矿井瓦斯防治技术.ppt

矿井瓦斯防治技术,Gas渗透性----流态、流出形式、涌出量；力学特性----强度、弹性、脆性。,一、孔隙分类为了研究瓦斯在煤层中的赋存与流动，将煤中孔隙分类如下煤中的微孔≥80,二、表示孔隙特性的参数1、孔隙率（f）----单位体积固体具有的孔隙容积。表示式f----孔隙率，；V----固体（含孔隙）的体积，cm；V0----实体（不含孔隙）的体积，cm。假设M----固体质量，g;ρ----固体假密度，g/cm3;ρo----固体真密度，g/cm3;则有,通过实验确定。或利用经验公式计算。当2、孔容（比孔容）----f’----单位质量固体具有的孔隙容积。表示式同上，可推得所以,cm3/g,3、比表面----固体单位质量或单位体积具有的孔隙总表面积。4、孔隙结构----各类孔隙在总孔隙中所占百分比。微孔所占比例大，且比表面积也大。,三、煤、岩孔隙的基本特点1、各类煤岩的孔隙率差别很大，不同的煤需具体测定。,,我国一些矿井煤的孔隙率,2、煤的孔隙率与碳化程度的关系,长焰煤开始Vrf到焦瘦煤达到最小；而后Vrf到无烟煤达到最大。但微孔，则Vr而始终,,,,,,3、煤的孔隙率与煤的破坏程度的关系（1）未受构造应力破坏的煤微孔达8090，大孔很少，无外生裂隙。煤层瓦斯含量大，但瓦斯涌出量不大，涌出速度慢，涌出时间长。（2）破坏型煤各种孔均存在，随着煤的破坏程度增大而增加。游离瓦斯含量高，易涌出，衰减快，可能发生突出。（3）构造煤在地应力作用下，煤破碎成〈0.1mm的煤粒，再被压成煤砖状。各类孔均存在，瓦斯含量高，卸压后，f，瓦斯涌出量，易突出。,4、孔隙率与外加压力（地应力）关系式中f----受压状态下的孔隙率；f0----未受压状态孔隙率；σ----压应力；α----压缩系数。一般地，微孔不压缩。Exp17MPa时，f减少20，因为微孔不变，大中孔减少4050备注（1）Hf（2）卸压后（受采动影响）f（3）σ对煤的吸附性影响很小。,1.5煤的吸附特性一、概述1、吸附现象----气体分子与固体表面分子间相互作用，气体分子暂时停留在固体表面上的现象。吸附剂----能吸附其它物质的介质，如煤；吸附质----被吸附的物质，如CH4。2、吸附分类①根据吸附方式分表面吸附（吸着）----在吸附剂表面吸附一层或多层吸附质分子。容积吸附（吸收）----吸附质分子紧密地充满于吸附剂的微小孔隙内，类似于溶质溶解于溶剂中。,②根据吸附作用力分A）物理吸附特点Ⅰ、作用力为范德华力，作用距离极小（1/r7）,仅限于界面附近；Ⅱ、可逆的----不稳定的动平衡。Ⅲ、吸附是一种放热反应，解吸，吸热。如煤-------CH4，吸附热0.51.2Kj/molB）化学吸附作用力为离子键，不可逆。,二、吸附线和吸附方程吸附量决定于①吸附质性质（不同气体）；②吸附剂性质；③吸附温度；④吸附压力。1、吸附线----吸附剂和吸附质，在一定温度（t）或一定压力P下，吸附量与P或t之间的关系曲线。,tconst,等温吸附线,,,t,X,,,Pconst,等压吸附线,2、吸附方程A）Langmuir方程（1916年）理论计算式式中X----给定温度下的吸附量，m3/t；a----吸附常数，极限吸附量，m3/t；b----吸附常数，MPa-1;P----吸附平衡时的气体压力，Mpa。a、b通过实验室测定得出。实际算式其中,B弗洛德里希方程（1906）式中k、n-----系数；P----气体压力。C）都必林方程式中a0----极限吸附瓦斯量，cm/g；E----吸附能，j/mol；P0----极限吸附时的气体压力,Mpa；P----吸附压力,Mpa；T----吸附温度；n----吸附结构系数。,三、影响煤与瓦斯吸附量的主要因素1、瓦斯压力tconst,PX2、温度PconsttX温度每升高1℃，吸附瓦斯的能力降低约8。3、瓦斯的性质对于特定的煤，在t、P一定时，CO2的吸附量＞CH4的吸附量＞N2的吸附量4、煤的变质程度变质程度反映了煤的表面积与化学组成。变质程度越高（Vr）X,5、煤中的水份水份的增加使煤的吸附能力降低。