《瓦斯防治及监控》PPT课件.ppt

瓦斯防治 主讲 王建华 给出几幅带血的照片 内容要与学员心灵深处有某种沟通感 引起共鸣 学员最好能掉几滴眼泪效果最佳 课题的引入 你在思考什么 血的教训 一 概述二 我国煤矿瓦斯灾害现状三 瓦斯的防治四 瓦斯抽放系统五 矿井瓦斯抽放的原则六 矿井瓦斯抽放的分类及原理 瓦斯是煤层中所含的一种可燃性气体 主要由腐植型有机物资在成煤过程中生成 其主要成分是甲烷 CH4 即沼气 无色 无味 无臭 易于扩散 水中溶解度极小 0 0024g 20 甲烷的存在会降低空气中的氧气浓度 造成人员窒息 正常时空气中的氧气浓度为21 当甲烷浓度达到19 时 氧气浓度将下降至17 致使人出现喘息 心跳加速等现象 当甲烷浓度上升至43 时 氧气浓度将下降为12 此时人的呼吸会很短促和困难 当甲烷浓度继续上升至57 时 氧气浓度将被冲淡到9 造成人窒息死亡 另外 甲烷气体 CH4 的温室效应强度比二氧化碳 CO2 强20 60倍 我国每年的风排瓦斯量占全世界排放总量的1 3约为60亿m3 年 已经引起了联合国环保部门的关注 综合利用矿井瓦斯 对环境保护也有着重要意义 瓦斯爆炸 瓦斯还具有可燃烧和爆炸性 其爆炸极限为4 9 16 此浓度甲烷和空气组成的混合气体在火源诱发下会发生迅猛的氧化反应 给煤矿造成后果极其严重的危害 在造成人员伤亡的同时 严重摧毁井下设施 中断生产 有时还会引起煤层爆炸和井下火灾 加重灾害 使生产难以在短期内恢复 煤与瓦斯突出 一种在煤矿地下采掘过程中 在很短时间内 几分钟 内 从煤尘内部向采掘工作面 巷道突然喷出大量的煤和瓦斯 并伴有巨大的声响和猛烈力能效应的动力现象 它能摧毁井巷设施 破坏通风系统 使井巷充满瓦斯和煤粉 造成人员窒息或者瓦斯爆炸 我国煤矿瓦斯灾害非常严重 高瓦斯矿井和煤与瓦斯突出矿井多 近300个 比例大 约50 而且我国是世界上煤与瓦斯突出最严重的国家之一 近几年突出次数300多次 年 随着矿井开采深度的加深和开采强度的加大 矿井瓦斯涌出量和煤与瓦斯突出的危害性也相应增大 在原国有重点煤矿576处矿井中 高瓦斯矿井 煤与瓦斯突出矿井有277处 占48 且95 以上的矿井具有煤尘爆炸危险 更加剧了瓦斯的威胁 据统计 在1991 2000年间 瓦斯事故死亡人数总体呈上升趋势 1991年 一次死亡3人以上瓦斯事故死亡1364人 2000年死亡2662人 10年中增加近1倍 2001年全国煤矿事故死亡5670人 瓦斯事故死亡2436人 占总死亡人数的43 2002年 在一次死亡3人以上和10人以上的重 特大事故中 瓦斯事故所占比重最大 每年在10人以上重 特大死亡事故中 瓦斯事故死亡人数占总死亡人数的比重基本在80 以上 特别是近几年里 多次发生死亡50人以上的群死群伤事故 给人民群众的生命财产造成巨大损失 造成了恶劣的社会影响 当前 我国的瓦斯灾害形势是非常严峻的 瓦斯灾害已成为严重威胁煤矿安全生产状况的稳定好转 也无法保障煤炭工业的持续健康发展 面对当前我国瓦斯灾害的严峻形势 煤矿必须加强瓦斯治理工作 