煤系地層中瓦斯富集規(guī)律研究

李少勇

摘 要：在我國(guó)煤系地層中的煤層氣的研究起步較晚，研究的程度也較淺和較片面。其主要是從煤層氣資源的勘探開(kāi)發(fā)、利用方面進(jìn)行研究，很少系統(tǒng)地對(duì)煤系地層中煤層氣（瓦斯）富集規(guī)律、瓦斯富集區(qū)域、瓦斯的分區(qū)和瓦斯的富集區(qū)域煤炭開(kāi)采中瓦斯事故的預(yù)防進(jìn)行研究。文章主要是從地質(zhì)構(gòu)造、煤的結(jié)構(gòu)構(gòu)造、變質(zhì)程度等方面探討煤系地層中瓦斯的分布規(guī)律，為煤炭資源的綜合開(kāi)發(fā)利用和預(yù)防提供科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：煤系地層；瓦斯；研究

1 前沿

煤層瓦斯是我國(guó)開(kāi)發(fā)和利用的主要能源之一，在我國(guó)，瓦斯資源的開(kāi)發(fā)和利用占國(guó)民資源開(kāi)發(fā)和利用的比例雖然不高，但它的利用價(jià)值卻非?？捎^（楊孟達(dá)，2000）。理論上說(shuō)，大量的煤炭資源，必然會(huì)產(chǎn)生大量的瓦斯資源。同時(shí)在煤炭資源開(kāi)采過(guò)程中，常常會(huì)因?yàn)橥咚沟暮窟^(guò)高而引起許多的瓦斯事故，不但造成人類生命財(cái)產(chǎn)的損失，同時(shí)也造成大量的資源浪費(fèi)。因此，對(duì)于瓦斯的研究就成了當(dāng)今我國(guó)研究領(lǐng)域的一個(gè)比較熱門(mén)的研究點(diǎn)（張新民，2002）。

2 煤層的變質(zhì)程度與瓦斯的關(guān)系

在煤層的形成演化過(guò)程中，當(dāng)煤進(jìn)入長(zhǎng)煙煤時(shí)就開(kāi)始熱解生氣作用，從肥煤-瘦煤階段，煤層生成瓦斯的能力相對(duì)較低，而且煤儲(chǔ)存瓦斯的能力也相對(duì)較低，在這個(gè)階段，煤層瓦斯的生成和富集能力都比較低，在這些地區(qū)很難形成煤層氣藏富集區(qū)。從貧煤-無(wú)煙煤階段，煤的變質(zhì)程度都相對(duì)較高，煤層生成瓦斯的能力達(dá)到峰值（張洪林，2004），煤層儲(chǔ)存瓦斯的能力也相應(yīng)增加。在這個(gè)階段，煤層瓦斯的生成和富集能力都很高，在這些地區(qū)就很容易形成高瓦斯富集區(qū)。從煤層的變質(zhì)程度分析，在我國(guó)許多地區(qū)的煤質(zhì)都較有利于瓦斯的儲(chǔ)存，這為瓦斯的大量富集提供有利的儲(chǔ)存空間。

煤層的生氣量和儲(chǔ)氣量能力都受煤變質(zhì)程度的控制，所有煤層的變質(zhì)程度對(duì)煤層氣藏的形成具有重要的作用。其表現(xiàn)主要有兩個(gè)方面：第一個(gè)方面，煤的變質(zhì)過(guò)程太低，不利于煤層氣藏的形成。對(duì)于未變質(zhì)階段（Rmax>0.5%）的褐煤，為生物化學(xué)生氣階段，熱解氣即將開(kāi)始生成，因此煤層的含氣量不高。同時(shí)由于褐煤層和圍巖的固結(jié)程度較差，透氣性能較好，封閉能力差，致使含量很低的煤層氣大量逸散。因此褐煤很難形成有價(jià)值的煤層氣藏。但是，當(dāng)煤層埋藏較深，厚度很大時(shí)，褐煤也可以形成煤層氣藏。第一個(gè)方面，煤變質(zhì)程度較高，煤層已經(jīng)失去儲(chǔ)氣能力，同樣不能形成煤層氣藏。超高變質(zhì)（Rmax>6%）的超無(wú)煙煤，對(duì)甲烷基本上不吸附，空隙度也很低。因而儲(chǔ)氣能力十分有限，同樣也不屬于儲(chǔ)集層范疇，所以不能形成煤層氣藏。由上述可知，低、中、高變質(zhì)的煙煤和無(wú)煙煤可以形成煤氣藏；未變質(zhì)的褐煤一般不利于形成有價(jià)值的煤層氣藏；而超高變質(zhì)的超高無(wú)煙煤也不屬于儲(chǔ)集層，所以不能形成煤層氣藏。不同的煤質(zhì)對(duì)瓦斯的吸附能力是不同的，其吸附能力如圖1所示（張新民，2002）。

從圖2可以看出，隨著煤層的變質(zhì)程度的增加，煤層的吸附能力不斷增強(qiáng)，但當(dāng)其Rmax=5%左右的時(shí)候，其吸附能力達(dá)到最大值，隨后隨著Rmax的值增加而迅速下降達(dá)到零吸附。

