矿井瓦斯综合治理-ThunderbirdCafe

1矿井瓦斯综合治理主讲:蔡成功教授Tel:15893051269Email:[e-mail]河南理工大学二OO九年九月2讲授主要内容1矿井瓦斯基础理论3矿井瓦斯爆炸4煤与瓦斯突出5煤矿瓦斯抽放2矿井瓦斯涌出量预测6事故案例分析31矿井瓦斯基础理论1.1瓦斯的来源与性质1.1.1矿井瓦斯概论矿井瓦斯概念井下有害气体的总称广义专指甲烷狭义41矿井瓦斯基础理论1.1瓦斯的来源与性质1.1.2矿井瓦斯来源矿井瓦斯来源煤、岩层和地下水释放出来的天然气。化学及生物化学作用产生的。如坑木腐烂、煤氧化的气态产物。煤炭生产过程中产生的。如井下作、比人员呼吸、火药爆破、充电等。51矿井瓦斯基础理论1.1瓦斯的来源与性质1.1.3矿井瓦斯性质瓦斯性质甲烷重烃氢气甲烷二氧化碳氮气一氧化碳硫化氢二氧化硫二氧化氮可燃性室息性有毒性甲烷氢气爆炸性61矿井瓦斯基础理论1.1瓦斯的来源与性质1.1.4煤矿常见有害气体最高允许浓度最高允许浓度（％）一氧化碳CO0.0024二氧化氮NO20.00025二氧化硫SO20.0005硫化氢H2S0.00066氨气NH30.004有害气体总称符号矿井有害气体最高允许浓度71矿井瓦斯基础理论1.1瓦斯的来源与性质1.1.5煤矿常见气体危害氧浓度(体积％)17静止时无影响，工作时能引起喘息和呼吸困难15呼吸及心跳急促，耳鸣目眩，感觉和判断能力降低，失去劳动能力10～12失去理智，时间稍长有生命危险6～9失去知觉，呼吸停止．如不及时抢救，几分钟内可能导致死亡人体缺氧症状与空气中氧浓度的关系主要症状81矿井瓦斯基础理论1.1瓦斯的来源与性质1.1.5煤矿常见气体危害一氧化碳浓度(体积％)0.022—3小时内可能引起轻微头痛0.0840分钟内出现头痛，眩晕和恶心，2小时内发生体温和血压下降，脉搏微弱，出冷汗，可能出现昏迷0.325—10分钟内出现头痛，眩晕，半小时内可能出现昏迷，并有死亡危险1.28几分钟内出现昏迷和死亡一氧化碳中毒症状与浓度的关系主要症状91矿井瓦斯基础理论1.2煤层瓦斯生成及分带1.2.1瓦斯成因瓦斯成因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65℃的条件下，被厌氧微生物分解为CH4、CO2和H2O。泥炭时期埋深不大，生成的瓦斯通过渗滤和扩散排放到大气中，因此，生物化学作用产生的瓦斯一般不会保留在煤层内。生物化学成气时期煤化变质作用时期随着煤系地层的沉降及所处压力和温度的增加，泥炭转化为褐煤.有机物在高温、高压作用下，处于变质造气时期，挥发分减少，固定碳增加，生成的气体主要为CH4和CO2。101.2.2煤层瓦斯垂向分带各带气体组分1矿井瓦斯基础理论1.2煤层瓦斯生成及分带CO2N2CH4%%%(按体积)(按体积)(按体积)CO2-N2空气～生化成因20～8020～800～10N2空气成因0～2080～1000～20N2-CH4变质成因0～2020～8020～80CH4变质成因0～100～2080～100带　名（从上到下）气　带成　因111矿井瓦斯基础理论1.3煤层瓦斯赋存1.3.1瓦斯在煤体内存在状态1瓦斯在煤体内存在状态吸附瓦斯游离瓦斯吸收状态吸着状态以自由气体分子存在于煤体或围岩的较大裂隙、孔隙和空洞之中。在与颗粒固体在分子之间引力作用下，被吸着在煤体孔隙的内表面上。图例瓦斯在煤层内存在状态1-游离瓦斯；2-吸收瓦斯；3-吸着瓦斯瓦斯分子进入煤体颗粒结构内部，与煤体固体分子相结合。121.4.1煤的吸附能力主要影响因素1瓦斯压力煤的吸附能力主要影响因素5煤中水分4变质程度温度每升高1度，吸附瓦斯的能力要降低8%。CO2CH4N2在给定温度下，吸附量与瓦斯压力呈双曲线变化。艾琴格尔经验公式：式中：Xw——湿煤的瓦斯吸附量，m3/t；Xd——干煤的瓦斯吸附量，m3/t；Mad——煤中水分含量，%。