1、第二讲第二讲煤层瓦斯赋存煤层瓦斯赋存安全工程专业核心课程安全工程专业核心课程中国矿业大学中国矿业大学安全工程学院安全工程学院20132013年年3 3月月程远平程远平 教授教授李李 伟伟 博士博士矿井瓦斯防治矿井瓦斯防治课程第二讲课程第二讲课程目标课程目标一、了解煤层瓦斯的生成过程及成分一、了解煤层瓦斯的生成过程及成分二、掌握瓦斯的赋存状态及煤层瓦斯的垂向分带二、掌握瓦斯的赋存状态及煤层瓦斯的垂向分带三、了解煤的孔隙分类、孔隙率及测定方法三、了解煤的孔隙分类、孔隙率及测定方法四、掌握煤的吸附、解吸性能四、掌握煤的吸附、解吸性能五、掌握煤层瓦斯压力的概念、测定原理及方法五、掌握煤层瓦斯压力的概念
2、、测定原理及方法六、掌握煤层瓦斯含量的含义及影响因素六、掌握煤层瓦斯含量的含义及影响因素七、了解含瓦斯煤的力学及渗透性能七、了解含瓦斯煤的力学及渗透性能矿井瓦斯防治矿井瓦斯防治课程第二讲课程第二讲章节提纲章节提纲一、煤层瓦斯的生成与组分一、煤层瓦斯的生成与组分二、煤层瓦斯赋存状态与垂向分带二、煤层瓦斯赋存状态与垂向分带三、煤的孔隙特征三、煤的孔隙特征四、煤的瓦斯吸附性能四、煤的瓦斯吸附性能五、煤的瓦斯解吸性能五、煤的瓦斯解吸性能 六、煤层瓦斯压力六、煤层瓦斯压力七、煤层瓦斯含量七、煤层瓦斯含量八、含瓦斯煤的力学性能与渗透性能八、含瓦斯煤的力学性能与渗透性能第一部分第一部分 煤层瓦斯的生成与组分
3、煤层瓦斯的生成与组分矿井瓦斯防治矿井瓦斯防治课程第二讲课程第二讲v我国煤矿每年以我国煤矿每年以101020m 20m 的速度向深部延的速度向深部延深，许多矿井开采深度达到深，许多矿井开采深度达到8008001200m1200m；v地应力及瓦斯压力不断增加，造成我国煤地应力及瓦斯压力不断增加，造成我国煤矿的煤与瓦斯突出灾害日趋严重。矿的煤与瓦斯突出灾害日趋严重。一、煤层瓦斯的生成与组分一、煤层瓦斯的生成与组分p瓦斯成气过程瓦斯成气过程煤层瓦斯是腐植型有机物在成煤的过程中生成的。煤层瓦斯是腐植型有机物在成煤的过程中生成的。煤的原始母质煤的原始母质腐殖质沉积以后，一般经历两腐殖质沉积以后，一般经历两
4、个成气时期：从植物遗体到泥炭属于个成气时期：从植物遗体到泥炭属于生物化学成生物化学成气时期气时期；在地层的高压高温作用下从褐煤到烟煤；在地层的高压高温作用下从褐煤到烟煤直到无烟煤属于直到无烟煤属于煤化变质作用成气时期煤化变质作用成气时期。一、煤层瓦斯的生成与组分一、煤层瓦斯的生成与组分p瓦斯成气过程瓦斯成气过程植物死亡泥炭褐煤无烟煤烟煤埋藏堆积及泥炭化作用埋藏堆积及泥炭化作用煤化作用煤化作用气体气体 在煤化作用过程中，成煤物质发生了复杂的在煤化作用过程中，成煤物质发生了复杂的物理化学变化，挥发份含量和含水量减少，发热物理化学变化，挥发份含量和含水量减少，发热量和固定碳含量增加，同时也生成了以甲
5、烷为主量和固定碳含量增加，同时也生成了以甲烷为主的气体。的气体。一、煤层瓦斯的生成与组分一、煤层瓦斯的生成与组分p瓦斯成气过程瓦斯成气过程在植物沉积成煤初期的泥炭化过程中，在植物沉积成煤初期的泥炭化过程中，有机物在隔绝外部氧气进入和温度不有机物在隔绝外部氧气进入和温度不超过超过65的条件下，被厌氧微生物分的条件下，被厌氧微生物分解为解为CH4、CO2和和H2O。泥炭时期埋深。泥炭时期埋深不大，生成的瓦斯通过渗滤和扩散排不大，生成的瓦斯通过渗滤和扩散排放到大气中，因此，生物化学作用产放到大气中，因此，生物化学作用产生的瓦斯一般不会保留在煤层内。生的瓦斯一般不会保留在煤层内。随着煤系地层的沉降及所
6、处压力和温随着煤系地层的沉降及所处压力和温度的增加，泥炭转化为褐煤度的增加，泥炭转化为褐煤.有机物在有机物在高温、高压作用下，处于变质造气时高温、高压作用下，处于变质造气时期，挥发分减少，固定碳增加，生成期，挥发分减少，固定碳增加，生成的气体主要为的气体主要为CH4和和CO2。煤化过程中有机质分解脱出甲基侧链和含氧官能因而生煤化过程中有机质分解脱出甲基侧链和含氧官能因而生成成CO2、CH4、和和H2O是煤化过程中形成瓦斯的基本反应，是煤化过程中形成瓦斯的基本反应，可以用下列反应式来表达不同煤化阶段的成气反应：可以用下列反应式来表达不同煤化阶段的成气反应：稠环稠环侧链侧链一、煤层瓦斯的生成与组分
