瓦斯知识.ppt

第四讲矿井瓦斯知识,矿井瓦斯基础知识矿井瓦斯是井下有毒有害气体的总称。但通常我们所说的瓦斯但指甲烷（CH4）而言，它是一种无色、无味、无毒，在一定的浓度下会燃烧或爆炸的气体。,注意听讲,,,,,,,,,知识点,,,技能点,煤层瓦斯赋存及影响赋存的地质因素煤层瓦斯的运移及瓦斯带的划分影响煤与瓦斯突出的地质因素,能够根据资料分析出影响煤层瓦斯赋存的地质因素能够根据资料确定瓦斯风化带下边界根据资料分析煤层瓦斯流动的规律根据资料分析出影响煤与瓦斯突出的主要地质条件,课程要点,,第一节认识瓦斯,1、瓦斯的生成,,认识瓦斯,2、煤层瓦斯的赋存2.1瓦斯在煤体内赋存状态,,认识瓦斯,2、煤层瓦斯的赋存2.2瓦斯在煤体内赋存状态,瓦斯在煤体内存在状态,吸附瓦斯,游离瓦斯,,,,吸收状态,吸着状态,,,,,以自由气体分子存在于煤体或围岩的较大裂隙、孔隙和空洞之中。,在与颗粒固体在分子之间引力作用下，被吸着在煤体孔隙的内表面上。,,,,,瓦斯分子进入煤体颗粒结构内部，与煤体固体分子相结合。,,认识瓦斯,3、影响瓦斯赋存的地质因素3.1煤层瓦斯含量主要决定因素,瓦斯生成量,煤的变质程度,煤的吸附能力,煤的变质程度越高，生成的瓦斯量越大。当其它条件相同，煤的变质程度越高，煤层瓦斯含量就越大。,,,,,,,,,认识瓦斯,3.2煤层瓦斯含量主要决定因素,瓦斯生成量,围岩条件,岩石的力学性质,围岩致密完整、不透气时，煤层瓦斯易于保存；反之，煤层瓦斯易于逸散。,,,可将围岩分为强岩层（砂岩、石灰岩等）和弱岩层（细碎屑岩和煤等）两类。,几种不同的顶板变形,,,,,,,瓦斯的认识,3.3煤层瓦斯含量主要决定因素,褶皱构造,地质构造,断裂构造,煤层顶板岩石透气性差，完整时，背斜有利于瓦斯的储存，瓦斯含量增大。在向斜盆地构造的矿区，顶板封闭条件良好时，大部分瓦斯仅能沿两翼流向地表。,,断层的力学性质,,,围岩致密完整、不透气时，煤层瓦斯易于保存；反之，煤层瓦斯易于逸散,,断层与地表的连通情况,煤层与断层另一盘接触的岩层性质。,断层带的特征,构造组合与瓦斯赋存的关系,逆断层边界封闭型,构造盖层封闭型,断层块段封闭型,,,,,,,,,,,,,,,,认识瓦斯,3.4煤层瓦斯含量主要决定因素,其它决定因素,水文地质条件,岩浆活动,煤层赋存条件,煤层有露头瓦斯易于排放，无露头瓦斯易于保存；对同一煤层，瓦斯风化带以下，煤层瓦斯含量随深度加大而增大；在其它条件相同，同一开采深度上，煤层倾角越小，煤层所含瓦斯越多。,地下水交换活跃地区，水能从煤层中带走大量瓦斯，从而使煤层瓦斯含量明显减少。,岩浆侵入煤层有利于瓦斯生成和保存的现象比较普遍,,,,,,,,,认识瓦斯,4、煤层瓦斯流动4.1煤层瓦斯流动,瓦斯在煤层中以呈压缩状态，煤层瓦斯压力随深度增大而增大，是在漫长的地质年代里，煤层瓦斯由深处向地表流动的结果，但这种煤层瓦斯流动是极其缓慢的，在采矿工程中，研究煤层瓦斯流动时，一般忽略这种缓慢的瓦斯流动。通常认为，在采掘工作或钻孔未影响到的煤层，瓦斯处于平衡状态，不会发生瓦斯流动。,在原始煤体中,由于采掘破坏了原有的瓦斯压力平衡状态，引起煤层瓦斯流动，形成瓦斯流动场。影响煤层瓦斯流动的因素很多，诸如煤层赋存条件、瓦斯压力、含量、煤层透气性以及采掘技术条件等等，但主要影响因素为瓦斯压力和煤层透气性，前者是瓦斯流动的动力，后者是瓦斯流动的阻力。