3 地質(zhì)構(gòu)造發(fā)展對(duì)煤層氣藏的影響

3.1 褶皺

在褶皺隆起的背景下，煤層常以向斜或背斜的構(gòu)造形態(tài)賦存，因此背斜和向斜都可以形成煤層氣藏。但以背斜和向斜儲(chǔ)存的煤層氣藏的儲(chǔ)存條件是完全不一樣的。當(dāng)煤盆地或礦區(qū)為單一的向斜構(gòu)造時(shí)，在同一水平上，煤層的含氣量在褶皺的轉(zhuǎn)折端減少；同時(shí)在向斜的內(nèi)部，如果沒(méi)有繼續(xù)生氣的條件，向斜軸部埋深最大處的含氣量有時(shí)會(huì)低于埋藏較淺的翼部。造成這種現(xiàn)象的原因可能是軸部位置巖層變形最大，應(yīng)力最集中，多以生成張力裂隙和軸面劈理所消耗，從而為煤中的氣體運(yùn)移提供了良好的通道，有利于軸部地區(qū)的煤層去氣作用的進(jìn)行。

3.2 斷裂

斷裂對(duì)煤層氣藏的形成的影響比較復(fù)雜，歸結(jié)起來(lái)有兩種不同性質(zhì)的影響：一種是斷裂促使氣體沿著斷裂向地表運(yùn)移，造成煤層脫氣，從而降低了煤層及其臨近的地帶的含氣性，不利于煤層氣藏的形成，這種斷層屬于導(dǎo)氣斷層。另一種是致密地層組成的斷層阻礙煤中氣體的運(yùn)移，成了氣體向地表或別的圈閉中運(yùn)移路途上的不滲透遮擋，從而提高了煤層及其鄰近地帶的含氣性，這種斷層屬于阻氣斷層。同時(shí)，斷裂作用使煤層裂縫和節(jié)理發(fā)育，有利于吸附在煤層上的瓦斯解吸，形成高煤層。

一般說(shuō)來(lái)，規(guī)模較大的張性斷裂屬于導(dǎo)氣斷層，它降低煤層的含氣性，不利于煤層氣藏的形成和保存。擠壓作用形成的逆斷層多屬于阻氣斷層，這種斷層所產(chǎn)生的裂隙通常處于閉合狀態(tài)，斷層面兩側(cè)的巖層被緊壓；另一方面，斷層的位移往往使致密的泥質(zhì)巖層與煤層的斷頭相接觸，從而阻斷了氣體沿煤層至下而上的運(yùn)移。這兩種作用結(jié)合起來(lái)在很大程度上使煤層保存了較高的含氣量（郭斌武，2001）。

4 地下水的活動(dòng)與瓦斯的關(guān)系

煤層氣吸附于煤的空隙表面或游離于孔隙中，由煤層裂隙網(wǎng)絡(luò)中的地下水將其封存，在一般情況下，煤層氣與地下水之間是處于動(dòng)態(tài)平衡，只有在一定壓力差下，氣體才能流動(dòng)。所以地下水活動(dòng)對(duì)瓦斯的富集影響也是很大的，有許多的礦井，根據(jù)煤質(zhì)、煤層厚度、構(gòu)造等因素分析，瓦斯的含量應(yīng)該很高，但是實(shí)測(cè)礦井瓦斯數(shù)據(jù)卻與預(yù)期的結(jié)果要低，其結(jié)果可能是因?yàn)檠芯繀^(qū)的地下水活動(dòng)影響造成的結(jié)果（張建博，2000）。

5 含煤地層的巖性特征與瓦斯的關(guān)系

煤層之上存在具有一定封閉能力的巖層，可以阻擋和減緩煤層氣滲透、擴(kuò)散、水溶流失等方式發(fā)生逸散，所有煤層頂?shù)装鍘r性特征決定了其封閉能力。煤層頂?shù)装鍘r性對(duì)煤層氣的封閉能力主要取決于毛細(xì)管力，毛細(xì)管力封閉是由于蓋層具有較高的毛細(xì)管阻力而阻止氣體逸散，毛細(xì)管力的大小取決于毛細(xì)管半徑的大小及其分布，而毛細(xì)管發(fā)育狀況主要受蓋層巖性、粒度、密度、致密程度等因素的影響。從對(duì)煤層氣封閉能力大小的角度分析，先將其封閉能力大小順序排列如下：油頁(yè)巖-泥巖-砂泥巖-石灰?guī)r-砂巖。油頁(yè)巖封閉性能極為良好，其分布穩(wěn)定，延伸范圍大，巖性致密堅(jiān)硬。其孔隙度為3.09-6.37%，但含水和含油率比較高，水和油充滿了空隙空間，致使巖層滲透率很低，對(duì)下覆煤層中的甲烷起到了很好的封閉作用。泥巖是煤層中最常見(jiàn)的一種圍巖，它通常具有很好的封閉性能，具有較高的壓力，在裂縫不發(fā)育的條件下，泥質(zhì)含量大于40%的泥巖或泥質(zhì)粉砂巖的巖體滲透率變化范圍為107～109um2，具有較好的封閉性；煤系中出現(xiàn)的灰?guī)r一般主要是生物碎屑泥晶灰?guī)r、含生物碎屑灰?guī)r及泥灰?guī)r，其孔隙度大多數(shù)小于1%，滲透率一般小于0.01×103um2，但是具有裂縫的灰?guī)r其空隙度可達(dá)4%，滲透率可達(dá)2×103um2-。因此對(duì)于灰?guī)r型圍巖進(jìn)一步又可以分為兩類：第一類是指在構(gòu)造運(yùn)動(dòng)不強(qiáng)烈的地區(qū)的灰?guī)r，其裂縫溶洞均不發(fā)育，具有一定的封閉能力。第二類灰?guī)r的裂隙和巖溶較發(fā)育，導(dǎo)致其封閉能力大大降低。砂巖型圍巖在橫向上最不穩(wěn)定，往往很快相變?yōu)樯澳鄮r和泥巖，該類型的圍巖對(duì)煤層的封閉能力很差，往往和煤層一起構(gòu)成儲(chǔ)氣層。

