中国能源主体仍然为煤炭,一次性能源消费结构中,其中煤炭占70%左右。相当长一段时间内,煤炭将一直成为我国起支配地位的能源,到2050年仍将占50%以上。
1.问题的提出
原煤炭工业部门对煤层瓦斯的习惯定义是瓦斯=Gas=CH4;早期学术界的习惯定义为瓦斯=Gases=∑CH4,CO,CO2,CnHn,H2S…;梁汉东等学者(2006)所定义的是瓦斯=Gases=∑CH4,H2,CO,CO2,CnHn,H2S…。
现有观念认为“矿井瓦斯形成于整个成煤过程的始终,且大部分瓦斯已逸散于大气中”“吸附瓦斯存于煤的晶格之中”“1克煤可以展开为几百个相应平面赋存大量瓦斯”等,以及目前瓦斯突出事故调查所下结论之一“突出的瓦斯含量与煤层中原始瓦斯含量差距甚远,明显要多”。曾提出过质疑,所增加瓦斯量来自哪里?
2.同步形成原地性(原生瓦斯阶段、第一类瓦斯形成阶段)
目前多数学者认为瓦斯是在形成煤炭过程中形成的,形成1吨煤大约能形成60m3左右瓦斯,即瓦斯形成贯穿于整个成煤过程始终。
煤的形成过程所产生的瓦斯,在一定压力下以游离和吸附两种状态赋存于煤体中,由于封闭不好或者受开采空间的影响,以及压力的降低,游离瓦斯自然散失,吸附在煤体中的瓦斯变成了游离瓦斯,这是一个动态平衡的物理过程。
王锡爵(1983)瓦斯主要成份为CH4,在树木成煤的变质过程中分解出大量的瓦斯,经过漫长的地质年代,大部分吸附于煤层中聚存于围岩中,我国矿井瓦斯来源都属此类。
3.迁移形成异地性(次生瓦斯阶段、第二类瓦斯形成阶段)
褚开智(2008)对煤层中瓦斯形成、储积、运移等地质规律总结分析认为:随着温度升高,其煤变质程度也增高,生气量相应亦增加。煤热模拟实验研究指出长焰煤到无烟煤,生气量为268-393m3/t。同时,生气量还与煤岩组分有关,由多到少排序为壳质组、镜质组、惰质组。瓦斯在煤层中以吸着态、游离态、溶解态三种形式赋存,其中最主要的赋存方式是吸附状态。瓦斯主要是沿煤层或岩层的孔隙和裂隙运移。
大量资料显示瓦斯形成大可分为两个时期或阶段,即泥炭化阶段和煤化作用阶段,前者生成的瓦斯大部分散失于大气中,后者累积产生的瓦斯储集于煤系地层中。针对国内外学者在瓦斯形成机理领域取得了一些显著的成果,具体可确定煤系地层中煤层气(瓦斯)的储集规律:自生自储、自生他储、他生自储。
Scott等(1994)在研究圣胡安盆地煤层超压带分布规律及其成因的过程中,根据稳定同位素地球化学数据和相关物理模拟实验结果,提出煤层气次生生物成因观点。
孙四清等(2012)以煤的最大镜质体反射率作为指标,将我国煤层瓦斯成因分为次生生物成因气、混合成因气和热成因气三大类,并指出我国部分煤矿区的瓦斯成因类型。
张建民(2008)认为由于岩浆的大规模侵入活动带来的热力作用,提高煤变质程度,促进煤层气生成。成煤期后,构造运动对岩层进行改造,岩层压力降低至煤层气临界解吸压力以下时,部分煤层气解吸运移至砂岩储层中,形成煤成气。李永臣(2014)认为煤层在热演化过程中,会与其相接触岩石产生高热区域,使得煤层气扩散至岩石储层中。
徐家湾隧道瓦斯是来源于隧道下方2800m的上三叠统须家河组含煤岩系,地质历史演化进程中向上流动,于侏罗系上统蓬莱镇组岩石裂隙中,则局部储存封闭或孤立残留一定裂隙型游离瓦斯。
黄凯(2008)通过研究桃园矿10#煤层围岩特征对瓦斯赋存与涌出控制作用,得出深部煤层瓦斯沿煤层向上逸散,到达中部区块与中部煤层瓦斯一起通过顶板砂岩原生裂隙,逸散到其顶部砂岩围岩中并储集,浅部煤层中瓦斯则沿煤层通过风氧化带逸散出煤层。
张虎权等(2007)通过观察甲烷气的碳同位素组成(CH4和CO2)、煤岩及烃源岩的热模拟产物及碳同位素组成、甲烷气中异常高的汞含量,推断甲烷气可能来自深部地壳或上地慢,甲烷气是通过上地慢脱气作用或中地壳的费托合成而生成的,而非来自煤及其煤系地层。
美国瑞廉公司(2002)根据常规油气和煤层气成因研究指出煤层气和常规天然气生成客观地质途径是由矿物和金属等催化作用所完成。
依据煤生气量与吸附量,气煤前,在10MPa压力下,煤所生成甲烷满足煤孔隙表面吸附;气煤后,煤变质作用中所生成气体除吸附外,大量气体(13.32～358.24m3/t) 剩余,则以自由充填方式赋存于煤孔隙中,而孔隙体积与剩余气体量差距太大,生成气体使煤孔隙内产生高压,当孔隙压力大于煤破裂压力时,应力场控制着煤发生定向破裂而形成内生裂隙。
4.采煤过程形成再生性(新生瓦斯阶段、第三类瓦斯形成阶段)
早期研究表明部分瓦斯并非煤层中与生俱来就有,而是在开采过程中才产生的。煤层中存在着某种卤族元素,碳物质产生瓦斯残留第二种物质。在正压供风掘进头,同等供风条件下,风钻机排出的气雾在煤层处的现象是完全不同的。20m同等距离岩巷中看不清施工人员,煤层边则看得很清楚。采掘头煤壁采用防爆相机在不同时期进行拍摄时,固定碳随着时间的推移相对减少,白色钙化物质增加等,这些现象说明在掘进头或采煤工作面新生瓦斯而逸散,残留下白色钙化物质。
5.结语
综上所述,瓦斯形成过程是一种复杂的动力地质作用。在这一地质作用过程中,形成原生瓦斯、次生瓦斯、新生瓦斯等三种瓦斯类型。通过开采过程中新生瓦斯形成机理研究,直接揭示煤体中水胀(解)性、温度、压力等成因。合理解释与矿井瓦斯相关事故,将为煤矿防突提供一种新的思路。
摘要：瓦斯时常伴随着采掘过程,现有观点认为矿井瓦斯形成于整个成煤过程的始终,包括早期成煤阶段原地瓦斯和后期构造变动异地瓦斯。瓦斯形成问题很少遭人质疑,但矿井瓦斯事故仍然不断发生,说明瓦斯形成机理有待完善。通过查阅国内外涉及瓦斯的文献,瓦斯形成类型是多样的。研究获知瓦斯类型除原地(原生、第一类)瓦斯、异地(次生、第二类)瓦斯外,还存在一种采煤过程中形成的新生(第三类)瓦斯。新的瓦斯形成类型将为煤矿瓦斯事故提供一种新思路。
关键词：原生瓦斯,第一类瓦斯,次生瓦斯,第二类瓦斯,新生瓦斯,第三类瓦斯
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