9第九章矿井瓦斯

1第九章矿井瓦斯（第一、二节、三节（一））教学目标：掌握矿井瓦斯的定义、性质和危害；了解瓦斯的成因与赋存；掌握瓦斯垂直分带的概念和瓦斯含量的概念，理解影响瓦斯含量的因素；掌握瓦斯压力的概念，能够熟练应用瓦斯压力梯度预测瓦斯压力；掌握瓦斯涌出量的概念理解影响瓦斯涌出量的因素。教学重点：瓦斯含量的概念和影响因素、瓦斯涌出量的概念和影响因素教学难点：瓦斯含量及瓦斯涌出量的影响因素学时安排：2复习旧课：引入新课：在日常生活中，人们一谈起沉船、空难、交通事故、火灾等，无不为之大惊失色，殊不知瓦斯事故更是令人惊骇、痛心。瓦斯事故已占全国煤矿重大事故总数的70％以上。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。因此，预防瓦斯灾害对煤炭工业的健康持续发展，具有重要意义。讲授新课：第一节概述一、瓦斯的定义广义上：矿井瓦斯是煤矿生产过程中，从煤、岩内涌出的以甲烷为主的各种有害气体的总称。煤矿井下的有害气体有甲烷（沼气）、乙烷、二氧化碳、一氧化碳、硫化氢、二氧化硫、氮氧化物、氢、氮等，其中甲烷所占比重最大，在80％以上。狭义上：矿井瓦斯单指甲烷。二、瓦斯的化学性质瓦斯的化学名称叫甲烷(CH4)，是无色、无味、无毒的气体。瓦斯混合到空气中后，既看不见，又摸不着，还闻不出来，只能依靠专门的仪器才能检测到。湖南省嘉禾县何家山煤窑糊涂地认为瓦斯大时能用鼻子闻出来，他们没有瓦斯检测设备，靠人闻瓦斯，1989年4月28日发生特大瓦斯爆炸事故，当场死亡17人。甲烷分子的直径为0.3758×10-9m，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，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。瓦斯微溶于水。三、瓦斯的“三害一用”1．窒息：甲烷虽然无毒，但其浓度如果超过57％，能使空气中氧浓度降低至10％以下。瓦斯矿井通风不良或不通风的煤巷，往往积存大量瓦斯．如果未经检查就贸然进入，因缺O2而很快地昏迷、窒息，直至死亡，此类事故在煤矿井不鲜见。举例：矿大学生解手时窒息死亡。2．燃烧爆炸：瓦斯在适当的浓度能燃烧和爆炸。3．突出：在煤矿的采掘生产过程中，当条件合适时，会发生瓦斯喷出或煤与瓦斯突出，产生严重的破坏作用，甚至造成巨大的财产损失和人员伤亡。4．利用：瓦斯可作为燃料和化工原料（碳黑和甲醛）。把煤层中的瓦斯抽到2地面可以变害为利。第二节煤层瓦斯赋存与含量瓦斯，这一煤炭生成过程中的伴生物，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》（1637年）一书中曾介绍，煤层中存在着一种能使人窒息和可燃爆的气体，并提出了利用竹管引排的方法；16世纪末，英国和其他西欧国事在采煤时，也遇到了“有害的”气体，但并未引起人们的重视。直到18世纪初期英国有的矿井开始发生瓦斯爆炸，导致了人员和设备财产的严重损失后，才逐渐引起人们的重视，并开始研究爆炸的原因及应采取的防范措施。但是，有关瓦斯生成及来源的问题．直到20世纪40年代才开始逐步引起人们的重视，并对此进行研究。一、瓦斯的成因与赋存（一）矿井瓦斯的生成煤矿并下的瓦斯主要来自煤层和煤系地层，关于它的成因学说有多种多样。但是．目前国内外多数学者认为煤中的瓦斯是在成煤的煤化作用过程中形成的．即有机成因说。有机成因说认为：煤层瓦斯是腐植型有机物(植物)在成煤过程中生成的。成气过程可分为两个阶段。（1）生物化学成气时期：从植物遗体到泥炭居于生物化学成气时期。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。在植物沉积成煤初期的泥炭化过程中，有机物（主要成分纤维素和木质素）在隔绝外部氧气进入和温度不超过65℃的条件下，被厌氧微生物分解为CH4、CO2和H2O。由于这一过程发生于地表附近，上覆盖层不厚且透气性较好，因而生成的气体大部分散失于古大气中。