非均匀煤层的瓦斯赋存、流动特性与等效渗透率理论

从事采矿工程、安全工程、地质工程及石油工程等方面的工程技术人员、科研人员，高等院校相关专业的高年级硕士生、博士生 

《非均匀煤层的瓦斯赋存、流动特性 与等效渗透率理论》针对卸压后、含夹矸层等条件下形成的不均匀煤层的瓦斯赋存与流动特性研究的需要，结合作者多年研究经验和对研究成果的总结，系统地介绍了煤层内瓦斯的赋存与流动特性、影响煤层瓦斯赋存状态与流动特性的因素、表征瓦斯赋存与流动特性的主要参数指标，以及一些根据作者及所带领团队多年进行研究所获得的科研成果。主要内容包括动力冲击对煤体内部微结构的影响、非均匀载荷对瓦斯钻孔周边煤体内部微结构造成的影响、卸压煤体内瓦斯放散与流动特性、含夹矸煤层的瓦斯放散与流动特性、不均匀煤层的等效渗透率理论等。

目录
前言
第1章 煤层与煤层瓦斯 1
1.1 煤及煤层 1
1.2 煤层瓦斯 6
1.3 本章小结 14
第2章 煤层瓦斯解吸、流动影响因素与分析 15
2.1 煤层瓦斯解吸吸附影响因素与分析 16
2.2 煤层瓦斯流动影响因素与分析 19
2.3 煤层瓦斯放散特性影响因素与分析 26
2.4 本章小结 30
第3章 研究设备的完善与开发 31
3.1 方形型煤制备装置 31
3.2 落锤式煤岩冲击加载试验装置 34
3.3 多向约束摆锤式冲击动力加载试验装置 36
3.4 煤岩细观观测系统 37
3.5 块煤瓦斯放散特性试验系统 40
3.6 非均匀载荷施加试验装置 47
3.7 本章小结 49
第4章 动力冲击对煤的表面及内部微结构影响 50
4.1 冲击载荷 50
4.2 超声波与其传播特性 52
4.3 超声波检测 53
4.4 基于超声波检测的冲击载荷对煤岩内部结构影响研究 55
4.5 基于核磁共振(NMR)的动力冲击对煤岩内部微隙结构的影响 67
4.6 冲击载荷下煤岩表面裂隙演化特征细观试验 77
4.7 单次冲击能量大小与煤岩裂隙演化的关系 86
4.8 递增式冲击对煤岩损伤的影响 88
4.9 坚硬颗粒、原生裂隙、非均质性对煤岩表面裂隙扩展路径的影响 97
4.10 本章小结 98
第5章 冲击载荷下煤岩表面裂隙扩展分形特征 101
5.1 分形与分数维 101
5.2 根据测度关系求维数的方法 102
5.3 岩石力学中的分形问题与应用 103
5.4 基于MATLAB的煤岩裂隙分形维数计算程序 106
5.5 煤岩表面裂隙扩展分形特征 108
5.6 本章小结 112
第6章 非均匀载荷对瓦斯钻孔稳定特性影响研究 113
6.1 含孔洞类煤岩多孔材料裂纹扩展量化表征 113
6.2 含孔洞煤裂纹扩展的量化表征 125
6.3 煤体裂纹演化的数值计算与分析 136
6.4 本章小结 148
第7章 放散面积和运移路径对煤层瓦斯放散的影响 150
7.1 煤的瓦斯放散特性 150
7.2 放散面积对煤层瓦斯放散的影响 153
7.3 瓦斯运移路径对瓦斯放散的影响研究 168
7.4 本章小结 173
第8章 放散面积与放散路径影响下的瓦斯放散机理探讨 175
8.1 瓦斯放散机理与模型的有关认识 175
8.2 煤层瓦斯放散机理的探讨 177
8.3 瓦斯放散物理-数学模型 182
8.4 本章小结 189
第9章 卸压作用对瓦斯放散与流动特性影响 190
9.1 采动导致的卸压作用 190
9.2 卸轴压起始载荷水平对含瓦斯煤样力学特性影响 196
9.3 卸围压时含瓦斯煤样力学性质演化 201
9.4 瓦斯放散过程中煤样力学特性演化 206
9.5 线弹性阶段卸轴压煤样内瓦斯流动特性 211
9.6 含瓦斯煤样横向变形与瓦斯流动特性耦合关系 216
9.7 本章小结 222
第10章 不均匀煤层瓦斯放散特性试验与理论分析 224
10.1 煤层构成与形态特点 224
10.2 夹矸层对煤层开采的影响 226
10.3 夹矸层对煤层瓦斯的影响 228