7、一、煤层瓦斯的生成与组分p煤化变质作用煤化变质作用时期瓦斯的生成时期瓦斯的生成 一、煤层瓦斯的生成与组分一、煤层瓦斯的生成与组分p煤层瓦斯成分煤层瓦斯成分煤层瓦斯有约煤层瓦斯有约2020种组分，其中甲烷及其同系物和二氧化碳种组分，其中甲烷及其同系物和二氧化碳是成煤过程的主要产物。当煤层赋存深度大于瓦斯风化是成煤过程的主要产物。当煤层赋存深度大于瓦斯风化带深度时，煤层瓦斯的主要组分带深度时，煤层瓦斯的主要组分（80%）是甲烷。是甲烷。第二部分第二部分 煤层瓦斯赋存状态与垂向分带煤层瓦斯赋存状态与垂向分带矿井瓦斯防治矿井瓦斯防治课程第二讲课程第二讲二、煤层瓦斯赋存状态与垂向分带二、煤层瓦斯赋存状态
8、与垂向分带p煤层瓦斯赋存状态煤层瓦斯赋存状态游离瓦斯游离瓦斯吸附瓦斯吸附瓦斯游离瓦斯游离瓦斯吸收状态吸收状态吸着状态吸着状态二、煤层瓦斯赋存状态与垂向分带二、煤层瓦斯赋存状态与垂向分带p煤层瓦斯赋存状态煤层瓦斯赋存状态煤中瓦斯的赋存状态一般有煤中瓦斯的赋存状态一般有吸附状态吸附状态和和游离状态游离状态2 2种。种。在煤层赋存的瓦斯量中，通常在煤层赋存的瓦斯量中，通常吸附瓦斯量占吸附瓦斯量占80809090，游离瓦斯量占游离瓦斯量占10102020；游离瓦斯以自由气体形式存在；游离瓦斯以自由气体形式存在（孔径大于（孔径大于10nm10nm）内；吸附瓦斯分为吸着状态与吸收状态；）内；吸附瓦斯分为吸
9、着状态与吸收状态；在吸附瓦斯量中又以煤体表面吸着的瓦斯量占多数。在吸附瓦斯量中又以煤体表面吸着的瓦斯量占多数。二、煤层瓦斯赋存状态与垂向分带二、煤层瓦斯赋存状态与垂向分带p煤层瓦斯赋存状态煤层瓦斯赋存状态 煤是一种天然的吸附剂，具有良好的吸附性能。煤是一种天然的吸附剂，具有良好的吸附性能。煤对瓦斯的吸附属于物理吸附，即瓦斯分子煤分子之间的作煤对瓦斯的吸附属于物理吸附，即瓦斯分子煤分子之间的作用力是剩余的表面自由力（范德华引力）。在一定条件下，用力是剩余的表面自由力（范德华引力）。在一定条件下，瓦斯还可以从煤中解吸出来，吸附与解吸是可逆的。瓦斯还可以从煤中解吸出来，吸附与解吸是可逆的。P or
10、tP or t游离状态瓦斯游离状态瓦斯吸附状态瓦斯吸附状态瓦斯二、煤层瓦斯赋存状态与垂向分带二、煤层瓦斯赋存状态与垂向分带p煤层瓦斯垂向分带煤层瓦斯垂向分带 形成原因形成原因：当煤层直达地表或直接为透气性较好的第四系冲当煤层直达地表或直接为透气性较好的第四系冲积层覆盖时，由于煤层中瓦斯向上运移和地面空气向煤层中积层覆盖时，由于煤层中瓦斯向上运移和地面空气向煤层中渗透，使煤层内的瓦斯呈现出垂直分带特征。渗透，使煤层内的瓦斯呈现出垂直分带特征。瓦斯空气-1000m-800m-600m-400m-200m15二、煤层瓦斯赋存状态与垂向分带二、煤层瓦斯赋存状态与垂向分带p煤层瓦斯垂向分带煤层瓦斯垂向分
11、带瓦斯风化带甲烷带二、煤层瓦斯赋存状态与垂向分带二、煤层瓦斯赋存状态与垂向分带p煤层瓦斯垂向分带煤层瓦斯垂向分带二、煤层瓦斯赋存状态与垂向分带二、煤层瓦斯赋存状态与垂向分带p煤层瓦斯垂向分带煤层瓦斯垂向分带瓦斯风化带瓦斯风化带下部边界确定下部边界确定煤层内的瓦斯压力为煤层内的瓦斯压力为0.10.15MPa煤的瓦斯含量达到煤的瓦斯含量达到23 m3/t（烟煤）（烟煤）和和57 m3/t（无烟煤）（无烟煤）煤层内的瓦斯组分中甲烷组分含量达到煤层内的瓦斯组分中甲烷组分含量达到80%（体积比）（体积比）在瓦斯风化带开采煤层时，煤层的相对在瓦斯风化带开采煤层时，煤层的相对瓦斯涌出量达到瓦斯涌出量达到2m
12、3/t第三部分第三部分 煤的孔隙特征煤的孔隙特征矿井瓦斯防治矿井瓦斯防治课程第二讲课程第二讲三、煤的孔隙特征三、煤的孔隙特征p煤的孔隙分类煤的孔隙分类按煤的组成及其结构性质，煤中孔隙可以分为三种按煤的组成及其结构性质，煤中孔隙可以分为三种:宏观孔隙是指可用肉眼分辨的层理、节理、劈理及次宏观孔隙是指可用肉眼分辨的层理、节理、劈理及次 生裂隙等形成的孔隙。生裂隙等形成的孔隙。显微孔隙是指用光学显微镜和扫描电镜能分辨的孔隙。显微孔隙是指用光学显微镜和扫描电镜能分辨的孔隙。分子孔隙指煤的分子结构所构成的超微孔隙。分子孔隙指煤的分子结构所构成的超微孔隙。三、煤的孔隙特征三、煤的孔隙特征p煤的孔隙分类煤的
13、孔隙分类三、煤的孔隙特征三、煤的孔隙特征p煤的孔隙分类煤的孔隙分类煤的变质程度与孔隙的关系不同形态的孔示意图对于烟煤，中等变质程度的煤的总孔隙率较小、变对于烟煤，中等变质程度的煤的总孔隙率较小、变质程度较高和较低的煤总孔隙率较大。质程度较高和较低的煤总孔隙率较大。三、煤的孔隙特征三、煤的孔隙特征p煤的孔隙分类煤的孔隙分类三、煤的孔隙特征三、煤的孔隙特征p孔隙率孔隙率 煤的孔隙率就是孔隙的总体积与煤的总体积的比，煤的孔隙率就是孔隙的总体积与煤的总体积的比，孔隙率是决定煤的吸附、渗透和强度性能的重要因素；孔隙率是决定煤的吸附、渗透和强度性能的重要因素；通过孔隙率和瓦斯压力的测定，可以计算出煤层中的
