矿井瓦斯及其防治.ppt

矿井瓦斯及其防治,湖南科技大学,主要讲授内容,1.矿井瓦斯基础知识专题一矿井瓦斯压力与瓦斯含量的测定专题二矿井瓦斯涌出与测定2.瓦斯爆炸及其防治3.煤与瓦斯突出及其防治4.矿井瓦斯抽放5.瓦斯事故勘查分析技术,第一章矿井瓦斯基础知识,[提要]本章重点对矿井瓦斯的概念、性质及危害,煤层瓦斯含量与矿井瓦斯涌出量的概念、表示方法及影响因素等有关基础知识进行讲解,这些都是煤矿安全工作中经常遇到和要解决的问题。[主要内容]第一节矿井瓦斯的生成、赋存状态及性质第二节煤层瓦斯含量与矿井瓦斯涌出量,第一节矿井瓦斯的生成、赋存状态及性质一、矿井瓦斯的定义、生成及主要成分矿井瓦斯是指井下以甲烷CH4为主的有毒、有害气体的总你。有时单指甲烷。矿井瓦斯是成煤过程中的一种伴生产物。古代植物遗体在形成泥炭过程中，由于厌氧菌的作用，植物的纤维质破分解、发酵，逐渐生成腐植酸和沥青质，同时生成瓦斯；此后，在煤的炭化变质过程中，随着化学成分和结构的变化，泥炭转变成褐煤、烟煤和无烟煤，同时继续有大量瓦斯伴随生成。在长期的地质年代里，由于地层变动造成的断裂和裂隙,部分瓦斯逸散到大气中去,另一部分则被保存在煤体和围岩之中。矿井瓦斯是各种气体的混合物,其成分是很复杂的,它含有甲烷、二氧化碳、氮和数量不等的重烃以及微量的稀有气体等，但主要成分是甲烷。因此，习惯上所说的矿井瓦斯就是指甲烷而言。,问题为什么煤体中能够储存一定数量的瓦斯煤体之所以能够保存一定数量的瓦斯，主要与煤的结构状态有密切关系。煤是一种复杂的孔隙性介质，有着十分发达的、大小不同的孔隙和裂隙，具有巨大的自由空间和孔隙内表面积煤体孔隙的内表面积，每克煤可达150～200m2。因此，成煤过程中生成的瓦斯就能以不同状态存在于这些裂隙和孔隙内。,二、瓦斯在煤体中的存在状态及相互间的关系瓦斯通常是以如下2种状态存在于煤体之中。1游离状态也称自由状态,这种瓦斯以完全自由的气态存在于煤或围岩的较大裂缝、孔隙或空洞之中如图1-1中l所示。游离瓦斯可以自由运动或从煤岩层的裂隙中散放出来,因此表现出一定压力。煤体内游离瓦斯的多少取决于储存空间的容积、瓦斯压力及围岩温度等因素。,1游离瓦斯；2吸着瓦斯；3吸收瓦斯图1-1瓦斯在煤体中的存在状态,2吸附状态也称结合状态按其结合形式的不同，又分为吸着和吸收2种状态，吸着状态是瓦斯气体分子在其与煤粒固体分子间的引力作用下而被吸着在煤体孔隙的内表面上所呈现的状态。其形成一层很薄的吸附层如图1-1中2所示；吸收状态是瓦斯分子进入煤体胶粒结构内部与煤分子结合而呈现的一种状态，其类似气体溶解于液体的现象如图1-1中3所示。吸附状态存在的瓦斯量的多少，取决于煤的结构特点、炭化程度等。,游离状态与吸附状态的瓦斯并不是固定不变的，而是处于不断交换的动平衡状态。当条件发生变化，这一平衡就会遭到破坏。在压力降低、温度升高或煤体结构受到破坏时，部分吸附状态的瓦斯就转化为游离状态，这种现象叫解吸；反之，当压力增大或温度降低时，部分游离的瓦斯也会转化为吸附状态。这种现象叫吸附。,注意,三、瓦斯的性质瓦斯通常指甲烷CH4是一种无色、无味、无臭的气体、在标准状态温度为0℃、大气压力为101325Pa下，瓦斯密度为0.7168Kkg/m3，相对密度为0.554。由于瓦斯较轻，故常积聚在巷道的顶部、上山掘进面及顶板冒落空洞中。瓦斯微溶干水，在20℃、101.3kPa条件下,溶解度为3.5L/100L水。瓦斯的扩散性很强，扩散速度是空气的1.34倍，会很快的在空气中扩散。瓦斯本身无毒，但不能供人呼吸。瓦斯不助燃，但与空气混合达到一定浓度后，遇到高温火焰时能够燃烧或爆炸。,四、矿井瓦斯的危害矿井瓦斯是一种有害气体。当井下空气中瓦斯浓度较高时，会相对地降低空气中的氧气浓度，使人窒息；另外，当瓦斯与空气混合达到一定浓度时，遇火就能燃烧或爆炸，严重影响和威胁矿井生产安全，一旦形成灾害事故，会给国家财产和职工生命造成巨大损失。瓦斯是矿井五大自然灾害之首。