矿井瓦斯赋存规律的探讨

　　瓦斯是地质作用的产物，现今煤层瓦斯的赋存状态是含煤地层经受复杂地质历史演化作用的结果，受着瓦斯生成、运移、保存条件综合地质作用的控制。研究煤层中瓦斯的赋存状况是矿井瓦斯研究中的重要一环。多年的实践证明，只有运用板块构造理论、区域地质演化理论、瓦斯赋存构造逐级控制理论才能揭示瓦斯赋存机理、规律。
　　1.煤层瓦斯赋存理论
　　煤体中赋存瓦斯的多少不仅影响煤层瓦斯含量的大小，而且对煤层中瓦斯流动及其发生灾害的危险性的大小也有很大的影响。因此，煤层中瓦斯的赋存状况的研究是矿井瓦斯研究中的重要部分。
　　1.1煤中瓦斯的赋存状态
　　煤体是一种含有大量空隙和裂隙的复杂的多孔固体，这样就会有很大的自由空间和空隙表面形成。因此，煤中瓦斯一般以游离状态和吸附状态两种形式赋存。煤是通过物理吸附对瓦斯形成吸附作用，其吸附作用是瓦斯分子和碳分子间相互吸引的结果，而吸附瓦斯又分为吸着瓦斯和吸收瓦斯，通常吸收瓦斯是指进入煤体内部的瓦斯，吸着瓦斯是指附着在煤体表面的瓦斯。
　　1.2煤层瓦斯赋存的垂向分带
　　当煤层具有露头或直接为透气性较好的第四系冲积层覆盖时，在煤层内气体会朝两个不同方向的运移，一是煤化过程中生成的瓦斯经煤层、上覆岩层和断层不断由煤层深部向地表运移，一是地面空气、表土中的生物化学和化学反应生成的气体向煤层深部渗透扩散，从而使赋存在煤层中的瓦斯表现出垂向分带特征。一般将煤层由露头自上向下分为4个带：CO2-N2带、N2带、N2-CH4带、CH4带，其中前三个带总称为瓦斯风化带。煤层瓦斯的带状分布是煤层瓦斯含量及巷道瓦斯涌出量预测的基础，也是搞好瓦斯管理的依据。
　　1.3影响煤层瓦斯赋存及含量的主要因素
　　目前的研究成果认为，影响煤层瓦斯含量的主要因素有：煤层储气条件、区域地质构造和采矿工作。
　　（1）煤层储气条件。煤层储气条件是煤层瓦斯赋存及含量的重要基础。煤层的埋藏深度、煤层和围岩的透气性、煤层倾角、煤层露头以及煤的变质程度等是储气条件的主控因素。
　　（2）区域地质构造。地质构造对煤层瓦斯赋存及含量的影响是最为直接和重要的。目前总的认为，封闭型地质构造有利于瓦斯的封存，而开放型地质构造不利于瓦斯的赋存而更有利于瓦斯的排放。具体而言，断裂构造、褶曲构造、构造复合或联合、构造组合以及水文地质条件等方面是影响煤层瓦斯赋存的主要地质构造。
　　（3）采矿工作。煤层瓦斯的赋存既受煤的结构和地质构造条件影响，而且也受煤层本身所受的应力状态、煤体透气性大小的影响。煤矿井下采矿工作会导致煤层所受应力重新分布和次生透气性结构的结果；同时，矿山压力可以增高或降低煤体透气性，造成增高卸压区内透气性，降低集中应力带内透气性。
　　2.煤层瓦斯运移理论
　　煤层是充满微小的孔隙和裂隙的孔隙—裂隙介质，而煤体则是孔隙和裂隙的集合体。当采矿空间进入煤层以后，瓦斯从煤层内部非常复杂的向巷道空间运移，其影响因素不仅有天然煤层原始条件，也有采矿工作、地下应力场和岩层移动。由于不均匀的煤层的孔隙和裂隙尺寸，因而在在微孔中还存在扩散分于滑流，在大裂隙带中可能出现紊流，而在微裂隙中则属于层流运动。根据在现场和实验室对瓦斯流动规律的测定，可以认为其流动规律主要是遵循达西定律，即是层流运动。