14、游通过孔隙率和瓦斯压力的测定，可以计算出煤层中的游离瓦斯量；此外，孔隙率的大小与煤中瓦斯流动情况也离瓦斯量；此外，孔隙率的大小与煤中瓦斯流动情况也有密切关系。有密切关系。1001100sddssVVVnVV三、煤的孔隙特征三、煤的孔隙特征p孔隙大小测定方法孔隙大小测定方法在煤的孔隙特征的研究中，较常见的研究方法有在煤的孔隙特征的研究中，较常见的研究方法有2 2种，即用种，即用扫描电子显微镜观测煤表面孔隙特征、用压汞法测定煤体孔扫描电子显微镜观测煤表面孔隙特征、用压汞法测定煤体孔隙大小。隙大小。压汞法压汞法：利用不同孔径的孔隙对压入汞的阻力不同这一特性，：利用不同孔径的孔隙对压入汞的阻力不同这一
15、特性，根据压入汞的质量和压力，计算孔隙体积和半径。根据压入汞的质量和压力，计算孔隙体积和半径。142cos10rp Pr73540三、煤的孔隙特征三、煤的孔隙特征p影响煤的孔隙特征的因素影响煤的孔隙特征的因素煤的变质程度煤的变质程度：随煤化程度加深，总孔隙体积先减：随煤化程度加深，总孔隙体积先减少，到焦煤、瘦煤达到最低，而后逐渐增加，至无烟少，到焦煤、瘦煤达到最低，而后逐渐增加，至无烟煤达最大。但微孔体积是随煤化程度的增加一直增长。煤达最大。但微孔体积是随煤化程度的增加一直增长。煤的破坏程度煤的破坏程度：破坏程度越高，煤的渗透容积就越：破坏程度越高，煤的渗透容积就越大，但破坏程度对微孔影响不大
16、。大，但破坏程度对微孔影响不大。地应力地应力：压性的地应力（压应力）可使渗透容积缩：压性的地应力（压应力）可使渗透容积缩小，压应力越高，煤体渗透容积缩小越多。而张性小，压应力越高，煤体渗透容积缩小越多。而张性应力（张应力）则可使裂隙张开，从而使渗透容积增大。应力（张应力）则可使裂隙张开，从而使渗透容积增大。目前最有效的区域瓦斯治理方法目前最有效的区域瓦斯治理方法：采动卸压瓦斯抽：采动卸压瓦斯抽采技术，正是利用降低地应力来增加煤层渗透率。采技术，正是利用降低地应力来增加煤层渗透率。第四部分第四部分 煤的瓦斯吸附性能煤的瓦斯吸附性能矿井瓦斯防治矿井瓦斯防治课程第二讲课程第二讲四、煤的瓦斯吸附性能四
17、、煤的瓦斯吸附性能p煤对瓦斯的吸附煤对瓦斯的吸附 吸附吸附是一种界面现象，是物理吸附、化学吸附和吸收的总是一种界面现象，是物理吸附、化学吸附和吸收的总称。煤对瓦斯的吸附属于物理吸附。吸附力为范德华力，称。煤对瓦斯的吸附属于物理吸附。吸附力为范德华力，煤吸附瓦斯是可逆过程，煤吸附的瓦斯量和脱附时解吸的煤吸附瓦斯是可逆过程，煤吸附的瓦斯量和脱附时解吸的瓦斯量基本相同；瓦斯量基本相同；煤中除表面吸附瓦斯外，还存在吸收状态的瓦斯。所谓吸煤中除表面吸附瓦斯外，还存在吸收状态的瓦斯。所谓吸收是指瓦斯分子更深入地进入煤的微孔中，进入煤分子晶格之收是指瓦斯分子更深入地进入煤的微孔中，进入煤分子晶格之中，形成固
18、溶体状态。中，形成固溶体状态。四、煤的瓦斯吸附性能四、煤的瓦斯吸附性能p煤的吸附等温线煤的吸附等温线煤的吸附性通常用煤的吸附等温线表示。国内外大量的煤的吸附性通常用煤的吸附等温线表示。国内外大量的试验表明，煤吸附瓦斯（甲烷）时，吸附等温线符合朗试验表明，煤吸附瓦斯（甲烷）时，吸附等温线符合朗格缪尔方程式：格缪尔方程式：bpabpX1四、煤的瓦斯吸附性能四、煤的瓦斯吸附性能p煤的瓦斯吸附饱和度煤的瓦斯吸附饱和度煤的瓦斯吸附饱和度是吸附瓦斯量与极限吸附瓦斯量之比。煤的瓦斯吸附饱和度是吸附瓦斯量与极限吸附瓦斯量之比。1XbpCabp在同一瓦斯压力下，吸附常数在同一瓦斯压力下，吸附常数b b值越大，则
19、吸附饱和度越大。值越大，则吸附饱和度越大。四、煤的瓦斯吸附性能四、煤的瓦斯吸附性能p煤的吸附性与煤的变质程度煤的吸附性与煤的变质程度 大量实验发现，煤的吸附性与煤的变质程度之间并不存在大量实验发现，煤的吸附性与煤的变质程度之间并不存在单值联系，但有一个总的趋势，即在相同瓦斯压力下，煤的吸单值联系，但有一个总的趋势，即在相同瓦斯压力下，煤的吸附瓦斯量随煤的变质程度提高而增大。附瓦斯量随煤的变质程度提高而增大。四、煤的瓦斯吸附性能四、煤的瓦斯吸附性能p煤的吸附性与煤的显微组分煤的吸附性与煤的显微组分煤对瓦斯吸附能力的大小，除与煤的变质程度有关外，还与煤煤对瓦斯吸附能力的大小，除与煤的变质程度有关外
