矿井瓦斯防治(吴兵)

矿井瓦斯防治全国煤矿安全培训中国矿业大学（北京）吴兵主要内容1.基础理论和知识2.瓦斯爆炸发生的机理和事故的原因3.煤与瓦斯突出防治4.瓦斯抽放的主要方法1.基础理论和知识1.1瓦斯的性质–概念：“井下以甲烷（CH4）为主的有毒、有害气体的总称，有时单独指甲烷”。–来源：主要来源于煤层及围岩内涌出到矿井中的气体。此外，矿井生产中产生的气体如放炮产生的炮烟等，井下空气与煤、岩、矿用材料等反应生成的气体以及井下人员呼吸生成的气体也是矿井瓦斯的重要来源。–无色、无味、无嗅的气体，标准状态下密度0.716kg/m3，为空气密度的0.554倍，无风时会首先积聚在巷道上部。1.1瓦斯的性质瓦斯在空气中具有较强的扩散性，局部地点较高浓度的瓦斯会自动向低浓度的区域扩散。扩散过程是不可逆的，即瓦斯与空气一经混合，就很难分离。井下瓦斯浓度的不均匀分布是由于涌出源不均匀和风流流动不均匀造成的。涌出的瓦斯会挤占空间，使空气中氧气浓度下降，从而具有窒息性。当混合气体中瓦斯的浓度达到43％时，氧的浓度降低到12%，人在此环境下会感到呼吸短促，时间稍长就会昏迷并有死亡危险。1.1瓦斯的性质瓦斯是一种可燃性气体，按瓦斯在空气中发生燃烧的性状不同，可以将它分为三个区间：①助燃区间：浓度小于爆炸下限，不能形成持续的火焰，只能起到助燃的作用。②爆炸区间：遇一定能量的点火源会形成可自动加速的燃烧锋面，从而形成强烈的爆炸。③扩散燃烧区：浓度大于爆炸上限。该区域内瓦斯空气的混合气体无法直接被点燃，但当其与新鲜空气混合时，可以在混合界面上被点燃并形成稳定的火焰。1.2瓦斯的存在－煤矿井下存在于煤层和空气中。一、煤层中的瓦斯–煤是多孔介质，瓦斯可以赋存在其中；–瓦斯在一定的压力下以游离和吸附两种状态赋存在煤体中；–游离瓦斯存在于煤的孔隙和裂隙中，吸附瓦斯积聚在孔隙壁面上，游离瓦斯和吸附瓦斯处于动态平衡状态。–煤体中大量的孔隙对瓦斯具有很强的吸附能力，在一些高瓦斯含量的煤层中，煤中含有的瓦斯体积可以达到煤本身体积的30～40倍。煤层中的瓦斯煤吸附瓦斯的特性可以用煤在某一固定温度下吸附瓦斯量随瓦斯压力变化的曲线表示，该曲线称为吸附等温线，符合朗格缪尔方程：煤矿开采过程中，游离的瓦斯首先放散到开采空间，使邻近煤层中瓦斯压力降低、游离瓦斯量减少，这时，煤中吸附的瓦斯就解析出来，成为新的游离态瓦斯。这一过程不断重复，从而使煤层中的瓦斯源源不断地涌出到开采空间。bpabpX10煤层中的瓦斯带状分布：赋存在煤层中的瓦斯通过煤层、围岩的裂隙和断层向地表运动，而地表的空气及其它化学作用生成的气体由地表向煤层中运动，由此形成煤层中各种气体成分由浅到深有规律地变化，即所谓的煤层瓦斯沿深度的带状分布。按深度自上而下分为4个带，即：氮气－二氧化碳带、氮气带、氮气－甲烷带和甲烷带。在甲烷带中CH4的含量达80%，因此，可将瓦斯带的前三带统称为瓦斯风化带。确定瓦斯风化带的下部边界对预测煤层瓦斯含量具有十分重要的意义。瓦斯风化带内相对瓦斯涌出量一般不超过2m3/t，瓦斯对生产不构成主要威胁。煤层中的瓦斯－带状分布顿巴斯煤田煤层瓦斯组分在各瓦斯带中的变化Ⅰ－氮气－二氧化碳带；Ⅱ－氮气带；Ⅲ－氮气－甲烷带；Ⅳ－甲烷带煤层瓦斯含量煤层瓦斯含量是指单位质量或体积的煤中所含有的瓦斯量，单位m3/t或m3/m3。伴随着煤的生成而生成的瓦斯以吸附和游离两种形态赋存在煤体内，在煤层形成及其后漫长的地质运动过程中，大部分生成的瓦斯都散失到大气中。当前煤层瓦斯的含量取决于煤层瓦斯运移的条件和保存瓦斯的能力。主要与下列因素有关：煤层瓦斯含量－影响因素1．煤田地质史2．地质构造：封闭型的地质构造有利于瓦斯的存储，而开放型的构造有利于于瓦斯排放。3．煤层的赋存条件4．煤的变质程度5．煤层围岩的性质6.水文地质条件二、空气中瓦斯煤层及围岩中的瓦斯涌出到井下空气中，构成了井下空气中的瓦斯。