第二章 矿井瓦斯防治技术

第二章矿井瓦斯防治技术重点：瓦斯的概念及性质，瓦斯的成因，瓦斯赋存规律。难点：瓦斯赋存和运移规律。第一节矿井瓦斯的概念与性质瓦斯爆炸是煤矿生产的主要灾害之一。近年来，我国连续发生了几起特别重大瓦斯爆炸事故，造成大量的人员伤亡和财产损失，带来严重的社会影响。一、矿井瓦斯的概念（什么是矿井瓦斯？）矿井瓦斯是矿井中主要由煤层气构成的以甲烷为主的有害气体的总称。有时单独指甲烷(沼气)。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、矿井瓦斯性质（物理化学性质）瓦斯是煤矿开采过程中释放出来的无色、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:101.3KPa,20℃,3.31l/100lH2O瓦斯的燃烧、爆炸性是矿井主要灾害之一。三、CH4的危害及其经济价值1、危害性（有四大危害）：（1）可以燃烧，引起矿井火灾；（2）会爆炸，导致矿毁人亡；（3）浓度过高时会导致人员缺氧窒息、甚至死亡；（4）发生煤（岩）与瓦斯突出，摧毁、堵塞巷道，甚至引起人员窒息死亡、瓦斯爆炸。2、重要能源CH4+2O2CO2+2H2O+Q1m3CH437022.2kJ相当于1～1.5Kg烟煤。是重要的化工原料。第二节煤层瓦斯赋存与含量重点：煤层瓦斯压力概念、成因及分布规律，煤层瓦斯含量及影响因素。难点：煤层瓦斯压力分布及煤层瓦斯含量。一、瓦斯的成因与赋存（一）矿井瓦斯的生成煤层瓦斯是腐植型有机物（植物）在成煤过程中生成的。成气过程两个阶段一是生物化学成气时期；二是煤化变质作用时期。古代植物在成煤过程中，经厌氧菌的作用，植物的纤维质分解产生大量瓦斯；此后，在煤的碳化变质过程中，随着煤的化学成分和结构的变化，继续有瓦斯不断生成。在全部成煤过程中，每形成一吨烟煤，大约可以伴生600m3以上的瓦斯。而由长焰煤变质为无烟煤时，每吨煤又可以产生约240m3的瓦斯。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。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+3H2O隔绝空气微生物(纤维素)（褐煤））（褐煤））（烟煤））C54H42O5C13H4+2CH4+H2O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。瓦斯减少的原因:（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。He放射性元素蜕变的产物。（二）瓦斯在煤体内存在的状态煤体是一种复杂的多孔性固体，包括原生（烟煤））（无烟煤））014.0~012.01002NAr瓦斯空气-1000m-800m-600m-400m-200m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。煤层中瓦斯赋存两种状态：游离状态（图中1）吸附状态（图中2、3）图2-1瓦斯在煤内的存在形态示意图1—游离瓦斯；2—吸着瓦斯；3—吸收瓦斯；4—煤体；5—孔隙吸着状态（图中2）吸收状态（图中3）二、煤层中瓦斯垂直分带1、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。垂直分为四带：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。表2-1煤层内的瓦斯垂直分带名称气带成因瓦斯成分%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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，2、瓦斯风化带下界深度确定依据：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；（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）CCOO22－－NN22带带NN22带带NN22－－CCHH44带带CCHH44带带瓦瓦斯斯风风化化带带瓦瓦斯斯垂垂直直分分带带性性tmqCH/3~234HXCH4HqCH4三影响煤层瓦斯含量的因素煤的瓦斯含量是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)。煤的瓦斯含量包括游离瓦斯和吸附瓦斯含量之和。主要影响因素：1、煤的吸附特性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。2、.煤层赋存状态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。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。（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：40°~80°,南翼：6°~12°，（3）埋藏深度在近代开采深度内，CH4带内，，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。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3、煤层和围岩的透气性平行垂直＜KKtmqCH/2034tmqCH/15034HX煤层透气性系数是煤层瓦斯流动难易程度的标志。物理意义：断面为1m2的煤体两侧，瓦斯压力平方梯度为1MPa2/m时，流过的流量恰为1m3/d时的介质透气性。注意：λ表示给定气体在给定孔隙介质内的流动特性，对于其它气体必须根据它们的绝对粘度进行换算。说明：（1）煤层透气性系数相差很大。（2）与地压的关系。be04、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。Mpa/mQ=1m3/dS=1m2（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。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，围岩的透气性差，所以煤层瓦斯含量高，瓦斯压力大。反之，围岩由厚层中粗砂岩、砾岩或裂隙溶洞发育的石灰岩组成，则煤层瓦斯含量小。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。6、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。四、煤层内的瓦斯压力瓦斯流动动力高低以及瓦斯动力现象的基本参数。（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，它在某一点上各向大小相等，方向与孔隙壁垒垂直。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：P=f(v-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：nHHPP)()(1212n----系数，通常取n=1。存在：gp----煤层瓦斯压力梯度，Mpa/m。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H(m)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。（H1,P1）(H2,P2)(H,P)H(m)P(MPa)1212HHPPgp11)(PHHgPp00)(PHHgPp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