,在采掘影响区,煤层瓦斯流动,,,,,,,,认识瓦斯,当孔隙直径为10-5～10-4时，由于孔径大于瓦斯分子的平均自由程l0-5cm，瓦斯流动表现为自由扩散或慢速的层流渗透，这时瓦斯流动符合费克或达西定律。,当孔隙直径为10-4～210-4cm时，瓦斯流动为层流渗透，符合达西定律。,当孔径或可见裂隙宽度大于210-4cm时，瓦斯流动表现为层流渗透或层流与紊流的混合过渡流。,当孔隙直径小于105cm时，瓦斯流动属于分子扩散。,当孔径小于310-7cm时，会出现瓦斯表面扩散和固体中的扩散。,煤层中上述各种瓦斯流动形式是同时存在的，但为了简化煤层瓦斯流动状态，通常用线性渗透规律来描述，即认为煤层中瓦斯流动属层流渗透，即符合达西定律。,4.2煤层瓦斯流动方式,,,,,,,,,,,,,,,,认识瓦斯,4.3瓦斯流动形态瓦斯在煤层中由高压流向低压，在煤层中即形成一定的流动范围瓦斯流动场。,从时间因素来看,从空间形态来看,瓦斯流动类型,,,,,,稳定流动,非稳定流动,流动场不随时间而变化,流动场随时间而改变,煤层瓦斯流动属非稳定流动类型,单向流动,径向流动,球向流动,,,,,,,,,,,,,,认识瓦斯,4.3.1瓦斯流动形态,特点煤层瓦斯沿单一方向流动，流线相互平行,煤层瓦斯单向流动1－瓦斯流线，2－等瓦斯压力线,单向流动1,沿煤层开掘高度大于煤层厚度的巷道后，巷道两侧煤层中的瓦斯皆沿垂直于巷道的方向流动，这种流动属单向流动。,,,,,,,认识瓦斯,4.3.2瓦斯流动形态,特点径向流动是平面流动。径向流动时，等瓦斯压力线为一组同心圆，瓦斯流线沿圆的径向发展,径向流动2,在煤矿井下，石门或钻孔垂直揭穿煤层时，煤层中的瓦斯流动就是径向流动。,,,,,,煤层瓦斯径向流动1－瓦斯流线，2－等瓦斯压力线,,认识瓦斯,4.3.3瓦斯流动形态,特点等瓦斯压力线为一组同心球状，瓦斯流线沿球的径向发展。,球向流动3,石门揭特厚煤层，特厚煤层中的掘进面迎头和钻孔孔底以及煤块的瓦斯放散等都可近似地视为球向流动。,,,,,,认识瓦斯,4.4流动的稳定性及影响流动的基本参数煤层内瓦斯流动的稳定过程就是煤壁瓦斯涌出速率的稳定过程，这一过程受到多种因素的影响，主要有煤层瓦斯压力梯度、煤层的透气性、煤壁外的大气压力等，其中最关键的一个是煤层的透气性。,,认识瓦斯,4.5采动影响下邻近煤层瓦斯的流动当开采煤层的顶底板地层中有邻近煤层时，受到本煤层开采的影响，顶底板地层都会发生不同程度的位移和应力的重新分布，从而在地层中造成大量的裂隙，使邻近煤层中的瓦斯可以通过这些裂隙涌出到开采空间。这一过程表现最明显的地点是采煤工作面及其采空区，如图所示。,,认识瓦斯,4.6影响煤与瓦斯突出分布的地质因素,在煤层厚度急剧变化处易产生应力集中和煤体结构的破环，形成有利于突出发生的地质条件,地质构造,影响煤与瓦斯突出分布的地质因素,煤体结构,煤层厚度的变化,,,封闭向斜轴附近,,,,,,突出危险区主要发生在下述构造部位.,帚状构造的收敛端,煤层的扭转区,煤层产状变化地带,压性、压扭性小断层附近,,,,,,原生结构煤,碎裂煤,碎粒煤,糜棱煤,,,,,,构造煤的存在是发生突出的一个必要条件,构造煤,,,,,,,,,认识瓦斯,二、矿井瓦斯涌出,按瓦斯涌出的形式可以分为普通涌出和特殊涌出（或一般涌出和异常涌出）。