[农学]煤矿瓦斯防治技术.ppt

煤矿瓦斯防治技术,煤矿瓦斯防治技术,第一部分 煤炭工业不是夕阳工业,第三部分 瓦斯突出防治技术,第二部分 瓦斯性质、危害与用途,第四部分 瓦斯抽放与超限治理技术,在远大公司所登的广告中还有一个画面，在21世纪用煤发电上打了“X”，就是说21世纪不再用煤发电了。 但实际上将来几十年内，煤炭仍然是我国能源的主力，要占50%以上。,第一部分 煤炭工业不是夕阳工业,第一部分 煤炭工业不是夕阳工业,第一部分 煤炭工业不是夕阳工业,第一部分 煤炭工业不是夕阳工业,第一部分 煤炭工业不是夕阳工业,第一部分 煤炭工业不是夕阳工业,第一部分 煤炭工业不是夕阳工业,第一部分 煤炭工业不是夕阳工业,中国煤炭需求预测,第一部分 煤炭工业不是夕阳工业,第一部分 煤炭工业不是夕阳工业,江泽民总书记96年视察煤科总院谈能源战略： 中国是一个富煤缺油的国家，煤炭在能源工 业中有不可替代的作用 煤炭工业发展要依靠科技进步和科技创新,第一部分 煤炭工业不是夕阳工业,第一部分 煤炭工业不是夕阳工业,第二部分 瓦斯的性质、危害与用途,（1）污染环境，加剧大气“温室效应” （2）可造成瓦斯窒息事故 瓦斯浓度43%时，呼吸短促 瓦斯浓度达57%时，即刻昏迷 （3）可酿成瓦斯燃烧事故 瓦斯浓度低于5%或15% （4）引起瓦斯爆炸事故 瓦斯浓度在515% （5）产生煤与瓦斯突出事故,2003年全国煤矿百万吨死亡率4.170人，同比减少0.83人。国有重点煤矿为1.080，同比减少0.17；国有地方煤矿为3.130，同比减少0.7；乡镇煤矿为9.620，同比减少 2.5。 发生一次死亡30人以上特别重大事故7起，共死亡360人； 发生一次死亡1029人特大事故44起，死亡701人，同比减少3起、49人；,第二部分 瓦斯的性质、危害与用途,2001到2002年，我国百万吨死亡率在5.5-6.1 之间徘徊，比俄罗斯高11倍，比印度高15倍，比美国高166倍。,第二部分 瓦斯的性质、危害与用途, 2004年2月11日, 六盘水市钟山区汪家寨镇尹家地煤矿发生瓦斯爆炸事故，7人轻伤，25人死亡。 2004年2月23日06时10分，黑龙江省鸡西市梨树区鸡西煤业公司百兴煤矿发生特大瓦斯爆炸事故，37人死亡。 2004年3月1日23时20分, 山西晋中市介休市连福镇金山坡煤矿发生瓦斯爆炸事故，28人死亡。,第二部分 瓦斯的性质、危害与用途, 2004年3月12日, 贵州毕节地区毕节县杨家湾镇华祥煤矿发生瓦斯爆炸，14人死亡。 2004年3月29日, 湖南娄底市涟源市斗笠山煤业公司香花台井发生瓦斯爆炸事故，12人死亡。 2004年4月30日，山西临汾市隰县梁家河煤矿发生瓦斯爆炸事故，36人死亡。,第二部分 瓦斯的性质、危害与用途, 2004年5月13日，黑龙江省七台河（精煤）集团公司新兴煤矿发生瓦斯爆炸事故，12人遇难。 2004年5月18日，山西省吕梁地区交口县双池镇蔡家沟煤矿发生瓦斯爆炸事故，33人遇难。 2004年6月9日，贵州省六盘水市永六煤矿发生瓦斯爆炸事故，10人遇难。 2004年6月15日，陕西省黄陵矿业公司一号煤矿发生瓦斯爆炸，22人遇难。,第二部分 瓦斯的性质、危害与用途,第二部分 瓦斯的性质、危害与用途, 2004年6月27日，贵州省普定县化处镇普华煤矿发生瓦斯突出，造成9人死亡。 2004年7月14日，贵州省遵义市桐梓县茅龙煤矿发生瓦斯爆炸事故，19人遇难。 