煤矿瓦斯爆炸气体的研究

中国石油大学（北京）现代远程教育毕业设计（论文）煤矿瓦斯爆炸气体的研究姓名：高**学号：*******性别：*专业:化学工程与工艺批次：2015秋学习中心：中国石油大学（北京）现代远程教育学院指导教师：倪**2015年8月15日中国石油大学（北京）现代远程教育毕业设计（论文）i煤矿瓦斯爆炸气体的研究摘要瓦斯灾害是我国煤矿最严重的灾害之一，煤矿特大及特别重大瓦斯灾害事故的频发，不但造成国家财产和公民生命的巨大损失，而且严重地影响我国的国际声誉。此外，全国每年有大量的瓦斯排入大气，既浪费了宝贵的煤层资源，也污染了环境。因此，煤矿瓦斯灾害的防治和煤层气开发利用是我国煤炭工业发展中亟待解决的重大问题。本文在系统回顾我国煤矿瓦斯综合治理技术发展，分析我国瓦斯综合治理现状的基础上，提出了今后煤矿瓦斯综合治理发展战略是转变观念，提高认识，研发新的能从根本上治理瓦斯气体的先进技术；建立健全矿井瓦斯抽放和监测监控两个系统；加大“先抽后采”力度；强化技术管理。亟待解决的关键技术工作是加大新技术、新工艺研究力度；加快科研成果向现实生产力转化；推进瓦斯综合治理示范工程建设；加强基础研究，推动瓦斯综合治理标准化建设。关键词：矿井瓦斯；综合治理；净化技术；发展战略；未来展望论文类型：理论研究中国石油大学（北京）现代远程教育毕业设计（论文）ii目录第一章绪论.........................................................１1.1概述...........................................................１1.2矿井瓦斯气体的性质..............................................21.3煤层瓦斯气体的生成.............................................２1.3.1生物化学成气时期瓦斯的生成.................................３1.3.2变质作用时期瓦斯的生成.....................................３1.4煤矿瓦斯气体开发利用的意义......................................4第二章国内煤矿瓦斯气体净化发展现状..................................62.1煤矿瓦斯气体净化发展阶段.......................................62.2国内瓦斯气体综合治理现状.......................................62.2.1防止瓦斯气体积聚............................................72.2.2防止引燃瓦斯气体............................................82.2.3加强矿井通风................................................92.3瓦斯气体净化过程中存在的问题...................................9第三章国外煤矿瓦斯气体勘探开发、利用的理论研究.....................133.1勘探开发理论研究...............................................133.2瓦斯气体开发技术...............................................14第四章瓦斯气体净化技术的基本方案...................................164.1变压吸附法...................................................１６4.1.1变压吸附净化原理.........................................１６4.1.2变压吸附工艺流程.........................................１７4.2多孔碳化硅陶瓷吸附法.........................................１７4.2.1多孔碳化硅陶瓷材料的性能.................................１８4.2.2多孔碳化硅陶瓷瓦斯净化原理及工艺流程.....................１８4.3绝热氧化法和生物氧化法.........................................204.3.1绝热氧化法.................................................20中国石油大学（北京）现代远程教育毕业设计（论文）iii4.3.2生物氧化法.................................................20第五章国内瓦斯气体综合治理发展战略.................................22第六章总结.........................................................23参考文献..........................................................２４致谢............................................................２５中国石油大学（北京）现代远程教育毕业设计（论文）１第一章绪论1.1概述瓦斯（甲烷），这一煤炭开采过程中的伴生物，早在15世纪就开始为人们所认识。我国明代宋应星在《天工开物》（初刊于1637年）一书中曾介绍过，在煤炭开采时煤层中存在着一种能使人窒息和可燃的气体，并提出了利用竹管引排的方法。