变质程度和孔隙结构和比表面积及化学成份有关，呈马鞍型变化。3温度2气体性质dadWXMX31.0111矿井瓦斯基础理论1.4煤的吸附性质131.4.2煤层瓦斯含量主要决定因素煤的变质程度煤层瓦斯含量主要决定因素水文地质条件地质构造煤层赋存条件煤层围岩性质煤层有露头瓦斯易于排放，无露头瓦斯易于保存；对同一煤层，瓦斯风化带以下，煤层瓦斯含量随深度加大而增大；在其它条件相同，同一开采深度上，煤层倾角越小，煤层所含瓦斯越多。围岩致密完整、不透气时，煤层瓦斯易于保存；反之，煤层瓦斯易于逸散。煤的变质程度越高，生成的瓦斯量越大。当其它条件相同，煤的变质程度越高，煤层瓦斯含量就越大。地下水交换活跃地区，水能从煤层中带走大量瓦斯，从而使煤层瓦斯含量明显减少。开放性构造是煤层有利于瓦斯的放散，因此开放性构造发育煤层，瓦斯含量就小；封闭性构造，阻断瓦斯放散通道，相应煤层瓦斯含量大。1矿井瓦斯基础理论1.4煤的吸附性质141矿井瓦斯基础理论1.5矿井瓦斯涌出1.5.1矿井瓦斯涌出方式矿井瓦斯涌出方式特殊涌出一般涌出煤与瓦斯突出瓦斯喷出由采落煤炭和煤层、岩层的新鲜暴露面，通过孔隙、裂隙，缓慢、长时间的涌出。采掘时，在极短的时间内，瓦斯由煤体、围岩内突然、大量的涌出，有时还伴有煤粉、煤块和岩石等。瓦斯（CO2）喷出从煤体或岩体裂隙、孔洞或炮眼中大量瓦斯（CO2）异常涌出的现象。在20m巷道范围内，涌出瓦斯量≥1.0m3/min，且持续时间在8h以上时，该采掘区即定为瓦斯（CO）喷出危险区域。151.5.2矿井瓦斯涌出量主要影响因素煤层瓦斯含量矿井瓦斯涌出量主要影响因素采煤方法开采顺序厚煤层分层开采时，首分层瓦斯涌出量最大，最后一个分层瓦斯涌出量最小。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。是决定因素。瓦斯含量越高，矿井瓦斯涌出量就越大。陷落法比充填法工作面的瓦斯涌出量大。采煤方法的回采率越低，瓦斯涌出量就越大，因为丢煤中所含瓦斯的绝大部分仍要涌入巷道。顶板管理方法生产工序通风压力大气压力变化负压通风，风压越高瓦斯涌出量越大；正压通风，风压越高瓦斯涌出量越小。地面大气压的变化对对采空区瓦斯涌出有较大的影响。落煤时瓦斯涌出量大于其它工序。开采规模一般采空区存有大量瓦斯，未封闭或封闭不严，采空区瓦斯大量涌出，矿井瓦斯涌出量增大。采空区管理方式1矿井瓦斯基础理论1.5矿井瓦斯涌出161.5.3矿井瓦斯等级划分矿井瓦斯等级划分高瓦斯矿井低瓦斯矿井矿井相对瓦斯涌出量小于10m3/t，且矿井绝对瓦斯涌出量小于40m3/min。矿井相对瓦斯涌出量大于10m3/t或矿井绝对瓦斯涌出量大于40m3/min。煤与瓦斯突出矿井发生煤（岩）与瓦斯突出矿井、鉴定有煤与瓦斯突出危险的矿井。根据矿井相对瓦斯涌出量、矿井绝对瓦斯涌出量和瓦斯涌出形式划分为：低瓦斯矿井中，相对瓦斯涌出量大于10m3/t或有瓦斯喷出的个别区域（采区或工作面）为高瓦斯区，该区按高瓦斯矿井管理。1矿井瓦斯基础理论1.5矿井瓦斯涌出171.5.4矿井瓦斯等级鉴定1矿井瓦斯基础理论1.5矿井瓦斯涌出矿井瓦斯等级鉴定测点选择鉴定时间和基本条件在七月或八月上、中、下旬中各取一天（间隔10天），分三个班（或四个班）进行测定工作。被鉴定的矿井、煤层、水平或采区的回采产量应达到该地区设计产量的60％。通风机的风硐、各水平、各煤层和各采区的回风道测风站内。如无测风站，可选取断面规整并无杂物堆积的－段平直巷道做测点。测定内容测定内容为风量和风流中甲烷、二氧化碳浓度。生产矿井每年必须进行矿井瓦斯等级鉴定，同时进行二氧化碳涌出量的测定，作为核定和调整风量的依据。新井没计前，地勘部门根据各煤层的瓦斯含量资料，预测矿井瓦斯等级，作为计算风量的依据。181矿井瓦斯基础理论1.6矿井瓦斯的危害1.6.1矿井瓦斯的危害矿井瓦斯的危害污染环境瓦斯窒息煤与瓦斯突出瓦斯爆炸瓦斯燃烧当CH4升至43%，O2降至12%，人感到呼吸困难；当CH4升至57%，O2降到9%以下，人短时间窒息死亡。