煤矿瓦斯灾害及其防治技术.doc

煤矿瓦斯灾害及其防治技术 我国是世界上最大的煤炭生产国和消费国，最高年产达13.7亿t ，在一次能源消费构成中，煤炭占到70％以上。我国煤炭生产主要为地下作业，由于煤炭赋存的地质条件复杂多变，经常受到瓦斯、水、火、粉尘、顶板等自然灾害的威胁，加之抗灾能力软弱，煤矿事故时有发生，其中瓦斯事故尤为严重。我国是瓦斯事故最多的国家之一。 在煤矿矿井中，瓦斯灾害主要表现为瓦斯爆炸瓦斯煤尘爆炸 和煤与瓦斯突出事故。建国以来，我国煤矿发生一次死亡百人以上特大瓦斯与煤尘 爆炸事故有20余起；煤与瓦斯突出次数占全世界突出总次数1／3以上，其个最大一次突出的突出煤和岩石量达12780t ，瓦斯140万m 3。瓦斯事故的发生，不仅使生命、财产遭受重大损失，而且影响煤炭生产正常进行。因此，防治瓦斯灾害，保障煤矿安全生产，是煤矿企业十分迫切的任务。 本章将简要介绍四方面内容a 、瓦斯地质基础知识，包括煤层瓦斯的性质、生成和来源、赋存状态、涌出形式及矿井瓦斯等级；b 、矿井瓦斯涌出量预测方法；c 、瓦斯爆炸及其防治技术，包括瓦斯爆炸条件及影响围素、局部瓦斯的积聚及处理、防止瓦斯煤尘爆炸范围扩大措施；d 、煤岩石 与瓦斯突出，包括突出的机理、特征、规律、预测预报方法及预防突出的措施等。 第一节 瓦斯的赋存与涌出 一、瓦斯的成分与性质 1、概念 瓦斯是指在煤矿生产过程中从煤层、岩层和采空区释放出的各种气体的总称。 瓦斯和煤层气的基本概念相似，但并不完全相同，主要区别在于瓦斯只是煤层受采动后从煤层中逸散出来的部分煤层气，其次瓦斯成分除了来源煤层气之外，一部分来自煤层氧化、人工呼吸、井下放炮等产生的气体。不过实际当中，人们一般将煤层气就理解为瓦斯。 2、成分 组成瓦斯的成分有甲烷，二氧化碳，氮气，一氧化碳，二氧化碳，硫化氢，二氧化硫，重烃及其化合物，稀有气体等。其中甲烷含量在10－99％间，一般在80％以上，二氧化碳在0－35％间，一般＜2％，氮气含量变化较大，但一般＜10％，一氧化碳，二氧化碳及硫化氢等气体含量很少，但危害很大，重烃及其化合物包括已烷，丙烷，丁烷，戊烷等，含量很小，一般在1％以下；氦、氖、氩、氪、氙等稀有气体含量甚微。可见瓦斯成分及其复杂，但主要由甲烷、二氧化碳和氮气组成。其中甲烷是瓦斯的主体成分。 3、瓦斯的性质 对煤矿生产构成危害的常见有害气体主要为甲烷，二氧化碳，一氧化碳，二氧化碳，硫化氢及二氧化硫。 （1）甲烷沼气 1一般特征 为无色、无嗅、无味的可燃气体；比重0.554，比空气轻；微溶于水，具强扩散性；遇火源时有燃烧和爆炸性，但不助燃；空气中甲烷含量达到一定浓度〔超过 40％〕时，可使人窒息。 2燃烧性和爆炸性 瓦斯爆炸实质上是指甲烷爆炸，甲烷的燃烧和爆炸，实质是甲烷与氧气所进行的一种氧化反应。其中，燃烧为其缓慢反应，爆炸为其剧烈反应。甲烷的燃烧和爆炸是一定条件，这些条件是 a、必须有高温热源或火源引燃或引爆。 b、甲烷浓度在5％一16％时才具爆炸性，这就是爆炸界限。实验证明，当浓度在9.5％时，由于反应最充分，所以爆炸的危险性和爆炸威力最大。 c、空气中氧的含量要高于12％，否则即使甲烷浓度在爆炸界限以内，也将失去爆炸性。 上述三个条件必须同时满足，也就是当甲烷浓度在5％一15％、空气中含氧量高于12％，遇到火源或高温热源才会发生瓦斯爆炸。