瓦斯基础理论及瓦斯治理技术

2015年11月瓦斯基础理论及瓦斯治理技术中煤科工集团院重庆研究院龙伍见研究员内容提要瓦斯研究分院致力安全科技提升生命保障矿井瓦斯的基本特征煤层瓦斯的生成及赋存煤层瓦斯基本参数及测定矿井瓦斯涌出及预测瓦斯防治概述通风瓦斯治理技术煤矿瓦斯抽采技术瓦斯综合防治方法一、矿井瓦斯的基本特征瓦斯研究分院致力安全科技提升生命保障1.矿井瓦斯的定义广义的矿井瓦斯是指从煤（岩）涌入矿井巷道的自然瓦斯，采掘生产过程中形成的瓦斯，空气与有用矿物、围岩、支架和其它材料之间的化学反应、生物化学反应所形成的瓦斯的总称。各种类型的瓦斯具有不同的成因和性质，其中的一部分（甲烷及其同系物、H2、CO、H2S）是可燃的，与空气混合可形成爆炸混合物；另一部分（CO、NO、H2S、NH3、含硫的气体、乙醛、汽油蒸气、汞和砷的蒸气）是有毒的，对人体有危害；第三部分（CO2、N2、Ar及其同系物）属于惰性气体，只有当其浓度大大超过空气中的正常含量时才对人体有害。一、瓦斯的基本特征瓦斯研究分院致力安全科技提升生命保障煤层瓦斯是储存在煤层内的气体，是构成矿井瓦斯的最主要部分。煤层瓦斯也是多种气体的混合物，其成分比较复杂。国内外对煤层瓦斯组分的大量测定表明，煤层瓦斯约有20种组分：甲烷及其同系烃类气体（乙烷、丙烷、丁烷、戊烷、己烷等）、二氧化碳、氮、二氧化硫、硫化氢、一氧化碳和稀有气体（氦、氖、氩、氪、氙）等。其中甲烷及其同系物和二氧化碳是成煤过程的主要产物。当煤层赋存深度大于瓦斯风化带深度时，煤层瓦斯的主要组分（＞80%）是甲烷。因此，习惯上提到的煤层瓦斯往往就是甲烷。狭义上讲，矿井瓦斯和煤层瓦斯都是仅指甲烷气体而言。一、矿井瓦斯的基本特征瓦斯研究分院致力安全科技提升生命保障2.瓦斯的基本性质化学式：CH4分子量：16.042kg/kmol密度：0.7168kg/m3沸点：-161.7℃（0.1MPa）液态密度：415kg/m3水中的溶解度：55.6l/m3发热量：8568大卡/m3分子直径：0.41×10-9m分子体积：22.36m3/kmol对空气的比重：0.5545溶点：-182.5℃扩散系数：0.196cm2/s空气中的爆炸下限：5%空气中的爆炸上限：15%一、矿井瓦斯的基本特征瓦斯研究分院致力安全科技提升生命保障瓦斯的化学名称叫甲烷（CH4），是一种无色、无味、无毒、可燃的气体，比重比空气轻，溶解度很低，极难溶于水。案列：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，该矿发生特大瓦斯爆炸事故，当场死亡17人。瓦斯气体对煤矿而言既是一种有害气体，也是一种洁净能源和优质化工原料。一、矿井瓦斯的基本特征瓦斯研究分院致力安全科技提升生命保障3.瓦斯的危害性（1）污染大气环境，加剧大气“温室效应”（2）可造成瓦斯窒息事故●瓦斯浓度≥43%时，呼吸短促●瓦斯浓度达≥57%时，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一、矿井瓦斯的基本特征瓦斯研究分院致力安全科技提升生命保障4.瓦斯的利用：（1）能源1）发电：煤发电厂热效率最高为40%，煤层气电厂可达56%，鼓励采用单机容量500千瓦及以上的煤矿瓦斯发电机组，以及大功率、高参数和高效率的煤矿瓦斯发电机组；2）燃料：①工业燃料：锅炉燃料、金属冶炼、陶瓷玻璃工业；②民用燃料：煤制气热值低(14.6kJ/m3)，煤层气热值高(35.6kJ/m3)，天然气是21世纪中国城市民用燃气首选燃料；③汽车燃料，改善汽车尾气对大气的污染。④热电冷联供瓦斯发电余热制冷矿井降温。一、瓦斯的基本特征瓦斯研究分院致力安全科技提升生命保障（2）原料1）煤层气制合成氨，世界合成氨的73.7%来自天然气，我国合成氨的18%来自天然气；2）甲醇80%由天然气生产；3）煤层气制乙炔，由天然气部分氧化法生产乙炔，由乙炔生产PVC制品；4）煤层气制炭黑；5）煤层气制甲醛；6）煤层气制乙醇。