1、矿井瓦斯防治技术,Gas & dust,第一部分 矿井瓦斯防治技术 第1章 煤层瓦斯赋存与含量1.1 矿井瓦斯的概念与性质1.2 煤层瓦斯的成因1.3 煤层瓦斯赋存的垂直分带性1.4 煤的孔隙特征1.5 煤的吸附特性1.6 煤层瓦斯压力1.7 煤层瓦斯含量1.8 影响煤层瓦斯含量的主要因素,目 录,第2章 矿井瓦斯涌出2.1 煤层瓦斯流动的基本规律2.2 煤层瓦斯涌出量及主要影响因素2.3 矿井瓦斯等级及其鉴定2.4 矿井瓦斯涌出量预测2.5 矿井瓦斯涌出防治 第3章 瓦斯喷出及其预防3.1 瓦斯喷出的分类及其特点3.2 瓦斯喷出的防治,第4章 煤与瓦斯突出及其防治4.1 煤与瓦斯突出概况4.
2、2 矿井瓦斯动力现象及分类4.3 采掘工作面瓦斯动力现象的特点4.4 煤与瓦斯突出机理4.5 煤与瓦斯突出的一般规律4.6 区域性防突措施4.7 采掘工作面防突措施4.8 煤与瓦斯突出的预测4.9 岩石与二氧化碳的预防,第5章 矿井瓦斯爆炸及其预防5.1 矿井瓦斯爆炸及作用机理5.2 瓦斯爆炸的传播及其后果5.3 煤矿爆炸性气体的安全技术参数5.4 煤矿瓦斯爆炸原因分析5.5 预防瓦斯爆炸的技术措施 第6章 煤矿瓦斯抽放技术6.1 煤矿瓦斯抽放可行性分析6.2 瓦斯抽放设计基础6.3 抽放瓦斯方法及工艺参数6.4 抽放瓦斯设备及参数设计6.5 瓦斯利用,第一部分 矿井瓦斯防治技术,第1章 煤层
3、瓦斯赋存与含量1.1 矿井瓦斯的概念与性质 一、矿井瓦斯的含义 广义：井下除正常空气的大气成份以外，涌向采矿空间的各种有毒、有害气体总称。 狭义：煤矿生产过程中从煤、岩内涌出的，以甲烷为主要成份的混合气体总称。,矿井瓦斯成分很复杂，其主要成分是甲烷(CH4)，其次是二氧化碳(CO2)和氮气(N2)，还含有少量或微量的重烃类气体（乙烷、丙烷、丁烷、戊烷等）、氢（H2）、一氧化碳（CO）、二氧化硫(SO2)、硫化氢(H2S)等。由于甲烷（俗称沼气）是矿井瓦斯的主要成分，因而人们习惯上所说的瓦斯，通常指甲烷而言。 来源：（1）煤、岩层涌出（烷烃、环烷烃、芳香烃）；（2）生产过程中产生（CO2、NO2
4、、H2等）（3）井下化学、生物化学反应生成 （CO2、H2S、SO2）；（4） 放射性元素蜕变过程生成（Rn、He等）,二、CH4的性质无色、无味、无嗅的气体，可燃烧、爆炸；分子量：16.049，分子直径：0.41nm，密度：0.716Kg/m3（气态）、 424.5 Kg/m3（液态）相对空气密度：0.554,难溶入水: 在101.3 KPa , 20条件下 , 3.31l/100lH2O 三、 CH4的危害及其经济价值1、危害性（1） 燃烧、爆炸（2）窒息（3）喷出、突出,2、重要能源CH4 + 2O2 CO2 + 2H2O + Q1m3CH4 37022.2kJ 相当于11.5Kg烟煤。
5、重要的化工原料。 1.2 煤层瓦斯的成因有机源气体-腐植有机物（高等植物）成煤过程。煤层瓦斯是腐植型有机物（植物）在成煤过程中生成的两个阶段：（1）生物化学阶段（从植物遗体到泥炭）4C6H10O5 7CH4 + 8CO2 + C9H6O + 3H2O特点：埋藏浅，覆盖层胶结不好，煤层保存气体少。,（2）变质阶段（从泥炭到烟煤）泥炭 褐煤 烟煤 无烟煤如：4C16H18O5 C57H56O10 + 4CO2 + 3CH4 + 2H2OC57H56O10 C54H42O5 + CO2 + 2CH4 + 3H2OC54H42O5 C13H4 + 2CH4 + H2O,P 、t,P 、t,P 、t,特
