瓦斯预测与防治技术

河南理工大学二OO九年十一月矿井瓦斯涌出预测与治理技术内容提要一、瓦斯的性质、危害与用途五、矿井瓦斯涌出治理技术二、有关煤层瓦斯的几个基本概念三、煤层瓦斯含量测定四、矿井瓦斯涌出量预测第一节瓦斯的性质、危害与用途一、瓦斯的性质化学式：CH4；分子直径：0.41×10-9m；分子量：16.042kg/kmol；分子体积：22.36m3/kmol密度：0.7168kg/m3；对空气的比重：0.5545；沸点：-161.7℃（0.1MPa下）；溶点：-182.5℃；液态密度：415kg/m3；扩散系数：0.196cm2/s；水中的溶解度：55.6l/m3，33.1l/m3；空气中的爆炸下限：5%；发热量：8568大卡/m3空气中的爆炸上限：15%；第一节瓦斯的性质、危害与用途一、瓦斯的性质煤矿常见气体的部分物理性质性质甲烷二氧化碳一氧化碳硫化氢乙烷氢气分子量16.0444.0128.0134.0830.072.01密度，kg/m30.71681.981.251.541.360.09对空气的比重0.55451.530.971.171.050.07沸点，℃-161.7-78.5-190-61.8-88.3-252.8爆炸上限，%5/12.54.334爆炸下限，%15/74.245.512.574.2发热量，MJ/m335.99/11.8623.5064.5311.94第一节瓦斯的性质、危害与用途二、瓦斯的危害152309154国有重点煤矿矿井类型构成低瓦斯矿瓦斯突出矿高瓦斯矿第一节瓦斯的性质、危害与用途二、瓦斯的危害49%51%16%84%重大瓦斯事故次数和死亡人数占同期“一通三防”事故次数和死亡人数比例重大瓦斯事故次数比例重大瓦斯事故死亡人数比例第一节瓦斯的性质、危害与用途二、瓦斯的危害（1）污染环境，加剧大气“温室效应”（2）可造成瓦斯窒息事故●瓦斯浓度≥43%时（氧浓度≤12%），呼吸短促●瓦斯浓度达≥57%时氧浓度≤9%，即刻昏迷（3）可酿成瓦斯燃烧事故●瓦斯浓度低于≤5%或≥15%（4）引起瓦斯爆炸事故●瓦斯浓度在5～15%（5）产生煤与瓦斯突出事故集中皮带机道徐州矿务局某矿1988年10.19事故现场示意图3105溜子道3103材料道栅栏滑行道滑行道二层副上山栅栏斜溜子道斜材料道二层副主山溜煤眼事故点死亡3人直接经济损失４.５万元抚顺胜利矿1987年四.六重大事故现场示意图集煤巷事故地点三条带四条带井下指挥部位置东管道西管道四条带煤门三条带煤门瓦斯二次燃烧死亡4人，伤5人平顶山靳家门煤矿1989年11.26瓦斯爆炸事故现场示意图采空区付井井主车场变电所水房运总输大巷风回巷二切眼下顺槽运输机下山下山五平巷四平巷巷六平死亡23人伤3人直接经济损失21万元郑州徐庄煤矿三井煤与瓦斯突出事故现场示意图三井风井四块煤柱放大图4块煤柱2块煤柱1块煤柱3块煤柱大巷配风巷东翼运输大巷运输下山突出点1988年4月19日，突出煤量185吨，瓦斯38600m3，死亡12人，重伤2人。第一节瓦斯的性质、危害与用途三、瓦斯的用途作城镇煤气作锅炉和窑炉的燃料瓦斯发电作机动车的燃料作化工原料生产化工产品第二节有关煤层瓦斯的几个基本概念煤层原始瓦斯压力当煤层未受采动影响而处于原始赋存状态时，煤中平衡瓦斯压力称之为煤层原始瓦斯压力，单位为MPa（兆帕）。煤层残存瓦斯压力当煤层受采动影响涌出一部分瓦斯后，此时煤层中残留瓦斯的压力大小称之为煤层残存瓦斯压力，单位为MPa。煤层的残存瓦斯压力总小于原始瓦斯压力。第二节有关煤层瓦斯的几个基本概念煤层原始瓦斯含量当煤层未受采动影响而处于原始赋存状态时，单位重量煤中所含有的换算成标准状态下（0℃，0.1MPa）的瓦斯体积称之为煤层原始瓦斯含量，单位m3/t和cm3/g煤层残存瓦斯含量当煤层受采动影响而涌出一部分瓦斯后，单位重量煤中所含有的换算成标准状态下的瓦斯体积称之为煤层残存瓦斯含量，单位m3/t和cm3/g煤的可解吸瓦斯含量煤自原始瓦斯含量与0.1MPa瓦斯压力下的煤层残存瓦斯含量之差称之为煤的可解吸瓦斯含量，单位m3/t或cm3/g。