20、，还与煤的有机显微组分有关。煤的有机显微组分包括镜质组、惰质组的有机显微组分有关。煤的有机显微组分包括镜质组、惰质组和壳质组三种。产气能力壳和壳质组三种。产气能力壳 镜镜 惰质组惰质组。不同镜质组含量煤的吸附瓦斯量实线：谢二矿B11-b煤层，Vdaf34；虚线：谢一矿B11-b煤层，Vdaf37。随着镜质组含量的增加，随着镜质组含量的增加，煤的吸附瓦斯量增大。煤的吸附瓦斯量增大。四、煤的瓦斯吸附性能四、煤的瓦斯吸附性能p煤的吸附性与温度的关系煤的吸附性与温度的关系煤的温度对煤的吸附能力有显著影响。在同一瓦斯压力下，温煤的温度对煤的吸附能力有显著影响。在同一瓦斯压力下，温度越高，煤的吸附瓦斯量越
21、小。度越高，煤的吸附瓦斯量越小。11()n ttttXX ePn07.0993.002.0四、煤的瓦斯吸附性能四、煤的瓦斯吸附性能p煤的吸附性与煤中水分的关系煤的吸附性与煤中水分的关系煤中水分以多种状态存在着，但对煤吸附性影响最主要的煤中水分以多种状态存在着，但对煤吸附性影响最主要的是吸附水分。由于煤对水蒸气的吸附能力比对瓦斯的吸附是吸附水分。由于煤对水蒸气的吸附能力比对瓦斯的吸附能力大得多，故煤中含水时，煤的吸附瓦斯量将明显减小。能力大得多，故煤中含水时，煤的吸附瓦斯量将明显减小。当前，煤的吸附等温线测定通常是对干煤样进行的。当前，煤的吸附等温线测定通常是对干煤样进行的。当前国内外普遍应用的
22、是爱琴格尔的经验公式：当前国内外普遍应用的是爱琴格尔的经验公式：10.31dWXXW考虑煤变质程度（挥发份）影响的水分与吸附瓦斯量的关系：考虑煤变质程度（挥发份）影响的水分与吸附瓦斯量的关系：WVXXdw)0058.010.0(1化学结合水对吸附瓦斯量无影响，处于微孔隙呈吸附状态的结合水化学结合水对吸附瓦斯量无影响，处于微孔隙呈吸附状态的结合水对煤吸附性起主要作用。毛细水和游离水充塞大孔隙和毛细管中，对煤吸附性起主要作用。毛细水和游离水充塞大孔隙和毛细管中，可溶解微量瓦斯，但对吸附瓦斯量无显著影响。可溶解微量瓦斯，但对吸附瓦斯量无显著影响。第五部分第五部分 煤的瓦斯解吸性能煤的瓦斯解吸性能矿井
23、瓦斯防治矿井瓦斯防治课程第二讲课程第二讲五、煤的瓦斯解吸性能五、煤的瓦斯解吸性能p煤的瓦斯解吸条件煤的瓦斯解吸条件在井下掘进巷道或进行钻孔施工时原来的应力平衡受到破坏，在井下掘进巷道或进行钻孔施工时原来的应力平衡受到破坏，工作面或钻孔周围形成应力集中，煤的围岩产生细微裂隙和变工作面或钻孔周围形成应力集中，煤的围岩产生细微裂隙和变弱，导致煤层渗透性发生变化，即甲烷弱，导致煤层渗透性发生变化，即甲烷煤基吸附体系由于影煤基吸附体系由于影响吸附响吸附解吸平衡的条件发生变化时，破坏了吸附平衡状态，解吸平衡的条件发生变化时，破坏了吸附平衡状态，吸附气体转化为游离态而脱离吸附体系，吸附吸附气体转化为游离态而
24、脱离吸附体系，吸附解吸动态平衡解吸动态平衡体系中吸附量减少。体系中吸附量减少。绝大部分煤层瓦斯以物理吸附的形式赋存于煤的基质孔隙中，绝大部分煤层瓦斯以物理吸附的形式赋存于煤的基质孔隙中，当煤储层压力降至临界解吸压力以下时，煤层瓦斯即开始解吸，当煤储层压力降至临界解吸压力以下时，煤层瓦斯即开始解吸，由吸附态转化为游离态。由吸附态转化为游离态。五、煤的瓦斯解吸性能五、煤的瓦斯解吸性能p 煤解吸煤解吸-吸附瓦斯的过程吸附瓦斯的过程瓦斯和煤体表面接触后，瓦斯气体分子不能立即与所有瓦斯和煤体表面接触后，瓦斯气体分子不能立即与所有的孔隙、裂隙表面接触，在煤体中形成了瓦斯压力梯度和的孔隙、裂隙表面接触，在煤
25、体中形成了瓦斯压力梯度和浓度梯度。浓度梯度。瓦斯压力梯度引起渗透，其遵循达西定理，这种过程在瓦斯压力梯度引起渗透，其遵循达西定理，这种过程在大的裂隙、孔隙系统面割理和端割理内占优势；大的裂隙、孔隙系统面割理和端割理内占优势；瓦斯气体分子在其浓度梯度的作用下由高浓度向低浓度瓦斯气体分子在其浓度梯度的作用下由高浓度向低浓度扩散，这种过程在小孔与微孔系统内占优势。扩散，这种过程在小孔与微孔系统内占优势。瓦斯气体在向煤体深部进行渗透瓦斯气体在向煤体深部进行渗透扩散运移的同时，与扩散运移的同时，与接触到的煤体孔隙、裂隙表面发生吸附和解吸。因此，就接触到的煤体孔隙、裂隙表面发生吸附和解吸。因此，就整个过程
