矿井瓦斯防治基础知识

矿井瓦斯1通风与安全培训课件徐矿集团张集煤矿通风技术主管黄永梁Tle:0516-85671823Email:[e-mail]矿井瓦斯防治基础知识矿井瓦斯2矿井瓦斯防治基础知识第一章煤层瓦斯赋存与运移特征第一节矿井瓦斯的性质及其生成第二节煤层瓦斯的生成第三节矿井瓦斯涌出第二章瓦斯爆炸及其预防措施第一节瓦斯爆炸过程及其危害第二节瓦斯爆炸的主要参数第三节煤矿井下瓦斯爆炸事故原因分析第四节预防瓦斯爆炸的措施第五节局部瓦斯积聚的处理方法第六节防止瓦斯爆炸灾害事故扩大的措施第七节瓦斯与煤尘爆炸事故时的自救与互救第八节自救器的性能及使用条件矿井瓦斯3第一章煤层瓦斯赋存与运移特征瓦斯（甲烷），这一煤炭开采过程中的伴生物，早在15世纪就开始被人们认识。我国明代宋应星在《天工开物》（初刊于1637年）一书中曾介绍过，在煤炭开采时煤层中存在着一种能使人窒息和可燃的气体，并提出了利用竹管引排的方法。16世纪末，英国和其它西欧国家在采煤时，也遇到了“有害的”气体，但未引起人们的重视。只是到了18世纪初期，英国深井开始发生瓦斯爆炸。1839年美国煤矿也发生瓦斯爆炸。此后，断断续续又发生了许多次爆炸，导致了人员和设备财产的严重损失，这是人们才逐渐重视并开始研究爆炸的原因及应采取的防范措施。矿井瓦斯4第一节矿井瓦斯的性质及其生成从广义上讲，矿井瓦斯是井下有害气体（包括CH4、H2、CO2、CO、NO2、SO2、H2S、Rn等）的总称。瓦斯：是煤矿生产过程中，从煤、岩内涌出的各种气体的总称。煤矿术语中的瓦斯指的就是甲烷。物理化学性质：无色、无味、无毒、比空气轻，微溶于水。危害：爆炸，突出，人员窒息、环境污染。作用：能源、化工原料。矿井瓦斯5瓦斯通常指甲烷(CH4)，是一种无色、无味、无臭的气体，在标准状态下1m3甲烷的质量为0.7168kg，对空气的相对密度为0.554。由于瓦斯比空气轻，故常积聚在巷道的顶部、上山迎头及顶板冒落的空洞内。瓦斯的扩散性很强，扩散速度是空气的1.34倍，如果一处涌出瓦斯，会很快地扩散到巷道附近空间。矿井瓦斯6当井下空气中瓦斯深度增高时，会相对的降低空气中的氧气含量，使人窒息；另一方面，当瓦斯与空气混合到一定范围内，遇火就会爆炸或燃烧。严重影响和威胁矿井安全生产，且一旦形成灾害事故，将给国家及职工生命健康造成巨大损失。瓦斯是煤矿生产过程中的五大自然灾害之首。矿井瓦斯的危害主要有四种形式：爆炸，突出，人员窒息、环境污染。矿井瓦斯7第二节煤层瓦斯的生成一、瓦斯的成因与赋存（一）煤层瓦斯的生成虽然人们对于瓦斯的认识和研究在15世纪早期就开始了，但是有关瓦斯生成及来源的问题，直到20世纪40年代人们才开始逐步重视并对此进行研究。煤矿井下的瓦斯主要来自煤层和煤系地层，关于它的成因可以认为是在成煤作用过程中伴生的。煤的原始母质沉积以后，一般经历2个成气时期：从泥炭到褐煤的生物化学成气时期和在地层的高温高压作用下从烟煤直到无烟煤的变质作用成气时期。矿井瓦斯8瓦斯的生成和煤的形成是同时进行且贯穿于整个成煤过程的。与煤的成因息息相关，它除与成煤物质、成煤环境、煤岩组成、围岩性质、成煤阶段等均有关系外，还与两个不同成气时期有很大的关系。一般情况下，瓦斯的成气母质可分为两大类，即高等植物在成煤过程中形成的腐植型有机质和低等植物在成煤过程中形成的腐泥型有机质，它们在成煤和成气过程中的差异，构成了各自持有的地球化学标志和各自不同的特点。矿井瓦斯9（二）生物化学成气时期瓦斯的生成这个时期是从成煤原始有机物堆积在沼泽相和三角洲相环境中开始的。在温度不超过65℃条件下，成煤原始物质经厌氧微生物分解成瓦斯。