瓦斯在井下空气中存在的状态与空气的运动状态密切相关。空气的运动状态有三种，即：静止状态、层流状态和紊流状态。判断方法－雷诺数Re：v－风流的流动速度，m/s；d－管道的直径，m，ν－空气的运动粘性系数，取1.5×10-5。–当Re≤2320时，风流处于层流状态。例如：断面积为9m2的梯形巷道中风流的速度≤0.012m/s，风量≤6.5m3/min时为层流。vdRe二、空气中瓦斯－静止瓦斯在静止的空气中主要表现为扩散运动和浮力。无风或封闭的巷道中风流静止，瓦斯的分布是不均匀的。靠近煤壁等瓦斯涌出源附近，瓦斯的浓度比较高，且首先在顶部积聚。经过了一段较长的时间后，瓦斯浓度才能达到基本均匀。进行这些区域的瓦斯浓度测量时（如瓦斯排放工作前），必须注意测定的位置，应该尽量能靠近工作面附近的高浓度区域或多点取样测量，以获得区域内的平均浓度。如果仅仅在密闭墙后测定，由于受到漏风及瓦斯分布不均匀的影响，往往难以获得准确数据。二、空气中瓦斯－层流流体质点沿着与管道轴向平行的方向作直线运动，互相之间并不混杂，层次分明的流动。井下采空区深部及漏风量较小的封闭区域内可能出现层流。瓦斯涌出到层流风流中时，一方面随着风流分层流向下风侧，另一方面，由于层间瓦斯浓度不同，瓦斯会向浓度较低的层扩散，通常形成瓦斯成层流动的现象。二、空气中瓦斯－紊流流体质点流动速度的大小和方向都随时发生变化，且质点间相互混杂的流动。在煤矿井下的几乎所有通风巷道中，风流总是处于紊流状态。瓦斯涌出到紊流风流中时，由于紊流流动的强烈掺混作用，高浓度的瓦斯在很短的距离内就与风流混合均匀。紊流风流中测量获得的瓦斯浓度分布，反映出瓦斯涌出源分布和风流流动路线的状况。二、空气中瓦斯－紊流例如某掘进工作面放炮后瓦斯的分布如上图所示，瓦斯浓度分布不均匀。这时由于工作面采用压入式风筒供风，风流不稳定，流动路线不均匀，瓦斯涌出源也不均匀造成的。在距离工作面20m的巷道范围内大致可分为三个区段，分别为风流折反段、不稳定段和较稳定段。1.3瓦斯的运动规律由于采动的影响，瓦斯在其压力作用下会涌出到开采空间。这一过程由两个连续的步骤组成，即瓦斯在煤层中的运移和瓦斯从围岩、煤壁的涌出。矿井瓦斯涌出除包括围岩、煤壁涌出瓦斯外，还包括采落煤炭放散瓦斯和采空区涌出瓦斯等。涌出到开采空间的瓦斯随通风风流安全、稳定地排出地面，这一运动过程是矿井通风研究的内容。一、煤层中的瓦斯流动以承压状态赋存在煤层中的瓦斯，当回采、掘进、打钻等工作破坏了煤层中原有的压力平衡后，瓦斯便会由高压向低压流动。这种流动是一个复杂的过程，它与介质的结构和瓦斯的赋存特性密切相关，主要由扩散运动和渗流运动构成。在尺寸较大的裂隙系统中，瓦斯属于渗流流动，而在孔隙结构的微孔中，则是扩散运动。一、煤层中的瓦斯流动1．扩散运动分子自由运动使得物质由高浓度区域向低浓度区域运移的过程称为扩散运动，扩散运动的速度与该物质的浓度梯度成正比。瓦斯的扩散运动符合扩散规律，即菲克（Fick）定律：lCDJ一、煤层中的瓦斯流动2．渗流瓦斯在较大的孔隙和裂隙中的流动属于渗流流动，通常用线性层流渗流来描述瓦斯在煤层中的运移规律，即符合达西定律：lpKV一、煤层中的瓦斯流动决定煤层瓦斯流动速度的因素除了瓦斯压力梯度外，还有一个重要因素就是煤层的渗透率。该值反映了煤层中孔隙和裂隙的状况，对煤体受到的应力非常敏感。这是因为在外力的作用下，煤体中的孔隙和裂隙发生闭合，从而会大大减小煤层的渗透性。此外，煤体吸附瓦斯后，强度降低，塑性增加，加剧了对应力的敏感程度。煤层的渗透率通常使用煤层透气性系数来衡量，其物理意义是：在1m3煤体的两侧作用压力平方差为1MPa2的瓦斯时，通过1m长度的煤，在1m2煤面上每天流过的瓦斯量（t℃，标准大气压力），单位m3/(MPa2·d)，相当于煤层的渗透率为2.5×10-17m2。一、煤层中的瓦斯流动流动的形态：1．单向流动2．径向流动3．