艾琴格尔经验式式中Xch----含有水份时瓦斯吸附量；Xg----不含有水份时瓦斯吸附量；W----水份含量。6、煤中的灰份（Ac）灰份不吸附瓦斯，我国习惯于用可燃基作单位。,1.6煤层瓦斯压力一、瓦斯压力的含义----煤层孔隙或裂隙内气体分子自由运动撞击所产生的作用力。特点在某一点上各向大小相等，方向与孔隙壁面垂直。煤层瓦斯压力是决定煤层瓦斯含量、瓦斯流动动力高低以及瓦斯动力现象的基本参数。,,,,,,,,二、煤层瓦斯压力分布的一般规律1、在未受采动影响煤层内（1）沿深度沿煤层倾向符合气体状态方程，即Pfv-1,t，其中v为孔容，t为煤温。∵H，V，T但不明显∴HP未受采动影响的煤层内的瓦斯压力，随深度的增加而有规律地增加，可以大于、等于或小于静水压。,,,,,,,,存在n----系数，通常取n1。存在gp----煤层瓦斯压力梯度，Mpa/m。含义----单位深度增加煤层瓦斯压力增加量。gp说明什么,,根据瓦斯压力梯度可以预测深部煤层瓦斯压力。预测计算式式中P预测的甲烷带内深Hm处的瓦斯压力，MPagp瓦斯压力梯度，MPa/m特例式中P0--甲烷带上部边界处瓦斯压力，取0.2MPa。H0---甲烷带上部边界深度，m。举例某矿瓦斯风化带深度为100m，在200m处测得煤层瓦斯压力为0.5MPa，预测300m处煤层瓦斯压力。,（2）沿走向在地质条件相近的块段内，相同深度的同一煤层，具有大体相同的瓦斯压力。条件A）孔隙、裂隙互相连通，形成一个统一的体系；B）等量的瓦斯处于孔隙容积相同的不同体系内。C）不等量的瓦斯处于孔隙容积按同比例的不同体系内。即实际上，只能“大体相同”，而且可能差别。2、采动影响区煤层∵f,Xf,∴P发生变化，十分复杂，一般随深度增加瓦斯压力逐渐增大。,,二、煤层瓦斯压力测定瓦斯压力测定打钻、封孔、测压1、主要设备及仪表钻机、测定管、压力表。封孔材料炮泥、水泥，木楔；封孔器。2、测压步骤A）打钻要求测定地点无大裂隙，不位于破坏带，含水小。一般由围岩向煤层打穿层钻孔，钻孔直径φ4575mm。B）封孔钻孔到位后，用压气清渣。封孔方法分为,固体材料封孔一般采黄泥作为固体材料。,水泥砂浆封孔为了克服粘土封孔费工费时劳动强度较大的缺点，国内外不少矿井采用以压缩空气为动力，将水泥砂浆压入钻孔的封孔工艺。适用条件封孔倾角超过45、深度大于15m的钻孔。水泥沙浆配比500号水泥砂石水铝粉（或石膏）＝１１10.50.0008,胶圈粘液封孔测定瓦斯压力原理用膨胀着的胶圈封高压粘液，再由高压粘液封高压瓦斯，由压力表测定瓦斯压力。,3、注意事项（1）测压空间尽可能小；（2）钻孔打完后，立即封孔，尤其是低透气性煤层；（3）防止漏气；（4）足够长的观察时间；（5）防止地下水的影响，尽可能不穿含水层，必须穿过含水层时，封孔应超过含水层。1.7煤层瓦斯含量一、瓦斯在煤层中的存在状态煤体是一种复杂的多孔性固体，包括原生孔隙和运动形成的大量孔隙和裂隙，形成了很大的自由空间和孔隙表面。,1、游离状态主要存在于大、中孔、裂隙空间内，其间瓦斯分子作自由热运动，显示相应的瓦斯压力。在现今采深下，占瓦斯总量的512。2、吸附状态主要存在于小孔和微孔空间内。分为表面吸附和吸收两种状态。占瓦斯总量的＞80。,3、其它形态-----结晶水化物问题提出结晶水化物的形式形成条件低温、高压。对CH4对C2H6对C3H8,t0℃时，P≈2.0MPat5℃时，P≈4.8MPat10℃时，P≈8.0MPa,t0℃时，P≈0.6MPat5℃时，P≈1.3MPat10℃时，P≈2.5MPa,t0℃时，P≈0.1MPat2.5℃时，P≈0.3MPa,乙烷和丙烷生成水化物的条件比CH4低得多,二、煤层瓦斯含量1、含义单位质量或体积的煤中含有的瓦斯量。m3/m3，m3/t。煤层瓦斯包含游离瓦斯量和吸附瓦斯量2、瓦斯含量计算（1）游离瓦斯量由气体状态方程考虑到瓦斯气体可压缩性，则有粗略计算，假设则式中P----煤层瓦斯压力，Mpa；V----煤的孔容。,（2）吸附瓦斯量--Xx一般采用朗格缪尔方程计算。