26、来说，是整个过程来说，是渗透渗透扩散扩散、吸附吸附解吸解吸的综合过程。的综合过程。煤基质吸附甲烷过程示意图煤基质吸附甲烷过程示意图 1吸附外扩散；吸附外扩散；2吸附内扩散；吸附内扩散；3吸附过程；吸附过程；4解吸过程；解吸过程；5内反扩散过程；内反扩散过程；6外反扩散过程外反扩散过程（1 1）渗透过程是）渗透过程是吸附全过程的第一吸附全过程的第一步。在一定瓦斯压步。在一定瓦斯压力梯度下，瓦斯气力梯度下，瓦斯气体分子在煤体大孔体分子在煤体大孔系统（面割理和端系统（面割理和端割理）中渗透，在割理）中渗透，在煤基质外表面形成煤基质外表面形成瓦斯气体气膜。瓦斯气体气膜。（2 2）外扩散过程）外扩散过程
27、是指煤基质外围空是指煤基质外围空间的甲烷气体分子间的甲烷气体分子沿图中符号沿图中符号“1”1”穿过气膜，扩散到穿过气膜，扩散到煤基质表面的过程。煤基质表面的过程。（3 3）内扩散的过）内扩散的过程是指瓦斯气体程是指瓦斯气体分子沿着符号分子沿着符号“2”2”进入煤基质微孔进入煤基质微孔穴中，扩散到煤穴中，扩散到煤基质内表面的过基质内表面的过程。程。（4 4）吸附过程经）吸附过程经过过“外扩散外扩散”、“内扩散内扩散”而到而到达达“煤基质内表煤基质内表面面”的瓦斯气体的瓦斯气体分子，如符号分子，如符号“3”3”所示煤基质吸附所示煤基质吸附的过程。的过程。（5 5）解吸过程在）解吸过程在进行上述进行
28、上述“1 1、2 2、3”3”吸附过程的同吸附过程的同时还伴有部分被解时还伴有部分被解吸的甲烷气体分子，吸的甲烷气体分子，离开煤基质的内孔离开煤基质的内孔表面和外表面，沿表面和外表面，沿图中符号图中符号“4”4”进进入甲烷气膜层的过入甲烷气膜层的过程。程。（6 6）内孔中甲烷）内孔中甲烷气体分子的反扩散气体分子的反扩散过程，是指经解吸过程，是指经解吸过程进入甲烷气体过程进入甲烷气体气膜内以符号气膜内以符号“5”5”方向扩散到煤基质方向扩散到煤基质外表面进入瓦斯气外表面进入瓦斯气体气相主体的过程。体气相主体的过程。（7 7）煤基质外表）煤基质外表面反扩散过程，是面反扩散过程，是指经解吸过程进入指
29、经解吸过程进入煤基质外表面瓦斯煤基质外表面瓦斯气体膜以符号气体膜以符号“6”6”方向扩散到瓦斯气方向扩散到瓦斯气体相主体中的过程。体相主体中的过程。五、煤的瓦斯解吸性能五、煤的瓦斯解吸性能p 煤解吸煤解吸-吸附瓦斯的过程吸附瓦斯的过程五、煤的瓦斯解吸性能五、煤的瓦斯解吸性能p影响瓦斯解吸的因素影响瓦斯解吸的因素l瓦斯压力的影响瓦斯压力的影响 煤的原始瓦斯压力不但表征煤中瓦煤的原始瓦斯压力不但表征煤中瓦斯含量的大小，而且提供煤中瓦斯脱斯含量的大小，而且提供煤中瓦斯脱附所需动力。附所需动力。随着时间的延长解吸瓦斯量逐渐增随着时间的延长解吸瓦斯量逐渐增加，解吸速度逐渐变小。初始时刻，加，解吸速度逐渐
30、变小。初始时刻，瓦斯解吸速度很大，并且衰减快。不瓦斯解吸速度很大，并且衰减快。不同平衡吸附压力下，解吸曲线不同，同平衡吸附压力下，解吸曲线不同，同一解吸时间区间内，吸附平衡压力同一解吸时间区间内，吸附平衡压力越高，解吸瓦斯量越大。越高，解吸瓦斯量越大。五、煤的瓦斯解吸性能五、煤的瓦斯解吸性能p影响瓦斯解吸的因素影响瓦斯解吸的因素l煤的破坏类型煤的破坏类型在相同的吸附平衡压力下，强烈破坏煤向空气在相同的吸附平衡压力下，强烈破坏煤向空气介质中卸压释放瓦斯的初速度以及在给定解吸时介质中卸压释放瓦斯的初速度以及在给定解吸时间内的累计解吸瓦斯量均大于轻度破坏煤。间内的累计解吸瓦斯量均大于轻度破坏煤。同一
31、变质程度的煤层而言，强烈破坏煤和轻度同一变质程度的煤层而言，强烈破坏煤和轻度破坏煤虽然吸附常数破坏煤虽然吸附常数a a值相差不多，但前者的值相差不多，但前者的b b值值比后者的比后者的b b值大许多。值大许多。40五、煤的瓦斯解吸性能五、煤的瓦斯解吸性能p影响瓦斯解吸的因素影响瓦斯解吸的因素l煤的粒度煤的粒度 采样地点和吸附平衡压力相同的条件下，粒度越小，瓦斯解吸总量越采样地点和吸附平衡压力相同的条件下，粒度越小，瓦斯解吸总量越大；大；无论何种粒度的煤样，其瓦斯解吸总量与时间的关系曲线属于有无论何种粒度的煤样，其瓦斯解吸总量与时间的关系曲线属于有上限单调增函数；上限单调增函数；试样的瓦斯解吸总
