煤矿瓦斯基础知识

煤矿瓦斯基础知识2内容提要一．认识瓦斯二．煤层瓦斯的成因三．煤层瓦斯分带四．瓦斯赋存形态五．煤层瓦斯基本参数六．矿井瓦斯涌出七．瓦斯爆炸及其防治技术八．瓦斯抽放技术概述九．瓦斯突出防治技术概述3一、认识瓦斯•1.瓦斯的概念广义：狭义：旧称：煤层气：煤层中所含有的气体的总称。CH4、CO2、N2、H2S、SO2、H2、重烃等。专指CH4。沼气（正规场合已经不用了）。同广义的“瓦斯”，常用于煤层气开发利用领域。4一、认识瓦斯•2.瓦斯的性质化学式：CH4分子量：16.042kg/kmol性状：无色、无味、无臭、无毒水溶性：难溶于水气态密度：0.7168kg/m3对空气的比重：0.5545；液态密度：415kg/m3沸点：-161.7℃（0.1MPa）溶点：-182.5℃；扩散系数：0.196cm2/s；水中的溶解度：33.1～55.6l/m3发热量：8568大卡/m3空气中的爆炸下限：5%；空气中的爆炸上限：16%；5一、认识瓦斯•3.瓦斯的主要危害爆炸：5%~16%井下允许的瓦斯浓度：1%。为何要留这么大的安全空间呢？回风流瓦斯浓度，充分混合后的平均值局部瓦斯浓度上隅角、高顶6一、认识瓦斯•3.瓦斯的主要危害7一、认识瓦斯•3.瓦斯的主要危害窒息：井下空气中，瓦斯浓度较高时，氧气含量下降，降至12%以下时，因人缺氧而窒息死亡。燃烧：大于16%。瓦斯燃烧也是高瓦斯矿主要灾害之一。高浓度瓦斯窒息溺水窒息8一、认识瓦斯•3.瓦斯的主要危害突出：煤与瓦斯突出（简称突出）是煤矿井下发生的一种复杂的、有煤（岩）和瓦斯参与的动力现象。发生瓦斯突出时，在几秒至几十秒的时间内将几吨到上万吨的煤和几百立方米到几百万立方米的瓦斯抛射到采掘空间，极易诱发瓦斯窒息和瓦斯爆炸事故，对井下作业人员、通风构筑物和设施具有极大的危害性。9一、认识瓦斯•3.瓦斯的主要危害10二、煤层瓦斯的成因•1.瓦斯的形成煤层瓦斯是腐植型有机物在成煤过程中的伴生产物。煤层瓦斯的生成过程，一般经历两个成气时期：生物化学成气时期变质作用成气时期11二、煤层瓦斯的成因•2.瓦斯的逸散和保存煤层瓦斯含量的大小与成煤时期的瓦斯生成有关；与煤层的覆盖条件有关；与地质变迁有关。12三、煤层瓦斯分带•1.瓦斯分带的特点N2－CO2带N2带N2－CH4带CH4带瓦斯风化带13三、煤层瓦斯分带•2.瓦斯带起始边界的确定按下列指标确定CH4浓度≥80%CH4压力≥0.1~0.15MPaCH4含量1.0~1.5m3/t(长烟煤)2.0~3.0m3/t(气煤)3.0~4.0m3/t(肥、焦煤)4.0~6.0m3/t(瘦、无烟煤)瓦斯涌出量2~3m3/t14三、煤层瓦斯分带•3.瓦斯带中瓦斯赋存的特点煤层瓦斯含量随覆盖层（不包括第四纪冲击层）厚度（埋深）增加而增大。——掌握这一规律，可预测深部未揭露煤层的瓦斯含量的大小。矿井瓦斯涌出量随开采深度增加而增加。掌握这一规律，可以预测深部采区生产时期的矿井瓦斯涌出量大小，为矿井设计提供依据。15三、煤层瓦斯分带•4.瓦斯风化带的影响因素瓦斯风化带深度取决于一系列地质因素的影响含煤地层排放瓦斯时间的长短地层错动程度剥蚀过程覆盖层16三、煤层瓦斯分带•5.瓦斯风化带的范围对不同矿区，煤层瓦斯风化带深度变动很大17四、煤层瓦斯赋存形态•1.煤层瓦斯含量成煤过程中的CH4生成量：煤层开采时的CH4含量：最大可超过30m3/t煤层开采时的CH4含量：是煤本身体积的30-40倍！为什么煤中能容下这么多瓦斯呢？煤层中赋存的瓦斯80-90%以上为吸附瓦斯。18四、煤层瓦斯赋存形态•2.煤层瓦斯赋存状态吸附瓦斯：以单分子薄膜形式凝聚在煤的微孔和超微孔的表面上；物理吸附，CH4分子和C分子相互吸引的结果游离瓦斯：自由充填在煤的小孔、中孔、大孔或裂隙中的瓦斯，存在于渗透容积之中煤的瓦斯含量：吸附瓦斯占80%~90%，微孔、超微孔的内表面积高达200m2/g，吸附容积相当大动态平衡：在一定的瓦斯压力和温度条件下，两者相对平衡19四、煤层瓦斯赋存形态•2.