普通涌出是指在时间与空间上比较均匀、普遍发生的不间断涌出，它是矿井正常状态下的涌出。特殊涌出是指在时间与空间上突然、集中发生的涌出，涌出速率很不均匀，如瓦斯喷出、煤与瓦斯突出。矿井瓦斯涌出按其来源可分为三个方面，即煤壁涌出的瓦斯、邻近煤层通过裂隙涌出的瓦斯及采落煤炭放散的瓦斯。针对具体矿井分析确定各涌出源的大小比例，对矿井瓦斯防治具有十分重要的意义。,二、矿井瓦斯涌出,1煤壁瓦斯涌出煤壁瓦斯涌出速率（单位面积、单位时间内瓦斯的涌出量）同煤层中瓦斯流速一样，与采煤的工序和煤壁暴露的时间密切相关。瓦斯涌出量是其涌出速率对开采面积和一定时间的累计。煤壁瓦斯涌出的速率随时间衰减的很快，可以用下列经验公式表示qB－经过1t时间后煤壁瓦斯涌出速率，L/minm2；q0－t0时刻煤壁瓦斯涌出速率，L/minm2；t－煤壁暴露的时间，min；a－衰减系数。,,二、矿井瓦斯涌出,煤壁瓦斯涌出速率实例,,二、矿井瓦斯涌出,上图是阳泉局对其开采的3号、12号和8号煤层实测的结果，由图可见，煤壁瓦斯涌出的速率在煤壁暴露2h后已基本趋于稳定，下降的速度是很快的。煤壁瓦斯涌出速率的快速变化使得开采过程中工作面瓦斯涌出量不平衡，对矿井瓦斯灾害的防治也提出了更高的要求。局部区域、短时间的瓦斯超限虽然对矿井的瓦斯涌出量影响很小，但是，如果该区域、该时刻存在点火源，就会发生瓦斯爆炸，造成巨大的伤亡和破坏。,二、矿井瓦斯涌出,A采煤工作面煤壁瓦斯涌出涌出是不均匀的，不同的回采工艺，瓦斯涌出量的变化也不同。如下图所示为红卫煤矿某煤层分别采用放炮落煤和刨煤机落煤时的瓦斯涌出情况和风流中的瓦斯浓度变化。由图可见，放炮法开采瓦斯涌出量变化剧烈，在放顶和放炮工序时出现峰值30～32m3/min，延续的时间分别达3h和1h，其值为采煤工序的3.6～3.8倍，为整修工序的15～16倍，对安全生产的威胁很大。刨煤机工作时瓦斯浓度直线升高，整修工作时又逐渐下降，第二循环与第一循环类似，与放炮法相比刨煤机工作面瓦斯涌出量的变化要小的多。,二、矿井瓦斯涌出,,,二、矿井瓦斯涌出,B掘进工作面瓦斯涌出掘进巷道的瓦斯涌出包括三部分，即巷道煤壁、工作面煤壁和采落煤炭的瓦斯涌出。以为掘进工作面断面小、落煤量小，瓦斯涌出量也相对较小，因此，瓦斯事故的危险性较小，这种认识是错误的。绝大多数的掘进工作面使用局部通风机供风，同全负压供风的采煤工作相比稳定性不好，且风量较小，虽然其迎头暴露的煤壁面积较小，都是揭露不久的煤壁，瓦斯涌出量仍很可观，再加上局部通风机管理难度大（停电停风等）、工作面迎头风流较不稳定，因此，形成局部瓦斯积聚的可能性较大。,二、矿井瓦斯涌出,2采空区瓦斯涌出一般情况下，采空区的瓦斯来源于邻近煤层通过顶底板裂隙涌入的瓦斯和采空区遗留煤炭放散的瓦斯。积存在冒落顶板构成的孔隙介质中的瓦斯，在矿井通风形成的采空区风流流场作用下带入到开采空间，形成所谓的采空区瓦斯涌出。影响其大小的主要原因有两个方面，即采空区中储积的瓦斯量和采空区中的风流流场。采空区中储积的瓦斯不同于煤层中的瓦斯，它本身具有的瓦斯压力很小，如果没有通风流场的作用，则主要依靠扩散作用向工作面通风风流中释放瓦斯，这一过程是缓慢的。