煤層瓦斯含量與瓦斯壓力反算關(guān)系研究

張淑同

(1.中煤科工集團(tuán)重慶研究院, 重慶 400037； 2.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400037)

目前《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》(2009)已將瓦斯含量作為區(qū)域預(yù)測(cè)指標(biāo)進(jìn)行區(qū)域突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)，瓦斯含量直接測(cè)定技術(shù)及裝備已在我國(guó)煤礦得到了廣泛的推廣應(yīng)用。對(duì)于瓦斯含量與瓦斯壓力間的關(guān)系國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了研究，朗格繆爾方程建立了瓦斯壓力與瓦斯含量的關(guān)系，在已知瓦斯壓力的條件下進(jìn)行瓦斯含量的測(cè)定；王子佳根據(jù)瓦斯在煤層的存在狀態(tài)及其特征，研究了游離瓦斯、瓦斯含量以及瓦斯壓力間的關(guān)系，得出瓦斯壓力和瓦斯含量受控于地質(zhì)構(gòu)造[1]；《煤礦瓦斯抽采基本指標(biāo)》(AQ 1026-2006)中也規(guī)定了煤層瓦斯壓力可以采用朗格繆爾方程用瓦斯含量來(lái)反算。

采用實(shí)測(cè)煤層瓦斯壓力計(jì)算瓦斯含量國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究較多，成熟的朗格繆爾方程已得到了廣泛應(yīng)用，是一種可行的方法，但是針對(duì)瓦斯含量反算煤層瓦斯壓力的研究卻較少，存在反算的盲目性。本文將對(duì)煤層瓦斯含量與瓦斯壓力關(guān)系展開(kāi)研究。

1 煤層瓦斯壓力產(chǎn)生機(jī)理

瓦斯通常是以游離狀態(tài)和吸附狀態(tài)存在于煤體之中。游離狀態(tài)(也稱自由狀態(tài))，這種瓦斯以完全自由的氣體狀態(tài)存在于煤體或圍巖的較大裂縫、孔隙或空洞之中。游離瓦斯可以自由運(yùn)動(dòng)或從煤(巖)層的裂隙中散放出來(lái)，因此表現(xiàn)出一定壓力。煤體內(nèi)游離瓦斯的多少取決于儲(chǔ)存空間的容積、瓦斯壓力及圍巖溫度等因素。吸附狀態(tài)(也稱結(jié)合狀態(tài))，吸附狀態(tài)存在的瓦斯量的多少，取決于煤的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、炭化程度等。按其結(jié)合形式的不同，又分為吸著和吸收2種狀態(tài)。吸著狀態(tài)是瓦斯氣體分子在其與煤粒固體分子間的引力作用下而被吸著在煤體孔隙的內(nèi)表面上所呈現(xiàn)的狀態(tài)，其形成一層很薄的吸附層；吸收狀態(tài)是瓦斯分子進(jìn)入煤體膠粒結(jié)構(gòu)內(nèi)部與煤分子結(jié)合而呈現(xiàn)的一種狀態(tài)[2]。

瓦斯壓力和瓦斯含量是表征煤層瓦斯賦存的兩個(gè)重要基本參數(shù)。煤層瓦斯含量指單位質(zhì)量的煤中所含有的瓦斯量，包括吸附瓦斯和游離瓦斯兩種[1,3]，游離瓦斯在煤層的孔隙、裂隙等空隙中作無(wú)規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生瓦斯壓力。因此，瓦斯壓力與游離瓦斯有關(guān)，而煤層中的游離瓦斯和煤層中的總瓦斯含量有關(guān)，在一定的壓力和溫度條件下，二者總是以一定的比例存在著，吸附瓦斯在瓦斯壓力作用下與游離瓦斯處于吸附和解吸的平衡狀態(tài)，如圖1所示。

圖1 瓦斯含量組成關(guān)系圖

通過(guò)上述分析，煤層瓦斯壓力的產(chǎn)生必須具備2個(gè)條件：①瓦斯；②儲(chǔ)存游離瓦斯的密閉空間(即孔隙和裂隙)。瓦斯壓力的大小取決于游離瓦斯活動(dòng)的劇烈程度，主要受地應(yīng)力、瓦斯含量、溫度等因素的影響。