16世纪末，英国和其他西欧国家在采煤时，也遇到了“有害的气体”，但并未引起人们的重视。只是到了18世纪初期，英国有的深井开始发生瓦斯爆炸，1839年美国煤矿也发生瓦斯爆炸。此后，断断续续又发生了许多次爆炸，导致了人员和设备财产的严重损失，这时人们才逐渐重视并开始研究爆炸的原因及应采取的防范措施［1］。瓦斯是严重威胁煤矿安全生产的主要因素之一。在近代煤炭开采史上，瓦斯灾害每年都造成许多人员伤亡和巨大的财产损失。从全国的情况来看（据有关资料统计），煤矿一次死亡10人以上的特大事故中有70％以上是瓦斯爆炸事故，瓦斯已经成为我国煤矿的第一大“杀手”。因此，瓦斯研究工作对于煤炭工业的健康持续发展，乃至全国生产安全状况好转具有十分重要的意义。煤矿普遍存在着严重的五大灾害是水、火、瓦斯、矿尘和冒顶灾害。在这五大灾害中，以瓦斯灾害为最，主要表现为瓦斯煤尘爆炸灾害［14］。煤矿瓦斯是煤矿采掘空间及围岩内有害气体的总称，其主要成分为甲烷。长期以来，煤矿瓦斯是煤矿井下事故的主要隐患，至今也不能达到完全杜绝瓦斯事故的目的。煤矿瓦斯事故主要有三种表现形式：瓦斯燃烧与爆炸、瓦斯喷出及煤与瓦斯突出、瓦斯窒息。瓦斯局部积累是瓦斯窒息和瓦斯燃烧爆炸的主要条件，煤岩层内赋存有大量高压瓦斯是发生瓦斯喷出和煤与瓦斯突出事故的主要条件。因而，防止局部瓦斯积累、降低煤岩层内赋存的瓦斯量和瓦斯压力是预防瓦斯事故的关键，瓦斯抽采实际上就是主要为达到以上目的的最有效预防瓦斯灾害的治本之策［5］。煤矿瓦斯实际上又是一种优质资源，还是一种强温室气体。对抽出的煤矿瓦斯加以利用，减少排入大气的机会，符合节能减排、科学发展的总体要求；同时也给企业带来经济效益，促进企业煤矿瓦斯抽采与利用的协调发展。近几年，我国煤矿生产的安全状况总体上呈现相对稳定，逐步好转的发展态势，但是，目前我国煤矿事故总量仍居高位，煤矿安全形势仍然十分严峻。导致我国煤矿安全形势严峻的一个主要客观原因就是我国煤层自然赋存条件复杂多变，瓦斯灾害特别严重。因此，煤矿瓦斯灾害的防治和瓦斯气净化利用技术是我国煤炭工业发展中亟待解决的重大问题。同时，煤矿瓦斯抽采利用技术的研发对我国国民经济和人文环境的发展具有深远的意义。中国石油大学（北京）现代远程教育毕业设计（论文）２1.2矿井瓦斯气体的性质从广义上讲，矿井瓦斯是井下有害气体（包括CH4、重烃(CnHm)、H2、CO2、CO、NO2、SO2、H2S等）的总称。一般它包括4类来源，第一来源是在煤层与围岩内赋存并能涌入到矿井的气体；第二来源是矿井生产过程中生成的气体；第三来源是井下空气与煤（岩）、矿物、支架和其他材料之间的化学或生物化学反应生成的气体等；第四来源是放射性物质蜕变过程生成的或地下放出的放射性惰性体氡（Rn）及惰性气体氦（He）。矿井瓦斯的组成成分及其比例关系因其成因不同而有差别。煤矿大部分瓦斯来自于煤层，而煤层中的瓦斯一般以甲烷为主（可达80％-90％），它是威胁矿井安全的主要危险源，所以在煤矿狭义的矿井瓦斯专指CH4［4］。甲烷是无色、无味、无臭、无毒、可以燃烧和爆炸的气体。甲烷分子的直径为0.375×10-9m，可以在微小的煤体孔隙和裂隙里流动。其扩散速度是空气的1.34倍，所以从煤岩中涌出的瓦斯会很快扩散到巷道空间。甲烷标准状态时的密度为0.716kg/m3,比空气轻，与空气相比的相对密度为0.554。甲烷微溶于水，在0.1013Mpa条件下，温度为20℃时，100L水可以溶解3.31L甲烷；0℃时可以溶解5.56L甲烷。当压力为3.4Mpa、温度为20℃时，其溶解度仅为1m3/1m3。因此，一般认为少量地下水的流动对瓦斯排放影响不大；但是，少量地下水的长期流动对瓦斯的排放则会造成重大的影响。甲烷本身虽无毒，但是当空气中的甲烷浓度很高时，就会冲淡空气中的氧，可使人窒息。当甲烷浓度为43％时，空气中相应的氧浓度即降到12％，人感到呼吸非常短促；当甲烷浓度为57％时，相应的氧浓度被冲淡到9％，人即刻处于昏迷状态，有死亡威胁。煤层中抽出的瓦斯发热量一般为37.25MJ/m3,可以与天然气相当，是一种可以开发和利用的能源。1.3煤层瓦斯气体的生成虽然人们对于瓦斯的认识和研究在15世纪再起就开始了，但是有关瓦斯生成及来源的问题，知道20世纪40年代人们才开始逐步重视并对此进行研究。煤矿井下的瓦斯主要来自煤层和煤系地层，关于它的成因可以认为是在成煤作用过程中伴生的。煤的原始母质成淀以后，一般经历两个成气时期：从泥炭到褐煤的生物化学成气时期和在地层的高温高压作用下从烟煤到无烟煤的变质作用成气时期。瓦斯的生成和煤的形成是同时进行且贯穿于整个成煤过程的。与煤的成因息息相关，它除与成煤物质、成煤环境、煤岩组成、围岩性质、成煤阶段等均有关系外，还与两个中国石油大学（北京）现代远程教育毕业设计（论文）３不同成气时期有很大的关系。一般情况下，瓦斯的成气母质可分为两大类，即高等植物在成煤过程中形成的腐植型有机质和低等植物在成煤过程中形成的腐泥型有机质，它们在成煤与成气过程中的差异，构成了各自持有的地球化学标志和各自不同的特点。表1.1腐植型有机质和腐泥型有机质的对比表[6]Table1.1Humic-typeorganicmatterandorganicmatterinsapropel-typecomparativetable[6]成分母带腐植质腐泥质主要成分以芳香族化合物为主，类酯化物较少含丰富的类脂化物元素组成氢和氧贫氧（一般6％）富氧（可达27％）H/C比值低（1％）较高（1）O/C比值高（0.5）较低（0.3）主要形成环境河流、湖泊、三角洲海洋及湖泊产物及气产量煤腐植煤腐泥煤气高甲烷（90％-95％）低湿气（一般0.5％）甲烷较低（47％-75％）湿气较高（20％左右）1.3.1生物化学成气时期瓦斯的生成这个时期是从成煤原始有机物堆积在沼泽相和三角洲相环境中开始的。在温度不超过65℃条件下，成煤原始物质经厌氧微生物分解成瓦斯［2］。在这个阶