煤层瓦斯含量与瓦斯压力反算关系研究

张淑同

(1.中煤科工集团重庆研究院, 重庆 400037； 2.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室，重庆 400037)

目前《防治煤与瓦斯突出规定》(2009)已将瓦斯含量作为区域预测指标进行区域突出危险性预测，瓦斯含量直接测定技术及装备已在我国煤矿得到了广泛的推广应用。对于瓦斯含量与瓦斯压力间的关系国内外学者进行了研究，朗格缪尔方程建立了瓦斯压力与瓦斯含量的关系，在已知瓦斯压力的条件下进行瓦斯含量的测定；王子佳根据瓦斯在煤层的存在状态及其特征，研究了游离瓦斯、瓦斯含量以及瓦斯压力间的关系，得出瓦斯压力和瓦斯含量受控于地质构造[1]；《煤矿瓦斯抽采基本指标》(AQ 1026-2006)中也规定了煤层瓦斯压力可以采用朗格缪尔方程用瓦斯含量来反算。

采用实测煤层瓦斯压力计算瓦斯含量国内外学者研究较多，成熟的朗格缪尔方程已得到了广泛应用，是一种可行的方法，但是针对瓦斯含量反算煤层瓦斯压力的研究却较少，存在反算的盲目性。本文将对煤层瓦斯含量与瓦斯压力关系展开研究。

1 煤层瓦斯压力产生机理

瓦斯通常是以游离状态和吸附状态存在于煤体之中。游离状态(也称自由状态)，这种瓦斯以完全自由的气体状态存在于煤体或围岩的较大裂缝、孔隙或空洞之中。游离瓦斯可以自由运动或从煤(岩)层的裂隙中散放出来，因此表现出一定压力。煤体内游离瓦斯的多少取决于储存空间的容积、瓦斯压力及围岩温度等因素。吸附状态(也称结合状态)，吸附状态存在的瓦斯量的多少，取决于煤的结构特点、炭化程度等。按其结合形式的不同，又分为吸着和吸收2种状态。吸着状态是瓦斯气体分子在其与煤粒固体分子间的引力作用下而被吸着在煤体孔隙的内表面上所呈现的状态，其形成一层很薄的吸附层；吸收状态是瓦斯分子进入煤体胶粒结构内部与煤分子结合而呈现的一种状态[2]。

瓦斯压力和瓦斯含量是表征煤层瓦斯赋存的两个重要基本参数。煤层瓦斯含量指单位质量的煤中所含有的瓦斯量，包括吸附瓦斯和游离瓦斯两种[1,3]，游离瓦斯在煤层的孔隙、裂隙等空隙中作无规则的热运动产生瓦斯压力。因此，瓦斯压力与游离瓦斯有关，而煤层中的游离瓦斯和煤层中的总瓦斯含量有关，在一定的压力和温度条件下，二者总是以一定的比例存在着，吸附瓦斯在瓦斯压力作用下与游离瓦斯处于吸附和解吸的平衡状态，如图1所示。

图1 瓦斯含量组成关系图

通过上述分析，煤层瓦斯压力的产生必须具备2个条件：①瓦斯；②储存游离瓦斯的密闭空间(即孔隙和裂隙)。瓦斯压力的大小取决于游离瓦斯活动的剧烈程度，主要受地应力、瓦斯含量、温度等因素的影响。

2 基于煤储层尺度效应的瓦斯压力与瓦斯含量关系

上述分析可知，瓦斯含量反算瓦斯压力是有条件的，这取决于是否存在形成游离瓦斯储存的条件，下面通过尺度效应进行瓦斯含量与瓦斯压力的关系探讨。

2.1 煤体的尺度效应

尺度效应的定义是由于尺度不同研究对象特征所产生的相应变化。

煤体内有无数的裂隙、孔隙，按成因、存在状态和分布情况可分为层理、内生裂隙、外生裂隙、次生裂隙、煤体内的细微孔隙等。

煤体中的这些层理、内生裂隙、外生裂隙、次生裂隙、煤体内的细微孔隙，可以看成是具有两类孔隙的介质。一类是裂隙系统，它可供游离瓦斯通过，起到了渠道作用；另一类是封闭的孔隙系统，它具有储存游离瓦斯的作用。

2.2 大尺度煤体瓦斯含量与瓦斯压力关系

大尺度煤体具有如下特点：①尺寸较大，一般是独立地质单元的一层煤、一个采区或一个区段；②煤体内存在既存在裂隙系统也存在封闭的裂隙系统；③由于不是所有裂隙均互相连通，因此煤体呈现整体密封性。

