矿井瓦斯与矿尘防治技术课件第2章

安徽理工大学,第二章：矿井瓦斯涌出,模块一：煤层瓦斯流动的基本规律,模块二：煤层瓦斯涌出,第一部分,矿井瓦斯防治技术,模块三：矿井瓦斯等级鉴定,模块一：煤层瓦斯流动的基本规律,2.1煤层瓦斯运移,2.1.1瓦斯运移,保存在煤层中的瓦斯仅占形成瓦斯量的1/10。成煤过程中形成的瓦斯可分如下几个部分：(1)保存煤层中的瓦斯；(2)从煤层中运移出来，保存在围岩中的瓦斯；(3)从煤层中运移出来，溶解于地下水中瓦斯；(4)排放大气中瓦斯。,2.1煤层瓦斯运移,2.1.2煤层瓦斯流动,1、原始煤体：瓦斯在煤层中以呈压缩状态，煤层瓦斯压力随深度增大而增大，是在漫长的地质年代里，煤层瓦斯由深部向地表流动的结果，但这种煤层瓦斯流动是极其缓慢的，在采矿工程中，研究煤层瓦斯流动时，一般忽略这种缓慢的瓦斯流动。通常认为，在采掘工作或钻孔未影响到的煤层，瓦斯处于平衡状态，不会发生瓦斯流动。,2、采掘影响区由于采掘破坏了原有的瓦斯压力平衡状态，引起瓦斯流动，形成瓦斯流动场。应响影响煤层瓦斯流动的因素很多，诸如煤层赋存条件、瓦斯压力、含量、煤层透气性以及采掘技术条件等等，但主要影响因素为瓦斯压力和煤层透气性，前者是瓦斯流动的动力，后者是瓦斯流动的阻力。,2.1煤层瓦斯运移,2.1.2煤层瓦斯流动,瓦斯在煤层中由高压流向低压，在煤层中即形成一定的流动范围瓦斯流动场。从时间因素来看：流动类型可分为稳定流动和非稳定流动两种类型，前者流动场不随时间而变化，后者流动场随时间而改变。煤层瓦斯流动属非稳定流动类型。从空间形态来看：瓦斯流动类型分为单向流动、径向流动和球向流动三种类型。,2.1煤层瓦斯运移,2.1.3煤层瓦斯流动场,(1)单向流动单向流动的特点是煤层瓦斯沿单一方向流动，流线相互平行。沿煤层开掘高度大于煤层厚度的巷道后，巷道两侧煤层中的瓦斯皆沿垂直于巷道的方向流动，这种流动属单向流动。如:薄及中厚煤层掘进面,采煤工作面煤壁。,2.1煤层瓦斯运移,2.1.3煤层瓦斯流动场,(2)径向流动径向流动是平面流动。径向流动时，等瓦斯压力线为一组同心圆，瓦斯流线沿圆的径向发展。在煤矿井下，石门或钻孔垂直揭穿煤层时，煤层中的瓦斯流动就是径向流动。,2.1煤层瓦斯运移,2.1.3煤层瓦斯流动场,(2)球向流动球向流动的特点是等瓦斯压力线为一组同心球状，瓦斯流线沿球的径向发展。在煤矿井下属球向流动的情况很少见。石门揭特厚煤层，特厚煤层中的掘进面迎头和钻孔孔底以及煤块的瓦斯放散等都可近似地视为球向流动。,2.1煤层瓦斯运移,2.1.3煤层瓦斯流动场,2.2煤层瓦斯流动的基本定律,1、渗流瓦斯沿裂隙、构造破碎带的运移方式。2、扩散运动瓦斯在小孔（1m）与微孔（0.1m）内运移主要是扩散运动，即瓦斯分子在其浓度梯度作用下由高浓度向低浓度方向运移。可用Fick定律描述，即：式中：D-扩散系数；-瓦斯浓度梯度；dt-时间增量；dm-在dt时间内通过单位面积的扩散量。,2.2煤层瓦斯流动的基本定律,3、煤粒扩散运动方程若煤层由服从Fick定律的煤粒组成，根据Fick定律和质量守恒定律，得煤粒扩散运动微分方程。式中：X-煤粒瓦斯含量；r-煤粒内任一点半径。4、瓦斯渗透运动瓦斯在中孔（1m）以上的孔隙或裂隙内，由于压差作用下而产生的运动。流态：层流，粘性力为主，Re110。紊流，惯性力为主,线性层流渗透定律-Darcy定律表述式式中：K-煤层的渗透率，m2；-流体的绝对粘度，Pa.S;-流体的压力梯度，Pa/m。Darcy定律适应范围讨论：a)低Re区，Re110，为线性流，符合Darcy定律；b)中Re区，Re=10100，非线性渗流，不符合Darcy定律c)高Re区，Re100，紊流区。