瓦斯地质理论培训课件

瓦斯地质理论

何 俊

博士 副教授

安全科学与工程学院

河南理工大学

0391-3987436 13523358092

研究方向：瓦斯地质、瓦斯灾害治理

瓦斯地质理论

瓦斯地质发展简史

1960年，焦西矿开发井田深部地质构造复杂的西冀

瓦斯地质发展简史

1964年10月，原煤炭部安监司指示：“应在原有基础上，使它成为经常性的定期瓦斯预报”

1978年，瓦斯地质专业学术讨论会， “瓦斯地质”概念得以确立.

1979年， “湘、赣、豫煤和瓦斯突出带地质构造特征”

瓦斯地质发展简史

1982年， “全国煤矿瓦斯地质编图”

编制了25套省(区)瓦斯地质图

125套矿区瓦斯地质图

500余套矿井瓦斯地质图

开办了两届瓦斯地质研究生班。

瓦斯地质发展简史

1983年,原煤炭部颁发《关于加强瓦斯地质工作的通知》

1985年，中国煤炭学会批准成立瓦斯地质专业委员会，专委会创办了《瓦斯地质》期刊

1990年，1：200万中国煤层瓦斯地质图

瓦斯地质发展简史

1994年，煤炭部批准成立“焦作矿业学院瓦斯地质研究所”.

1994年，《煤矿安全规程》第181条规定：“及时编制矿井瓦斯地质图”。

2005年，国家发改委出台的《煤矿瓦斯治理与利用总体方案》中明确指出：“及时编制矿区、矿井、采区采面三级瓦斯地质图，加强瓦斯地质规律研究”。

瓦斯地质发展简史

国家科技重大专项研究课题“全国重点煤矿区瓦斯赋存分布规律和控制因素”花落我校

我校张子敏教授喜获国家科技重大专项课题“全国重点煤矿区瓦斯赋存分布规律和控制因素”立项，资助经费总额2200万元。 课题通过编制58个重点矿区的矿井、矿区瓦斯地质图，进而编制28个省(区)1：50万至1：100万煤矿瓦斯地质图，最终完成1：250万中国煤矿瓦斯地质图的编制。

瓦斯地质研究内容

一、瓦斯的基本性质

二、瓦斯的成因

三、影响瓦斯生成的因素

四、煤层瓦斯的分带特性

五、煤层瓦斯赋存形态

六、影响煤层瓦斯含量的主要因素

煤矿瓦斯主要来自煤层和煤系地层，它是古代植物成煤过程中的伴生气体。

一般经历两个成气时期：

⑴生物化学成气时期

⑵变质作用成气时期

⑴生物化学成气时期

从有机物堆积在沼泽相和三角洲相环境中开始的。在不超过65℃的温度条件下，成煤物质经厌氧微生物分解成瓦斯：

4C6H10O5→7CH4+8CO 2+3H2O+C9H6O

或 2C6H10O5 →CH4+2Co 2+5H 2O+C9H6O

此阶段成煤物质生成的泥炭层埋深浅，生成的瓦斯通过渗透和扩散容易排放到古大气中去，一般不会保留在现有煤层内。此后，随着泥炭层的下沉，上覆盖层越来越厚，成煤物质中的温度和所受压力也随之增高，生物化学作用逐渐减弱直至结束，在较高的压力与温度作用下泥炭转化成褐煤，并逐渐进入煤化变质作用阶段。

⑵变质作用成气时期

褐煤进一步沉降，进入变质作用造气期。在100℃高温及地层压力作用下，煤体产生强烈的热力变质成气作用。在煤化变质作用时期，煤中带有羟基(-OH)、甲基(-CH3)、羧基(-COOH)、醚基(-O-)等侧链和官能团不断发生断裂与脱落，生成CO2、CH4、H2O等挥发性气体。

图14 早二叠世全球古地理简图

图15 后侏罗纪全球古地理简图(1.52亿年前)

