第十章 矿井瓦斯_图文.doc

第十章 矿井瓦斯 第一节 概述 瓦斯methane 是井下煤岩涌出的各种气体的总称 , 其主要成份是以甲烷为主的烃类 气体, 有时也专指甲烷 , 瓦斯的物理与化学性质一般都是针对甲烷而言。 瓦斯是在煤炭发育 过程中形成的,故也称 煤层气 。 甲烷是无色、无味、 可以燃烧或爆炸的气体。 它对人呼吸的影响同氮气相似,可使人窒 息。例如,由于甲烷的存在冲淡了空气中的氧,当甲烷浓度为 43时,空气中相应的氧浓 度即降到 12,人感到呼吸非常短促;当甲烷浓度在空气中达 57时,相应的氧浓度被冲 淡到 9,人即刻处于昏迷状态,有死亡危险。甲烷分子直径 0.41nm 1nm10-9m ,其扩 散度是空气的 1.34倍,它会很快地扩散到巷道空间。甲烷的密度为 0.716kg /m 3标准状况 下 ,为空气密度的 0.554倍。甲烷在巷道断面内的分布取决于该巷道有无瓦斯涌出源。在 自然条件下, 由于甲烷在空气中表现强扩散性, 所以它一经与空气均匀混合, 就不会因其比 重较空气轻而上浮、 聚积,所以当无瓦斯涌出时, 巷道断面内甲烷的浓度是均匀分布的;当 有瓦斯涌出时, 甲烷浓度则呈不均匀分布。 在有瓦斯涌出的侧壁附近甲烷的浓度高, 有时见 到在巷道顶板、 冒落区顶部积存瓦斯, 这并不是由于甲烷的密度比空气小, 而是说明这里的 顶部有瓦斯 源 在涌出 [3]。 甲烷的化学性质不活泼。甲烷微溶于水,在 101.3kPa 条件下,当温度 20℃时, 100L 水 可溶 3.31L , 0℃时可溶解 5.56L 甲烷。甲烷对水的溶解度和温度、压力的关系如图 10-1-1所示。从图中可以看到,当瓦斯压力为 50大气压、温度 30℃时,其溶解度仅为 1,所以, 少量地下水的流动对瓦斯的排放影响不大。 图 10-1-1 纯水对甲烷的溶解度 瓦斯与氧气适当混合具有燃烧和爆炸性。当空气中的甲烷浓度为 516时,遇高温 650750℃能发生爆炸。瓦斯爆炸事故是矿井的严重自然灾害,一旦发生,会造成大量 人员伤亡,为矿井带来巨大的灾难。自 1675年英国茅斯丁矿发生第一次大型瓦斯爆炸事故 以来,瓦斯爆炸事故还在不断发生,一直是威胁煤矿安全生产的最主要自然灾害。 在煤矿的采掘生产过程中, 当条件合适时, 还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。 瓦斯是一种温室气体 1,同比产生的温室效应是二氧化碳CO 2的 20倍,在全球气候 变暖中的份额为 15,仅次于 CO 2。我国是煤炭生产和消费大国,伴随着煤炭的开采,我 国每年向大气排放瓦斯约 194亿 m 3, 约占世界采煤排放瓦斯总量的 1/3, 瓦斯对大气的严 重污染已引起关注。 瓦斯是一种优质洁净能源 。瓦斯的燃烧热为 37 MJ/ m3,相当于 11.5 kg烟 煤燃烧产生的热量。 瓦斯燃烧后的气体不含硫化氢, 所产生的污染大体上只有石 油的 1/40,煤炭的 1/800[1]。 瓦斯还是重要的化工原料 ,它还可以转化成合成 原料气,制备出合成氨、合成醇、烃类等重要的化工产品。 我国的瓦斯资源丰富,初步估计达 3035万亿 m 3,相当于 450亿吨标准煤 [4]。对煤矿瓦斯进行抽放并加以利用,既可大量减少瓦斯事故的发生,又减少对 环境的污染, 同时为社会提供优质洁净能源和重要的化工原料, 带来巨大的经济 效益。 第二节 瓦斯的赋存与含量 一、瓦斯的成因 在我国矿井的实际条件下,瓦斯主要是指甲烷,是腐植型有机物 植物 在成煤过程中生 成的。煤层中的甲烷的产生大致可分为两个阶段。 第一阶段为生物化学成气时期, 在植物沉积成煤初期的泥炭化过程中, 有机物在隔绝外 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 CH 4、 CO 2和 H 2O 。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。 第二阶段为煤化变质作用时期, 随着煤系地层的沉陷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 CH 4和 CO 2。