瓦斯抽采技术.ppt

1,矿井瓦斯抽采技术,手机1393910398815738522063固话0391-3987919办公室210503E-mailwzf3988fenghuazm009,主讲王兆丰研究员安丰华博士,2,王兆丰○研究员，博导○河南理工大学瓦斯防治技术与装备研究所所长○煤矿灾害预防与抢险救灾教育部工程中心常务副主任○河南省安全生产专家○第四、五届国家安全生产专家,3,组员（1988－1989）,副组长（1990－1991）,组长（1992－1993）,预测研究室副主任（1994－1995）,预测研究室主任（1996－1998）,瓦斯研究所副所长（1999－2000）,瓦斯研究所所长（2000－2001）,煤科总院抚顺分院,河南理工大学,河南省特聘教授（2001－2006）,瓦斯防治技术及装备研究所所长（2007年至今）,助理工程师（1989）,工程师（1991）,高级工程师（1993）,研究员（1999）,瓦斯地质研究所所长（2002－2006）,河南理工大学瓦斯防治技术及装备研究所,5,1996年首批煤炭工业技术拔尖人才2001年辽宁省优秀共产党员、煤科总院劳动模范2001年全国优秀科技工作者2005年焦作市劳动模范2006年河南省优秀共产党员2006年河南省优秀专家国家安全生产专家河南省安全生产专家,完成国家和省部科研项目28项国家科技进步二等奖、三等奖各一次省部科技进步一等奖5次,,一份耕耘，一分收获。,6,山东科技大学,中国矿业大学,河南理工大学安全学院瓦斯防治技术及装备研究所,2004.9-2008.6，学士,2008.9-2010.6，硕士,2014.9-今，讲师,中国矿业大学,2010.9-2014.6，博士,SCI论文3篇，EI论文2篇，核心论文2篇,安丰华博士，讲师,7,教学安排第1章绪论案例（2小时）主讲王兆丰第2章煤层瓦斯的生成及其赋存（2学时）主讲王兆丰第3章瓦斯抽采的基本理论（4学时）主讲安丰华第4章煤层瓦斯抽采技术及方法（8学时）主讲王兆丰第5章瓦斯抽采参数的测定及计算（4学时）主讲安丰华第6章矿井瓦斯抽采设计及施工（6学时）主讲王兆丰第7章瓦斯综合利用（2学时）主讲王兆丰第8章矿井瓦斯抽采管理（2学时）主讲王兆丰实验（2学时）负责温志辉,,合计32学时,8,,注意5月1号前和5月1号上课时间不同,9,要求1、多媒体课件不允许拷贝，因此，课前预习，课堂认真听讲，记好笔记，课后做好思考练习题；2、关注每章节的总体要求，其中要求掌握的内容为重点考试内容，要求熟悉的内容也是考试内容，但占的比例要少一些，要求了解的内容一般不作为考试内容，但其他考试题有可能涉及到这些部分；3、平时成绩占总成绩的30，根据上课到课情况、课后作业等情况综合评定；4、到课情况占20分，随机点名5-6次，缺席扣分，扣完为止;5、辅导答疑每周四晚7点-8点，地点安全学院210室，也可通过Email联系，将疑问、对教学的意见和建议等发给我。,10,阅读书目煤矿安全手册第三篇矿井瓦斯防治，赵全福主编，1991年3月第1版矿井瓦斯防治，俞启香编著，1992年2月第1版煤层瓦斯赋存与流动理论，周世宁林柏泉著，1999年2月第1版煤层瓦斯赋存规律及防治技术，胡殿明，林柏泉主编，2006.11三相泡沫流体密封技术及其应用，林柏泉著，1997年10月第1版煤矿抽放瓦斯，阳泉矿务局辽宁煤炭研究所等，1977年7月第1版煤矿瓦斯灾害防治及利用技术手册，于不凡主编，2000年8月第1版煤矿瓦斯问题，[苏]阿姆特米脱利也夫等，1987年4月第1版综放开采围岩活动及瓦斯运移，李树刚著，2000年5月第1版矿井大气与瓦斯三维流动，丁广骧著，1996年10月第1版备注以上图书在我校数字图书馆的“矿业工程数字图书”中均可下载，用超星阅览器即可阅读。,11,第一章绪论,本章要求1.了解矿井瓦斯抽采技术课程的目的与特点；2.掌握我国煤矿瓦斯抽采的目的与意义；3.了解国内外煤矿瓦斯抽采概况与现状；3.养成良好的专业习惯关注煤炭行业动态和政策，关心煤炭行业发生的重大事件（事故），拓展与专业相关的知识。,12,煤矿七大灾害,瓦斯瓦斯灾害是煤矿的主要灾害，一次死亡10人以上的事故中，瓦斯事故死亡人数占70以上,水突水淹井，人员伤亡,顶板冒顶，伤人，人员伤亡,,粉尘煤尘、岩尘，煤尘爆炸，尘肺病、矽肺病,火外因火灾、自然发火，中毒、窒息，引发瓦斯爆炸。