因此，井下严禁明火，设备必须使用防爆设备。 煤矿安全规程规定；矿井总回风巷或一翼回风流中的甲烷浓度不得超过0.75％；采区回风巷，采掘工作面回风巷风流中沼气浓度不得超过1％时，否则必须停止工作，工作面撤出人员，切断电源，进行处理。 （2）二氧化碳C02 除瓦斯本身含有少量CO2外，人的呼吸、坑木氧化、放炮、某些物质的水解等，都可产生一定量的CO2二氧化碳无色，略有嗅，略具酸味；比重1.52，比空气重；不自燃，也 不助燃；易溶了水。一般瓦斯中CO2含量不大于0.1％～0.4％。二氧化碳为微毒惰性气体．空气中CO2达3％时，人的呼吸急促，易感疲劳，达5％时，感到耳鸣，呼吸困难；超过10％，出现昏迷，超过20％可使人窒息。 煤矿安全规程规定矿井总回风巷或一翼回风流中的二氧化碳浓度不得超过0.75％；采区回风巷；采掘工作面回风巷风流中二氧化碳浓度不得超过1.5％时；在采掘工作面的进风风流中，二氧化碳不得超过0.5％。 （3 ）一氧化碳CO 一氧化碳为无色、无嗅、无味气体，微溶于水，常温常压下化学性质不活拨，有爆炸性。比重0.97。瓦斯中CO 极少，只占千分之几,但属剧毒气体，一氧化碳与人体血红蛋白结合，可造成人体组织和细胞严重缺氧而中毒死亡。 当空气中一氧化碳达0.048％时，20一30分钟可使人致命；达1％时，立即致命。 煤矿安全规程规定井下空气中CO 含量的最高允许浓度不得超过0.0024％。 （4）硫化氢H2S 除瓦斯本身含有极少量H 2S 外，井下坑木腐烂、含硫矿物水解等也产生一定量的H2S。硫化氢是无色、微甜、有臭臭蛋味气体，比重1.19，具高溶解度。 硫化氢为剧毒气体，当含量达0.0001％一0.0002％时，可嗅到臭蛋味；超过0.0027％时，可使嗅觉失灵；达0.01％～0.015％时，可使人流垂液和清水鼻涕，瞳孔放大，呼吸困难；达0.05％时，半小时内可使人失去知觉，达0.1％可使人很快死亡（陕西桑树坪发生过H2S事故）。 煤矿安全规程规定，井下空气中硫化氢最高容许浓度为0.00066％。 （5）二氧化硫 二氧化硫是无色、有强烈硫磺味及酸味的气体，易溶于水，相对密度为2.22和呼吸器官有强烈的刺激作用。 空气中的SO 2浓度达到0.0005％时，能嗅到刺激味；0.002％时，对眼睛和呼吸器官有强烈的刺激作用，眼睛红肿、流泪，咳嗽、头痛、喉痛等，0.05％时，引起急性支气管炎、肺水肿，在短时间内死亡。 煤矿安全规程规定，井下空气中SO 2的最高容许浓度为0.0005％。 二．煤层瓦斯的生成及分带 1．煤层瓦斯的生成 煤矿井下的瓦斯来自煤层和煤系地层，属腐植型有机质生成煤过程中形成的。 分为两个造气阶段 （1） 生物化学作用造气时期 是成煤作用第一阶段，即泥炭化或腐泥化阶段。处于生物化学作用时期。该阶段的特点温度不超过500C ，属低温条件，植物遗体在沼泽水中在厌氧微生物作用下发酵。最后分解出甲烷和二氧化碳（类似农村的池塘及现代农村的沼气池）。 化学反应式 O H H C CO CH O H C 26092451063874→ 由于在泥炭化时期，泥炭的埋藏深度不大，上面覆盖层尚未固化，因此所生成的CH 4大部分不会保留下来，而逸散到了大气。 （2） 煤化作用造气期 这是成煤作用的第二阶段。即泥炭、腐泥在以温度和压力为定的作用下变化为煤的过程。这一阶段煤因变质作用会释放出大量的烃类气体，其中主要为甲烷。