煤层瓦斯赋存状态煤内瓦斯的存在状态示意图1—游离瓦斯；2—吸附瓦斯；3—吸收瓦斯；4—煤；5—孔隙20四、煤层瓦斯赋存形态•3.煤的孔隙特征煤是一种多孔固体。煤的孔隙性决定着煤吸附瓦斯的能力、煤的渗透性和强度性质。煤中孔隙可分为以下三种：大孔＞1000Å渗透容积小孔（过渡孔）100~1000Å扩散容积微孔＜100Å吸附容积21四、煤层瓦斯赋存形态•4.煤的孔隙率孔隙率是煤中孔隙体积与实体煤体积之比率。煤的孔隙率的大小与煤的变质程度有关。22四、煤层瓦斯赋存形态•5.煤的吸附性煤是一种很好的吸附剂。煤吸附瓦斯量的多少主要取决于煤的变质程度，同时还取决于瓦斯压力、煤体温度、煤中内在水分及煤的岩相成分。23四、煤层瓦斯赋存形态•4.煤的吸附性24五、煤层瓦斯基本参数•1.煤层瓦斯含量煤层瓦斯含量是确定矿井瓦斯涌出量的基础数据，是矿井通风及瓦斯抽采设计的重要参数之一，更是突出矿井消突是否达标的主要考察指标。瓦斯含量是指煤层在自然条件下单位重量煤所含的瓦斯量，m3/t。原始瓦斯含量、残存瓦斯含量。25五、煤层瓦斯基本参数•1.煤层瓦斯含量1.1影响煤层瓦斯含量的主要因素煤层的埋藏深度煤层与围岩的透气性煤层倾角和露头地质构造煤的吸附特性地层的地质史水文地质条件26五、煤层瓦斯基本参数•1.煤层瓦斯含量1.2测定方法间接测定法PMMAbPabPXadadd1031.011100100127五、煤层瓦斯基本参数•1.煤层瓦斯含量1.2测定方法直接测定法GB/T19559-2004煤层气含量测定方法——地勘瓦斯含量中联煤层气有限责任公司和煤炭科学研究总院西安分院起草MT/T77-94煤层气测定方法(解吸法)——地勘瓦斯含量（被替）山东煤田地质局、内蒙古煤田地质局、煤炭科学研究院抚顺研究所负责起草GB/T32250-2009煤层瓦斯含量井下直接测定方法煤炭科学研究院抚顺分院、煤炭科学研究院重庆分院负责起草真空脱气法常压自然解吸法28五、煤层瓦斯基本参数GB/T32250-2009煤层瓦斯含量井下直接测定方法1.真空脱气法取样时损失量瓦现场解吸量斯含粉碎前脱气量量粉碎后脱气量现场自然解吸推算损失量自然解吸量自然解吸，一般井下2h，地面24h粉碎前真空脱气残余解吸量（粉碎前）常温真空脱气+95℃真空脱气罐密封送实验室称重、工分*全部重量计算含量损失量+解吸量+粉碎前脱气量+粉碎后脱气量煤样重量井下温度条件粉碎后真空脱气残余解吸量（粉碎后）球磨罐粉碎+95℃真空脱气采样、装罐29五、煤层瓦斯基本参数GB/T32250-2009煤层瓦斯含量井下直接测定方法1.真空脱气法取样时损失量现场解吸量粉碎前脱气量粉碎后脱气量30五、煤层瓦斯基本参数GB/T32250-2009煤层瓦斯含量井下直接测定方法1.真空脱气法取样时损失量现场解吸量粉碎前脱气量粉碎后脱气量31五、煤层瓦斯基本参数GB/T32250-2009煤层瓦斯含量井下直接测定方法1.真空脱气法取样时损失量现场解吸量粉碎前脱气量粉碎后脱气量32五、煤层瓦斯基本参数GB/T32250-2009煤层瓦斯含量井下直接测定方法1.真空脱气法取样时损失量现场解吸量粉碎前脱气量粉碎后脱气量33五、煤层瓦斯基本参数GB/T32250-2009煤层瓦斯含量井下直接测定方法现场自然解吸推算损失量自然解吸量井下自然解吸粉碎前解吸解吸量（粉碎前）常温自然解吸罐密封送实验室称重*少量、多份计算含量损失量+自然解吸量+残存解吸量煤样重量井下温度条件粉碎、真空脱气解吸量（粉碎后）球磨罐粉碎常温下自然解吸采样、装罐煤质分析2.常压解吸法取样时损失量瓦现场解吸量斯含粉碎前解吸量量粉碎后解吸量1atm残存解吸量34五、煤层瓦斯基本参数GB/T32250-2009煤层瓦斯含量井下直接测定方法2.常压解吸法取样时损失量瓦现场解吸量斯含粉碎前解吸量量粉碎后解吸量1atm残存解吸量35五、煤层瓦斯基本参数GB/T32250-2009煤层瓦斯含量井下直接测定方法2.