9第九章矿井瓦斯.doc

第九章 矿井瓦斯（第一、二节、三节（一）教学目标：掌握矿井瓦斯的定义、性质和危害；了解瓦斯的成因与赋存；掌握瓦斯垂直分带的概念和瓦斯含量的概念，理解影响瓦斯含量的因素；掌握瓦斯压力的概念，能够熟练应用瓦斯压力梯度预测瓦斯压力；掌握瓦斯涌出量的概念理解影响瓦斯涌出量的因素。教学重点：瓦斯含量的概念和影响因素、瓦斯涌出量的概念和影响因素教学难点：瓦斯含量及瓦斯涌出量的影响因素学时安排：2复习旧课：引入新课：在日常生活中，人们一谈起沉船、空难、交通事故、火灾等，无不为之大惊失色，殊不知瓦斯事故更是令人惊骇、痛心。瓦斯事故已占全国煤矿重大事故总数的70以上。在近代煤炭开采史上，瓦斯灾害每年都造成许多人员伤亡和巨大的财产损失。因此，预防瓦斯灾害对煤炭工业的健康持续发展，具有重要意义。讲授新课：第一节 概述一、瓦斯的定义广义上：矿井瓦斯是煤矿生产过程中，从煤、岩内涌出的以甲烷为主的各种有害气体的总称。煤矿井下的有害气体有甲烷（沼气）、乙烷、二氧化碳、一氧化碳、硫化氢、二氧化硫、氮氧化物、氢、氮等，其中甲烷所占比重最大，在80以上。狭义上：矿井瓦斯单指甲烷。二、瓦斯的化学性质瓦斯的化学名称叫甲烷(CH4)，是无色、无味、无毒的气体。瓦斯混合到空气中后，既看不见，又摸不着，还闻不出来，只能依靠专门的仪器才能检测到。湖南省嘉禾县何家山煤窑糊涂地认为瓦斯大时能用鼻子闻出来，他们没有瓦斯检测设备，靠人闻瓦斯，1989年4月28日发生特大瓦斯爆炸事故，当场死亡17人。甲烷分子的直径为0.375810-9m，可以在微小的煤体孔隙和裂隙里流动。其扩散速度是空气的1.34倍，从煤岩中涌出的瓦斯会很快扩散到巷道空间。甲烷标准状态时的密度为0.716kgm3，比空气轻，与空气相比的相对密度为0.554。瓦斯微溶于水。三、瓦斯的“三害一用”1窒息：甲烷虽然无毒，但其浓度如果超过57，能使空气中氧浓度降低至10以下。瓦斯矿井通风不良或不通风的煤巷，往往积存大量瓦斯如果未经检查就贸然进入，因缺O2而很快地昏迷、窒息，直至死亡，此类事故在煤矿井不鲜见。举例：矿大学生解手时窒息死亡。2燃烧爆炸：瓦斯在适当的浓度能燃烧和爆炸。3突出：在煤矿的采掘生产过程中，当条件合适时，会发生瓦斯喷出或煤与瓦斯突出，产生严重的破坏作用，甚至造成巨大的财产损失和人员伤亡。4利用：瓦斯可作为燃料和化工原料（碳黑和甲醛）。把煤层中的瓦斯抽到地面可以变害为利。第二节 煤层瓦斯赋存与含量瓦斯，这一煤炭生成过程中的伴生物，早在15世纪就开始为人们所认识、我国明代宋应星在天工开物（1637年）一书中曾介绍，煤层中存在着一种能使人窒息和可燃爆的气体，并提出了利用竹管引排的方法；16世纪末，英国和其他西欧国事在采煤时，也遇到了“有害的”气体，但并未引起人们的重视。直到18世纪初期英国有的矿井开始发生瓦斯爆炸，导致了人员和设备财产的严重损失后，才逐渐引起人们的重视，并开始研究爆炸的原因及应采取的防范措施。但是，有关瓦斯生成及来源的问题直到20世纪40年代才开始逐步引起人们的重视，并对此进行研究。一、瓦斯的成因与赋存（一）矿井瓦斯的生成煤矿并下的瓦斯主要来自煤层和煤系地层，关于它的成因学说有多种多样。但是目前国内外多数学者认为煤中的瓦斯是在成煤的煤化作用过程中形成的即有机成因说。有机成因说认为：煤层瓦斯是腐植型有机物(植物)在成煤过程中生成的。成气过程可分为两个阶段。（1）生物化学成气时期：从植物遗体到泥炭居于生物化学成气时期。这个时期是从成煤原始有机物堆积在沼泽相和三角洲相环境中开始的。在植物沉积成煤初期的泥炭化过程中，有机物（主要成分纤维素和木质素）在隔绝外部氧气进入和温度不超过65的条件下，被厌氧微生物分解为CH4、CO2和H2O。由于这一过程发生于地表附近，上覆盖层不厚且透气性较好，因而生成的气体大部分散失于古大气中。随泥炭层的逐渐下沉和地层沉积厚度的增加，压力和温度也随之增加，生物化学作用逐渐减弱并最终停止。（2）煤化变质作用时期：从褐煤到烟煤，直到无烟煤属于煤化变质作用成气时期。随着煤系地层的沉降及所处压力和温度的增加，泥炭转化为褐煤并进入变质作用时期，有机物在高温、高压作用下，挥发分减少，固定碳增加，这时生成的气体主要为CH4和CO2。这个阶段中，瓦斯生成量随着煤的变质程度增高而增多。但在漫长的地质年代中，在地质构造(地层的隆起、浸蚀和断裂)的形成和变化过程中，瓦斯本身在其压力差和浓度差的驱动下进行运移，一部分或大部分瓦斯扩散到大气中，或转移到围岩内。所以不同煤田，甚至同一煤田不同区域煤层的瓦斯含量差别可能很大。（二）、瓦斯在煤体内存在的状态瓦斯以游离和吸附这两种状态存在于煤体内。见课本p183图9-2-1。（1）游离状态：也叫自由状态，这种状态的瓦斯以自由气体存在，呈现出压力并服从自由气体定律，存在于煤体或围岩的裂隙和较大孔隙(孔径大于0.01um)内。游离瓦斯量的大小与贮存空间的容积和瓦斯压力成正比，与瓦斯温度成反比。