大致代表单位重量的煤在开采过程中可能涌出的瓦斯量。第二节有关煤层瓦斯的几个基本概念煤的瓦斯容量当煤中瓦斯压力无限升高时，单位重量煤所能吸附的换算成标准状态下的瓦斯体积称之为煤的瓦斯容量。瓦斯容量实际上是煤对瓦斯的极限吸附量。瓦斯浓度单位体积空气中所含有的瓦斯体积的体积百分数称之为瓦斯浓度，单位%。第二节有关煤层瓦斯的几个基本概念矿井相对瓦斯涌出量矿井在正常生产条件下每采一吨煤所涌出的瓦斯体积称之为矿井相对瓦斯涌出量，单位是m3/t。可能高于也可能低于开采煤层的原始瓦斯含量。对于给定的煤层赋存条件和开采工艺，矿井相对瓦斯涌出量与煤层原始瓦斯含量之间存在的必然关系。矿井绝对瓦斯涌出量矿井在单位时间内涌出瓦斯的体积称为矿井绝对瓦斯涌出量，通常的度量单位是m3/min或m3/d。第三节煤层瓦斯含量测定一、方法分类煤层瓦斯含量测定方法分类：按应用范围分(1)地勘方法(2)井下方法按方法特点分(1)直接方法(2)间接方法第三节煤层瓦斯含量测定二、技术与方法1.煤的残存瓦斯含量测定方法测定步骤（1）采样（2）试验室脱气与气体分析（3）煤样粉碎（4）粉碎后脱气与气体分析（5）煤样称重与工业分析（6）煤中残存瓦斯量计算第三节煤层瓦斯含量测定二、技术与方法（直接法）1.煤的残存瓦斯含量测定方法测定装置第三节煤层瓦斯含量测定二、技术与方法（直接法）(2)地勘解吸法测定步骤①采样②瓦斯解吸规律测定密封罐瓦斯解吸速度测定仪第三节煤层瓦斯含量测定二、技术与方法（直接法）(2)地勘解吸法测定步骤③损失瓦斯量计算④试验室煤样脱气及气体成分分析⑤煤层瓦斯含量计算缺点:要推算取样损失量、测定残存瓦斯量，测定周期长第三节煤层瓦斯含量测定二、技术与方法（直接法）(3)井下钻屑解吸法(A)原理：与地勘解吸法类似与地勘解吸法的区别：损失瓦斯量推算方法不同取样损失瓦斯推算公式：q=q1t-k缺点：仅适用于k1的煤层，要推算取样损失量、测定残存瓦斯量，测定周期长ktktkqdttqQ10111第三节煤层瓦斯含量测定二、技术与方法（直接法）(4)钻屑解吸法(B)和钻屑解吸法(A)相比:改进了损失瓦斯量推算方法取样损失量推算公式：qt=qoe-kt测定步骤:同钻屑解吸法(A)缺点：仅适用于k1的煤层，要推算取样损失量、测定残存瓦斯量，测定周期长]1[102ktekrQ第三节煤层瓦斯含量测定二、技术与方法（直接法）（5）井下钻屑解吸法(C)煤炭科学研究总院抚顺分院“九五”期间提出测定依据：X=a+bV1测定仪器：WP-1型快速测定仪优点：不需要推算损失瓦斯量和测定残存瓦斯量,测定周期仅15～30min第三节煤层瓦斯含量测定二、技术与方法（直接法）测定步骤：（1）采样风动钻机压风引射负压取样，粒度为1～2mm，煤样10g（2）瓦斯解吸量测定皂膜流量计（3）送样过程中的瓦斯解吸量（4）煤样粉碎过程和粉碎后解吸的瓦斯量（5）可解吸瓦斯量的计算优点：简单易行，定点采样负压取样器皂膜流量计第三节煤层瓦斯含量测定二、技术与方法（直接法）第三节煤层瓦斯含量测定二、技术与方法（间接法）（1）根据煤层瓦斯压力和煤的吸附等温线确定煤的瓦斯含量计算公式：需要数据：瓦斯压力，吸附常数，工业分析，孔隙率缺点：需测参数多，周期长kKpeMbpabpXttnads1031.0111)(第三节煤层瓦斯含量测定二、技术与方法（间接法）（2）含量系数法计算公式含量系数测定步骤（1）采样（0.1～0.2mm，60～75g）；（2）煤样吸附平衡；（3）测定不同平衡瓦斯压力下煤样解吸瓦斯量；（4）计算煤的瓦斯含量系数α优点：简便，适应于瓦斯流动计算用瓦斯含量和压力估算缺点：粗糙、近似pXα第三节煤层瓦斯含量测定二、技术与方法（间接法）（3）根据煤的残存瓦斯含量推算煤层瓦斯含量技术关键在掘进工作面煤壁暴露30min后，从煤层顶部和底部各取一个煤样，装入密封罐，送试验室测煤的残存瓦斯含量；如暴露时间已超过30min，需清除煤壁0.2～0.3m深，再采煤样。