该过程用纤维素的化学反应式表示：4C6H1005→7CH4↑+8C02↑+3H20+C9H60或2C6H10O5→CH4↑+2C02↑十+5H20+C9H60矿井瓦斯10在这个阶段，成煤物质生成的泥炭层埋深浅，上覆盖层的胶结固化不好，生成的瓦斯通过渗透和扩散容易排放到古大气中去。因此，生化作用生成的瓦斯一般不会保留在现有煤层内。此后，随着泥炭层的下沉，上覆盖层越来越厚，成煤物质中所受的温度和压力也随之增高。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，并逐渐进入变质作用阶段。矿井瓦斯11（三）变质作用时期瓦斯的生成褐煤层进一步沉降，便进入变质作用造气阶段。在100℃高温及其相应的地层压力下，煤层中的煤体就会产生强烈的热力成气作用。在变质作用的初期，煤中有机质基本结构单元主要是带有羟（qiang）基(－OH)、甲基(－CH3)、羧（suo）基(－COOH)、醚基(－0－)等侧链和官能团的缩合稠环芳烃体系。煤中的碳元素则主要集中在稠环中。由于一般情况下，稠环的键结合力强、稳定性好，侧链和官能团之间及其与稠环之间的结合力弱、稳定性差。因此，随着地层下降、压力及温度的增大与升高，侧链和官能团即不断发生断裂与脱落，生成CO2、CH4和H2O等挥发性气体。矿井瓦斯12变质作用过程中有机质分解、脱出甲基侧链和含氧官能团而生CO2、CH4和H2O是煤成气形成的基本反应，煤化作用过程中生成的瓦斯以甲烷为主要组分。在瓦斯产出的同时，芳核进一步缩合，碳元素进一步集中在碳网中。随着变质作用的加深，基本结构单元中缩聚芳核的数目不断增加，到无烟煤时，主要由缩聚芳核所组成。从烟煤到无烟煤，煤的变质作用程度越高，生成的瓦斯量也越多。但是，各个变质阶段生成的气体组分不仅不同，而且数量上也有很大变化。矿井瓦斯13（１）腐植质在煤化作用阶段成气演化的一般模式（２）各煤化阶段甲烷生成量曲线矿井瓦斯14苏联学者B．A．索科洛夫等人给出的腐植型有机煤在变质作用阶段成气的一般模式。从图（１）中可以看出，CH４的生成是个连续相，即在整个变质阶段的各个时期都不断地有CH４生成，只是各阶段生成的数量有较大的波动而已；但是，重烃的生成则是个不连续相。实践表明，这个以人工热演化产生瓦斯为基础的模型与实测的结果在趋势上是一致的。矿井瓦斯15实际上，由于泥炭向褐煤过渡时期生成的甲烷很容易流失掉，所以，目前估算煤层生成甲烷量的多少，一般都是以褐煤作为计算起点。但是，由于自然界的实际煤化过程远比带有许多假设进行的理论计算复杂。在煤和石油共生矿区，有时煤层瓦斯同油气田的瓦斯侵入有关。例如，四川中梁山煤矿10号煤层的瓦斯，与底板石灰岩溶洞中的瓦斯有关；而陕西铜川矿务局焦坪煤矿井下的瓦斯，又与顶底板砂岩含油层的瓦斯有关。一般来说，世界各国煤田中所含瓦斯均以CH4为主，在某些煤层中还含有C2H6、C3H8等重烃气体及C02等其他气体。矿井瓦斯16（四）影响瓦斯生成的因素由于煤层中的瓦斯主要是煤化变质作用的产物，所以煤中瓦斯生成量的多少和煤岩组分、煤的变质程度及其变质分带有一定的关系。煤岩组分煤是一种固体可燃有机岩，其岩石组成比较复杂。煤岩组分是组成煤的基本单元，可分成镜质组、丝质组和壳质组。从煤岩学角度看，煤层瓦斯的生成取决于成煤作用和煤岩组分。在同一变质阶段，相对丝质组而言，镜质组碳含量少、氢含量多，挥发分产率高，瓦斯生成量大，植物结构保存程度低。壳质组在整个成煤过程中都产生瓦斯，其挥发分产率和瓦斯生成量最高；但是，它在煤中所占比例很少，作用不大。矿井瓦斯17煤的变质程度及其变质分带在煤化变质作用过程中，瓦斯不断地产生，而煤层瓦斯的伴生量直接依赖于煤化变质程度，故煤的变质程度越高，产生的瓦斯量就越多。我国的聚煤期多，煤炭储量丰富，煤种繁多，变质分带明显，在一定程度上影响着煤层瓦斯的生成。