瓦斯在煤層中要受到一定的外應(yīng)力，在外應(yīng)力的作用下驅(qū)使瓦斯不斷的運(yùn)移和排放，其運(yùn)移和排放的速度與煤層頂?shù)装鍘r性的滲透性密切相關(guān)。如果煤層頂?shù)装鍘r性的滲透性大，則瓦斯就不易保存，如果煤層頂?shù)装鍘r性的滲透性小，則瓦斯就容易保存。煤層中瓦斯高低還與煤層滲透性有關(guān)，煤層大量的微裂隙發(fā)育，加大了瓦斯的儲(chǔ)存空間，同時(shí)就增加了瓦斯的儲(chǔ)存量，就容易形成高瓦斯煤層。如果煤層頂?shù)装鍘r性的滲透性雖小，但由于煤層滲透性差，煤層的儲(chǔ)存空間小，生成的瓦斯被吸附在煤層內(nèi)部，瓦斯很難排放出來(lái)，也形成不了高瓦斯煤層。

6 結(jié)束語(yǔ)

（1）瓦斯的生成量與煤層的變質(zhì)程度是成正相關(guān)，低、中、高變質(zhì)的煙煤和無(wú)煙煤可以形成煤氣藏；未變質(zhì)的褐煤一般不利于形成有價(jià)值的煤層氣藏；而超高變質(zhì)的超高無(wú)煙煤也不屬于儲(chǔ)集層，不能形成煤層氣藏。

（2）煤層頂?shù)装宓膸r性幾乎都是泥巖、頁(yè)巖及粘土巖，巖性的結(jié)構(gòu)特征都比較有利于瓦斯的保存；在研究區(qū)有很多的地區(qū)夾有砂巖層，砂巖也是瓦斯儲(chǔ)存的有利空間，其中很有可能找到適合工業(yè)開(kāi)采的煤成氣資源。

（3）構(gòu)造應(yīng)力作用比較強(qiáng)的地區(qū)，煤層微裂隙系統(tǒng)發(fā)育，為吸附在煤層中的瓦斯提供了很好的運(yùn)移通道，也是導(dǎo)致煤層中高瓦斯的重要原因。

（4）地下水對(duì)瓦斯的富集有一定的外界影響。

參考文獻(xiàn)

[1]楊孟達(dá)，劉新華，王瑛，等.煤礦地質(zhì)學(xué)[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，2000.

[2]張新民，莊軍，張遂安. 中國(guó)煤層氣地質(zhì)與資源評(píng)價(jià)[M].北京： 科學(xué)出版社， 2002，1～10.

[3]劉洪林，李貴中，李雋.煤層氣儲(chǔ)量計(jì)算方法及應(yīng)用[J].天然氣工業(yè)，2004，24（7） ： 26～28.

[4]張建博， 等. 煤層氣高產(chǎn)富集主控因素及預(yù)測(cè)方法[J].中國(guó)地質(zhì)大學(xué)，石油井測(cè)試，2000.

[5]郭斌武.構(gòu)造煤特征及其與二氧化碳突出的地質(zhì)分析[J].煤田地質(zhì)與勘探，2001，29（1）.

摘 要：在我國(guó)煤系地層中的煤層氣的研究起步較晚，研究的程度也較淺和較片面。其主要是從煤層氣資源的勘探開(kāi)發(fā)、利用方面進(jìn)行研究，很少系統(tǒng)地對(duì)煤系地層中煤層氣（瓦斯）富集規(guī)律、瓦斯富集區(qū)域、瓦斯的分區(qū)和瓦斯的富集區(qū)域煤炭開(kāi)采中瓦斯事故的預(yù)防進(jìn)行研究。文章主要是從地質(zhì)構(gòu)造、煤的結(jié)構(gòu)構(gòu)造、變質(zhì)程度等方面探討煤系地層中瓦斯的分布規(guī)律，為煤炭資源的綜合開(kāi)發(fā)利用和預(yù)防提供科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：煤系地層；瓦斯；研究

1 前沿

煤層瓦斯是我國(guó)開(kāi)發(fā)和利用的主要能源之一，在我國(guó)，瓦斯資源的開(kāi)發(fā)和利用占國(guó)民資源開(kāi)發(fā)和利用的比例雖然不高，但它的利用價(jià)值卻非常可觀（楊孟達(dá)，2000）。理論上說(shuō)，大量的煤炭資源，必然會(huì)產(chǎn)生大量的瓦斯資源。同時(shí)在煤炭資源開(kāi)采過(guò)程中，常常會(huì)因?yàn)橥咚沟暮窟^(guò)高而引起許多的瓦斯事故，不但造成人類生命財(cái)產(chǎn)的損失，同時(shí)也造成大量的資源浪費(fèi)。因此，對(duì)于瓦斯的研究就成了當(dāng)今我國(guó)研究領(lǐng)域的一個(gè)比較熱門(mén)的研究點(diǎn)（張新民，2002）。