（2）吸附状态：吸附状态的瓦斯主要吸附在煤的微孔表面上（吸着瓦斯）和煤的微粒结构内部（吸收瓦斯），吸着态是在孔隙表面的固体分子引力作用下，瓦斯分子被紧密地吸附于孔隙表面上，形成很薄的吸附层；而吸收状态是瓦斯分子充填到几埃到十几埃的微细孔隙内，占据着煤分子结构的空位和煤分子之间的空间，如同气体溶解于液体中的状态（固溶体）。吸附瓦斯量的大小，与煤的性质、孔隙结构特点以及瓦斯压力和温度有关。固休表面的吸附作用可以分为物理吸附和化学吸附2种类型，煤对瓦斯的吸附作用是物理吸附，是瓦斯分子和碳分子间相互吸引的结果，吸附力即为范德华力。物理吸附是可逆的。煤内的孔隙小于0.01微米称为微孔，这是吸附瓦斯的主要场所，更大的孔隙是游离瓦斯存在的空间。 煤体中的瓦斯含量是一定的，但以游离状态和吸附状态存在的瓦斯量是可以相互转化的，这取决于温度和压力以及煤中水分等条件的变化。例如，当温度降低或压力升高时，一部分瓦斯将由游离状态转化为吸附状态，这种现象叫做吸附。反之，如果温度升高或压力降低时，一部分瓦斯就由吸附状态转化为游离状态，这种现象叫做解吸。 在现今开采深度内，煤层内的瓦斯主要是以吸附状态存在，游离状态的瓦斯只占总量的10左右。近年来，随着分析测试技术的不断发展，有关学者采用X射线、衍射分析等技术对煤体进行观察分析后认为，煤体内瓦斯的赋存状态不仅有吸附（固态）和游离（气态）状态，而且还包含有瓦斯的液态和固溶体状态；但是，由于总的来说，吸附（固态）和游离（气态）瓦斯所占的比例在85以上，在正常情况下，整体所表现出来的特征仍是吸附和游离状态的瓦斯特征；所以，其和传统的观点并没有予盾，只是分析测试更加深入而已。二、煤层瓦斯垂直分带由于煤层中瓦斯向上运移和地面空气向煤层中渗透，使煤层内的瓦斯呈现出垂直分带特征。前苏联矿业研究院通过大量的测定，将煤层由露头自上向下分为四个带：CO2一N2带、N2带、N2一CH4、CH4，前三个带总称为瓦斯风化带。在近代开采深度内，瓦斯带内煤层的瓦斯含量和涌出量随深度增加而有规律地增大，所以确定瓦斯风化带深度，有重要的现实意义。我国大部分低瓦斯矿井皆是在瓦斯风化带内进行生产的。瓦斯风化带下界深度可以根据下列指标中的任何一项确定。(1)煤层的相对瓦斯涌出量等于23m3/t处：(2)煤层内的瓦斯组分中甲烷及重烃浓度总和达到80(体积比)(3)煤层内的瓦斯压力为0.10.15MPa,瓦斯风化带深度决定于煤层的地质条件和赋存情况，变化很大。围岩透气性越大、煤层倾角越大、开放性断层越发育、地下水活动越剧烈，则瓦斯风化带下部边界就越深。三、影响煤层瓦斯含量的因素定义：指单位体积或重量的煤在自然状态下所含有的瓦斯量（标准状态下的瓦斯体积），单位为m3m3(cm3cm3)或m3t(cm3g)。煤层未受采动影响时的瓦斯含量，称为原始瓦斯含量，如煤层受采动影响，已部分排出瓦斯，则剩余在煤层中的瓦斯量称为残余瓦斯含量。煤层瓦斯含量等于吸附含量和游离含量之和。影响瓦斯含量的主要因素为瓦斯保存和放散条件：1煤的吸附特性- 瓦斯保存条件煤的吸附性能决定于煤化程度，一般情况下煤的煤化程度越高，存储瓦斯的能力越强。但应指出，当由无烟煤向超级无烟煤过渡时，煤的吸附能力急剧减小，煤层瓦斯含量大为减低。2煤层露头煤层如果有或曾经有过露头长时间与大气相通，瓦斯含量就不会很大。因为煤层的裂隙比岩层要发育，透气性高于岩层，瓦斯能沿煤层流动而逸散到大气中去。反之，如果煤层没有通达地表的露头，瓦斯难以逸散，它的含量就较大。3煤层的埋藏深度煤层的埋藏深度越深，煤层中的瓦斯向地表运移的距离就越长，散失就越困难。同时，深度的增加也使煤层在压力的作用下降低了透气性，也有利于保存瓦斯。在近代开采深度范围内，煤层的瓦斯含量随深度的增加而呈线性增加。4围岩透气性煤系岩性组合和煤层围岩性质对煤层瓦斯含量影响很大。如果围岩为致密完整的低透气性岩层，煤层中的瓦斯就易于保存下来。反之，则煤层瓦斯含量小。通常，泥岩、页岩、砂页岩、粉砂岩和致密的灰岩等透气性差，封闭瓦斯的条件好，所以煤层瓦斯压力高、瓦斯含量大；若围岩是由厚层中粗砂岩、砾岩或是裂隙溶洞发育的灰岩组成时，煤层瓦斯含量往往较小。5煤层倾角埋藏深度相同时，煤层倾角越小，瓦斯含量越大。因为倾角越小，瓦斯运移的途径越长。6地质构造 地质构造是影响煤层瓦斯含量的最重要因素之一。在围岩属低透气性的条件下，封闭型地质构造有利于瓦斯的储存，而开放型地质构造有利于排放瓦斯。 （1）褶曲构造褶曲类型和褶皱复杂程度对瓦斯赋存均有影响，当围岩的封闭条件较好时，背斜往往有利于瓦斯的储存，是良好的储气构造。但是，当背斜轴顶部岩层是透气性岩层或因张力形成连通地表或其他贮气构造的裂隙时，其瓦斯含量因能转移反而比翼部少。对向斜而言，当轴部顶板岩层受到的挤压应力比底板岩层强烈，使顶板岩层和两翼煤层透气性变小，瓦斯就易于贮存在向斜轴部。当煤层或围岩的裂隙发育透气性较好时，轴部的瓦斯容易通过构造裂隙和煤层转移到围岩和向斜的翼部，瓦斯含量反而减少。受构造力作用在煤层局部形成的大型煤包(图9-2-2c、d、e)，由于周围煤层在应力作用下压向煤包，形成煤包内瓦斯的封闭条件，瓦斯含量大。同理，由两条封闭性断层与致密岩层圈闭的地垒或地堑构造，也可成为瓦斯含量增高区。