6、点：（1）碳化过程生成的大量气体。初期：主要为CO2，CH4不多。随着碳化程度的提高，CO2减少，CH4增多，同时生成重烃。（2）碳化的同时，煤的物质分子式、结构发生变化；（3）因覆盖层增厚，生成的气体大多得以保存。但煤层瓦斯含量远小于生成量。减少的原因：（1）地质构造运动；（2）运移到适于贮存地点，形成气藏；（3）溶解于水中（长久地质年代过程中）；（4）逸散于大气中（从煤层露头）。,（3）其它主要气体 CO2成因： 变质生成。易逸散于大气中，溶解于水，生成碳酸盐，所以，深部煤层中很少含有CO2； 生物化学作用，浅部生物圈内（微生物生化作用）； 火山活动，岩浆接触变质，生成大量CO2。如：窑街
7、、营城局； 煤氧化。特别是煤的低温氧化。 N2来自大气。与氩的比例与空气一致。,He放射性元素蜕变的产物。 1.3 煤层瓦斯赋存的垂直分带性煤层瓦斯主要成分：CH4、CO2、N2。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。,CO2-N2,N2,N2-CH4,CH4,四带： CO2- N2带、N2带、N2CH4带、CH4带。现场实际过程中，将前三带总称为瓦斯风化带。,划分的意义：掌握本煤田煤层瓦斯垂直分带的特征，是搞好矿井瓦斯涌出量预测和日常瓦斯管理工作的基础。规律： 瓦斯风化带内， 涌出量与深
8、度之间无规律性。 瓦斯风化带内，无突出危险性。 在CH4带内，,煤层垂向各带气体组份表,瓦斯风化带下界深度确定依据：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
9、碳和挥发分）,1.4 煤的孔隙特征煤是一种复杂的孔隙性介质，有着十分发达的各种不同直径的孔隙和裂隙。形成庞大的自由空间和表面。煤是一种孔隙-裂隙性介质，它决定煤-CH4体系的许多特性。EX：集气性-CH4的存在形态、含量，etc;渗透性-流态、流出形式、涌出量；力学特性-强度、弹性、脆性。,一、孔隙分类为了研究瓦斯在煤层中的赋存与流动，将煤中孔隙分类如下：煤中的微孔 80%,二、表示孔隙特性的参数 1、孔隙率（f）- 单位体积固体具有的孔隙容积。 表示式：f -孔隙率，%；V-固体（含孔隙）的体积，cm；V0-实体（不含孔隙）的体积，cm。 假设 M-固体质量，g;-固体假密度，g/cm3;o
10、-固体真密度，g/cm3; 则有：,通过实验确定。或利用经验公式计算。 当2、孔容（比孔容）-f-单位质量固体具有的孔隙容积。 表示式：同上，可推得：所以：,cm3/g,3、比表面-固体单位质量或单位体积具有的孔隙总表面积。 4、孔隙结构-各类孔隙在总孔隙中所占百分比。微孔所占比例大，且比表面积也大。,三、煤、岩孔隙的基本特点 1、各类煤岩的孔隙率差别很大，不同的煤需具体测定。,我国一些矿井煤的孔隙率,2、煤的孔隙率与碳化程度的关系,长焰煤开始 Vr f 到焦瘦煤达到最小 ； 而后Vr f 到无烟煤达到最大。 但微孔，则Vr 而始终,3、煤的孔隙率与煤的破坏程度的关系 （1）未受构造应力破坏的
11、煤微孔达 80% 90%，大孔很少，无外生裂隙。煤层瓦斯含量大，但瓦斯涌出量不大，涌出速度慢，涌出时间长。 （2）破坏型煤各种孔均存在，随着煤的破坏程度增大而增加。游离瓦斯含量高，易涌出，衰减快，可能发生突出。 （3）构造煤在地应力作用下，煤破碎成0.1mm的煤粒，再被压成煤砖状。各类孔均存在，瓦斯含量高，卸压后，f ，瓦斯涌出量 ，易突出。,4、孔隙率与外加压力（地应力）关系式中：f-受压状态下的孔隙率；f0-未受压状态孔隙率；-压应力；-压缩系数。一般地，微孔不压缩。Exp: 17MPa时，f 减少20%，因为微孔不变，大中孔减少4050% 备注：（1）H f （2）卸压后（受采动影响）
