矿井瓦斯涌出及瓦斯喷出.ppt

1,第三讲矿井瓦斯涌出及瓦斯喷出,内容提要,一、煤层瓦斯流动基本规律二、瓦斯涌出量及其主要影响因素三、矿井瓦斯等级及其鉴定四、瓦斯涌出防治五、瓦斯喷出的分类及其特点六、瓦斯喷出的危害七、瓦斯喷出的防治,3,一、煤层瓦斯流动基本规律,煤的结构：孔隙-裂隙系统,CH4,CH4,CH4,CH4,CH4,连通裂隙：瓦斯运移主要通道,非连通孔隙：瓦斯扩散主要通道,煤层受地应力的作用，孔隙-裂隙系统尺寸和闭合程度会受到影响，透气性发生较大的变化。,4,一、煤层瓦斯流动基本规律,1.煤层瓦斯流场分类,煤层内瓦斯流动空间的范围称为流场。在流场内，瓦斯呈现流动状态，具有流向、流速与瓦斯压力梯度或浓度梯度。,按空间瓦斯流动方向变化,流场分类,按流场在时间上的变化,单向流动,径向流动,球向流动,稳定流动,非稳定流动,5,一、煤层瓦斯流动基本规律,1.煤层瓦斯流场分类,（1）单向流动,在x、y、z三维空间内，只有一个力向有流速，其它两个方向流速为零。例如薄及中厚煤层中的煤巷与回来工作面煤壁内的瓦斯流动就属于单向流动。*厚煤层当巷道不能揭露整个煤厚时，在垂直方向上流速不为零，不是单向流动。,6,一、煤层瓦斯流动基本规律,1.煤层瓦斯流场分类,（2）径向流动,在x、y、z三维空间内，在两个方向有分速度，第三个方向的分速度为零。例如石门、竖井、钻孔垂直穿透煤层时，在煤壁内的瓦斯流动就属于这一类，其等瓦斯压力线平行煤壁呈近似同心圆形。,7,一、煤层瓦斯流动基本规律,1.煤层瓦斯流场分类,（3）球向流动,在x、y、z三维空间内，在三个方向都有分速度。例如在厚煤层中煤巷的掘进工作面煤壁内、钻孔或石门进入煤层时以及采落的煤块从其中涌出瓦斯的流动。,8,一、煤层瓦斯流动基本规律,1.煤层瓦斯流场分类,（4）非稳定流动,稳定流场中任何一点的流速、流向和瓦斯压力不随时间而变化。例如经过长期排放(150天)的煤壁趋于稳定流场。,（5）稳定流动,非稳定流场中任何一点的流速、流向和瓦斯压力都随时间而变化。如煤层暴露初期的瓦斯流场都是非稳定流场。,9,一、煤层瓦斯流动基本规律,2.瓦斯扩散运动及菲克定律（FickLaw）,瓦斯在孔隙-裂隙系统内的运移可分为两类，一类是扩散运动，遵守菲克定律（Ficklaw），另一类是渗透运动，遵守达西定律（Dacylaw）。,瓦斯在小孔(1m)与微孔(0.1m)内的运移主要为扩散运动，即瓦斯分子在其浓度(或密度)梯度的作用下由高浓度向低浓度方向运移。可用菲克(Fick)定律来描述。式中：dm微单元上的瓦斯扩散量，m3/m2；dc/dl瓦斯浓度梯度或密度梯度，（m3/m3）/m;D扩散系数，m2/s。,描述气体扩散现象的宏观规律，这是生理学家菲克（Fick）于1855年发现的。包括两个内容：（1）在单位时间内通过垂直于扩散方向的单位截面积的扩散物质流量（称为扩散通量Diffusionflux，用J表示）与该截面处的浓度梯度(Concentrationgradient)成正比，也就是说，浓度梯度越大，扩散通量越大。这就是菲克第一定律。（2）在非稳态扩散过程中，在距离x处，浓度随时间的变化率等于该处的扩散通量随距离变化率的负值。这是菲克第二定律，,10,一、煤层瓦斯流动基本规律,3.瓦斯渗流运动及达西定律（DacyLaw）,圆筒横断面积为A，其中充填均匀的砂粒，砂层厚度为l，由金属网支托。水由稳压水箱经水管A流入圆筒中，再经砂层渗滤后由出水管B流出。其流量由量筒C量测，在砂层上下两端装测压管以量测渗流的水头损失。