,二、矿井瓦斯涌出,采空区瓦斯的涌出在时间上的变化幅度很小，在每次老顶来压后，该值都会有小幅度的增加，然后又恢复到稳定的值。对采空区瓦斯涌出，重点应该注意的问题是其空间上的不均匀性，这一点主要是由采空区流场决定的。后退式回采的U形通风工作面，在其回风隅角处容易积聚瓦斯，造成瓦斯浓度超限，常常影响生产，这是采空区流场决定其瓦斯涌出的典型例子。,二、矿井瓦斯涌出,3采落煤炭瓦斯放散采落煤炭放散的瓦斯主要取决于煤的瓦斯含量、落煤的块度（即总表面积）及停留在煤矿井下的时间。放散过程主要是煤体中吸附瓦斯的解析过程，吸附在煤体孔隙中的瓦斯，由于周围环境压力的降低和游离态瓦斯的放散逐渐解析出来。落煤放散的瓦斯量占工作面总涌出量的比例有时也是较高的，以阳泉局三个采煤工作面瓦斯涌出的分析可以看出，煤壁涌出的瓦斯量是主要的，约占总瓦斯量的60～70；割煤时涌出的瓦斯一般不超过20；落煤涌出的瓦斯约占总量的10～20。,二、矿井瓦斯涌出,落煤放散的瓦斯量虽然较少，但在一些特殊地点也会形成瓦斯积聚。例如采区煤仓和井底车场的总煤仓。煤仓为了防止漏风通常不允许放空，其中的通风状况不好，处于微风或无风状态，因此落煤放散的瓦斯量虽然少，却仍然能形成瓦斯积聚。,三.瓦斯爆炸机理和事故原因,瓦斯爆炸的发生必须具备三个基本条件，即①瓦斯浓度在爆炸界限内，一般为5～16。②混合气体中氧的浓度不低于12。③有足够能量的点火源。以一个断面积8m2的煤巷掘进工作面为例，若正常通风时期供风量为200m3/min，回风流瓦斯浓度0.5，则工作面绝对瓦斯涌出量为1m3/min。假设新揭露断面及距该断面10m范围内的煤壁涌出的瓦斯占掘进工作面总瓦斯涌出量的50，则如果工作面停止供风，该10m范围内平均瓦斯浓度达到爆炸下限5只需要,,瓦斯爆炸基本条件,2.瓦斯爆炸机理和事故原因,瓦斯爆炸下限5，上限16是指瓦斯空气混合气体爆炸的大致范围，随着其它可燃气体的混入，瓦斯爆炸范围会发生变化，而环境温度、压力及点燃源的能量等都对瓦斯爆炸限有影响，因此，瓦斯爆炸的界限并不是一个固定不变的常数。对于空气基底不变，有其它可燃气体混入时混合气体的爆炸限，使用里查特法则计算,,2.瓦斯爆炸机理和事故原因,当有过量惰气加入或空气中的氧气大量消耗时，混合气体爆炸限的计算必须使用爆炸三角形进行估算。要找出爆炸三角形的另一顶点E即失爆点鼻点限，需求出其相应的爆炸界限LTn横坐标和氧浓度LTO2纵坐标。LTn仍由上式根据各可燃气体的失爆点限求得。计算混合气体失爆点氧浓度LTO2,,,2.瓦斯爆炸机理和事故原因,B、C、E分别表示瓦斯爆炸下限、上限和爆炸临界点时混合气体中瓦斯和氧气的浓度。爆炸下限点B为CH45、O219.88，爆炸上限点C为CH416、O217.58。混入的惰性气体不同，E点的位置也不同，图中所示是掺入CO2时的爆炸临界点CH45.96、O212.32。1区为瓦斯爆炸危险区；2区是不可能存在的混合气体区，因为不可能向空气中加入过量的氧；3区是瓦斯浓度不足区；4区是瓦斯浓度过高失爆区；5区是贫氧失爆区。,范围较小，一般为几十米到几百米。,,几千米，甚至冲出地面。,,速度大于音速，压力从几个20个大气压。危害人员创伤、巷道毁坏、冒顶、设备翻到破坏、摧毁矿井通风设施等。