大多数情况下，煤层的瓦斯流动表现为服从Darcy定律。,2.2煤层瓦斯流动的基本定律,2.2煤层瓦斯流动的基本定律,非线性渗透定律-日本式中Vn-无因次流速；a-煤的瓦斯渗透性系数；m-指数；-无因次瓦斯压力梯度。渗透微分方程由Darcy定律和质量守恒定律，可推导得：,2.2煤层瓦斯流动的基本定律,三、煤层透气性系数是煤层瓦斯流动难易程度的标志。1、渗透系数（k）Darecy定律，k-渗透率，表示孔隙裂隙介质特征的参数。注：只与孔隙介质的孔隙多少、大小、形态、连通状况等有关，与流体的性质和压力无关。2、透气系数（）利用气体状态方程对Darcy表达式进行变换得：,2.2煤层瓦斯流动的基本定律,即：物理意义：断面为1m2的煤体两侧，瓦斯压力平方梯度为1MPa2/m时，流过的流量恰为1m3/d时的介质透气性。注意：表示给定气体在给定孔隙介质内的流动特性，对于其它气体必须根据它们的绝对粘度进行换算。说明：（1）煤层透气性系数相差很大。（2）与地压的关系。,2.2煤层瓦斯流动的基本定律,4、煤层透气性系数的测定（1）中矿法-钻孔流量法（2）马可尼法-压力恢复法。,2.2煤层瓦斯流动的基本定律,模块二：煤层瓦斯涌出,2.3煤层瓦斯涌出量及主要影响因素,2.3.1瓦斯涌出的概念1）瓦斯涌出量的含义-指在矿井建设和生产过程中从煤与岩石内涌出的瓦斯量。它是确定矿井瓦斯等级、进行矿井通风计算等方面的依据。2）瓦斯涌出量表示方法绝对瓦斯涌出量-单位时间涌出的瓦斯体积，单位为m3/d或m3/min：Qg=QC/100式中Qg绝对瓦斯涌出量，m3/min；Q风量，m3/min；C风流中的平均瓦斯浓度，。,相对瓦斯涌出量-矿井正常生产条件下，平均日产一吨煤所涌出的瓦斯体积。qg=Qg/A式中：qg相对瓦斯涌出量，m3/t；Qg绝对瓦斯涌出量，m3/d；A日产量，t/d说明：（1）相对瓦斯涌出量单位的表达式虽然与瓦斯含量的相同，但两者的物理含义是不同的，其数值也是不相等的。二者谁大？为什么？（2）相对涌出量的单位：m3/t，过去采用：m3/(t.d)是不正确的。,2.3煤层瓦斯涌出量及主要影响因素,3)瓦斯涌出强度-比瓦斯涌出量-单位时间（minord），单位暴露面积（cm2orm2）涌出的瓦斯体积。单位：m3/(d.m2)，m3/(min.m2)，cm3/(min.cm2)。4)瓦斯涌出形式-指矿井瓦斯在时间、空间上的分布形式。(1)普通涌出-长时间地、均匀地从煤体中涌出瓦斯。特点：时间上：连续不断空间上：普遍存在涌出强度：缓慢、均匀。,2.3煤层瓦斯涌出量及主要影响因素,(2)特殊涌出-矿井生产过程中，在某些特定地点、突然地于一段时间内大量涌出瓦斯的现象。特点：时间上：突然地、间隔的空间上：非普遍存在涌出强度：产生动力破坏。,2.3煤层瓦斯涌出量及主要影响因素,2.3.2掘进巷道的瓦斯涌出1)煤巷掘进工作面瓦斯涌出的构成及变化(1)瓦斯涌出构成巷道壁、迎头煤壁、采落煤炭。瓦斯涌出强度随时间的涌出而降低。,工作面,采落煤炭,巷道壁面,2.3煤层瓦斯涌出量及主要影响因素,(2)时空不均匀性机掘：开机后，瓦斯涌出量逐渐增大，达到极限稳定值。炮掘：放炮后（69min），瓦斯涌出迅速增长（520倍），然后下降经过一段时间恢复到初始值。时间与空间上存在瓦斯涌出与浓度的不均匀性是种潜在危险。,2.3煤层瓦斯涌出量及主要影响因素,2)瓦斯排放带深度tG当t达到一定时间后，煤壁基本上不涌出瓦斯时的瓦斯影响深度。3)煤巷排瓦斯极限期-Tj煤壁涌出瓦斯随着暴露时间的延长而逐渐减小，当达到Tj时，瓦斯涌出接近零，此时间称为排瓦斯极限期。