全面贯彻落实 先抽后采 监测监控 以风定产 的瓦斯治理12字方针 预防瓦斯爆炸的技术措施主要包括3个方面 1 防止瓦斯积聚 防止引火点燃以及设计和采取防止瓦斯爆炸事故扩大的措施 瓦斯积聚是指局部瓦斯浓度超过2 体积超过0 5M3的现象 2 通风式防止瓦斯积聚的最基本最有效的措施 但随着矿井开采深度与开采强度的增加 矿井瓦斯涌出量将日益增加大 仅用增大风量的办法稀释瓦斯 有时不仅在经济上不合算 而且在技术上也不合理 这时就需要采用瓦斯抽放的方法 3 瓦斯抽放的方法 瓦斯抽放 是指在进行采区 工作面布置前 以及工作面回采前 开采中和开采之后 通过矿井瓦斯抽放管道系统 将开采煤层 临近煤层和采空区中的瓦斯抽出加以利用 或者直接排放到矿井外大气 矿井回风系统中 确保矿井生产过程中不受或少受瓦斯因素影响 实现安全生产的技术手段 采取瓦斯抽放 尤其是采取 先抽后采 的技术措施后 极大降低了煤层和采空区中的瓦斯含量 有效降低了煤层中的瓦斯压力 有效防止了采掘空间瓦斯积聚现象的发生 防止了瓦斯突出事故的发生 所以说 瓦斯抽放是解决我国煤矿瓦斯问题的根本途径 是将富含于煤层中的瓦斯抽放出来 解决瓦斯事故的威胁 保障煤矿安全最为有效的措施 如果说利用通风的方法防治瓦斯是治标 那么抽放瓦斯则是瓦斯防治的治本措施 矿井瓦斯抽放的作用 抽放瓦斯可大幅度降低采区瓦斯涌出量 有效解决瓦斯浓度超限 提高矿井安全性 降低通风费用 抽放原始煤体瓦斯还可以降低煤层中的瓦斯压力和瓦斯含量 防止煤与瓦斯突出 以甲烷 CH4 主要成分的煤矿瓦斯作为赋存在煤层中的一种共生或伴生气体 其纯瓦斯的热值大于33000KJ m3与常规天然气相当 是一种洁净的能源 许多矿井对抽出的瓦斯进行综合利用 把瓦斯用作民用燃料 工业燃料 发电和化工原料 瓦斯的抽放利用 不仅极大的促进了企业开展瓦斯抽放工作的积极性 有效缓解了矿井瓦斯灾害 改善了煤矿的安全生产条件 同时还解决了部分就业问题 取得了良好的经济效益 社会和环境效益 提高煤矿瓦斯利用率 通过利用规模的扩大促进抽放规模的扩大 以利用促抽放 以抽放保安全 已成为当前瓦斯防治工作的一个特点 原则 针对主要瓦斯源 尽可能的将井下的瓦斯抽出 并科学管理瓦斯抽放系统 抽放标准 有下列情况之一的矿井 必须建立地面永久抽放瓦斯系统或井下临时抽放瓦斯系统 一 1个采煤工作面的瓦斯涌出量大于5m3 min或1个掘进工作面瓦斯涌出量大于3m3 min 不宜用通风方法解决瓦斯问题 二 矿井的绝对瓦斯涌出量达到以下条件的 1 大于或等于40M3 min 2 年产量1 0 1 5Mt的矿井 大于303 min 3 年产量0 6 1 0Mt的矿井 大于253 min 4 年产量0 4 0 6Mt的矿井 大于203 min 5 年产量小于或等于0 4Mt的矿井 大于15m3 min 三 开采有煤与瓦斯突出危险煤层的 年限在10年以上时 应该建立永久抽放瓦斯系统 抽放瓦斯的矿井必须加强瓦斯抽放利用工作 变害为利 保护环境 开发资源 以用促抽 以抽保用 年抽放量在100万立方米的矿井 应开展瓦斯利用工作 