,冲击地压应力突然释放，人员伤亡,高温热害失水，虚脱，昏昏沉沉，诱发事故,学习矿井瓦斯抽采技术课程的目的,13,学习矿井瓦斯瓦斯抽采技术课程的目的,14,学习矿井瓦斯瓦斯抽采技术课程的目的,煤矿瓦斯灾害事故案例--以郑州大平煤矿“10.24”特别重大事故为例,15,学习矿井瓦斯瓦斯抽采技术课程的目的,疑问N多,1.矿井瓦斯是什么,3.矿井瓦斯灾害有什么办法治理,,2.矿井瓦斯灾害有哪些类型,4.瓦斯抽采有哪些方法,5.如何进行瓦斯抽采设计,6.瓦斯怎么利用,学完本课程，应该对这些疑问有明确的答案,16,目的,1.掌握瓦斯抽采的目的与意义,3.掌握瓦斯抽采的理论、方法、技术与装备,,2.掌握瓦斯的性质、赋存特性与流动规律,4.了解瓦斯利用的基本途径,学习矿井瓦斯瓦斯抽采技术课程的目的,17,1.是一门实践性强的专业课程,工程型学科,理论性强瓦斯吸附理论、瓦斯赋存理论、瓦斯渗流理论,工程性强瓦斯流动规律、瓦斯抽采方法、瓦斯抽采设备、瓦斯抽采设计、瓦斯抽采效果（办公室没有煤层和瓦斯，研究必须到煤矿井下去。）,创新性强借鉴其他行业经验和成果，创新地应用到本行业（水力压裂、预裂爆破）。,,矿井瓦斯瓦斯抽采技术课程的特点,18,2.是一门多学科交叉的课程,安全系统工程，事故致因、危险源辨识。地质构造与瓦斯赋存、瓦斯涌出关系。瓦斯爆炸、燃烧，瓦斯消除，瓦斯利用。瓦斯吸附、解吸。瓦斯与岩石力学密不可分。吸附、力学需要大量的数学推导与计算。瓦斯抽采在线监测、钻孔轨迹。打钻、封孔、抽采等专用设备设计与制造。,安全学地质学化学吸附科学力学数学电工电子机械制造,矿井瓦斯瓦斯抽采技术课程的特点,19,3.是一门与国家政策法规息息相关的课程,能源结构煤炭是主要能源（2050）。安全生产法，所有的科研、工程行为应遵守。抽采指标符合规定瓦斯压力，瓦斯含量。煤矿安全规程，瓦斯抽采达标，设计规范，所有作业规程，瓦斯利用规定。GB、AQ、MT，煤矿工作不能按个人兴趣。,国家政策安全生产安全监察安全法规技术标准,矿井瓦斯瓦斯抽采技术课程的特点,20,一、瓦斯抽采的目的与意义,1637年宋应星所著天工开物记载“利用竹管引排煤中瓦斯”的方法。,中国古代煤窑瓦斯引排方法,21,1.1瓦斯抽采的目的与意义,22,1.1瓦斯抽采的目的与意义,23,1.1瓦斯抽采的目的与意义,24,瓦斯抽采一箭三雕保障煤矿安全生产保护大气环境开发利用优质清洁能源,1.1瓦斯抽采的目的与意义,25,1.1瓦斯抽采的目的与意义,26,1.1瓦斯抽采的目的与意义,27,2014年，全国共发生煤矿事故506起、死亡915人，百万吨死亡率为0.253；事故起数、死亡人数、百万吨死亡率分别同比下降16.3、14.3、12.2。其中，发生瓦斯事故47起，死亡266人，同比减少15起、101人，分别下降24.2％和27.5％。2014年，全国煤层气（煤矿瓦斯）抽采量170108m3，利用77108m3，同比分别增长9.2％和17％。其中，井下瓦斯抽采量133108m3、利用量45108m3，同比分别增长5.4％、6.6％；地面煤层气产量37108m3、利用量32108m3，同比分别增长25.2％、36.1％。,美国2014年煤矿百万吨死亡率是0.016。,1.1瓦斯抽采的目的与意义,28,煤矿瓦斯CH4是一种强温室效应气体温室效应强度CH4＞CO22060倍我国煤矿风排瓦斯量2004年，132亿m3；2008年，150亿m3，占世界排放总量的1/2～1/3；2011年，170亿m32014年，190亿m3,1.1瓦斯抽采的目的与意义,29,煤矿瓦斯是一种优质清洁能源,我国煤矿瓦斯资源丰富煤层埋深2000m以浅的煤层气资源量为31.46Tm3，相当于陆上常规天然气资源总量（30Tm3），其中可采资源量为10.87Tm3。