大尺度煤体内部形成了游离瓦斯储存结构，可以承受游离瓦斯产生的瓦斯压力，尽管在瓦斯压力梯度的作用下煤体存在缓慢的瓦斯运移，但煤层内的吸附瓦斯和裂隙内的游离瓦斯在瓦斯压力作用下始终处于吸附和解吸的平衡状态。因此在这种条件下游离瓦斯产生的瓦斯压力能够反映煤体的瓦斯压力，煤层瓦斯含量和瓦斯压力具有很好的对应关系，因此在这种大尺度煤体结构条件下煤层瓦斯含量和瓦斯压力可以进行相互换算，测定或计算的煤层瓦斯含量和瓦斯压力也能代表该区域大尺度煤体内的瓦斯基本参数。

2.3 小尺度煤体瓦斯含量与瓦斯压力关系

小尺度煤体是在采动或断层割裂作用下形成的块度较小，相对离散的大块或小块煤体的集合体。

小尺度煤体具有如下特点：①尺寸相对较小，一般为离散或整体性较差的大块煤体；②小尺度煤体自身大裂隙较少，完整性较好；③小尺度煤体间具有相互联通的大裂隙，整体具有不完整性。

块煤从母体上剥落后随即开始解吸，并在初始暴露一段时间内，累加瓦斯解吸量与时间呈现一定的关系式。通过实验室瓦斯吸附解吸规律研究发现：①块煤初始解吸速度较大，随着解吸时间的增加，瓦斯解吸速度减小；②块煤粒度越小解吸速度越大，对于同一煤种，粒度较小块煤解吸速度较大。因此，小尺度煤体内的瓦斯解吸较快，快速运移到联通裂隙中并释放，不具备密闭空间，游离瓦斯不能形成瓦斯压力，游离瓦斯和吸附瓦斯间不存在吸附平衡，二者之间不存在朗格缪尔方程的对应关系，在这种情况下，即便采用直接法进行煤层瓦斯含量的测定，也仅代表很小范围或块煤内的瓦斯含量，而不能通过该瓦斯含量进行瓦斯压力的反算。

3 工程实例分析

3.1 原始煤层瓦斯压力测定

原始煤层中瓦斯以游离和吸附状态赋存于煤的微孔隙和裂隙中。一般情况下，瓦斯压力与埋藏深度和局部构造应力等因素有关，与成煤年代、煤的变质程度无关；浅部瓦斯压力较小，随着开采深度的增加，瓦斯压力一般近似线性增加。在地质构造带，强大的构造应力作用可使煤体中的孔隙和裂隙变小，甚至闭合，瓦斯流通性大大减弱，瓦斯占据孔隙减小，出现局部瓦斯压力增高带；在一些开放性构造带，瓦斯运移使瓦斯压力减小。因而，瓦斯压力在煤层中将呈现与埋深的线性相关性和局部的非均匀性。

按照《煤矿井下煤层瓦斯压力的直接测定方法》(AQ/1047-2007)中有关测压钻孔的要求，在具体选择测压孔位置时，应避开地质构造裂隙带、采动等影响范围，测压孔见煤点与地质构造裂隙带、采动影响范围至少要大于50m，并且封孔深度不小于10m。因此，在原始煤层条件下测定煤层瓦斯压力为吸附瓦斯和游离瓦斯吸附解吸平衡下的瓦斯压力，二者关系符合朗格缪尔方程，可以进行相互反算。该压力表征煤层的瓦斯压力，可以造成煤与瓦斯突出等瓦斯灾害。

3.2 复采煤层瓦斯含量测定

重庆某矿K1煤层北翼标高+964～+992m区段为复采煤层，煤层在之前的开采过程中已收采动影响，且煤层呈不完整性，均已块煤和粉煤赋存。

在该区段采用直接法进行煤层瓦斯含量测定时，尽管采取煤样测定得到了煤层瓦斯含量，但该含量仅是块煤中的残存瓦斯含量，块煤间裂隙没有形成瓦斯压力的条件，不能通过朗格缪尔方程进行瓦斯压力的反算。

4 结语

通过对瓦斯压力产生原理分析，将煤体分别作为大尺度煤体和小尺度煤体对煤层中吸附瓦斯和游离瓦斯对应关系以及游离瓦斯存储条件进行了研究，得出了不同条件下煤层瓦斯含量和瓦斯压力的反算关系，纠正了目前存在的瓦斯含量和瓦斯压力无条件进行互相反算作为瓦斯基本参数的错误认识，为不同煤层赋存条件下瓦斯基本参数的测定与计算提供了指导。

[1] 王子佳.煤层瓦斯压力和瓦斯含量关系的研究[J].煤矿安全，1996，14(2)： 38-39.

[2] 煤炭科学研究总院重庆分院.矿井瓦斯及其防治技术[Z]. 煤炭科学研究总院重庆分院培训教材，2004：21-22.

[3] 孙重旭，孔凡正，邓小波，等.煤样解吸瓦斯泻出的研究及突出煤层煤样瓦斯解吸的特点[R].煤炭工业部煤炭科学研究重庆研究所，1981.

[4] 李崇寻.煤层注水与采空区灌水防尘[M].北京：煤炭工业出版社，1981.