煤炭是甲烷的原材料吗

瓦斯是矿井中主要由煤层气构成的以甲烷为主的有害气体。有时单独指甲烷(沼气)。它是在煤的生成和煤的变质过程中伴生的气体。在成煤的过程中生成的瓦斯是古代植物在堆积成煤的初期，纤维素和有机质经厌氧菌的作用分解而成。另外，在高温、高压的环境中，在成煤的同时，由于物理和化学作用，继续生成瓦斯。

瓦斯是无色、无味、无臭的气体，但有时可以闻到类似苹果的香味，这是由于芳香族的碳氢气体同瓦斯同时涌出的缘故。瓦斯对空气的相对密度是0.554，在标准状态下瓦斯的密度为0.716kg，所以，它常积聚在巷道的上部及高顶处。瓦斯的渗透能力是空气的1.6倍，难溶于水，不助燃也不能维持呼吸，达到一定浓度时，能使人因缺氧而窒息，并能发生燃烧或爆炸。瓦斯的燃烧、爆炸性是矿井主要灾害之一。

瓦斯在煤体或围岩中是以游离状态和吸着状态存在的。

游离状态也称为自由状态，这种瓦斯以自由气体状态存在于煤体或围岩的裂缝、孔隙之中，其量的大小主要决定于贮存空间的体积、压力和温度。

吸着状态又称结合状态，其特点是瓦斯与煤或某些岩石结合成一体，不再以自由气态形式存在。按其结合形式不同又可分为吸附及吸收两种。吸附状态是由于固体粒子与气体分子之间分子吸引力的作用，使气体分子在固体粒子表面上紧密附着一个薄层；吸收状态是气体分子已进入煤分子团的内部。

几种状态的瓦斯处于不断变化的动平衡之中，在一定条件下会互相转化。当压力、温度变化时，游离瓦斯转化为吸着瓦斯称为吸附，吸附瓦斯转化为游离瓦斯称解吸

2.5.2.1 煤变质程度对煤的吸附能力的主控作用

图2.28 华北地区平衡水煤样兰氏体积与煤级之间的指数拟合关系

煤的变质程度对煤的吸附性能具有重要的控制作用。通过对实测的镜质组反射率Ro与兰氏体积V1进行拟合后发现，两者呈显著的S型曲线拟合关系：V＝e238/R。

由此可见，对于华北地区中高煤级的煤岩样品，随着煤岩镜质组反射率的增大，煤的吸附能力呈多项式形式增强，其中在Ro<1.1％时增长迅速，之后增长逐渐变缓（图2.28），这与前人的研究结果基本一致。煤吸附能力随煤级的这种变化规律说明煤级对煤的吸附能力起着主要的控制作用。究其主要原因，随煤级增高煤中孔隙结构发生规律性变化，其中大孔逐渐闭合，而小孔和微孔逐渐增加，大量的小孔和微孔为甲烷气体提供了更多的吸附空间，提高了煤的吸附能力。

2.5.2.2 煤岩有机显微组分的影响

煤的物质组成包括有机显微组分和矿物质，对煤的吸附能力有重要影响。煤的有机显微组分包括镜质组、惰质组和壳质组三种。镜质组是植物木质纤维素在还原条件下经凝胶化作用而形成的胶状物质。惰质组是丝碳化作用的产物。壳质组来源于植物的皮壳组织和分泌物，以及与这些物质相关的次生物质，即孢子、角质和树皮等。普遍认为，壳质组吸附能力最低，而镜质组和惰质组的吸附能力较强。关于镜质组和惰质组两者吸附能力的比较及两者对吸附能力的影响，不同的学者持有不同的观点。煤显微组分对吸附能力的影响较复杂，必须考虑煤级，煤中水分、灰分等，有时还需要考虑沉积背景或煤相的影响。

由华北地区煤显微组分与吸附能力关系来看，煤的吸附能力与煤中镜质组和惰质组含量总和呈显著的正相关关系，即随两者组分含量的增加，煤的吸附能力逐渐增强（图2.29a）。研究发现，两者中镜质组对吸附能力的影响较小，而惰质组含量对煤吸附能力的影响要同时考虑煤级。由于煤级对煤的吸附能力影响较大，而煤显微组分又随煤级的变化而变化，必须排除煤级对两者关系的干扰，为此这里做了两者随煤级变化的折线图（图2.29b）。由图中可知，随煤级的增高，煤中惰质组含量呈现阶段性变化特点，在Ro小于2.05％时，煤的吸附能力随煤的惰质组含量变化不明显，但之后，煤吸附能力随惰质组含量的增高而增强的规律非常明显，即两者总是分别同时取得高值和低值，说明煤中惰质组在低、中煤级阶段对煤的吸附能力的影响较小，而在无烟煤早期阶段有较大的影响。这可能与煤吸附甲烷的性能有关，甲烷总是先吸附在孔径较小的孔隙中，在低煤级阶段，镜质组中微孔的增加是吸附量增加的主要原因，而到无烟煤早期阶段，大量发育的惰质组中的孔隙则成为主要的吸附空间。因此在高煤级阶段，煤的吸附能力与惰质组含量呈现正相关关系。

