矿井地质_3_常见问题(5.瓦斯地质)

第三章常见的矿井地质问题第一节矿井构造与煤厚第二节井巷工程地质第三节岩浆岩侵入第四节岩溶陷落柱第五节瓦斯地质第六节地温煤矿安全地质或称煤矿灾害地质，它是研究与煤矿安全有关的各种地质条件，着重从地质角度研究灾害产生的原因和规律，影响因素和判别指标，预测理论和方法等。其目的是为安全部门制定防治灾害措施，开展灾害预测预报，进而变害为利提供地质依据。涉及煤矿安全的地质条件很多，矿井瓦斯、矿井水、煤的自燃、煤尘等四大灾害都不同程度地与地质条件有关。本章仅介绍瓦斯地质。第五节瓦斯地质一、瓦斯的赋存与成因二、煤层瓦斯含量的影响因素三、矿井瓦斯涌出量及等级划分四、煤与瓦斯突出及其影响因素五、煤与瓦斯突出的探测与防治一、瓦斯的赋存与成因1、瓦斯的成分与性质瓦斯是指在煤矿生产过程中，从煤层和围岩中泄出的一种多成分的混合气体。瓦斯中甲烷占绝大多数，其次为氮气和二氧化碳，其它成分的含量很少。由于甲烷是矿井瓦斯的主要成分，因此一般矿井所说的瓦斯仅指甲烷而言。甲烷俗称沼气，为无色、无嗅、无味、无毒，可以燃烧和爆炸的气体。在标准状态下，甲烷对空气的比重比为0.554，比空气轻，聚积在巷道上部，化学性稳定，微溶于水，易于扩散，渗透岩体的能力为空气的1.6倍。当空气中混有5％~16％的沼气时，遇高温能引起爆炸。可能产生爆炸的沼气的最低浓度称为爆炸下限，最高浓度称为爆炸上限。瓦斯的赋存与成因2、瓦斯的赋存状态两种状态：(1)游离状态（自由状态）：瓦斯是以自由的气体状态存在于煤体、围岩的孔隙、裂隙或空洞中。瓦斯的分子可以在煤体的孔隙内自由运动。游离状态的瓦斯赋存量的大小，取决于煤、岩层的孔隙度，同时也取决于外界的温度和压力。瓦斯的赋存与成因(2)吸着状态（又分为：吸附与吸收两种状态）①吸附瓦斯：瓦斯分子被吸附在煤、岩体孔隙的表面，形成一层瓦斯薄膜。薄膜的形成是由于气体分子与固体颗粒之间存在着极大的分子引力。吸附量的大小，取决于煤的孔隙率、变质程度以及外界的温度和压力。②吸收瓦斯：瓦斯分子进入煤体内部，瓦斯分子与煤分子紧密地结合成固溶体（这与气体被液体溶解的现象类似）。瓦斯的赋存与成因瓦斯在煤体中的赋存状态教材图4-1瓦斯的赋存与成因上述两种状态，在一定的温度、压力下，处于动平衡状态：压力增大，温度降低，部分游离瓦斯→吸附瓦斯（吸附过程）压力降低，温度增大，吸附瓦斯→部分游离瓦斯（解吸过程）瓦斯的赋存与成因3、瓦斯的成因瓦斯属于天然气范畴，基本上可以分为煤型气和油型气两类：腐植型有机物的主要演化产物为煤和煤型气；腐泥型有机物的主要演化产物为石油和油型气。煤型气是煤矿瓦斯的主要来源。瓦斯成因学说很多，但多数认为煤中的瓦斯是在煤化作用过程中形成的。瓦斯的赋存与成因成煤第一阶段（泥炭化阶段），即能产生瓦斯，由于接近地表，多数已在自然状态下逸散；成煤第二阶段（煤化阶段），随着埋深增加，地温升高，在热分解过程中产生大量的甲烷，且易保存。所以，现今煤层中所含的瓦斯大部分是在这个阶段生成的，其赋存量取决于后来的地质变迁。瓦斯的赋存与成因二、煤层瓦斯含量的影响因素1、煤变质程度煤的变质程度，一方面决定着产气的数量，变质程度越高，产气数量越多，瓦斯含量越大（教材P116表4-1）；另一方面决定着煤内微孔隙的发育程度，影响着煤对瓦斯的吸附能力。表4-1煤层瓦斯含量的影响因素褐煤虽然孔隙率大，吸附瓦斯的能力强，但产气量小，瓦斯含量不高；长焰煤的孔隙和表面积都比较小，所以吸附瓦斯的能力大大降低，为20—30m3/t；随着煤的进一步变质，到无烟煤时其孔隙和表面积都达到最大，吸附瓦斯的能力最强（50—60m3/t），又由于无烟煤产气量大，因此瓦斯含量最高；无烟煤～石墨阶段，因微孔隙显著收缩，吸附能力逐趋消失，瓦斯含量不高。（图4-3）煤层瓦斯含量的影响因素不同变质程度的煤教材图4-3煤层瓦斯含量的影响因素前已述及（表4-1），生成1t无烟煤能产生超过400m3的瓦斯，但今天煤内能储存的瓦斯最多不超过50m3/t。