2 煤層的變質(zhì)程度與瓦斯的關(guān)系

在煤層的形成演化過(guò)程中，當(dāng)煤進(jìn)入長(zhǎng)煙煤時(shí)就開(kāi)始熱解生氣作用，從肥煤-瘦煤階段，煤層生成瓦斯的能力相對(duì)較低，而且煤儲(chǔ)存瓦斯的能力也相對(duì)較低，在這個(gè)階段，煤層瓦斯的生成和富集能力都比較低，在這些地區(qū)很難形成煤層氣藏富集區(qū)。從貧煤-無(wú)煙煤階段，煤的變質(zhì)程度都相對(duì)較高，煤層生成瓦斯的能力達(dá)到峰值（張洪林，2004），煤層儲(chǔ)存瓦斯的能力也相應(yīng)增加。在這個(gè)階段，煤層瓦斯的生成和富集能力都很高，在這些地區(qū)就很容易形成高瓦斯富集區(qū)。從煤層的變質(zhì)程度分析，在我國(guó)許多地區(qū)的煤質(zhì)都較有利于瓦斯的儲(chǔ)存，這為瓦斯的大量富集提供有利的儲(chǔ)存空間。

煤層的生氣量和儲(chǔ)氣量能力都受煤變質(zhì)程度的控制，所有煤層的變質(zhì)程度對(duì)煤層氣藏的形成具有重要的作用。其表現(xiàn)主要有兩個(gè)方面：第一個(gè)方面，煤的變質(zhì)過(guò)程太低，不利于煤層氣藏的形成。對(duì)于未變質(zhì)階段（Rmax>0.5%）的褐煤，為生物化學(xué)生氣階段，熱解氣即將開(kāi)始生成，因此煤層的含氣量不高。同時(shí)由于褐煤層和圍巖的固結(jié)程度較差，透氣性能較好，封閉能力差，致使含量很低的煤層氣大量逸散。因此褐煤很難形成有價(jià)值的煤層氣藏。但是，當(dāng)煤層埋藏較深，厚度很大時(shí)，褐煤也可以形成煤層氣藏。第一個(gè)方面，煤變質(zhì)程度較高，煤層已經(jīng)失去儲(chǔ)氣能力，同樣不能形成煤層氣藏。超高變質(zhì)（Rmax>6%）的超無(wú)煙煤，對(duì)甲烷基本上不吸附，空隙度也很低。因而儲(chǔ)氣能力十分有限，同樣也不屬于儲(chǔ)集層范疇，所以不能形成煤層氣藏。由上述可知，低、中、高變質(zhì)的煙煤和無(wú)煙煤可以形成煤氣藏；未變質(zhì)的褐煤一般不利于形成有價(jià)值的煤層氣藏；而超高變質(zhì)的超高無(wú)煙煤也不屬于儲(chǔ)集層，所以不能形成煤層氣藏。不同的煤質(zhì)對(duì)瓦斯的吸附能力是不同的，其吸附能力如圖1所示（張新民，2002）。

從圖2可以看出，隨著煤層的變質(zhì)程度的增加，煤層的吸附能力不斷增強(qiáng)，但當(dāng)其Rmax=5%左右的時(shí)候，其吸附能力達(dá)到最大值，隨后隨著Rmax的值增加而迅速下降達(dá)到零吸附。

3 地質(zhì)構(gòu)造發(fā)展對(duì)煤層氣藏的影響

3.1 褶皺

在褶皺隆起的背景下，煤層常以向斜或背斜的構(gòu)造形態(tài)賦存，因此背斜和向斜都可以形成煤層氣藏。但以背斜和向斜儲(chǔ)存的煤層氣藏的儲(chǔ)存條件是完全不一樣的。當(dāng)煤盆地或礦區(qū)為單一的向斜構(gòu)造時(shí)，在同一水平上，煤層的含氣量在褶皺的轉(zhuǎn)折端減少；同時(shí)在向斜的內(nèi)部，如果沒(méi)有繼續(xù)生氣的條件，向斜軸部埋深最大處的含氣量有時(shí)會(huì)低于埋藏較淺的翼部。造成這種現(xiàn)象的原因可能是軸部位置巖層變形最大，應(yīng)力最集中，多以生成張力裂隙和軸面劈理所消耗，從而為煤中的氣體運(yùn)移提供了良好的通道，有利于軸部地區(qū)的煤層去氣作用的進(jìn)行。

3.2 斷裂

斷裂對(duì)煤層氣藏的形成的影響比較復(fù)雜，歸結(jié)起來(lái)有兩種不同性質(zhì)的影響：一種是斷裂促使氣體沿著斷裂向地表運(yùn)移，造成煤層脫氣，從而降低了煤層及其臨近的地帶的含氣性，不利于煤層氣藏的形成，這種斷層屬于導(dǎo)氣斷層。另一種是致密地層組成的斷層阻礙煤中氣體的運(yùn)移，成了氣體向地表或別的圈閉中運(yùn)移路途上的不滲透遮擋，從而提高了煤層及其鄰近地帶的含氣性，這種斷層屬于阻氣斷層。同時(shí)，斷裂作用使煤層裂縫和節(jié)理發(fā)育，有利于吸附在煤層上的瓦斯解吸，形成高煤層。