这个阶段中,瓦斯生成量随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、侵蚀和断裂 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。 在个别煤层中也有一部分瓦斯是由于油气田的瓦斯的侵入造成的,例如四川中梁山 10号煤层的瓦斯有时与底板石灰岩溶洞中的瓦斯相连 , 陕西铜川焦坪煤矿井下的瓦斯又与底板 砂岩含油层的瓦斯有关。 有的煤层中还含有大量的二氧化碳, 如波兰的下西里西亚煤田的煤 层中还有大量的二氧化碳, 则是由于火山活动使碳酸盐类岩石分解生产的二氧化碳侵入的结 果。在某些煤层中还含有乙烷、 乙烯等重碳氢气体。但一般来说, 煤田中所含瓦斯均以甲烷 为主。 1温室气体是阻止地球热量散失,促使地球温度升高的气体;温室效应就是由于大气中温室气体含量增加, 使全球气温升高的现象。 二、煤的孔隙结构 由植物变成煤炭的过程中,在褐煤至无烟煤变质阶段,瓦斯煤层气生产量的总和达 200400m3/t。其中的 1/51/10将保存在煤体内。煤体内保存瓦斯的数量,与煤的结构有关。 煤是一种复杂的孔隙性介质, 有发达的、 各种不同直径的孔隙和裂隙, 形成了庞大的孔隙表 面与微空间,根据测定, 1克无烟煤的微孔表面积达 200多 m 2,为瓦斯赋存提供了条件。 为了研究瓦斯在煤中的赋存与流动,把煤中的孔隙作如下分类 微孔其直径 10-1mm ,它构成层流及紊流混合渗透的区间,并决定了煤 的宏观 硬和中硬煤 破坏面,一般,小孔至可见孔的孔隙体积之和称为渗透容积,吸附容积 与渗透容积之和称为总孔隙体积;煤的总孔隙体积占相应体积的百分比称为煤的孔隙率, 煤不是单一物质, 而是复杂的各种高分子物质的混合物。 其成分和结构依赖于形成煤层 的原始植被的性质, 沉积过程中的水流状况和混浊程度、 地应力及大小、 温度以及地质年代 的构造应力等。 电子显微镜图像证实了孔隙的存在, 其中很多并没有互相连接, 如图 10-2-1所示的一个煤样中的孔隙状况。这些孔隙与裂隙有的是微小孔,有的是可见孔。 a龙口白皂矿裼煤 b大屯孔庄烟煤8煤 c淮北百善无烟煤 图9-2- 1 煤在电子显微镜下的图像 表 10-2-1 为我国一些煤矿的孔隙率值。一般煤的孔隙率变化范围为 620。 表 10-2-1 我国一些矿井煤的孔隙率表 的概率, 随着其直径的减少或平均自由程的增加而增大 平均自由程是指气体分子碰撞前的 统计平均距离 。此外,任意在流体和固体间的吸附可能阻塞狭窄的裂隙。因此,准确测量 孔隙率依赖于渗透流体的选择。 为了处理煤炭内的微孔, 通常使用氦气作为渗透流体来得到 有效孔隙率的最大值。这是因为氦气有很小的分子直径0.2710-9m 和相对较大的平均 自由程大约 27010-9m ,在 20C 的大气压力下 ,并且它不被煤炭吸附。 据俄罗斯矿业研究所对煤孔隙的测定 [3],煤孔隙直径与其表面积关系如表 10-2-2所示。 从中可知微微孔和微孔孔隙体积还不到微微孔至中孔孔隙体积的 55,而其孔隙表面积却 占整个表面的 97以上。从表中可知,微孔发育的煤,尽管其孔隙率可能不高,可是却有 相当可观的表面积。 表 10-2-2 孔隙直径与孔隙表面积、容积关系表 三、瓦斯的赋存状态 成煤过程中生成的瓦斯以游离和吸附这两种不同的状态存在于煤体中, 通常称为 游离瓦 斯 free gas和 吸附瓦斯 absorbed gas。 游离状态也叫自由状态, 这种状态的瓦斯以自由气体存在, 呈现出压力并服从自由气体 定律,存在于煤体或围岩的裂隙和较大孔隙 孔径大于 10nm 内,如图 10-2-2所示。游离瓦 斯量的大小与贮存空间的容积和瓦斯压力成正比,与瓦斯温度成反比。 图 10-2-2 瓦斯在煤内的存在形态示意图 1-游离瓦斯; 2-吸着瓦斯; 3-吸收瓦斯; 4-煤体; 5-孔隙 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 。 吸着状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纳米级的微细孔隙内, 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。 