一般为612个月。,2.3煤层瓦斯涌出量及主要影响因素,煤巷排瓦斯极限期测定：方法一：(1)实测煤壁暴露面瓦斯涌出比流量随暴露时间变化曲线(2)得出拟合合公式，(3)令q=0，即可解出Tj。方法二：（1）利用漏斗形铁皮罩盖在煤壁上，用黄泥堵严缝隙，从漏斗出口引出胶管取气样；（2）测定瓦斯浓度变化，在浓度几乎不增加的诸点中，暴露时间最小者即为Tj。,2.3煤层瓦斯涌出量及主要影响因素,4)掘进巷道瓦斯涌出量计算式中QCH4-绝对瓦斯涌出量，m3/d；M-煤层厚度,m;V-巷道掘进速度，m/d；t-单巷掘进时间，d；b-单巷宽度，m；x0,x1-煤层的原始瓦斯含量和剩余瓦斯含量，m3/tC1-瓦斯涌出特性系数。,2.3煤层瓦斯涌出量及主要影响因素,瓦斯涌出特性系数的测定测定方法：（1）在掘进巷道取三个断面；（2）同时测定三断面巷道风流中瓦斯平均浓度和风量；（3）计算瓦斯涌出量；（4）联立方程计算C。式中，t1，t2，t3分别为各测点的暴露时间。,2.3煤层瓦斯涌出量及主要影响因素,2.3.3回采工作面瓦斯涌出1)瓦斯涌出来源本开采煤层：煤壁、采空区、采落煤炭；厚煤层未采分层；采动影响邻近层；围岩。,2.3煤层瓦斯涌出量及主要影响因素,2)时空不均匀性A）落煤、放煤时与平均瓦斯涌出相比。水采：24倍；炮采：1.42.0倍；机采：1.31.6倍；风镐：1.11.3倍。B）从切眼起逐渐增大，达到一定距离后稳定（初次来压后），随老顶周期来压，瓦斯涌出呈周期性变化。C）对上行通风，从工作面下口至上口，瓦斯浓度逐渐增大，上隅角达到最大。,2.3煤层瓦斯涌出量及主要影响因素,D）沿走向方向瓦斯浓度分布3)回采工作面瓦斯涌出量计算(1)开采层瓦斯涌出量A)瓦斯含量法,2.3煤层瓦斯涌出量及主要影响因素,B）瓦斯涌出规律计算工作面煤壁瓦斯涌出：煤壁剩余瓦斯含量：每m3煤涌出瓦斯量：煤壁瓦斯涌出量：采落煤炭瓦斯涌出：煤壁剩余瓦斯含量：每m3煤涌出瓦斯量：采落煤炭瓦斯涌出量：开采层瓦斯涌出量：,（2）邻近层瓦斯涌出量邻近层-受采动影响能向开采煤层涌出瓦斯的煤层。式中：Ql-上下邻近层瓦斯涌出量；V-工作面推进速度；l-工作面斜长；X0i-第I邻近层原始瓦斯含量；mi-第I邻近层厚度;i-第I邻近层瓦斯涌出率；Xi-第I邻近层残余瓦斯含量；a、c-系数。,2.3煤层瓦斯涌出量及主要影响因素,（3）回采工作面瓦斯涌出量式中：Qb-本煤层瓦斯涌出量；Ql-邻近层瓦斯涌出量；Ct-取决于通风系统的系数。4）瓦斯涌出不均匀性矿井瓦斯涌出在时、空上都是不均匀的。正常变化：在某一地区瓦斯涌出的周期性变化，变化幅度某一数值。异常变化：特殊情况的变化（突出、喷出、大冒顶、大气压急剧变化）。矿井风量计算时一般取平均瓦斯涌出量，为满足周期变化的需要，应考虑一个系数kg-瓦斯涌出不均系数。,瓦斯涌出不均系数的含义：-某一段时间内，周期性最大瓦斯涌出量与平均瓦斯涌出之比。矿井瓦斯涌出不均系数表示为：kg=Qmax/Qa式中：kg给定时间内瓦斯涌出不均系数，一般大于1；Qmax该时间内的最大瓦斯涌出量，m3/min；Qa该时间内的平均瓦斯涌出量，m3/min；,2.3煤层瓦斯涌出量及主要影响因素,5）影响瓦斯涌出量的主要因素决定于自然因素和开采技术因素的综合影响。（1）自然因素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。一般地，煤层的瓦斯含量越高，开采时的瓦斯涌出量也越大。Exp：焦作中马村矿,淮南谢二矿C13煤，地面大气压变化。对回采工作面采空区和老空区、塌陷区、冒顶区瓦斯涌出有明显影响。