矿井瓦斯防治技术与工程实践中国矿业大学课件

矿井瓦斯防治技术与工程实践煤矿瓦斯治理国家工程研究中心副主任中国矿业大学瓦斯防治与利用研究所所长翟成教授主要内容一、瓦斯治理背景二、低透气性煤层卸压增透技术三、高瓦斯突出煤层快速掘进技术四、煤与瓦斯突出危险性预测技术瓦斯是煤的伴生物，是煤矿主要灾害源，也是不可再生资源（1m3瓦斯热值相当于1.13kg汽油，资源总量约36万亿m3，和天然气总量相当）和温室气体(温室效应是CO2的21倍)。我国煤矿瓦斯分布广，瓦斯灾害时有发生。国家瓦斯治理方针规定：高瓦斯矿必须先抽瓦斯后采煤。我国煤矿瓦斯分布及事故情况煤矿瓦斯爆炸事故机电0.0%运输5.5%放炮0.4%水害19.1%火灾3.1%其它4.0%顶板17.2%瓦斯50.7%各类较大事故死亡人数比例图背景及意义矿井瓦斯的含义广义：井下除正常空气的大气成份以外，涌向采矿空间的各种有毒、有害气体总称。狭义：煤矿生产过程中从煤、岩内涌出的，以甲烷为主要成份的混合气体总称。甲烷及其同系物的性质甲烷的化学分子式为CH4。它是无色、无味、无嗅、可以燃烧或爆炸的气体，对人呼吸的影响同氮气相似，可使人窒息。假如，甲烷涌入空气中，冲淡了空气中氧气浓度，当甲烷浓度为43%时，相应的氧气浓度被冲淡到12%，人即刻处于昏迷状态，出现死亡危险。甲烷分子的直径为0.41nm，其密度为0.716kg/m3(标准状况下),为空气密度的0.5547倍(0OC)。它与空气混合形成气团时，该气团较周围气体的密度轻，它将边上浮边扩散。甲烷扩散速度是空气的1.34倍,故它会很快地扩散到巷道各角落，由于它在空气中表现出强扩散性，所以它一经与空气均匀混合，就不会因其比重较空气轻而分离上浮、积聚。当巷道无瓦斯涌出、风速较大呈紊流状态时，巷道内的甲烷浓度呈均匀分布；当有瓦斯涌出、风速较低呈层流状态时，甲烷浓度则呈不均匀分布，涌出处的瓦斯浓度最高，可形成瓦斯积聚云层。巷道顶板的裂隙因卸压而张开，其卸压瓦斯从中涌出，所以经常见到在巷道的顶部瓦斯浓度比较高。Qcm4=5.6L/sQcm4=5.6L/s015m30m15m30m05%1%0.5%CH440%20%5%30%10%1%CH4V=0.5m/sV=2.2m/s(a)(b)巷道风速对顶板瓦斯积聚层影响示意图甲烷微溶于水，在101.3kPa条件下、当温度20℃时，100L水可溶解3.31L甲烷。甲烷是温室气体的一种，一个甲烷分子的增强温室效应大约是一个二氧化碳分子的7.5倍，它在大气中因与羟基(OH)反应而消失的平均寿命约为11年，比CO2的寿命要短得多。贵州“8·6”重大煤与瓦斯突出事故2018年8月6日贵州省梓木戛煤矿110102切眼掘进工作面违规采用顺层钻孔预抽煤巷条带瓦斯作为区域防突措施，瓦斯治理方案制定有缺陷、现场落实有差距，导致煤层突出危险性没有消除，作业过程中扰动煤体，诱发煤与瓦斯突出事故。（1）一是该矿1#煤层为突出煤层，开采范围内煤层坚固性系数为0.2299，采取施工顺层钻孔预抽煤巷条带瓦斯作为区域防突措施，违反《煤矿安全规程》第二百一十条中“煤层坚固性系数小于0.3的煤层，不得将施工顺层钻孔预抽煤巷条带瓦斯作为区域防突措施”的规定。（2）二是该矿没有按照矿井编制的工作面防突设计布置巷帮钻场施工顺层钻孔连续抽放瓦斯，仅在掘进迎头布孔抽放，达不到瓦斯治理效果。贵州“8·6”重大煤与瓦斯突出事故（3）三是瓦斯抽采系统未按评价单元要求安装瓦斯抽采计量装置，无法统计单元瓦斯抽采量，瓦斯抽采效果评价结果不可靠。（4）四是采掘接续严重失调，事故前井下布置7个掘进工作面，没有回采工作面。五是110102切眼掘进工作面防突区域验证测点没有结合本煤层顺层抽采钻孔布置情况进行确定，造成验证结果不可靠。