,按燃烧热值计算1m3瓦斯相当于1.25㎏标准煤1㎏燃油接近1m3天然气按热效率计算1m3煤层气相当于4㎏标准煤瓦斯是比天然气、燃油、特别是比煤洁净得多的一种优质能源,1Tm311012m31Bm31109m3,1.1瓦斯抽采的目的与意义,30,实例1美国黑勇士盆地橡树岭煤矿煤层瓦斯含量14.2m3/t抽取4年后6.7m3/t抽取11年后3.8m3/t煤层瓦斯含量降低了73高瓦斯矿井→低瓦斯矿井，构建了本质安全型矿井,1.1瓦斯抽采的目的与意义,31,实例2淮南矿业集团全局瓦斯抽采量1997年前500万m3/a特大瓦斯事故19901997年八起1997年二起，死亡133人对策开采保护层抽采瓦斯近距离保护层远距离保护层多重开采保护层,1.1瓦斯抽采的目的与意义,32,淮南矿业集团方针可保尽保，应抽尽抽效果（1）瓦斯抽采量2001年7000万m3/a2002年1亿m3/a2003年1.4亿m3/a2004年1.5亿m3/a2007年达1.8亿m3/a2011年2.5亿m3/a（2）瓦斯超限次数1997年1300多次2002年200多次2011年少于100次2012年少于40次2014年少于20次,1.1瓦斯抽采的目的与意义,33,1.2国外煤矿瓦斯抽采概况,1730年英国维特黑温在世界上首次将喷出瓦斯引排至地面，用做试验空燃料；,日本北海道新幌内煤矿抽采密闭区瓦斯供瓦斯发电锅炉，开启了工业规模化的机械抽采瓦斯的先河,1943年德国鲁尔矿区曼斯佛尔得矿开始瓦斯抽采；,20世纪50年代，德、英、法、前苏联等国迅速发展煤矿抽采瓦斯。,1985年，世界各主要采煤国都开展了瓦斯抽采。,34,世界煤矿瓦斯抽采情况,1.2国外煤矿瓦斯抽采概况,35,1.2国外煤矿瓦斯抽采概况,36,德、英、法等欧洲国家，由于煤矿关闭，抽采瓦斯量急剧减少，只有波兰仍维持原抽采瓦斯水平。日本由于煤炭工业枯萎，目前只保存一两个象征性的煤矿，煤矿瓦斯抽采虽锐减。澳大利亚山于煤炭产量需求的增长，煤矿瓦斯抽采量呈上升趋势。美国由于地面钻孔开发煤层气，瓦斯抽采量煤层气开采量呈加速度发展趋势．这是由美国独特的煤层瓦斯赋存条件决定的，不是其他同家都能仿效的。,1.2国外煤矿瓦斯抽采概况,37,,高透气性煤层瓦斯预抽,邻近层卸压瓦斯抽采,20世纪50年代中期，在开采煤层群的矿井中，阳泉用井下穿层钻孔抽放邻近层瓦斯获得成功；60年代，邻近层瓦斯抽采获得广泛推广。,瓦斯抽采阶段,低透气性煤层强化抽采,高产高效综合抽采,20世纪60年代末开始，针对低透气性及无保护层可采的高瓦斯突出煤层，研究了高中压注水、水力压裂、水力割缝、松动爆破、大直径钻孔、密集钻孔、网格布孔、交叉钻孔等强化措施,20世纪80年代开始，我国煤矿进入高产高效时代，工作面瓦斯涌出量急剧增加，有的瓦斯涌出量超过100m3/min，研究形成了综合抽采瓦斯模式，实施采前、采中、采后瓦斯抽采。,20世纪50代初期，在抚顺高透气性厚煤层中，首次采用井下钻孔预抽煤层瓦斯获得成功。,1.3我国煤矿瓦斯抽采发展及概况,38,2006年，我国67家国有重点煤矿企业有高瓦斯突出矿井286座，开展瓦斯抽采的煤矿264座，占高瓦斯突出矿井总数的92.3。,1.3我国煤矿瓦斯抽采发展及概况,39,1.3我国煤矿瓦斯抽采发展及概况,40,1.3我国煤矿瓦斯抽采发展及概况,41,1.3我国煤矿瓦斯抽采发展及概况,42,1.3我国煤矿瓦斯抽采发展及概况,43,2014年，全国煤层气（煤矿瓦斯）抽采量170108m3，利用77108m3。,1.3我国煤矿瓦斯抽采发展及概况,44,课后思考题,煤矿为什么要进行瓦斯抽采我国煤矿瓦斯抽采经历了哪几个阶段参考阅读1.中国煤矿抽放瓦斯和利用，郑爽、王佑、王震宇、陈国新，煤矿安全，2003年第9期，P4-62.我国煤矿瓦斯抽采与利用的现状及问题，彭城，中国煤炭，2007年第2期，P60-62,45,,ThankYou,46,矿井瓦斯抽采技术,手机1393910398815738522063固话0391-3987919办公室210503E-mailwzf3988fenghuazm009,主讲王兆丰研究员安丰华博士,47,第一章煤层瓦斯的生成及其赋存,本章要求1.了解瓦斯的生成；2.掌握煤层瓦斯垂直分带特性、孔隙特性与瓦斯赋存状态；3.熟悉朗格缪尔方程；4.掌握影响煤层瓦斯含量的主要因素。,48,2.1煤层瓦斯的生成,煤是腐植型有机物在经受长期的地层高温、高压作用，并经过漫长的变质作用形成的。瓦斯是在成煤的煤化作用过程中的伴生气体，即所谓的有机成因说。,植物遗体→泥炭,生物化学成气时期,泥炭→褐煤→烟煤长焰、气、肥、焦、贫、瘦→无烟煤,成煤过程,,成气时期,煤化变质作用成气时期,,49,2.1煤层瓦斯的生成,生物化学成气时期植物在厌氧、潮湿，温度小于65℃的条件下产生瓦斯。