2 基于煤儲(chǔ)層尺度效應(yīng)的瓦斯壓力與瓦斯含量關(guān)系

上述分析可知，瓦斯含量反算瓦斯壓力是有條件的，這取決于是否存在形成游離瓦斯儲(chǔ)存的條件，下面通過(guò)尺度效應(yīng)進(jìn)行瓦斯含量與瓦斯壓力的關(guān)系探討。

2.1 煤體的尺度效應(yīng)

尺度效應(yīng)的定義是由于尺度不同研究對(duì)象特征所產(chǎn)生的相應(yīng)變化。

煤體內(nèi)有無(wú)數(shù)的裂隙、孔隙，按成因、存在狀態(tài)和分布情況可分為層理、內(nèi)生裂隙、外生裂隙、次生裂隙、煤體內(nèi)的細(xì)微孔隙等。

煤體中的這些層理、內(nèi)生裂隙、外生裂隙、次生裂隙、煤體內(nèi)的細(xì)微孔隙，可以看成是具有兩類(lèi)孔隙的介質(zhì)。一類(lèi)是裂隙系統(tǒng)，它可供游離瓦斯通過(guò)，起到了渠道作用；另一類(lèi)是封閉的孔隙系統(tǒng)，它具有儲(chǔ)存游離瓦斯的作用。

2.2 大尺度煤體瓦斯含量與瓦斯壓力關(guān)系

大尺度煤體具有如下特點(diǎn)：①尺寸較大，一般是獨(dú)立地質(zhì)單元的一層煤、一個(gè)采區(qū)或一個(gè)區(qū)段；②煤體內(nèi)存在既存在裂隙系統(tǒng)也存在封閉的裂隙系統(tǒng)；③由于不是所有裂隙均互相連通，因此煤體呈現(xiàn)整體密封性。

大尺度煤體內(nèi)部形成了游離瓦斯儲(chǔ)存結(jié)構(gòu)，可以承受游離瓦斯產(chǎn)生的瓦斯壓力，盡管在瓦斯壓力梯度的作用下煤體存在緩慢的瓦斯運(yùn)移，但煤層內(nèi)的吸附瓦斯和裂隙內(nèi)的游離瓦斯在瓦斯壓力作用下始終處于吸附和解吸的平衡狀態(tài)。因此在這種條件下游離瓦斯產(chǎn)生的瓦斯壓力能夠反映煤體的瓦斯壓力，煤層瓦斯含量和瓦斯壓力具有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，因此在這種大尺度煤體結(jié)構(gòu)條件下煤層瓦斯含量和瓦斯壓力可以進(jìn)行相互換算，測(cè)定或計(jì)算的煤層瓦斯含量和瓦斯壓力也能代表該區(qū)域大尺度煤體內(nèi)的瓦斯基本參數(shù)。

2.3 小尺度煤體瓦斯含量與瓦斯壓力關(guān)系

小尺度煤體是在采動(dòng)或斷層割裂作用下形成的塊度較小，相對(duì)離散的大塊或小塊煤體的集合體。

小尺度煤體具有如下特點(diǎn)：①尺寸相對(duì)較小，一般為離散或整體性較差的大塊煤體；②小尺度煤體自身大裂隙較少，完整性較好；③小尺度煤體間具有相互聯(lián)通的大裂隙，整體具有不完整性。

塊煤從母體上剝落后隨即開(kāi)始解吸，并在初始暴露一段時(shí)間內(nèi)，累加瓦斯解吸量與時(shí)間呈現(xiàn)一定的關(guān)系式。通過(guò)實(shí)驗(yàn)室瓦斯吸附解吸規(guī)律研究發(fā)現(xiàn)：①塊煤初始解吸速度較大，隨著解吸時(shí)間的增加，瓦斯解吸速度減小；②塊煤粒度越小解吸速度越大，對(duì)于同一煤種，粒度較小塊煤解吸速度較大。因此，小尺度煤體內(nèi)的瓦斯解吸較快，快速運(yùn)移到聯(lián)通裂隙中并釋放，不具備密閉空間，游離瓦斯不能形成瓦斯壓力，游離瓦斯和吸附瓦斯間不存在吸附平衡，二者之間不存在朗格繆爾方程的對(duì)應(yīng)關(guān)系，在這種情況下，即便采用直接法進(jìn)行煤層瓦斯含量的測(cè)定，也僅代表很小范圍或塊煤內(nèi)的瓦斯含量，而不能通過(guò)該瓦斯含量進(jìn)行瓦斯壓力的反算。

