第9章矿井瓦斯.ppt

1、第九章 矿井瓦斯,第二节 煤层瓦斯赋存与含量,第一节 概述,第三节 矿井瓦斯涌出,第四节 瓦斯喷出,第五节 煤（岩）与瓦斯突出及其预防,第六节 瓦斯爆炸及其预防,第七节 瓦斯抽放,本章的主要内容： 瓦斯概念、煤层瓦斯赋存与含量、矿井瓦斯涌出、瓦斯喷出与突出、瓦斯爆炸与预防、瓦斯抽放 本章的难点： 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煤与瓦斯突出瓦斯爆炸及其预防 教学难点： 突出机理影响瓦斯爆炸浓度的参数瓦斯含量及瓦斯涌出量的影响因素,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）、

2、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。 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5

3、7，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。 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。 四、事故案例 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。 自

4、1675年英国茅斯汀矿发生第一次大型瓦斯爆炸事故以后（我国最早关于瓦斯爆炸的文献记载见于1603年），世界各产煤国家都发生过各种损失程度的瓦斯爆炸事故。 天工开物之燔石章论及竖井采煤在井下安装巨竹筒以排除瓦斯和巷道支护的技术。,第二节 煤层瓦斯赋存与含量 一、瓦斯的成因与赋存 （一）矿井瓦斯的成因 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

5、。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

6、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 煤体是一种复杂的多孔性固体，包括原生孔隙和运动形成的大量孔隙和裂隙，形成了很大的自由空间和孔隙表面。 煤层中瓦斯赋存两种状态：游离状态、吸附状态 (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， 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

7、 斯压力成正比，与瓦斯温度成反比。,（二）瓦斯在煤体内存在的状态 （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）。 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

8、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。,二、煤层中瓦斯垂直分带 形成原因：当煤层直达地表或直接为透气性较好的第四系冲积层覆盖时，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。 四带：CO2- N2带、N2带、N2CH4带、CH4带。前三个带称为瓦斯风化带。 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

9、斯风化带下界深度确定依据：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； （4）煤的瓦斯含量达到下列数值处：长焰煤1.01.5 m3/t（C.M.），气煤1.52.0m3/t（C.M.），肥煤与焦煤2.02.5m3/t(C.M)，瘦煤2.53.0m3/t(C.M.)，贫煤3.04.0m3/t(C.M.)，无烟煤5.07.0m3/t(C.M.)（此处的C.M.是指煤中可燃质既固定碳和挥发分） 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。

10、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 (一)、煤的瓦斯含量是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 m3/m3(cm3/cm3)或 m3/t(cm3/g)。 煤的瓦斯含量包括游离瓦斯和吸附瓦斯含量之和。 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。 (二)、主要影响因素： 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。主要是物理

11、吸附，煤分子与瓦斯分子间的作用力(范德华力) 2、煤层露头-长时间与大气接触 3、煤层的埋藏深度 -深，瓦斯大 4、围岩透气性-泥岩、完整石灰岩低透气性 5、煤层倾角-大，瓦斯小，小，瓦斯大 6、地质构造-封闭地质构造，瓦斯大；开放的地质构造，瓦斯小 7、水文地质条件-水流，带走瓦斯；水大瓦斯小，水小瓦斯大,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

12、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。,四、煤层内的瓦斯压力 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。 瓦斯带内瓦斯压力变化规律： 末受采动影

13、响的煤层内的瓦斯压力，随深度的增加而有规律地增加，可以大于、等于或小于静水压。 瓦斯压力梯度： 或,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，称为特殊涌出，主要有瓦斯喷出和煤与瓦斯突出。 一、瓦斯涌出量 1、含义：矿井建设或生产过程中从煤与岩石内涌出的瓦斯量；矿井瓦斯涌出量或翼、采区或工作面的瓦斯涌出量。 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： 相对瓦斯涌出量-平均日产一吨煤同期所涌出的瓦斯量，单位是

14、m3/t。 （对应Qg为m3/d）,注意：瓦斯涌出量与瓦斯含量的大小不相等！因为瓦斯涌出量中除开采煤层涌出的瓦斯外，还有来自临近层和围岩的瓦斯，所以相对瓦斯涌出量一般要比瓦斯含量大。矿井瓦斯涌出量是决定矿井瓦斯等级和计算风量的依据。 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、影响瓦斯涌出的因素 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

15、和围岩的瓦斯含量。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。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、开采规模产量与瓦斯涌出量的关系复杂，开采深度、开拓与开采范围和矿井产量大，矿井瓦斯涌出量也就越大。 2、开采顺序与回采方法 -先开采，大；回采率低，大；顶板管理 3、生产工艺-初期大，呈指数下降；落煤时瓦斯涌出量大 4、风量变化-单一煤层，随风量减而增；煤层群随风量增而增 5、采区通风系统-上隅角大 6、采空

16、区的密闭质量-采空区积存着大量高浓度的瓦斯（可达6070）,三、矿井瓦斯涌出来源的分析与分源治理 为了有效地治理瓦斯，每一个矿井都要掌握影响瓦斯涌出的主要因素和各涌出来源在总量中所占的比重，这是矿井风量分配和日常瓦斯治理工作的基础。 按划分目的不同，对矿井瓦斯来源有三种划分方式： 按水平、翼、采区来进行划分，作为风量分配的依据之一； 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； 按开采区、临近区划分，它是采煤工作面治理瓦斯工作的基础 一般是将全矿（或冀、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。其测定方法是同时测定全矿井、各回采区和各掘进区的绝

17、对瓦斯涌出量。 四、瓦斯涌出不均系数 正常生产过程中，矿井绝对瓦斯涌出量受各种因素的影响其数值是经常变化的，但在一段时间内只在一个平均值上下波动，峰值与平均值的比值称为瓦斯涌出不均系数。 矿井瓦斯涌出不均系数表示为： kg=Qmax/Qa 方法：确定区域，进回风量、瓦斯浓度,五、矿井瓦斯等级 1.矿井瓦斯等级划分 规程第一百三十三条 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。瓦斯矿井必须依照矿井瓦斯等级进行管理。 矿井瓦斯等级，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

18、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。 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）煤炭管理部门审批，并报省（自治区、直辖市）煤矿安全监察机构备案。 新矿井设计文件中，应有各煤层的瓦斯含量资料。 矿井在采掘过程中，只要发生过煤层定为突出煤层。,2、矿井瓦斯等级鉴定 （1）鉴定时间和基本条件 矿井瓦斯等级的鉴定工作应在正常生产的条件下进行，选择矿井瓦斯绝对涌出量较大的月份，一般在七、八月份。 （2）测点选择和测定内容及要求，确定矿井瓦斯等级时，是按每一自然矿井、煤层、一翼、水平和各采区分别计算相对瓦斯涌出量，并取其中最大值（而不是全矿井的平均值）。所以测点应布置在每一通风系统的主要通风机的风硐、各水平、各煤层和各采区的回风道测风站内。 （3）矿井瓦斯等级的确定，矿井瓦斯等级以最大的相对瓦斯涌出量和有、无煤与瓦斯突出，按分级标准确定,六、矿井瓦斯涌出量预测 1、瓦斯涌出量的预测：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。 瓦斯涌出量的预测的方法： 从目前的研究现状来看：瓦斯涌出量