一、掌握国家瓦斯防治政策、提前布局治理措施瓦斯矿井的概念及瓦斯治理政策分析进一步加强煤矿瓦斯防治工作若干意见的通知（国办发26号）关于加快煤层气（煤矿瓦斯）抽采利用的若干意见（国办发47号）关于进一步加强煤矿瓦斯治理工作的指导意见（安委办（2008]17号）防治煤与瓦斯突出规定（国家安全生产监督管理总局令第19号）国有煤矿瓦斯治理规定（国家安全生产监督管理局令第21号）《煤矿瓦斯等级鉴定暂行办法》的通知2011《煤矿瓦斯抽采达标暂行规定》的通知2011煤矿瓦斯防治工作“十条禁令”的通知（安监总煤装182号）关于印发《煤矿瓦斯等级鉴定办法》的通知煤安监技装〔2018〕9号关于有效防范和遏制煤与瓦斯突出事故的通知煤安监技装〔2018〕13号《防治煤与瓦斯突出细则》国家煤矿安监局2019年10月1日…….1、瓦斯抽放相关法令：“十二字方针”2002年8月，国家煤矿安全监察局和中国煤炭协会，为贯彻落实国务院关于安全生产的一系列重要指示和国务院《关于黑龙江省鸡西矿业集团公司“6.20”特大瓦斯事故的通报》精神，召开了全国煤矿瓦斯防治现场会议，在这次会议上作出了向全国煤矿贯彻落实“先抽后采、以风定产、监测监控”瓦斯治理十二字方针的重要决定。“先抽后采”是瓦斯治理的源头治本措施。先抽后采以风定产监测监控.瓦斯抽放相关法令：《煤矿安全规程》《规程》145条。有以下情况之一的矿井，必须建立地面永久抽放瓦斯系统或井下临时抽放瓦斯系统：（一）1个采煤工作面的瓦斯涌出量大于5m³/min或1个掘进工作面瓦斯涌出量大于3m³/min，用通风方法解决瓦斯问题不合理的。（二）矿井绝对涌出量达到以下条件的：1.大于或等于40m³/min；2.年产量1.0~1.5Mt的矿井，大于30m³/min；3.年产量0.6~1.0Mt的矿井，大于25m³/min；4.年产量0.4~0.6Mt的矿井，大于20m³/min；5.年产量小于或等于0.4Mt的矿井，大于15m³/min。（三）开采有煤与瓦斯危险煤层的。《煤矿安全规程》、《矿井瓦斯抽放管理规范》、“十二字方针”等国家政令将瓦斯抽放法制化：高瓦斯高突煤矿抽与不抽瓦斯是守法与违法的问题。2、两政策从严防治煤矿瓦斯2011.10.19，21突出矿井不再“摘帽子”鉴定机构也有一些变化，新办法规定突出矿井的鉴定仍然由安监总局认定的鉴定机构承担，而瓦斯和高瓦斯矿井的鉴定则可以由具备矿井瓦斯等级鉴定能力的煤炭企业或者委托相应资质的鉴定机构承担。突出矿井不再“摘帽子”2223第四条煤矿瓦斯抽采应当坚持“应抽尽抽、多措并举、抽掘采平衡”的原则。第十三条矿井确定开拓和开采布局时，应当充分考虑瓦斯抽采达标需要的工程和时间。煤层群开采的矿井，应当部署抽采采动卸压瓦斯的配套工程。开采保护层时，必须布置对被保护层进行瓦斯抽采的配套工程，确保抽采达标。国家煤矿安全监察局关于开展煤与瓦斯突出矿井安全“会诊”工作的通知煤安监监察〔2018〕29号“会诊”范围1.全国所有正常生产和建设的煤与瓦斯突出矿井。2.符合《煤矿安全规程》第189条规定情形，应当进行煤层突出危险性鉴定而未进行鉴定、鉴定未完成或鉴定为非突出矿井的其他正常生产、建设矿井。国家煤矿安全监察局关于印发《防范煤矿采掘接续紧张暂行办法》的通知煤安监技装〔2018〕23号国家煤矿安监局关于有效防范和遏制煤与瓦斯突出事故的通知煤安监技装〔2018〕13号二、重视基础参数测试、摸清瓦斯赋存规律1、瓦斯含量与瓦斯压力测定的重要性2、煤层瓦斯压力测定方法3、煤层瓦斯含量测定方法4、煤的坚固性系数测定方法5、瓦斯放散初速度测定方法6、其他突出危险性预测参数测定1.相关规定的要求《煤矿安全规程》《防治煤与瓦斯突出规定》《煤与瓦斯突出矿井鉴定规范》（AQ1024-2006）《煤矿瓦斯抽采基本指标》（AQ1026-2006）《煤矿瓦斯抽放规范》（AQ1027-2006）一、瓦斯压力（含量）测定的重要性瓦斯压力（含量）测定的重要性2.瓦斯治理的需要煤矿通风设计矿井瓦斯涌出量预测瓦斯突出防治煤矿井下瓦斯抽采一、3.