在1856年，达西利用左图装置，通过了大量的试验研究，得到圆筒内的渗流量Q与圆筒横断面积A和水力坡度J成正比，并和沙粒的透水性能有关。达西总结得出渗流能量损失与渗流速度之间的关系：Q=kAJ,11,瓦斯在小孔(1m)以上的孔隙或裂隙内的运移，可能有两种形式：层流与紊流，层流又分为线性渗透层流与非线性渗透层流，各服从不同的规律。,一、煤层瓦斯流动基本规律,3.瓦斯渗流运动及达西定律（DacyLaw）,低雷诺区（Re100）,非线性层流：服从非线性渗流定律。,紊流：惯性力占优势。,12,瓦斯在小孔(1m)以上的孔隙或裂隙内流动的雷诺数Re1m)以上的孔隙或裂隙内流动的雷诺数Re110时，此时为非线性层流，符合：式中：Vn无因次流速；a煤的瓦斯渗透性常数；m指数，不同的矿井m值不同；无因次瓦斯压力梯度。,一、煤层瓦斯流动基本规律,4.非线性渗流定律,14,根据达西定律和质量守恒定律，瓦斯在煤层孔隙裂隙系统中进行单向非稳定线性渗透流动时：式中：x煤层瓦斯含量，m3/m3；煤层透气性系数，m2/(MPa2d)；P瓦斯压力的平方，P=p2，MPa2；l单向流体长度，m。,一、煤层瓦斯流动基本规律,5.单向非稳定渗流微分方程,15,煤层透气系数是煤层瓦斯流动难易程度的标志。式中：Vn换算成标准状况下的流速，m/d；煤层透气性系数，m2/(MPa2d)。透气性系数的物理意义：在1m3煤体的两侧，瓦斯压力平方差为1MPa2时，通过1m长度的煤体，在1m2煤面上每日流过的瓦斯量(t，标准大气压力下)。单位换算1m2/(MPa2d)=2.5x1017m2=0.025毫达西,一、煤层瓦斯流动基本规律,6.煤层的透气性系数,16,煤的孔隙-裂隙系统对地应力的作用非常数感，当压应力增高时，煤的透气系数下降；反之压应力减少(卸压)时，煤的透气系数则增加。,一、煤层瓦斯流动基本规律,6.煤层的透气性系数,加载应力，MPa；b系数。,17,一、煤层瓦斯流动基本规律,7.煤层的透气性系数测定方法概述,目前煤层透气性系数的现场测定方法主要有：前苏联学者提出的雅罗伏依法、克里切夫斯基流量法和压力法、马可尼压力法以及钻孔流量法。中国矿业大学周世宁教授在总结已有煤层透气性系数测定方法的基础上，根据煤层瓦斯径向不稳定流量理论，提出了新的煤层透气性系数测定方法-周世宁法。,18,内容提要,一、煤层瓦斯流动基本规律二、瓦斯涌出量及其主要影响因素三、矿井瓦斯等级及其鉴定四、瓦斯涌出防治五、瓦斯喷出的分类及其特点六、瓦斯喷出的危害七、瓦斯喷出的防治,19,（1）瓦斯涌出量的定义瓦斯涌出量是指在矿井建设和生产过程中从煤与岩石中涌出的瓦斯量。绝对瓦斯涌出量在单位时间内涌出的瓦斯量，单位为m3/min或m3/d；相对瓦斯涌出量平均日产一吨煤所涌出的瓦斯量，单位是(m3/t)。,二、瓦斯涌出量及其主要影响因素,1.瓦斯涌出量的概念,式中：qCH4相对瓦斯涌出量，m3/t；QCH4绝对瓦斯涌出量，m3/min；A日产煤量，t。,20,（2）瓦斯涌出量的形式指瓦斯涌出在时间上与空间上的分布形式。普通涌出在时间和空间上均匀、不间断涌出。如：煤壁瓦斯涌出、采空区不间断瓦斯涌出等。特殊涌出不均匀间断涌出。包括老顶来压时采空区瓦斯突然涌出、落煤、片帮时的瓦斯突然涌出以及瓦斯喷出、瓦斯突出等。,二、瓦斯涌出量及其主要影响因素,1.瓦斯涌出量的概念,21,构成包括三部分：煤壁、迎头煤壁和采落煤的瓦斯涌出。煤壁掘成并已支护的巷道煤壁瓦斯涌出，均匀涌出并逐渐衰减。迎头煤壁掘进新暴露出来的煤壁，初始瓦斯涌出量大。采落煤落煤时煤体破碎，煤中瓦斯迅速大量释放，随后在装运过程中逐渐释放。