瓦斯抽采及钻场布置

矿井瓦斯抽采与钻场布置授课教师：段启兵毕业学校:2008年毕业于中国矿业大学采矿工程专业联系电话：[phone]云南能源职业技术学院采矿教研室矿井瓦斯抽采与钻场布置第一讲煤层瓦斯的赋存一、煤层瓦斯的生成与组分瓦斯是古代植物在堆积成煤的初期，纤维素和有机质经厌氧菌的作用分解而成。在高温、高压的环境中，在成煤的同时，由于物理和化学作用，继续生成瓦斯。瓦斯是无色、无味、无臭的气体，但有时可以闻到类似苹果的香味，这是由于芳香族的碳氢气体同瓦斯同时涌出的缘故。瓦斯对空气的相对密度是0.554，在标准状态下瓦斯的密度为0.716kg，瓦斯的渗透能力是空气的1.6倍，难溶于水，不助燃也不能维持呼吸，达到一定浓度时，能使人因缺氧而窒息，并能发生燃烧或爆炸煤层瓦斯是腐植型有机物在成煤的过程中生成的。煤的原始母质——腐殖质沉积以后，一般经历两个成气时期：从植物遗体到泥炭属于生物化学成气时期；在地层的高压高温作用下从褐煤到烟煤直到无烟煤属于煤化变质作用成气时期。矿井瓦斯抽采与钻场布置瓦斯的概念1、狭义—特指甲烷气体（CH4）2、广义—井下有毒有害气体煤层瓦斯有约20种组分，其中甲烷及其同系物和二氧化碳是成煤过程的主要产物。当煤层赋存深度大于瓦斯风化带深度时，煤层瓦斯的主要组分（80%）是甲烷。微生物OH3OHCCO8CH74269245106＋＋＋隔绝空气OHC（纤维素）（类烟煤）OHCO5HCO2CHOHC2692245106矿井瓦斯抽采与钻场布置二、瓦斯的赋存状态煤中瓦斯的赋存状态一般有吸附状态和游离状态2种。在煤层赋存的瓦斯量中，通常吸附瓦斯量占80％～90％，游离瓦斯量占10％～20％；游离瓦斯以自由气体形式存在（孔径大于10nm）内；吸附瓦斯分为吸着状态与吸收状态；在吸附瓦斯量中又以煤体表面吸着的瓦斯量占多数。矿井瓦斯抽采与钻场布置（一）煤层瓦斯赋存状态煤是一种天然的吸附剂，具有良好的吸附性能。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剩余的表面自由力（范德华引力）。在一定条件下，瓦斯还可以从煤中解吸出来，吸附与解吸是可逆的。PortPort游离状态瓦斯吸附状态瓦斯矿井瓦斯抽采与钻场布置（二）煤层瓦斯赋存的垂向分带形成原因：当煤层直达地表或直接为透气性较好的第四系冲积层覆盖时，由于煤层中瓦斯向上运移和地面空气向煤层中渗透，使煤层内的瓦斯呈现出垂直分带特征瓦斯空气-1000m-800m-600m-400m-200m瓦斯分带分为风化带和甲烷带（二）煤层瓦斯赋存的垂向分带瓦斯风化带是CO2－N2、N2与N2－CH4三个带的统称，各带不仅瓦斯组分不同而且瓦斯含量也不相同。（二）煤层瓦斯赋存的垂向分带不同矿区瓦斯带深度变化很大。煤层瓦斯沿垂向一般可分为两个带：瓦斯风化带与甲烷带。瓦斯风化带甲烷带（二）煤层瓦斯赋存的垂向分带甲烷及重烃浓度之和＝80％（按体积）；瓦斯压力P＝0.1～0.15MPa；相对瓦斯涌出量qCH4＝2～3m3/t煤；煤层瓦斯含量x＝1.0～1.5m3/t可燃物（长焰煤）x＝1.5～2.0m3/t可燃物（气煤）x＝2.0～2.5m3/t可燃物（肥、焦煤）x＝2.5～3.0m3/t可燃物（瘦煤）x＝3.0～4.0m3/t可燃物（贫煤）x＝5.0～7.0m3/t可燃物（无焰煤）瓦斯风化带的下部边界可按下列条件确定：（二）煤层瓦斯赋存的垂向分带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位于瓦斯风化带下边界以下的属于甲烷带，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。瓦斯压力梯度的变化范围为0.005～0.015MPa/m，近似于静水压力值。甲烷带（二）煤层瓦斯赋存的垂向分带划分意义：在近代开采深度内，瓦斯带内煤层瓦斯含量和涌出量随深度增加而有规律地增大。