（2）断层构造断层对煤层瓦斯含量的影响比较复杂。一方面要看断层(带)的封闭性，另一方面要看与煤层接触的对盘岩层的透气性。开放型断层(一般为张性、张扭性或导水的压性断层)，不论其和地表是否直接相通， 附近的煤层瓦斯含量都会降低。封闭型断层(压性、压扭性不导水断层)，煤层对盘岩性透气性低时，可以阻止瓦斯的释放如果断层的规模大而断距长时，在断层附近也可能出现一定宽度的瓦斯含量降低区。7水文地质条件虽然瓦斯在水中的溶解度很小，但是如果煤层中有较大的含水裂隙或流通的地下水通过时，经过漫长的地质年代，也能从煤层中带走大量瓦斯，降低煤层的瓦斯含量而且，地下水还会溶蚀并带走围岩中的可溶性矿物质，从而增加了煤系地层的透气性，有利于煤层瓦斯的流失。目前许多矿井所谓的“水大瓦斯小水小瓦斯大”就是这个原因。四、煤层内的瓦斯压力1定义：是处于煤的裂隙和孔隙中的游离瓦斯分子热运动撞击所产生的作用力。2意义：煤层瓦斯压力是决定煤层瓦斯含量、瓦斯流动动力高低以及瓦斯动力现象的基本参数。当煤的吸附瓦斯能力相同时，煤层瓦斯压力越高，煤中瓦斯量也就越大。在研究与评价瓦斯储量、瓦斯涌出、瓦斯流动、瓦斯抽放与瓦斯突出问题时，都要事先掌握准确的瓦斯压力数据。规程规定，开采有煤与瓦斯突出危险煤层时，必须测定煤层的瓦斯压力。3测定方法（1）直接测定法直接测定煤层瓦斯压力的方法是用钻机由岩层巷道或煤层巷道向预定测量瓦斯压力的地点打一钻孔，然后在钻孔中放置测压装置，再将钻孔严密封闭堵塞并将压力表和测压装置相连来测出瓦斯压力的。直接测压法中的关键是封闭钻孔的质量。（2）间接测定法一般情况下，未受采动影响的煤层内的瓦斯压力，随深度的增加而有规律地增加通过不同深度煤层瓦斯压力测定，求出该煤层的瓦斯压力梯度，就可以预测其他深度的瓦斯压力。gp(p2p1)/(H2H1)则 Pgp(H2H1)P1 或 Pgp(HH0)P0 式中 P预测的甲烷带内深H（m）处的瓦斯压力，Mpa； gp瓦斯压力梯度，Mpa/m； p2、p1甲烷带内深度为H2、H1处的瓦斯压力，Mpa； P0甲烷带上部边界处瓦斯压力，取0.2Mpa；H0甲烷带上部边界深度，m；第三节 矿井瓦斯涌出瓦斯能够长时间地、持续地从煤体中释放出来，这是瓦斯涌出的基本形式，又叫瓦斯的普通涌出。与其对应的瓦斯特殊涌出是指在时间上突然，在空间上集中、大量的瓦斯涌出，主要有瓦斯喷出和煤与瓦斯突出。一、瓦斯涌出量定义：指在矿井建设和生产过程中从煤与岩石内涌出的瓦斯量，对应于整个矿井的叫矿井瓦斯涌出量，对应于翼、采区或工作面的，叫冀、采区或工作面的瓦斯涌出量。表示方法：（1）绝对瓦斯涌出量：单位时间涌出的瓦斯体积，单位为m3d或m3min。对于矿井瓦斯涌出量来说，可用Q总.C%计算。（Q总-矿井总回风量，C总回风流中瓦斯浓度）（2）相对瓦斯涌出量：矿井在正常生产条件下，平均日产一吨煤同期所涌出的瓦斯量，单位是m3/t。注意：瓦斯涌出量与瓦斯含量的大小不相等！由于绝对瓦斯涌出量不能反映出矿井瓦斯涌出的严重程度。煤炭生产中通常采用相对瓦斯涌出量。煤矿井巷和工作面的瓦斯主要有四个来源：（1）从采落下来的煤炭中放出瓦斯：（2）从采掘工作面煤壁内放出瓦斯；（3）从煤巷两帮及顶底板放出瓦斯，（4）从采空区及邻近煤层中放出瓦斯。二、影响瓦斯涌出量的因素矿井瓦斯涌出量的大小，决定于自然因素和开采技术因素的综合影响。（一）自然因素1煤层和围岩的瓦斯含量它是决定瓦斯涌出量多少的最重要因素。瓦斯含量越高，瓦斯涌出量越大。当前矿井的瓦斯涌出量预测把煤层瓦斯含量作为主要因素。 2地面大气压变化地面大气压变化引起井下大气压的相应变化，它对采空区(包括回采工作面后部采空区和封闭不严的老空区)或坍冒处瓦斯涌出的影响比较显著，对煤层暴露面的瓦斯涌出量没有大的影响。当地面大气压突然下降时，瓦斯积存区的气体压力将高于风流的压力，瓦斯就会更多地涌入风流中，使矿井的瓦斯涌出量增大。反之，矿井的瓦斯涌出量将减少。（二）开采技术因素1开采规模开采规模指开采深度、开拓与开采范围和矿井产量。在甲烷带内，随着开采深度的增加，相对瓦斯涌出量增大。这是由于煤层和围岩的瓦斯含量随深度而增加的缘故，开拓与开采的范围越广，煤岩的暴露面就越大，因此，矿井瓦斯涌出量也就越大。产量对相对瓦斯涌出量和绝对瓦斯涌出量的关系，大家下去自学。2开采顺序与回采方法 首先开采的煤层(或分层)瓦斯涌出量大。因除其本煤层(或本分层)的瓦斯涌出外，邻近煤层(或末采的其他分层)的瓦斯也要通过回采产生的裂隙与孔洞渗透出来，使瓦斯涌出量增大。因此，瓦斯涌出量大的煤层群同时回采时，如有可能应首先回采瓦斯含量较小的煤层，同时采取抽放邻近层瓦斯的措施。 采空区丢失煤炭多，回采率低的采煤方法，采区瓦斯涌出量大。顶板管理采用陷落法比充填法能造成顶板更大范围的破坏和卸压，邻近层瓦斯涌出量就比较大。回采工作面周期来压时，瓦斯涌出量也会大大增加。3生产工艺瓦斯从煤层暴露面和采落的煤炭内涌出的特点是，初期瓦斯涌出的强度大，然后大致按指数函数的关系逐渐衰减。落煤时瓦斯涌出量总是大于其他工序。