,特点成煤物质埋藏浅、固结性差、透气性好，生成的瓦斯难以保存。,,沼泽、三角洲,,50,2.1煤层瓦斯的生成,煤化变质作用成气时期褐煤层进一步沉降，在高温及地层压力在下，便进入变质作用造气阶段。变质初期基本单元带有羟基、羧基侧链和官能团的缩合稠环芳烃体系。,,,,,,键力强稳定,,键力弱不稳定易断裂易脱落,变质中后期在瓦斯产出的同时，芳核进一步缩合，碳元素进一步集中在碳网中。随着煤化变质作用的加深，基本结构单元中的缩聚芳核的数目不断增加，到无烟煤时，主要由缩聚芳核组成。,51,,,羟基（-OH）甲基（-CH3）羧基（-COOH）醚基（-O-）,52,2.1煤层瓦斯的生成,不同成煤期的瓦斯生成量,前苏联B.A.乌斯别斯基根据地球化学与煤化作用过程反应物与生成物平衡原理，计算的甲烷生成量。,前苏联B．A．索科洛夫等人给出的腐植煤在煤化变质各阶段成气的一股模式。,,连续生成,,不连续生成,53,2.1煤层瓦斯的生成,不同成煤期的瓦斯生成量,我国部分煤的热模拟实验产期结果,*引用国外文献数据。表中数据阶段产气量/累计产气量/m3/t,54,2.1煤层瓦斯的生成,例外情况个别煤层中有一部分瓦斯是由于油田、火山碳酸盐分解CO2侵入所致。陕西铜川矿业集团焦坪矿区4-2煤层瓦斯部分来自顶底板砂岩含油层；甘肃窑街矿业集团2号煤层瓦斯来自火山活动碳酸盐分解生成的CO2侵入；波兰下西里西亚的塞纳煤层瓦斯来自火山活动碳酸盐分解生成的CO2侵入,55,,1.煤层甲烷逸散及气体渗透,CH4,CH4,CH4,CH4,N2,O2,CH4,,,瓦斯风化带,甲烷带,2.2煤层瓦斯的垂直分带性,56,2.煤层瓦斯的垂直分带特征,,CO2-N2带,,N2带,,N2-CH4带,,CH4带,2.2煤层瓦斯的垂直分带性,57,2.煤层瓦斯的垂直分带特征,2.2煤层瓦斯的垂直分带性,58,2.煤层瓦斯的垂直分带特征,我国部分矿区的瓦斯风化带深度表,2.2煤层瓦斯的垂直分带性,59,3.瓦斯风化带的特征,我国确定瓦斯风化带下部边界时主要采用如下指标⑴瓦斯压力P0.1～0.15MPa；⑵甲烷（CH4）组分浓度≥80（体积百分数）；⑶相对瓦斯涌出量q2～3m3/t；⑷瓦斯含量（煤芯中的甲烷含量）X①气煤X1.5～2.0m3/t；②肥煤与焦煤X2.0～2.5m3/t可燃物；③瘦煤X2.5～3.0m3/t可燃物；④贫煤X3.0～4.0m3/t可燃物；⑤无烟煤X5.0～7.0m3/t。,2.2煤层瓦斯的垂直分带性,60,4.甲烷带的特征,（1）煤层瓦斯含量随埋深增加而增大；（2）煤层瓦斯压力随埋深增加而增大；（3）矿井相对瓦斯涌出量随埋深增大而增大；（4）随着埋深增加，有可能出现瓦斯异常涌出、瓦斯喷出、甚至瓦斯突出的情况。,2.2煤层瓦斯的垂直分带性,61,2.3煤孔隙结构与煤层瓦斯赋存状态,1.煤中孔隙,62,2.煤中孔隙分类,煤是一种典型的多孔介质，煤具有很强的吸附性能，其吸附性能与煤的孔隙特征有较大的关系。B.B霍多特的分类方法,,,吸附孔容,,渗透孔容,2.3煤孔隙结构与煤层瓦斯赋存状态,63,3.煤的孔隙与表面积,煤中孔隙直径、表面积和孔隙体积的关系,,,,,,,单孔Vp↘，Ss↗ΣVpS,2.3煤孔隙结构与煤层瓦斯赋存状态,64,江西涌山煤矿煤的挥发分与比表面积的关系,2.3煤孔隙结构与煤层瓦斯赋存状态,65,吸附瓦斯,游离瓦斯,吸收状态,吸着状态,,,,,,2.3煤孔隙结构与煤层瓦斯赋存状态,3.煤层瓦斯赋存状态,66,煤层瓦斯赋存状态,游离态瓦斯以自由气体形式存在于孔径大于10nm的孔隙或裂隙中，只占煤层瓦斯总量的10％～20％；,,吸附态吸附瓦斯分为吸着状态与吸收状态；在煤层赋存的瓦斯量中，通常吸附瓦斯量占80％～90％，在吸附瓦斯量中又以煤体表面吸着的瓦斯量占多数。,,动态平衡，实测的煤层瓦斯压力实际上是游离瓦斯压力,2.3煤孔隙结构与煤层瓦斯赋存状态,,,朗格缪尔方程,马略特方程,67,1.固体表面的吸附现象,（1）固体的表面吸附由于气体分子与固体表面分子之间的相互作用，气体分子暂时停留在围体表面上的现象称为气体分子在固体表面上的吸附。（2）吸附作用力物理吸附剩余的表面自由力范德华力；化学吸附原子表面的剩余成键能力化学键；（3）可逆性物理吸附单分子层吸附，符合Langmuir等温式，可逆；化学吸附单分子层吸附，也符合Langmuir等温式，不可逆。