问题瓦斯无毒,为什么人误入高浓度瓦斯的盲巷中会发生死亡事故这主要是缺氧的缘故。瓦斯本身虽然无毒，但空气中瓦斯浓度较高时，象氮气一样，就会相对降低空气中氧气浓度。在压力不变的情况下，当瓦斯浓度达到43时，氧的浓度就会被冲淡到12,人就会感到呼吸困难,当瓦斯浓度达到57时，氧气浓度就会降到9,这时人若误入其中,短时间就会因缺氧窒息而死。,第二节煤层瓦斯含量与矿井瓦斯涌出量,一、煤层瓦斯含量及其表示方法瓦斯含量是指煤层或岩层在天然条件下含有的瓦斯数量的多少。一般用m3/t表示其大小。即1t煤中所含瓦斯的立方米数。煤层瓦斯包括游离瓦斯和吸附瓦斯2部分，其中游离瓦斯约占10～20，吸附瓦斯约占90～80。,二、影响煤层瓦斯含量的主要因素影响煤层瓦斯含量的因素很多、很复杂，而主要因素有1.煤的变质程度一般说来，煤的变质程度越高，成煤过程中生成并保存下来的瓦斯量越大，因而煤层瓦斯含量也越大。2.围岩的性质如果煤层的围岩，特别是顶板岩层致密而完整，煤层中的瓦斯就容易破保存下来，瓦斯含量就较高；反之，瓦斯容易逸散，煤层瓦斯含量就较低。,3.煤层赋存条件一般情况下，煤层埋藏越深，煤层瓦斯越难通过深厚的覆盖地层散入大气，其瓦斯含量就越高，反之则低。煤层内的瓦斯含量一般随着深度的增加而逐渐增大。另外，倾角小的煤层在相同深度及相同地质条件下，往往比倾角大的煤层瓦斯含量高。4.水文地质条件煤层中有较大的含水缝隙或有地下水通过时，尽管瓦斯在水中的溶解度很小，但在长期的作用下，水仍能从煤层中带走大量瓦斯，从而降低煤层的瓦斯含量。,5.地质构造地质构造，特别是断层，往往是造成同一煤田的瓦斯含量分布不均衡的主要原因。开放性断层是煤层与地表相联的通道，有利于瓦斯的释放，因而开放性断层发育的煤层，其瓦斯含量就较小；封闭性断层可以割断煤层与地表的联系，是瓦斯向地表流动的屏障，因而封闭性断层发育的煤层，其瓦斯含量就较大。煤田内褶曲构造包括背斜和向斜轴部的瓦斯含量较其它地区会增大或减小。此外，火成岩侵入体附近，煤的变质程度增高，瓦斯含量可能会增大。,三、矿井瓦斯涌出及其涌出形式煤层开采时，煤体受到破坏，贮存在煤体内的部分瓦斯会离开煤体而涌入釆掘空间，这种现象叫做瓦斯涌出。矿井瓦斯涌出的形式一般分为普通涌出和特殊涌出两种。1.普通涌出即瓦斯从采落的煤炭及煤层、岩层的暴露面上，通过细小的孔隙缓慢而长时间的放出。首先是游离瓦斯，而后是部分解吸的吸附瓦斯。普通涌出是矿井瓦斯涌出的主要形式，不仅范围广，而且数量大。2.特殊涌出采掘时，煤层或岩层中的瓦斯在极短的时间内，突然的、大量的涌出,并伴有煤粉、煤块或岩石，这种涌出就称为特殊涌出。瓦斯特殊涌出的范围是局部的、短暂的、突发性的，但其危害极大。,四、矿井瓦斯涌出量及其表示方法矿井瓦斯涌出量是指开采过程中涌入采掘空间的瓦斯数量只对普通涌出而言，不包括特殊涌出。矿井瓦斯涌出量的表示有以下2种。1.绝对瓦斯涌出量单位时间内涌进采掘空间的瓦斯数量，叫绝对瓦斯涌出量。2.相对瓦斯涌出量在矿井正常生产条件下,月平均日产1t煤所涌出的瓦斯数量,叫相对瓦斯涌出量。用m3/t表示。由此可见矿井瓦斯涌出量通常用单位时间内或单位质量的煤放出的瓦斯数量表示其大小。,五、矿井瓦斯涌出量的计算1.绝对瓦斯涌出量,2.相对瓦斯涌出量,六、矿井瓦斯涌出量的主要影响因素影响瓦斯涌出量的主要因素有以下几点1.煤层瓦斯含量它是影响瓦斯涌出量的决定因素。开采煤层的原始瓦斯含量越高，瓦斯涌出量就越大。2.开采规模开采规模是指矿井的开采深度、开拓与开采的范围及矿井产量而言。开采深度越深，煤层瓦斯含量越高，瓦斯涌出量越大；开拓与开采范围越大，瓦斯涌出的暴露面积越大，其涌出量也就越大；在其他条件相同时，产量高的矿井，其瓦斯涌出量一般较大。3.开采程序原煤层采用分层开采时，首先开采的分层，瓦斯涌出量较大。这是由于采动影响，其他分层的瓦斯也会沿裂隙渗入开采分层的缘故。,4.