并且随着煤层变质程度越高，即媒质牌号越高，生成的甲烷量越大。据实验室测定，由泥炭生成1吨褐煤产生68m 3煤层气，生成1吨长焰煤产生168m 3煤层气，而生成1吨气煤、肥煤、焦煤、瘦煤、贫煤及烟煤分别产生212、229、270、287、339及419m 3煤层气。 由于泥炭向褐煤过渡时期生成的甲烷（68m 3）基本流失掉，所以估算煤层生成甲烷时，一般都取褐煤为计算起点，并将由褐煤生成某一阶段烟煤所生成的煤层气，称之为视煤气发生率。 2．煤层瓦斯沿深度的带状分布 由于煤层内的瓦斯向地表扩散运移，同时地面空气向煤层身部渗透的结果，沿煤层的垂向，瓦斯的成分一般会出现四个分带。 2（） N 2（）4（） 气带成因 CO 2-N 2带空气-生物成因 N 2带空气成因 N 2-CH 4带变质成因 CH 4带变质成因 其中前三个带统称为瓦斯风化带，第四个带称为甲烷带。 瓦斯风化带的深度，视各地地质条件不同存在较大差异。最浅的如贵州六枝矿仅60m ，最深的如焦作矿200m （均指沿煤层露头向下）。 甲烷带的特点CH 4浓度超过80，是煤矿瓦斯事故的主要发生带。在甲烷带，煤层瓦斯含量具有随深度增加而有规律增大的现象。 甲烷带划分除依据CH 4浓度外，还可以依据瓦斯压力、瓦斯含量及瓦斯相对涌出量间接 确定。 甲烷带上限瓦斯压力值为0.10.15MPa 。煤层瓦斯含量与煤种有关，一般瘦煤取2.5 3.0m 3/t，贫煤取3.04.0 m3/t，无烟煤取5.07.0 m3/t，采面相对涌出量取23 m3/t。 三．煤层瓦斯的赋存 1．煤的孔隙特征 孔隙是指煤中未被固体物质（有机质和矿物质）充填满的空间，属煤的结构要素之一。孔隙是煤层中流体（气体、水）储集及流动的前提，是研究和评价煤储集性能的基础。 一般从煤的孔隙度、比表面积、孔隙结构、天然裂隙发育等方面来研究煤的孔隙特征。 （1） 孔隙度 又称孔隙率，是按煤中孔隙体积与煤总体积之比的百分数，即 100V V p φ 常采用密度法来测定煤的孔隙度，即在实验室测定煤样的真密度（d ）和视密度（r ），并用此公式来计算煤的孔隙度。即 100−d r d φ 国内外对煤的孔隙度测定结果表明，煤的孔隙度与煤的变质程度有一定联系。表现在，中等变质程度的煤孔隙度最小，低变质程度与高变质程度煤孔隙度增大。一般煤的孔隙度小于10。 （2） 煤的比表面积 即单位重量煤样中所含有的孔隙内表面积。其单位为m 2/g。 煤的比表面积值与煤的变质程度有关。据湖南煤炭研究所用CO 2做吸附质测定煤的比表面积，结果是长焰煤为90m 2/g，气煤为5070m 2/g，肥煤为1020m 2/g，焦煤为20120m 2/g，瘦煤为80130m 2/g，贫煤为90130m 2/g，无烟煤最高可达287m 2/g，其变化趋势是随着煤级的提高，比表面积的值总体上趋于变大。 由于煤的内表面积很大，使煤成为一种良好的天然吸附剂。对甲烷具有很大的吸附能力。这也是为什么煤的孔隙度高，都能储集大量气体的主要原因。 （3） 煤的孔隙结构类型 所谓孔隙结构是指储集岩的孔隙大小、形态、发育程度及其相关组合关系。它可以从总体上反映可用孔隙在流体储存和渗滤中的作用。 