,2.4煤的瓦斯吸附理论与煤层瓦斯含量,68,1.固体表面的吸附现象,（4）吸附位经典的Langmuir吸附理论认为，固体表面存在着能够吸附分子或原子的吸附位（adsorptionsite），并将这些吸附位形象地比喻为“剧院座位”。这些吸附位大多数情况下不是均匀分布在固体表面。（5）吸附与解吸吸附（adsorption）分子由自由态进入到吸附位的过程。解吸（desorption）分子脱离吸附位进入到自由空间的过程。（6）吸附平衡吸附平衡时，在单位时间内进入到吸附位的分子数等于离开吸附位的分子数，此时，吸附速度与解吸速度相等。,2.4煤的瓦斯吸附理论与煤层瓦斯含量,69,1.固体表面的吸附现象,（7）气体分子的吸附态气体分子吸附到固体表面后，紧密地排列在固体表面的吸附位上，分子间的距离大大缩小，自由度降低，其状态已经完全失去了气体状态的特征，不再符合理想气态方程，以类似于“液态”的状态存在。可形象的比喻为“水蒸汽凝结在固体表面”。（8）吸附与解吸过程中的热量交换吸附（adsorption）解吸（desorption）,是一个放热过程。,是一个吸热过程。,2.4煤的瓦斯吸附理论与煤层瓦斯含量,70,2.Langmuir方程,式中a吸附常数，表示在给定温度下，单位质量固体的表面饱和吸附气体时，吸附的气体体积，,cm3/g；b吸附常数，MPa-1；p吸附平衡时的瓦斯压力，MPa；W在给定温度下，瓦斯压力为P时单位质量固体的表面吸附的气体体积，m3/t。,2.4煤的瓦斯吸附理论与煤层瓦斯含量,71,2.Langmuir方程,,p（MPa）,,W（cm3/g）,,,,2.4煤的瓦斯吸附理论与煤层瓦斯含量,72,3.煤对甲烷的吸附,煤是一种吸附性强的多孔介质，对CH4、CO、N2、O2等多种气体均具有较强的吸附性。煤对甲烷分子的吸附属于单分子层物理吸附，符合Langumir等温吸附规律。不同煤种对甲烷的吸附量不同，其最大吸附量可达50m3/t以上。,1t煤体积1/1.40.71m3,1t煤孔隙体积0.7180.57m3,1t煤为何能容纳高达50m3的甲烷,2.4煤的瓦斯吸附理论与煤层瓦斯含量,73,3.煤对甲烷的吸附,（1）a值差异不同矿区的煤对甲烷的吸附规律相差较大，表现在a值相差也较大。,焦作二1煤,阳泉3煤,峰峰大煤,淮南B11b,抚顺本层,西山2层,淮南13-1,2.4煤的瓦斯吸附理论与煤层瓦斯含量,74,3.煤对甲烷的吸附,（4）b值差异b值的意义是等温吸附曲线始点（p0）的斜率。b值越大，曲线越陡；b值越大，越容易吸附饱和；特征压力饱和度达到0.5时的吸附压力。,b2,b1,b0.6,b0.4,b0.2,,,,,,,pc1,pc2,2.4煤的瓦斯吸附理论与煤层瓦斯含量,75,2.4煤的瓦斯吸附理论与煤层瓦斯含量,5.煤层瓦斯含量,煤层瓦斯含量,,间接法,直接法,,游离瓦斯量,吸附瓦斯量,,损失瓦斯量,解吸瓦斯量,残存瓦斯量,经验公式反算,采用瓦斯解吸仪,采用真空脱气装置,单位质量煤中所含的瓦斯体积（换算为标准状态下的体积，单位是m3/t或mL/g。,重点掌握,76,2.4煤的瓦斯吸附理论与煤层瓦斯含量,煤层瓦斯含量（间接法）瓦斯含量为游离瓦斯含量和吸附瓦斯含量之和即式中Xx吸附瓦斯含量，m3/t；Xy游离瓦斯含量，m3/t。,煤层瓦斯含量单位质量煤中所含的瓦斯体积（换算为标准状态下的体积，单位是m3/t或mL/g。,77,2.4煤的瓦斯吸附理论与煤层瓦斯含量,（1）游离瓦斯量（Xy）式中V单位重量煤的孔隙容积，m3/t；P瓦斯压力，MPa；T0标准状况下；T瓦斯绝对温度，K；ζ瓦斯压缩系数；Xy煤的游离瓦斯含量，m3/t（标准状态下）。,78,2.4煤的瓦斯吸附理论与煤层瓦斯含量,（2）煤吸附瓦斯含量（Xx）式中a,b吸附常数；P煤层瓦斯压力，MPa；t0实验室测定煤的吸附常数时的试验温度,℃；t煤层温度，℃；n相关系数；A煤中灰分，；W煤中水分，；Xx煤的吸附瓦斯含量，m3/t（标准状态下）。,79,储,生,,煤层倾角倾角越大，瓦斯沿煤层运移逸散条件好，瓦斯含量低。,盖,,瓦斯的生成量煤中的瓦斯生成量与煤的变质程度有关，变质程度越高煤中瓦斯生成量就越大。,上覆岩层性质煤中生成的大量瓦斯有多少逸散到大气中，主要取决于上覆岩层的性质，上覆岩层岩性质密，透气性差，则瓦斯难以逸散。