突出煤层瓦斯赋存状态及突出机理探讨

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摘?要 通过对突出煤层瓦斯赋存状态的深入分析，进一步探讨了煤与瓦斯突出机理的认识和体会。

关键词 突出煤层；甲烷水合物；机理；认识与体会

中图分类号 TD712 文献标识码 A 文章编号 1673-9671-(2012)082-0218-02

1 概述

煤与瓦斯突出是在煤矿井下煤层中发生的极其复杂的瓦斯动力现象，它能在极短的时间（几秒到几分钟）内，由煤体向井巷或采场空间瞬间喷出大量的瓦斯和碎煤，喷出的瓦斯-粉煤流通常带有暴风般的性质，以十分巨大的动力效应摧毁井巷设施，破坏通风系统等，是威胁煤矿安全生产的严重自然灾害之一。煤与瓦斯突出机理是指煤与瓦斯突出发生的原因、条件及其发生、发展过程，迄今尚未得出统一的完整的突出理论对其进行合理解释，究其原因，很有可能需对突出煤层中的瓦斯赋存状态作进一步的分析。本文借鉴甲烷水合物生成及存储理论，通过对突出煤层的瓦斯赋存状态的深入分析，进一步探讨了煤与瓦斯突出机理的认识与体会。

2 突出煤层瓦斯的赋存状态及条件

2.1 非突出煤层瓦斯赋存规律

依据煤成气和石油天然气的赋存理论，结合矿井、采区瓦斯涌出规律，并经实践证实：煤岩为多孔隙介质，瓦斯气体以游离、吸附、吸收和水溶性瓦斯四种状态赋存于煤岩层中。游离瓦斯存在于煤岩的原生和次生裂隙内和孔隙中，可以自由运动，以压力状态存在，压力愈高，裂隙内游离瓦斯含量愈高，埋藏愈深，游离瓦斯含量增加愈多。吸附瓦斯是在煤岩的微孔表面上所吸附的瓦斯，在一定的温度和卸压的环境中，吸附瓦斯可解析为游离瓦斯。吸收瓦斯是深入煤岩体胶粒结构间的很少量瓦斯。水溶性瓦斯量也甚少，是由于水对瓦斯具有一定的溶解能力，并取决于地温和压力，也是煤层瓦斯的一种赋存状态。游离瓦斯和吸附瓦斯是涌出和抽放的主要来源；煤层及其围岩地层的疏密程度及其附近地质构造的开闭程度是决定煤层瓦斯储量的客观因素。

2.2 甲烷水合物（可燃冰）生成及储存理论

甲烷水合物是一种白色固体物质，外形像冰，有极强的燃烧力，可作为上等能源，在地质上称之为天然气水合物，其分子结构式为CH4·8H2O。

它是在一定条件（合适的温度、压力、气体饱和度、水的盐度、pH值等）下，由气体或挥发性液体与水相互作用过程中形成的白色固态结晶物质。一旦温度升高或压强降低，甲烷气则会逸出，固体水合物便趋于崩解。1立方米的可燃冰可在常温常压下释放164立方米的天然气及0.8立方米的淡水。形成甲烷水合物有三个基本条件：温度、压力和充足的气源。首先，甲烷水合物可在0℃以上生成，但超过20℃便会分解，高压下，18℃仍能保持稳定。其次，可燃冰在0℃时，只需30个大气压即可生成，气压越大，甲烷水合物就越不容易分解。最后，海底有机物沉淀，其中丰富的碳经过生物转化，可产生充足的气源。由于地层是多孔隙介质，在温度、压力、气源三者都具备的条件下，甲烷水合物晶体就会在介质的空隙间中生成。

甲烷水合物往往赋存于水深大于300米以上的海底沉积物或寒冷的永久冻土中，海底甲烷水合物依赖巨厚水层的压力来维持其固体状态，其分布可以从海底到海底之下1000米的范围以内。大陆岩石内的甲烷水合物会受限在深度800 m以上的砂岩或粉沙岩岩床中，依靠地应力场来维持其固体状态。

2.3 突出煤层瓦斯赋存状态及条件

研究表明：煤层瓦斯是腐植型有机物在成煤过程中经历生物化学成气、煤化作用成气两个阶段形成的。新的研究认为存在次生物成气阶段。借鉴甲烷水合物（可燃冰）的生成及存储理论，结合非突出煤层中的瓦斯赋存规律，由此建立突出煤层中瓦斯赋存状态模式为：煤岩为多孔隙介质，突出煤层中的瓦斯以较少量的游离瓦斯（气相）、较多的甲烷水合物（固相）两种状态赋存于煤岩层中。其游离瓦斯以很大的承压状态被压缩赋存于煤岩的原生和次生裂隙内和孔隙中，在合适的温度、压力条件下，游离瓦斯与煤中的水分子作用可转化成甲烷水合物固态晶体。甲烷水合物是：在煤化作用成气阶段后的某一时期，尤其是在次生物成气阶段，构造运动出现使部分地段抬起，在这些抬起地段的局部区域出现温度在0℃～18℃、压力高于30个大气压、且与地表水发生水力联系的气候环境，一部分甲烷与水相互作用就形成分子式为CH4·8H2O的白色固态结晶物质。它通常被压缩赋存于地应力显突、地质构造复杂而又封闭良好区域的煤岩层的孔隙中，当温度高于20℃或压力低于30个大气压时，甲烷水合物迅速崩解成游离瓦斯，并释放出巨大潜能。因此，突出煤层中瓦斯赋存状态为甲烷水合物与游离瓦斯随时可能相互转换的动态平衡过程。

3 煤与瓦斯突出机理

综合以上所述，在一些地应力显突、地质构造复杂而又封闭良好区域或某一局部块段地点的煤岩的孔隙中赋存着大量的甲烷水合物晶体和少量的高压力游离瓦斯，在未受工程活动或自然外力因素（如地震、火山喷发、岩浆活动等）等震动或冲击影响时，依靠地应力场（由自重应力场、构造应力场和温度应力场组成，起决定作用的是强大的构造应力场）、自身储蓄的潜能（瓦斯压力）与其围岩的抗剪抗压强度三者之间维持相对稳定平衡。当受到工程活动或自然外力等的震动或冲击影响时，煤体及其围岩弱面和泄压裂隙开始扩展，地应力场发生迁移改变（压力下降），围岩变形潜能开始释放，甲烷水合物趋于崩解（突出准备阶段）；地应力下降到30个大气压以下，甲烷水合物瞬间分解成高压游离瓦斯并伴随释放巨大潜能，加之煤体及其围岩变形潜能加剧释放，使煤体及其围岩弱面和裂隙讯速扩展（突出发动阶段）；当煤体及其围岩弱面扩展到极限抗剪抗压强度，不足以抵抗巨大的高压瓦斯潜能和强大的围岩变形潜能（构造应力）二者的挤压时，携带巨大潜能的高压瓦斯粉煤流与强大的构造应力汇并在一起就突破煤体及其围岩的阻碍，像吹爆气球一样沿工作面弱面及裂隙喷射而出，并把裂隙及弱面周围的煤岩体破碎一并抛洒到采掘空间，突出发生（突出发展阶段）；随着构造应力、高压瓦斯粉煤流的能量释放耗减，继续崩解的甲烷水合物的潜能和释放的地应力不足以再抛出煤体，突出即告停止（突出终止阶段）。