煤层中为什么会有大量的瓦斯

众所周知，煤层中含有大量的瓦斯。经过科研人员实测，瓦斯含量小的煤层一般每吨煤中含有几立方米的瓦斯，瓦斯含量大的煤层每吨煤含有十几立方米的瓦斯，甚至有的矿区煤层瓦斯含量能够达到吨煤三十立方米。煤作为一种固体材料，为什么会含有如此多的瓦斯气体呢？

煤层中的瓦斯是伴随着煤的形成过程产生的，主要来源于成煤物质，通常认为是成煤过程中古植物的分解和转化。煤的形成一般经过如下过程：一是在地表常温、常压下，由堆积在水体中的植物遗体经过腐烂沉积转变成腐泥或泥炭；然后腐泥在长期的埋藏后沉至地下深部，在高温高压的环境下转变成褐煤，当温度和压力逐渐增高，经变质作用转变成烟煤至无烟煤。在成煤过程中，低等植物形成了腐泥煤，高等植物形成了腐殖煤。

瓦斯的生成主要分为两个阶段，在形成腐泥的过程中，堆积在水体中的植物体在腐烂时，植物中的纤维素和有机物质在温度达到650℃时，经过厌氧微生物的分解，产生了大量的瓦斯气体，此阶段称为生物化学成气，对比煤层瓦斯含量，生物化学成气阶段产生的瓦斯气体较少。

煤中大量瓦斯的生成主要来自于煤的煤化变质作用时期。随着温度和压力的升高，泥炭逐渐转化为褐煤、烟煤和无烟煤的过程中，煤的挥发分含量逐渐降低，而固定碳含量逐渐增加。同时，煤中的有机物质在高温高压下发生热解和裂解反应，产生了大量的甲烷和其他烃类气体。

在煤的形成的过程中能够产生多少瓦斯呢？原苏联学者卡兹洛夫的研究成果表明，成煤过程中的生成瓦斯量远大于目前煤层中的瓦斯含量，甚至是目前煤层瓦斯含量的几十倍。表1 是不同变质程度的煤成煤过程中的瓦斯生成量，其中“视煤气生成率”是指从褐煤变质到该煤种生成的瓦斯量。

在生产过程中实测的煤层瓦斯含量一般不超过每吨煤三十立方米，但表1 中成煤过程中的瓦斯生成量为每吨煤几百立方米，那么这些瓦斯除了较少的部分仍然保留在煤层中外，大部分瓦斯到哪里去了呢？成煤过程中产生的瓦斯其去处主要包括以下几个方面：①存留在煤层中成为煤层瓦斯或煤层气（煤层甲烷）；②扩散到煤层附近的围岩之中；③溶解于地下水运移出去；④逸出地表，散入大气；⑤运移出去的天然气聚集在其他储集层中形成气藏。

根据成煤过程中瓦斯的产生量及煤层瓦斯去留情况，不仅是煤层中含有大量的瓦斯，顶底板岩层中也含有一定的瓦斯。在井下实际开采过程中，岩石巷道掘进中有一定浓度的瓦斯涌出，《矿井瓦斯涌出量预测方法》（AQ1018-2006）中，岩层中的瓦斯涌出量按煤层瓦斯涌出量的10%进行计算，可见煤层顶底板也含有一定的瓦斯。

依据煤层瓦斯的形成过程进行判断，高变质程度的煤生成的瓦斯较多，低变质程度的煤生成的瓦斯较少，那么在矿井的实际生产过程中，是否是无烟煤等高变质程度的煤，煤层中瓦斯含量就多呢？是否是褐煤、长焰煤等低变质程度的煤，煤层中瓦斯含量就少呢？答案是否定的。煤层中瓦斯含量的多少，不仅要看成煤过程中生成瓦斯量的多少，还要看煤层保存瓦斯的能力。

煤层保存瓦斯能力需要从内部条件和外部条件两个方面进行分析。内部条件是指煤对瓦斯的吸附能力；外部条件是指瓦斯从煤层中向外释放的难易程度。煤之所以能够吸附瓦斯，是因为煤是多孔介质，煤中含有大量的孔隙。瓦斯分子紧密地排列在煤的微孔表面，由于煤中的微孔非常发育，因此煤便能吸附大量的瓦斯，煤对瓦斯吸附能力主要体现在煤中的微孔隙发育程度。

瓦斯从煤层中向外释放的难易程度，其影响因素较多。煤层埋藏深度、围岩的透气性、地质构造等因素都有较大的影响。煤层埋藏深度越高，上覆岩层越厚，瓦斯从煤层中向地表的逸散难度就越大，煤层瓦斯含量就越高。我们国家目前很多煤矿开采深度都超过了600 米，高采深矿井的典型特征就是“高瓦斯”。

围岩的透气性就是指煤层上覆岩层的岩性，也就是岩石的“密实程度”。如果上覆岩层本身硬度不高、容易破碎，那么岩层的透气性就比较好，煤层中的瓦斯就容易释放出去，煤层瓦斯就会比较低；如果上覆岩层硬度较高，比较致密，不容易破碎，则透气性较差，煤层瓦斯不容易释放出去，煤层瓦斯含量就会比较高。比如，煤层顶板为厚度十米的粉砂岩，煤层瓦斯扩散释放就会比较困难，如果是砾岩，则相对瓦斯释放就比较容易，煤层瓦斯含量就会降低。

地质构造也是影响煤层瓦斯含量的主要因素。封闭性地质构造会使煤层及顶底板受到挤压应力的作用，使煤层的透气性降低，则煤层瓦斯不容易得到释放，煤层瓦斯含量会增高，如较大的褶曲构造的轴部区域，煤层的扭转区域等；开放性构造会使煤层受到拉应力的作用，使煤层透气性升高，则煤层瓦斯容易得到释放，如一些背斜构造上部表面区域，煤层裂隙比较发育，瓦斯含量就会较低。

煤层露头的存在也是影响煤层瓦斯含量的重要因素，存在煤层露头的矿井，往往煤层露头区域瓦斯较小，瓦斯会沿着煤层露头方向逸散到地表。2010 年以前，我国的小煤矿很多，有一大部分煤矿开采的就是浅部的露头煤，煤层瓦斯含量小，开采难度较低；随着开采深度的加大，煤层瓦斯含量增高，开采难度增大，一些小的煤矿逐渐被关闭了。

此外，煤层倾角、水文地质条件等等也对煤层的瓦斯含量有较大的影响。这里就不再赘述了。

（责任编辑：韩瑜）