矿井瓦斯灾害控制.doc

第3章 矿井瓦斯灾害控制 3.1 矿井瓦斯的概念 （1）瓦斯 广义上讲，矿井瓦斯是指井下有害气体的总称； 狭义上讲，矿井瓦斯是指煤层瓦斯，即甲烷（CH4），它是成煤过程中的一种伴生气体，也称煤成气。 （2）矿井瓦斯的主要成分 甲烷（CH4）、二氧化碳（CO2）、氮气（N2）、硫化氢（H2S）、一氧化碳（CO）、氢气（H2）、二氧化硫（SO2）及其他碳氢化合物气体（CnH2n2、CnH2n、C6H6、CH3C6H5等）。 （3）矿井瓦斯成分的分类 ①可燃可爆气体甲烷（CH4）及其同系物烷烃（CnH2n2）、环烷烃（CnH2n）、芳香烃（C6H6、CH3C6H5）、H2、CO、H2S等。 ②有毒气体H2S、SO2、CO、NH3、NO2、NO等。 ③窒息性气体N2、CH4、CO2、H2。 ④放射性气体Rn（氡）。 （4）矿井瓦斯的来源 ①煤层与围岩内赋存并能侵入到矿井的气体。 ②矿井生产过程中生成的气体，例如放炮时产生的炮烟等。 ③井下空气与煤岩、矿物、支架与其它材料之间的化学或生物化学的反应生成的气体。 ④放射性物质蜕变过程生成的或地下水放出的放射性惰性气体氡（Rn）及惰性气体氦。 （5）甲烷（CH4）的性质 ①无色、无味、无嗅气体。 ②可燃可爆气体。 ③扩散性强，扩散速度是空气的1.34倍。 （当甲烷浓度为43时，空气中相应的氧气浓度将降到12；当甲烷浓度为57时，相应的氧气浓度被冲淡降到9） ④密度小，0.716kg/m3标准状态下，为空气密度的0.554倍。 ⑤微溶于水（比瓦斯中其它气体弱）。 （6）瓦斯灾害 ①煤与瓦斯突出 ②瓦斯燃烧爆炸 ③使人窒息 3.2 煤层瓦斯的生成 （1）煤层瓦斯是腐植型有机物（成煤植物）在成煤过程中生成的。 （2）煤和煤层瓦斯生成的条件 ①腐植型有机物（植物） ②被泥沙和海水所淹没，与空气隔绝 ③高温高压的环境 ④经历较长的成气时期 （Ⅰ）生物化学成气时期（从植物泥炭褐煤） （Ⅱ）煤化变质作用成气时期（高温高压作用下从褐煤无烟煤的过程） （Ⅲ）瓦斯生成量的多少主要取决于母质的组成和煤化作用所处的阶段（煤的牌号） （3）煤和煤层瓦斯的生成过程 成煤植物泥炭褐煤长焰煤气煤肥煤焦煤瘦煤贫煤半无烟煤无烟煤 3.3 煤层瓦斯赋存状况 3.3.1 煤层瓦斯的分带性 （1）煤层瓦斯的一般分布规律 ①赋存于煤层内的瓦斯表现出纵向分布特性，越深煤层瓦斯越多 ②煤层瓦斯沿纵向一般分布为两个带瓦斯风化带和甲烷带 （2）瓦斯的分化带 ①Ⅰ“CO2N2”、Ⅱ“N2”、Ⅲ“N2CH4”带的统称瓦斯分化带 ②各带不仅瓦斯组成成分不同，而且瓦斯含量不同 （风化带的特点） ③瓦斯风化带形成的原因是地质因素综合作用所致 （Ⅰ）剥蚀过程（作用）使瓦斯风化带减少 （Ⅱ）风化作用长期风化使自由排放瓦斯时间越长，瓦斯风化带深度增加 （Ⅲ）地质构造作用地质破坏程度愈高，瓦斯排放的不均匀性和风化带深度就愈大 （Ⅳ）地应力的作用致密透气性差的覆盖层可阻止瓦斯风化带的扩大 ④不同矿区瓦斯风化带的深度在比较大的范围内变化 ⑤ 确定瓦斯风化带下部边界的条件 （Ⅰ）烷及重烃浓度之和（ CH4CNCH2N2CNH2N。。。。）