矿井瓦斯防治讲义1

矿井瓦斯防治编著：蔡成功河南理工大学安全学院二○○六年九月1第一章煤层瓦斯的赋存与含量1.1矿井瓦斯的概念与性质1)矿井瓦斯的概念广义的矿井瓦斯是指井下有害气体的总称。狭义的矿井瓦斯是指甲烷。一般矿井瓦斯包括三类来源：⑴是在煤层与围岩内赋存并能涌入到矿井的气体；⑵矿井生产过程中生成的气体，例如放炮时产生的炮烟，内燃机运行时排放的废气，充电过程生成的氢气等；⑶井下空气与煤、岩、矿物、支架和其它材科之间的化学或生物化学反应生成的气体等。2)甲烷的性质甲烷是无色、无味、无嗅、可以燃烧或爆炸的气体。它对人呼吸的影响同氮相似，可使人窒息。甲烷分子直径0.3758×10-9m，其扩散速度是空气的1.34倍，它会很快地扩散到巷道空间。甲烷的密度为0.716kg／ml(标准状况下)，比重为0.554倍。甲烷化学性质不活泼，微溶于水。⑴燃烧性.⑵爆炸性.⑶窒息性：由于甲烷的存在冲淡了空气中的氧气，当甲烷浓度为43％时，空气中相应的氧浓度即降到12％，人感到呼吸非常短促；当甲烷浓度在空气中达57％时，相应的氧浓度被冲淡到9％，人即刻处于昏迷状态，有死亡危险。3)矿井瓦斯的性质⑴燃烧性：甲烷、重烃、氢气。⑵爆炸性：甲烷、氢气。⑶窒息性：甲烷、二氧化碳、氮气。由于甲烷的存在冲淡了空气中的氧气，当甲烷浓度为43％时，空气中相应的氧浓度即降到12％，人感到呼吸非常短促；当甲烷浓度在空气中达57％时，相应的氧浓度被冲淡到9％，人即刻处于昏迷状态，有死亡危险。⑷有毒性：一氧化碳、硫化氢、二氧化硫、二氧化氮。4)甲烷在巷道断面内的分布甲烷在巷道断面内的分布取决于该巷有无瓦斯涌出源。在自然条件下，由于甲烷在空气中表现强扩散性，所以它一经与空气均匀混合，就不会因其比重较空气轻而上浮、聚积，所以当无瓦斯涌出时，巷道断面内甲烷的浓度是均匀分布的；当有瓦斯涌出时，甲烷浓度则呈不均匀分布。在有瓦斯涌出的侧壁附近甲烷的浓度高，有时见到在巷道顶板、冒落区顶部积存瓦斯，这并不是由于甲烷的密度比空气小，而是说明这里的顶部有瓦斯(源)在涌出。作业题1什么是矿井瓦斯?2试述瓦斯的主要物理及化学性质。了解这些性质对于预防处理瓦斯危害有何意义?1.2煤层瓦斯的生成煤矿井下的瓦斯来自煤层和煤系地层，它主要是腐植型有机物质在成煤过程中生成的。有机物质沉积以后，一般经历两个不同的造气时期：从植物遗体到形成泥炭，属于生物化学造气时期；从褐煤、烟煤直到无烟煤属于煤化变质作用造气时期。瓦斯生成量的多少取决于原始母质的组成和煤化作用所处的阶段。1)生物化学作用时期瓦斯的生成2泥炭阶段的腐植体，处于生物化学作用时期。在温度不超过50℃低温条件下，经厌氧微生物作用发酵分解成瓦斯和二氧化碳。OHOHCCOCHOHC2692451063874隔绝空气在沼泽、三角洲等水下生成的瓦斯，能够比较顺利地扩散到古大气中去，或者溶于水中，然后被水带到地表。在泥炭时期，泥炭的埋深一般不大，其覆盖层的胶结固化也不好，生成的瓦斯通过渗滤和扩散容易排放到大气中，因此，生物化学作用产生的瓦斯一般不会保留在煤层内。随着泥炭层的下沉，覆盖层的厚度越来越大，压力与温度随之增高，厌氧微生物的生存环境恶化，生物化学活动逐渐减弱直至停止。在稍高的压力与温度作用下，泥炭化的木质素与纤维素便转化成为褐煤。2)煤化变质作用时期瓦斯的生成褐煤层进一步沉降，压力与温度的影响随之加剧，煤化变质作用增强。一般认为温度在50～220℃和相应的压力下煤层处于烟煤－无烟煤热力变质造气时期。在这一时期，煤的变质程度越高，其生成的瓦斯量也就越多。苏联B·A·乌斯别斯基根据地球化学与煤化作用过程反应物与生成物平衡原理，计算出各煤化阶段的煤生成的甲烷量，如表1-1示。表1-1成煤过程中瓦斯生成量煤阶褐煤长焰煤气煤肥煤焦煤瘦煤贫煤无烟煤生气量（m3/t）68168212229270287333419阶段生气量（m3/t）1004417411746861.3煤层瓦斯赋存的垂向分带当煤层具有露头或在冲积层之下有含煤盆地时，由于煤层内的瓦斯向地表运移和地面空气向煤层深部渗透、扩散，其结果是煤层沿垂向一般会出现四个分带：即“CO2－N2”、“N2”、“N2－CH4”、和“CH4”带。