显然，煤内瓦斯含量不仅决定于产气条件，更重要的还取决于储气条件。2、围岩的透气性煤层和围岩的透气性，决定着瓦斯的储存条件和瓦斯在煤层内的流动特性。煤和围岩的透气性好，有利于瓦斯的运移和排放，煤层瓦斯含量较小，瓦斯分布较均一；反之，煤与围岩的透气性差，不利于瓦斯的运移和排放，有利于瓦斯的保存，煤层瓦斯含量较大，瓦斯分布不均匀。煤层瓦斯含量的影响因素3、地质构造地质构造对瓦斯的聚积和排放具有双重作用：在煤层顶板岩性致密、透气性差的条件下，在未受断裂破坏和严重剥蚀的褶皱地区，由于构造的圈闭，至使瓦斯沿煤层向上运移较易，因此背斜顶部较向斜槽部瓦斯相对聚积，瓦斯含量较大，瓦斯压力较高。与之相反，在遭受断裂破坏和严重剥蚀的褶皱地区，由于背斜顶部煤层埋藏较浅，通达地表的断裂发育，有利于煤层瓦斯的排放，因此背斜顶部较向斜槽部瓦斯含量较小，瓦斯压力较低。煤层瓦斯含量的影响因素煤层瓦斯含量的影响因素张性、张扭性断裂，起着排放瓦斯的作用，致使断层附近瓦斯含量减小。局限于煤层附近的、掩伏式压性或压扭性断裂，起着封闭瓦斯的作用，致使断裂附近瓦斯含量增大。4、煤层的埋藏深度纵向带状分布：随着煤层埋藏深度的增加，瓦斯的成分、含量及其性质也发生相应的变化。由浅而深，可分为四个带：煤层瓦斯含量的影响因素瓦斯分带瓦斯成分和含量说明瓦斯风化带第一带：N2-CO2带CO2含量20%各带的埋藏深度随着各个地区岩层的空气透入条件、上部煤（岩）层氧化情况及地下水活动的强弱，而有所不同第二带：N2带N2含量80%;CO2含量20%第三带：N2-CH4带N2含量20~80%;CH4含量20~80%瓦斯带第四带：CH4带CH4含量80%教材图4-4煤层瓦斯含量的影响因素教材图4-5煤层瓦斯含量的影响因素瓦斯风化带深度是随岩层的空气透入条件、上部煤岩层的风氧化情况，以及地下水活动的强弱程度不同而各地差异很大。5、地下水活动活动在煤层裂隙和孔隙中的地下水，不仅侵占了瓦斯的储存空间，排挤出部分游离瓦斯，而且由于水对煤粒的吸附还削弱了煤对瓦斯的吸附能力，在地下水的不断循环过程中煤内瓦斯逐步地被流水带走。因此，在其它条件相同的情况下，地下水活动强烈的矿井瓦斯含量较低，地下水活动微弱的矿井瓦斯含量较高。煤层瓦斯含量的影响因素除了上述诸因素外，煤田的暴露程度、煤层的厚度变化、岩浆的侵入活动，以及地区的地质发展历史等都对煤层的瓦斯含量有直接影响。在分析煤层瓦斯含量的影响因素时，要注意各因素的异同，从中筛析出差异较大的因素。三、矿井瓦斯涌出量及等级划分1、矿井瓦斯涌出现象煤矿开采过程中，煤层和围岩中的瓦斯向采掘空间散放的现象称为瓦斯涌出。按瓦斯散放的形式不同，分为普通涌出和特殊涌出。（1）普通涌出瓦斯从煤、岩层的孔隙或裂隙中，长期缓慢逸出的现象称为普通涌出。首先涌出的是游离瓦斯，然后吸附瓦斯通过解吸成游离瓦斯而涌出。普通涌出是矿井瓦斯散放的主要形式。（2）特殊涌出分为瓦斯喷出和煤与瓦斯突出两大类。瓦斯喷出是指大量承压瓦斯，从煤、岩层的裂隙中，快速喷出的现象。瓦斯喷出伴有咝咝的响声，但不产生煤和岩石抛出的动力现象。煤（岩）与瓦斯突出是指在采掘过程中，在很短的时间内，从采掘工作面内部向工作空间突然喷出大量煤、岩石和瓦斯的现象。它是一种伴有声响和猛烈动能效应的动力现象。矿井瓦斯涌出量及等级划分2、矿井瓦斯涌出量矿井瓦斯涌出量是指矿井生产过程中，单位时间内实际涌入采掘空间的瓦斯数量。它只包括普通涌出的瓦斯，而不包括特殊涌出的瓦斯。矿井瓦斯涌出量有两种表示方法：（1）绝对瓦斯涌出量指矿井在单位时间内涌出的瓦斯数量，单位为m3/d或m3/min。绝对瓦斯突出量一般按全矿井计算，也可根据需要按翼、水平、采区、采面和掘进巷道分别计算，以便掌握涌出量的变化情况。矿井瓦斯涌出量及等级划分（2）相对瓦斯涌出量指矿井在正常生产的条件下，月平均日产1t煤的瓦斯涌出量。