4风量变化（1）无邻近层的单一煤层回采时，由于瓦斯主要来自煤壁和采落的煤炭，采空区积存的瓦斯量不大。回风流中的瓦斯浓度随风量减少而增加或随风量增加而减少。（2）煤层群开采和综采放顶煤工作面的采空区内，煤巷的冒顶孔洞内，往往积存大量高浓度的瓦斯。一般情况下，风量增加时，起初由于负压和采空区漏风的加大，一部分高浓度瓦斯被漏风从采空区带出，绝对瓦斯涌出量迅速增加，回风流中的瓦斯浓度可能急剧上升。然后，浓度开始下降，经过一段时间，绝对瓦斯涌出量恢复到或接近原有值，回风流中的瓦斯浓度才能降低到原值以下。风量减少时，情况相反。为了降低风量调节时回风流中瓦斯浓度的峰值，可以采取分次增加风量的方法。5采区通风系统采区通风系统对采空区内和回风流中瓦斯浓度分布有重要影响(详见有关章节)我们在第七章通风系统于通风设计讲了，U型通风系统的上隅角容易积存瓦斯。6采空区的密闭质量采空区内往往积存着大量高浓度的瓦斯，如果封闭的密闭墙质量不好或进，回风侧的通风压差较大就会造成采空区大量漏风，使矿井的瓦斯涌出增大。总而言之，影响矿井瓦斯涌出量的因素是多方面的，应该通过经常和专门的观测，找出其主要因素和规律，才能采取有针对性的措施控制瓦斯的涌出。三、矿井瓦斯涌出来源的分析与分源治理 按划分目的的不同，对矿井瓦斯来源有三种划分方式：(1)按水平、翼、采区进行划分，作为风量分配的依据之一，(2)按掘进区。回采区和已采区来划分，它是日常治理瓦斯工作的基础；(3)按开采区、邻近区划分，它是采煤工作面治理瓦斯工作的基础。一般是将全矿的(或翼的、水平的)瓦斯来源分为回采区(包括回采工作面的采空区)、掘进区和已采区三部分。四、瓦斯涌出不均系数定义：把瓦斯涌出量在一段时间内的峰值与平均值的比值称为瓦斯涌出不均系数。在确定矿井总风量选取风量备用系数时，要考虑矿井瓦斯涌出不均系数。五、矿井瓦斯等级 (一)矿井瓦斯等级划分规程规定：一个矿井中，只要有一个煤(岩)层中发现过瓦斯，该矿井即定为瓦斯矿井，并依照矿井瓦斯等级的工作制度进行管理。矿井瓦斯等级，桉照平均日产一吨煤涌出瓦斯量和瓦斯涌出形式划分为：低瓦斯矿井：10m3及其以下；高瓦斯矿井：10m3以上；煤与瓦斯突出矿井。矿井在采掘过程中，只要发生过一次煤与瓦斯突出煤层定为突出煤层。布置作业：9-2、9-4、9-5、9-6第九章 矿井瓦斯（第三（二）、四、五节，3学时）教学目标： 熟练应用统计法预测瓦斯涌出量；掌握瓦斯突出的概念和掌握瓦斯突出的概念，理解突出的机理，了解突出的一般规律，掌握综合性防突措施，了解区域性防突措施和局部防突措施教学重点：煤与瓦斯突出教学难点：突出机理学时安排：3复习旧课：（5min）瓦斯的化学性质、危害性、瓦斯含量的概念和影响因素、瓦斯涌出量的概念、瓦斯压力的概念引入新课：瓦斯喷出、煤与瓦斯突出是矿井瓦斯特殊涌出的形式，不同于瓦斯的普通涌出，瓦斯从煤（岩）层的某一特定地点突然涌向采矿空间，瓦斯喷出和突出能使采掘工作面或巷道充满瓦斯，造成窒息，遇火燃烧或爆炸；能破坏矿井或采区通风系统，造成风流紊乱或短时间逆转；突出的煤与瓦斯能堵塞巷道，破坏支架，破坏设备与设施。因此，瓦斯喷出与突出都能严重威胁矿井安全，影响生产，危害很大，必须引起重视。课堂提问：瓦斯喷出和突出的异同点六、矿井瓦斯涌出量预测1定义及分类根据某些已知数据，按照一定的方法与规律，预先估算出矿井或区域瓦斯涌出量大小的工作称为矿井瓦斯涌出量预测。从目前的研究现状来看：瓦斯涌出量预测方法主要可分为两类：其一是建立在数理统计规律基础上的统计预测法，该方法是依据矿井瓦斯涌出量与开采深度等参数之间的统计规律，外推到预测区域户的瓦斯涌出量。主要用于生产矿井；其二是以煤层瓦斯含量为基本参数的分源计算，通过计算井下各瓦斯涌出源的涌出量，得到矿井或某一预测区域的相对瓦斯涌出量，主要用于新建矿井。统计预测法是国内外有关矿井长期以来普遍采用的矿井瓦斯涌出量预测方法。该方法的基本原理是：根据矿井已采区域历年测定的相对瓦斯涌出量及相应的开采深度，采用数理统计方法建立二者之间的线性或非线性回归方程，Qf(h),并经过统计检验，确认回归方程有意义后，用于对深部(或条件相同矿井)未采区域的瓦斯涌出量作出预测。目前在瓦斯矿井中，最常用、最简单的预测方法还是线性回归法。2简易统计法预测步骤及计算方法使用这种预测方法时，一般分为两步：即首先需将矿井历年生产过程中积累的实际测定的相对瓦斯涌出量经过去伪存真核实后，按其对应的开采深度制成表，并计算出相对瓦斯涌出量梯度；其次，根据计算出的瓦斯涌出量梯度，外推至预测深部区域，计算出深部待采煤层的相对瓦斯。3注意事项使用这种方法预测时，应注意如下几个方面：（1）该法只适用于甲烷带，外推(预测)的深度不宜超过200 m，煤层倾角越小。外推的深度也应越小，否则可能会有较大的误差。 （2）预测工作的精度决定于原始统计资料的精度和预测区同已采区的采矿及地质条件的相似程度。因此要求已采水平和设计水平的开采条件(包括煤层开采顺序、采煤方法、顶板管理方法等)以及地质构造条件(包括煤层的地层顺序、构造等)应该相似。第四节 瓦斯喷出一、概念瓦斯喷出是指大量承压状态的瓦斯从煤、岩裂缝中快速喷出的现象。 