3 工程實(shí)例分析

3.1 原始煤層瓦斯壓力測(cè)定

原始煤層中瓦斯以游離和吸附狀態(tài)賦存于煤的微孔隙和裂隙中。一般情況下，瓦斯壓力與埋藏深度和局部構(gòu)造應(yīng)力等因素有關(guān)，與成煤年代、煤的變質(zhì)程度無(wú)關(guān)；淺部瓦斯壓力較小，隨著開(kāi)采深度的增加，瓦斯壓力一般近似線性增加。在地質(zhì)構(gòu)造帶，強(qiáng)大的構(gòu)造應(yīng)力作用可使煤體中的孔隙和裂隙變小，甚至閉合，瓦斯流通性大大減弱，瓦斯占據(jù)孔隙減小，出現(xiàn)局部瓦斯壓力增高帶；在一些開(kāi)放性構(gòu)造帶，瓦斯運(yùn)移使瓦斯壓力減小。因而，瓦斯壓力在煤層中將呈現(xiàn)與埋深的線性相關(guān)性和局部的非均勻性。

按照《煤礦井下煤層瓦斯壓力的直接測(cè)定方法》(AQ/1047-2007)中有關(guān)測(cè)壓鉆孔的要求，在具體選擇測(cè)壓孔位置時(shí)，應(yīng)避開(kāi)地質(zhì)構(gòu)造裂隙帶、采動(dòng)等影響范圍，測(cè)壓孔見(jiàn)煤點(diǎn)與地質(zhì)構(gòu)造裂隙帶、采動(dòng)影響范圍至少要大于50m，并且封孔深度不小于10m。因此，在原始煤層條件下測(cè)定煤層瓦斯壓力為吸附瓦斯和游離瓦斯吸附解吸平衡下的瓦斯壓力，二者關(guān)系符合朗格繆爾方程，可以進(jìn)行相互反算。該壓力表征煤層的瓦斯壓力，可以造成煤與瓦斯突出等瓦斯災(zāi)害。

3.2 復(fù)采煤層瓦斯含量測(cè)定

重慶某礦K1煤層北翼標(biāo)高+964～+992m區(qū)段為復(fù)采煤層，煤層在之前的開(kāi)采過(guò)程中已收采動(dòng)影響，且煤層呈不完整性，均已塊煤和粉煤賦存。

在該區(qū)段采用直接法進(jìn)行煤層瓦斯含量測(cè)定時(shí)，盡管采取煤樣測(cè)定得到了煤層瓦斯含量，但該含量?jī)H是塊煤中的殘存瓦斯含量，塊煤間裂隙沒(méi)有形成瓦斯壓力的條件，不能通過(guò)朗格繆爾方程進(jìn)行瓦斯壓力的反算。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)瓦斯壓力產(chǎn)生原理分析，將煤體分別作為大尺度煤體和小尺度煤體對(duì)煤層中吸附瓦斯和游離瓦斯對(duì)應(yīng)關(guān)系以及游離瓦斯存儲(chǔ)條件進(jìn)行了研究，得出了不同條件下煤層瓦斯含量和瓦斯壓力的反算關(guān)系，糾正了目前存在的瓦斯含量和瓦斯壓力無(wú)條件進(jìn)行互相反算作為瓦斯基本參數(shù)的錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)，為不同煤層賦存條件下瓦斯基本參數(shù)的測(cè)定與計(jì)算提供了指導(dǎo)。

[1] 王子佳.煤層瓦斯壓力和瓦斯含量關(guān)系的研究[J].煤礦安全，1996，14(2)： 38-39.

[2] 煤炭科學(xué)研究總院重慶分院.礦井瓦斯及其防治技術(shù)[Z]. 煤炭科學(xué)研究總院重慶分院培訓(xùn)教材，2004：21-22.

[3] 孫重旭，孔凡正，鄧小波，等.煤樣解吸瓦斯瀉出的研究及突出煤層煤樣瓦斯解吸的特點(diǎn)[R].煤炭工業(yè)部煤炭科學(xué)研究重慶研究所，1981.

[4] 李崇尋.煤層注水與采空區(qū)灌水防塵[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，1981.