10.4 煤体瓦斯吸附解吸理论 230
10.5 试验方案与试验步骤 233
10.6 夹矸层对煤层瓦斯放散影响机理分析 248
10.7 本章小结 254
第11章 吸附作用对煤层瓦斯流动特性影响研究 256
11.1 吸附解吸作用与煤层瓦斯渗流的关系 256
11.2 吸附作用对煤层渗透特性影响试验 260
11.3 本章小结 270
第12章 夹矸层对煤层渗透性影响试验研究 271
12.1 基于均匀组合介质的等效渗透率理论 271
12.2 基于不均匀组合介质的等效渗透率理论 275
12.3 不均匀煤层等效渗透率的理论基础 279
12.4 含单层夹矸煤层的等效渗透率理论试验验证 284
12.5 夹矸层对滑脱因子的影响 287
12.6 夹矸层对煤基质吸附膨胀变形的影响 293
12.7 含双层夹矸煤层的等效渗透率理论试验验证 303
12.8 本章小结 308
参考文献 310

第1章 煤层与煤层瓦斯
　　煤炭在世界能源消费结构比例中占近30%，略低于石油消费。我国煤炭产量居世界**位，约占世界总产量的50%，煤作为我国能源稳定的可靠基础能源，在今后一个相当长的时期内仍将是我国的主导能源[1]。根据《中国中长期能源发展战略研究》，2030年左右我国煤炭预测产能可达到30亿～35亿t，至2050年将维持在约35亿t水平，这才能基本满足经济发展对煤炭资源的需求[2~4]。
　　1.1 煤及煤层
　　1) 煤的形成
　　煤是一种固体可燃有机生物沉积岩。煤是以含碳、氢元素为主，同时含有少量氧、硫、氮、磷及稀有元素的可燃性矿物，是千百万年前的远古时代植物在特殊的环境中经过极其复杂的生物化学、地球化学、物理化学作用后形成的。煤的形成过程可简单表示为如图1.1所示。
　　图1.1 煤的形成过程
　　从远古时代植物的死亡、堆积到经煤化作用等转变为煤，是一系列的物理、化学演化过程的集合，这个过程集合称为成煤作用。成煤作用根据时间先后关系可大致分为两个阶段，即泥炭化阶段和煤化作用阶段。成煤的基础物质主要是植物，原基础物质组成的不同是影响煤质*重要的因素之一，根据成煤植物的不同，可以划分出以高等植物为主原基础物质形成的腐殖煤和以低等植物为主原基础物质形成的腐泥煤两大类，腐殖煤*为常见而腐泥煤很少，现代煤炭工业开采的对象中绝大多数是腐殖煤。
　　(1) 泥炭化阶段。
　　植物遗体是成煤的基础物质来源。植物遗体能够顺利地堆积并转变为煤需要极其特殊的环境条件。首先要有大量的植物持续的生长、死亡；其次需要特殊的保存植物遗体的环境，需满足能使死亡植物原地堆积且不被氧化的条件，同时具备上述两个条件的环境常见为沼泽。植物大量堆积在沼泽浅部后，在需氧微生物的分解作用下一部分被彻底破坏分解成气体和水，未被分解的稳定部分保留下来并在沼泽水的覆盖下逐渐与空气隔绝，此时厌氧微生物利用植物有机质中的氧发生氧化分解、去羧基和脱水，释放出二氧化碳和甲烷气体(即狭义瓦斯)而形成一种凝胶状、含水分很高的棕褐色物质，这一过程就是泥炭化阶段，而过程中形成的物质被称为泥炭，也可称为泥煤。泥炭随着地壳和地质构造的不断运动下沉直至被覆盖而深埋于地下，当泥炭层被无机沉淀物覆盖后，就标志着泥炭化阶段的结束，煤的形成将进入下一个阶段，即煤化作用阶段。
　　(2) 煤化作用阶段。
　　当泥炭化阶段结束后，煤的形成将进入煤化作用阶段。此时，生物化学作用逐渐减弱直至消失，在物理化学和化学作用下泥炭开始向褐煤、烟煤和无烟煤转化，这一过程就是煤化阶段。根据主导作用因素和结果的不同，这个阶段可细分为成岩阶段和变质阶段两个阶段。
　　①成岩阶段：泥炭化阶段末期，泥炭被覆盖且深埋于地下，其在上覆无机沉积覆盖层导致的压力作用下逐渐被压密，且伴之以失水、胶体老化硬结等物理和物理化学变化，而缓慢地逐渐转变为具有生物岩特征的褐煤过程。这个过程需要的埋藏深度不大，上覆盖层厚度为200～400mm，温度约为60℃。在这一过程中，除了发生压实、失水等物理变化之外，也伴有分解和缩聚等化学反应，这些化学反应使泥炭中的植物成分逐渐减少，腐殖酸含量先增加后减少。如果地层继续向下运动，且上覆的覆盖层持续增厚，成煤环境中的温度将明显升高，所处环境的压力也继续加大，成煤作用将进入下一阶段，即变质阶段。