球向流动一、煤层中的瓦斯流动煤层中的瓦斯流动是动态变化的，包括流速、压力分布等参数都随时间而变化。在煤层中开掘的巷道或打的钻孔对其周围瓦斯场的影响也有一定范围的限制。如图所示的一个实测例子可以看出，掘进工作面煤壁暴露的初期，煤层瓦斯含量下降迅速，瓦斯流速快，但影响范围小；经过一定时间后（15d），流场趋于稳定；150d后，基本上稳定不变，巷道开掘对煤层瓦斯的影响范围也大致稳定为煤壁内10m。一、煤层中的瓦斯流动煤层内瓦斯流动的稳定性1－成面后几小时；2－4d；3－10d；4－15d；5－55d；6－150d二、矿井瓦斯涌出按瓦斯涌出的形式可以分为普通涌出和特殊涌出（或一般涌出和异常涌出）。普通涌出是指在时间与空间上比较均匀、普遍发生的不间断涌出，它是矿井正常状态下的涌出。特殊涌出是指在时间与空间上突然、集中发生的涌出，涌出速率很不均匀，如瓦斯喷出、煤与瓦斯突出。矿井瓦斯涌出按其来源可分为三个方面，即：煤壁涌出的瓦斯、邻近煤层通过裂隙涌出的瓦斯及采落煤炭放散的瓦斯。针对具体矿井分析确定各涌出源的大小比例，对矿井瓦斯防治具有十分重要的意义。二、矿井瓦斯涌出1)煤壁瓦斯涌出–煤壁瓦斯涌出速率（单位面积、单位时间内瓦斯的涌出量）同煤层中瓦斯流速一样，与采煤的工序和煤壁暴露的时间密切相关。瓦斯涌出量是其涌出速率对开采面积和一定时间的累计。–煤壁瓦斯涌出的速率随时间衰减的很快，可以用下列经验公式表示：––qB－经过1+t时间后煤壁瓦斯涌出速率，L/min·m2；–q0－t=0时刻煤壁瓦斯涌出速率，L/min·m2；–t－煤壁暴露的时间，min；a－衰减系数。aBtqq)1(0二、矿井瓦斯涌出煤壁瓦斯涌出速率实例二、矿井瓦斯涌出上图是阳泉局对其开采的3号、12号和8号煤层实测的结果，由图可见，煤壁瓦斯涌出的速率在煤壁暴露2h后已基本趋于稳定，下降的速度是很快的。煤壁瓦斯涌出速率的快速变化使得开采过程中工作面瓦斯涌出量不平衡，对矿井瓦斯灾害的防治也提出了更高的要求。局部区域、短时间的瓦斯超限虽然对矿井的瓦斯涌出量影响很小，但是，如果该区域、该时刻存在点火源，就会发生瓦斯爆炸，造成巨大的伤亡和破坏。二、矿井瓦斯涌出A)采煤工作面煤壁瓦斯涌出–涌出是不均匀的，不同的回采工艺，瓦斯涌出量的变化也不同。–如下图所示为红卫煤矿某煤层分别采用放炮落煤和刨煤机落煤时的瓦斯涌出情况和风流中的瓦斯浓度变化。–由图可见，放炮法开采瓦斯涌出量变化剧烈，在放顶和放炮工序时出现峰值30～32m3/min，延续的时间分别达3h和1h，其值为采煤工序的3.6～3.8倍，为整修工序的15～16倍，对安全生产的威胁很大。刨煤机工作时瓦斯浓度直线升高，整修工作时又逐渐下降，第二循环与第一循环类似，与放炮法相比刨煤机工作面瓦斯涌出量的变化要小的多。二、矿井瓦斯涌出二、矿井瓦斯涌出B)掘进工作面瓦斯涌出–掘进巷道的瓦斯涌出包括三部分，即：巷道煤壁、工作面煤壁和采落煤炭的瓦斯涌出。–以为掘进工作面断面小、落煤量小，瓦斯涌出量也相对较小，因此，瓦斯事故的危险性较小，这种认识是错误的。–绝大多数的掘进工作面使用局部通风机供风，同全负压供风的采煤工作相比稳定性不好，且风量较小，虽然其迎头暴露的煤壁面积较小，都是揭露不久的煤壁，瓦斯涌出量仍很可观，再加上局部通风机管理难度大（停电停风等）、工作面迎头风流较不稳定，因此，形成局部瓦斯积聚的可能性较大。二、矿井瓦斯涌出2)采空区瓦斯涌出–一般情况下，采空区的瓦斯来源于邻近煤层通过顶底板裂隙涌入的瓦斯和采空区遗留煤炭放散的瓦斯。–积存在冒落顶板构成的孔隙介质中的瓦斯，在矿井通风形成的采空区风流流场作用下带入到开采空间，形成所谓的采空区瓦斯涌出。–影响其大小的主要原因有两个方面，即：采空区中储积的瓦斯量和采空区中的风流流场。–采空区中储积的瓦斯不同于煤层中的瓦斯，它本身具有的瓦斯压力很小，如果没有通风流场的作用，则主要依靠扩散作用向工作面通风风流中释放瓦斯，这一过