瓦斯水合物形成控制因素探讨.doc

瓦斯水合物形成控制因素探讨 吴强 李成林 江传力 黑龙江科技学院资源与环境工程学院 摘要：瓦斯水合物是瓦斯和水分子组成的固体结晶物质,是水和以甲烷等为主的有机气体构成的。瓦斯水合物的形成和存在有其严格的温度压力条件，并受多种因素控制。该文利用国内外已有资料和初步实验结果，探讨在煤层中瓦斯水合物的形成模式,并通过分析指出了瓦斯水合物存在的控制因素，希望它能对实现利用瓦斯水合作用防治瓦斯事故提供一些有益的线索。 关键词：控制因素；形成模式；瓦斯；水合物 1．引言 1.1 气体水合物及其基本性质 气体水合物是分子量较小的气体或挥发性液体在一定条件下与水相互作用形成的类似冰的笼型晶体化合物。在自然界发现的最常见的气体水合物是天然气水合物，主要是由甲烷和水在较低温度和较高压力下形成的，一个饱和的甲烷水合物分子内，甲烷和水的克分子的比值是1:6，而在标准压力条件下它们的体积比是164:1。 1.2 瓦斯水合物防止煤与瓦斯突出机理[1] 瓦斯爆炸和煤与瓦斯突出对煤矿安全生产构成严重威胁，广大煤炭科技工作者一直在努力寻求简便易行、高效可靠的防治瓦斯灾害的方法。 大部分瓦斯事故都是由于揭煤或落煤时大量瓦斯瞬间涌出造成的，因此，延缓揭煤或落煤时瓦斯的集中涌出是防止此类事故的有效途径.甲烷水合物具有高密度吸收和固定甲烷等小分子气体和在分解时需要吸收热量的特性。采用中高压注水和向水中添加有利于水合物形成的表面活性剂的方法，使煤层中的瓦斯以水合物形态存在。当采掘工作揭露煤层时，水合状态的甲烷分解需要吸收大量的热量，破煤时这些水合物在瞬间难以融化分解而形成瓦斯风暴，就可避免煤与瓦斯突出事故的发生。 因此，研究甲烷水合物在煤层中形成机理和融化分解的影响因素，使气体水合技术实现工业化应用，将对煤矿安全生产具有重要意义。 2．瓦斯水合物形成条件 瓦斯水合物的形成需要一定的条件，一般说来必需满足特点的物质条件和理化条件。物质条件包括含有甲烷的瓦斯、能富集水合物的储存空间、能封闭气水合物的盖层；理化条件包括水合物形成必需的温度和压力条件。 2.1 瓦斯来源 在煤层中形成水合物所需瓦斯来源于煤层本身和围岩及煤系地层。煤岩中既有在沉积成煤过程 中形成的原生孔隙，又有成煤后受构造破坏所形成的次生孔隙，其孔隙类型和连通程度变化很大，它们互相组合形成裂隙性多孔隙介质，为瓦斯的储存和运移提供了空间和通道。当温度和压力条件适合形成瓦斯水合物时，随着瓦斯水合物的形成瓦斯被浓缩导致该处的瓦斯压力下降，周围区域的瓦斯在压力梯度的驱动下将向瓦斯水合物形成区域运移，而且煤与瓦斯突出煤层的瓦斯含量高和瓦斯压力梯度大，因此形成水合物有充足的气源供应。另外，Buffett等人的研究表明[2]，在天然多孔 介质中的溶解气体形成水合物要比在气—液两相环境中容易，在多孔介质中溶解气体含量比水合物在游离气中形成时所达到的气体峰值含量低40%的情况下，仍然能够在水溶液中形成水合物。 2.2 煤层孔隙结构 煤和岩石是具有不同直径的孔隙和不同宽度的裂隙、微裂隙的多孔介质。孔隙率由原生结构形 ------国家自然科学基金项目资助----- 态和后期构造破坏程度决定，一般受构造破坏程度影响变化较大，张井等人通过压汞试验和扫描电镜观察对淮北矿区8号煤层的研究结果[3] (见表1)充分证明了这一点。国内外瓦斯研究资料证实，82%以上的煤与瓦斯突出发生在地质异常区，这类地区煤层受构造破坏在煤层中形成大量节理和微裂隙，增大了煤岩的孔隙性和相互间连通性。因此，研究这类煤层的孔隙变化及微结构，对瓦斯水合物在煤层中是否有足够的形成和储存空间具有特定意义。 表1 淮北矿区8号煤层孔隙特征 指标 孔隙总体积 孔隙率 各类孔所占空隙总体积百分率 大孔 中孔 过渡孔 微孔 单位 M3/g % % 原生结构煤 0.0413 6.35 46.73 7.75 30.02 15.50 构造破坏程度居中 0.0671 8.42 56.78 8.94 23.25 11.03 构造破坏程度严重 0.0719 9.11 38.53 26.01 26.15 9.32 （注：大孔：喉道宽度＞μm；中孔：喉道宽度0.1~1.0μm；过渡孔：喉道宽度0. 1~0.01μm；微孔：喉道宽度＜μm。 需要指出的是，在20℃左右的温度条件下，必须采用高压注水来提供煤层中瓦斯形成水合物所需的压力。这就意味着瓦斯水合物只能在高压水到达的孔隙和裂隙中形成，秦文贵等人对南桐等5个矿煤样的研究[4]表明，当水压为5～8MPa时，在煤层注水时水能够向煤体中渗透并储存的最小孔隙直径为0.07～0.22μｍ,平均为0.14μｍ。以鄂尔多斯煤田为例，根据胡宝林等人对部分煤层煤样压汞实验研究结果[5]（见表2），煤体孔