其中（3）煤层瓦斯含量---XXXgXxm3/t,,三、煤层瓦斯含量的测定1、直接测定法－－勘探钻孔煤芯解吸法主要测定步骤1）现场采样与瓦斯解吸速度的测定－－v1,2、损失瓦斯量的计算－－v2t0－－装罐前时间；t－－装罐后时间；v－－解吸瓦斯体积。,３）煤样剩余瓦斯解吸－－v3包括I煤样粉碎前脱气；ii煤样粉碎后脱气总瓦斯量VV1V2V3经过状态变换和计算可得煤层原始瓦斯含量。2、瓦斯含量系数法测定原理煤层瓦斯含量与瓦斯压力之间，大致存在如下关系式中α－－瓦斯含量系数，m3/m3.MPa0.5，通过实验室测定得出；P－－煤层瓦斯压力，Mpa；X－－煤层瓦斯含量，m3/m3,1.8影响煤层瓦斯含量的主要因素煤层瓦斯含量主要取决于瓦斯生成量；瓦斯运移条件；煤层贮存瓦斯的性能。具体包括以下几点1、煤的碳化程度在碳化作用过程中，不断地产生瓦斯，碳化程度越高，生成的瓦斯量越多。相同的条件下，煤的变质程度越高，煤层瓦斯含量越大。,煤的平均甲烷含量与其变质程度的定量关系曲线,2、煤层的赋存状态（1）露头成煤的地质年代中，若有露头长时间与大气相通，瓦斯沿煤层流动，煤层瓦斯往往沿煤层露头排放，瓦斯含量大为减少。（2）煤层倾角∵∴煤层倾角愈大，煤层瓦斯含量愈低。Exp芙蓉矿，北翼4080,南翼612，,（3）埋藏深度埋深增加，地应力增高，煤层的透气性变差，瓦斯向地表运移距离增加，有利于封存瓦斯。在近代开采深度内，CH4带，，但是如果埋藏深度继续增大，瓦斯含量增加的速度将要减慢而趋于常量。,3、煤层和围岩的透气性煤层围岩是指煤层直接顶、老顶和直接底板等在内的一定厚度范围的层段。煤层围岩对瓦斯赋存的影响，决定于它的隔气、透气性能。当煤层顶板岩性为致密完整的岩石，如页岩、油母页岩时，煤层中的瓦斯容易被保存下来；顶板为多孔隙或脆性裂隙发育的岩石，如砾岩、砂岩时，瓦斯容易逸散。exp北京京西煤矿，不论是下侏罗统或是石炭二叠系的煤层，尽管煤的牌号为无烟煤，由于煤层顶板为12～16m的厚层中粒砂岩，透气性好，因此煤层瓦斯含量小，矿井瓦斯涌出量低。,4、地质构造是影响煤层瓦斯含量的主要因素之一。表现一方面是造成了瓦斯分布的不均衡，另一方面是形成了有利于瓦斯赋存或有利于瓦斯排放的条件。1褶皱构造褶皱的类型、封闭情况和复杂程度，对瓦斯赋存均有影响。当煤层顶板岩石透气性差，且未遭构造破坏时，背斜有利于瓦斯的储存，是良好的储气构造，背斜轴部的瓦斯会相对聚集，瓦斯含量增大。形成“气顶”。,在向斜盆地构造的矿区，顶板封闭条件良好时，瓦斯沿垂直地层方向运移是比较困难的，大部分瓦斯仅能沿两翼流向地表。煤包、地垒、地堑都为高瓦斯区。（2）断层断层破坏了煤层的连续完整性，使煤层瓦斯运移条件发生变化。有的断层有利于瓦斯排放，也有的断层对瓦斯排放起阻挡作用，成为逸散的屏障。前者称开放型断层，后者称封闭型断层。,断层的开放与封闭性决定于下列条件a.断层的性质和力学性质。一般张性正断层属开放型，而压性或压扭性逆断层封闭条件较好。b.断层与地表或与冲积层的连通情况。规模大且与地表相通或与冲积层相连的断层一般为开放型。c.断层将煤层断开后，煤层与断层另一盘接触的岩层性质。若透气性好则利于瓦斯排放。d.断层带的特征。断层带的充填情况、紧闭程度、裂隙发育情况等都会影响到断层的开放或封闭性。一般地，开放性断层，不论其与地表是否连通，其附近，瓦斯含量低。,封闭性断层（受压影响），可阻止CH4的排放。5．水文地质条件地下水与瓦斯共存于煤层及围岩之中，其共性是均为流体，运移和赋存都与煤、岩层的孔隙、裂隙通道有关。由于地下水的运移，一方面驱动着裂隙和孔隙中瓦斯的运移，另一方面又带动溶解于水中的瓦斯一起流动。瓦斯在水中的溶解度仅为1～4。地下水和瓦斯占有的空间是互补的，这种相逆的关系，常表现为水大地带瓦斯小，反之亦然。,7．岩浆活动岩浆活动对瓦斯赋存的影响比较复杂。一方面，在岩浆热变质和接触变质的影响下，煤的变质程度升高，增大了瓦斯的生成量和对瓦斯的吸附能力。另一方面，在没有隔气盖层、封闭条件不好的情况下，岩浆的高温作用可以强化煤层瓦斯排放，使煤层瓦斯含量减小。所以说，岩浆活动对瓦斯赋存既有生成、保存瓦斯的作用，在某些条件下又有使瓦斯逸散的可能性。,