2004年7月26日，湖南省娄底市银广石煤矿发生瓦斯突出事故，16人死亡。 2004年9月4日， 贵州毕节地区金沙县城关镇安得胜煤矿发生瓦斯爆炸，11人死亡。,作城镇煤气 作锅炉和窑炉的燃料 瓦斯发电 作机动车的燃料 作化工原料生产化工产品,第二部分 瓦斯的性质、危害与用途,第二部分 瓦斯的性质、危害与用途,第二部分 瓦斯的性质、危害与用途,第二部分 瓦斯的性质、危害与用途,一、瓦斯的成分及性质 在煤矿里，瓦斯系指从煤岩中放出的气体的统称，主要成分是以甲烷为主的烃类气体。 甲烷是无色、无味、无臭、可以燃烧和爆炸的气体，空气中浓度高时会使空气中氧气浓度降低，造成人员窒息。甲烷对空气的比重为0.554，甲烷的扩散速度是空气的1.344倍，能较快地散布于巷道空间。甲烷的化学性质不活泼，微溶于水(20，101.3kPa时，溶解度3.5L/100L水)。在煤矿井下它容易积存在巷道顶板空洞或无风的盲巷内。,化学式：CH4 分子量：16.042kg/kmol 密度：0.7168kg/m3 沸点：-161.7（0.1MPa下） 液态密度：415kg/m3 水中的溶解度：55.6 l/m3 发热量：8568大卡/m3,分子直径：0.4110-9m 分子体积：22.36m3/kmol 对空气的比重：0.5545 溶点： -182.5 扩散系数：0.196cm2/s 空气中的爆炸下限：5% 空气中的爆炸上限：16%,第二部分 瓦斯的性质、危害与用途,第二部分 瓦斯的性质、危害与用途,二、瓦斯的成因 煤矿井下的瓦斯来自煤层和煤系地层，它主要是腐植型有机物质在成煤过程中生成的。有机物质沉积以后，一般经历两个不同的造气时期，从植物遗体到形成泥炭，属于生物化学造气时期；从泥炭、褐煤直到无烟煤属于煤化变质作用造气时期。,第二部分 瓦斯的性质、危害与用途,生物化学作用时期瓦斯的生成 古代植物的遗体掉落在泥土上，逐渐沉积，形成泥炭。在沼泽、三角洲等环境下，泥炭阶段的腐植体，处于不超过50的温度条件下，经厌氧微生物作用，发酵分解成一些甲烷和二氧化碳。,第二部分 瓦斯的性质、危害与用途,煤化变质作用时期瓦斯的生成 泥炭、褐煤层进一步沉降，压力与温度的影响随之加剧，煤化变质作用增强。一般认为温度在50220和相应的压力下煤层处于烟煤无烟煤的热力变质造气时期。在这一时期，煤的变质程度越高，其生成的甲烷量也就越多。,第二部分 瓦斯的性质、危害与用途,三、 煤层瓦斯的赋存 煤层经过漫长地质年代煤化过程生成的瓦斯，在其压力与浓度差的驱动下进行运移，其中大部分脱离产气煤层排放到古大气中；在运移途中遇到良好的封闭和贮存条件时，会聚集起来形成天然气藏。留存在现今煤层中的瓦斯，仅是其中的一小部分(占324%)。煤层保存瓦斯量的多少，主要取决于封闭条件：如煤层埋藏深度、煤层及围岩的透气性、地质构造等；与贮存条件：如煤的吸附性能、孔隙率、含水程度、温度与压力等。,第二部分 瓦斯的性质、危害与用途,1、煤层垂向瓦斯带的划分 当煤层具有露头时，由于煤层内的瓦斯向地表运移和地面空气向煤层深部渗透、扩散的结果，沿煤层的垂向一般会出现四个分带：即“CO2N2”、“N2” 、“N2CH4”和“CH4”带。各带的气体成分组成及其含量见图22。“CO2N2”，“N2”和“N2CH4”三带统称为瓦斯风化带。我国一些矿井的瓦斯风化带深度在60m200m。