煤層瓦斯含量與瓦斯壓力反算關系研究

張淑同

(1.中煤科工集團重慶研究院, 重慶 400037； 2.瓦斯災害監控與應急技術國家重點實驗室，重慶 400037)

目前《防治煤與瓦斯突出規定》(2009)已將瓦斯含量作為區域預測指標進行區域突出危險性預測，瓦斯含量直接測定技術及裝備已在我國煤礦得到了廣泛的推廣應用。對于瓦斯含量與瓦斯壓力間的關系國內外學者進行了研究，朗格繆爾方程建立了瓦斯壓力與瓦斯含量的關系，在已知瓦斯壓力的條件下進行瓦斯含量的測定；王子佳根據瓦斯在煤層的存在狀態及其特征，研究了游離瓦斯、瓦斯含量以及瓦斯壓力間的關系，得出瓦斯壓力和瓦斯含量受控于地質構造[1]；《煤礦瓦斯抽采基本指標》(AQ 1026-2006)中也規定了煤層瓦斯壓力可以采用朗格繆爾方程用瓦斯含量來反算。

采用實測煤層瓦斯壓力計算瓦斯含量國內外學者研究較多，成熟的朗格繆爾方程已得到了廣泛應用，是一種可行的方法，但是針對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。本文將對煤層瓦斯含量與瓦斯壓力關系展開研究。

1 煤層瓦斯壓力產生機理

瓦斯通常是以游離狀態和吸附狀態存在于煤體之中。游離狀態(也稱自由狀態)，這種瓦斯以完全自由的氣體狀態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動或從煤(巖)層的裂隙中散放出來，因此表現出一定壓力。煤體內游離瓦斯的多少取決于儲存空間的容積、瓦斯壓力及圍巖溫度等因素。吸附狀態(也稱結合狀態)，吸附狀態存在的瓦斯量的多少，取決于煤的結構特點、炭化程度等。按其結合形式的不同，又分為吸著和吸收2種狀態。吸著狀態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表面上所呈現的狀態，其形成一層很薄的吸附層；吸收狀態是瓦斯分子進入煤體膠粒結構內部與煤分子結合而呈現的一種狀態[2]。

瓦斯壓力和瓦斯含量是表征煤層瓦斯賦存的兩個重要基本參數。煤層瓦斯含量指單位質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、裂隙等空隙中作無規則的熱運動產生瓦斯壓力。因此，瓦斯壓力與游離瓦斯有關，而煤層中的游離瓦斯和煤層中的總瓦斯含量有關，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，如圖1所示。

圖1 瓦斯含量組成關系圖

通過上述分析，煤層瓦斯壓力的產生必須具備2個條件：①瓦斯；②儲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的劇烈程度，主要受地應力、瓦斯含量、溫度等因素的影響。

2 基于煤儲層尺度效應的瓦斯壓力與瓦斯含量關系

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存的條件，下面通過尺度效應進行瓦斯含量與瓦斯壓力的關系探討。

2.1 煤體的尺度效應

尺度效應的定義是由于尺度不同研究對象特征所產生的相應變化。

煤體內有無數的裂隙、孔隙，按成因、存在狀態和分布情況可分為層理、內生裂隙、外生裂隙、次生裂隙、煤體內的細微孔隙等。

煤體中的這些層理、內生裂隙、外生裂隙、次生裂隙、煤體內的細微孔隙，可以看成是具有兩類孔隙的介質。一類是裂隙系統，它可供游離瓦斯通過，起到了渠道作用；另一類是封閉的孔隙系統，它具有儲存游離瓦斯的作用。

2.2 大尺度煤體瓦斯含量與瓦斯壓力關系

大尺度煤體具有如下特點：①尺寸較大，一般是獨立地質單元的一層煤、一個采區或一個區段；②煤體內存在既存在裂隙系統也存在封閉的裂隙系統；③由于不是所有裂隙均互相連通，因此煤體呈現整體密封性。

大尺度煤體內部形成了游離瓦斯儲存結構，可以承受游離瓦斯產生的瓦斯壓力，盡管在瓦斯壓力梯度的作用下煤體存在緩慢的瓦斯運移，但煤層內的吸附瓦斯和裂隙內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。因此在這種條件下游離瓦斯產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應關系，因此在這種大尺度煤體結構條件下煤層瓦斯含量和瓦斯壓力可以進行相互換算，測定或計算的煤層瓦斯含量和瓦斯壓力也能代表該區域大尺度煤體內的瓦斯基本參數。

2.3 小尺度煤體瓦斯含量與瓦斯壓力關系

小尺度煤體是在采動或斷層割裂作用下形成的塊度較小，相對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：①尺寸相對較小，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始解吸，并在初始暴露一段時間內，累加瓦斯解吸量與時間呈現一定的關系式。通過實驗室瓦斯吸附解吸規律研究發現：①塊煤初始解吸速度較大，隨著解吸時間的增加，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，小尺度煤體內的瓦斯解吸較快，快速運移到聯通裂隙中并釋放，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應關系，在這種情況下，即便采用直接法進行煤層瓦斯含量的測定，也僅代表很小范圍或塊煤內的瓦斯含量，而不能通過該瓦斯含量進行瓦斯壓力的反算。

3 工程實例分析

3.1 原始煤層瓦斯壓力測定

原始煤層中瓦斯以游離和吸附狀態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造應力等因素有關，與成煤年代、煤的變質程度無關；淺部瓦斯壓力較小，隨著開采深度的增加，瓦斯壓力一般近似線性增加。在地質構造帶，強大的構造應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，瓦斯占據孔隙減小，出現局部瓦斯壓力增高帶；在一些開放性構造帶，瓦斯運移使瓦斯壓力減小。因而，瓦斯壓力在煤層中將呈現與埋深的線性相關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定方法》(AQ/1047-2007)中有關測壓鉆孔的要求，在具體選擇測壓孔位置時，應避開地質構造裂隙帶、采動等影響范圍，測壓孔見煤點與地質構造裂隙帶、采動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，二者關系符合朗格繆爾方程，可以進行相互反算。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害。

3.2 復采煤層瓦斯含量測定

重慶某礦K1煤層北翼標高+964～+992m區段為復采煤層，煤層在之前的開采過程中已收采動影響，且煤層呈不完整性，均已塊煤和粉煤賦存。

在該區段采用直接法進行煤層瓦斯含量測定時，盡管采取煤樣測定得到了煤層瓦斯含量，但該含量僅是塊煤中的殘存瓦斯含量，塊煤間裂隙沒有形成瓦斯壓力的條件，不能通過朗格繆爾方程進行瓦斯壓力的反算。

4 結語

通過對瓦斯壓力產生原理分析，將煤體分別作為大尺度煤體和小尺度煤體對煤層中吸附瓦斯和游離瓦斯對應關系以及游離瓦斯存儲條件進行了研究，得出了不同條件下煤層瓦斯含量和瓦斯壓力的反算關系，糾正了目前存在的瓦斯含量和瓦斯壓力無條件進行互相反算作為瓦斯基本參數的錯誤認識，為不同煤層賦存條件下瓦斯基本參數的測定與計算提供了指導。

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

[2] 煤炭科學研究總院重慶分院.礦井瓦斯及其防治技術[Z]. 煤炭科學研究總院重慶分院培訓教材，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[R].煤炭工業部煤炭科學研究重慶研究所，1981.

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