目前我国已经有150多个矿井建立了瓦斯抽放系统 且有许多矿井的瓦斯抽放系统正在兴建中 瓦斯抽放系统由两部分组成 抽放泵站和抽放管路 永久性抽放泵站一般由泵房 控制室 配电室 水泵房和冷却水池组成 泵房内主要安装了瓦斯抽放泵 控制室内主要安装了操作台 监控设备等 配电室内安装了整个泵站的配电设施 水泵房安装了冷却水泵等 冷却水池内有冷却循环水 有些泵站还需要安装了塔 下图为一个带永久性泵站的瓦斯抽放系统示意图 煤矿的瓦斯抽放系统所有设备主要有瓦斯抽放泵 管道以及安全设备等 电机 泵站 水泵 三防装置 三防装置 煤层钻孔 煤层钻孔 煤层钻孔 煤层钻孔 煤层 煤层 煤层 煤层 井下 地面 冷却水池 瓦斯泵 矿用瓦斯抽放泵大致包括三类 水环式真空泵 高压离心式鼓风机和回转式鼓风机 水环式真空泵真空高度 可达到98 工作轮内充满水可起到防爆阻焰作用 安全性能比较好 但是其流量比鼓风机小 适用于抽出量不大 要求抽放负压高的矿井 高压离心式鼓风机的流量大 运转可靠 但效率比较低 比回转式鼓风机的成本高 一般适用于瓦斯量大 但抽放负压要求不高的瓦斯抽放矿井 水环式真空泵安全性好 而且一般矿井都要求较高的抽放负压 所以使用比较广泛 抽放管路及阻力 抽放管连接各个抽放钻孔 汇集瓦斯输送至抽放泵 组成抽放系统 一般分为主管 干管 支管 瓦斯管得布置由矿井巷道布置而定 并尽量将抽放管设于回风巷 以避免损坏时影响矿井安全 水平段要求平直以防积水堵塞 经验证明 管道内瓦斯流速在5 15m s范围内比较经济合理 水封式三防装置结构原理图 三防装置的作用 1 防爆炸2 防回火3 防回气 水封式三防装置 水封式三防装置工作原理 在正常抽放时 瓦斯通过水封而抽出或排出 一旦管内发生瓦斯爆炸或燃烧 由于火焰被水封隔绝 同时 爆炸波将防爆盖冲开或把胶皮板冲破 爆炸能量得到释放 故可保护井下 地面用户和泵房的安全 三防装置一般安装在瓦斯泵的出口和入口附近的地面管道上 对于干式抽放泵 负压侧管路必须装设这种设备 而湿式抽放泵负压侧管路系统中可以不装设 但在瓦斯利用系统中必须装设 使用过程中 应经常补充水 保证水封罐内的水位 确保装置正常安全工作 寒冷地区应考虑冬季防冻保温措施 放水器 由于地层向钻孔渗水以及管道内冷凝水聚集 一般抽放管路中都有积水 这些水会堵塞管路 影响抽放效果 因此在各个钻场内和管路上开始上坡处都应安设放水器 放水器有人工和自动放水器两种 这两种放水器又分别有高压和低压两种 下图为人工高压放水器 避雷器地面瓦斯泵站必须安装防雷装置 阀门 高压放水器 安装时 将A端和抽放管道连接 抽放系统连接时 关闭B C个阀门 打开A阀门 需要放水时 关闭A阀门 打开B C两个阀门 工况和标况 物理学基本原理可以知道 较之于固体和液体 气体的体积 流量 受到温度和压强的影响是最大的 所以 我们在讨论瓦斯气体抽放量的时候 需要把不同温度和压强条件下测量到的流量换算到同一种温度和压强条件下才能分析比较 我们将现实的状况环境称为 工况 同时 我们将气体体积 流量 换算到20 绝对温度293度 