苏联学者将煤的孔隙分为以下几类 微孔 直径小于0.01um 这些孔隙主要构成瓦斯吸附容积 小孔 直径0.010.1um 也称过渡孔，构成瓦斯毛细凝结和扩散的空间 中孔 直径0.11um 构成瓦斯缓慢层流渗透的空间 大孔 直径1100um 构成剧烈层流渗透的区域，是破坏煤的破裂面 可见孔 直径100um 构成层流和紊流混合渗透的区域，是坚固和中等和裂隙 程度煤的破碎面 不同大小孔隙的发育程度叫孔隙分布（亦称孔隙结构）。一般采用压汞法研究煤中的孔隙分布。压汞法的基本原理是毛细管现象，汞对煤无湿润能力，只有在外力作用下，汞才能进入煤的孔隙之中，同时，在压力和汞所能进入的孔隙大小之间存在着固定关系。因此，可根据压汞实验过程中的压力和进汞量，计算出孔隙的半径和相应的孔隙体积。利用这些数据， 可做出孔隙体积（v）随孔径（r）的变化曲线或直方图。用于对孔隙分布情况进行统计和研 究。 （4） 煤中天然裂隙（割理）的发育 煤中的天然裂隙又称割理， 是煤化作用和构造应力影响的结果。 它通常发育为相互大致 垂直的两组，延伸较长的一组（通常平行煤层层理面）叫面裂隙；延伸限于面裂隙之间且大 致与面裂隙直交的一组叫端裂隙。裂隙是煤中流体（水和气）渗透的主要通道。 对于裂隙的研究，一般有两种途径。其一是通过野外露头及煤矿井下调查和测量，其二 是从露头、井下、岩面采集块煤样品，对块煤样品的抛光片在光学显微镜和 x 射线仪下进行 观察和测量。 煤中裂隙的发育程度， 主要与煤阶和煤岩成分相关。 表现在镜煤和光亮煤条带中裂隙较 发育，而半暗及暗淡型煤中裂隙不发育。裂隙存在于从褐煤到无烟煤的各种煤阶的煤层中， 但通常在中等变质程度的煤阶中最发育， 尤以肥煤和焦煤最甚， 而褐煤和无烟煤中则不发育。 2．煤的吸附性 （1） 瓦斯在煤层中的存在状态 有两种吸附状态和游离状态 吸附瓦斯 指瓦斯分子依靠分子引力吸附在煤的微孔隙表面上和煤的散粒内部。 这一部 分瓦斯占煤层瓦斯的 90，是生成瓦斯的主体。 游离瓦斯指瓦斯分子以自由状态存在于煤的小孔以上（包括裂隙空间）的孔隙内，由 于瓦斯分子的热运动，它显示有一定的压力，并且服从气体状态方程。可以从高压区向低压 区流动。 吸附瓦斯和游离瓦斯在一定条件下，可以相互转化。 当压力下降，或温度升高时，吸附瓦斯可转换成游离瓦斯。称解吸。煤炭开采中，煤层 中瓦斯的释放就属于一种解吸现象。 当压力上升，或温度下降时，游离瓦斯可转换成吸附瓦斯，此现象称吸附。 （2） 煤的吸附等温线 煤的吸附性通常用煤的吸附等温线表示。 吸附等温线是指在某一固定温度下， 煤吸附瓦 斯的量随瓦斯压力的变化规律。 吸附等温线采用容量法变压吸附实验装置进行测定 （所谓容 量法是指吸附瓦斯量的大小通过直接测定瓦斯的体积来实现） 。 国内外的大量实验表明，煤吸附瓦斯（甲烷）时，吸附等温线符合朗格缪尔方程式 x abp 1 bp X在某一温度下，瓦斯压力为p时，单位质量（或体积）纯煤（去水和灰分）吸附 的瓦斯量，m3/t（或m3/m3） P瓦斯压力，MPa A吸附常数，标志纯煤的极限吸附瓦斯量。即在某一温度下当瓦斯压力趋近于无 穷大时的最大吸附瓦斯量，m3/t B吸附常数，MPa-1 煤吸附瓦斯的普遍规律是随着瓦斯压力的升高，煤吸附的瓦斯量增大，大增长率逐渐 变小；当瓦斯压力无限大时，煤的吸附瓦斯量趋于某一极限值。 吸附常数a的变化范围一般为 1560 m3/t块煤，吸附常数b的变化范围一般为 0.2 2MPa-1 （3） 煤吸附瓦斯的饱和度 指吸附瓦斯量（x）与煤极限吸附瓦斯量之比，即 C x bp a 1 bp 吸附饱和度所表征的曲线与吸附等温线具有完全相同的形式。