随泥炭层的逐渐下沉和地层沉积厚度的增加，压力和温度也随之增加，生物化学作用逐渐减弱并最终停止。（2）煤化变质作用时期：从褐煤到烟煤，直到无烟煤属于煤化变质作用成气时期。随着煤系地层的沉降及所处压力和温度的增加，泥炭转化为褐煤并进入变质作用时期，有机物在高温、高压作用下，挥发分减少，固定碳增加，这时生成的气体主要为CH4和CO2。这个阶段中，瓦斯生成量随着煤的变质程度增高而增多。但在漫长的地质年代中，在地质构造(地层的隆起、浸蚀和断裂)的形成和变化过程中，瓦斯本身在其压力差和浓度差的驱动下进行运移，一部分或大部分瓦斯扩散到大气中，或转移到围岩内。所以不同煤田，甚至同一煤田不同区域煤层的瓦斯含量差别可能很大。（二）、瓦斯在煤体内存在的状态瓦斯以游离和吸附这两种状态存在于煤体内。见课本p183图9-2-1。（1）游离状态：也叫自由状态，这种状态的瓦斯以自由气体存在，呈现出压力并服从自由气体定律，存在于煤体或围岩的裂隙和较大孔隙(孔径大于0.01um)内。游离瓦斯量的大小与贮存空间的容积和瓦斯压力成正比，与瓦斯温度成反比。（2）吸附状态：吸附状态的瓦斯主要吸附在煤的微孔表面上（吸着瓦斯）和煤的微粒结构内部（吸收瓦斯），吸着态是在孔隙表面的固体分子引力作用下，瓦3斯分子被紧密地吸附于孔隙表面上，形成很薄的吸附层；而吸收状态是瓦斯分子充填到几埃到十几埃的微细孔隙内，占据着煤分子结构的空位和煤分子之间的空间，如同气体溶解于液体中的状态（固溶体）。吸附瓦斯量的大小，与煤的性质、孔隙结构特点以及瓦斯压力和温度有关。固休表面的吸附作用可以分为物理吸附和化学吸附2种类型，煤对瓦斯的吸附作用是物理吸附，是瓦斯分子和碳分子间相互吸引的结果，吸附力即为范德华力。物理吸附是可逆的。煤内的孔隙小于0.01微米称为微孔，这是吸附瓦斯的主要场所，更大的孔隙是游离瓦斯存在的空间。煤体中的瓦斯含量是一定的，但以游离状态和吸附状态存在的瓦斯量是可以相互转化的，这取决于温度和压力以及煤中水分等条件的变化。例如，当温度降低或压力升高时，一部分瓦斯将由游离状态转化为吸附状态，这种现象叫做吸附。反之，如果温度升高或压力降低时，一部分瓦斯就由吸附状态转化为游离状态，这种现象叫做解吸。在现今开采深度内，煤层内的瓦斯主要是以吸附状态存在，游离状态的瓦斯只占总量的10﹪左右。近年来，随着分析测试技术的不断发展，有关学者采用X射线、衍射分析等技术对煤体进行观察分析后认为，煤体内瓦斯的赋存状态不仅有吸附（固态）和游离（气态）状态，而且还包含有瓦斯的液态和固溶体状态；但是，由于总的来说，吸附（固态）和游离（气态）瓦斯所占的比例在85％以上，在正常情况下，整体所表现出来的特征仍是吸附和游离状态的瓦斯特征；所以，其和传统的观点并没有予盾，只是分析测试更加深入而已。二、煤层瓦斯垂直分带由于煤层中瓦斯向上运移和地面空气向煤层中渗透，使煤层内的瓦斯呈现出垂直分带特征。前苏联矿业研究院通过大量的测定，将煤层由露头自上向下分为四个带：CO2一N2带、N2带、N2一CH4、CH4，前三个带总称为瓦斯风化带。在近代开采深度内，瓦斯带内煤层的瓦斯含量和涌出量随深度增加而有规律地增大，所以确定瓦斯风化带深度，有重要的现实意义。我国大部分低瓦斯矿井皆是在瓦斯风化带内进行生产的。瓦斯风化带下界深度可以根据下列指标中的任何一项确定。(1)煤层的相对瓦斯涌出量等于2～3m3/t处：(2)煤层内的瓦斯组分中甲烷及重烃浓度总和达到80％(体积比)(3)煤层内的瓦斯压力为0.1～0.15MPa,瓦斯风化带深度决定于煤层的地质条件和赋存情况，变化很大。围岩透气性越大、煤层倾角越大、开放性断层越发育、地下水活动越剧烈，则瓦斯风化带下部边界就越深。三、影响煤层瓦斯含量的因素定义：指单位体积或重量的煤在自然状态下所含有的瓦斯量（标准状态下的瓦斯体积），单位为m3／m3(cm3／cm3)或m3／t(cm3／g)。煤层未受采动影响时的瓦斯含量，称为原始瓦斯含量，如煤层受采动影响，已部分排出瓦斯，则剩余在煤层中的瓦斯量称为残余瓦斯含量。煤层瓦斯含量等于吸附含量和游离含量之和。