美国：19101960，1/2的爆炸发生在气压急剧变化时期。,（2）开采技术因素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。A、在甲烷带内，随着开采深度的增加，相对瓦斯涌出量增大。B、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。C、矿井产量与矿井瓦斯涌出量间的关系比较复杂，达产前、达产后及产量收缩期。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；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，临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。,生产工艺瓦斯从煤层暴露面（煤壁和钻孔）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。所以落煤时瓦斯涌出量总是大于其它工序。风量变化矿井风量变化时，瓦斯涌出量和风流中的瓦斯浓度会发生扰动，但很快就会转变为另一稳定状态。,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。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（可达6070%），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。,2.3.4瓦斯积聚层瓦斯积聚：瓦斯浓度超过2%，其体积超过0.5m3的现象。瓦斯积聚层：瓦斯在其自身浮力作用下上升，积聚于巷道顶板形成稳定的瓦斯层。原因：1）巷道周壁不断涌出瓦斯（点或面涌出）；2）巷道风流含有瓦斯；3）巷道风速低，不能造成瓦斯与空气紊流混合。层厚：几cm几十cm,层长：几m几十m层内瓦斯浓度由下至上逐渐升高。,2.4矿井瓦斯等级及其鉴定一、矿井瓦斯等级划分原则：按矿井瓦斯涌出量的大小和瓦斯涌出形式。意义：便于进行分级管理，使矿井瓦斯管理趋于科学化。瓦斯矿井：一个矿井中只要有一个煤（岩）层发现瓦斯，该矿井即为瓦斯矿井。（第133条）突出矿井：矿井在采掘过程中，只要发生过1次煤（岩）与瓦斯突出（简称突出，下同），该矿井即为突出矿井。突出煤层：发生突出的煤层即为突出煤层。,根据矿井相对瓦斯涌出量、矿井绝对瓦斯涌出量和瓦斯涌出形式划分为：（一）低瓦斯矿井：矿井相对瓦斯涌出量小于或等于10m3/t且矿井绝对瓦斯涌出量小于或等于40m3/min。（二）高瓦斯矿井：矿井相对瓦斯涌出量大于10m3/t或矿井绝对瓦斯涌出量大于40m3/min。（三）煤（岩）与瓦斯（二氧化碳）突出矿井。二、矿井瓦斯等级鉴定每年必须对矿井进行瓦斯等级和二氧化碳涌出量的鉴定工作，报省（自治区、直辖市）负责煤炭行业管理的部门审批，并报省级煤矿安全监察机构备案。1、鉴定时的生产条件正常生产，产量不低该地区总产量的60%。,2、鉴定时间根据矿井生产和气候变化规律，选在瓦斯涌出量较大的一个月份。3、鉴定工作内容及要求（1）一月上、中、下旬某一天分三班进行。在矿井、煤层、一翼、水平和采区回风道中，分别测定风量和瓦斯浓度。（2）抽放瓦斯矿井，鉴定期间的抽放量应计算。（3）计算瓦斯涌出量。（4）编写鉴定报告。,2.5矿井瓦斯涌出量预测-指根据某些已知相关数据，按照一定的方法和规律，预先估算出矿井或局部区域瓦斯涌出量的工作。一、矿山统计法矿山统计法又可分为两种方法：1、瓦斯梯度法瓦斯梯度是指相对瓦斯涌出量每增加1m3/t时深度增加的米数。