计算公式当实测残存瓦斯含量≤3m3/tf：X0＝1.33Xc当实测残存瓦斯含量＞3m3/tf：X0＝2.05Xc-2.17第四节矿井瓦斯涌出量预测一、矿井瓦斯涌出来源开采层瓦斯邻近层瓦斯采空区瓦斯煤壁瓦斯落煤瓦斯煤壁瓦斯落煤瓦斯回采区瓦斯掘进区已采区瓦斯矿井瓦斯第四节矿井瓦斯涌出量预测二、影响矿井瓦斯涌出量的因素1．煤层和围岩的瓦斯含量煤层（包括可采层和邻近层）和围岩的瓦斯含量是瓦斯涌出量大小的决定因素，它们的瓦斯含量越高，矿井瓦斯涌出量就越大。当前矿井的瓦斯涌出量预测把煤层瓦斯含量作为主要依据第四节矿井瓦斯涌出量预测二、影响矿井瓦斯涌出量的因素2．开采深度随着开采深度的增大，煤层的瓦斯含量将增大，因而矿井瓦斯涌出量也会相应地增大。第四节矿井瓦斯涌出量预测二、影响矿井瓦斯涌出量的因素3．开采规模开采规模越大，矿井的绝对瓦斯涌出量也就越大；但就矿井的相对瓦斯涌出量来说，情况比较复杂。如果矿井是靠改进采煤工艺，提高工作面单产来增大产量的，则相对瓦斯涌出量会有明显的减少，原因为：第一，与采面无关的瓦斯源的瓦斯涌出量在产量提高时无明显增大；二是随着开采速度加快，邻近层及采落煤的残存瓦斯量将增大。如果矿井仅是靠扩大开采规模来增大产量的，则矿井相对瓦斯涌出量或增大或保持不变。第四节矿井瓦斯涌出量预测二、影响矿井瓦斯涌出量的因素4．开采顺序与开采方法(1)开采首采煤层时的瓦斯涌出量往往比开采其它各层时大好几倍；(2)在厚煤层分层开采时，不同分层的瓦斯涌出量也有很大的差别；(3)采煤方法的回采率越低，瓦斯涌出量就越大；(4)在开采煤层群时，采用陷落法管理顶板的工作面的瓦斯涌出量比采用充填法管理顶板的工作面的瓦斯涌出量大。第四节矿井瓦斯涌出量预测二、影响矿井瓦斯涌出量的因素5．地面大气压力的变化大气压力的变化，会引起井下空气压力的变化。大气压力在一年内的变化量可达5～8×10－3MPa，一天内的最大变化量可达2～4×10－3MPa。在采空区瓦斯占很大比重的矿井，当气压突然下降时，使矿井瓦斯涌出量增大；当气压变大时，矿井瓦斯涌出量会明显减小。例如，峰峰局羊渠河矿当气压由0.09976MPa增至0.1013MPa时，矿井瓦斯涌出量由11.61m3/min降至8.06m3/min。第四节矿井瓦斯涌出量预测三、矿井瓦斯涌出量预测的任务与目的任务确定新矿井、新水平、新采区、新工作面投产前瓦斯涌出量目的（1）通风设计提供基础参数（2）瓦斯管理与治理提供决策依据（3）为地面煤成气和井下瓦斯抽放开发提供设计依据第四节矿井瓦斯涌出量预测四、矿井瓦斯涌出量预测方法分类瓦斯涌出量预测方法矿山统计预测法分源预测法类比法灰色系统预测法模糊神经网络预测法时间系列预测法第四节矿井瓦斯涌出量预测五、矿山统计预测法原理以统计理论为基础，根据对本井或邻近矿井实际瓦斯涌出量资料的统计分析得出的矿井瓦斯涌出量随开采深度变化的规律，来推算新井或延深水平的瓦斯涌出量。第四节矿井瓦斯涌出量预测五、矿山统计预测法适用范围生产矿井的延深水平，生产矿井开采水平的新区，与生产矿井邻近的新矿井技术要求（1）必须保证预测区的开采技术条件（煤层开采顺序、采煤方法、顶板管理等）和地质条件（地质构造、煤层赋存条件、煤质等）与生产区相同或类似（2）外外推范围沿垂深不超过100～200m，沿倾斜方向不超过600m第四节矿井瓦斯涌出量预测五、矿山统计预测法预测计算基本公式20aHHqa值计算公式1212qqHHa2112111niiniininiiniiiiqqnqHnHqna多水平资料时:两水平资料时:第四节矿井瓦斯涌出量预测五、矿山统计预测法利用矿井瓦斯等鉴定资料确定生产水平矿井瓦斯涌出量和平均开采深