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主要内容2.1矿井瓦斯2.2瓦斯成因2.3瓦斯赋存2.4煤的性质2.5煤层瓦斯运移2.6矿井瓦斯涌出2.7煤与瓦斯突出2.1矿井瓦斯2.1矿井瓦斯1.“瓦斯”词语来源？“瓦斯”音译自日文“ガス（瓦斯）”2.矿井瓦斯是指从煤层及煤层围岩中涌出的，以及在煤矿生产过程中产生的各种气体的统称。矿井瓦斯成分很复杂，其主要成分是甲烷(CH4)，其次是二氧化碳(CO2)和氮气(N2)，还含有少量或微量的重烃类气体、氢（H2）、一氧化碳（CO）、二氧化硫(SO2)、硫化氢(H2S)等。广义：煤矿井下有毒气体的总称。狭义：甲烷2.1矿井瓦斯2.1.1矿井瓦斯来源矿井瓦斯来源煤（岩）层和地下水释放出来的化学及生物化学作用产生的煤炭生产过程中产生的2.1矿井瓦斯2.1.2矿井瓦斯的性质1.物理性质无色、无味、无嗅、可燃烧、窒息、有毒性、微溶于水。密度：0.7168kg/m3；水中溶解度：55.61L/m3(0℃，0.1MPa)33.10L/m3(20℃，0.1MPa)爆炸范围：5%-16%(体积百分比，相当1m3空气33-100g瓦斯)对空气比重：0.5545发热量：35.994MJ/m3扩散系数：0.196cm2/s(0℃，0.1MPa)分子直径：0.41×10-9m2.1矿井瓦斯2.1.2矿井瓦斯的性质性质甲烷二氧化碳一氧化碳硫化氢乙烷氢气CH4CO2COH2SC2H6H2分子量16.0444.0128.0134.0830.072.01密度，kg/m30.71681.981.251.541.360.09对空气的比重0.55451.530.971.171.050.07沸点，0℃，（0.1MPa下）-161.7-78.5-190-61.8-88.3-252.8爆炸下限，%5/12.54.334爆炸上限，%16/74.245.512.574.2发热量，MJ/m335.99/11.8623.564.5311.942.1矿井瓦斯2.1.4瓦斯的危害及用途危害：1.可造成瓦斯窒息事故(43%呼吸短促，57%即刻昏迷)2.可酿成瓦斯燃烧事故(5%或16%存在火源)3.引起瓦斯爆炸事故(5%-16%存在火源)4.产生煤与瓦斯突出事故用途：1.用城镇煤气2.用作锅炉和窑炉燃料3.瓦斯发电4.作为机动车燃料5.用作化工原料和化工产品2.2瓦斯成因2.2.1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50℃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T≤50℃煤化变质作用时期T=50-220℃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。2.2瓦斯成因2.2.2成煤过程中瓦斯生成量煤阶生气量（m3/t）褐煤长焰煤气煤肥煤焦煤瘦煤68168212229270287阶段生气量（m3/t）68100441741172.2瓦斯成因2.2.3煤层瓦斯垂向分带各带气体组分瓦斯在压力和浓度差驱动下进行运移，煤层保存瓦斯量的多少取决于封闭条件(埋藏深度、透气性、地质构造)与贮藏条件(吸附性、孔隙率、含水性、温度、压力等)。