图16 中国大地构造简图

地质构造的表观形式是多种多样的，在一定范围(一个井田或一个矿区)内，可归纳为单斜构造、褶皱构造和断裂构造三种基本类型。

控制煤与瓦斯突出的地质因素

矿井中小型地质构造

煤层厚度及其变化

煤体结构

煤与瓦斯突出实例及分析

煤与瓦斯突出

在采掘过程中，突然从煤(岩)壁内部向采掘空间喷出煤岩和瓦斯的现象，称为煤与瓦斯突出，简称突出。

煤与瓦斯突出实例及分析

煤与瓦斯突出实例及分析

煤与瓦斯突出实例及分析

煤与瓦斯突出实例及分析

煤与瓦斯突出实例及分析

煤与瓦斯突出实例及分析

煤与瓦斯突出实例及分析

煤与瓦斯突出实例及分析

煤与瓦斯突出实例及分析

一、地质构造与突出的关系

地质构造是控制突出发生的主导性地质因素

这一结论已为大量的实际资料所证实，这里所指的是井田范围内的中小型地质构造。

地质构造与突出的关系，大量的瓦斯地质调查资料说明，与地质构造有关的突出点所占的比例很大，地质构造与突出的关系极为密切，有些突出点虽然其附近的地质条件并无明显的差异但却处于某些封闭性构造圈闭的范围，或受某些特殊的构造边界所控制。

根据调查资料分析，在发生突出的地段内，煤层产状及其变化，地质构造类型，规模，性质，疏密程度，排列组合以及构造部位等的差异，对瓦斯突出的发生均有不同程度的影响，在具有良好的瓦斯形成和保存的地质条件前提下，上述某些方面的特殊性是发生突出的重要内在因素，地质构造与突出的关系主要表现在：

一、地质构造与突出的关系

1)煤岩层产状及其变化与突出发生关系密切

在煤岩层走向，倾向或倾角突然变化的部位，多属于应力集中的块段，应力变化梯度大，这些部位的突出危险性较大。

例如，湖南立新矿蛇形山井一二两个采区，开采三层煤层的范围基本一致，但二采区的地质构造较为简单，产状变化也小，是比较稳定的单斜构造，该采区不仅突出次数少，强度亦小。而一采区则为一倾伏背构造，煤、岩层走向由近于东西向变化为北东向，倾角由缓变陡，个别地段近于直立，变形系数是二采区的7倍，该采区属严重突出带。

一、地质构造与突出的关系

2)突出危险性与褶皱紧闭程度，复杂程度有关：形变量增大，突出危险性增加

广东梅田二矿北三和南二采区，虽然同位于两条逆断层所夹的一条带内，但可划分为突出严重程度不同的两个突出带，北三采区两条边界断层间距较小，褶皱紧闭，构造复杂，属严重突出带，而南二采区的两条边界断层间距增大，褶皱宽缓，构造相对简单，是一般突出带。

一、地质构造与突出的关系

3)在不协调褶皱发育的多煤层矿井，不同煤层的突出危险程度，和煤层褶皱幅度、强度密切相关

例如湖南金竹山煤矿一平硐，在可采和局部可采煤层中，靠上部的二、三、四、煤层褶皱轻微，而五煤层及其下付各层煤褶皱强烈，突出主要发生在五煤层及其以下各煤层中，

一、地质构造与突出的关系

4)同煤层不同分层比较，突出危险程度决定于层间滑动和层间褶皱的发育程度

软硬相间的煤、岩层或同一煤层的不同自然分层，由于力学性质的差异，在褶皱过程中往往发生层间滑动，产生层间褶皱，造成不同自然分层的煤体结构破坏程度的差别，破坏严重的煤分层，突出危险性增大，例如，湖南红卫煤矿坦家冲和里王庙井，主采的四煤层的顶板较稳定，煤层靠上部的自然分层保存有较好的原生结构，而煤层底板褶皱起伏，使靠下部的自然煤分层遭受褶皱捻搓，该煤层的突出主要发生在靠近底板的自然分层中。

再如，焦作矿区的山西组大煤，近顶板的分层属构造煤，层间褶皱发育，煤质酥软，突出也主要发生在此构造煤分层内。

一、地质构造与突出的关系

5)在褶皱的不同部分，突出危险性也有较大差别：一般褶皱轴部的突出危险性大于翼部

有些矿区在断层两侧牵引褶皱的轴部突出点分布较为集中.