瓦斯研究分院致力安全科技提升生命保障1、煤层瓦斯的生成煤层瓦斯是腐植型有机物在成煤过程中生成的，成气过程可分为两个阶段。（1）生物化学成气时期在植物沉积成煤初期的泥炭化过程中，有机物在隔绝外部氧气进入和温度不超过650C的条件下，被厌氧微生物分解为CH4、CO2和H2O。在这个阶段生成的泥炭层，埋深浅，生成的瓦斯易排放到古大气中去，一般不会保留在现有煤层内。二、煤层瓦斯的生成及赋存瓦斯研究分院致力安全科技提升生命保障二、煤层瓦斯的生成及赋存（2）煤化变质作用成气时期随着泥炭层下沉，上覆盖层变厚，温度和压力增高，生物化学作用逐渐减弱直至结束，在较高的压力与温度作用下泥炭转化成褐煤，并逐渐进入煤化变质作用阶段。褐煤进一步沉降，压力与温度作用加剧，便进入煤化变质作用造气阶段。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。从褐煤到无烟煤，煤的变质程度越高，生成的瓦斯量也越多。瓦斯研究分院致力安全科技提升生命保障二、煤层瓦斯的生成及赋存68168212229419339287270010020030040050012345678煤化阶段甲烷生成量/m3/t褐煤长焰煤气煤肥煤焦煤瘦煤贫煤无烟煤泥煤煤化阶段瓦斯研究分院致力安全科技提升生命保障二、煤层瓦斯的生成及赋存2、煤层瓦斯赋存煤是天然的空隙裂隙体：空隙率一般为5~18%；每克煤内空隙的表面积达20~200m2/g，甚至更多。丰城煤张扭裂隙，放大5400倍鸡西煤的孔隙，放大720倍瓦斯研究分院致力安全科技提升生命保障二、煤层瓦斯的生成及赋存（1）瓦斯在煤体内存在的状态a.游离状态(自由状态)瓦斯以自由气体的状态存在于煤体的孔隙和裂隙中，呈现出压力，服从气体状态方程。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。。1－吸收瓦斯2－游离瓦斯3－吸着瓦斯4－煤5－孔隙瓦斯研究分院致力安全科技提升生命保障二、煤层瓦斯的生成及赋存b.吸附状态吸附状态又分为吸着状态和吸收状态两种：吸着状态是在孔隙表面的固体分子引力作用下，气体分子被紧密地吸附于孔隙表面上，形成很薄的吸附层。吸收状态是瓦斯分子进入煤体胶粒结构与煤分子结合而呈现的一种状态，类似于气体溶解于液体的现象。煤层赋存的瓦斯量中，通常吸附瓦斯量占80%~90%，游离瓦斯量占10%~20%。瓦斯研究分院致力安全科技提升生命保障(2)两种赋存状态的关系在煤体中，吸附瓦斯和游离瓦斯在外界温度及压力不变的条件下处于动平衡状态。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。当压力升高或温度降低时，一部分瓦斯由游离状态转化为吸附状态，这种现象称为吸附。当压力降低或温度升高时，一部分瓦斯就由吸附状态转化为游离状态，这种现象称为解吸。煤层受到采动影响后，形成的压力梯度使瓦斯流动，煤体内瓦斯压力的降低将促进瓦斯的解吸作用。二、煤层瓦斯的生成及赋存瓦斯研究分院致力安全科技提升生命保障二、煤层瓦斯的生成及赋存3、煤层瓦斯的垂直分带（1）形成原因及分带划分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-200m瓦斯研究分院致力安全科技提升生命保障煤层自上向下分为四个带：CO2-N2带、N2带、N2-CH4带、CH4带，前三个带总称为瓦斯风化带，第四个带称为甲烷带。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，瓦斯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，瓦斯含量和涌出量随着深度的增加而增大。在瓦斯风化带开采煤层时，相对瓦斯涌出量一般＜2m3/t，瓦斯对生产不构成主要威胁。