煤层气的赋存状态

煤层中气体的赋存状态有游离状态和吸附状态两种形式，以这两种状态存在的甲烷分别称为游离甲烷和吸附甲烷。

表6.1 韩城矿区可采煤层自然瓦斯成分含量统计表　（单位：%）

①采用燎原、下峪口井田资料。

表6.2 韩城矿区桑树坪井田煤层瓦斯重烃（C₂～C₈）含量表

6.2.1 游离甲烷

指甲烷分子以自然气体状态充满于煤的孔隙和裂隙中。这部分气体服从一般气体方程，其数量取决于煤的孔隙体积、温度、气体压力和甲烷压缩系数，即

Q_y＝10.2φ·p·k（6.1）

式中：φ为煤的孔隙体积，cm³/g；p为气体压力，MPa；k为甲烷压缩系数，（kg/cm²）^－1。

6.2.2 吸附甲烷

指甲烷分子和煤固体颗粒之间由于范德华引力作用，甲烷分子被吸附在煤体的微孔隙或超微孔隙表面上，形成一层甲烷薄膜。煤对甲烷吸附数量取决于煤质特征、气体的压力、温度等因素。在等温吸附条件下，吸附量大小满足朗格缪尔方程，即

韩城矿区煤层气地质条件及赋存规律

式中：Q_x为吸附量，cm³/g；p为气体压力，MPa；a、b为取决于煤质特征的吸附常数。

一般说来，煤化作用过程中生成的甲烷气，首先满足吸附，然后再游离析出。在一定的温度和压力条件下，这两种状态的甲烷气处于统一的动态平衡体系中，但是这两种状态甲烷气在煤层中所占的比例及对煤层甲烷总含量的影响程度却相差很大。根据前述理论公式，我们以本区下峪口井田为例，对各煤层中吸附与游离甲烷含量及其在总含量中所占的比例进行了计算。计算参数均来自实验室实测数据（表6.3），气体压力按3^＃煤层瓦斯压力与煤层埋深之间具有的线性关系p＝0.0954＋0.00237H计算（H为煤层埋深），地温梯度取1.83℃/100m，恒温带温度取15℃，恒温带深度以38m计（资料均来自下峪口井田钻孔实测平均值），计算结果见表6.4。从中看出，在不同深度的各煤层中，吸附状态甲烷均是煤中甲烷的主要部分，在埋深2000m以浅区，吸附甲烷所占比例在78.20%～96.90%之间变化，而且随着深度的增加，吸附甲烷的绝对含量和比例均有下降。在现井田深部边界对应的煤层最大埋深（大约800m）范围内，吸附甲烷占煤层甲烷总含量的90%以上，游离甲烷含量所占比例不足10%，不同煤层之间由于孔隙发育程度不同，游离甲烷以3^＃煤层所占比例最高，2^＃煤层次之，11^＃煤层最低。

表6.3 下峪口井田可采煤层吸附实验数据

表6.4 不同深度煤层中吸附、游离甲烷含量的计算值　（单位：cm³/g）

注：表中各煤吸附、游离、合计栏第一行数字为甲烷量，第二行数字为第一行数字所占总量百分比；综合考虑到煤质、压力、温度、水分等因素对吸附量的影响，经过校正的吸附量公式为：

韩城矿区煤层气地质条件及赋存规律

式中：p为气体压力，MPa；a为实验温度下最大吸附量，（cm³/g，可燃物）；b为取决于实验温度及煤质的系数，（kg/cm²）^－1；t_s为实验温度，一般选择30℃；t为煤体温度，℃；w^f为煤样的分析基水分，%；e为自然对数；