,二、瓦斯涌出量及其主要影响因素,2.掘进巷道的瓦斯涌出,22,变化特点：由于掘进落煤、运煤、支护、打眼放炮（炮掘）的等作业是循环进行的，因此瓦斯涌出就表现出周期性的波动涌出。放炮及炮后12h涌出量最大，随后趋于正常。,二、瓦斯涌出量及其主要影响因素,2.掘进巷道的瓦斯涌出,23,瓦斯积聚层：由于瓦斯比空气轻，具有上浮的特点，加之顶煤瓦斯涌出，当顶板不平滑且风量不足时，巷道顶部可能形成高浓度瓦斯的层状积聚。,二、瓦斯涌出量及其主要影响因素,3.巷道瓦斯积聚层,V=0.5m/s,QCH4=5.6L/s,0m15m30m,24,瓦斯积聚层：由于瓦斯比空气轻，具有上浮的特点，加之顶煤瓦斯涌出，当顶板不平滑且风量不足时，巷道顶部可能形成高浓度瓦斯的层状积聚。,二、瓦斯涌出量及其主要影响因素,3.巷道瓦斯积聚层,25,回采工作面瓦斯涌出构成：本煤层、邻近层、采空区的瓦斯。,二、瓦斯涌出量及其主要影响因素,4.回采工作面的瓦斯涌出,26,（1）自然因素煤层和围岩的瓦斯含量,二、瓦斯涌出量及其主要影响因素,5.影响瓦斯涌出的主要因素,煤层瓦斯含量：W（m3/t）,煤层中包含的游离瓦斯和吸附瓦斯总量。,相对瓦斯涌出量：q（m3/t）,开采煤层的瓦斯涌出量。q=（W0-Wc）3m3/minorq采5m3/min。（三）瓦斯矿井：q相10m3/t，andq绝40m3/min。q掘3m3/minandq采5m3/min。,36,三、矿井瓦斯等级及其鉴定,2.矿井瓦斯等级鉴定,AQ1025-2006矿井瓦斯等级鉴定规范（1）瓦斯等级鉴定的条件在“正常生产条件（conditionofnormalproduction）”下进行；测定区域（矿井、煤层、翼、水平或采区）的实际产量（包括回采和掘进）达到该区域设计产量（或正常产量）的60%以上的条件。选择一年内矿井绝对瓦斯涌出量最大的月份进行，分上、中、下旬各取一天（相隔10天），每天分3班（或4班）进行测定工作；鉴定前应编制好瓦斯等级鉴定计划，做好组织分工和人员培训；鉴定前检查并确保仪器仪表符合技术要求。,37,三、矿井瓦斯等级及其鉴定,2.矿井瓦斯等级鉴定,AQ1025-2006矿井瓦斯等级鉴定规范（2）测定内容：风量；风流中（进风和回风）CO2和CH4浓度：C=C回-C进；当月瓦斯抽放量；当月产煤量。,38,三、矿井瓦斯等级及其鉴定,2.矿井瓦斯等级鉴定,AQ1025-2006矿井瓦斯等级鉴定规范（3）测定地点：矿井进、回风测风站；每个水平总进、回风测风站；每个煤层总进、回风测风站；每翼总进、回风测风站；每个采区总进、回风测风站。,1主井；2副井，3井底车场；4主要运输石门；5阶段运输大巷；6回风井；7回风石门；8回风大巷；9采区运输石门；10采区下部车场底板绕道；11采区下部车场；12采区煤仓；13行人进风巷；14运输上山；15轨道上山；16上山绞车房；17采区回风石门；18采区上部车场；19采区中部车场；20区段运输平巷；21下区段回风平巷；22联络巷；23区段回风平巷；24开切眼；25采煤工作面,40,三、矿井瓦斯等级及其鉴定,2.矿井瓦斯等级鉴定,AQ1025-2006矿井瓦斯等级鉴定规范（4）测定要求：每班正常生产时刻进行；约定时间在同一时刻进行。,41,AQ1025-2006矿井瓦斯等级鉴定规范（5）相关计算：矿井绝对瓦斯涌出量式中：n每天班次，“三八制”时，n=3；“四六制”时，n=4。,三、矿井瓦斯等级及其鉴定,2.