80 （Ⅱ）煤层瓦斯压力 P0.1-0.5MPa （Ⅲ）相对瓦斯涌出量 q12-3 m3/t（煤） （Ⅳ）煤层瓦斯含量 Q1-7 m3/t（煤）（根据不同牌号的煤 取不同的值） ⑥瓦斯风化带是划定低瓦斯矿井，低瓦斯区域的基本条件 （3）甲烷带 ① 瓦斯风化带下边界以下的煤层区域称甲烷带 ② 甲烷浓度80 ③ 瓦斯压力2-3MPa 较大,瓦斯含量较高,并随深度有一定规律增加 ④ 将出现特殊的瓦斯涌出、瓦斯喷出、煤与瓦斯突出 ⑤ 受地质构造作用，会出现高瓦斯富集区（瓦斯包） 1-低透气岩层，2-高煤层瓦斯区，3-煤层 1瓦斯丧失区，2煤层瓦斯降低区，3高煤层瓦斯区 3.3.2 煤的孔隙特征 （1） 煤的孔隙率 煤的总孔隙体积占相应煤的体积的百分比称为煤的孔隙率，以表示。 （2） 煤中孔隙分类 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。 渗透容积 一般把小孔至可见孔的孔隙体积之和称为渗透容积； 总孔隙体积 把吸附容积与渗透容积之和称为总孔隙体积； （3） 煤孔隙与表面积 煤是孔隙体，其中含有大量的表面积。微孔表面积要占整个表面积的97以上。（小孔占2.5，中孔占0.2） （4） 煤孔隙特性的主要因素 煤的孔隙特性与煤化程度、地质破坏程度和地应力性质及其大小等因素密切相关。 各种种类煤的空隙率 煤的种类 空隙率/m3t-1 煤的种类 空隙率/m3t-1 变化范围 平均值 变化范围 平均值 长焰煤 气煤 肥煤 焦煤 0.0730.091 0.0280.080 0.0260.078 0.0210.068 0.084 0.053 0.051 0.045 瘦煤 贫煤 半无烟煤 无烟煤 0.0280.065 0.0340.084 0.0410.094 0.0550.136 0.045 0.055 0.065 0.088 3.3.3 煤层瓦斯赋存状态 （1） 在一定的条件下，煤层瓦斯以游离（自由）和吸附两种状态赋存于煤体和围岩中 （2）游离（自由）瓦斯 ① 以自由（游离）状态存在于煤层或围岩的空隙和裂隙之中， ② 呈现出压力 （3）吸附瓦斯 ①吸附于煤体或岩体微孔壁面上的瓦斯 ②受煤体分子的吸引不能自由运动； ③不能呈现压力 ④吸附瓦斯量与瓦斯压力的关系（朗格缪尔方程） Q＝（在一定温度下） 式中 Q在某温度下，瓦斯压力为p时单位质量（或体积）纯煤吸附的瓦斯量，m3/t或m3/ m3； a（Qmax）吸附常数，表示纯煤的极限吸附量，m3/t，一般为15～55；（衡量煤层吸附瓦斯能力的指标） b吸附常数，MＰa-1，一般为0.5～5.0，（衡量煤层吸附瓦斯特性的指标） p瓦斯压力，MPa （4）煤层瓦斯赋存特性 ①游离瓦斯和吸附瓦斯处于动态平衡状态和不断的交换之中； ②瓦斯分子碰到煤层表面时，其中一部分被吸附，并释放出吸附热；同时被吸附的瓦斯分子吸附热。当热运动的动能达到足以克服吸附引力时，将脱离煤壁，重新回到自由状态，这过程称为瓦斯解吸。 ③在未采动的煤层中，煤层中自由瓦斯，占5％～30％，吸附瓦斯占70％～95％。 （5）影响吸附瓦斯量的主要因素 ①瓦斯压力的影响在给定的温度下，吸附瓦斯量与瓦斯压力的关系是双曲线变化； ②温度的影响温度每升高一度，吸附瓦斯的能力降低约8％； ③空隙率的影响空隙率越大，吸附瓦斯量就越大； ④煤中水分的影响水分的增加会使煤的吸附能力降低。 3.3.4煤层瓦斯压力 （1）煤层瓦斯压力的定义 煤层空隙内气体分子自由热运动撞击所产生的作用力，它在某一点上各向大小相等，方向与孔壁垂直。 （2）煤层瓦斯压力参数的意义 反映了煤层瓦斯含量的多少，决定了瓦斯流动动力高低以及瓦斯流动现象的潜能大小，是研究与评价瓦斯储量、瓦斯涌出、瓦斯流动、瓦斯抽放与瓦斯突出问题的重要参数。 （3）煤层瓦斯压力分布的一般规律 ①煤层瓦斯压力随煤层的埋深增加而增加； ②在煤层赋存条件稳定的情况下，煤层瓦斯压力随深度近似呈线性关系 P＝P0＋C（H－H0） 式中 P深度为H处的瓦斯压力，MPa； P0瓦斯风化带深度为H0处的瓦斯压力（一般取0.15～0.2），Mpa; H0瓦斯风化带深度，m； H煤层距离地表的垂直深度，m; C瓦斯压力梯度。 ③同一层煤，由于地质作用的不同（煤层赋存条件不同），相同水平、相同埋深，瓦斯压力也可能不一样。 3.3.5 煤层瓦斯含量 （1）煤层瓦斯含量指单位重量或体积的煤中所含的瓦斯量，以m3/ m3或m3/t。 （2）煤的瓦斯含量＝游离瓦斯含量＋吸附瓦斯含量 ① 游离瓦斯含量, 按气体状态方程（马略特定律）计算 Q1 式中 V单位重量煤的孔隙体积，m3/t； p瓦斯压力 T0、p0标准状况下的绝对温度（273K）与压力（0.101325MPa）； T瓦斯的绝对温度，T273t，t瓦斯的摄氏温度（℃）； ξ瓦斯压缩系数，甲烷的压缩系数见表1-13； Q1煤的游离瓦斯含量，m3（标准状况下）/t（煤）。 ② 吸附瓦斯含量, 按朗缪尔方程计算 Q2 式中e自然对数的底，e2.718； t0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，按下式确定；n ； p煤层瓦斯压力，MPa； a、b煤的吸附常数； A、W煤中的灰分与水分，； Q2煤的吸附瓦斯含量，m3（标准状况下）/t（煤）。 甲烷气体压缩系数ξ表 甲烷压力（MPa） 温 度 （℃） 0 10 20 30 40 50 0.1 1.00 1.04 1.08 1.12 1.16 1.20 1.0 0.97 1.02 1.06 1.10 1.14 1.18 2.0 0.95 1.00 1.04 1.08 1.12 1.16 3.0 0.92 0.97 1.02 1.06 1.10 1.14 4.0 0.90 0.95 1.00 1.04 1.08 1.12 5.0 0.87 0.93 0.98 1.02 1.06 1.11 6.0 0.85 0.90 0.95 1.00 1.05 1.10 7.0 0.83 0.88 0.93 0.98 1.04 1.09 ③ 煤的瓦斯含量，它等于游离瓦斯含量与吸附瓦斯含量之和； Q Q1Q2VpT0/（Tp0ξ） 式中 Q煤的天然瓦斯含量m3（标准状况下）/t（煤）；其它符号意义同前。 （3）影响煤层瓦斯含量的主要因素 ①煤层埋藏深度 煤层埋藏越深, 煤层瓦斯含量越大。 ②煤层和围岩的渗透性透气性越大，煤层瓦斯含量越小。 ③煤层倾角同一埋深，煤层倾角越小，煤层瓦斯含量越高。 ④煤层露头煤层露头是瓦斯向地面排放出口，露头存在时间越长，瓦斯排放越多。 ⑤地质构造封闭型地质构造有利于封存瓦斯。开放性地质构造有利于排放瓦斯。 ⑥煤化程度煤层的煤化程度越高，其存贮瓦斯的能力越强。 ⑦水文地质条件地下水活跃的地区，煤层瓦斯含量较小。 ⑧煤田地质史由于地质构造运动，煤层形成后，煤田地层上升将使煤层露出地表，出现露头，从而大大增强瓦斯向地表的散失作用; 当煤田地层下沉时，则煤层被新的覆盖物覆盖。从而缓解瓦斯的散失。 3.3.6 煤层瓦斯压力的测试方法 （1）按测定的参数分为直接测试法、间接测试法； （2）按显压的时间长短分为主动测压法、被动测压法； （3）按孔所处煤岩层的情况分为本煤层测压法、穿层孔测压法； （4）固体材料封孔测瓦斯压力 ①钻孔要求孔径Φ50～70mm，孔长直到煤层顶板（穿层孔），本煤层测压的孔长15～20m；清除孔内钻屑。 ②测压管（导气管）的要求刚必或有一定硬度的料材。