瓦斯资源开发利用的需要煤矿瓦斯抽采系统设计煤层气商业开发瓦斯（煤层气）利用设计（一）煤层瓦斯压力的基本概念三●煤层瓦斯压力是指煤层孔隙内气体分子自由热运动所产生的作用力，由游离瓦斯形成，即瓦斯作用于孔隙壁的压力。●煤层原始瓦斯压力是指煤层未受采动、瓦斯抽采及人为卸压等影响处的煤层瓦斯压力；煤层残存瓦斯压力是指煤层受采动、瓦斯抽采及人为卸压等影响后残存的瓦斯呈现的压力；煤层瓦斯压力单位为MPa。●煤层瓦斯压力是评价煤层突出危险性与决定煤层瓦斯含量的一个重要指标。三●煤层瓦斯压力的大小取决于煤生成后，煤层瓦斯的排放条件，它除与覆盖层厚度和透气性、煤层透气性及煤地质构造条件有关外，且同覆盖层的含水性密切相关。（二）煤层瓦斯压力的分布规律（二）煤层瓦斯压力的分布规律●赋存在煤层中的瓦斯表现垂向分带特征，一般可以分为瓦斯风化带与甲烷带。●风化带内瓦斯含量与瓦斯压力较小，风化带下部边界条件中瓦斯压力为0.15～0.2MPa；●甲烷带内，煤层的瓦斯压力随深度增加而增加，瓦斯压力梯度随地质条件而异，在地质条件相近的地质块段，相同深度的同一煤层具有大体相同的瓦斯压力，多数煤层瓦斯压力随埋深呈线性增加。（三）煤层瓦斯压力的测定方法三1）按测压方式分类按测压时是否向测压钻孔内注入补偿气体，测定方法可分为主动测压法和被动测压法。2）按封孔方法及材料分类按测压钻孔封孔材料的不同，测定方法可分为黄泥（黏土）封孔法、水泥砂浆封孔法、胶圈封孔器法、胶圈-压力黏液封孔法、胶囊-压力黏液封孔法及聚氨酯泡沫封孔法等；按测压封孔方法的不同，测定方法可分为填料法和封孔器法两类，其中根据封孔器的结构特点，封孔器分为胶圈、胶囊和胶圈-黏液等几种方法。测定方法的分类（三）煤层瓦斯压力的测定方法三填料封孔法（黄泥、黏土封孔）井下直接测定法填料法封孔的优点是不需要特殊装置，密封长度大，密封质量可靠。缺点是人工封孔长度短，费时费力（三）煤层瓦斯压力的测定方法三注浆封孔测压法井下直接测定法注浆封孔测压法是目前应用最广泛的一种封孔方法，适应于井下各种情况下的封孔。注浆泵一般采用柱塞注浆泵，封孔材料一般采用膨胀不收缩水泥浆（一般由膨胀剂、水泥和水按一定比例制成），测压管一般采用铜管、高压软管或无缝钢管。（三）煤层瓦斯压力的测定方法封孔器封孔井下直接测定法胶圈封孔器优点：简单易行，封孔器可重复使用；缺点是封孔深度小，且要求封孔段岩石必须致密、完整。（三）煤层瓦斯压力的测定方法封孔器封孔井下直接测定法胶圈—压力黏液封孔器优点：一是增大了封孔段的长度；二是压力黏液可渗入封孔段岩（煤）体的裂隙，增大了密封效果。（三）煤层瓦斯压力的测定方法封孔器封孔井下直接测定法胶囊—压力黏液封孔器胶圈—压力黏液封孔装置基础上，中国矿业大学又研制成功了胶囊—黏液封孔器，其封孔原理类似于胶圈黏液封孔器，所不同的是胶囊代替了胶圈，由于胶囊的弹性大，与孔壁可全面紧密接触，密封黏液的性能优于胶圈，不仅适用于封岩石钻孔，而且也能封较硬煤层中的煤孔。（三）煤层瓦斯压力的测定方法测压地点的选择原则测定地点应优先选择在石门或岩巷中，选择岩性致密的地点，且无断层、裂隙等地质构造处布置测点，其瓦斯赋存状况要具有代表性。测压钻孔应避开含水层、溶洞，并保证测压钻孔与其距离不小于50m。对于测定煤层原始瓦斯压力的测压钻孔应避开采动、瓦斯抽采及其他人为卸压影响范围，并保证测压钻孔与其距离不小于50m。对于需要测定煤层残余瓦斯压力的测压钻孔，则根据测压目的的要求进行测压地点的选择。（三）煤层瓦斯压力的测定方法测压地点的选择原则选择测压地点应保证测压钻孔有足够的封孔深度（穿层测压钻孔的见煤点或顺层测压钻孔的测压室应位于巷道的卸压圈之外），并需保证15m以上的岩柱长度。采用注浆封孔的上向测压钻孔倾角应不小于5°。同一地点应设置两个测压钻孔，其终孔见煤点或测压气室应在相互影响范围外，原则上测压孔距离外应不小于20m。瓦斯压力测定地点宜选择在进风系统，行人少且便于安设保护栅栏的地方。（三）煤层瓦斯压力的预测方法安全线法煤层瓦斯压力预测方法对生产过程中测