　　2.1瓦斯在煤层中的运移
　　瓦斯在中孔以上的孔隙或裂隙内可能以层流和紊流两种形式运移，而层流运移通常又包括线性和非线性渗透，紊流一般只有发生在瓦斯喷出和煤与瓦斯突出时的瓦斯流动，在原始煤层中瓦斯是以层流运动运移的。
　　（1）线性渗透。当瓦斯在煤层中的流动为线性渗透时，即瓦斯流速与煤层中瓦斯压力梯度成正比时，呈线性规律．符合达西定律。中国矿业大学在实验室中对用煤粉压制的圆柱形人工煤样进行的大量瓦斯渗透试验表明：瓦斯在孔隙直径较大的煤样中流动时，完全服从达西定律。
　　（2）非线性渗透。当雷诺数大于一定值以后，瓦斯在煤层中的流动即处于非线性渗流而不服从达西定律。
　　2.2瓦斯在煤层和围岩中的流动
　　瓦斯在煤层和围岩中的流动是—个十分复杂的运动过程，其流动不仅受到煤层及围岩中瓦斯的赋存状态影响，而且受到矿井中煤层及围岩的采捆工作及空间状态影响。以矿井中的不同采掘工作及空间状态为依据，将瓦斯在煤层和围岩中的流动分为邻近层和围岩中的瓦斯流动和开采煤层中的瓦斯流动。
　　（1）开采煤层中的瓦斯流动。开采煤层中瓦斯涌出的状态和数量随地点变化而变化。在巷道两帮、钻孔壁和煤柱等固定表面上，单位面积上的瓦斯涌出量一般随煤壁暴露时间的不断增加而慢慢减少。从生产过程中的平均瓦斯涌出量与其峰值，可以发现：当峰值大于平均值很多时，煤层瓦斯含量大或煤层透气系数低可作为结论；反之当峰值接近平均值时，为煤层瓦斯含量低或煤层透气系数大可作为结论。
　　（2）邻近层和围岩中的瓦斯流动。当有邻近煤层或大量不可采的煤层存在于开采煤层附近的地层中时，一般情况下，在煤层开采后，因为受到围岩的移动和地应力的重新分布的影响，会在地层中造成大量的裂隙，造成顶底板附近煤层中的瓦斯大量涌入开采空间的结果。在工作面推进后，因为受采空区出现了大面积的空间影响，在强大的地应力作用下，开采层下方的地层即向采空空间鼓起，其移动的距离可达10mm以上，这样，在层间大量的裂隙形成了，同时下部地层中的瓦斯向采空区放散的条件形成了。
　　2.3地质构造对煤层瓦斯赋存规律的控制作用
　　现在的煤层瓦斯赋存状态和影响煤与瓦斯突出的地质条件是含煤地层经历历次构造运动演化作用的结果。每次构造运动期，板块活动、碰撞挤压、旋转剪切、伸展拉张都要影响到矿区、矿井所在的区域构造发生隆起、助陷、招皱、断裂等活动，影响到煤层的深成变质或岩浆热变质条件下的瓦斯生成条件，影响到隆起、风化、剥蚀作用条件下的瓦斯保存条件，影响到构造挤压、剪切作用下的煤层结构破坏而形成构造煤的发育特征等。
　　研究了瓦斯赋存主要受煤层埋藏深度和构造分区的影响。不同瓦斯地质单元瓦斯含量随煤层埋藏深度变化的梯度和瓦斯风化带深度不同，造成单元内瓦斯富集程度不同，瓦斯分布受到地质构造的控制。在目前的开拓开采水平范围内，由于小断层及褶曲构造对瓦斯遗散的控制作用，一般会使控制区域内的瓦斯含量较同等埋藏深度的煤层瓦斯含量要高。

《矿井瓦斯赋存规律的探讨》

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