计算式：式中：H1、H2瓦斯风化带以下两次测定涌出量的深度，m，H2H1；q1、q2对应于H1、H2的相对瓦斯涌出量，m3/t。,注：a大说明瓦斯涌出量随深度增加慢。利用求得的瓦斯梯度，可对深部的瓦斯涌出量进行预测：式中q待求深度的相对瓦斯涌出量，m3/t；H对用于q的深度，m。适用条件与注意事项：地质采矿条件相似的地区；生产正常的矿井，瓦斯风化带以下12个阶段；足够的瓦斯涌出量数据；适用于甲烷带内，外推深度100200m。,2、一元回归法如果在已采区域测定有多个点的瓦斯涌出量，那么利用回归分析方法可得到更高的预测精度。假定某矿已采区的瓦斯涌出量实测数据如表2-1所示，根据已知数据作出的散点图如图2-1所示。表2-1瓦斯涌出量实测数据,拟合方程回归-利用最小二乘法回归方程：式中：,二、瓦斯含量法瓦斯含量法又称分源预测法。这种方法以煤层瓦斯含量为矿井瓦斯涌出量预测的主要依据，故称瓦斯含量法。世界上一些主要产煤国家如英国、前西德、法国、波兰、前苏联等，开始进行煤层瓦斯含量法预测矿井瓦斯涌出量的研究，提出了各自的计算公式。原理：采区相对瓦斯涌出量等于平均每采一吨煤各瓦斯涌出分量之和。每一分涌出量为：式中：mi/m1-瓦斯涌出源所在煤层厚度与采高之比；x0-瓦斯涌出源所在煤层原始瓦斯含量；x1-运到地面煤的残余瓦斯含量；Ci-i个瓦斯涌出源的瓦斯涌出率。,矿井瓦斯涌出来源：矿井瓦斯涌出可分为六个基本涌出源（图2-2）。,1、前苏联提出的预测公式(1)开采煤层（包括围岩）相对瓦斯涌出量式中：qk开采煤层（包括围岩）相对瓦斯涌出量，m3/t；K1k1围岩瓦斯涌出系数。全部陷落法管理顶板，取1.25，局部充填法，取1.20；全部充填法，取1.10；m0煤层厚度，m；m煤层采高，m；k2掘进巷道瓦斯排放系数；k3煤柱瓦斯涌出系数x0煤层瓦斯含量，m3/t；x1煤的残存瓦斯含量，m3/t。,(2)邻近煤层相对瓦斯涌出量式中ql邻近煤层相对瓦斯涌出量，m3/t；n邻近层数目；mi第i邻近层厚度，m；m开采层采高，m；x0i第i邻近层瓦斯含量，m3/t；x1i第i邻近层残存瓦斯含量，m3/t；hi第i邻近层与开采层的层间距，m；hp采动后煤层顶底板岩石受到影响的范围，m。,（3）掘进巷道煤壁绝对瓦斯涌出量式中Q1掘进巷道煤壁绝对瓦斯涌出量，m3/min；Q0煤壁瓦斯涌出初始强度，可用经验公式推算：(4)掘进落煤绝对瓦斯涌出量式中Q2掘进落煤绝对瓦斯涌出量，m3/min；m0巷道中的煤层厚度，m；b巷道宽度，m；V掘进速度，m/min；d煤的容重，t/m3。,（5）生产采区瓦斯涌出量,（6）矿井瓦斯涌出量,矿井瓦斯涌出量为矿井内全部生产采区和已采采区（包括其它辅助巷道）瓦斯涌出量之和，其计算公式为：,2、温特尔法3、英国采矿研究所法,开采层瓦斯涌出,邻近层瓦斯涌出,开采层瓦斯涌出,邻近层瓦斯涌出,对现有预测方法的讨论：瓦斯含量法在我国是一种较新的预测方法，已基本上达到实用化阶段。这种方法既考虑了决定瓦斯涌出量大小的基本因素煤层瓦斯含量，还考虑了一些相关的地质因素和开采因素。瓦斯含量法还没有形成统一、公认的预测公式。各种方法在确定各涌出源的瓦斯涌出率时所考虑的影响因素不同，或采用的物理模型不一样，因而形成了不同的计算公式。对同一矿井采用不同的瓦斯含量法，其预测结果相差较大。瓦斯含量法以煤层瓦斯含量作为预测的基础依据，因而对煤层瓦斯含量测定值的可靠性和含量点的分布及密度有较高的要求。矿山统计法是我国目前应用较为广泛的预测方法。由于矿山统计法仅考虑瓦斯涌出量与开采深度一个因素之间的关系，故其适用范围受到一定的限制。,2.6矿井瓦