除以上介绍的褶皱构造对突出的影响处，断裂构造对突出的发生和分布也有重要的控制作用，断裂构造是岩层受力作用发生脆性变形的一种表现。沿破裂面发生明显位移的断层，可根据两盘相对位移的方向分为多种类型，按力学性质又可分为分张性，压性，扭性等几种型式，不同性质，不同力学性质及不同规模的断层，不仅对瓦斯保存和排放有影响，而且与瓦斯突出有也密切的关系。

一、地质构造与突出的关系

断层可分为封闭和开放类型，但断层的封闭与开放是相对的，据实测的资料分析，各种类型的断层带附近，瓦斯涌出一般比较小，随着距断层距离的改变，瓦斯涌出量有一定峰值变化，在断层两侧一定范围内，有低值区，高值区和正常区之分，据统计，突出点主要分布在瓦斯涌出量的升高区内，这种特点对预测突出点的分布有一定的意义.

井田范围内或在煤层中发育的各种小型断裂构造，因为规模较小，对瓦斯的保存和排放影响不大，但这些断层也是局部构造应力集中的反映，在小断层发育、分布密集的地带，反映了构造应力分布不均衡和相对应力集中点增多，这些部位的突出危险性也较大.

地质构造的组合，不仅影响瓦斯的赋存，对突出的发生亦有影响，不同构造组合特征的块段其突出危险程度不同，我们把具有共性特征的突出带人为地进行了归纳，提出瓦斯突出的危险带地质构造类型的概念，突出危险带地质构造类型的划分，主要以构造形态的组合特征为基础，还综合考虑了构造应力引起的煤厚变化和煤体结构破坏等三项影响瓦斯突出分带的地质因素。因此，突出危险带地质构造类型也是瓦斯突出地质条件的综合体现。

煤和瓦斯突出危险带地质构造类型图示

二、煤层厚度与突出的关系

据统计，突出点常分布在煤层厚度大和煤层厚度变化大的部位，突出危险程度的差异与煤厚及其变化的关系，有以下几种表现形式：

1)在煤层厚度较稳定的多煤层矿井，各煤层的突出危险性决定于煤层的厚度，随着煤层厚度的增大，突出危险性增加.

2)在煤层厚度变化大的矿井，突出多发生在厚煤地段和煤厚变化带。凸透镜状煤包和被薄煤带包围的厚煤地段的突出危险性大。焦作小马村矿二水平东部和田门井二水平西部，突出点都集中在被薄煤带包围的厚煤带内。

二、煤层厚度与突出的关系

3)在煤层厚度变化较大的多煤层矿井：不同煤层相比较，突出危险性随煤厚变化的增大而增强，煤厚变化大的块段比变化小的块段突出危险性大。

煤层厚度及其变化对突出危险程度的影响已为大量的突出资料所证实,煤层厚度的大小与生成的瓦斯量多少有关,此外,厚煤带还为瓦斯的储集提供了场所,一些矿井煤层厚度变化时,瓦斯绝对涌出量也呈现了明显的正比例变化。

煤层厚度变化造成了瓦斯分布上差异,煤厚度变化的梯度在一定程度上反映了瓦斯的变化梯度,造成了瓦斯 突出点的不均衡分布.

三、煤体结构对瓦斯突出控制

煤与瓦斯的突出发生在煤层中，煤的结构特征对突出也有显著影响，一般，原生结构的煤不发生突出，属非突出煤，受构造应力作用，煤的原生结构遭受破坏后所表现出的结构称为构造结构。突出煤层均有具有构造结构特征，我们把突出煤层的煤结构称为煤体结构，它主要是指煤层在后期改造中所形成的结构。

根据大量突出点的调查统计，在发生突出的地点及附近的煤层都具有层理紊乱，煤质松软的特点，人们习惯上把这种煤叫做软分层煤，或简称软煤，在突出矿井，煤质变软是突出的一种预兆。

三、煤体结构对瓦斯突出控制

所谓软分层或软团块，软煤，是与正常煤层相比而言的，这种煤层比正常煤分层的强度明显降低，具有极端的松软性和易碎性，用手捻搓易成cm、mm级碎粒甚至煤粉，从地质角底分析，软分层煤应属于构造煤，它是煤层在构造应力作用下形变的产物。在地质的构造应力作用下，煤层比围岩更容易破坏，极易破坏，其形变过程是，首先是发生密集的裂隙，使煤碎裂，随后进一步破碎碎粒在移动过程中由于粒间的磨擦，挤压，揉搓 ，形成了更小的碎粒，直到细粉状，这样的煤已失去原来的条带状结构，所以我们把这种煤称为构造煤，煤的这种遭受破坏的构造 结构特征，往往与煤与瓦斯突出的发生有密切关系。