采煤方法与顶板管理方法机械化采煤,煤破碎严重,瓦斯涌出量较大;采用全部陷落法管理顶板时,由于会造成顶底板更大范围的松动及采空区存留有大量散煤等原因,其瓦斯涌出量比采用充填法管理顶板时要大。回采率低的采煤法，采空区瓦斯涌出量也较大。5.生产工序从煤体暴露面和采落的煤炭中涌出的瓦斯量，一般都是随着时间的延长而下降的，因此，落煤时瓦斯涌出量大于其他工序。6.地面大气压力的变化当大气压力突然降低时，瓦斯涌出的压力就高于风流压力,就破坏了原来的相对平衡状态,瓦斯涌出量就会增大；反之,瓦斯涌出量变小。因此,当地面大气压力突然下降时,必须百倍警惕，加强瓦斯检查与管理;否则,可能造成重大事故。,7.通风压力采用负压通风抽出式的矿井，风压越高，瓦斯涌出量就越大；而采用正压通风压入式的矿井，风压越高，瓦斯涌出量就越小；这主要是风压与瓦斯涌出压力相互作用的结果。8.采空区管理方法一般说来，采空区都积存有大量高浓度瓦斯，如果该封闭而未封闭或密闭质量很差，就会造成采空区瓦斯向外涌出，从而导致瓦斯涌出量增大，对采空区进行合理抽放会降低其向外涌出的瓦斯量。总之，影响矿井瓦斯涌出量的因素很多，但有主有次，应根据不同矿井的具体条件找出其主要因素及影响规律。以采取针对性防治措施。,七、矿井瓦斯的来源及其测定方法从瓦斯涌出的地点和分布状况看，瓦斯涌出的来源或构成可分为1.掘进区。即煤或半煤岩掘进时，从巷壁和落煤中涌出的瓦斯；2.回采区。即工作面煤壁、巷壁和落煤中涌出的瓦斯；3.已采区。即已采区的顶底板和浮煤中涌出的瓦斯。上述三部分瓦斯构成了矿井瓦斯涌出总量不包括抽放量，其比例大多随生产条件的改变而改变。测定方法在全矿井同时测定各班掘进区、回采区和已采区的绝对瓦斯涌出量，然后分别计算出各自占总量的百分比。,八、瓦斯涌出不均衡系数1.定义在开采过程中,由于煤层赋存条件、地质构造、大气压力及生产工艺的不同和影响，每时每刻涌出的瓦斯量都不一样，有时大、有时小。并不均匀。为了便于通风瓦斯管理就引入了瓦斯涌出不均衡系数，其值就是最大绝对瓦斯涌出量与平均绝对瓦斯涌出量的比值。2.确定方法规程执行说明规定,对于一个采区或采面，在正常生产情况下,至少要连续进行5昼夜测算。所得的5个比值中的最大值即为该区面的瓦斯涌出不均衡系数。显然，瓦斯涌出不均衡系数总是大于1。3.用途在进行风量计算时要乘上瓦斯涌出不均衡系数，这样算出的风量才能满足安全生产的要求。,九、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。,瓦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2～3m3/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0.1～0.15MPa；（4）煤的瓦斯含量达到下列数值处长焰煤1.0～1.5m3/t（C.M.），气煤1.5～2.0m3/t（C.M.），肥煤与焦煤2.0～2.5m3/tC.M，瘦煤2.5～3.0m3/tC.M.，贫煤3.0～4.0m3/tC.M.，无烟煤5.0～7.0m3/tC.M.（此处的C.M.是指煤中可燃质既固定碳和挥发分）,十、瓦斯压力瓦斯压力是指瓦斯在煤层中所呈现的压力。它是由煤层孔隙和裂隙中的游离瓦斯的自由热运动对孔隙和裂隙的空间壁面所产生的作用力而体现出来的。瓦斯压力是衡量煤层瓦斯含量大小的一个重要指标，也是抽放瓦斯和防止煤与瓦斯突出的重要依据之一。规程规定开采有煤与瓦斯突出危险的煤层时，必须测定煤层中的瓦斯压力。,十一、瓦斯梯度及其用途1.概念对于某一矿井或煤层来说，在一定范围内，其相对瓦斯涌出量是随开采深度的增加而增加的，而且，相对瓦斯涌出量的增加量与所增加的开采深度之间的比值是一个常数。这个常数习惯上就称为瓦斯梯度。其含义是，在瓦斯风化带以下，深度每增加一单位时，相对瓦斯涌出量增加的数量。2.用途可以用它来推算和预测深部尚待开采水平或采区的相对瓦斯涌出量，其对于预抽瓦斯和新采区通风设计也是一个非常重要的参数。,