12、f （3）对煤的吸附性影响很小。,1.5 煤的吸附特性 一、概述 1、吸附现象-气体分子与固体表面分子间相互作用，气体分子暂时停留在固体表面上的现象。吸附剂-能吸附其它物质的介质，如：煤；吸附质-被吸附的物质，如CH4 。 2、吸附分类 根据吸附方式分：表面吸附（吸着）-在吸附剂表面吸附一层或多层吸附质分子。容积吸附（吸收）-吸附质分子紧密地充满于吸附剂的微小孔隙内，类似于溶质溶解于溶剂中。, 根据吸附作用力分： A）物理吸附 特点：、作用力为范德华力，作用距离极小（1/r7）,仅限于界面附近；、可逆的-不稳定的动平衡。、吸附是一种放热反应，解吸，吸热。如：煤-CH4，吸附热：0.51.2 K
13、j/mol B）化学吸附作用力为离子键，不可逆。,二、吸附线和吸附方程吸附量决定于： 吸附质性质（不同气体）； 吸附剂性质； 吸附温度； 吸附压力。 1、吸附线- 吸附剂和吸附质，在一定温度（t）或一定压力(P)下，吸附量与 P 或 t 之间的关系曲线。,t=const,等温吸附线,t,X,P=const,等压吸附线,2、吸附方程 A）Langmuir方程（1916年） 理论计算式：式中：X-给定温度下的吸附量，m3/t；a-吸附常数，极限吸附量，m3/t；b-吸附常数，MPa-1;P-吸附平衡时的气体压力，Mpa。a、b通过实验室测定得出。 实际算式：其中：,B) 弗洛德里希方程（1906）
14、式中：k、n-系数；P-气体压力。 C）都必林方程式中：a0-极限吸附瓦斯量，cm/g；E-吸附能，j/mol；P0-极限吸附时的气体压力,Mpa；P-吸附压力,Mpa；T-吸附温度；n-吸附结构系数。,三、影响煤与瓦斯吸附量的主要因素 1、瓦斯压力t=const , P X 2、温度P = const t X 温度每升高1，吸附瓦斯的能力降低约8%。 3、瓦斯的性质对于特定的煤，在t、P一定时，CO2的吸附量 CH4的吸附量 N2的吸附量 4、煤的变质程度变质程度反映了煤的表面积与化学组成。变质程度越高（Vr ） X,5、煤中的水份水份的增加使煤的吸附能力降低。艾琴格尔经验式：式中：Xch-
15、含有水份时瓦斯吸附量；Xg-不含有水份时瓦斯吸附量；W-水份含量。 6、煤中的灰份（Ac）灰份不吸附瓦斯，我国习惯于用可燃基作单位。,1.6 煤层瓦斯压力 一、瓦斯压力的含义- 煤层孔隙或裂隙内气体分子自由运动撞击所产生的作用力。特点：在某一点上各向大小相等，方向与孔隙壁面垂直。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。,二、煤层瓦斯压力分布的一般规律 1、在未受采动影响煤层内 （1）沿深度(沿煤层倾向)符合气体状态方程，即：P=f(v-1,t)，其中：v为孔容，t为煤温。 H ，V ， T 但不明显 H P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
16、地增加，可以大于、等于或小于静水压。,存在：n-系数，通常取n=1。存在：gp-煤层瓦斯压力梯度，Mpa/m。 含义-单位深度增加煤层瓦斯压力增加量。 gp 说明什么?,根据瓦斯压力梯度可以预测深部煤层瓦斯压力。 预测计算式：式中： P预测的甲烷带内深H(m)处的瓦斯压力，MPagp瓦斯压力梯度，MPa/m 特例：式中：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。举例：某矿瓦斯风化带深度为100m，在200m处测得煤层瓦斯压力为0.5MPa，预测300m处煤层瓦斯压力。,（2）沿走向在地质条件相近的块段内，相同深度的同一煤层，具有大体相同的瓦斯压力。条件：A