常压解吸法取样时损失量瓦现场解吸量斯含粉碎前解吸量量粉碎后解吸量1atm残存解吸量adaddbMMAbabX31.0111001001.011.0式中：Xb——煤在标准大气压力下的不可解吸瓦斯量，cm3/g；a——煤的瓦斯吸附常数，cm3/g；b——煤的瓦斯吸附常数，MPa-1；Ad——煤的灰分，%；Mad——煤的水分，%；π——煤的孔隙率，cm3/cm3；γ——煤的容重(假比重)，g/cm3。36五、煤层瓦斯基本参数•2.煤层瓦斯压力煤层孔隙中所含的游离瓦斯呈现出来的压力。迄今为止，我国测定最大瓦斯压力：8.25MPa，北票台吉矿-550水平，埋深729m；世界实测最大瓦斯压力：13.6MPa，乌克兰顿巴斯彼得罗夫深矿，1425m。37五、煤层瓦斯基本参数•2.煤层瓦斯压力方法分类技术要点与技术关键直接测定法简接测定法技术要点：根据瓦斯含量、吸附常数（a,b值）、煤质参数等，按照公式计算煤层瓦斯压力的方法。技术关键：各种基础参数的准确测定。技术要点：采用打钻、封孔、测压的方法实测煤层瓦斯压力的方法。技术关键：封孔技术。38五、煤层瓦斯基本参数•2.煤层瓦斯压力1、黄泥封孔2、水泥砂浆封孔3、胶圈-粘液封孔4、聚氨酯封孔充填封孔法封孔器法封孔法方法压力恢复方法主动测压法被动测压法2.1直接测定法分类39五、煤层瓦斯基本参数•2.煤层瓦斯压力2.2封孔方法——黄泥封孔适用性：可用于任何角度的测压孔优点：不干裂，不收缩，密封性好；缺点：费时费力，封孔质量不好易漏气。40五、煤层瓦斯基本参数•2.煤层瓦斯压力2.2封孔方法——水泥砂浆封孔适用性：只可用于45°的上向或下向测压孔优点：操作简单缺点：水泥砂浆具有一定收缩性收缩线41五、煤层瓦斯基本参数•2.煤层瓦斯压力2.2封孔方法——胶圈-粘液封孔适用性：可用于任何角度的测压孔，裂隙发育优点：可有效封堵围岩裂隙，处于承压状态缺点：孔壁钻屑可导致胶囊密封漏气42五、煤层瓦斯基本参数•2.煤层瓦斯压力2.2封孔方法——聚氨酯封孔适用性：可用于任何角度的测压孔优点：具有发泡膨胀性，充填效果好;缺点：造价高，操作难度较大软胶囊聚氨酯式麻布聚氨酯式43五、煤层瓦斯基本参数•2.煤层瓦斯压力2.2封孔方法——聚氨酯封孔黑白料配比1：0.71：0.81：0.91：1.01：1.11：1.21：1.3透气压力/MPa0.91.21.351.471.561.71.72配比1：0.71：0.81：0.91：1.01：1.11：1.21：1.3膨胀倍数5.06.47.28.59.08.27.5膨胀开始时间／min222.53476不同配比聚氨酯膨胀倍数和膨胀时间不同配比聚氨酯透气性能44五、煤层瓦斯基本参数•2.煤层瓦斯压力2.3测压地点选择1）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；2）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；3）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；4）对于需要测定煤层残存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选择；455）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气室应位于巷道的卸压圈之外)，采用注浆封孔的上向测压钻孔倾角应不小于5°；6）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之外，其距离应不小于20m（石门测压外除）。石门揭煤瓦斯压力测定钻孔的布置按《防止煤与瓦斯突出规定》的有关规定进行；7）瓦斯压力测定地点应选择在进风系统，行人少且便于安设保护栅栏的地方。五、煤层瓦斯基本参数•2.煤层瓦斯压力2.3测压地