各带的气体成分组成如表1-2示。“CO2－N2”、“N2”、“N2－CH4”三带统称为瓦斯风化带。表1-2煤层瓦斯垂向分带各带气体组分带名（从上往下）气带成因CO2N2CH4%(按体积)m3/t煤%(按体积)m3/t煤%(按体积)m3/t煤CO2-N2空气～生化成因20～800.19～2.2420～800.15～1.420～100～0.16N2空气成因0～200～0.2780～1000.22～1.860～200～0.22N2-CH4变质成因0～200～0.3920～800.25～1.7820～800.06～5.27CH4变质成因0～100～0.370～200～1.9380～1000.61～10.51)瓦斯风化带瓦斯风化带的深度视地质条件而异，我国一些矿井的瓦斯风化带深度见表2－2。“CH4”带称为瓦斯带，该带内气体组分的特点是，CH4的浓度超过80%；瓦斯含量的赋存特点是，随埋深增加而有规律的增长，但是增长的梯度因地质条件而定。瓦斯带的上界可按以下条件确定：瓦斯压力p=0.1～0.15MPa;3瓦斯组分CH4≥80%（体积百分数）；相对瓦斯涌出量q=2～3m3/t煤。煤层瓦斯含量（x）（煤芯中的甲烷含量）：长焰煤x=1.0～1.5m3/t可燃物气煤；x=1.5～2.0m3/t可燃物肥煤与焦煤x=2.0～2.5m3/t可燃物；瘦煤x=2.5～3.0m3/t可燃物；贫煤x=3.0～4.0m3/t可燃物无烟煤x=5.0～7.0m3/t可燃物2)甲烷带位子瓦斯风化带下边界以下的甲烷带，煤层的瓦斯压力、瓦斯含量随埋藏深度的增加呈有规律的增长。增长的梯度，在不同煤质(煤化程度)、不同地质构造与赋存条件有所不同。相对瓦斯涌出量也随开采深度的增加而有规律地增加。从甲烷带内其一深度起，某些矿井除一般瓦斯涌出外还出现了特殊瓦斯涌出：瓦斯喷出与煤和瓦斯突出。因此，在甲烷带内的矿井或区域，不仅在风量不足和停风时有窒息危险(CH4)及瓦斯爆炸危险，而且在正常通风条件下，当出现特殊瓦斯涌出现象时，也可能发生窒息、爆炸及煤流埋人等事故。因此，只有掌握矿井瓦斯的赋存与运动规律，采取相应的措施，才能预防－般和特殊瓦斯涌出。1.4煤的孔隙特征1)煤中孔隙的分类微孔：直径10-5mm,构成煤中吸附容积。小孔：直径10-5mm～10-4mm，毛细凝结和瓦斯扩散空间。中孔：直径10-4mm～10-3mm，缓慢层流渗透区间。大孔：直径10-3mm～10-1mm，强烈的层流渗透区间。可见孔及裂隙，10-1mm，层流和紊流混合渗透区间。并决定了煤的宏观(硬和中硬煤)破坏面。一般，把小孔至可见孔的孔隙体积之和称为渗透容积，把吸附容积与渗透容积之和称为总孔隙体积；煤的总孔隙体积占相应煤的体积的百分比称为煤的孔隙率，以％表示。2)煤孔隙与表面积煤是孔隙体，其中含有大量的表面积，据苏联矿业研究所的资料各种直径的表面积同其容积有表l－5所示的关系。从中可知微微孔和微孔孔隙体积还不到微微孔至中孔孔隙体积的55％，而其孔隙表面积却占整个表面积的97％以上。3)煤孔隙特性的主要影响因素煤的孔隙特性与煤化程度、地质破坏程度和地应力性质及其大小等因素密切相关。(1)孔隙率与煤化程度的关系：随着煤化程度的加深，煤的总孔隙体积逐渐减少，到焦煤、瘦煤时达到最低值，而后随煤化程度的加深，总孔隙体积又逐渐增加，至无烟煤时达到最大值。然而，煤中的微孔隙积随着煤化程度的增加是一直增长的。(2)孔隙率与煤的破坏程度的关系。煤的破坏越严重，其渗透容积越高，即孔隙率越大。(3)孔隙率与地应力的关系：压应力可使渗透容积缩小，压应力越高，渗透容积缩小越多，即孔隙率减小越多；张应力可使裂隙张开，使渗透容积增大，张应力越高，渗透容积增长越多，即孔隙率增加越多。