吸附瓦斯量的多少, 决定于煤对瓦斯的吸附能力和瓦斯压力、 温度等条件。 吸附瓦斯在 煤中是以多分子层吸附的状态附着于煤的表面, 因此煤对瓦斯的吸附能力决定于煤质和煤结 构,不同煤质对瓦斯的吸附能力如图 10-2-3。 图 10-2-3 不同煤质对瓦斯的吸附能力的示意图 在成煤初期,煤的结构疏松,孔隙率大, 瓦斯分子能渗入煤体内部,因此褐煤具有很大 的吸附瓦斯能力。 但褐煤在自然条件下, 本身尚未生成大量瓦斯, 所以它虽然具有很大的吸 附瓦斯能力,但缺乏瓦斯来源, 实际所含瓦斯量是很小的。在煤的变质过程中,在地压的作 用下,孔隙率减少,煤质渐趋致密。在长焰煤中,其孔隙和表面积都减少,吸附瓦斯能力降 低,最大的吸附瓦斯量在 2030 m3/t 左右。随着煤的进一步变质,在高温高压作用下,煤 体内部由于干馏作用而生成许多微孔隙, 使表面积到无烟煤时达到最大, 因此无烟煤的吸附 瓦斯能力最强,可达 5060 m 3/t 。以后微孔又收缩减少,到石墨时变为零,使吸附瓦斯的 能力消失。 煤的瓦斯含量和温度、压力的关系,如图 10-2-4。该图是某一煤样的测定曲线。 图 10-2-4 瓦斯含量和温度、压力的关系 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 。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。 图 10-2-5给出了常温下总瓦斯量、吸附瓦斯量和游离瓦斯量随着瓦斯压力的变化曲线, 其中, 表示吸附瓦斯量的曲线就是人们熟知的吸附等温线。 在当前开采深度内, 煤层内的瓦 斯主要是以吸附状态存在,通常吸附状态的瓦斯占总量的 95。这说明了为什么许多煤层 中蕴含了大量的瓦斯。但是在断层, 大的裂隙、孔洞和砂岩内,瓦斯则主要以游离瓦斯状态 赋存。 0123 456瓦 斯 含 量 m 3/t 瓦斯压力 p MPa 在煤体未被扰动的状态下,煤的孔隙和裂隙中的游离瓦斯和吸附瓦斯之间存在一个平 衡。但是, 如果煤层受到采动影响后,形成的压力梯度使瓦斯流动,煤体内瓦斯压力的降低 将促进解吸作用。这个过程将沿着吸附等温线从右向左变化。图 10-2-4和图 10-2-5显示了 瓦斯吸附率随着瓦斯压力升高而增加的情况。 10-2-5 煤中吸附瓦斯、游离瓦斯及总瓦斯量随压力变化的关系图 描述吸附等温线最常用的数学关系式,是朗缪尔I.Langmuir 1916年导出的单分子层 吸附方程,即 bp abp q 1 10-2-1 式中 q ─ 在给定温度下, 瓦斯压力为 p 时, 单位质量煤体的表面吸附的瓦斯体积, m 3/t 或 mL/g; p ─ 吸附平衡时的瓦斯压力, MPa ; a 、 b ─ 吸附常数。 a 为在给定温度下的饱和吸附瓦斯量或最大极限吸附量 ,即 aq max , m 3 /t 或 ml /g ,据实际测定,一般为 1455 m 3/t。 b 为朗缪尔常数 , MPa -1,一般为 0.55.0MPa-1, 1/b是当 q/q max 1/2时的压力 。 图 10-2-6吸附等温线示意图 吸附常数的值取决于煤体内碳、水分和灰分的含量,以及吸附气体的种类和温度。图 10-2-6表明,对于变质程度较高的煤,瓦斯吸附能力有所增强,这种煤拥有更高的碳含量。 煤的表面不仅可以吸附瓦斯,还可吸附二氧化碳、氮气、水蒸气及其它气体,图 10-2-7给 出了煤表面对几种不同类型气体的吸附情况。 这些分子粘附或被吸附在煤炭表面, 当吸附力 超过气体分子间的排斥力时, 吸附分子将在表面形成一层致密的单分子层。 当气体压力很高 瓦 斯 含 量 m 3/t 时,可以形成两层吸附,不过,第二层的吸附力较弱。 图 10-2-7 25℃下煤炭中 CO 2、瓦斯和 N 2的吸附量 温度对煤吸附瓦斯量的影响,可用以下经验公式计算 [6] nt t e X X -0 10-2-2 式中 0X 、 t X 温度分别等于 0 ℃和 t ℃时,煤的吸附瓦斯量, mL/g ; t 煤的温度,℃; n与瓦斯压力有关的常数, p n 07. 0993. 002 . 