一般說(shuō)來(lái)，規(guī)模較大的張性斷裂屬于導(dǎo)氣斷層，它降低煤層的含氣性，不利于煤層氣藏的形成和保存。擠壓作用形成的逆斷層多屬于阻氣斷層，這種斷層所產(chǎn)生的裂隙通常處于閉合狀態(tài)，斷層面兩側(cè)的巖層被緊壓；另一方面，斷層的位移往往使致密的泥質(zhì)巖層與煤層的斷頭相接觸，從而阻斷了氣體沿煤層至下而上的運(yùn)移。這兩種作用結(jié)合起來(lái)在很大程度上使煤層保存了較高的含氣量（郭斌武，2001）。

4 地下水的活動(dòng)與瓦斯的關(guān)系

煤層氣吸附于煤的空隙表面或游離于孔隙中，由煤層裂隙網(wǎng)絡(luò)中的地下水將其封存，在一般情況下，煤層氣與地下水之間是處于動(dòng)態(tài)平衡，只有在一定壓力差下，氣體才能流動(dòng)。所以地下水活動(dòng)對(duì)瓦斯的富集影響也是很大的，有許多的礦井，根據(jù)煤質(zhì)、煤層厚度、構(gòu)造等因素分析，瓦斯的含量應(yīng)該很高，但是實(shí)測(cè)礦井瓦斯數(shù)據(jù)卻與預(yù)期的結(jié)果要低，其結(jié)果可能是因?yàn)檠芯繀^(qū)的地下水活動(dòng)影響造成的結(jié)果（張建博，2000）。

5 含煤地層的巖性特征與瓦斯的關(guān)系

煤層之上存在具有一定封閉能力的巖層，可以阻擋和減緩煤層氣滲透、擴(kuò)散、水溶流失等方式發(fā)生逸散，所有煤層頂?shù)装鍘r性特征決定了其封閉能力。煤層頂?shù)装鍘r性對(duì)煤層氣的封閉能力主要取決于毛細(xì)管力，毛細(xì)管力封閉是由于蓋層具有較高的毛細(xì)管阻力而阻止氣體逸散，毛細(xì)管力的大小取決于毛細(xì)管半徑的大小及其分布，而毛細(xì)管發(fā)育狀況主要受蓋層巖性、粒度、密度、致密程度等因素的影響。從對(duì)煤層氣封閉能力大小的角度分析，先將其封閉能力大小順序排列如下：油頁(yè)巖-泥巖-砂泥巖-石灰?guī)r-砂巖。油頁(yè)巖封閉性能極為良好，其分布穩(wěn)定，延伸范圍大，巖性致密堅(jiān)硬。其孔隙度為3.09-6.37%，但含水和含油率比較高，水和油充滿了空隙空間，致使巖層滲透率很低，對(duì)下覆煤層中的甲烷起到了很好的封閉作用。泥巖是煤層中最常見(jiàn)的一種圍巖，它通常具有很好的封閉性能，具有較高的壓力，在裂縫不發(fā)育的條件下，泥質(zhì)含量大于40%的泥巖或泥質(zhì)粉砂巖的巖體滲透率變化范圍為107～109um2，具有較好的封閉性；煤系中出現(xiàn)的灰?guī)r一般主要是生物碎屑泥晶灰?guī)r、含生物碎屑灰?guī)r及泥灰?guī)r，其孔隙度大多數(shù)小于1%，滲透率一般小于0.01×103um2，但是具有裂縫的灰?guī)r其空隙度可達(dá)4%，滲透率可達(dá)2×103um2-。因此對(duì)于灰?guī)r型圍巖進(jìn)一步又可以分為兩類：第一類是指在構(gòu)造運(yùn)動(dòng)不強(qiáng)烈的地區(qū)的灰?guī)r，其裂縫溶洞均不發(fā)育，具有一定的封閉能力。第二類灰?guī)r的裂隙和巖溶較發(fā)育，導(dǎo)致其封閉能力大大降低。砂巖型圍巖在橫向上最不穩(wěn)定，往往很快相變?yōu)樯澳鄮r和泥巖，該類型的圍巖對(duì)煤層的封閉能力很差，往往和煤層一起構(gòu)成儲(chǔ)氣層。

瓦斯在煤層中要受到一定的外應(yīng)力，在外應(yīng)力的作用下驅(qū)使瓦斯不斷的運(yùn)移和排放，其運(yùn)移和排放的速度與煤層頂?shù)装鍘r性的滲透性密切相關(guān)。如果煤層頂?shù)装鍘r性的滲透性大，則瓦斯就不易保存，如果煤層頂?shù)装鍘r性的滲透性小，則瓦斯就容易保存。煤層中瓦斯高低還與煤層滲透性有關(guān)，煤層大量的微裂隙發(fā)育，加大了瓦斯的儲(chǔ)存空間，同時(shí)就增加了瓦斯的儲(chǔ)存量，就容易形成高瓦斯煤層。如果煤層頂?shù)装鍘r性的滲透性雖小，但由于煤層滲透性差，煤層的儲(chǔ)存空間小，生成的瓦斯被吸附在煤層內(nèi)部，瓦斯很難排放出來(lái)，也形成不了高瓦斯煤層。