　　②变质阶段：处于上述复杂环境中且经上述复杂过程形成的褐煤沉降到地层深部后，在持续的地热和高压作用下将会继续发生化学反应，而促使其组成、结构和性质都在发生变化，引起这些变化的主要因素有持续作用、温度和压力。
　　a. 持续作用：这里所说的持续作用不是指距今地质年代的长短，而主要指作用在时间维度上的延长，即在一定的温度和压力条件下，作用于煤的变质过程的时间长短。持续作用的影响表现在两个方面，一方面，当作用温度值相同时煤的变质程度取决于温度作用时间的长短；另一方面，煤所受短时间较高温度的作用和受长时间较低温度的作用具有等效作用，即可以达到相同的变质程度。
　　b. 温度：地热资源是一种宝贵的自然资源，成煤过程中地热资源也起着重要的作用，地热使地温自地表常温层往深部呈逐渐升高趋势，成煤过程中埋藏深度增加的同时将意味着所处环境温度同时增加。大量资料分析表明：成煤过程中的不同煤化阶段所需的温度是不同的，大致表现为：褐煤40～50℃、长焰煤＜100℃、烟煤＜200℃、无烟煤＜350℃。
　　c. 压力：压力在煤的物理结构变化中起主要作用，如孔隙率的减小、水分的降低、密度的变化等。但一般的认识是，只有化学变化才可以对煤的化学结构变化起决定性的影响作用。
　　2) 煤的分类
　　煤是在特殊的地理环境中，经过一系列的特殊过程形成的一种特殊可燃性矿物。根据形成煤炭资源的原基础植物组成的不同，可将煤分为腐殖煤和腐泥煤两类，而又以腐殖煤*为常见，现代煤炭企业开采的主采煤层多数为腐殖煤。
　　(1) 腐泥煤。
　　形成煤炭资源的原基础植物为低等植物或浮游生物时，形成的煤炭资源为腐泥煤。腐泥煤主要有藻煤和胶泥煤两种。藻煤主要由藻类生成，而胶泥煤几乎完全由基质组成，是由一种无结构的腐泥煤植物成分彻底分解形成的，若胶泥煤中矿物含量大于40%，则此时的胶泥煤被称为油页岩，油页岩也是一种重要的能源资源。
　　(2) 腐殖煤。
　　形成煤炭资源的基础植物为高等植物时，形成的煤炭资源为腐殖煤。腐殖煤*为常见，人们通常意义上所指的煤均为腐殖煤。根据煤化程度的不同，腐殖煤可分为以下四大类。
　　①泥炭：泥炭是植物向煤转化过程中的过渡产物，其内尚保存有大量未分解的植物组织。泥炭含水率较高，刚开采出来的泥炭含水率在85%～95%，自然风干后的泥炭含水率也在25%～35%，干燥的泥炭呈棕黑色或黑褐色散碎度高的小块状。我国的泥炭资源主要分布在大兴安岭、小兴安岭、长白山、青藏高原和太行山脉范围，储量约为270亿t。泥炭具有丰富的用途，可以作为燃料气和工业原料，可以用来制作优质的活性炭，也可用来制造改良土壤用的腐殖酸肥料。
　　②褐煤：上述的泥炭若后续经过脱水、压实作用，则转变为有机生物岩，此时矿物外表面呈褐色或暗褐色，称为褐煤。大多数褐煤没有光泽，含水率一般在30%～60%，自然干燥后的褐煤含水率仍维持在10%～30%，且易于风化碎裂，不宜长途运输。褐煤和泥炭**的区别在于已经不含有未分解的植物组织残骸。褐煤按照煤化程度的高低也可分为土状褐煤、暗褐煤、亮褐煤和木褐煤。我国的褐煤资源主要分布在内蒙古、云南和黑龙江等省份，储量大约为900亿t。褐煤可用作气化原料，也可用来制作高热值的城市煤气或焦油。
　　③烟煤：褐煤经受的煤化作用继续发展就形成了烟煤。同属于烟煤范畴的煤炭资源，也具有不同的光泽，但绝大多数呈明暗交替的条带状，比较致密且硬度大。烟煤是分布*广、储量**、品种*多的煤种。根据煤化程度的不同，烟煤也可细分为长焰煤、不黏煤、气煤、肥煤、瘦煤和贫煤，其中气煤、肥煤、焦煤和瘦煤都具有不同的黏结性，统称为炼焦煤。
　　④无烟煤：无烟煤是一种煤化程度**的腐殖煤。无烟煤外观呈灰黑色，具有金属光泽且无明显条带。无烟煤在各煤种中的挥发分**、硬度**。无烟煤的主要用途为民用、发电和制造合成氨等。