即随着瓦斯压力的增大， 吸附饱和度增大，但增大率逐渐减小；当瓦斯压力趋于无穷大时，吸附饱和度趋于 1。 在同一瓦斯压力下，常数b值越大，则饱和度越大。如在瓦斯压力为 1MPa时，吸附 － － 常数b由 0.2MPa 1增至 2MPa 1，则饱和度由 0.17 增至 0.67。 饱和度为 0.5 时的瓦斯压力定义为特征瓦斯压力。由上式得 Pc 为 Pc 1 b 特征瓦斯压力是吸附常数 b 的倒数。其值（Pc）越小，煤吸附瓦斯越容易达到饱和。 （4）影响煤吸附性的因素 a.煤的变质程度 试验表明，在相同瓦斯压力下，煤的吸附瓦斯量随煤的变质程度提高而增大。 b.煤的有机显微组分 惰质体的吸附能力＞镜质体＞壳质体 c.温度 在同一瓦斯压力下，温度越小，煤的吸附瓦斯量越小。 d.水份 当煤中含水时，煤的吸附瓦斯量将明显减小。 3.煤层瓦斯压力 指煤层孔隙中所含游离瓦斯呈现的压力。 即瓦斯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， 也是开展突出预测的主要指标之一。 因为它在煤与瓦斯 突出发展、发展过程中起着重大作用。 （1）瓦斯压力随深度的变化 煤层瓦斯运移的总趋势是由地层深部向地表浅部逸散。 这一规律决定了煤层瓦斯压力和 含量随深度增加而增大。 在地质条件可变的情况下， 煤层瓦斯压力随深度增加增大的幅度， 可用瓦斯压力梯度来 表示 m P - P0 H - H0 P瓦斯带内深度为 H（m）处的瓦斯压力，MPa P0瓦斯带内深度为H0（m）处的瓦斯压力，MPa m瓦斯压力梯度，MPa/m0 若已知 m，可计算出任一深度处煤层的瓦斯压力大小。 PP0m（H－H0） 大部分矿区的瓦斯压力梯度值在 0.0070.012MPa/m 之间。即煤层瓦斯压力测定方 法。 按我国煤层安全规程规定，在石门揭开突出煤层前，首先要测定煤层瓦斯压力，它 是突出危险性预测的主要指标之一。 又是选择石门防突措施的主要依据。 同时测定煤层透气 性系数和用间接确定煤层瓦斯含量，也必须知道煤层原始瓦斯压力。 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 75mm 的钻孔，孔中放测压簧，将钻孔密封后，用压力表直接测定。要求测量地点的煤层应 为未受采动影响的原始煤体，打孔地点岩石应较致密且长度不小于 5m。测压封孔方法分填 料法（水泥和沙子或粘土）和封孔器法（胶圈封孔）两种。 4.煤层瓦斯含量 （1）煤层瓦斯含量 指煤层内单位质量煤中所含的瓦斯体积量，单位m3/t或ml/g。 煤层未受采动影响时的瓦斯含量为原始（或天然）瓦斯含量。如煤层受采动影响，已 部分排放瓦斯，则剩余在煤层中的瓦斯量称为残存瓦斯含量。 煤层围岩中有时也含有瓦斯，单位质量（体积）岩石中所含的瓦斯体积称为岩石瓦斯 含量。 （2）影响煤层瓦斯含量的因素 在地质年代所形成的瓦斯，在其压力与浓度差的驱动下，会发生运移。因此，大部分 已脱离产气煤层，排放到了古大气气层中。而在运移途中，遇到良好储存条件时，聚集起来 的煤层气，就会形成气址。留在现今煤层中的瓦斯，仅仅只有其生成量的一小部分，大约仅 占 324。 