在甲烷带内，CH4的浓度超过80%，煤层中的甲烷含量随深度的增加而有规律的增长，但是增长的梯度因地质条件而定。,第二部分 瓦斯的性质、危害与用途,甲烷带的上边界(风化带的下边界)可按以下的条件确定： 瓦斯压力p100kPa(表压)； 瓦斯组分CH480%(体积百分数)； 瓦斯含量(x)(煤芯中的甲烷含量)：1.57.0m3/t可燃物(视煤种不同) 相对瓦斯涌出量q23m3/t煤。,第二部分 瓦斯的性质、危害与用途,1. 瓦斯在煤体内存在的状态 瓦斯在煤体内呈两种状态：在煤内小孔以上包括裂隙空间内的瓦斯主要呈自由状态，称为游离瓦斯，由于瓦斯分子的热运动，它显示出一定的压力，这种状态的瓦斯服从气体状态方程。另一种称为吸附瓦斯，它主要吸附在煤的微孔表面上和在煤的微粒内部，占据着煤分子结构的空位或煤分子之间的空间。,第二部分 瓦斯的性质、危害与用途,四、瓦斯含量及测定方法 煤层瓦斯含量是指煤层内单位重量或单位体积的煤在自然条件下所含的瓦斯量(标准状况下的m3数)。它的单位是m3/t煤或m3/m3煤。 1、直接测定方法（地勘解吸法、井下钻屑解吸法、气测井法） 2、间接测定法,什么是煤与瓦斯突出？ 煤与瓦斯突出是煤层开采过程中严重的自然灾害之一，是煤矿井下发生的一种复杂的有煤、岩和瓦斯参与的动力现象。 煤与瓦斯突出发生时，能在几秒至几十秒的时间内将几吨到上万吨的煤和几百立方米到几百万立方米的瓦斯抛射到采掘空间。,第三部分 瓦斯突出防治技术,第三部分 瓦斯突出防治技术,突出事例一： 1975年8月8日 天府矿务局三汇坝井+280米水平（垂深500米）主平硐揭K1煤层时，突出煤(岩)量12700吨，喷出瓦斯量140万立方米。这是我国所发生的最大的一次煤与瓦斯突出事例，也是世界上第二大突出事例。,突出事例二: 1999年12月26日沈阳矿务局红菱矿石门揭煤时发生特大型煤与瓦斯突出，突出煤量2000吨，瓦斯逆流2000多米，死亡28人。,第三部分 瓦斯突出防治技术,第三部分 瓦斯突出防治技术,煤与瓦斯突出的危害: 危及井下作业人员的安全 破坏矿井正常的生产秩序 破坏井下设备和建筑物，如摧毁支架、推倒矿车、破坏通风设施 诱发其它灾害事故，如瓦斯煤尘爆炸、瓦斯燃烧 严重影响矿井经济效益,第三部分 瓦斯突出防治技术,我国是什么时候开始突出的？到现在共发生多少次突出了？ 我国最早有记载的煤与瓦斯突出突出事例是1950年5月1日辽源矿务局富国二井在垂深280米煤巷掘进时发生的，截止到2000年底，我国已累计发生突出18000余次，占世界各国总突出次数的40%以上，已成为世界上煤与瓦斯突出灾害最为严重的国家。,第三部分 瓦斯突出防治技术,我国有800多个突出矿井，其中国有重点煤矿130个，地方煤矿300多个，乡镇煤矿400多个，各个采煤省份几乎都有突出矿井。严重突出矿区有北票、六枝、南桐、天府、芙蓉、松藻、英岗岭、涟邵、白沙、焦作、鸡西、阜新、沈阳等，一般突出矿区有平顶山、淮南、淮北、丰城、萍乡、阳泉、鹤壁等 。,突出矿井接近300个（国有矿107个） 突出次数近20000次 2002年有50个煤矿突出183次，掘进突出93次，回采突出74次； 2002年发生重大突出事故26起，特大突出事故12起，特别重大突出事故1起，死亡270人，占煤矿瓦斯灾害死亡人数15.85%。