0 p 瓦斯压力, M Pa。 吸附等温线一般在去除水分和灰分影响的基础上被引用。 当煤中含有少量水分时, 瓦斯 吸附量随着水分的增加而减少, 这些天然的水分大部分被吸附在煤炭的表面。 但是, 当水分 达到 5时,水分子在煤表面的浸润达到饱和,这时,瓦斯吸附量将不再随水分的增加而变 化。艾琴格尔Ettinger , 1958提出了一个较适用的经验公式来确定煤内水分对瓦斯吸附 量的影响 [6] W q q d w 31. 011 10-2-3 式中 w q 湿煤的瓦斯吸附量, m 3/t ; q d 干煤的瓦斯吸附量, m 3/t ; W 煤中的水分, 。在 0到 5的范围内当水分含量高于 5时,按 5计 。 煤中的灰分一般不具有吸附性, 因此瓦斯吸附量随着灰分的增加而减少。 为了在无灰分 的基础上表示瓦斯含量,需要引入一个修正量, 01. 01A q q a - 10-2-4 式中 q 实际瓦斯含量; q a 无灰分瓦斯含量; A 煤中的灰分, 。 四、瓦斯含量及其测定 瓦斯含量 是指单位重量或体积的煤岩中在一定温度和压力条件下所含有的瓦斯量, 即游 离瓦斯和吸附瓦斯的总和,以 m 3/m 3煤或 m 3/t 煤表示。煤层瓦斯含量是计算瓦 斯储量与瓦斯涌出量的基础,也是预测煤与瓦斯突出危险性的重要参数之一。 常用的瓦斯含量测定方法有两类一类是直接测定法, 多用于地质勘探部门, 即在打钻 过程中, 遇到煤层后用专用的密闭式岩芯取样器或普通取样器, 提取煤样, 在实验室内抽取 其中所含瓦斯, 再加上打钻、取样过程中逸散的瓦斯,除以试样的质量,就是该煤层的瓦斯 含量了。 抽出的瓦斯还应进行成分分析, 用来确定瓦斯风化带的下部边界深度。 另一类是计 算法, 即根据测定得到的煤层的瓦斯压力和温度, 结合实验室的试验, 计算煤层的游离瓦斯 含量和吸附瓦斯含量之和,即为该煤层的瓦斯含量。 1、直接测量法 直接测量法较为简单。 国内外广泛采用的直接测定瓦斯含量的方法为解吸法。 解吸法是 将钻孔预定位置采集煤样装入一个特制的密封罐中, 测定煤样在该密封罐内的解吸量, 如图 10-2-8 和 10-2-9 所示。 该技术的关键是在于精确估计煤样从钻孔采集起到装入密封罐前这 段时间内的瓦斯损失量。 解吸法最早在法国井下钻孔中研究并应用。 20 世纪 70年代美国矿业局对该法在地勘钻 孔的实用性进行了进一步研究。 研究结果表明瓦斯损失量与煤样暴露时间 t 的平方根成正比 关系,即 V ∝ t 。解吸法测定的步骤为首先准确测定取样时间,即从钻孔穿透煤层开始 到将煤样取出到达钻孔口的时间。 然后将煤样封装在密封罐内, 在实验室按一定时间间隔测 定容器中瓦斯的解吸量,开始测试间隔时间定为 15分钟如观察到容器压力上升过快,可 以缩短 ,测量每个间隔时间内释放的瓦斯体积,这通过测定瓦斯在滴定管内的排水量来实 现。 然后逐渐增加测定时间间隔, 一直持续到连续一周内每天瓦斯平均释放量不超过 10cm 3时为止。 从钻孔中取样和将样品装到容器中的时候, 煤样中的瓦斯不可避免有一些损失。 损失的 图 10-2-8 密封罐 1-罐盖; 2-罐体; 3-压紧螺丝; 4-垫圈; 5-胶垫; 6-“ O ”形密封 圈 图 10-2-9 煤芯瓦斯解吸速度测定仪 1-量管; 2-水槽; 3-螺旋夹; 4-吸气球; 5-温度计; 6, 8-弹簧夹; 7-放水管; 9-排气 管;穿刺针头; 11-密封罐 瓦斯体积可以通过绘制容器中累积的瓦斯解吸量与 t 的关系图进行估计。 图 10-2-10为解吸法的使用实例。 在该例中, 已知煤样暴露时间为 t 840s, 29s1/2, 根据实测的瓦斯解吸量可绘制出瓦斯的解吸曲线, 从该曲线的斜率即可求得损失的瓦斯量约 为 285cm 3。 图 10-2-10 取样过程中瓦斯损失量的估计图 瓦斯测量结束后,煤样中仍然残留有瓦斯。如果需要对此进行量化,可以压碎煤样,继 续测量释放出来的瓦斯量。 压碎过程应在一个独立的充满氮气的密封球磨中进行。 如果把钢 球放在样品容器中, 就不需要把煤样移出容器了。 另一种方法是在容器中使用电磁驱动的钢 锤。测得的瓦斯解吸量和估计的损失瓦斯量之和除以煤样的重量,即可得到瓦斯含量值。 