17、）孔隙、裂隙互相连通，形成一个统一的体系；B）等量的瓦斯处于孔隙容积相同的不同体系内。C）不等量的瓦斯处于孔隙容积按同比例的不同体系内。即：实际上，只能“大体相同”，而且可能差别。 2、采动影响区煤层f , Xf , P发生变化，十分复杂，一般随深度增加瓦斯压力逐渐增大。,二、煤层瓦斯压力测定瓦斯压力测定：打钻、封孔、测压1、主要设备及仪表钻机、测定管、压力表。封孔材料：炮泥、水泥，木楔；封孔器。2、测压步骤A）打钻要求：测定地点无大裂隙，不位于破坏带，含水小。一般由围岩向煤层打穿层钻孔，钻孔直径4575mm。B）封孔钻孔到位后，用压气清渣。封孔方法分为：,固体材料封孔一般采黄泥作为固体材料。
18、,水泥砂浆封孔为了克服粘土封孔费工费时劳动强度较大的缺点，国内外不少矿井采用以压缩空气为动力，将水泥砂浆压入钻孔的封孔工艺。适用条件：封孔倾角超过45、深度大于15m的钻孔。水泥沙浆配比：500号水泥：砂石：水：铝粉（或石膏）：1 0.5：0.0008,胶圈粘液封孔测定瓦斯压力原理：用膨胀着的胶圈封高压粘液，再由高压粘液封高压瓦斯，由压力表测定瓦斯压力。,3、注意事项 （1）测压空间尽可能小； （2）钻孔打完后，立即封孔，尤其是低透气性煤层； （3）防止漏气； （4）足够长的观察时间； （5）防止地下水的影响，尽可能不穿含水层，必须穿过含水层时，封孔应超过含水层。 1.7 煤层瓦斯含量 一、瓦
19、斯在煤层中的存在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。,1、游离状态主要存在于大、中孔、裂隙空间内，其间瓦斯分子作自由热运动，显示相应的瓦斯压力。在现今采深下，占瓦斯总量的 5 12%。 2、吸附状态主要存在于小孔和微孔空间内。分为表面吸附和吸收两种状态。占瓦斯总量的 80%。,3、其它形态-结晶水化物问题提出：结晶水化物的形式：形成条件：低温、高压。对CH4:对C2H6:对C3H8:,t=0时，P2.0MPa t=5时，P4.8MPa t=10时，P8.0MPa,t=0时，P0.6MPa t=5时，P1.3MPa t=10时，
20、P2.5MPa,t=0时， P0.1MPa t=2.5时，P0.3MPa,乙烷和丙烷生成 水化物的条件比 CH4低得多,二、煤层瓦斯含量 1、含义：单位质量或体积的煤中含有的瓦斯量。m3/m3，m3/t。煤层瓦斯包含： 游离瓦斯量 和 吸附瓦斯量 2、瓦斯含量计算（1）游离瓦斯量由气体状态方程： 考虑到瓦斯气体可压缩性，则有： 粗略计算，假设：则： 式中：P-煤层瓦斯压力，Mpa；V-煤的孔容。,（2）吸附瓦斯量-Xx一般采用朗格缪尔方程计算。其中：（3）煤层瓦斯含量-XX = Xg + Xx m3/t,三、煤层瓦斯含量的测定 1、直接测定法勘探钻孔煤芯解吸法 主要测定步骤：1）现场采样与瓦斯
21、解吸速度的测定v1,2、损失瓦斯量的计算v2t0装罐前时间； t装罐后时间； v解吸瓦斯体积。,）煤样剩余瓦斯解吸v3包括：I) 煤样粉碎前脱气；ii) 煤样粉碎后脱气总瓦斯量：V=V1+V2+V3经过状态变换和计算可得煤层原始瓦斯含量。 2、瓦斯含量系数法测定原理：煤层瓦斯含量与瓦斯压力之间，大致存在如下关系：式中：瓦斯含量系数，m3/(m3.MPa0.5)，通过实验室测定得出；P煤层瓦斯压力，Mpa；X煤层瓦斯含量，m3/m3,1.8 影响煤层瓦斯含量的主要因素煤层瓦斯含量主要取决于： 瓦斯生成量； 瓦斯运移条件； 煤层贮存瓦斯的性能。 具体包括以下几点：1、煤的碳化程度在碳化作用过程中，