二、瓦斯喷出的原因和分类1原因产生瓦斯喷出的原因是，天然的或因采掘工作形成的孔洞、裂隙内，积存着大量高压游离瓦斯，当采掘工作接近或沟通这样的地区时高压瓦斯就能沿裂隙突然喷出。2特点喷出时的瓦斯涌出量和持续时间，决定于积存的瓦斯量和瓦斯压力，从几m3到几十万m3，几分钟到几年，甚至几十年。瓦斯喷出时并不带出煤，所以煤体中没有喷出空洞。一般地，瓦斯喷出前都有明显的预兆，如煤层变软、变湿顶板来压、支架断裂和底鼓、工作面风流中的瓦斯浓度增加或忽大忽小，有嘶嘶的瓦斯涌出声等。3分类瓦斯喷出按成因分为两大类：（1）地质来源的：瓦斯喷出一般发生在能贮存瓦斯的地质构造破坏带，如断层、破裂、褶曲和石灰溶洞附近。（2）采掘卸压形成的：发生于煤层顶（底）板、围岩分层断裂的回采工作面。 三、瓦斯喷出的预防根据一些矿井的经验，总结为“探、排、引、堵”。探探明地质构造。在瓦斯喷出可能性大的地区掘进时，可在掘进巷道的前方和两侧打钻孔，探明是否存在断层、裂隙和溶洞，以便了解它们的位置、大小和瓦斯赋存情况。排排放或抽放瓦斯。如探明断层、裂隙、溶洞不大或瓦斯量不多时，则可让它自然排放；如溶洞体积大、范围广、瓦斯量大、喷出强度大、持续时间长，则可插管进行抽放。如在掘进工作面上喷出瓦斯的裂隙多，而已分布较广，可暂时停止掘进，封闭巷道接管抽放。引引导瓦斯到回风道。喷出瓦斯的裂隙范围较小且瓦斯喷出量不大时，可用风筒将瓦斯引到回风道或引到距离工作面20米以外的巷道中，以保证工作面能安全放炮。堵堵塞裂隙。当喷出瓦斯的裂隙范围较广，但喷出量很小时，可用黄泥或水泥堵住裂隙，阻止瓦斯喷出，以保证掘进工作面的安全。对于有瓦斯喷出的工作面要有独立的通风系统并加大供风量。职工配备隔离式自救器，并熟悉避灾路线。第五节 煤（岩）与瓦斯突出及其预防 一、概述1定义：煤矿地下采掘过程中，在极短的时间内(几秒到几分钟)，从煤、岩层内以极快的速度向采掘空间内喷出煤（岩）和瓦斯(CH4、CO2)的现象，称为煤与瓦斯突出。规程中所指的煤与瓦斯突出是突出、压出和倾出的总称。2危害：（1）它所产生的高速瓦斯流(含煤粉或岩粉)能够摧毁巷道设施，破坏通风系统，甚至造成风流逆转；（2）喷出的瓦斯由几百到几万m3，能使井巷充满瓦斯，造成人员窒息，引起瓦斯燃烧或爆炸；（3）喷出的煤、岩由几千吨到万吨以上，能够造成煤淹埋人；（4）猛烈的动力效应可能导致冒顶和火灾事故的发生。1834年3月22日法国鲁阿尔煤田伊萨克矿井在急倾斜厚煤层平巷掘进工作面发生了世界上第一次有记载的突出。支架工在架棚子时，发现工作面煤壁外移，三个工人立即逃跑，巷道煤尘弥漫，一人被煤流埋没死亡，一人被瓦斯窒息牺牲，一人逃跑得救。1879年4月17日比利时阿拉波二号井，向上掘进580610 m水平之间的上山眼时，发生了世界上第一次猛烈的突出，突出强度420t煤，瓦斯50万m3以上。最初瓦斯喷出量2000m3min以上，瓦斯逆风流从提升井冲至地面，距该井口23m处的绞车房附近的火炉引燃了瓦斯，火焰高达50 m，井口建筑物烧成一片废墟，2小时后火焰将要熄时，又连续发生7次瓦斯爆炸(每隔7分钟左右1次)，井下209人，死亡121人，地面人烧死，11人烧伤。目前世界上的各主要产煤国都曾发生过突出。3突出的外部特征（1）突出的煤、岩在高压气流搬运过程中，呈现分选性堆积，即从上到下，由近至远煤粒度逐渐减小，堆积坡度小于煤的自然安息角(一般为40)；（2）突出过程中煤岩进一步被粉碎，产生极细的粉尘（手捻无粒感的“狂粉”），有时突出的堆积物好似风力充填一样密实；（3）突出孔洞口小肚大，呈梨型、倒瓶型，其轴线往往沿煤层倾斜向上延伸，或与倾向线成不大的夹角；（4）突出的相对瓦斯涌出量可以大于煤层的瓦斯含量。（5）有明显的动力效应，破坏支架、推倒矿车等二、突出的机理突出的机理是关于解释突出的原因和过程的理论。突出是十分复杂的自然现象，它的机理还没有统一的见解，假说很多。概括起来，突出假说大概有三类：1瓦斯作用说：认为煤内存储的瓦斯在突出中起着主要的积极作用。2地应力说：认为突出主要是地应力作用的结果。3综合作用说：认为煤和瓦斯突出是地压（包括岩层静压力、地质构造力和集中应力等）、瓦斯（包括瓦斯压力、含量和吸附瓦斯瞬时解吸速度等）、重力（急倾斜煤层）和煤的力学性质（包括煤的强度和破坏类型）综合作用的结果。综合作用说综合考虑了突出动力（地应、瓦斯等）和阻力（煤的强度）两个方面的因素，因此，该假说得到了国内外的普遍承认。突出的发展过程包括：1准备阶段：指突出前工作面前方煤体及围岩中能量的局部积聚过程。在回采和掘进工作面前方煤层内形成所谓“极限应力状态区”，该区内煤层的完整性遭到破坏，但与围岩还保持着力学上的联系煤层的稳定性由煤层内部向外逐渐下降，透气性则逐渐增加，游离瓦斯含量增高，产生了沿巷轴方向的瓦斯压力梯度，此时的煤壁强度已处于一触即溃的极限状态。2激发阶段：即发动阶段。