32、量曲线存在一条最大水平渐近线试样的瓦斯解吸总量曲线存在一条最大水平渐近线和若干条极值水平渐近线；对相同煤质、相同破坏类型的煤样而言，和若干条极值水平渐近线；对相同煤质、相同破坏类型的煤样而言，粒度的大小反映解吸出来的路径长短和阻力大小。粒度的大小反映解吸出来的路径长短和阻力大小。煤的最小自然粒径煤的最小自然粒径。煤样粒度的大小首先会影响煤的总表面积，其次影响气煤样粒度的大小首先会影响煤的总表面积，其次影响气体分子进入到煤粒内部的孔隙。体分子进入到煤粒内部的孔隙。五、煤的瓦斯解吸性能五、煤的瓦斯解吸性能p影响瓦斯解吸的因素影响瓦斯解吸的因素l煤的内在水分煤的内在水分l温度的影响温度的影响煤对瓦斯
33、的解吸能力随着水分含量的增加而降低，煤对瓦斯的解吸能力随着水分含量的增加而降低，直到临界水分含量为止。水分作为阻止吸附与解吸直到临界水分含量为止。水分作为阻止吸附与解吸瓦斯的因素之一，水分越大，煤中解吸或吸附瓦斯瓦斯的因素之一，水分越大，煤中解吸或吸附瓦斯的强度会越小。的强度会越小。其它条件一定时，煤基质温度越高，瓦斯解吸速度其它条件一定时，煤基质温度越高，瓦斯解吸速度和解吸量就越大。和解吸量就越大。第六部分第六部分 煤层瓦斯压力煤层瓦斯压力矿井瓦斯防治矿井瓦斯防治课程第二讲课程第二讲六、煤层瓦斯压力六、煤层瓦斯压力p基本概念基本概念煤层瓦斯压力煤层瓦斯压力是指煤层孔隙内气体分子自由热运动所产
34、生的作是指煤层孔隙内气体分子自由热运动所产生的作用力，由游离瓦斯形成，即瓦斯作用于孔隙壁的压力。用力，由游离瓦斯形成，即瓦斯作用于孔隙壁的压力。煤层原始瓦斯压力煤层原始瓦斯压力是指煤层未受采动、瓦斯抽采及人为卸压等是指煤层未受采动、瓦斯抽采及人为卸压等影响处的煤层瓦斯压力；煤层残存瓦斯压力是指煤层受采动、瓦影响处的煤层瓦斯压力；煤层残存瓦斯压力是指煤层受采动、瓦斯抽采及人为卸压等影响后残存的瓦斯呈现的压力；煤层瓦斯压斯抽采及人为卸压等影响后残存的瓦斯呈现的压力；煤层瓦斯压力单位为力单位为MPaMPa。煤层瓦斯压力是评价煤层突出危险性与决定煤层瓦斯含量的一煤层瓦斯压力是评价煤层突出危险性与决定煤
35、层瓦斯含量的一个重要指标。个重要指标。煤层瓦斯压力的大小取决于煤生成后，煤层瓦斯的排放条件，煤层瓦斯压力的大小取决于煤生成后，煤层瓦斯的排放条件，它除与覆盖层厚度和透气性、煤层透气性及煤地质构造条件有关它除与覆盖层厚度和透气性、煤层透气性及煤地质构造条件有关外，且同覆盖层的含水性密切相关。外，且同覆盖层的含水性密切相关。44六、煤层瓦斯压力六、煤层瓦斯压力p分布规律分布规律赋存在煤层中的瓦斯表现赋存在煤层中的瓦斯表现垂向分带垂向分带特征，一般可以分为瓦斯风化带特征，一般可以分为瓦斯风化带与甲烷带。与甲烷带。风化带内瓦斯含量与瓦斯压力较小，风化带下部边界条件中瓦斯压风化带内瓦斯含量与瓦斯压力较小
36、，风化带下部边界条件中瓦斯压力为力为0.150.150.2MPa0.2MPa；甲烷带内，煤层的瓦斯压力随深度增加而增加，瓦斯压力梯度随地甲烷带内，煤层的瓦斯压力随深度增加而增加，瓦斯压力梯度随地质条件而异，在地质条件相近的地质块段，相同深度的同一煤层具有质条件而异，在地质条件相近的地质块段，相同深度的同一煤层具有大体相同的瓦斯压力，多数煤层瓦斯压力随埋深呈线性增加。大体相同的瓦斯压力，多数煤层瓦斯压力随埋深呈线性增加。45六、煤层瓦斯压力六、煤层瓦斯压力p测定原理测定原理 煤层瓦斯压力井下直接测定法测定原理是通过钻孔揭露煤层，安设煤层瓦斯压力井下直接测定法测定原理是通过钻孔揭露煤层，安设测定仪
37、表并密封钻孔，利用煤层中瓦斯的自然渗透原理测定在钻孔揭露测定仪表并密封钻孔，利用煤层中瓦斯的自然渗透原理测定在钻孔揭露处达到平衡的瓦斯压力。具体的说是：当施工穿层钻孔测定煤层瓦斯压处达到平衡的瓦斯压力。具体的说是：当施工穿层钻孔测定煤层瓦斯压力时，由于钻杆的扰动，在钻孔周围岩石中形成了裂隙发育的松动圈，力时，由于钻杆的扰动，在钻孔周围岩石中形成了裂隙发育的松动圈，采用封孔材料进行松动圈和钻孔的封堵后，在煤层内形成测压室，煤层采用封孔材料进行松动圈和钻孔的封堵后，在煤层内形成测压室，煤层瓦斯通过测压管与压力表导通，测压室周围无限大空间煤体内的瓦斯不瓦斯通过测压管与压力表导通，测压室周围无限大空间
38、煤体内的瓦斯不断向测压室运移，保证打钻过程和封孔后凝固时期（一般为断向测压室运移，保证打钻过程和封孔后凝固时期（一般为24h）逸散）逸散的瓦斯通过周围流场的流动补充，最终平衡，达到煤层的原始瓦斯压力的瓦斯通过周围流场的流动补充，最终平衡，达到煤层的原始瓦斯压力。六、煤层瓦斯压力六、煤层瓦斯压力p测定方法分类测定方法分类按测压方式分类按测压方式分类 按测压时是否向测压钻孔内注入补偿气体，测定方法可分按测压时是否向测压钻孔内注入补偿气体，测定方法可分为为主动测压法主动测压法和和被动测压法被动测压法。按封孔方法及材料分类按封孔方法及材料分类 按测压钻孔封孔材料的不同，测定方法可分为黄泥（黏土）按测压