,爆炸的危害,与爆炸后通风系统状况有关，可波及下风侧的生产区域。,,,氧浓度下降，燃烧生成大量的CO2和H2O，不完全反应产生的CO浓度一般也达到0.4以上，成为井下人员伤亡的主要因素之一。,,速度从每秒几米到100m/s至音速以上。温度达2000℃以上。造成人体皮肤、呼吸器官等烧伤，烧坏电气设备、可引燃井巷中的可燃物。,,大气成份的变化,,火焰锋面,,,冲击波,作用范围,,特征及破坏作用,,作用过程,2.瓦斯爆炸事故原因,瓦斯爆炸事故的特征任何一次瓦斯爆炸事故的发生都是偶然性和必然性的统一，没有那一个矿长希望或不在意他管理的矿井发生瓦斯爆炸事故。纯粹由于自然原因引起的瓦斯爆炸事故在实际矿井中几乎是不存在的，,2.瓦斯爆炸机理和事故原因,1）瓦斯爆炸事故的偶然性瓦斯爆炸事故的发生是井下某地点同时具备瓦斯爆炸的三要素而产生的，安全规定条文只是对其中某一方面的限制规定，因此可能出现十次违章作业，九次都没有发生事故，但是第十次却发生了爆炸。瓦斯爆炸的偶然性往往给煤矿井下的违章找到借口。认为煤矿安全规程规定的瓦斯界限太过严格，瓦斯超限一些也不会发生爆炸事故。但是，恰恰是这种松懈的管理作风，使得井下瓦斯分布难以控制。瓦斯爆炸事故的偶然性，它既不应该成为煤矿追求产量、效益而忽视安全、违章作业的借口，也不能成为事故发生后推卸责任、逃避惩罚的理由。,2.瓦斯爆炸机理和事故原因,2）瓦斯爆炸事故的必然性从微观上看是指局部地点只要具备了瓦斯爆炸的三要素，瓦斯爆炸事故就必然会发生；从宏观上看是指一个忽视安全，瓦斯超限频繁发生，安全管理混乱的矿井，必然会发生瓦斯爆炸等重大事故。一个不安全的煤矿企业是最没有经济效益的。一次事故的发生不仅对伤亡人员的身心和家庭造成巨大的伤害，而且使企业多年的所谓“效益”甚至整个矿井毁于一旦。,防止煤尘沉积和飞扬,防止煤尘沉积和飞扬,1）煤层注水,2）湿式打眼,3）水炮泥,4）通风除尘,5）喷雾洒水,6）冲洗粉尘,,,,,,,3.瓦斯事故防治,一、通风系统的可靠性1.构成完整的通风系统2.井下用风地点、供给风流符合规定3.通风路线可靠、畅通，施行分区通风。4.通风设施可靠，性能清楚5.专业的管理队伍，完善的检查、汇报、处理制度和符合要求的资料、仪器。,3.瓦斯事故防治,二、局部积聚的处理1.容易局部积聚地点的瓦斯状况2.防止局部地点积聚的措施3.容易积聚作业的安全措施4.瓦斯超限的频率、局部积聚处理的频率5.局部积聚的监测、管理,3.瓦斯事故防治,三、监测反应机制的有效性1.通风、瓦斯、煤尘状况的监测制度2.监测人员素质和数量、仪器仪表校验3.监测职责明确、报告及时、反应迅速4.技术措施制定、审查和执行情况5.异常情况的紧急处理如瓦斯燃烧事故、抽放系统停机等,3.瓦斯事故防治,防止点火源的出现,1）加强管理，提高防火意识,2）防止放炮火源,3）防止电气火源和静电火源,4）防止摩擦和撞击点火,,,,,防止点火源的出现,3.瓦斯事故防治,灾害预处理计划针对可能发生的井下灾害，预先编制处理计划，是防止灾害扩大，及时抢险救灾的主要方法。主要内容包括两方面，即1）当前矿井的基本情况；2）可能灾害的处理计划。,隔爆阻爆,1）用岩粉预防和隔绝煤尘爆炸,2）用水预防和阻隔爆炸,3）自动式防爆棚,,,,隔爆、阻爆及处理计划,