瓦斯风化带带名（从上到下）气带成因CO2/%N2/%CH4/%(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0～100～2080～1002.2瓦斯成因从上向下某煤田煤层瓦斯组分在各瓦斯带中的变化AB123401020（m3/t）060（%）N2CH4CH4CO2CO2N2图1-9瓦斯分带A—含量，m3/t；B—占总瓦斯成分的百分比；1—二氧化碳-氮气带；2—氮气带；3—氮气-甲烷带；4—甲烷带氮气-二氮化碳带氮气带氮气-甲烷带甲烷带2.2瓦斯成因2.2.4瓦斯风化带下限(1)煤层中所含瓦斯的CH4成分达80%；(2)煤层瓦斯压力为0.1-0.15MPa；(3)在相同条件下(M和T)，与煤层瓦斯压力相当0.1-0.15MPa的瓦斯含量；气煤X=1.5-2.0m3/t.r；肥煤与瘦煤X=2.0-2.5m3/t.r；瘦煤X=2.5-3.0m3/t.r；贫煤X=3.0-4.0m3/t.r；无烟煤X=5.0-7.0m3/t.r(4)矿井相对瓦斯涌出量为2m3/t。影响因素：煤层赋存地质条件(围岩性质、煤层有无露头、断层发育、煤层倾角、地下水活动等)2.3瓦斯赋存2.3.1瓦斯在煤体内赋存状态1—煤体；2—孔隙；3—吸收瓦斯；4—游离瓦斯；5—吸附瓦斯瓦斯在煤体内存在状态吸附瓦斯80%-90%游离瓦斯10%-20%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。瓦斯分子进入煤体颗粒结构内部，与煤体固体分子相结合。123452.3瓦斯赋存2.3瓦斯赋存2.3.2瓦斯吸附与解吸吸附瓦斯游离瓦斯压力↓温度↑压力↑温度↓(1)吸附瓦斯与游离瓦斯处于动平衡状态；(2)外界压力、温度变化，原平衡破坏；(3)这种瓦斯由吸附状态转化为游离状态的现象，称为解吸；(4)吸附态瓦斯无内能，游离态分子热运动具有内能；(5)煤的解吸瓦斯量：瓦斯压力从平衡状态下过渡到正常标准大气压下，煤体释放的瓦斯量。2.4煤的性质2.4.1煤的孔隙分类微孔：直径10nm,构成煤中吸附容积。可见孔及裂隙，100μm，层流和紊流混合渗透区间。煤中孔隙分类渗透容积：小孔至可见孔孔隙体积之和。总孔隙体积：吸附容积和渗透容积之和。中孔：直径100nm～1μm，缓慢层流渗透区间。大孔：直径1μm～100μm，强烈的层流渗透区间。小孔：直径10nm～100nm，毛细凝结和瓦斯扩散空间。六、煤孔隙结构测定2.4.2煤孔隙的测定压汞法煤显微结构测定：利用注入汞的方法测量孔径分布曲线以及孔容、孔面积、排替压力等参数。其测定范围：37～75000埃。压汞仪是通过对放入其中的样品在一定范围内由小到大逐步施加压力并记录在加压过程中注入样品孔隙中汞的体积得到压力与注入汞体积之间的关系曲线。低温液氮吸附法，该方法能测定煤样微孔及小孔的分布特征和孔隙结构特征，并能给出比表面积。低温氮吸附法能更好地反映孔径小于100nm的孔径分布特征。2.4煤的性质测试仪器：AUTOPOREIV2.4煤的性质2.4.3不同变质程度煤的孔隙分布煤牌号挥发份含量(%)小孔、中孔和大孔(m3/t)微孔(m3/t)最大最小平均最大最小平均长焰煤28～370.0700.0450.0610.0280.0210.023气煤35～400.058＞0.0010.0300.0340.0150.026肥煤28～340.050＞0.0010.0250.0330.0190.026焦煤22～270.039＞0.0010.0190.0380.0210.026瘦煤18～210.036＞0.0010.0160.0330.0220.029贫煤10～170.052＞0.0010.0220.0520.0270.033半无烟煤6～90.054＞0.0010.0230.0560.0330.044无烟煤2～50.076＞0.0010.0290.0520.0490.0552.4煤的性质2.4.4煤的吸附等温线1916年朗格缪尔导出单分子层吸附状态方程——朗格缪尔方程：式中：X——给定温度下，瓦斯压力为P时单位质量固体(纯煤除水分和灰分)表面吸附的气体体积，m3/t或m3/m3；P——煤层平衡的瓦斯压力，MPa；a——吸附常数，试验温度下煤的极限吸附量，m3/t；b——吸附常数，MPa-1。