2、间接测定法 煤层瓦斯含量间接测定法是首先在实验室中进行煤样的瓦斯吸附试验和真假比重的测 定,然后绘制瓦斯吸附等温线, 计算煤的孔隙体积,再按照朗缪尔方程式并引入水分、 温度 和灰分影响修正系数,以及带入实测的煤层瓦斯压力,最后计算出煤的瓦斯含量。 该方法的测定步骤为1在现场测定煤层的瓦斯压力和温度,并采集新鲜煤样; 2 在实验室对煤样进行工业性分析,同时取 0.20.25mm煤样 80g ,装入测定罐; 3在 70o C 条件下,抽真空脱气 2天; 4在 0.10.5MPa压力与 30o C 恒温条件下吸附甲烷,测量吸附 或解吸的瓦斯量,并换算成标准状态下的吸附的瓦斯量; 5求出吸附常数 a 、 b 值,并绘 制出 30o C 的等温吸附曲线; 6依据测定得出的瓦斯压力、温度、煤中的水分、挥发分和 吸附常数,计算出煤的游离瓦斯含量和吸附瓦斯含量。 煤的游离瓦斯含量,按气体状态方程求得 ζ 00 TP VPT q y 10-2-5 式中 q y 煤的游离瓦斯含量, m 3标准状态下 /t煤 ; V 单位重量煤的孔隙容积, m 3/t; P 瓦斯压力, MPa ; T 0、 P 0标准状况下的绝对温度273K 与压力0.101325MPa ; T 瓦斯绝对温度K ; 瓦 斯 损 失 量 c m 3 ξ瓦斯压缩系数,见表 10-2-3。 表 10-2-3 甲烷气体压缩系数表 煤的吸附瓦斯含量,按朗缪尔方程计算并考虑煤中水份、灰分、温度影响系数,由此, 煤的吸附瓦斯量为 100 100. 31. 011 1 0W A W e bp abp q t t n x -- - 10-2-6 式中 q x -煤的吸附瓦斯含量, m 3标准状态下 / t煤 ; a 、 b -吸附常数; p -煤层瓦斯压力, MPa ; t 0-实验室测定煤的吸附常数时的实验温度,℃; t -煤层温度,℃; n -系数,按式 10-2-3计算; A 、 W -煤中的灰分和水分, 。 煤的瓦斯含量,等于游离瓦斯与吸附瓦斯含量之和 q q x q y 10-2-7 我国一些矿井煤层煤样的吸附试验结果见表 10-2-4。 表 10-2-4 我国一些矿井煤层煤样的吸附试验结果 吸 附 实 验 结 果 解由朗缪尔方程 bp abp q 1 得出 ab a p q p 1 以 p/q对 p 作图求出直线斜率及截距,即为 1/a和 1/ab。拟合结果如图 10-2-11所示, 等温吸附曲线如图 10-2-12。 图 10-2-11中1/a0.0572, 1/ab0.1216; 可得 a17.48mL/g, b0.47MPa-1。 p p bp abp q 47. 012156. 81 据此方程可绘出等温吸附曲线,如图 10-2-12 所示。 根据 矿井下实际测定出的瓦斯压力即可得到该条件下的瓦斯含量。 五、煤层瓦斯垂直分带 煤田形成后,煤变质生成的瓦斯经煤层、 围岩裂隙和断层向地表运动; 地表的空气、生 物化学及化学作用生成的气体由地表向深部运动。 由此形成了煤层中各种气体成分由浅到深 有规律的逐渐变化, 即煤层内的瓦斯呈现出垂直分带特征。 一般将煤层由露头自上向下分为 四个瓦斯带CO 2 N 2带、 N 2带、 N 2 CH 4带、 CH 4带。图 10-2-13给出了前苏联顿巴斯煤 田煤层瓦斯组分在各瓦斯带中的变化,各带的煤层瓦斯组分含量见表 10-2-5。 前三个带总称为瓦斯风化带, 第四个带为甲烷带。 瓦斯风化带下部边界煤层中的瓦斯组 分为 80,煤层瓦斯压力为 0.10.15MPa,煤的瓦斯含量为 23m3/t烟煤和 57m3/t无 烟煤 。 在瓦斯风化带开采煤层时, 相对瓦斯涌出量一般不超过 2m 3/t, 瓦斯对生产不构成主 要威胁。我国大部分低瓦斯矿井皆是在瓦斯风化带内进行生产的。 图 10-2-13煤层瓦斯垂向分带图 瓦斯风化带的深度取决于煤层地质条件和赋存情况, 如围岩性质、 煤层有无露头、 断层 发育情况、煤层倾角、地下水活动情况等等。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。 有露头的煤层往往比无露头的 隐伏煤层瓦斯风化带深。表 10-2-6列出了我国部分高瓦斯矿井煤层瓦斯风化带下部边界深 度的实测结果。 