当工作面瞬间向前推进(如震动放炮时)，或煤层、围岩的强度发生变化，或煤层突然卸压、增压等情况下，处于极限应力状态的部分煤体突然破碎卸压，发出巨响和冲击同时突然释放的高压瓦斯开始膨胀形成瓦斯流，瓦斯作用在破碎煤体上的推力向巷道自由方向突然增加几倍至几十倍，使破碎煤体得以随高速瓦斯流被搬运和抛出。3发展阶段：煤体发生自发性的连续破碎，形成破碎波，已破碎的煤在高速瓦斯流的携带下向巷道抛出。新暴露煤体所受支撑压力(包括前期突出所产生的动压)如果大于煤体强度，煤体将由外向内连续剥离破碎，与此同时进一步暴露的煤壁和新破碎的煤体内的瓦斯大量涌出补充瓦斯流并运走碎煤，使突出得以向煤体深部发展。4停止阶段：在突出进行的过程中，或由于煤、岩力学性质的变化（破碎发展遇到硬煤段，地应力和瓦斯压力不足以继续破坏煤体），或由于喷出物的阻塞作用（突出物将孔洞堵塞），煤层能够达到新的力学平衡时，突出得以终止。但是突出孔周围煤壁和突出的煤炭中，还能继续涌出大量瓦斯。三、突出的一般规律（1）突出发生在一定的采掘深度以后。对于一个矿区、矿井或煤层来说，有一个发生突出的距地表最小深度，当小于该深度时不会发生突出，该深度简称始突深度，一般取为实际发生突出的最小深度。自此以下，突出的次数增多，强度增大。因为开采深度越深，发动突出的两个因素即瓦斯压力和地应力也相应增大。（2）突出多发生在地质构造附近，如断层、褶曲、扭转和火成岩侵入区附近。（3）突出多发生在集中应力区，如巷道的上隅角，相向掘进工作面接近时，煤层留有煤柱的相对应上、下方煤层处，回采工作面的集中应力区内掘进时，等等。（4）突出次数和强度，随煤层厚度、特别是软分层厚度的增加而增加。突出最严重的煤层一般都是最厚的主采煤层；煤层倾角愈大，突出的危险性也愈大（这是由于煤自重的影响）。（5）突出与煤层的瓦斯含量和瓦斯压力之间没有固定的关系（6）突出煤层的特点是强度低，而且软硬相同，透气系数小，瓦斯的放散速度高，煤的原生结构遭到破坏，层理紊乱，无明显节理，光泽暗淡，易粉碎。（突出的阻力小）如果煤层的顶板坚硬致密，突出危险性增大。（7）大多数突出发生在放炮和落煤工序。爆破作业引起的突出次数最大，突出的平均强度最大。放炮后没有立即发生的突出，称延期突出。廷迟的时间由几分钟到十几小时，它的危害性更大。（8）突出绝大多数发生在掘进工作面。其中石门揭穿煤层发生的突出虽然次数少，但强度大。采煤工作面发生突出较少，原因为：当前我国突出煤层的绝大多数采煤工作面机械化程度低，推进速度慢。（9）突出前常有预兆发生:a声响预兆：煤体中发出闷雷声、爆竹声、机枪声、嗡嗡声，这些声响在许多地方统称为“煤炮”。b煤结构变化：煤质干燥，光泽暗淡，层理紊乱，煤尘增多。c地压方面预兆：煤体和支架压力增大，煤壁移动加剧，煤壁向外鼓出，掉碴，煤块进出；d. 瓦斯方面预兆：瓦斯增大或忽大忽小，打钻时顶钻或夹钻。e其他预兆：煤壁和工作面温度降低，特殊气味等。四、预防煤与瓦斯突出的主要技术措施预防措施包括技术措施和组织管理措施。“四位一体”综合防突措施：突出危险性预测；防治突出措施；防突措施的效果检验和安全防护措施。防突措施可以分为两大类： (一)区域性防突措施：实施以后可使较大范围煤层消除突出危险性的措施1开采保护层：开采保护层是预防突出最有效、最经济的措施。在突出矿井中，预先开采的、并能使其他相邻的有突出危险的煤层受到采动影响而减少或丧失突出危险的煤层称为保护层，后开采的煤层称为被保护层。保护层位于被保护层上方的叫上保护层，位于下方的叫下保护层。1）开采保护层的作用：保护层开采后，由于采空区的顶底板岩石冒落，移动，引起开采煤层周围应力的重新分布，采空区上、下形成应力降低(卸压)区，在这个区域内的未开采煤层将发生下述变化：（1）地压减少，弹性潜能得以缓慢释放。（2）煤层膨胀变形，形成裂隙与孔道，透气系数增加。所以被保护层内的瓦斯能大量排放到保护层的采空区内，瓦斯含量和瓦斯压力都将明显下降。（3）煤层瓦斯涌出后，煤的强度增加。所以保护层开采后，不但消除或减少了引起突出的两个重要因素：地压和瓦斯，而且增加了抵御突出的能力因素煤的机械强度。这就使得在卸压区范围内开采被保护层时，不再会发生煤与瓦斯突出。2）保护范围指保护层开采后，在空向上使危险层丧失突出危险的有效范围。（1）垂直保护距离：（层间距）沿垂直方向下保护层的影响范围大于上保护层。（2）沿倾斜方向的保护范围：确定沿倾向的保护范围就是沿倾向划定被保护层的上、下边界。倾斜和缓倾斜煤层按岩石冒落角 (1、2)划定，急倾斜煤层按煤层的法线向内减少7划定。冒落角又称卸压角，影响冒落角的因素主要是煤层倾角。（3）沿走向的保护范围a规程规定，保护层的回采工作面，必须超前于被保护层的掘进工作面，其超前距一般不得小于两个煤层之间垂直距离的两倍，至少不小于30m，以便被保护层能充分卸压和排出瓦斯。b保护层回采工作面始采线两侧的保护范围，必须按实际考察结果确定。开采保护层还必须注意以下几点：A.如煤层群中有几个保护层时，应首先考虑上保护层。不但符合由上面下的开采顺序而且突出危险层同水平的巷道能位于保护范围内。如果不得不开采下保护层时，要防止采动影响而破坏未采煤层结构。B.矿井中所有煤层都有突出危险时，可选择突出危险程度较小的煤层作为保护层，但在此保护层的采掘过程中，必须采取防治突出的措施。