bPabPX＝+12.4煤的性质2.4.5煤的吸附能力主要影响因素储层压力煤的吸附能力主要影响因素煤中水分变质程度温度每升高1℃，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分有关，呈马鞍型变化。温度气体性质dadWXMX31.011+=平衡水2.4煤的性质图1-4两个吸附等温线实例（无水无灰基）a—CO2（26℃）；b—CO2（44℃）；c—CH4（26℃）；d—CH4（44℃）；e—N2（26℃）50403020100abcde403020100abcde10002000300040005000（kPa）01020304050绝对压力（bar）烟煤挥发份27%无烟煤挥发份5%常温常压下吸附量（m3/t）两个吸附等温线实例（无水无灰基）a—CO2（26℃）；b—CO2（44℃）；c—CH4（26℃）；d—CH4（44℃）；e—N2（26℃）2.4煤的性质可燃物Q（ml/g）0510152025图1-5煤的比表面积与吸附瓦斯容量的关系25020015010050煤比表面积S（m2/g）2.4煤的性质2.4.6不同变质程度煤的吸附瓦斯量图2不同变质程度煤的吸附瓦斯量（“T=30℃，P=2MPa）1、2、3一非突出煤；4、5，6一突出煤；1、4一新容量法；2、5一重量法；3、6一旧容量法2.5煤层瓦斯运移2.5.1瓦斯运移保存在煤层中的瓦斯仅占形成瓦斯量的1/10。成煤过程中形成的瓦斯可分如下几个部分：(1)保存煤层中的瓦斯；(2)从煤层中运移出来，保存在围岩中的瓦斯；(3)从煤层中运移出来，溶解于地下水中瓦斯；(4)排放大气中瓦斯。2.5煤层瓦斯运移2.5.2瓦斯运移方式1.渗滤瓦斯沿裂隙、构造破碎带的运移方式。2.扩散由于气体浓度差原因，气体由高浓度向低浓度扩散，达到扩散平衡。2.5煤层瓦斯运移2.5.2瓦斯运移方式2.5煤层瓦斯运移2.5.3煤层瓦斯流动1.原始煤体瓦斯在煤层中以呈压缩状态，煤层瓦斯压力随深度增大而增大，是在漫长的地质年代里，煤层瓦斯由深部向地表流动的结果，但这种煤层瓦斯流动是极其缓慢的，在采矿工程中，研究煤层瓦斯流动时，一般忽略这种缓慢的瓦斯流动。通常认为，在采掘工作或钻孔未影响到的煤层，瓦斯处于平衡状态，不会发生瓦斯流动。2.5煤层瓦斯运移2.采掘影响区由于采掘破坏了原有的瓦斯压力平衡状态，引起瓦斯流动，形成瓦斯流动场。应响影响煤层瓦斯流动的因素很多，诸如煤层赋存条件、瓦斯压力、含量、煤层透气性以及采掘技术条件等等，但主要影响因素为瓦斯压力和煤层透气性，前者是瓦斯流动的动力，后者是瓦斯流动的阻力。2.5煤层瓦斯运移2.5.4煤层瓦斯流动方式1.当孔隙直径为0.1-1μm时，由于孔径大于瓦斯分子的平均自由程0.1μm，瓦斯流动表现为自由扩散或慢速的层流渗透，这时瓦斯流动符合费克或达西定律。2.当孔隙直径为0.1-0.2μm时，瓦斯流动为层流渗透，符合达西定律。3.当孔径或可见裂隙宽度0.2μm时，瓦斯流动表现为层流渗透或层流与紊流的混合过渡流。2.5煤层瓦斯运移2.5.4煤层瓦斯流动方式4.当孔隙直径小于0.1μm时，瓦斯流动属于分子扩散。5.当孔径小于3nm时，会出现瓦斯表面扩散和固体中的扩散。煤层中上述各种瓦斯流动形式是同时存在的，但为了简化煤层瓦斯流动状态，通常用线性渗透规律来描述，即认为煤层中瓦斯流动属层流渗透，即符合达西定律。流体流过孔隙介质时，其流速与流动方向上的压力梯度成正比。2.5煤层瓦斯运移2.5.5瓦斯流动场瓦斯在煤层中由高压区流向低压区，在煤层中即形成一定的流动范围——瓦斯流动场。从时间因素来看：流动类型可分为稳定流动和非稳定流动两种类型，前者流动场不随时间而变化，后者流动场随时间而改变。煤层瓦斯流动属非稳定流动类型。从空间形态来看：瓦斯流动类型分为单向流动、径向流动和球向流动三种类型。2.5煤层瓦斯运移2.5.5瓦斯流动场(一)单向流动单向流动的特点是