,埋藏深度埋藏越深，瓦斯含量越大。,煤层露头煤层露头是瓦斯逸散最好的通道。,地质构造断层、褶曲等地质构造对瓦斯含量的影响较大。,水文地质瓦斯微溶于水，长期的地下水冲刷，可带走大量的瓦斯。,2.5影响煤层瓦斯含量的主要因素,80,1.煤的变质程度,（1）瓦斯生成量变质程度越高，瓦斯生成量越大，保留下来的瓦斯量相对也较大；（2）瓦斯吸附性变质程度越高，对瓦斯的吸附能力越大，瓦斯解吸、逸散的可能性相对较小；（3）煤瓦斯含量从国内外煤层瓦斯赋存情况来看，高变质程度的煤的瓦斯含量较大。如晋城、潞安、阳泉、焦作等无烟煤矿区，煤层瓦斯含量普遍较大，一般在2030m3/t之间；而兖州、龙口等典型的褐煤矿区，一般瓦斯含量普遍较小，一般不超过5m3/t。特例无烟煤变质程度继续加深后（石墨化），煤的结构发生了质的变化，碳分子紧密排列，煤的孔隙率降低，挥发分降低至3以下，对瓦斯吸附能力急剧减小，瓦斯含量普遍极低。,2.5影响煤层瓦斯含量的主要因素,81,2.5影响煤层瓦斯含量的主要因素,沈阳矿区煤层变质程度与瓦斯含量关系,82,2.埋藏深度,（1）埋藏越深，运移距离越长无论煤层中的瓦斯是沿着煤层运移，还是通过上覆岩层、构造破碎带逸散，埋藏深度越深，运移和逸散的距离越长，阻力越大，保留在煤层中的瓦斯也越多。（2）埋藏越深，地层压力越大在高地应力作用下，煤层、地层中的孔隙被压缩，瓦斯运移的阻力大幅度增加。,2.5影响煤层瓦斯含量的主要因素,a我国某矿区煤层瓦斯含量与埋深关系,b前苏联部分矿区煤层瓦斯含量与埋深关系,83,,,84,3.煤层和围岩的透气性,（1）砂岩类砂岩透气性系数可达2092000m2/MPa2d，透气性好，煤层直接顶有较丰富的砂岩覆盖时，往往煤层瓦斯含量较低；（2）泥岩类泥岩、油母页岩等透气性差，有利于瓦斯的保存；（3）灰岩灰岩透气性差异较大，透气性好的灰岩，具有较大的储气能力。如阳泉北部矿区，K3、K4灰岩分布较广的区域，矿井瓦斯涌出量大幅度增加，其中来自邻近灰岩层的瓦斯占有很大的比例。（4）煤层煤层的透气性比大多数围岩透气性要好，因此，煤层是瓦斯运移和逸散的主要通道。煤层透气性差的矿区，往往瓦斯含量较大。我国大多数高瓦斯突出矿井煤层属于松软低透气煤层。,2.5影响煤层瓦斯含量的主要因素,85,,典型实例大同煤田与抚顺煤田的煤层瓦斯含量及差异性比较,86,4.煤层倾角,（1）倾角大，有利于瓦斯逸散瓦斯密度轻，容易向上运移和逸散，当煤层倾角大时，有利于瓦斯沿煤层向地面或露头方向逸散。（2）倾角大，多数遭受过剧烈地层抬升过程地层的剧烈抬升、隆起等造山运动过程中，煤层被不均匀抬升，修理工丰富的裂隙、构造等瓦斯逸散通道，使大部分瓦斯得以释放。例如芙蓉煤矿北翼煤层倾角陡4080，相对瓦斯涌出量20m3/t，无瓦斯突出现象；而南翼煤层倾角缓612，相对瓦斯涌出量达150m3/t，而且发生瓦斯突出。,2.5影响煤层瓦斯含量的主要因素,87,5.煤层露头,煤层露头是瓦斯向地面排放的出口，露头存在时间越长，瓦斯排放越多，反之，地表无露头的煤层，瓦斯含量较高。例如中梁山煤田，煤层无露头，而且为覆舟背斜状构造，所以煤层瓦斯含量大。,2.5影响煤层瓦斯含量的主要因素,88,6.地质构造,（1）褶曲,半封闭背斜、向斜转折区煤层瓦斯含量分布示意图1-瓦斯含量增大区；2-瓦斯含量正常区；3-瓦斯含量减小区；4-瓦斯含量等值线。,a）在闭合和半闭合背斜转折区，由于煤层瓦斯运移路线加长和瓦斯排出口不断缩小，增大了瓦斯移动的阻力。因此，轴部比两翼瓦斯含量大。,,b）在向斜转折区则恰恰相反。由于供应瓦斯区域减小，瓦斯排出口扩大，导致轴部比两翼瓦斯含量小。,,2.5影响煤层瓦斯含量的主要因素,89,6.地质构造,（1）褶曲,,,,,1-不透气岩层2-含量增高部位3-煤层,2.5影响煤层瓦斯含量的主要因素,90,6.地质构造,（2）断层,断层,开放性断层,封闭性断层,是瓦斯逸散的主要通道,瓦斯含量减小,隔断了瓦斯逸散的通道,瓦斯含量增大,张性断层,压性、扭性断层,充填物,接触盘,接触地层,2.5影响煤层瓦斯含量的主要因素,91,6.地质构造,（2）断层,,,,,,,,,,,,,,1-瓦斯流失区2-含量降低区3-含量增高区4-含量正常区5-地表,2.5影响煤层瓦斯含量的主要因素,92,7.