我国大部分瓦斯矿井都是在瓦斯风化带内进行生产的。二、煤层瓦斯的生成及赋存瓦斯研究分院致力安全科技提升生命保障二、煤层瓦斯的生成及赋存气带名称(从上往下)气带成因瓦斯成分％N2CO2CH4ICO2－N2生物化学－空气20～8020～8010IIN2空气成因8010~2020IIIN2-CH4变质成因20~8010~2020~80IVCH4变质成因201080煤层瓦斯垂直分带及各带气体成分瓦斯研究分院致力安全科技提升生命保障（2）瓦斯风化带的下部边界深度确定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煤的瓦斯含量为2~3m3/t（烟煤）和5~7m3/t（无烟煤）。瓦斯风化带深度决定于煤层的具体条件，变化很大，即使在同一井田有时也相差很大，南桐鱼田堡矿的瓦斯风化带为30m，开滦赵各庄矿为467m。二、煤层瓦斯的生成及赋存瓦斯研究分院致力安全科技提升生命保障（一）煤层瓦斯含量及测定方法1、基本定义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或m3/t。煤层瓦斯原始含量：指未受采矿采动及抽采影响的煤体内的瓦斯含量。煤层瓦斯残余含量：指受采矿采动及抽采影响的煤体内现存的瓦斯含量。煤的瓦斯含量包括游离瓦斯和吸附瓦斯。三、煤层瓦斯基本参数及测定瓦斯研究分院致力安全科技提升生命保障三、煤层瓦斯基本参数及测定2、影响煤层瓦斯含量的因素(1)煤的吸附特性煤的吸附性能决定于煤化程度。煤的煤化程度越高，存储瓦斯的能力越强。因此，在其它条件相同时，高变质煤比低变质煤瓦斯含量大。(2)煤层露头煤层露头是瓦斯向地面排放的出口，露头存在时间越长，瓦斯排放越多；反之地表无露头的煤层，瓦斯含量较高。(3)煤层的埋藏深度煤层的埋藏深度的增加，有利于封存瓦斯。瓦斯风化带中瓦斯含量小，不会发生瓦斯突出。甲烷带内，瓦斯含量随深度的增加而增大。如：阳泉3号煤层为无烟煤，挥发分为7%，瓦斯压力1.3MPa，瓦斯含量为25m3/t；抚顺胜利矿为气煤，挥发分为45%，瓦斯压力1.7MPa，瓦斯含量仅7m3/t。瓦斯研究分院致力安全科技提升生命保障(4)围岩透气性围岩为致密完整的低透气性岩层，如泥岩，完整的石灰岩，煤层中的瓦斯就易于保存下来，瓦斯含量就大，瓦斯压力也大。围岩透气性大，如中粗砂岩、砾岩等，瓦斯越易流失，煤层瓦斯含量就小。(5)煤层倾角埋藏深度相同时，煤层倾角越小，煤层的瓦斯含量就越高。如芙蓉煤矿北翼煤层倾角40~800，瓦斯涌出量约20m3/t，无瓦斯突出现象；南翼煤层倾角6~120，瓦斯涌出量高达150m3/t，具有发生瓦斯突出的危险性。这种现象的主要原因在于：煤层透气性一般大于围岩；煤层倾角越小，在顶板岩性密封好的条件下，瓦斯不易通过煤层排放，煤体中的瓦斯容易得到贮存。三、煤层瓦斯基本参数及测定瓦斯研究分院致力安全科技提升生命保障(6)地质构造封闭型地质构造有利于封存瓦斯，开放型地质构造有利于瓦斯排放。a.褶曲构造①背斜构造瓦斯风化带以下，背斜顶板为致密岩层又未遭到破坏时，在背斜轴部的瓦斯容易积聚和保存下来，形成瓦斯含量较高的“气顶”，称为储瓦斯构造。当背斜轴部的顶部岩(煤)层因张力作用而形成有连通地表的裂隙时，背斜轴部的瓦斯就会流失掉，瓦斯含量就会降低。三、煤层瓦斯基本参数及测定1-不透气岩层2-煤层瓦斯含量增高区域3-煤层瓦斯研究分院致力安全科技提升生命保障三、煤层瓦斯基本参数及测定②向斜构造向斜构造一般轴部的瓦斯含量比翼部高，这是轴部岩层受到强力挤压，围岩的透气性会变得更低，则轴部封存较多瓦斯。1-不透气岩层2-煤层瓦斯含量增高区域3-煤层瓦斯研究分院致力安全科技提升生命保障三、煤层瓦斯基本参数及测定b.断裂构造开放性断层(张性、张扭性断层)，不论其与地表是否直接相通，都会因其有利于瓦斯的散放而使瓦斯含量降低，如图a、b。而封闭性断层(压性、压扭性断层)不利于瓦斯的