一个标准大气压的状况下 这种环境状况被称为 标况 我们对瓦斯抽放进行科学管理时 不仅要关注工况 更多时间还要关注标况 工况流量换算为标况流量的公式 Q标 QI P0 P 293 P标 273 t 公式中 Q标表示标况流量 m3 min QI表示工况流量 m3 min P0表示当地的大气压 Pa P标表示标准大气压 Pa P表示管道中的压强 Pa 如果是负压 需要在数据前加上负号 t表示管道中气体温度 混合流量和纯流量 抽放泵从煤层里抽出的气体是多种气体的混合 混合流量就是指管道中被抽出的所有气体的流量 气体中包含了许多种成分 其中甲烷的浓度就是瓦斯的浓度 甲烷的流量被称为纯流量 二者之间的关系是 纯流量 混合流量 瓦斯浓度 当我们谈论纯流量时 都是标况纯流量 没有工况纯流量的概念 瓦斯抽放方法的分类 瓦斯抽放技术在经过数十年的发展之后 根据不同煤层地质条件和巷道布置方式 已经形成了各种各样的瓦斯抽放方法 瓦斯抽放方法按照瓦斯源可分为 开采层瓦斯抽放 邻近层瓦斯抽放 采空区瓦斯抽放和围岩瓦斯抽放 按抽放瓦斯与采掘时间关系可分为 采掘前预抽 边采边抽与边掘边抽 采后抽放 按抽放瓦斯煤层是否卸压可以分为 未卸压煤层瓦斯抽放和卸压煤层瓦斯抽放 按抽放工艺则可分为 钻孔抽放 巷道抽放和钻孔巷道混合抽放 几种瓦斯抽放的原理 开采层瓦斯抽放又称为本煤层瓦斯抽放 指抽放开采煤层的瓦斯 根据抽放时间和采掘的关系 开采层瓦斯抽放又可以分为预抽煤层瓦斯和边掘 采 边抽 邻近层瓦斯抽放是指抽放受开采层采动影响的上 下近邻层煤 可采煤层 不可采煤层 煤线 岩层 的瓦斯 在煤层群开采条件下 由于开采层的采动 在上部空间形成三带 冒落带 裂隙带和缓慢下沉带 上部卸压区 在开采层的下部煤岩层 承受的自重应力大大降低 由压缩状态转为膨胀状态 下部卸压区 在卸压区内的煤层 吸附瓦斯解吸形成的游离瓦斯充满层间空隙 并通过层间裂隙涌入回采空间和采空区 这种层间空隙和裂隙不仅是卸压瓦斯的储存地点 也是良好的流动通道 因此 钻孔穿入或透过这些层间空隙 裂隙就能取得较好的抽放瓦斯效果 因为卸压瓦斯通过钻孔抽出要比通过层间的纵向裂隙涌向开采空间和采空区容易得多 这就是利用钻孔抽放近邻层瓦斯的基本原理 采空区瓦斯抽放包括封闭式采空区瓦斯抽放和开放式采空区瓦斯抽放 封闭式采空区瓦斯抽放是煤层或者采区 工作面 全部开采结束 为减少采空区瓦斯涌向采掘空间或者涌向矿井而影响生产 或为了有效的利用瓦斯资源提高瓦斯抽放率 将采空区或旧巷予以封闭而进行的瓦斯抽放 封闭式采空区由于封闭的空间有限 采空区内残留的瓦斯量也是有限的 一般来说 其抽出的瓦斯量也是有限的 一般来说 由于受特定环境的限制 随着抽放时间的延长 封闭式采空区瓦斯抽放量会逐渐降低 封闭式采空区不受采掘等因素的影响 只受抽放参数及封闭质量的影响 是静态的 开放式采空区是指工作面回采未结束和封闭的采空区 它是随着工作面向前推进而不断变化扩大的 是动态的 采前预抽放是在未卸压的原始煤体打钻孔进行瓦斯抽放 其抽放效果与原始煤体透气性和瓦斯压力有关 煤层透气性越小 