目前，从地质时代上看，煤变质总的规律表现为：晚古生代以中、高变质煤占较大比例，尚未发现低变质煤；中生代以中、低变质煤为主，并伴随有高变质烟煤以至无烟煤；第三纪不仅有褐煤，而且也有低变质烟煤。从地区上看，大致在北纬380以北，包括东北地区和西北大部分地区，基本上以褐煤和低、中变质烟煤为主；矿井瓦斯18而北纬380以南的华北地区则具有各种变质程度的烟煤和无烟煤；西南地区主要是中、高变质烟煤赋存的地区；而东南地区则以高变质烟煤和无烟煤占优势。这种分布规律与煤矿瓦斯分布有一定的吻合性，其具体表现在西北地区为低、中瓦斯区，华北地区为中瓦斯区，而华南地区则为高瓦斯区；但是，对东北地区而言，情况则比较复杂，一般情况下，在褐煤分布范围内低瓦斯矿井居多，在低、中变质煤分布范围内则多数矿井瓦斯量较大，这种情况的出现还和其他地质条件有一定的关系。矿井瓦斯19二、瓦斯在煤体内存在的状态煤体是一种复杂的多孔性固体，既有成煤胶结过程中产生的原生孔隙，也有成煤后的构造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：1、游离状态（10-20%）2、吸附状态（80-90%）3、吸收状态4、煤体5、空隙矿井瓦斯20三、煤层中瓦斯垂直分带形成原因：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。四带：CO2-N2带、N2带、N2—CH4带、CH4带。瓦斯成分%名称气带成因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矿井瓦斯21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）矿井瓦斯22四、影响煤层瓦斯含量及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：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。矿井瓦斯23影响煤层瓦斯含量主要因素：P271、煤层的埋藏深度－埋藏深度的增加不仅地应力增高而使煤层和围岩的透气性降低，而且瓦斯向地表运移的距离增大，这两者的变化均朝着有利于封存瓦斯，而不利于放散瓦斯的方向发展。2、煤层和围岩透气性－煤系地层岩性组合及其透气性对煤层瓦斯含量有很大的影响。透气性大，瓦斯流失；透气性小，如泥岩、完整石灰岩，瓦斯散发不出去，瓦斯含量高。屏障层、透气层、半屏障层。3、煤层倾角－同一埋藏深度及条件相同的情况下，煤层倾角越小，瓦斯沿层运移的路径长，阻力大，瓦斯不易流失，导致瓦斯含量大；反之，瓦斯含量小。矿井瓦斯244、煤层露头－煤层露头是瓦斯向地面排放的出口，因此，露头存在时间越长，瓦斯排放越多，地表无露头的煤层，瓦斯含量较高，一般为背斜构造。5、煤的变质程度－煤是天然的吸附体煤的吸附程度越高，其存储瓦斯的能力越强。6、煤系地层的地质史－成煤有机物沉积以后直到现今煤化阶段，经历了漫长的地质年代，其间地层多次下降或上升，覆盖层加厚或剥蚀、陆相-海相会交替变化，可能会遭受地质构造运动破坏等，所以有这些地质过程及其延续时间的长短，都对煤层瓦斯含量的大小有巨大的影响。矿井瓦斯257、地史演化过程中的风化、剥蚀程度－封闭性的含煤地层沉积后，后期抬升的幅度和剥蚀程度对煤层瓦斯的赋存也有较大的影响。8、地质构造－封闭性的背斜或穹隆，储存瓦斯，瓦斯含量大，开放性的断层，瓦斯小。9、水文地质条件－有水流，带走部分溶解的瓦斯；水流通道，形成瓦斯通道；使围岩及煤层卸压，透气性增大，瓦斯流失。矿井瓦斯26五、瓦斯带内瓦斯压力变化规律：末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。瓦斯压力