C.矿井中所有可采煤层都具有严重突出危险时，也可以选择不可采的煤层作为保护层为了减小劳动强度，可使用刨煤机、钢丝绳锯等采煤机械。D.开采保护层时，应同时抽放被保护层的瓦斯。2预抽煤层瓦斯对于无保护层或单一突出危险煤层的矿井，可以采用预抽煤层瓦斯作为区域性防突措施。这种措施的实质是，通过一定时间的预先抽放瓦斯，降低突出危险煤层的瓦斯压力和瓦斯含量，并由此引起煤层收缩变形、地应力下降、煤层透气系数增加和煤的强度提高等效应，使被抽放瓦斯的煤体丧失或减弱突出危险性。需要大量的工程，要求预抽的时间长，一般为一年以上。因此，属于一般突出危险煤层可考虑局部防突措施。（二）局部防突措施：实施以后可使局部区域(如掘进工作面)消除突出危险性的措施。1松动爆破松动爆破是向掘进工作面前方应力集中区，打几个钻孔装药爆破，使煤体松动，集中应力区向煤体深部移动，同时加快瓦斯的排出，从而在工作面前方造成较长的卸压带，以预防突出的发生。松动爆破分为深孔和浅孔两种深孔松动爆破一般用于煤巷或半煤岩巷掘进工作面。2钻孔排放瓦斯石门揭煤前，由岩巷或煤巷向突出危险煤层打钻，将煤层中的瓦斯经过钻孔自然排放出来，待瓦斯压力降到安全压力以下时，再进行采掘工作钻孔数和钻孔布置应根据断面和钻孔排放半径的大小来确定每m2断面不得少于3.54.5孔。此法适用于煤层厚、倾角大、透气系数大和瓦斯压力高的石门揭煤时。也大量用于突出危险煤层的煤巷掘进。缺点时打钻工程量大，瓦斯压力下降慢，等待时间长。3水力冲孔是在安全岩(煤)柱的防护下，向煤层打钻后，用高压水射流在工作面前方媒体内冲出一定的孔道，加速瓦斯排放。同时，由于孔道周围煤体的移动变形，应力重新分布，扩大卸压范围。此外，在高压水射流的冲击作用下，冲孔过程中能诱发小型突出。使煤岩中蕴藏的潜在能量逐渐释放，避免大型突出的发生。煤巷掘进水力冲孔后，由于瓦斯排放和煤炭湿润，不但预防了突出煤尘少，煤质变硬不易垮落和片帮。水力冲孔适用于地压大、瓦斯压力大、煤质松软的突出危险煤层。4金属骨架金属骨架是一种超前支架。当石门掘进工作面接近煤层时，通过岩柱在巷道顶部和两帮上侧打钻，钻孔穿过煤层全厚，进入岩层0.5m。孔间距一般为0.2m左右，孔径75100mm然后将长度大于孔深0.40.5m的钢管或钢轨，作为骨架插入孔内，再将骨架尾部固定，最后用震动放炮揭开煤层。此法适用于地压和瓦斯压力都不太大的急倾斜薄煤层或中厚煤层。在倾角小或厚煤层中，金属骨架长度大，易于挠曲，不能很好地阻止煤体移动，效果较差。5超前钻孔它是在煤巷掘进工作面前方始终保持一定数量的排放瓦斯钻孔。它的作用是排放瓦斯增加煤的强度，在钻孔周围形成卸压区，使集中应力区移向煤体深部。急倾斜中厚或厚煤层上山掘进时，可用穿透式钻机，贯穿全长后，再由上而下扩大断面然后用人工修整到所需断面。超前钻孔适用于煤层赋存稳定、透气系数较大的情况下。如果煤质松软，瓦斯压力较大，则打钻时容易发生夹钻、垮孔、顶钻，甚至孔内突出现象。8震动放炮五、突出的预测（一）分类我国将突出危险性预测分为区域突出危险性预测和工作面突出危险性预测。区域突出危险性预测，简称区域预测，用于预测煤层和煤层区域(包括井田、新水平和新采区)的突出危险性，并在地质勘探、新井建设、新水平和新采区开拓或准备时进行。工作面预测也叫点预测、日常预测。用于工作面煤层的突出危险性预测，它包括石门揭煤工作面、煤巷掘进工作面和回采工作面的突出危险性预测。（二）预测指标1煤的瓦斯放散初速度P它是表示瓦斯从煤内放散出来快慢的相对指标，能反映煤的孔隙结构和微观破坏程度。2煤的坚固性系数f它也是一个相对指标，反映煤的力学性质。3.煤层瓦斯压力：反映瓦斯含量、瓦斯释放强度和搬运突出物的能力。4软煤比软煤分层厚度与煤层总厚度之比称软煤比，亦称揉皱系数出可能性越大5钻孔瓦斯涌出量和钻屑量这是一种可以在掘进工作面即时预测有无突出危险的方法，它综合反映了工作面前方煤体渗透性、破坏程度、瓦斯涌出速度和岩层应力状态。防治煤与瓦斯突出细则对预测指标及其临界值和确定有无突出危险性都做了具体规定。一些局矿根据各自的经验制定了适合本矿区的预测指标和方法。必须指出，由于突出是多种因素的综合，任何单一的预测方法，可靠性都很低。因此，近年来预测工作向综合多因素的方向发展，准确率有明显提高，但仍处于探索研究阶段。D、K综合指标法H开采深度；f煤层中软分层的平均坚固性系数；p煤层瓦斯压力MPa；p瓦斯放散初速度。 综合指标D和K的区域突出危险临界值，应根据各矿区的实测数据确定。如无实测资料可参照图示的临界值确定区域预测危险性布置作业：9-10、9-11、9-19、9-21第九章 矿井瓦斯（第六、七节）教学目标：了解瓦斯爆炸的危害；掌握瓦斯爆炸的主要参数和瓦斯爆炸的三个条件；掌握预防瓦斯爆炸的主要措施；了解瓦斯抽放的主要技术措施教学重点：瓦斯爆炸及其预防教学难点：影响瓦斯爆炸浓度的参数学时安排：2复习旧课（5min）：瓦斯喷出的概念；瓦斯突出的概念；突出的机理；突出的一般规律；区域性防突措施和局域防突措施；引入新课：我们知道瓦斯有四大灾害：窒息、燃烧、爆炸、突出，其中爆炸是危害性最大的灾害。