39、钻孔封孔材料的不同，测定方法可分为黄泥（黏土）封孔法、水泥砂浆封孔法、胶圈封孔器法、胶圈封孔法、水泥砂浆封孔法、胶圈封孔器法、胶圈-压力黏液封压力黏液封孔法、胶囊孔法、胶囊-压力黏液封孔法及聚氨酯泡沫封孔法等；按测压压力黏液封孔法及聚氨酯泡沫封孔法等；按测压封孔方法的不同，测定方法可分为填料法和封孔器法两类，其封孔方法的不同，测定方法可分为填料法和封孔器法两类，其中根据封孔器的结构特点，封孔器分为胶圈、胶囊和胶圈中根据封孔器的结构特点，封孔器分为胶圈、胶囊和胶圈-黏黏液等几种方法。液等几种方法。六、煤层瓦斯压力六、煤层瓦斯压力p井下直接测定方法井下直接测定方法填料封孔法（黄泥、黏土封孔）填料封
40、孔法（黄泥、黏土封孔）填料法封孔的优点是不需要特殊装置，密封长度大，填料法封孔的优点是不需要特殊装置，密封长度大，密封质量可靠。缺点是人工封孔长度短，费时费力。密封质量可靠。缺点是人工封孔长度短，费时费力。六、煤层瓦斯压力六、煤层瓦斯压力p井下直接测定方法井下直接测定方法注浆封孔测压法注浆封孔测压法 注浆封孔测压法是目前注浆封孔测压法是目前应用最广泛的一种封孔应用最广泛的一种封孔方法，适应于井下各种方法，适应于井下各种情况下的封孔。注浆泵情况下的封孔。注浆泵一般采用柱塞注浆泵，一般采用柱塞注浆泵，封孔材料一般采用膨胀封孔材料一般采用膨胀不收缩水泥浆（一般由不收缩水泥浆（一般由膨胀剂、水泥和水按
41、一膨胀剂、水泥和水按一定比例制成），测压管定比例制成），测压管一般采用铜管、高压软一般采用铜管、高压软管或无缝钢管。管或无缝钢管。六、煤层瓦斯压力六、煤层瓦斯压力p井下直接测定方法井下直接测定方法l封孔器封孔封孔器封孔胶圈封孔器胶圈封孔器 优点：简单易行，封孔器可重复使用；缺点是封孔深度优点：简单易行，封孔器可重复使用；缺点是封孔深度小，且要求封孔段岩石必须致密、完整。小，且要求封孔段岩石必须致密、完整。六、煤层瓦斯压力六、煤层瓦斯压力p井下直接测定方法井下直接测定方法l封孔器封孔封孔器封孔胶圈胶圈压力黏液封孔器压力黏液封孔器 优点：一是增大了封孔段的长度；二是压力黏液可渗入封孔段岩优点：一是
42、增大了封孔段的长度；二是压力黏液可渗入封孔段岩（煤）体的裂隙，增大了密封效果。（煤）体的裂隙，增大了密封效果。六、煤层瓦斯压力六、煤层瓦斯压力 通过对重庆、北票、湖南等矿区的突出实测数据统计分析，发现瓦斯压力通过对重庆、北票、湖南等矿区的突出实测数据统计分析，发现瓦斯压力随埋深变化线一般靠近静水压力线分布（图随埋深变化线一般靠近静水压力线分布（图5中直线中直线OC），并将煤层瓦斯压），并将煤层瓦斯压力随深度的变化可归结为两个类型。第一种类型是：瓦斯压力梯度力随深度的变化可归结为两个类型。第一种类型是：瓦斯压力梯度0.01MPa/m（图（图5中直中直线线AB），这时随着深度增大，煤层瓦斯压力将越
43、来越接近煤层极限瓦斯压力），这时随着深度增大，煤层瓦斯压力将越来越接近煤层极限瓦斯压力。交点。交点B的深度的深度Hf为瓦斯压力的极限深度。超过这个深度后，瓦斯压力将按为瓦斯压力的极限深度。超过这个深度后，瓦斯压力将按煤层极限瓦斯压力分布线（煤层极限瓦斯压力分布线（BC线）而变化。线）而变化。应当指出在某些地质应当指出在某些地质条件局部变化区域，条件局部变化区域，如覆盖岩层性质改变、如覆盖岩层性质改变、岩浆岩侵蚀、开放式岩浆岩侵蚀、开放式的大断层附近等，煤的大断层附近等，煤层瓦斯压力将会较大层瓦斯压力将会较大的偏离直线规律。的偏离直线规律。p分布规律分布规律52六、煤层瓦斯压力六、煤层瓦斯压力p
44、存在的问题存在的问题 矿井生产过程中的瓦斯压力实测数据，由于测试钻孔的岩性条矿井生产过程中的瓦斯压力实测数据，由于测试钻孔的岩性条件、封孔效果、煤层瓦斯赋存的不均匀性，煤层瓦斯压力测试结果件、封孔效果、煤层瓦斯赋存的不均匀性，煤层瓦斯压力测试结果本身无法保证为真实数值，大多数情况下均有误差，数据的本身无法保证为真实数值，大多数情况下均有误差，数据的离散化离散化程度程度较高，无法满足回归的要求，因此其不具备采用回归方法的前较高，无法满足回归的要求，因此其不具备采用回归方法的前提条件，此时再采用一元线性回归或者多项式回归进行预测将存在提条件，此时再采用一元线性回归或者多项式回归进行预测将存在很大的