矿井瓦斯等级鉴定,矿井相对瓦斯涌出量,42,内容提要,一、煤层瓦斯流动基本规律二、瓦斯涌出量及其主要影响因素三、矿井瓦斯等级及其鉴定四、瓦斯涌出防治五、瓦斯喷出的分类及其特点六、瓦斯喷出的危害七、瓦斯喷出的防治,43,四、瓦斯涌出防治,针对瓦斯来源的数量及其变化规律等特征，采取相适应的控制技术进行治理，并通过方案对比，选用效果好、经济佳、适用、最优的治理方法。,分源治理：,分级管理：,综合防治：,按瓦斯危险程度对矿井进行分级，并按瓦斯危险等级进行管理，采区专门的治理措施。,以消除瓦斯危险为方向，以确保生产中人身安全为主要目标，采取专题研究、现场考察、多项技术配合、设备与工程保障等综合的防治措施治理瓦斯。,1.瓦斯涌出防治原则,44,四、瓦斯涌出防治,2.分源治理,掘进工作面,巷道煤壁瓦斯涌出,顺层钻孔边掘边抽,顺层浅孔抽放,巷帮钻墙截流,巷道迎头瓦斯涌出,迎头钻孔预抽,煤层注水,快速运煤,巷道落煤瓦斯涌出,控制掘进度和落煤量,双巷掘进、全负压通风,45,四、瓦斯涌出防治,2.分源治理,回采工作面,工作面煤壁瓦斯涌出,采前预抽,边采边抽,工作面浅孔注水,工作面割煤瓦斯涌出,采落煤洒水快运,控制推进速度,采空区抽采,采空区瓦斯涌出,邻近层(预)抽采,瓦斯尾巷、改造通风系统,46,四、瓦斯涌出防治,2.分源治理,老空区,封闭老空区,加强闭墙质量,预埋管抽采,封闭区瓦斯抽采,尾巷抽采,钻孔抽采,47,四、瓦斯涌出防治,2.分源治理,独头巷道排放瓦斯,避免盲巷（6m）,局扇直接排放法,瓦斯浓度3%，积存量不大，直接通风排放不超限。,48,四、瓦斯涌出防治,2.分源治理,独头巷道排放瓦斯,避免盲巷（6m）,局扇直接排放法,风筒增阻排放法,瓦斯积存量大，直接排放易造成瓦斯超限。用绳子绑风筒控制风量。难度大！,49,四、瓦斯涌出防治,2.分源治理,独头巷道排放瓦斯,避免盲巷（6m）,局扇直接排放法,风筒增阻排放法,风筒接头调风法,风筒在外部把接头断开，利用接头漏风调节风量，逐渐稀释瓦斯，监控回风流浓度。,50,四、瓦斯涌出防治,2.分源治理,独头巷道排放瓦斯,避免盲巷（6m）,局扇直接排放法,风筒三通调风法,风筒增阻排放法,风筒接头调风法,事先在外部风筒上安装三通，平时封堵分支，排放瓦斯前打开用以同届风量。,51,四、瓦斯涌出防治,2.分源治理,独头巷道排放瓦斯,避免盲巷（6m）,局扇直接排放法,风筒三通调风法,风筒增阻排放法,风筒接头调风法,逐段通风排放法,独头长，瓦斯量大。由外向内逐段恢复通风。风筒逐渐向内接，冲出风流瓦斯2%。,局扇,52,四、瓦斯涌出防治,2.分源治理,独头巷道排放瓦斯,避免盲巷（500m3/min，总量75100m3，持续时间109h，瓦斯浓度50%。,66,五、瓦斯喷出的分类及其特点,2.（卸压）瓦斯沿采掘地压生成的裂缝喷出,67,五、瓦斯喷出的分类及其特点,2.（卸压）瓦斯沿采掘地压生成的裂缝喷出,实例2.发生前预兆：回采面突然来压，支架折断，底鼓0.4-0.5m，煤变软变湿，底板出现“咝咝”声，压力显现激烈。事故后果：（1）风流逆流（180m）；（2）瓦斯浓度超限50%；（3）巷道底鼓，产生宽度100mm的倾向裂缝，裂缝中岩石有擦痕，中填方解石，为新生裂隙。潜在危险：（1）瓦斯爆炸，瓦斯燃烧；（2）窒息事故。,68,五、瓦斯喷出的分类及其特点,3.瓦斯沿钻孔喷出,发生地点：大多数发生在掘进工作面打探钻的过程。发生特点：1.时间：持续时间较短；2.预兆：有明显的地压显现预兆，响煤炮等；3.位置：掘进巷道迎头大探钻；4.裂缝：钻孔；5.沟通性：钻孔与溶洞、砂岩、高瓦斯煤层等相通；6.瓦斯来源：喷出的瓦斯主要来源于卸压瓦斯或承压瓦斯。,69,五、瓦斯喷出的分类及其特点,3.瓦斯沿钻孔喷出,实例.