瓦斯压力越低越难抽出瓦斯 井下钻孔可以分为穿层钻孔和顺层钻孔 穿层钻孔的优点是钻孔横穿煤层层理面 瓦斯易于沿层理流入钻孔 孔口位于岩石内 封口容易 顺层钻孔抽放瓦斯的主要优点是钻孔施工速度快 钻孔全长均在煤层 抽放暴露面积大 若封口质量好 不漏气 并封口长度超过巷道周围的破碎圈 则能取得较好的抽放效果 对于原始煤体预抽放 如果要增加抽放量 可以通过加大钻孔直径 提高抽放负压或者增大煤层透气性的方法实现 边掘边抽是指掘进巷道的同时 抽放巷道周围卸压煤体内的瓦斯 边采边抽是指抽放回采工作面前方卸压煤体的瓦斯或厚煤层分层开采时抽放未采分层卸压煤体的瓦斯 如何选择瓦斯抽放方法 矿井瓦斯抽放方法要根据矿井瓦斯来源 煤层地质和开采技术条件以及瓦斯基础参数来确定 如果瓦斯主要来自于开采层本身 则既可以采用钻孔抽放 也可以采用巷道预抽形式 直接把瓦斯从开采层中抽出 且多数形式采用钻孔预抽法 如果瓦斯主要来源于开采煤层的顶 底板邻近煤层内 则可采用开在顶底板煤 岩中的巷道 打一些穿至邻近煤层的钻孔 抽放邻近煤层中的瓦斯 如果在采空区或废弃巷道内有大量瓦斯积聚 则可以采用采空区瓦斯抽放 如果在媒巷掘进时就有严重的瓦斯涌出 而且难以用通风的方法予以排除 则需要用钻孔预抽或者边掘边抽 如果是低透气性煤层 则在采区正常的瓦斯抽放方法的同时 还应该采取人工增加煤层透气性的措施 如水力压裂 水力割缝等 以提高煤层瓦斯抽放效果 总之 在选择瓦斯抽放方法时 应该综合考虑 既要考虑煤层条件 瓦斯储存状况 开采及巷道布置条件 还要考虑抽放设备的能力及经济条件 以求达到最佳效果 目前我国采用最多的是邻近层瓦斯抽放 其次是开采层瓦斯抽放和采空区瓦斯抽放 永久性泵站井下移动泵站瓦斯利用单位 注 标况混合流量 工况混合流量 标况纯流量 V锥流量计为RS485或者200 1000Hz信号输出 避免同一趟管路安装两个流量计 避免阻力增大 自相矛盾 绝对压力 相对压力 自燃发火倾向 采空区抽放 水封式 铜网式 宜设 1 管道参数 流量 压力 温度 瓦斯浓度 管道CO浓度 三防装置压差 注 大的泵站考虑泵房和管道间 用于井下移动抽放系统 见下图 2 环境参数 环境瓦斯 环境温度 排气巷道环境瓦斯 移动泵站排气巷道传感器布置 注 前轴 后轴 定子温度 转子温度 3 工矿参数 瓦斯泵开停 轴温 电机温度 注 和管径有关 每台泵进水处需要设置 另外针对自动控制系统中 高位水池的补水管可以设置 对瓦斯泵效率有影响 供水方式 高位水池 冷水池 低位循环水池 热水池 直接供水 4 供水参数 供水状态 水池温度 水位 水泵开停 冷却塔开停 4 供气参数 瓦斯罐高度 进罐压力 出罐压力 瓦斯浓度 密封水位 监测参数 电动阀 监测对象 电动阀参数 开到位 关到位 开度 控制内容 自动控制 瓦斯泵的启动 停止水泵的启动 停止冷却塔 风扇的启动 停止电动阀的开 闭断交流电源非自动控制 瓦斯泵断电 水泵断电 正在推广使用的新技术 煤矿瓦斯抽采计量监控系统 井下自动控制系统 设备的先进性 V锥 设备的先进性 V锥 1 精度高 可达1 5级 涡