地层的地质变迁史,（1）地层交替的沉降和隆起的变迁过程有的含煤地层曾经被隆起，形成较丰富的裂隙通道或开放性断裂构造，瓦斯经过了较长时间的释放。后地层再次沉降，裂隙通道重新闭合，开放型断层转换为封闭型断层，没有释放的瓦斯得以封存。因此就出现了封闭型断层附近瓦斯含量反而降低的现象。（2）古沉积环境海陆交相沉积环境海相沉积地层沉积物粒度细，地层透气性差。成煤物沉积后，上覆盖层往往也是泥岩、灰岩等质密的岩层。陆相沉积环境地层整体性遭到破坏，往往以碎粒岩为主，透气性好，瓦斯含量低。,2.5影响煤层瓦斯含量的主要因素,93,8.水文地质,水溶解、驱替、携带瓦斯，使瓦斯含量降低。“水大瓦斯小，水小瓦斯大”,2.5影响煤层瓦斯含量的主要因素,94,课后思考题,煤层瓦斯有几种赋存状态影响煤层瓦斯含量的主要因素有哪些“生、盖、储”哪个对煤层瓦斯含量影响最大因素煤层为何能吸附大量的瓦斯,95,,ThankYou,96,96,矿井瓦斯防治,手机13939103988，15738522063固话0391-3987919办公室210，503E-mailwzf3988，fenghuazm009,主讲王兆丰研究员安丰华博士,97,97,第三章瓦斯抽采的基本理论,本章要求掌握1.瓦斯在煤层中几种主要流动形式2.瓦斯在煤层中遵循的运移规律,98,98,内容提要,一、瓦斯在煤层中的单向流动二、瓦斯在煤层中的径向流动三、瓦斯在煤层中的球向流动四、瓦斯在煤层中的扩散-渗透运动规律五、瓦斯在煤层中流动的数值模拟,99,99,一、瓦斯在煤层中的单向流动,,单向流动,单向流动示意图1-流线；2-等压线；3-巷道,,100,100,一、瓦斯在煤层中的单向流动,单向流动,x,y,z,单向流动特征,101,101,一、瓦斯在煤层中的单向流动,考虑x方向在dt时间内的质量变化,同理,dt时间内微元总的质量变化为,dt时间内微元总的质量变化又可以表示为,化简为,102,102,一、瓦斯在煤层中的单向流动,103,103,一、瓦斯在煤层中的单向流动,□均质煤层单向稳定流动,□均质煤层单向不稳定流动,煤层透气性系数,稳定流动状态下，内部各点瓦斯压力不随时间变化,,x,p,,,L,,,104,104,一、瓦斯在煤层中的单向流动,□均质煤层单向不稳定流动,瓦斯含量系数,,,,经过一系列复杂过程,105,105,一、瓦斯在煤层中的单向流动,均质煤层单向不稳定流动瓦斯涌出量方程,影响因素,视为常数,,我们得到C值就可以预测瓦斯涌出量,106,106,一、瓦斯在煤层中的单向流动,均质煤层单向不稳定流动瓦斯涌出量方程,,,,,,瓦斯流动时间,在现实中，煤壁暴露之前已经有瓦斯流动。因此，公式中需要添加瓦斯流动的补偿时间,四川打通一矿实测曲线,107,107,一、瓦斯在煤层中的单向流动,有限煤层单向不稳定流动瓦斯涌出量方程,,经过一系列更复杂求解偏微分方程,压力分布方程,时间准数,108,108,一、瓦斯在煤层中的单向流动,有限煤层单向不稳定流动瓦斯涌出量方程,压力分布方程太复杂,需要注意压力分布方程和流量方程是在化简为常数条件进行的推导，即pp0。则瓦斯流动时间越长，压力p越偏离p0，方程误差越大，特别是在后期，，误差会更大。,109,109,一、瓦斯在煤层中的单向流动,实际煤层单向流动,张晓辉，2014,陈玮胤，2012,瓦斯在煤层中的运移主要通过裂隙系统，在裂隙中流动。而实际煤层一方面裂隙发育不一致，受采掘应力影响裂隙开度也发生变化，造成透气性非均质，即瓦斯在时间和空间上的流动都是在变化的。,110,110,一、瓦斯在煤层中的单向流动,实际煤层单向流动,卸压,新生裂隙,111,111,一、瓦斯在煤层中的单向流动,实际煤层单向流动,,,,,112,112,一、瓦斯在煤层中的单向流动,实际煤层单向流动,,,再经过一系列复杂求解、简化过程,113,113,一、瓦斯在煤层中的单向流动,无矿压影响,有矿压影响,急减型瓦斯涌出矿压稳定较快,渐减型瓦斯涌出矿压稳定介于1、3,异常型瓦斯涌出矿压稳定慢,有无矿压影响,随时间变化类型,114,114,二、瓦斯在煤层中的径向流动,,,径向流动,等瓦斯压力线为一组同心圆，瓦斯流线沿圆的径向发展,径向流动示意图1-流线；2-等压线；3-钻孔,柱坐标径向→单向流动,115,115,二、瓦斯在煤层中的径向流动,转变为柱坐标后，孔壁瓦斯流量,□均质煤层稳定流动,,压力分布曲线,压力分布曲线为对数曲线，p随r增大迅速上升,Q与透气性系数、煤厚、瓦斯压力平方差呈正比Q随钻孔直径增大迅速增加，效果不断降低,116,116,二、瓦斯在煤层中的径向流动,转变为柱坐标后，孔壁瓦斯流量,□均质煤层不稳定流动,径向流动可视为一层层厚度dr的环质量传递，则环内瓦斯变化等于环内外流量的变化,求解过程复杂，把流量方程化为无因此方程，无因此流量准数和无因此时间准数来表示。