瓦斯与矿尘防治技术

矿井瓦斯防治技术Gas&dust第一部分矿井瓦斯防治技术第1章煤层瓦斯赋存与含量§1.1矿井瓦斯的概念与性质§1.2煤层瓦斯的成因§1.3煤层瓦斯赋存的垂直分带性§1.4煤的孔隙特征§1.5煤的吸附特性§1.6煤层瓦斯压力§1.7煤层瓦斯含量§1.8影响煤层瓦斯含量的主要因素目录第2章矿井瓦斯涌出§2.1煤层瓦斯流动的基本规律§2.2煤层瓦斯涌出量及主要影响因素§2.3矿井瓦斯等级及其鉴定§2.4矿井瓦斯涌出量预测§2.5矿井瓦斯涌出防治第3章瓦斯喷出及其预防§3.1瓦斯喷出的分类及其特点§3.2瓦斯喷出的防治第4章煤与瓦斯突出及其防治§4.1煤与瓦斯突出概况§4.2矿井瓦斯动力现象及分类§4.3采掘工作面瓦斯动力现象的特点§4.4煤与瓦斯突出机理§4.5煤与瓦斯突出的一般规律§4.6区域性防突措施§4.7采掘工作面防突措施§4.8煤与瓦斯突出的预测§4.9岩石与二氧化碳的预防第5章矿井瓦斯爆炸及其预防§5.1矿井瓦斯爆炸及作用机理§5.2瓦斯爆炸的传播及其后果§5.3煤矿爆炸性气体的安全技术参数§5.4煤矿瓦斯爆炸原因分析§5.5预防瓦斯爆炸的技术措施第6章煤矿瓦斯抽放技术§6.1煤矿瓦斯抽放可行性分析§6.2瓦斯抽放设计基础§6.3抽放瓦斯方法及工艺参数§6.4抽放瓦斯设备及参数设计§6.5瓦斯利用第一部分矿井瓦斯防治技术第1章煤层瓦斯赋存与含量§1.1矿井瓦斯的概念与性质一、矿井瓦斯的含义广义：井下除正常空气的大气成份以外，涌向采矿空间的各种有毒、有害气体总称。狭义：煤矿生产过程中从煤、岩内涌出的，以甲烷为主要成份的混合气体总称。矿井瓦斯成分很复杂，其主要成分是甲烷(CH4)，其次是二氧化碳(CO2)和氮气(N2)，还含有少量或微量的重烃类气体（乙烷、丙烷、丁烷、戊烷等）、氢（H2）、一氧化碳（CO）、二氧化硫(SO2)、硫化氢(H2S)等。由于甲烷（俗称沼气）是矿井瓦斯的主要成分，因而人们习惯上所说的瓦斯，通常指甲烷而言。来源：（1）煤、岩层涌出（烷烃、环烷烃、芳香烃）；（2）生产过程中产生（CO2、NO2、H2等）（3）井下化学、生物化学反应生成（CO2、H2S、SO2）；（4）放射性元素蜕变过程生成（Rn、He等）二、CH4的性质无色、无味、无嗅的气体，可燃烧、爆炸；分子量：16.049，分子直径：0.41nm，密度：0.716Kg/m3（气态）、424.5Kg/m3（液态）相对空气密度：0.554,难溶入水:在101.3KPa,20℃条件下,3.31l/100lH2O三、CH4的危害及其经济价值1、危害性（1）燃烧、爆炸（2）窒息（3）喷出、突出2、重要能源CH4+2O2CO2+2H2O+Q1m3CH437022.2kJ相当于1~1.5Kg烟煤。重要的化工原料。§1.2煤层瓦斯的成因有机源气体-----腐植有机物（高等植物）成煤过程。煤层瓦斯是腐植型有机物（植物）在成煤过程中生成的两个阶段：（1）生物化学阶段（从植物遗体到泥炭）4C6H10O57CH4+8CO2+C9H6O+3H2O特点：埋藏浅，覆盖层胶结不好，煤层保存气体少。隔绝空气微生物（纤维素）（2）变质阶段（从泥炭到烟煤）泥炭褐煤烟煤无烟煤如：4C16H18O5C57H56O10+4CO2+3CH4+2H2OC57H56O10C54H42O5+CO2+2CH4+3H2OC54H42O5C13H4+2CH4+H2OP↑、t↑P↑、t↑P↑、t↑（泥炭）（褐煤）（褐煤）（烟煤）（烟煤）（无烟煤）特点：（1）碳化过程生成的大量气体。初期：主要为CO2，CH4不多。随着碳化程度的提高，CO2减少，CH4增多，同时生成重烃。（2）碳化的同时，煤的物质分子式、结构发生变化；（3）因覆盖层增厚，生成的气体大多得以保存。但煤层瓦斯含量远小于生成量。减少的原因：（1）地质构造运动；（2）运移到适于贮存地点，形成气藏；（3）溶解于水中（长久地质年代过程中）；（4）逸散于大气中（从煤层露头）。（3）其它主要气体CO2成因：①变质生成。易逸散于大气中，溶解于水，生成碳酸盐，所以，深部煤层中很少含有CO2；②生物化学作用，浅部生物圈内（微生物生化作用）；③火山活动，岩浆接触变质，生成大量CO2。如：窑街、营城局；④煤氧化。特别是煤的低温氧化。N2来自大气。与氩的比例与空气一致。014.0~012.01002NArHe放射性元素蜕变的产物。§1.3煤层瓦斯赋存的垂直分带性煤层瓦斯主要成分：CH4、CO2、N2。形成原因：当煤层直达地表或直接为透气性较好的第四系冲积层覆盖时，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。瓦斯空气-1000m-800m-600m-400m-200mCO2-N2N2N2-CH4CH4四带：CO2-N2带、N2带、N2—CH4带、CH4带。