瓦斯賦存與瓦斯吸附解吸特征第三節(jié)煤層瓦斯含量及其影響因素第四節(jié)煤層瓦斯垂向分帶第五節(jié)煤儲層壓力特征第六節(jié)煤層孔隙與裂隙特征第七節(jié)煤儲層滲透性特征第八節(jié)煤儲層瓦斯流動規(guī)律

第四章煤層瓦斯賦存與煤儲層物性特征

第一百零七頁，共一百七十五頁，2022年，8月28日108

煤層是一種雙重孔隙介質，屬裂隙孔隙型氣儲層，這一點已在多領域、多學科范圍內達成共識。圖4-26是煤層孔隙結構的理想模型，割理將煤分割成若干基質塊，基質塊中包含有大量的微小孔隙，是氣體儲存的主要空間，其滲透性很低；割理是煤中的次要裂隙系統(tǒng)，但卻是煤層中流體（氣體和水）滲流的主要通道?？紫逗透罾矶际敲簩友芯康闹匾獌热荨５诹?jié)煤層孔隙與裂隙特征

第一百零八頁，共一百七十五頁，2022年，8月28日109圖4-26煤的雙重孔隙系統(tǒng)（據(jù)Warren等，1996）第一百零九頁，共一百七十五頁，2022年，8月28日110一、煤的孔隙特征（一）煤的孔隙煤的孔隙成因及其發(fā)育特征是煤體結構、煤層生氣、儲氣及滲透性能的直接反映。根據(jù)成因，Gan（1972）等將煤中孔隙劃分為分子間孔、煤植物組織孔、熱成因孔和裂縫孔。本書立足于煤的巖石結構和構造，以煤的變質、變形特征為基礎，以大量的掃描電鏡觀察結果為依據(jù)，將煤孔隙的成因類型劃分為4大類10小類（如表4-8）。第一百一十頁，共一百七十五頁，2022年，8月28日111表4-8煤的孔隙類型及其成因簡述表（據(jù)張慧，2001）類型成因簡述原生孔結構孔成煤植物本身具有各種組織結構孔屑間孔鏡屑體、惰屑體等內部碎屑之間的孔變質孔鏈間孔凝膠化物質在變質作用下縮聚而形成的鏈之間的孔隙氣孔煤化作用過程中由生氣和聚氣作用而形成的孔隙外生孔角礫孔煤受構造應力破壞而形成的角礫之間的孔碎?？酌菏軜嬙鞈ζ茐亩纬傻乃榱Ｖg的孔摩擦孔壓應力作用下面與面之間摩擦而形成的孔礦物質孔鑄?？酌褐械V物質在有機質中因硬度差異而鑄成的印坑溶蝕孔可溶性礦物在長期氣、水作用下受溶蝕而形成的孔晶間孔礦物晶粒之間的孔

根據(jù)孔隙割理一并研究的物理測試結果，通常將煤中孔隙（包含割理）的空間尺度劃分為：＜0.01μm為微孔，0.01～0.1μm為小孔，0.1～1μm為中孔，＞1μm為大孔。第一百一十一頁，共一百七十五頁，2022年，8月28日1121．原生孔

原生孔是煤沉積時已有的孔隙，原生孔分為結構孔和屑間孔。

結構孔（或稱植物組織孔）是成煤植物本身所具有的各種組織結構孔，如細胞腔、紋孔、篩孔、髓射孔等，其中細胞腔是煤中最常見的。結構孔的孔徑為幾至幾十微米，形狀呈橢圓狀、三角狀和不規(guī)則狀等。細胞腔大多都有程度不同的變形，空間連通性差，尤其是纖維狀絲質體的細胞腔，僅局限于向一個方向發(fā)育，相互之間很少連通。第一百一十二頁，共一百七十五頁，2022年，8月28日113

屑間孔指煤中各種碎屑狀顯微組分，如鏡屑體、惰屑體、殼屑體等碎屑顆粒之間的孔隙。這些碎屑顆粒無一定形態(tài)，呈不規(guī)則棱角狀、半棱角狀或似圓狀等，大小2～30μm不等（陳佩元，1996），由其構成的屑間孔的形態(tài)以不規(guī)則狀為主，孔的大小一般小于碎屑。

原生孔在煤的低變質階段保存較多，隨著變質程度的加深或構造作用的破壞，原生孔發(fā)生變形、縮小、閉合乃至消失等變化，原生孔不能再生。第一百一十三頁，共一百七十五頁，2022年，8月28日1142．變質孔

變質孔是煤在變質過程中發(fā)生各種物理化學反應而形成的孔隙。煤的變質過程是一個芳香稠環(huán)體系在溫度、壓力作用下不斷增強其縮合程度，側鏈逐漸減少、縮短，芳構化程度逐漸增高的過程。鏈間孔是凝膠化物質在變質作用下縮聚而形成的鏈與鏈之間的孔，其尺度范圍大體為0.01～0.1μm(小孔級為主)。氣孔主要由生氣和聚氣作用而形成，以往稱之為熱成因孔。常見氣孔的大小為0.1～3μm，1μm左右者多見。單個氣孔的形態(tài)以圓形為主,邊緣圓滑,其次有橢圓形、梨形、圓管形、不規(guī)則港灣形等。氣孔大多以孤立的形式存在，相互之間連通性較差。第一百一十四頁，共一百七十五頁，2022年，8月28日1153．外生孔

煤固結成巖后，受地質構造作用而形成的孔隙為外生孔。外生孔可分為角礫孔、碎?？缀湍Σ量?。

角礫孔是煤受構造破壞而形成的角礫之間的孔。角礫呈直邊尖角狀，相互之間位移很小或沒有位移，角礫孔的大小以2～10μm者居多。原生結構煤和碎裂煤的鏡質組中角礫孔發(fā)育較好，并常有喉道發(fā)育，局部連通性比較好。在輕度變形的煤中，角礫孔占優(yōu)勢，對提高煤儲層滲透率有利。第一百一十五頁，共一百七十五頁，2022年，8月28日116

碎?？资敲菏茌^嚴重的構造破壞而形成的碎粒之間的孔，碎粒呈似圓狀、條狀或片狀（張慧，1998），碎粒之間有位移或滾動，碎粒大小多為5～50μm，其孔隙大小為0.5～5μm，碎?？左w積小，易堵塞。

摩擦孔是煤中壓性構造面上常有的孔隙，此乃壓應力或剪應力作用下，面與面之間相互摩擦和滑動而形成的孔。摩擦孔有圓狀、線狀、溝槽狀及長三角狀等形態(tài)，且常有