45、安全隐患，采用回归方法将会使许多深部标高对应的预测压很大的安全隐患，采用回归方法将会使许多深部标高对应的预测压力小于真实测定的瓦斯压力，瓦斯压力曲线将大大远离极限压力曲力小于真实测定的瓦斯压力，瓦斯压力曲线将大大远离极限压力曲线，此时若采用该预测数据进行指导采取措施消突与校检，理论上线，此时若采用该预测数据进行指导采取措施消突与校检，理论上达到了消突标准（达到了消突标准（0.74MPa、8m3/t）以下，可是实际仍然大于该标）以下，可是实际仍然大于该标准。因此该方法对于煤矿这种危险程度大，要求安全可靠性强的企准。因此该方法对于煤矿这种危险程度大，要求安全可靠性强的企业，生产过程中对瓦斯压力的预
46、测不应采用该方法。业，生产过程中对瓦斯压力的预测不应采用该方法。回归方法常常可以应用来做描述、控制、预测等相关工作，概念容易且模回归方法常常可以应用来做描述、控制、预测等相关工作，概念容易且模式好用，概念容易且模式好用，但其要求预测式好用，概念容易且模式好用，但其要求预测变数须为连续性变数须为连续性，残差须有，残差须有常态性、独立性、同质性等特性。常态性、独立性、同质性等特性。六、煤层瓦斯压力六、煤层瓦斯压力p安全线图解法安全线图解法该方法对大量生产过程中测定瓦该方法对大量生产过程中测定瓦斯压力值进行统计分析，排除由斯压力值进行统计分析，排除由于承压水等因素导致的数值较大于承压水等因素导致的数
47、值较大的异常测点，然后选取其中两个的异常测点，然后选取其中两个真实的标志点进行线性连接，做真实的标志点进行线性连接，做出安全线，使除异常点外的其余出安全线，使除异常点外的其余部分测点均在该直线以下。部分测点均在该直线以下。标志点需要结合风化带下限临界值（风化带下部边界条件中瓦斯压力为标志点需要结合风化带下限临界值（风化带下部边界条件中瓦斯压力为P0.150.2MPa）。）。在无法找到两个标志点时，充分考虑风化带下限临界值点，选择一个标志点，取静水压在无法找到两个标志点时，充分考虑风化带下限临界值点，选择一个标志点，取静水压力梯度（力梯度（0.01MPa/hm）作为瓦斯压力梯度做出安全线，并应满
48、足除异常点外的其余部分）作为瓦斯压力梯度做出安全线，并应满足除异常点外的其余部分测点均在该直线以下。测点均在该直线以下。由于测压环境及封孔质量影响，导致深部水平部分测定的压力值较低，不符合深部瓦斯由于测压环境及封孔质量影响，导致深部水平部分测定的压力值较低，不符合深部瓦斯压力变化基本规律，不能作为标志点予以采用。压力变化基本规律，不能作为标志点予以采用。根据预测的瓦斯压力随埋深的变化斜率还要近似符合下列关系：一般斜率变化处于根据预测的瓦斯压力随埋深的变化斜率还要近似符合下列关系：一般斜率变化处于0.010.005范围内。（无特殊构造情况）范围内。（无特殊构造情况）第七部分第七部分 煤层瓦斯含量
49、煤层瓦斯含量矿井瓦斯防治矿井瓦斯防治课程第二讲课程第二讲七、煤层瓦斯含量七、煤层瓦斯含量p含义含义煤层煤层瓦斯含量瓦斯含量间接法间接法直接法直接法游离瓦斯量游离瓦斯量吸附瓦斯量吸附瓦斯量损失瓦斯量损失瓦斯量解吸瓦斯量解吸瓦斯量残存瓦斯量残存瓦斯量00/()yXVpTTp0()1(100)(1)(1 0.31)100n ttxabPA WXebPW经验公式反算经验公式反算采用瓦斯解吸仪采用瓦斯解吸仪采用真空脱气装置采用真空脱气装置 单位质量煤中所含的瓦斯体积（换算为标准状态下的单位质量煤中所含的瓦斯体积（换算为标准状态下的体积，单位是体积，单位是m m3 3/t/t或或mL/gmL/g。七、煤层
50、瓦斯含量七、煤层瓦斯含量p含义含义l 原始瓦斯含量原始瓦斯含量 煤层未受采动影响而处于原始赋存状态时，单位质量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）称为煤中所含有的瓦斯体积（换算成标准状态下体积）称为原始（或天然）瓦斯含量，单位为原始（或天然）瓦斯含量，单位为m m3 3/t/t或或mL/gmL/g。l 残余瓦斯含量残余瓦斯含量 相对原始煤层瓦斯含量而言，当煤体受到采动等因素相对原始煤层瓦斯含量而言，当煤体受到采动等因素的影响或瓦斯抽采后，煤层中剩余的瓦斯含量称为残余的影响或瓦斯抽采后，煤层中剩余的瓦斯含量称为残余瓦斯含量，单位为瓦斯含量，单