,第三部分 瓦斯突出防治技术,第三部分 瓦斯突出防治技术,煤与瓦斯突出分类 按突出强度分类，将煤与瓦斯突出分为5类： 小型突出（50t）; 中型突出（50，100t）; 次大型突出（100，500t）; 大型突出（500，1000t）; 特大型突出（1000t）。,第三部分 瓦斯突出防治技术,煤与瓦斯突出分类 按成因和特征，将煤与瓦斯突出分为三类： （1）煤与瓦斯突出（简称为突出） （2）煤与瓦斯压出（简称为压出） （3）煤与瓦斯倾出（简称为倾出）,第三部分 瓦斯突出防治技术,突出的基本特征 突出的煤抛出距离较远，具有明显的分选性； 抛出的煤堆积角小于煤的自然安息角； 抛出的煤破碎程度较高，含有大量的煤块和手捻无粒感的煤粉 有明显的动力效应，破坏支架、推倒矿车、破坏和抛出安装在巷道内的设施； 有大量的瓦斯涌出，瓦斯涌出量远远大于突出煤的瓦斯含量，有时会使风流逆转； 突出孔洞呈口小腔大的梨形、舌形、倒瓶形以及其它分岔形等。,第三部分 瓦斯突出防治技术,自然安息角: 松散矿岩自燃烧堆积时，其四周将形成倾斜的堆积坡面，我们把自然堆积坡面与水平面相交的最大角度，称为该矿岩的自然安息角。,第三部分 瓦斯突出防治技术,倾出的基本特征 倾出的煤就地按自然安息角堆积，并无分选现象； 倾出的孔洞呈孔大腔小，孔洞轴线压风自沿煤层倾斜或铅垂方向（厚煤层）发展； 无明显动力效应； 倾出常发生在煤质松软的急倾斜厚煤层中； 巷道瓦斯涌出量明显增大。,第三部分 瓦斯突出防治技术,压出的基本特征 压出有两种形式，即煤的整体位移和煤有一定距离的抛出，但位移和抛出的距离都较小； 压出后，在煤层与顶板之间的裂隙中，常留有细煤粉，整体位移的煤体上有大量的裂隙； 压出的煤呈块状，无分选显现； 巷道瓦斯（二氧化碳）涌出量增大； 压出可能无孔洞或呈口大小腔小的楔形孔洞。 压出时常伴随巷道底鼓。,第三部分 瓦斯突出防治技术,第三部分 瓦斯突出防治技术,煤与瓦斯机理- 综合假说 突出是地应力、煤中所含瓦斯和煤的物理力学性质三因素综合作用的结果。,第三部分 瓦斯突出防治技术,准备阶段。弹性变形潜能和瓦斯的积聚，工作面附近煤体处于临界应力状态，孔隙和裂隙增加，但尚未破坏与煤体的力的联系。 发动阶段。随着采掘工作的进行，使工作面附近的高应力煤层迅速破坏，伴随着裂隙的产生，煤的破碎，并导致瓦斯的剧烈解吸和煤的进一步破碎和粉化。 扩展阶段。弹性变形能和瓦斯能的共同作用下，使煤体更迅速和连续的破坏，并形成煤和瓦斯混合流抛出。 停止阶段。煤体破坏停止，瓦斯从突然出孔洞和突出物中的涌出逐逝减弱，瓦斯煤混合物沿巷道的移动停止。,第三部分 瓦斯突出防治技术,煤与瓦斯突出的一般规律 （1）煤层突出危险性随采深增加而增大 在浅部开采为高瓦斯甚至为低瓦斯的矿井，开采到深部后，由于煤层赋存条件的变化，煤层瓦斯压力增大，可能转变为突出矿井；一些在浅部开采突出危害较轻的突出矿井，开采到深部后，可能转变为严重突出矿井。矿井或煤层一般有一个始突深度，当大于该深度时，就有发生突出的危险。,第三部分 瓦斯突出防治技术,煤与瓦斯突出的一般规律 （2）绝大多数突出发生在煤巷掘进工作面 在统计的9845次突出中，煤巷掘进工作面突出7482次，占76%，石门揭煤工作面突出567次，占5.76%，回采工作面突出1556次，占15.8%。,第三部分 瓦斯突出防治技术,煤与瓦斯突出的一般规律 （3）煤层突出危险性随煤厚增加而加大 以南桐矿务局三号井为例： 5号煤厚0.70.8m，平均突出强度38吨/次，最大突出强度138吨/次； 6号煤厚11.5m，平均突出强度43吨/次，最大突出强度450吨/次； 4号层，煤厚2.53.2m，平均突出强度88吨/次，最大突出强度5000吨/次，该局所有特大型突出都发生在该煤层。