现场实际过程中，将前三带总称为瓦斯风化带。CO2－N2带N2带N2－CH4带CH4带瓦斯风化带瓦斯垂直分带性划分的意义：掌握本煤田煤层瓦斯垂直分带的特征，是搞好矿井瓦斯涌出量预测和日常瓦斯管理工作的基础。规律：①瓦斯风化带内，涌出量与深度之间无规律性。②瓦斯风化带内，无突出危险性。③在CH4带内，瓦斯成分%名称气带成因N2CO2CH4CO2—N2带生物化学—空气20～8020～8010N2带空气＞8010～2020N2—CH4带空气—变质～8010～20～80CH4带变质2010＞80煤层垂向各带气体组份表tmqCH/3~234HXCH4HqCH4瓦斯风化带下界深度确定依据：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；（4）煤的瓦斯含量达到下列数值处：长焰煤1.0～1.5m3/t（C.M.），气煤1.5～2.0m3/t（C.M.），肥煤与焦煤2.0～2.5m3/t(C.M)，瘦煤2.5～3.0m3/t(C.M)，贫煤3.0～4.0m3/t(C.M)，无烟煤5.0～7.0m3/t(C.M)（此处的C.M是指煤中可燃质既固定碳和挥发分）§1.4煤的孔隙特征煤是一种复杂的孔隙性介质，有着十分发达的各种不同直径的孔隙和裂隙。形成庞大的自由空间和表面。煤是一种孔隙----裂隙性介质，它决定煤----CH4体系的许多特性。EX：集气性----CH4的存在形态、含量，etc;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%类别直径/mmCH4的存在形态微孔〈10-5吸附、吸收小孔10-5~10-4吸收、游离中孔10-4~10-3表面吸附、游离大孔10-3~10-1游离二、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：1000VVVf%100)1(100)11(100000MMMf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：0、%20dAdrAV0065.0)(53.106.0%20dAdrAV0065.0005.042.1drrAVV01.0665.0778.00MVVf0'cm3/g0'11f'ff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。分类孔隙体积百分比/%孔隙表面积百分比/%微微孔12.562.2微孔42.235.1小孔28.12.5中孔17.20.2三、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。矿井挥发份/%孔隙率/%抚顺老虎台矿45.7614.05鹤岗大陆31.8610.6开滦马家沟12煤26.86.59本溪田师付8煤13.716.7阳泉三矿3煤6.6614.1焦作王封大煤5.8218.5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Vr/%焦煤瘦煤长无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80%~90%，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。Exp:17MPa时，f减少20%，因为微孔不变，大中孔减少40~50%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。)exp(0ffσf§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：0.5~1.2Kj/molB）化学吸附作用力为离子键，不可逆。PortPort解吸吸附二、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。PXt=const等温吸附线tXP=const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：bPabPX1bPabPkX1100100))(exp(31.0110wAttnwk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。nkPX/1nEPPTaX)/ln(574.4exp00三、影响煤与瓦斯吸附量的主要因素1、瓦斯压力t=const,PX2、温度P=consttX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）X5、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