卸压(地应力减小)作用可使煤(岩)的渗透容积增大，即孔隙率增高；增压(地应力增高)作用可使煤(岩)受到压缩，渗透容积减小，即孔隙率降低。41.5煤的吸附性能由于气体分子与固体表面分子之间的相互作用，气体分子暂时停留在固体表面上的现象称为气体分子在固体表面上的吸附。煤是一种天然的吸附剂，具有良好的吸附件能。煤对瓦斯的吸附属于物理吸附，即瓦斯分子煤分子之间的作用力是范德华引力。当与体分子碰到煤表面时，其中一部分就被吸附，并释放出吸附热；在被吸附的分子中，当其热运动的动能足以克服吸附引力场的位垒时可重新回到气相，这时要吸收解吸热，这一现象称为解吸，吸附与解吸是可逆的。1)影响吸附量的主要因素气体在每克煤中的吸附量主要取决于气体的性质、表面性质(比表面积与化学组成)、吸附平衡的温度及共瓦斯压力和煤中水分等。①瓦斯压力的影响：在结给定温度下，吸附瓦斯含量与瓦斯压力的关系呈双曲线变化。②温度的影响：温度每升高l℃，吸附瓦斯的能力降低约8％。③瓦斯性质的影响：对于指定的煤，在给定的温度与瓦斯压力下，CO2的吸附量比CH4高，而CH4的吸附量又比N2高。④煤化变质程度的影响：煤的煤化程度反映其比表面积大小与化学组成，一般讲，从挥发分为20一26％之间的煤到无烟煤，相应的吸附量呈快速地增加。⑤煤中水分的影响：水分的增加使煤的吸附能力降低，可用艾琴格尔的经验式来确定煤内水分对其甲烷吸附量的影响。2)朗格缪儿方程1916年朗格缪儿导出了单分子层吸附(固体表面上吸附的气体只有一分子直径的厚度)状态方程，一般说来，气体在临界温度以上，在非反应的固体表面上常常发生单分子层吸附。bpabpx11.6煤层内的瓦斯压力1)瓦斯压力的定义与意义煤层瓦斯压力是煤层孔隙内气体分子自由热运动撞击所产生的作用力，它在某一点上各向大小相等，方向与孔隙壁垂直。煤层瓦斯压力是决定煤层瓦斯含量多少、瓦斯流动动力高低以及瓦斯动力现象的潜能大小的基本参数。2)煤层瓦斯压力分布的一般规律根据国内外在瓦斯煤层大量的测定结果，在甲烷带内，煤层的瓦斯压力随深度的增加而增加，多数煤层呈线性增加，瓦斯压力梯度随地质条件而异，在地质条件相近的块段内相同深度的同一煤层具有大体相同的瓦斯压力，如此，可以按下式预测深部煤层的瓦斯压力。12120011)()(HHPPgPHHgPPHHgPppp式中：P－－预测的甲烷带内深H（m）处的瓦斯压力，MPa，gp－－瓦斯压力梯度，MPa/m；P1、P2－－甲烷带内深度为Hl、H2（m）处的瓦斯压力，Mpa；P0－－甲烷带上部边界处瓦斯压力,取0.2MPa；H0－－甲烷带上部边界深度，m。51.7煤层瓦斯含量1)煤层瓦斯含量煤层瓦斯含量是单位质量煤中所含的瓦斯体积(换算为标准状态)量，单位是m3/t或mL／g。煤层瓦斯含量也可用单位质量纯煤(去掉煤中水分和灰分)的瓦斯体积表示，单位是m3／t·燃。煤层未受采动影响时的瓦斯含量称为原始(或天然)瓦斯含量，如煤层受采动影响，已部分排放瓦斯，则剩余在煤层中的瓦斯量称为残存瓦斯含量。煤层围岩中有时也含有瓦斯，单位质量(或体积)岩石中所含的瓦斯体积称为岩层瓦斯含量。煤的瓦斯容量指在一定瓦斯压力、温度、水分和孔隙率条件下，煤中所含有的瓦斯量。煤的瓦斯容量是根据试验室测出的煤的吸附瓦斯等温线和孔隙率，计算确定的。如瓦斯压力、温度和水分等试验条件与煤层相同，则计算得出的瓦斯容量即为煤层的瓦斯含量。kpMMAbpabpXadadad1031.0111001001＝式中x－－煤层瓦斯含量，m3/t；a－－吸附常数，试验温度下的极限吸附量，m3／t；b－－吸附常数，MPa-1；p－－煤层瓦斯压力，MPa；Aad－煤的灰分，％；Mad－－煤的水份，％；k－－煤的孔隙体积，m3／m3；r－－煤的密度，t／m3。2)影响煤层瓦斯含量的因素在成煤过程中每形成1t煤所生成的瓦斯量理论上约为100－400m3，但国内外大量实测资料表明，现今的煤层原始瓦斯含量一般最大不超过30－