,117,117,二、瓦斯在煤层中的径向流动,□均质煤层不稳定流动,无因此流量准数,无因此时间准数,无因此流量准数和无因此时间准数关系曲线,径向不稳定流场中，瓦斯压力陡直，pp0误差较小，可以满足工程应用需求,118,118,二、瓦斯在煤层中的径向流动,□实际煤层中径向流动,,方程较为复杂，难以得到解析解。,瓦斯含量方程,119,119,三、瓦斯在煤层中的球向流动,球向流动示意图1-揭开煤层的掘进工作面；2-等压线；3-流线,,,球向流动,等瓦斯压力线为一组同心球状，瓦斯流线沿球的径向发展,120,120,三、瓦斯在煤层中的球向流动,转变为球坐标后，孔壁瓦斯流量,□均质煤层稳定流动,,,121,121,三、瓦斯在煤层中的球向流动,□均质煤层稳定流动,,流场特征,122,122,三、瓦斯在煤层中的球向流动,□均质煤层不稳定流动,球向流动可视为一层层厚度dr的球壳质量传递，则球壳内瓦斯变化等于球壳内外流量的变化,,123,123,三、瓦斯在煤层中的球向流动,□均质煤层不稳定流动,,124,124,三、瓦斯在煤层中的球向流动,□煤块、煤粒球向不稳定流动,有限流场中的球向不稳定流动,时间准数,指数方程,对于有限流场，在处理方程时候作了化简处理pp0，随流动时间增大误差增大，在误差较小,125,125,三、瓦斯在煤层中的球向流动,□实际煤层中球向流动,,方程较为复杂，难以得到解析解。,瓦斯含量方程,126,,126,上述三种流动是按照流场的空间流向分类的基本形式。在实际煤矿中，由于煤层的非均质性、煤层顶底板岩性的多变性等自然条件的不同，实际井巷和钻孔中的瓦斯流动是复杂的，有时可能是几种基本流动的综合。,127,127,课后思考题,1.瓦斯流动形式简化在瓦斯治理中作用瓦斯流动形式是固定的吗参考阅读周世宁，林柏泉.煤层瓦斯赋存与流动理论[M].北京煤炭工业出版社，1999周世宁.瓦斯在煤层中流动的机理[J].煤炭学报，1990,15（1）15－24.,128,128,四、瓦斯在煤层中的扩散-渗透运动规律,姚素平，2011,陈玮胤，2012,双重孔隙介质模型,Kowalczyketal.2005,129,四、瓦斯在煤层中的扩散-渗透运动规律,抚顺分院王佑安、杨其銮在实验室测定煤粒放散速度时，发现当煤粒尺寸小于一定粒度后煤粒的放散速度基本相近，因而把这一粒度称为极限粒度。尺寸小于极限粒度的煤粒中瓦斯流动是扩散定律，符合菲克扩散定律；煤粒尺寸大于极限粒度时，瓦斯在煤粒之间流动是渗流运动，符合达西定律。,瓦斯扩散研究,130,四、瓦斯在煤层中的扩散-渗透运动规律,煤是一种典型的多孔介质，根据气体在多孔介质中的扩散机理的研究，可以用表示孔隙直径和分子运动平均自由程相对大小的诺森数Kn,d孔隙平均直径，mλ气体分子的平均自由程，m,扩散分类,瓦斯扩散研究,131,四、瓦斯在煤层中的扩散-渗透运动规律,对于含瓦斯煤体来说，一般Kn≥10，由于孔隙直径远大于瓦斯气体分子的平均自由程，因此扩散是由于瓦斯气体分子之间的无规则运动引起的，可以用菲克扩散定律去描述。,J瓦斯气体通过单位面积的扩散速度，kg/sm2δC/δX沿扩散方向的浓度梯度Df菲克扩散系数，m2/sC瓦斯气体的浓度，kg/m2,菲克定律,132,四、瓦斯在煤层中的扩散-渗透运动规律,双峰孔隙扩散模型,133,四、瓦斯在煤层中的扩散-渗透运动规律,低雷诺数区，Re100，为紊流，惯性力占优势，流动阻力和流速的平方成正比。,多孔介质中流动状态及其规律的变化,瓦斯流动,134,四、瓦斯在煤层中的扩散-渗透运动规律,v流速，m/sμ瓦斯动力粘度系数，PasK煤层的渗透率，m2▽p压力梯度,J瓦斯通过单位面积扩散速度δC/δX沿扩散方向的浓度梯度D菲克扩散系数，m2/sC瓦斯气体的浓度，kg/m2,135,135,四、瓦斯在煤层中的扩散-渗透运动规律