6 結(jié)束語(yǔ)

（1）瓦斯的生成量與煤層的變質(zhì)程度是成正相關(guān)，低、中、高變質(zhì)的煙煤和無(wú)煙煤可以形成煤氣藏；未變質(zhì)的褐煤一般不利于形成有價(jià)值的煤層氣藏；而超高變質(zhì)的超高無(wú)煙煤也不屬于儲(chǔ)集層，不能形成煤層氣藏。

（2）煤層頂?shù)装宓膸r性幾乎都是泥巖、頁(yè)巖及粘土巖，巖性的結(jié)構(gòu)特征都比較有利于瓦斯的保存；在研究區(qū)有很多的地區(qū)夾有砂巖層，砂巖也是瓦斯儲(chǔ)存的有利空間，其中很有可能找到適合工業(yè)開(kāi)采的煤成氣資源。

（3）構(gòu)造應(yīng)力作用比較強(qiáng)的地區(qū)，煤層微裂隙系統(tǒng)發(fā)育，為吸附在煤層中的瓦斯提供了很好的運(yùn)移通道，也是導(dǎo)致煤層中高瓦斯的重要原因。

（4）地下水對(duì)瓦斯的富集有一定的外界影響。

參考文獻(xiàn)

[1]楊孟達(dá)，劉新華，王瑛，等.煤礦地質(zhì)學(xué)[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，2000.

[2]張新民，莊軍，張遂安. 中國(guó)煤層氣地質(zhì)與資源評(píng)價(jià)[M].北京： 科學(xué)出版社， 2002，1～10.

[3]劉洪林，李貴中，李雋.煤層氣儲(chǔ)量計(jì)算方法及應(yīng)用[J].天然氣工業(yè)，2004，24（7） ： 26～28.

[4]張建博， 等. 煤層氣高產(chǎn)富集主控因素及預(yù)測(cè)方法[J].中國(guó)地質(zhì)大學(xué)，石油井測(cè)試，2000.

[5]郭斌武.構(gòu)造煤特征及其與二氧化碳突出的地質(zhì)分析[J].煤田地質(zhì)與勘探，2001，29（1）.

摘 要：在我國(guó)煤系地層中的煤層氣的研究起步較晚，研究的程度也較淺和較片面。其主要是從煤層氣資源的勘探開(kāi)發(fā)、利用方面進(jìn)行研究，很少系統(tǒng)地對(duì)煤系地層中煤層氣（瓦斯）富集規(guī)律、瓦斯富集區(qū)域、瓦斯的分區(qū)和瓦斯的富集區(qū)域煤炭開(kāi)采中瓦斯事故的預(yù)防進(jìn)行研究。文章主要是從地質(zhì)構(gòu)造、煤的結(jié)構(gòu)構(gòu)造、變質(zhì)程度等方面探討煤系地層中瓦斯的分布規(guī)律，為煤炭資源的綜合開(kāi)發(fā)利用和預(yù)防提供科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：煤系地層；瓦斯；研究

1 前沿

煤層瓦斯是我國(guó)開(kāi)發(fā)和利用的主要能源之一，在我國(guó)，瓦斯資源的開(kāi)發(fā)和利用占國(guó)民資源開(kāi)發(fā)和利用的比例雖然不高，但它的利用價(jià)值卻非常可觀（楊孟達(dá)，2000）。理論上說(shuō)，大量的煤炭資源，必然會(huì)產(chǎn)生大量的瓦斯資源。同時(shí)在煤炭資源開(kāi)采過(guò)程中，常常會(huì)因?yàn)橥咚沟暮窟^(guò)高而引起許多的瓦斯事故，不但造成人類生命財(cái)產(chǎn)的損失，同時(shí)也造成大量的資源浪費(fèi)。因此，對(duì)于瓦斯的研究就成了當(dāng)今我國(guó)研究領(lǐng)域的一個(gè)比較熱門(mén)的研究點(diǎn)（張新民，2002）。

2 煤層的變質(zhì)程度與瓦斯的關(guān)系

在煤層的形成演化過(guò)程中，當(dāng)煤進(jìn)入長(zhǎng)煙煤時(shí)就開(kāi)始熱解生氣作用，從肥煤-瘦煤階段，煤層生成瓦斯的能力相對(duì)較低，而且煤儲(chǔ)存瓦斯的能力也相對(duì)較低，在這個(gè)階段，煤層瓦斯的生成和富集能力都比較低，在這些地區(qū)很難形成煤層氣藏富集區(qū)。從貧煤-無(wú)煙煤階段，煤的變質(zhì)程度都相對(duì)較高，煤層生成瓦斯的能力達(dá)到峰值（張洪林，2004），煤層儲(chǔ)存瓦斯的能力也相應(yīng)增加。在這個(gè)階段，煤層瓦斯的生成和富集能力都很高，在這些地區(qū)就很容易形成高瓦斯富集區(qū)。從煤層的變質(zhì)程度分析，在我國(guó)許多地區(qū)的煤質(zhì)都較有利于瓦斯的儲(chǔ)存，這為瓦斯的大量富集提供有利的儲(chǔ)存空間。