紫钢管Φ5～12mm；pvc管Φ15～20mm；镀锌铁管Φ10～13mm ③封孔材料固体材料一般是粘土、水泥砂浆、胶圈、胶膏等。配比有 水泥1.2石膏1.2水3 水泥1.0砂子1.0水0.5～1.0铝粉0.0008 石膏1水泥8水（适当）膨胀水泥浆 ④封孔长度本煤层测压大于8m，穿层孔测压大于5m； （5）压力表选择最初可选6MPa； （6）其它一些要求 ①测压钻孔应选择在坚硬、稳定的岩层中； ②必须清洗孔渣； ③填料要填密实； ④使用有一定膨胀性的封孔材料； ⑤封孔材料固结后上压力表（一般2天）； ⑥压力稳定后测压力（一般稳定期15天以上）； 3.3.7 矿井煤层瓦斯压力和瓦斯含量变化规律确定方法 （1）煤层瓦斯压力确定 ①瓦斯压力变化规律在煤层走向上布置2-3条测线（水平间隔距离一般500m以上），同时，在每条测线上间隔一定埋深（一般100m以上），布置不少于3个测点测定瓦斯压力，然后采用数字方法拟合，确定瓦斯压力变化曲线。 ②根据纵向和走向变化曲线，可确定，一般情况，；煤层不同点的瓦斯压力值就可确定出；煤层瓦斯压力相等的不同点的瓦斯压力值就可绘出煤层瓦斯压力等值线图。 （2）煤层瓦斯含量分布规律确定 方法同上，只需由瓦斯压力计算煤层瓦斯含量。 3.4煤层瓦斯流动 3.4.1煤层瓦斯流动形态 在瓦斯流动场内，瓦斯处于流动状态，具有流向、流速、压力梯度等运动参数。 （1）单向流动 ①定义在三维空间只有一个方向有流速，其它两个方向的流速为零。 ②实际半煤巷煤壁涌出的瓦斯就是沿着垂直于巷道轴的方向流动，形成彼此平行、方向相同的网。 （2）径向流动 ①定义瓦斯等压线为一组同心圆，瓦斯沿圆的径向向圆以流动，该流动为平面流动。 ②实际穿过煤层的钻孔或石门、竖井等，瓦斯流动视为径向流动。 （3）球向流动 ①定义球向流动瓦斯等压线为一组同心球，瓦斯沿球心的径向流动。 ②实际石门揭开特厚煤层、特厚煤层中的掘进头、煤层中的钻孔孔底等，瓦斯的流动视为球向流动。 3.4.2煤层瓦斯流动的基本规律 （1）煤层瓦斯流动方式扩散流动和渗流流动 ①渗流流动在尺寸较大的煤层裂隙系统中，瓦斯流动属于渗流流动； ②扩散流动在孔隙结构的微孔中，瓦斯的流动则是扩散运动。 （2）煤层瓦斯流动方程（规律） ①扩散运动 分子自由运动使得物质由高浓度区域向低浓度区域运移的过程称为扩散运动。扩散运动的速度与该物质的浓度梯度成正比。瓦斯的扩散运动符合扩散规律，即菲克（Fick）定律 式中 J瓦斯扩散速度，m3/m2.s; D瓦斯扩散系数，m2/s； 瓦斯沿l方向上的浓度梯度，m-1。 ②瓦斯渗流运动 瓦斯在较大的孔隙和裂隙中的渗流流动情况比较复杂，在Re100时，为紊流流动，流动阴力和流速的平方成正比。为了简化煤层瓦斯流动状态，通常用线性层流渗流来描述瓦斯在煤层中草药运移规律，即达西定律 式中 V瓦斯的流速，m/s； K煤层的渗透率，m2； 瓦斯的绝对粘度，Pa.s； 瓦斯的压力梯度，Pa/m。 （3）煤层透气性系数（煤层渗透率） ①概念反映煤层中孔隙和裂隙状况的一个煤层瓦斯流动参数. ②两者的关系 煤的透气性系数 标准状态下的大气压力，即0.101325MPa； K煤层的透气性系数，m3/MPa2.d。 ③物理意义 在1m3煤体的两侧作用压力平方差1 MPa2的瓦斯时，通过1m长度的煤壁，在1 m2煤面上每天流过的瓦斯量，（m3/MPa2.d）。 ④影响因素 主要影响因素煤的孔隙率、地质构造、地应力 （抚顺的龙凤矿，透气性系数达150 m3/MPa2.d，煤层透气性较好； 阳泉北头咀矿，0.016 m3/Mpa2.d， 煤层的透气性较差。