　　3) 煤的赋存环境
　　煤炭资源形成于特殊的地质环境中，成煤后也将赋存于特殊的地质环境中，与煤层直接接触或人工开采活动会涉及的岩层主要是煤层上下一定范围内的岩层，其中位于影响范围附近的煤层之上的岩层称为顶板岩层，而位于煤层之下的岩层称为底板岩层。顶板岩层又分为伪顶、直接顶和老顶，如图1.2所示。
　　图1.2 煤层顶底板岩层
　　(1) 顶板岩层中。
　　①伪顶：位于直接顶与煤层之间，厚度一般小于0.5m或局部不可见，为极易垮落的软弱岩层，岩性一般为泥质页岩、炭质页岩。
　　②直接顶：位于伪顶上方，一般由一层或几层性质近似的岩层组成，通常由具有一定稳定性且易于随煤炭开采工作的推进而垮落的岩层组成，厚度一般为几米，岩性多为页岩、砂质页岩。
　　③老顶：位于直接顶上方，为厚而坚硬的岩层，岩性上通常为砂岩、石灰岩等坚硬岩石，该类岩石可悬空较大长度。
　　(2) 底板中。
　　①伪底：直接位于煤层之下的薄软岩层，岩性多为炭质页岩或泥岩，一般厚度为0.2～0.3m。并非全部的煤层都具有伪底结构，常见为缺失状态。
　　②直接底：直接底是位于煤层伪底之下的硬度较低的岩层，厚度一般在几十厘米到1m，岩性常见为泥岩、页岩或黏土岩。当直接底为黏土岩时，遇水易于膨胀，这通常是导致煤矿底鼓现象的重要原因之一。
　　③老底：位于直接底之下，岩性通常为比较坚硬的岩层，常见的如砂岩、石灰岩等。
　　煤层与顶底板的接触关系可分为三类，即明显接触、过渡接触和冲刷接触。当表现为明显接触时，表明煤层沉积环境变化比较迅速；过渡接触则表明煤层沉积环境变化比较平和；冲刷接触表明煤层沉积环境变化非常急剧。
　　4) 煤的内部结构
　　煤是一种各向异性的非均质似多孔介质材料，其内含有丰富的孔隙、裂隙结构，如图1.3所示。
　　图1.3 煤的内部微结构
　　煤体内的微结构中，几何尺度较大且之间相互连通的微结构，一般称为裂隙；而把几何尺寸相对较小且彼此不连通的微结构，称为孔隙。根据煤体内微结构的几何尺寸大小，可将其进行如下分类，如表1.1所示。
　　由于煤中含有大量的孔隙、裂隙微结构，故其内含有大量的内表面积。根据微结构的分类，各尺度微结构各自所占煤内表面积的比例如表1.2所示。
　　虽然如上述，但煤体内的微结构还受到诸多因素的影响，如煤化程度、地质破坏程度、地应力性质及地应力大小等。其中，煤化程度是从煤的形成阶段对煤的内部结构产生的影响，从长焰煤开始，随着煤化程度的提高，煤体内的总微结构体积呈逐渐减小趋势，到焦煤、瘦煤时*小，而后又开始增加，直至无烟煤时达到**值；煤体的微结构中，大孔的形成取决于地质构造对煤的破坏作用，故煤的破坏越严重，其大尺度裂隙结构所占煤体比例越高；而地应力性质方面，压性地应力将利于煤内微结构的闭合，压性地应力越大，煤内微孔隙中将会有越多的微结构参与到闭合过程中；张性地应力则有利于微结构的张开，张性地应力越大，则会有越多的微结构参与到张开过程中。
　　表1.1 微结构分类
　　表1.2 微结构占煤内表面积之比
　　1.2 煤层瓦斯
　　1)煤层瓦斯
　　煤层瓦斯是伴随于成煤过程中形成的，是一种可燃性的气体，其主要成分为甲烷，即CH4。煤层瓦斯有广义瓦斯和狭义瓦斯之分，广义瓦斯指的是井下有毒有害气体的总称，一般包括：赋存于煤层和围岩内并能涌入到采掘空间的矿井气体，煤炭采掘过程中生成的气体，井下空气与煤岩、物料等发生物理化学作用后生成的气体和煤内含有的放射性物质衰变、蜕变生成的气体。具体包括以下主要气体：甲烷及其同系物烷烃、环烷烃、芳香烃、氢气、一氧化碳、二氧化碳、硫化氢、氨气、一氧化氮、二氧化硫等。狭义瓦斯则主要指甲烷气体，即CH4。它是一种无色、无味、无嗅、可燃或可爆的气体，虽然其无毒，但大量吸入时可因窒息效应导致人员伤亡；甲烷密度是0.716kg/cm3，小于空气密度；甲烷气体微溶于水，在标准状况下，100L水可溶3.31L甲烷。