三、煤体结构对瓦斯突出控制

按照煤在构造作用下的破坏程度，可将构造煤分为三种类型。

碎裂煤：煤被密集的相互交叉的裂隙切割成碎块，这些碎块保持尖棱角状，相互之间没有大的移位，煤仅在一些剪性裂隙表面被磨成细粉。

碎粒煤：煤已破碎成粒状，由于运动过程 中颗料间相互磨擦，大部分颗粒被磨去了棱角，并被重新压紧，为了描述上的统一，规定其主要粒级在1mm以上。

糜棱煤：煤已破碎成细粒状或细粉状，并被重新压紧，其主要粒级在1mm以下，有时煤粒磨得很细，只相当于岩石的粉砂级，由于这种煤经历了强烈形变和发生了塑性流动，因而肉眼和镜下常可看到流动构造，如长条状颗粒的定向排列等。

瓦斯地质观点

(4)构造煤对瓦斯突出控制

三、煤体结构对瓦斯突出控制

在井下观测，构造煤呈层状，似层状，团块状，条带状等不同形态，以一层、多层或全层等多种形式位于突出煤层的一定层位或局部的构造部位上，构造煤分层的显著特点是与煤层顶(底)板或者正常煤分层呈明显的构造不协调现象接触，并表现出特殊的赋存形态，例如，发育密集的近于平行排列的劈理，强烈的层间揉皱等

三、煤体结构对瓦斯突出控制

(一)、构造煤的宏观，微观特点和瓦斯地质参数特征

构造煤在宏观上主要表现有三个特点：

一是煤的原生结构遭到程度不同的破坏，除碎裂煤可断续见到原生条带状的结构处，大部分均失去了原生结构。

二是表现出明显的构造结构特征，如碎裂状，砂糖状，鳞片状，土状等，还不同程度地发育有镜面，揉皱镜面或定向排列构造。

三是手试强度底，这种煤松软易碎，用手捻搓可成cm、mm级碎粒或煤粉。

非构造煤：保留原生结构、原生构造特征

山东省瓦斯地质编图培训 山东·青岛

(2)煤体结构与瓦斯突出

构造煤厚度越大和构造煤的破坏程度越大，突出危险性就越大。

(2)煤体结构与瓦斯突出

瓦斯地质观点

(1)煤层瓦斯和瓦斯突出分布是不均衡的，具有分区分带的特点

在全国的不同省(区)，同一省(区)的不同煤田，同一煤田的不同井田，同一井田的不同煤层及同一煤层的不同块段内，煤层瓦斯含量、矿井瓦斯涌出量和瓦斯等级、煤层突出危险性和突出严重程度存在显著差异

全国煤矿瓦斯分布势态总体上表现有东高、西低、南高、北低的格局.

瓦斯地质观点

(2)地质条件是影响瓦斯赋存和突出分布的主要因素

含煤岩系的沉积环境及其演化、煤盆地所处的大地构造位置及其构造特征、区域构造演化、煤化作用的程度等对瓦斯的形成和保存起着主导作用.

地质构造及组合、煤层围岩及边界条件、煤厚大小及其变化、煤的结构及显微组成、煤的破坏类型及性能、煤层埋藏深度等，是影响瓦斯涌出和突出分布的主要地质因素

瓦斯地质观点

(3)地质构造是控制突出发生的主导性地质因素

断层附近突出分布规律

煤岩层产状及其变化

褶皱紧闭程度，复杂程度

煤层褶皱幅度、强度

层间滑动和层间褶皱的发育程度

一般褶皱轴部的突出危险性大于翼部

(5)瓦斯地质规律与瓦斯预测

煤层瓦斯含量高是瓦斯突出发生基础;

煤体结构破坏是发生瓦斯突出必要条件;

构造应力相对集中的地带是瓦斯突出发生的主要位置;

压性、压扭性构造是发生煤与瓦斯突出的有利地带。

中国煤层高瓦斯区域分布规律

(1)太行山造山带东缘高突出瓦斯带：安阳、鹤壁、焦作矿区等;

(2)豫西强变形“三软”煤层高突出瓦斯带：禹州、汝州、新密、登封、荥巩、偃龙、陕渑—义马、新安、宜洛矿区等;

(3)秦岭造山带北缘逆冲推覆构造系高突出瓦斯带：平顶山矿区、确山煤田和周口预测区;

(4)鲁西南豫东断隆低瓦斯带：永夏矿区。

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