煤层保存瓦斯量的多少，主要取决于煤生成后瓦斯的逸散和运移条件，以及煤保存瓦 斯的能力。 1）煤层存储瓦斯条件 （a）煤的变质程度 煤属于天然的吸附剂，吸附能力很强，而随着煤层变质程度的增高，煤生成的瓦斯量愈 来愈大，同时煤微孔隙也愈来愈发育。在其他条件相同情况下，高变质煤较低变质煤瓦斯含 量高。 （b）煤田地质史 成煤后地壳是处于上升剥蚀作用还是不断下沉， 接受沉积作用。 前者给瓦斯向地表运移 提供了条件，表现在瓦斯含量低，后者因巨厚的覆盖层覆盖，减缓了瓦斯向地表逸散，表现 在瓦斯含量较高。 此外煤层在地表有无露头对煤层瓦斯的存储也影响很大。 有露头时， 一般存在较深的瓦 斯风化带，在该带内瓦斯含量很低，无煤层露头时，煤层被低透气岩层封闭，则瓦斯含量很 大。 c 煤层埋藏深度 随着煤层埋藏深度增加，存储瓦斯的条件更为有利。原因是上覆地层厚度加大，瓦斯保 存条件更好，瓦斯运移、释放更加困难。在瓦斯带内，随着深度增加，煤层瓦斯含量普遍增 大。 （d）煤层的厚度 在同样的保存条件下，煤层越厚，保存下来的瓦斯量越多，瓦斯含量越高。 2）煤层围岩的透气性 指煤层上覆与下伏岩层的透气性。它对煤层瓦斯有很大影响。煤层上、下围岩中透气性 低的岩层（如泥岩、细碎屑岩、裂隙不发育面、石灰岩等）越厚，占的比重越大，煤层的瓦 斯含量就越高。 如重庆地区、 六枝矿区， 湖南涟邵矿区等煤和瓦斯突出矿井， 煤系内主要岩性均是泥岩、 页岩、粉砂岩和石灰岩，同时煤系的上覆与下伏岩层又是数百米厚的泥岩和海相石灰岩，封 闭条件好，煤层瓦斯压力大，含量大，均为高瓦斯矿井；相反若围岩是由厚的中粗粒砂岩， 甚至是砾岩或者裂隙溶洞发育的石灰岩组成，则瓦斯含量小。象山西大同，北京京西煤田， 煤层围岩是透气性大的厚砾岩，煤层是瓦斯含量很低。 3）地质构造圈闭瓦斯的条件 含以下几种情况 （a）闭合的和倾伏的背斜或穹隆，其顶板的岩层为致密岩层，未遭破坏时，常常瓦斯 含量较高，但当背斜顶部因张应力形成连通地表或围岩的裂隙时，瓦斯会流失掉。 （b）向斜构造的情况一般与背斜相反，即轴部瓦斯含量较低，原因是向斜轴部瓦斯补 给区域缩小， 瓦斯向上发生运移， 但个别矿井情况例外， 如四川南相矿区， 陕西韩城矿区等。 （c）构造形成煤层局部变厚的大型煤包常常瓦斯含量增高，原因是煤包是在构造挤压 应力下形成的，周围煤层被压薄，形成对煤层的圈闭条件。使聚集的瓦斯难以排放。 （d）断层时煤层瓦斯的影响比较复杂。一方面要看断层（带）的封闭性，另一方面还 要看与煤层接触的对盘岩层的透气性。 开放性断层（一般指张性、张扭性或导水的压性断层等） ，不论其和地表是否直接接通， 都会引起煤层瓦斯含量的降低，当煤层接触的对盘岩层透气性大时，煤层瓦斯含量降低。 封闭性断层（压性、压扭性不导水断层）煤层对盘的岩层透气性低时，可以组织瓦斯的 排放。 （e）煤层倾角大小对煤层瓦斯也有影响 一般来说，在相同条件下，煤层倾角越小，瓦斯含量越大，原因是岩层的透气性一般比 煤层低，煤层倾角变小，瓦斯沿煤层向外运移的路径增加的缘故。 4）水文地质条件 矿区地下水活跃的地区，即水大的矿井，通常煤层瓦斯含量小，水小的矿井，瓦斯含量 高，主要原因是 （a）水可以带走数量可观的溶解瓦斯； （b）在地下水活跃地区，天然裂隙比较发育，成为瓦斯向外渗滤的通道； （c）水赋存在煤层及围岩空隙中，可以挤占部分瓦斯存在空间，造成瓦斯含量的降低。