抚顺煤矿发生的33次钻孔瓦斯喷出动力现象，不仅巷道充满高浓度瓦斯，最长116m巷道瓦斯浓度10%以上，逆风40m瓦斯浓度2%以上，喷出瓦斯总量2500m3)，而且大多将钻杆顶出（有16次将钻杆顶出10m以外，有5次顶出40m以外；有3次分别将196m、186m、230m的钻杆全部顶出)，钻杆弯曲(大多呈120环状弯曲)、折断(最多断为13段)，有的钻杆插入岩帮或底扳(一般0.3-0.5m，最深达0.85m)；喷出的高压瓦斯气流将钻机推倒甚至推出数米远；喷出的煤粉等抛出物将钻机埋住，也曾多次造成人员受伤事故。,70,五、瓦斯喷出的分类及其特点,3.瓦斯沿钻孔喷出,抚顺矿区钻孔瓦斯喷出事故情况,71,内容提要,一、煤层瓦斯流动基本规律二、瓦斯涌出量及其主要影响因素三、矿井瓦斯等级及其鉴定四、瓦斯涌出防治五、瓦斯喷出的分类及其特点六、瓦斯喷出的危害七、瓦斯喷出的防治,72,六、瓦斯喷出的危害,（1）瓦斯超限，引发瓦斯爆炸、瓦斯燃烧；（2）吹扬煤尘，引发煤尘爆炸；（3）顶底板变形、支柱支架破坏；（4）岩石断裂、破坏冲击，产生火花；（5）损坏采掘设备；（6）瓦斯气体、煤尘、煤块冲击伤人；（7）瓦斯窒息；（8）毁坏采掘工程，冻结煤炭资源。,73,内容提要,一、煤层瓦斯流动基本规律二、瓦斯涌出量及其主要影响因素三、矿井瓦斯等级及其鉴定四、瓦斯涌出防治五、瓦斯喷出的分类及其特点六、瓦斯喷出的危害七、瓦斯喷出的防治,74,七、瓦斯喷出的防治,预防与处理瓦斯喷出的措施；应根据瓦斯喷出的类型、喷出瓦斯量的大小和瓦斯压力的高低来拟定。一般可采用“探、排、引、堵、风”的综合技术措施。（1）探探明地质构造在掘进巷道的前方和两侧打钻孔，探明是否存在含有瓦斯的断层、裂隙、溶洞等地质构造，以便了解它们的位置、范围以及储存瓦斯的多少等情况，为采取针对性措施提供参考。（2）排排(抽)放瓦斯如果探明断层、裂隙、溶洞不大或瓦斯量不多时，则可让它自然排放；否则需打钻孔进行抽放；而若掘进工作面及巷道有较多细小裂隙，且分布较广时，可暂时停止掘进，封闭巷道接管抽放。,1.综合预防措施,75,七、瓦斯喷出的防治,（3）引引导瓦斯喷出瓦斯的裂隙范围较小且喷出瓦斯量不大时，可用金属罩或帆布罩将喷瓦斯的裂隙盖住，然后在罩上接风简或管路，将瓦斯引到回风巷道或引到距离工作面20m以外的巷道小，以保证工作面安全爆破。（4）堵封堵裂隙喷出瓦斯的裂隙较广、喷出瓦斯量很小时，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。（5）风加强通风对于有瓦斯喷出危险的工作面，要有独立的通风系统，实行独立通风，并应加大供风量。,1.综合预防措施,76,七、瓦斯喷出的防治,（1）第一类（承压）瓦斯沿原地质构造洞缝喷出探明地质构造和瓦斯存储情况在有瓦斯喷出的区域，掘进施工之前定要通过前探钻孔等手段，探明巷道前方的地质构造、溶洞裂隙的位置分布及瓦斯储量等。对于溶洞及断层带和无吸附能力的砂岩、石灰岩洞统的存储瓦斯容积，可用下式计算：式中：V存储瓦斯洞缝的体积，m3；Q井下现场测试时，两次测压期间从洞缝排出的瓦斯量，m3；p1,p2,p0排瓦斯之前、后瓦斯压力和测点大气压，kPa。,2.分类预防处理,77,七、瓦斯喷出的防治,（1）第一类（承压）瓦斯沿原地质构造洞缝喷出采用引排、抽放综合措施处理瓦斯,2.分类预防处理,(a)竖井井壁瓦斯喷出引排(b)平巷较大面积瓦斯喷出引排1）引排处理瓦斯喷出,78,七、瓦斯喷出的防治,（1）第一类（承压）瓦斯沿原地质构造洞缝喷出采用引排、抽放综合措施处理