表 10-2-6我国部分矿井瓦斯风化带下部边界深度 位于瓦斯风化带下边界以下的甲烷带, 煤层的瓦斯压力、 瓦斯含量随埋藏深度的增加而 有规律地增长。 因此,掌握开采煤田煤层瓦斯垂直分带的特征,确定瓦斯风化带深度, 是搞 好矿井瓦斯涌出量预测和日常瓦斯管理工作的基础。 六、影响瓦斯含量的因素 根据理论分析,在从植物遗体到无烟煤的变质过程中,每吨煤至少可生成 100 m 3以上 的瓦斯,但是在目前的天然煤层中, 最大的瓦斯含量不超过 50 m3/t 。这一方面是由于煤层 本身含瓦斯的能力所限, 另一方面因为瓦斯是以压力气体存在于煤层中, 经过漫长的地质年 代, 放散了大部分, 目前仅是剩余的瓦斯量。 所以说煤层瓦斯含量的多少主要决定于它保存 瓦斯的条件,而不是生成瓦斯量的多少,也就是不仅决定于煤质牌号 肥煤以上 ,而更主要 的是决定于它的地质条件。现将影响煤层瓦斯含量的一些主要因素分析如下 1、煤的变质程度 煤的变质程度越高, 生成的瓦斯量越多。 如其他条件相同,变质程度提高了,煤层的瓦 斯含量应比较大,例如阳泉 3号煤层变质程度高,挥发分为 7左右,在瓦斯压力 1.6 MPa 下,每 m 3煤的瓦斯含量为 34 m 3,而抚顺龙凤矿的煤层变质程度低,挥发分为 34,在同 样瓦斯压力下,其含量仅为 14.6 m3。 2、煤层的地质历史 瓦斯在生成过程中, 不断生成和放散, 尤其是在成煤后的漫长地质年代中, 它的放 散瓦斯条件如何这是具有决定性的因素。 因为地层的上升和下降, 海浸海退的变化, 地表 河流对煤层的侵蚀, 地质构造对放散瓦斯的作用, 煤层在地表暴露时间的长短, 这些对于瓦 斯的保存都具有重大影响。 例如开滦的石炭二迭纪煤层在距地表 700800米处, 瓦斯含量不 大,一般也没有突出现象。但是湖南白沙矿区二迭纪煤层,有的在距地表 80米处即发生突 出,瓦斯含量也比较大。 3、煤层和围岩的透气性 煤系岩性组合和煤层围岩性质对煤层瓦斯含量影响很大。 如果围岩为致密完整的低 透气性岩层,如泥岩,完整的石灰岩,煤层中的瓦斯就易于保存下来。重庆、六枝、涟邵地 区煤系地层岩性主要为泥岩、页岩、 粉砂岩和致密石灰岩,围岩的透气性差,所以煤层瓦斯 含量高,瓦斯压力大。反之,围岩由厚层中粗砂岩、砾岩或裂隙溶洞发育的石灰岩组成,则 煤层瓦斯含量小。例如在大同煤田、 北京煤田西部,围岩是透气性大的厚砂岩,煤层瓦斯含 量就很低。 4、地质构造 煤层的断层和地质破坏对瓦斯的放散有显著的作用, 如果断层的成因是受张力作用 产生的, 则该断层边界的瓦斯可以通过断层而放散, 该区域的瓦斯要小。 如果断层是受压力 作用产生的,属于封闭性的断层,在断层区域内的瓦斯要大。例如焦作矿区在距地表 188米垂深处, 王封矿和李封矿均为低瓦斯矿井, 但邻近的朱村矿, 其四周为封闭性断层切割则 为超级瓦斯矿井,并发生了煤和瓦斯突出现象。 此外, 在断层带中充填物的致密性和断层附近的岩性, 对断层附近煤层的瓦斯含量 也有重要关系。 5、煤层露头 煤层在目前或成煤后的地质年代中有无露头长时间与大气相通, 这对于瓦斯的保存 有很大关系。例如四川中梁山煤田为覆舟状构造, 地表无煤层出露,瓦斯为构造封闭,煤 层的瓦斯含量大,因而主井井筒进入煤层时,即发生了煤和瓦斯突出。 6、埋藏的深度和地形 在有露头的煤田中, 地表附近的煤层瓦斯得到了放散, 而且空气也向煤层渗透, 因 而在距地表不远的煤层中含有二氧化碳、 氮气等气体。 随着深度的加深, 甲烷所占的比例越 来越大。在煤层瓦斯成分中,甲烷不足 80的部分称之为瓦斯风化带。瓦斯风化带的深度 可以从几十米到几百米, 甚至达千米, 这决定于地质条件和围岩性质。 在瓦斯风化带中由于 瓦斯含量小, 不会发生瓦斯突出。 一般在瓦斯风化带以下的甲烷带内, 瓦斯压力基本上随深 度成正比增加。 在山区的煤田, 由于地形起伏变化大, 煤层瓦斯含量则与覆盖层的厚度有关, 根据阳泉各矿的资料表明,覆盖层厚度越大,煤层瓦斯含量越大。 7、地下水的活动 在地下水活跃的区域, 瓦斯也得到流动、 排放。 例如南桐直属二井的突出煤层在地 下水活跃的地区, 不但没有发生突出现象, 而且瓦斯涌出量也大大减少; 湖南煤矿普遍存在 着凡是水大的矿井瓦斯小,水小的矿井瓦斯大的规律。 