所以掌握瓦斯爆炸的原因、规律和防治措施极为重要。课前提问：瓦斯浓度越高，是否越容易爆炸呢？矿井瓦斯爆炸是煤矿一种极其严重的灾害，一旦发生，不仅造成大量人员伤亡，而且还会严重摧毁矿井设施、中断生产。有的还会引起煤尘爆炸、矿井火灾、井巷垮塌和顶板冒落落等二次灾害，从而加重了灾害后果，使生产难以在短期内恢复。例如，1942年日本帝国主义侵占我国东北时期，在本溪煤矿由电气火花引起瓦斯爆炸，进而导致更严重的煤尘连续爆炸，共有1549人死亡。在我国煤矿发生的重大灾难性事故中，70左右是瓦斯煤尘爆炸所致根据中国政府自己的估算，去年有6700多名矿工在各种矿井事故中丧生，平均每天有18名矿工死去。但专家称，实际数字可能超过这个数字。中国煤矿的事故发生率是美国和英国的350倍。尽管近年来中国一直努力提高煤矿的安全性，但是现实的趋势则是产量的不断增多和风险的日益加大。中国正在努力寻找足够的能源。煤炭为发电机的运转提供了70%的燃料。2003年中国的煤炭产量超过了1.7亿吨，而前几年的产量只有目前的1/5强，与过去相比已是巨大飞跃。但产量的增长还是无法跟上需求的步伐：在过去的一年，中国的煤炭的价格几乎翻了一番。新闻链结:据法新社报道，莫斯科时间10日凌晨3点左右，俄罗斯西伯利亚克麦罗沃州奥辛尼克市泰日纳煤矿发生爆炸，目前已造成40人死亡，仍有7人被困在废墟下，生还机会渺茫。第六节 瓦斯爆炸与预防 一、瓦斯爆炸过程及其危害 物质从一种状态迅速变成另一种状态，并在瞬间放出大量能量的同时产生巨大声响的观象称为爆炸。爆炸可以分为物理性爆炸和化学性爆炸，前者是由物理变化而引起的，物质因状态或压力发生突然变化而形成的爆炸现象称为物理性后爆炸，例锅炉爆炸、液化、气体起超压爆炸等。物理性爆炸前后物质的性质及化学成分均不改变。化学性爆炸是由于物质发生迅速的化学反应、产生高温、高压而引起的彤炸。化学爆炸前后物质的性质成分均发生了变化，矿井瓦斯爆炸届于化学性爆炸。1瓦斯爆炸的化学反应过程 瓦斯爆炸是一定浓度的甲烷和空气中的氧气在高温热源的作用下发生激烈氧化反应的过程。最终的化学反应式为；CH42O2C O22H2O+88.26kJ/mol如果爆炸反应不是和纯氧进行，而是和井下空气中的氧气（氧气占21%，氮占79%）进行，其化学反应式为：CH4+2(O2+3.778N2)=CO2+2H2O+7.56N2+88.26kJ/mol充分反应时时，瓦斯在混合气体中的浓度为1/（1+9.56）=9.47%，它是理论上爆炸最猛烈的浓度。上述反应为放热反应，当反应生成热的速度大于散热速度时，则热量积聚，反应物温度上升，气体迅速膨胀，随着反应速度的进一步加快，最后形成爆炸。如果参与反应的瓦斯浓度低或氧气不足，生成热速度就小于散热速度，就不会形成爆炸。 如果煤矿井下O2不足，反应的最终式为；CH4+ O2CO+H2十H2O 矿井瓦斯爆炸是一种热链反应过程（称连锁反应）。当爆炸混合物吸收一定能量后反应分子的链即行断裂，离解成两个或两个以上的游离基(也称自由基)。这类游离基具有很大的化学活性，成为反应连续进行的活化中心。在适合的条件下，每一个游离基又可以进一步分解，再产生两个或两个以上的游离基。这样循环不已，游离基越来越多，化学反应速度也越来越快，最后就可以发展为燃烧或爆炸式的氧化反应。2瓦斯爆炸的产生与传播过程 爆炸性的混合气体与高温火源同时存在，就将发生瓦斯的初燃(初爆)，初燃产生以一定速度移动的焰面，焰面后的爆炸产物具有很高的温度，由于热量集中而使爆源气体产生高温和高压并急剧膨胀而形成冲击波。如果巷道顶板附近或冒落孔内积存着瓦斯，或者巷道中有沉落的煤尘，在冲击波的作用下。它们就能均匀分布，形成新的爆炸混合物，使爆炸过程得以继续下去。 爆炸时由于爆源附近气体高速向外冲击，在爆源附近形成气体稀薄的低压区，于是产生反向冲击波，使已遭破坏的区域再一次受到破坏。如果反向冲击波的空气中含有足够的CH4和O2，而火源又未消失，就可以发生第二次爆炸。此外，瓦斯涌出较大的矿井，如果在火源熄灭前，瓦斯浓度又达到爆炸浓度，也能发生再次爆炸。1995年6月23日淮南某矿曾发生10OO多次瓦斯连续爆炸、造成数十人伤亡的瓦斯爆炸事故。3瓦斯爆炸的危害（1）高温：焰面是巷道中运动着的化学反应区和高温气体，其速度大、温度高。从焰面温度可高达21502650 ，焰面经过之处，人被烧死或大面积烧伤，可燃物被点燃而发生火灾。（2）冲击波：锋面压力由几个大气压到20大气压，前向冲击波叠加和反射时可达100大气压。其传播速度总是大于声速，所到之处造成人员伤亡、设备和通风设施损坏、巷道垮塌。冲击包括：进程冲击和回程冲击。（3）有害气体：井下发生瓦斯爆炸以后，将会产生大量的一氧化碳，如果有煤尘参与爆炸，CO的生成量更大。空气中的一氧化碳浓度，按体积计算达到0.4时，人在短时间内就会中毒死亡。一氧化碳中毒是瓦斯爆炸造成人员伤亡的主要原因。二、瓦斯爆炸的主要参数1瓦斯的爆炸浓度 理论分析和试验研究表明：在正常的大气环境中，瓦斯只在一定的浓度