,第三部分 瓦斯突出防治技术,煤与瓦斯突出的一般规律 （4）突出大多数发生在地质构造带 在3082次有地质构造情况详细记录的突出中，2525次突出地点有断层、褶曲、火成岩侵入、煤层厚度变化等地质构造，占81.9%；557次突出无地质构造，仅占18.1%。,第三部分 瓦斯突出防治技术,煤与瓦斯突出的一般规律 （5）大多数突出前有作业方式诱导 8480次突出事例统计表明，有8253次有放炮、支护、落煤、带钻等作业方式诱导了突出，占97.3%，其中放炮作业突出5481次，占64.6%，风镐落煤突出676次，占8%，手镐落煤突出1102次，占13%。,第三部分 瓦斯突出防治技术,煤与瓦斯突出的一般规律 （6）突出前大多有预兆 在我国统计的5029次有明确突出预兆记载的突出事例中，有4493次突出发生前有突出预兆，占89.3%，无突出预兆仅有536次，占10.7%。,第三部分 瓦斯突出防治技术,煤与瓦斯突出的一般规律 （7）煤体破坏程度越高，突出危险性越大 突出煤层多发生在为、类煤中，此类煤的共同特点是坚固性系数f值小、煤层瓦斯放散初速度P大、煤层透气性系数小、层理紊乱、多为遭受到地质构造揉皱的构造煤。,第三部分 瓦斯突出防治技术,煤与瓦斯突出的一般规律 （8）石门突出危险性最大 在统计的9845次突出中，尽管石门突出次数少，但突出强度大，平均突出强度为316.5吨/次，是平巷平均突出强度（50吨/次）的6倍以上。,第三部分 瓦斯突出防治技术,煤与瓦斯突出的一般规律 （9）煤层突出危险区常呈条带状分布 前苏联统计资料表明，在突出煤层中，突出危险区仅占突出煤层区域总面积的10%。 我国统计资料表明，突出煤层中，突出危险区仅占突出煤层区域总面积的 1015%。,第三部分 瓦斯突出防治技术,瓦斯突出的常见预兆 声响预兆-响煤炮 瓦斯预兆-瓦斯异常、喷孔 煤结构预兆-煤结构紊乱、煤体发暗、煤厚急剧变化 矿压显现预兆-片帮、煤墙外臌、底臌、顶（夹）钻 温度预兆-温度降低、煤墙发凉,第三部分 瓦斯突出防治技术,综合防突措施流程图,第三部分 瓦斯突出防治技术,瓦斯突出危险性预测 区域预测 工作面预测,第三部分 瓦斯突出防治技术,区域预测煤层 突出危险性的单项指标包括： 1.煤的破坏类型 2.瓦斯放散初速度指标 3.煤的坚固性系数 4.煤层瓦斯压力,区域预测方法-单项指标法,第三部分 瓦斯突出防治技术,D=（0.0075H/f-3）(P-0.74) K=P/f D煤层突出危险性综合指标； K煤的突出危险性综合指标； H开采深度，m； P煤层瓦斯压力，取两个测压孔 实测瓦斯压力最大值，MPa； P软分层煤的瓦斯放散初速 度指标； f软分层煤的平均坚固性系数。,区域预测方法-综合指标法,第三部分 瓦斯突出防治技术,瓦斯突出区域预测工作程序,确定目标,资料收集,参数测试,瓦斯压力,瓦斯含量,坚固性系数,瓦斯放散初速度,吸附常数,灰分、水分、孔隙率,预测结论,第三部分 瓦斯突出防治技术,需要收集的资料,矿井设计说明书,采掘工程平面图,井上下对照图,瓦斯含量（压力）历史测定资料,矿井地质报告,瓦斯动力现象历史资料,近三年来的矿井瓦斯等级鉴定资料,首分层回采工作面瓦斯涌出资料,第三部分 瓦斯突出防治技术,某矿煤与瓦斯突出区域预测结果,第三部分 瓦斯突出防治技术,工作面预测的常用仪表 MD-2型钻屑瓦斯解吸仪、ZLD-1型多级流量计、JN-1型胶囊封孔器是工作面突出危险性预测最常见的三种仪表。