其计算公式为矿井瓦斯涌出量及等级划分TnQq式中：q—矿井相对瓦斯涌出量，m3/t；Q—矿井绝对瓦斯涌出量，m3/d；T—矿井瓦斯鉴定月份的煤产量，t；n—矿井瓦斯鉴定月的工作日数，d。由于矿井瓦斯来源不仅是掘进和回采工作面采落煤层中散放的瓦斯，还有各种煤柱、煤壁，岩帮和采空区排出的瓦斯。因此，瓦斯相对涌出量总是比煤层瓦斯含量高。在开采条件和地质条件大致相同时，两者的比值相对稳定。矿井瓦斯涌出量不仅受自然因素的影响，而且还受开采技术因素的制约，因此它比煤层瓦斯含量的影响因素更复杂。矿井瓦斯涌出量及等级划分3、矿井沼气等级的划分按平均日产1t煤涌出沼气量和沼气涌出形式，矿井沼气等级划分为三类。①低沼气矿井：10m3及其以下。②高沼气矿井：10m3以上。③煤与沼气突出矿井：凡发生过煤与沼气突出矿井。矿井瓦斯涌出量及等级划分四、煤与瓦斯突出及其影响因素1、煤与瓦斯突出的概念煤与瓦斯突出是在矿井采掘过程中，在很短的时间内，从采掘工作面内部向工作空间突然喷出大量煤、岩石和瓦斯的现象。它是一种伴有声响和猛烈力能效应的动力现象，可以摧毁巷道和设备，导致风流逆转，甚至引起瓦斯和煤尘爆炸，是矿井四大灾害（矿井瓦斯,矿井水灾，火灾和煤尘）之一。2003年6月，湖南省郴州市临武县水东乡合作八发煤矿（私营企业）煤与瓦斯突出，突出煤量60T，突出瓦斯量约5000m3，4人死亡；2004年10月，江西丰城矿务局尚庄煤矿，瓦斯突出事故，当场造成9人死亡，20余人受伤；2005年06月，湖南娄底市（一说冷水江）资江煤矿发生煤与瓦斯突出事故，死亡２２人，资江煤矿原为娄底市市属国有矿，2005年１月整体转让给股份制民营企业湖南辉鹏投资有限公司；2005年8月，河南禹州兴发煤矿（一个年产6万吨的个体煤矿）瓦斯突出，死亡24人；2005年8月，贵州仁怀市大坝镇竹林湾煤矿（设计能力为6万吨的新建个体煤矿）发生一起煤与瓦斯突出事故，造成15人遇难。煤与瓦斯突出及其影响因素全国煤矿瓦斯监测监控系统建设工作：截止到2005年9月底，全国911处煤与瓦斯突出矿井，已装备监测监控系统896套，占98.4%；4462处高瓦斯矿井，已装备监测监控系统4325套，占96.9%；20213处低瓦斯矿井，已装备监测监控系统7569套，占37.4%。山西、山东、辽宁、吉林、黑龙江、江苏、河南、湖南、湖北、重庆、四川、宁夏、青海、新疆等省(自治区、直辖市)的国有重点和县(市)的高瓦斯和瓦斯突出矿井，都装备了监测监控系统。煤与瓦斯突出及其影响因素国有重点煤矿121个矿务局(集团公司)，有66个矿务局(集团公司)全部实现了（监测）联网，3个矿务局(集团公司)实现了部分联网。山西、辽宁、黑龙江、江苏、浙江和中煤公司的国有重点煤矿已全部实现了联网。全国42个产煤县(市)实现了联网，有24个县(市)实现了部分联网，其中山西、宁夏国有重点煤矿和产煤县(市)的高瓦斯、突出矿井全部实现了联网。总的来看，我国瓦斯突出的气体绝大多数矿井均为沼气，个别矿井为二氧化碳；突出的固体物主要为煤炭，有时也伴有岩石；绝大多数突出发生在掘进工作面，其中以石门揭穿煤层的强度最大。煤与瓦斯突出及其影响因素2、影响煤与瓦斯突出的因素（1）煤层瓦斯含量和瓦斯压力煤内瓦斯仅游离瓦斯显示压力。它和吸附瓦斯处于动平衡状态。如果外界压力突然减小，吸附瓦斯可以迅速解吸，产生大量游离瓦斯，瞬时产生高压释放，破碎煤体和岩石。四川天府矿务局三汇坝一井的特大型突出，把3t重的岩块抛出60m以外，并拐了两个直角弯，可见高压瓦斯搬运力量之大。煤与瓦斯突出及其影响因素所以，瓦斯含量高，瓦斯压力大的煤层容易引起突出。目前，世界各国采用0.98MPa的瓦斯压力作为煤层可能突出的危险性指标。关于瓦斯含量，据世界100多个煤田的统计，突出煤层中的瓦斯含量一般均大于10m3/t。煤与瓦斯突出及其影响因素（2）地应力在研