4影响瓦斯含量的主要因素为瓦斯保存和放散条件：1．煤的吸附特性--瓦斯保存条件煤的吸附性能决定于煤化程度，一般情况下煤的煤化程度越高，存储瓦斯的能力越强。但应指出，当由无烟煤向超级无烟煤过渡时，煤的吸附能力急剧减小，煤层瓦斯含量大为减低。2．煤层露头煤层如果有或曾经有过露头长时间与大气相通，瓦斯含量就不会很大。因为煤层的裂隙比岩层要发育，透气性高于岩层，瓦斯能沿煤层流动而逸散到大气中去。反之，如果煤层没有通达地表的露头，瓦斯难以逸散，它的含量就较大。3．煤层的埋藏深度煤层的埋藏深度越深，煤层中的瓦斯向地表运移的距离就越长，散失就越困难。同时，深度的增加也使煤层在压力的作用下降低了透气性，也有利于保存瓦斯。在近代开采深度范围内，煤层的瓦斯含量随深度的增加而呈线性增加。4．围岩透气性煤系岩性组合和煤层围岩性质对煤层瓦斯含量影响很大。如果围岩为致密完整的低透气性岩层，煤层中的瓦斯就易于保存下来。反之，则煤层瓦斯含量小。通常，泥岩、页岩、砂页岩、粉砂岩和致密的灰岩等透气性差，封闭瓦斯的条件好，所以煤层瓦斯压力高、瓦斯含量大；若围岩是由厚层中粗砂岩、砾岩或是裂隙溶洞发育的灰岩组成时，煤层瓦斯含量往往较小。5．煤层倾角埋藏深度相同时，煤层倾角越小，瓦斯含量越大。因为倾角越小，瓦斯运移的途径越长。6．地质构造地质构造是影响煤层瓦斯含量的最重要因素之一。在围岩属低透气性的条件下，封闭型地质构造有利于瓦斯的储存，而开放型地质构造有利于排放瓦斯。（1）褶曲构造褶曲类型和褶皱复杂程度对瓦斯赋存均有影响，当围岩的封闭条件较好时，背斜往往有利于瓦斯的储存，是良好的储气构造。但是，当背斜轴顶部岩层是透气性岩层或因张力形成连通地表或其他贮气构造的裂隙时，其瓦斯含量因能转移反而比翼部少。对向斜而言，当轴部顶板岩层受到的挤压应力比底板岩层强烈，使顶板岩层和两翼煤层透气性变小，瓦斯就易于贮存在向斜轴部。当煤层或围岩的裂隙发育透气性较好时，轴部的瓦斯容易通过构造裂隙和煤层转移到围岩和向斜的翼部，瓦斯含量反而减少。受构造力作用在煤层局部形成的大型煤包(图9-2-2c、d、e)，由于周围煤层在应力作用下压向煤包，形成煤包内瓦斯的封闭条件，瓦斯含量大。同理，由两条封闭性断层与致密岩层圈闭的地垒或地堑构造，也可成为瓦斯含量增高区。（2）断层构造断层对煤层瓦斯含量的影响比较复杂。一方面要看断层(带)的封闭性，另一方面要看与煤层接触的对盘岩层的透气性。开放型断层(一般为张性、张扭性或导水的压性断层)，不论其和地表是否直接相通，附近的煤层瓦斯含量都会降低。封闭型断层(压性、压扭性不导水断层)，煤层对盘岩性透气性低时，可以阻止瓦斯的释放．如果断层的规模大而断距长时，在断层附近也可能出现一定宽度的瓦斯含量降低区。57．水文地质条件虽然瓦斯在水中的溶解度很小，但是如果煤层中有较大的含水裂隙或流通的地下水通过时，经过漫长的地质年代，也能从煤层中带走大量瓦斯，降低煤层的瓦斯含量．而且，地下水还会溶蚀并带走围岩中的可溶性矿物质，从而增加了煤系地层的透气性，有利于煤层瓦斯的流失。目前许多矿井所谓的“水大瓦斯小．水小瓦斯大”就是这个原因。四、煤层内的瓦斯压力1．定义：是处于煤的裂隙和孔隙中的游离瓦斯分子热运动撞击所产生的作用力。2．意义：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。当煤的吸附瓦斯能力相同时，煤层瓦斯压力越高，煤中瓦斯量也就越大。在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时，都要事先掌握准确的瓦斯压力数据。《规程》规定，开采有煤与瓦斯突出危险煤层时，必须测定煤层的瓦斯压力。3．测定方法（1）直接测定法直接测定煤层瓦斯压力的方法是用钻机由岩层巷道或煤层巷道向预定测量瓦斯压力的地点打一钻孔，然后在钻孔中放置测压装置，再将钻孔严密封闭堵塞并将压力表和测压装置相连来测出瓦斯压力的。直接测压法中的关键是封闭钻孔的质量。（2）间接测定法一般情况下，未受采动影响的煤层内的瓦斯压力，随深度的增