,第三部分 瓦斯突出防治技术,MD-2型钻屑瓦斯解吸仪,ZLD-1型多级流量计,第三部分 瓦斯突出防治技术,JN-1型胶囊封孔器,第三部分 瓦斯突出防治技术,煤巷掘进工作面预测-钻孔瓦斯涌出初速度法,（1）工作面的软分层中，靠近巷道两帮，各打一个平行于巷道掘进方向，直径42mm，深3.5m的预测钻 （2）用专用封孔器封孔，留0.5m长测量室 （3）在成孔2min内测定完钻孔瓦斯涌出初速度,第三部分 瓦斯突出防治技术,煤巷掘进工作面预测-钻孔瓦斯涌出初速度法,第三部分 瓦斯突出防治技术,煤巷掘进工作面预测-钻屑解吸指标法,(1)在煤巷掘进工作面软分层中打2个直径42mm、深810m的预测钻孔，如右图示； (2)钻孔每打1m，测定一次钻屑量，每隔2m测定一次钻屑解吸指标；根据每个钻孔的最大钻屑量Smax和最大钻屑解吸指标h2或K1预测工作面的突出危险性。,第三部分 瓦斯突出防治技术,煤巷掘进工作面预测-钻屑解吸指标法,第三部分 瓦斯突出防治技术,采煤工作面预测方法 原则上可采用所有应用于煤巷掘进工作面突出预测方法。由于采煤工作面长，预测工作量大，一般采用钻孔瓦斯涌出初速度法预测突出危险性。,第三部分 瓦斯突出防治技术,防突措施的类型 （1）区域防突措施 使煤层一定区域（如一个采区）消除突出危险性。 （2）局部防突措施 使工作面前方小范围煤体丧失突出危险性。,第三部分 瓦斯突出防治技术,区域性防突措施-保护层开采,第三部分 瓦斯突出防治技术,厚煤层分层开采也相当于保护层开采,解放层,被解放层,第三部分 瓦斯突出防治技术,区域性防突措施-预抽煤层瓦斯,预抽煤层瓦斯措施的沿层布孔方式示意图,第三部分 瓦斯突出防治技术,区域性防突措施-预抽煤层瓦斯,预抽煤层瓦斯措施的穿层布孔方式示意图,第三部分 瓦斯突出防治技术,局部防突措施,石门防突措施： （1）扩孔卸煤钻 （2）金属骨架 （3）高压注水 （4）水力冲孔 （5）超前钻孔,煤巷防突措施： （1）水力冲孔 （2）超前钻孔 （3）松动爆破 （4）超前支护 （5）高压注水 （6）卸压槽 （7）掩护挡板,采面防突措施： （1）超前支护 （2）卸压槽 （3）高压注水 （4）浅孔松动爆破,第三部分 瓦斯突出防治技术,局部防突措施-水力冲孔,水力冲孔工艺系统示意图 1钻杆 2套管 3三通管 4钻机 5阀门 6高压水管 7压力表 8射流泵 9排煤水管,第三部分 瓦斯突出防治技术,局部防突措施-水力冲刷,水力冲刷施工工艺示意图 1冲刷钻孔 2冲刷水枪 3支撑柱 4高压胶管 5高压水泵 6水管 7水车,第三部分 瓦斯突出防治技术,局部防突措施-超前钻孔,第三部分 瓦斯突出防治技术,局部防突措施-深孔松动爆破,深孔松动爆破钻孔布置： 如右图示。 -直径为125mm的控制孔 -直径为50mm的爆破孔,水力挤出钻孔布置,第三部分 瓦斯突出防治技术,局部防突措施-水力挤出,水力挤出设备,第三部分 瓦斯突出防治技术,第三部分 瓦斯突出防治技术,防突措施效果检验 目的在于保证防突措施的有效性和措施执行的效果。 措施执行后如效果检验有效，可在采取安全防护措施的情况下，进行采掘作业；如效果检验无效，则必须采取补充措施，再进