煤層的生氣量和儲(chǔ)氣量能力都受煤變質(zhì)程度的控制，所有煤層的變質(zhì)程度對(duì)煤層氣藏的形成具有重要的作用。其表現(xiàn)主要有兩個(gè)方面：第一個(gè)方面，煤的變質(zhì)過(guò)程太低，不利于煤層氣藏的形成。對(duì)于未變質(zhì)階段（Rmax>0.5%）的褐煤，為生物化學(xué)生氣階段，熱解氣即將開(kāi)始生成，因此煤層的含氣量不高。同時(shí)由于褐煤層和圍巖的固結(jié)程度較差，透氣性能較好，封閉能力差，致使含量很低的煤層氣大量逸散。因此褐煤很難形成有價(jià)值的煤層氣藏。但是，當(dāng)煤層埋藏較深，厚度很大時(shí)，褐煤也可以形成煤層氣藏。第一個(gè)方面，煤變質(zhì)程度較高，煤層已經(jīng)失去儲(chǔ)氣能力，同樣不能形成煤層氣藏。超高變質(zhì)（Rmax>6%）的超無(wú)煙煤，對(duì)甲烷基本上不吸附，空隙度也很低。因而儲(chǔ)氣能力十分有限，同樣也不屬于儲(chǔ)集層范疇，所以不能形成煤層氣藏。由上述可知，低、中、高變質(zhì)的煙煤和無(wú)煙煤可以形成煤氣藏；未變質(zhì)的褐煤一般不利于形成有價(jià)值的煤層氣藏；而超高變質(zhì)的超高無(wú)煙煤也不屬于儲(chǔ)集層，所以不能形成煤層氣藏。不同的煤質(zhì)對(duì)瓦斯的吸附能力是不同的，其吸附能力如圖1所示（張新民，2002）。

從圖2可以看出，隨著煤層的變質(zhì)程度的增加，煤層的吸附能力不斷增強(qiáng)，但當(dāng)其Rmax=5%左右的時(shí)候，其吸附能力達(dá)到最大值，隨后隨著Rmax的值增加而迅速下降達(dá)到零吸附。

3 地質(zhì)構(gòu)造發(fā)展對(duì)煤層氣藏的影響

3.1 褶皺

在褶皺隆起的背景下，煤層常以向斜或背斜的構(gòu)造形態(tài)賦存，因此背斜和向斜都可以形成煤層氣藏。但以背斜和向斜儲(chǔ)存的煤層氣藏的儲(chǔ)存條件是完全不一樣的。當(dāng)煤盆地或礦區(qū)為單一的向斜構(gòu)造時(shí)，在同一水平上，煤層的含氣量在褶皺的轉(zhuǎn)折端減少；同時(shí)在向斜的內(nèi)部，如果沒(méi)有繼續(xù)生氣的條件，向斜軸部埋深最大處的含氣量有時(shí)會(huì)低于埋藏較淺的翼部。造成這種現(xiàn)象的原因可能是軸部位置巖層變形最大，應(yīng)力最集中，多以生成張力裂隙和軸面劈理所消耗，從而為煤中的氣體運(yùn)移提供了良好的通道，有利于軸部地區(qū)的煤層去氣作用的進(jìn)行。

3.2 斷裂

斷裂對(duì)煤層氣藏的形成的影響比較復(fù)雜，歸結(jié)起來(lái)有兩種不同性質(zhì)的影響：一種是斷裂促使氣體沿著斷裂向地表運(yùn)移，造成煤層脫氣，從而降低了煤層及其臨近的地帶的含氣性，不利于煤層氣藏的形成，這種斷層屬于導(dǎo)氣斷層。另一種是致密地層組成的斷層阻礙煤中氣體的運(yùn)移，成了氣體向地表或別的圈閉中運(yùn)移路途上的不滲透遮擋，從而提高了煤層及其鄰近地帶的含氣性，這種斷層屬于阻氣斷層。同時(shí)，斷裂作用使煤層裂縫和節(jié)理發(fā)育，有利于吸附在煤層上的瓦斯解吸，形成高煤層。

一般說(shuō)來(lái)，規(guī)模較大的張性斷裂屬于導(dǎo)氣斷層，它降低煤層的含氣性，不利于煤層氣藏的形成和保存。擠壓作用形成的逆斷層多屬于阻氣斷層，這種斷層所產(chǎn)生的裂隙通常處于閉合狀態(tài)，斷層面兩側(cè)的巖層被緊壓；另一方面，斷層的位移往往使致密的泥質(zhì)巖層與煤層的斷頭相接觸，從而阻斷了氣體沿煤層至下而上的運(yùn)移。這兩種作用結(jié)合起來(lái)在很大程度上使煤層保存了較高的含氣量（郭斌武，2001）。

4 地下水的活動(dòng)與瓦斯的關(guān)系

煤層氣吸附于煤的空隙表面或游離于孔隙中，由煤層裂隙網(wǎng)絡(luò)中的地下水將其封存，在一般情況下，煤層氣與地下水之間是處于動(dòng)態(tài)平衡，只有在一定壓力差下，氣體才能流動(dòng)。所以地下水活動(dòng)對(duì)瓦斯的富集影響也是很大的，有許多的礦井，根據(jù)煤質(zhì)、煤層厚度、構(gòu)造等因素分析，瓦斯的含量應(yīng)該很高，但是實(shí)測(cè)礦井瓦斯數(shù)據(jù)卻與預(yù)期的結(jié)果要低，其結(jié)果可能是因?yàn)檠芯繀^(qū)的地下水活動(dòng)影響造成的結(jié)果（張建博，2000）。