图2.29 “镜质组＋惰质组”含量（a）、惰质组含量（b）与煤的兰氏体积的关系

2.5.2.3 煤中碳、氢组分含量的影响

煤中碳、氢组分含量与吸附能力具有很好的相关关系。碳含量与兰氏体积的关系图表明，煤的吸附能力随碳含量的增加而相应的增强（图2.30a），随氢含量的增加而减少。由碳含量和兰氏体积的关系图（图2.30b）可知，随着煤级的变化碳组分含量出现了高低波动，在煤级相近区间内，煤中碳元素含量的变化与兰氏体积的变化呈显著的正相关关系。这种规律说明煤中碳、氢含量本身也会对煤的吸附产生影响，但影响程度较煤级的影响要小。

图2.30 煤中碳组分含量与兰氏体积的关系

2.5.2.4 煤中水分的影响

水是煤中的重要组分，对煤的吸附性能有重要影响。煤中水分含量与煤级和煤的结构有关。研究区煤的水分含量主要分布在1％～4％之间，在Ro小于1.1％时，煤中水分含量随煤级的增高而迅速下降，在肥煤附近（Ro值近似为1.1％）达到最小值（小于1％），之后随煤级的增高煤的水分逐渐增加，最高可达4％（图2.31a）。

由水分和兰氏体积随煤级变化的折线图（图2.31b）可知，在煤级相近区间内，水分含量的高值都会伴随着兰氏体积的低值，反之亦然。说明煤中水分的存在降低了煤的吸附性能，这种规律在肥煤阶段（Ro近似为1.1％）后更加明显，这种规律正好与煤的水分随煤级变化的规律一致。在Ro小于1.1％时，水分的影响表现不明显，主要原因是之前煤中水分以游离水为主，而且水分含量是随煤级逐渐减小的，同时煤级对煤吸附能力的影响又起了主要作用。而在Ro大于1.1％之后，煤中结构水分含量逐渐增加，煤吸附能力随煤级增高而缓慢增加（图2.31a），因此煤中结构水分的存在开始发挥作用。煤中结构水分对吸附能力产生负面影响的主要原因是结构水分充填煤的吸附空间，必定占据一定的表面积，致使甲烷的吸附量减少。

图2.31 华北地区煤中水分含量与煤级的关系（a）和兰氏体积随煤级的变化关系（b）

图2.32 煤中灰分含量与兰氏体积的关系

2.5.2.5煤中灰分的影响

煤中灰分含量与兰氏体积的关系，如图2.32所示。煤的兰氏体积随着灰分含量的减少而逐渐增高。究其原因，一种认为，气体主要存储在微孔中，灰分的存在堵塞了部分微孔，导致煤比表面积减少，从而降低了煤的吸附性能（张群和杨锡禄，1999）；另一种认为煤中的灰分的存在降低了煤中吸附甲烷气体的有机物质，对吸附的甲烷浓度起到了稀释冲淡的作用，从而降低了煤的吸附性能（Laxmmiarayana et al.，1999）。但总的来看，煤中灰分的存在降低了煤的吸附性能。

从对华北地区中高变质煤区煤的吸附特征分析来看，影响煤储层吸附能力的主要因素有煤变质程度、煤岩组分、煤中元素组分等，其中煤变质程度对煤的吸附能力起控制作用。当然，影响煤的吸附能力还可能有一些其他因素，如煤的微孔结构特征等。关于这部分内容将在本章后文中进行详述。

分子结构图[1]

正四面体结构，四个键的键长相同键角相等。在标准状态下甲烷是一无色无味气体。一些有机物在缺氧情况下分解时所产生的沼气其实就是甲烷。从理论上说，甲烷的键线式可以表示为一个点“·”，但实际并没有看到过有这种用法，可能原因是“·”号同时可以表示电子。所以在中学阶段把甲烷视为没有键线式。

甲烷主要是作为燃料，如天然气和煤气，广泛应用于民用和工业中。作为化工原料，可以用来生产乙炔 、氢气、合成氨、碳黑、硝氯基甲烷、二硫化碳、一氯甲烷、二氯甲烷、三氯甲烷、四氯化碳和氢氰酸等。