以上是对这些因素的简要说明,在分析某一煤层的瓦斯含量以及有无突出危险时, 需要根据这些因素以及地应力等因素作综合的研究。 第三节 瓦斯在煤岩中的流动 一、瓦斯流动场 如前所述, 煤层中含有大量的瓦斯, 游离瓦斯还有具有一定的压力, 由于煤层赋存的条 件不同,瓦斯压力的分布是不均衡的。有压力差,有裂隙通道,就有瓦斯的流动。瓦斯在煤 层中的流动是从高压区流向低压区。 一旦矿井开拓开采揭露了煤层, 该地点的瓦斯压力就大 幅下降,周围高压力的瓦斯就会向该点流动。瓦斯流动的范围称为流动场。在实际情况下, 流动场的范围是随时间而变化的。 在流动场内瓦斯流动的类型, 从空间几何形状来划分, 基本上可分为三类即单向流动、 径向流动和球向流动。 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采工作面煤壁内的瓦斯流动就属于单向流动,如图 10-3-1所示。 2、径向流场在 x 、 y 、 z 三绝空间内,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;其瓦斯 压力等值线平行煤壁呈近似同心圆形,如图 10-3-2所示。 3、球向流场在 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部属 于这一类,如图 10-3-2所示。 上述三种流场是瓦斯流动的基本形式。 实际井巷煤壁内的瓦斯流场是复杂的, 是几种流 场的综合。 例如半煤岩巷道, 在掘进工作面的迎头煤壁内近似于径向流场, 而后部则为单向 流场。 图 10-3-2 球向流动 1揭开煤层巷道的迎头; 2流线 流动场从时间上来说, 分为稳定和不稳定两种。 稳定流动场就是有固定的瓦斯源, 流动 场中任何一点的流速和压力不随时间而变。 相反的, 不稳定流动场没有外来的瓦斯来源, 而 是由流动场内本身供给的, 因此流动场随着流动时间而变化。 严格说来, 煤层中的瓦斯流动 都是不稳定的, 因为瓦斯的来源来自流动场本身所含有的瓦斯, 所以瓦斯涌出量也是随时间 不断变化的,参见图 10-3-3。 图 10-3-1 单向流场 1-瓦斯流向; 2-等瓦斯压力线 图 10-3-2 径向流场 1-瓦斯流向; 2-等瓦斯压力线 图 10-3-3 非稳定流场 掘进巷道煤壁内煤体瓦斯含量的变化 1一迎头掘过后几小时; 2一迎头掘过后 4天; 3一迎头掘过后 10天; 4一迎头掘过后 15天, 6一迎头掘过后 55天, 8一迎头掘过后 150天 稳定 图 10-3-4 煤层中的等瓦斯压力线 1-煤层; 2-瓦斯流向 二、 瓦斯在煤岩中的流动 瓦斯在煤层中是以具有压力的气体存在着的, 在甲烷带内, 瓦斯压力一般沿煤层倾斜随 深度而增加, 而沿煤层走向变化较小。 由于各个地点瓦斯压力不同, 在未开采煤层的小范围 内,存在着比较稳定的瓦斯压力等值线的分布,如图 10-3-4。 当石门揭穿煤层, 在煤层中进行的采掘工作破坏了原有的瓦斯压力平衡状态, 形成瓦斯 流动场,其瓦斯压力等值线和瓦斯流动路线,即流网和流线,如图 10-3-5。如巷道中的大气 压力为 0.1MPa ,煤层瓦斯由高压流向低压,从煤层内部向巷道中流动。实际上测定到的等 压线不是很规则的, 这是由于煤层原始瓦斯压力分布得不均匀和煤层透气性不同的原故。 这 种由高压流向低压的流动状态,大多表现为涌出,在特殊条件下,也可以形成喷出和突出。 在开采多煤层中涌出的瓦斯, 来自本煤层的瓦斯仅占一部分, 在很多高瓦斯矿井中, 矿 井的相对瓦斯涌出量远远大于煤层本身瓦斯含量; 开采单一煤层, 采掘的相对瓦斯涌出量也 大于煤层的瓦斯含量。 这是因为瓦斯的来源不仅来自采掘下来的煤炭, 而且还来自煤壁, 因 此相对瓦斯涌出量影响的因素更多。 瓦斯在煤层中流动, 目前认为存在两种类型, 即扩散流动和层流流动。 这两种流动谁起 主导作用虽然还存在着争论, 但普遍认为, 扩散流动在微孔结构中或在低透气系数煤层中占 主导地位,而层流流动在大孔和裂隙中或在高透气系数煤层中占主导地位。 1、扩散流动 扩散流动主要在瓦斯浓度分布不均匀时出现。 