当巷道或采场空气中的瓦斯浓度在5～15%范围内时，一旦存在点火源，将会引起瓦斯爆炸事故。当巷道内的瓦斯浓度低于5%或超过15%时，一旦存在点火源，会酿成瓦斯燃烧事故。当煤层瓦斯压力较高、地质构造复杂、地应力较大、煤体破坏严重时，在该地区采掘作业时易发生煤与瓦斯突出。CH4是仅次于氟利昂的温室气体，产生的温室效应是CO2的25～30倍，时效长达100～150年之久。192瓦斯涌出量预测技术预测方法预测方法矿山统计法分源预测法矿山统计法的实质是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。井下涌出瓦斯的地点即为瓦斯涌出源。瓦斯涌出源的多少、各涌出源涌出瓦斯量的大小直接决定着矿井瓦斯涌出量的大小。应用分源预测法预测矿井瓦斯涌出量，是以煤层瓦斯含量、煤层开采技术条件为基础，根据各基本瓦斯涌出源的瓦斯涌出规律，计算回采工作面、掘进工作面、采区及矿井瓦斯涌出量。202.1矿山统计法（1）基本公式开采实践表明，在一定深度范围内，矿井相对瓦斯涌出量与开采深度呈如下线性关系：1212　　　　qqHHa2112111niiniininiiniiiiqqnqHnHqna2瓦斯涌出量预测技术2.1矿山统计法212瓦斯涌出量预测技术2.1矿山统计法2.1矿山统计法（2）瓦斯测定资料统计分析nACQqniii14.14niiniiicAAHH11式中：q为采区或工作面瓦斯涌出量的月平均值，m3/t；Qi、Ci为月内每次测得的回风量(m3/min)和回风流中瓦斯浓度(%)；n为统计月份的测定次数；A为统计月平均日产量，t/d；Hc为全矿井加权平均开采深度(m)；Hi、Ai为鉴定月份第i采区的采深(m)和产量(t)。222瓦斯涌出量预测技术2.1矿山统计法2.1矿山统计法（3）使用条件及要点①生产矿井的延深水平、生产水平的新采区、与生产矿井邻近的新矿井，在应用中必须保证预测区的开采技术条件、地质条件与生产区相同或类似。②工作面从开切眼形成到第一次放顶期间，由于瓦斯涌出尚未达正常状态，在该段时间内的测定数据不能在统计分析中应用；③某些矿井相对瓦斯涌出量与开采深度之间并不呈线性关系，即a值不是常数，此时，应首先根据实际资料确定a值随开采深度的变化规律。④在采煤不正常的情况下测得的瓦斯涌出量，以及地质变化带采区瓦斯涌出量变化很大的情况下测得的瓦斯涌出量，均不能在统计分析中应用。⑤应用统计预测法时的外推范围一般沿垂深不超过100～200m，沿煤层倾斜方向不超过600m。⑥在实施瓦斯抽放的采区和工作面，还应考虑抽放瓦斯的影响。232瓦斯涌出量预测技术2.2分源预测法2.2分源预测法2.2.1矿井瓦斯涌出的源井下涌出瓦斯的地点即为瓦斯涌出源。瓦斯涌出源的多少、各涌出源涌出瓦斯量的大小直接决定着矿井瓦斯涌出量的大小。应用分源预测法预测矿井瓦斯涌出量，是以煤层瓦斯含量、煤层开采技术条件为基础，根据各基本瓦斯涌出源的瓦斯涌出规律，计算回采工作面、掘进工作面、采区及矿井瓦斯涌出量。242.2分源预测法2.2.2计算方法（1）开采煤层（包括围岩）瓦斯涌出量①薄及中厚煤层不分层开采时按下式计算：②厚煤层分层开采时按下式计算：（2）邻近层瓦斯涌出量10103211XXmmkkkq103211XXkkkkqfi)(10112iiiniiXXkmmq2瓦斯涌出量预测技术2.2分源预测法252.2分源预测法2.2.2计算方法（3）掘进巷道煤壁瓦斯涌出量（4）掘进落煤的瓦斯涌出量（5）回采工作面瓦斯涌出量（6）掘进工作面瓦斯涌出量1/20003vLqvmnq104XXrvSq215qqq436qqq2瓦斯涌出量预测技术2.2分源预测法262.2分源预测法2.2.2计算方法（7）生产采区瓦斯涌出量（8）矿井瓦斯涌出量0