22、不断地 产生瓦斯，碳化程度越高，生成 的瓦斯量越多。相同的条件下， 煤的变质程度越高，煤层瓦斯含量越大。,煤的平均甲烷含量与其变质程度的定量关系曲线,2、煤层的赋存状态 （1）露头成煤的地质年代中，若有露头长时间与大气相通，瓦斯沿煤层流动，煤层瓦斯往往沿煤层露头排放，瓦斯含量大为减少。（2）煤层倾角 煤层倾角愈大，煤层瓦斯含量愈低。 Exp:芙蓉矿，北翼：40 80 ,南翼：6 12 ，,（3）埋藏深度埋深增加，地应力增高，煤层的透气性变差，瓦斯向地表运移距离增加，有利于封存瓦斯。 在近代开采深度内，CH4带， ，但是如果埋藏深度继续增大，瓦斯含量增加的速度将要减慢而趋于常量。,3、煤层和围岩
23、的透气性煤层围岩是指煤层直接顶、老顶和直接底板等在内的一定厚度范围的层段。煤层围岩对瓦斯赋存的影响，决定于它的隔气、透气性能。当煤层顶板岩性为致密完整的岩石，如页岩、油母页岩时，煤层中的瓦斯容易被保存下来；顶板为多孔隙或脆性裂隙发育的岩石，如砾岩、砂岩时，瓦斯容易逸散。exp:北京京西煤矿，不论是下侏罗统或是石炭二叠系的煤层，尽管煤的牌号为无烟煤，由于煤层顶板为1216m的厚层中粒砂岩，透气性好，因此煤层瓦斯含量小，矿井瓦斯涌出量低。,4、地质构造是影响煤层瓦斯含量的主要因素之一。表现：一方面是造成了瓦斯分布的不均衡，另一方面是形成了有利于瓦斯赋存或有利于瓦斯排放的条件。 (1) 褶皱构造褶皱
24、的类型、封闭情况和复杂程度，对瓦斯赋存均有影响。当煤层顶板岩石透气性差， 且未遭构造破坏时，背斜有利 于瓦斯的储存，是良好的储气 构造，背斜轴部的瓦斯会相对 聚集，瓦斯含量增大。形成“气顶”。,在向斜盆地构造的矿区，顶 板封闭条件良好时，瓦斯沿垂直 地层方向运移是比较困难的，大 部分瓦斯仅能沿两翼流向地表。煤包、地 垒、地堑都为高瓦斯区。 （2）断层断层破坏了煤层的连续完整性，使煤层瓦斯运移条件发生变化。有的断层有利于瓦斯排放，也有的断层对瓦斯排放起阻挡作用，成为逸散的屏障。前者称开放型断层，后者称封闭型断层。,断层的开放与封闭性决定于下列条件：a. 断层的性质和力学性质。一般张性正断层属开放
25、型，而压性或压扭性逆断层封闭条件较好。b. 断层与地表或与冲积层的连通情况。规模大且与地表相通或与冲积层相连的断层一般为开放型。c. 断层将煤层断开后，煤层与断层另一盘接触的岩层性质。若透气性好则利于瓦斯排放。d. 断层带的特征。断层带的充填情况、紧闭程度、裂隙发育情况等都会影响到断层的开放或封闭性。一般地，开放性断层， 不论其与地表是否连通，其 附近，瓦斯含量低。,封闭性断层（受压影响）， 可阻止CH4的排放。5水文地质条件 地下水与瓦斯共存于煤层及围岩之中，其共性是均为流体，运移和赋存都与煤、岩层的孔隙、裂隙通道有关。由于地下水的运移，一方面驱动着裂隙和孔隙中瓦斯的运移，另一方面又带动溶解于水中的瓦斯一起流动。瓦斯在水中的溶解度仅为14%。地下水和瓦斯占有的空间是互补的，这种相逆的关系，常表现为水大地带瓦斯小，反之亦然。,7岩浆活动 岩浆活动对瓦斯赋存的影响比较复杂。一方面，在岩浆热变质和接触变质的影响下，煤的变质程度升高，增大了瓦斯的生成量和对瓦斯的吸附能力。另一方面，在没有隔气盖层、封闭条件不好的情况下，岩浆的高温作用可以强化煤层瓦斯排放，使煤层瓦斯含量减小。所以说，岩浆活动对瓦斯赋存既有生成、保存瓦斯的作用，在某些条件下又有使瓦斯逸散的可能性。,