扩散流动服从菲克定律 F ick’ s Law , s m x c D u x /∂∂- 10-3-1 式中 u x ─ 在 x 方向上的扩散流的速度, m/s; D ─ 扩散系数, m 2/s ; c ─ 瓦斯的浓度, m 3/m3煤。 负号表示流动沿着气体浓度降低的方向进行。 2、层流流动 瓦斯的 层流运动遵循达西定律 Darcy ’ s Law ,达西定律表示流体的流速与其压力梯度 图 10-3-5 巷道周围煤体中的瓦斯流动 场 成正比,即 dx dp k u μ- 10-3-2 式中 u - 流速, m/s; k - 煤层的渗透率, m 2; μ - 流体的动力粘度, Pa s ,对于甲烷, μ1.8510-5 Pa s; d p / d x - 压力梯度, Pa/m。 三、煤层瓦斯流动参数 影响煤层瓦斯流动的因素很多,如煤层赋存状态、瓦斯地质条件、瓦斯压力、透气性、 吸附瓦斯的能力、孔隙率、煤层暴露面的几何形状、放散瓦斯的时间、采掘方法、开采空间 的地应力活动规律、 煤层和岩层的物理力学性质、 支架和顶板管理的方法、 矿井通风制度和 水文地质条件等。 在这些影响因素中, 除时间空间条件外, 对煤层本身而言, 煤层瓦斯压力、 透气性、 煤的吸附瓦斯能力和孔隙率是影响瓦斯涌出的基本参数。 因为瓦斯压力是瓦斯流动 的动力, 煤的透气性则是瓦斯在该煤体中的流动能力, 而煤的吸附能力和孔隙率则是煤层含 有瓦斯的能力,所以在一定的地质条件和采掘方法条件下,瓦斯涌出主要决定于上述因素。 1、煤层瓦斯压力 煤层瓦斯压力是指煤孔隙中所含游离瓦斯的气体压力, 即气体作用于孔隙壁的压力。 煤 层瓦斯压力是决定煤层瓦斯含量的一个主要因素, 当煤的吸附瓦斯能力相同时, 煤层瓦斯压 力越高,煤中所含瓦斯量也就越大。 瓦斯压力是造成突出的重要动力。 如 1MPa 的压力作用 在 1m 2 的面积上能产生 100 t 的推力,这样大的力量足以将几十吨的煤炭抛出,所以规 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。 1煤层瓦斯压力测定 测定煤层瓦斯压力时, 通常是从围岩巷道 石门或围岩钻场 向煤层打孔径为 50一 70mm 的钻孔,孔中放测压管, 将钻孔密封后, 用压力表直接进行测定。 为了测定煤层的原始瓦斯 压力,测压地点的煤层应为未受采动影响的原始煤体。 测压封孔方法分填料法和封孔器法两类。 根据封孔器的结构特点, 封孔器分为人工充填、 胶圈和胶圈粘液等几种类型,各种方法如图 10-3-7、 10-3-8、 10-3-9所示。 图 10-3-7 人工充填法封孔示意图 1-测压前端; 2-挡料圆盘; 3-充填材料; 4-木楔; 5-测压管; 6-压力表; 7-钻孔 图 10-3-8 胶圈封孔器结构示意图 1-测压管; 2-外套管; 3-压紧螺帽; 4-活动挡圈; 6-胶圈; 7-压力表; 8-钻孔 图 10-3-9 胶圈-压力粘液封孔器 1-补充气体入口; 2-固定把; 3-加压手把; 4-推力轴承; 5-胶圈; 6-粘液压力表; 7-胶圈; 8-高压胶管; 9-阀门; 10-二氧化碳瓶; 11-粘液; 12-粘液罐 煤层瓦斯压力的测定都是从岩巷向煤层打钻孔, 从钻孔中引出一根细管, 并用粘土、 水 泥砂浆、胶圈等固体物封孔,从钻孔中引出测压管,直接用压力表读出煤层瓦斯压力值。这 种方法在封孔段岩层坚硬致密的条件下是可以得到正确的瓦斯压力值, 但是当封孔段岩层为 松软的砂岩或钻孔周围存在微裂隙时, 封孔的固体物不能严密封闭钻孔周边的裂隙, 因而易 于漏气, 封孔效果不理想, 测出的瓦斯压力值低于煤层真实的瓦斯压力。 这样会导致错误的 技术判断,极易造成事故隐患。 为了解决这一技术难题, 中国矿业大学周世宁教授提出了胶圈压力粘液封孔测定煤层 瓦斯压力技术,并经过几代人的努力发展成为 M-II 型瓦斯压力测定仪图 10-3-9 ,已在平 顶山、郑州、淮南、淮北、晋城、抚顺、阳泉等高瓦斯突出矿区获得广泛应用。它的基本思 路是固体封液体, 液体封气体。即除了利用两个胶圈封孔外,在两个胶圈之间充入具有一 定压力的粘液乳化液 ,粘液的压力略高于瓦斯压力,粘液在压力作用下渗入