5 含煤地層的巖性特征與瓦斯的關(guān)系

煤層之上存在具有一定封閉能力的巖層，可以阻擋和減緩煤層氣滲透、擴(kuò)散、水溶流失等方式發(fā)生逸散，所有煤層頂?shù)装鍘r性特征決定了其封閉能力。煤層頂?shù)装鍘r性對(duì)煤層氣的封閉能力主要取決于毛細(xì)管力，毛細(xì)管力封閉是由于蓋層具有較高的毛細(xì)管阻力而阻止氣體逸散，毛細(xì)管力的大小取決于毛細(xì)管半徑的大小及其分布，而毛細(xì)管發(fā)育狀況主要受蓋層巖性、粒度、密度、致密程度等因素的影響。從對(duì)煤層氣封閉能力大小的角度分析，先將其封閉能力大小順序排列如下：油頁(yè)巖-泥巖-砂泥巖-石灰?guī)r-砂巖。油頁(yè)巖封閉性能極為良好，其分布穩(wěn)定，延伸范圍大，巖性致密堅(jiān)硬。其孔隙度為3.09-6.37%，但含水和含油率比較高，水和油充滿了空隙空間，致使巖層滲透率很低，對(duì)下覆煤層中的甲烷起到了很好的封閉作用。泥巖是煤層中最常見(jiàn)的一種圍巖，它通常具有很好的封閉性能，具有較高的壓力，在裂縫不發(fā)育的條件下，泥質(zhì)含量大于40%的泥巖或泥質(zhì)粉砂巖的巖體滲透率變化范圍為107～109um2，具有較好的封閉性；煤系中出現(xiàn)的灰?guī)r一般主要是生物碎屑泥晶灰?guī)r、含生物碎屑灰?guī)r及泥灰?guī)r，其孔隙度大多數(shù)小于1%，滲透率一般小于0.01×103um2，但是具有裂縫的灰?guī)r其空隙度可達(dá)4%，滲透率可達(dá)2×103um2-。因此對(duì)于灰?guī)r型圍巖進(jìn)一步又可以分為兩類：第一類是指在構(gòu)造運(yùn)動(dòng)不強(qiáng)烈的地區(qū)的灰?guī)r，其裂縫溶洞均不發(fā)育，具有一定的封閉能力。第二類灰?guī)r的裂隙和巖溶較發(fā)育，導(dǎo)致其封閉能力大大降低。砂巖型圍巖在橫向上最不穩(wěn)定，往往很快相變?yōu)樯澳鄮r和泥巖，該類型的圍巖對(duì)煤層的封閉能力很差，往往和煤層一起構(gòu)成儲(chǔ)氣層。

瓦斯在煤層中要受到一定的外應(yīng)力，在外應(yīng)力的作用下驅(qū)使瓦斯不斷的運(yùn)移和排放，其運(yùn)移和排放的速度與煤層頂?shù)装鍘r性的滲透性密切相關(guān)。如果煤層頂?shù)装鍘r性的滲透性大，則瓦斯就不易保存，如果煤層頂?shù)装鍘r性的滲透性小，則瓦斯就容易保存。煤層中瓦斯高低還與煤層滲透性有關(guān)，煤層大量的微裂隙發(fā)育，加大了瓦斯的儲(chǔ)存空間，同時(shí)就增加了瓦斯的儲(chǔ)存量，就容易形成高瓦斯煤層。如果煤層頂?shù)装鍘r性的滲透性雖小，但由于煤層滲透性差，煤層的儲(chǔ)存空間小，生成的瓦斯被吸附在煤層內(nèi)部，瓦斯很難排放出來(lái)，也形成不了高瓦斯煤層。

6 結(jié)束語(yǔ)

（1）瓦斯的生成量與煤層的變質(zhì)程度是成正相關(guān)，低、中、高變質(zhì)的煙煤和無(wú)煙煤可以形成煤氣藏；未變質(zhì)的褐煤一般不利于形成有價(jià)值的煤層氣藏；而超高變質(zhì)的超高無(wú)煙煤也不屬于儲(chǔ)集層，不能形成煤層氣藏。

（2）煤層頂?shù)装宓膸r性幾乎都是泥巖、頁(yè)巖及粘土巖，巖性的結(jié)構(gòu)特征都比較有利于瓦斯的保存；在研究區(qū)有很多的地區(qū)夾有砂巖層，砂巖也是瓦斯儲(chǔ)存的有利空間，其中很有可能找到適合工業(yè)開(kāi)采的煤成氣資源。

（3）構(gòu)造應(yīng)力作用比較強(qiáng)的地區(qū)，煤層微裂隙系統(tǒng)發(fā)育，為吸附在煤層中的瓦斯提供了很好的運(yùn)移通道，也是導(dǎo)致煤層中高瓦斯的重要原因。

（4）地下水對(duì)瓦斯的富集有一定的外界影響。

參考文獻(xiàn)

[1]楊孟達(dá)，劉新華，王瑛，等.煤礦地質(zhì)學(xué)[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，2000.

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