掌握本煤田煤层瓦斯垂直分带的特征，是搞好矿井瓦斯涌出量预测和日常瓦斯管理工作的基础。（二）煤层瓦斯赋存的垂向分带三、煤的孔隙特征(决定了煤的解吸难易程度)（一）煤的孔隙分类（二）孔隙率（三）孔隙特征（四）测定方法（五）影响煤的孔隙特征的因素（一）煤的孔隙分类按煤的组成及其结构性质，煤中孔隙可以分为三种:宏观孔隙是指可用肉眼分辨的层理、节理、劈理及次生裂隙等形成的孔隙。显微孔隙是指用光学显微镜和扫描电镜能分辨的孔隙。分子孔隙指煤的分子结构所构成的超微孔隙。（二）孔隙率煤的孔隙率就是孔隙的总体积与煤的总体积的比，孔隙率是决定煤的吸附、渗透和强度性能的重要因素；通过孔隙率和瓦斯压力的测定，可以计算出煤层中的游离瓦斯量；此外，孔隙率的大小与煤中瓦斯流动情况也有密切关系。1001100sddssVVVnVV（三）孔隙特征为了便于研究瓦斯在煤层中的赋存与流动规律，通常把煤中孔隙如下分类：微孔——直径小于l0-5mm，它构成煤中的吸附容积；小孔——直径在10-5～10-4mm，它构成毛细管凝结和瓦斯扩散空间；中孔——直径在10-4～10-3mm，它构成了瓦斯缓慢层流渗透的区间；大孔——直径在10-3～10-1mm，它构成强烈的层流渗透区间；可见孔及裂隙——直径大于10-lmm，它构成层流及紊流混合渗透的区间。微孔为吸附容积，其他孔隙构成渗透系统，瓦斯全部处于游离状态。图2-5煤的变质程度与孔隙的关系图2-6不同形态的孔示意图对于烟煤，中等变质程度的煤的总孔隙率较小、变质程度较高和较低的煤总孔隙率较大。（四）测定方法在煤的孔隙特征的研究中，较常见的研究方法有2种，即用扫描电子显微镜观测煤表面孔隙特征、用压汞法测定煤体孔隙大小。压汞法：利用不同孔径的孔隙对压入汞的阻力不同这一特性，根据压入汞的质量和压力，计算孔隙体积和半径。142cos10rpPr73540（五）影响煤的孔隙特征的因素煤的变质程度：随煤化程度加深，总孔隙体积先减少，到焦煤、瘦煤达到最低，而后逐渐增加，至无烟煤达最大。但微孔体积是随煤化程度的增加一直增长。煤的破坏程度：破坏程度越高，煤的渗透容积就越大，但破坏程度对微孔影响不大。地应力：压性的地应力（压应力）可使渗透容积缩小，压应力越高，煤体渗透容积缩小越多。而张性的应力（张应力）则可使裂隙张开，从而使渗透容积增大。目前最有效的区域瓦斯治理方法：采动卸压瓦斯抽采技术，正是利用降低地应力来增加煤层渗透率。第二讲煤层瓦斯压力一煤层瓦斯压力的基本概念二煤层瓦斯压力的分布规律三煤层瓦斯压力的测定方法四煤层瓦斯压力的预测方法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。二煤层瓦斯压力的分布规律三●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●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现有测压方法：通过打钻封孔后在煤层内形成测压室，上压力表后，测压室周围无限大空间煤体内的瓦斯不断向测压室运移，保证打钻过程和封孔后材料凝固时期（上表前）逸散的瓦斯通过周围流场的流动补充，最终平衡，达到煤层的真实瓦斯压力。测定方法的分类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定的大量瓦斯压力值进行统计分析，排除由于承压水等因素导致的数值较大的异常测点，然后选取其中两个真实的标志点进行线性连接，做出安全线，使除异常点外的其余部分测点均在该直线以下。标志点的选择：标志点需要结合风化带下限临界值（风化带下部边界条件中瓦斯压力为P＝0.15～0.2MPa）确定，当选择两个标志点做出的曲线通过该临界点（或在附近）时，标志点选择正确；否则需要重新确定标志点。在无法找到两个标志点时，充分考虑风化带下限临界值点，选择一个标志点，取静水压力梯度（0.01MPa/hm）作为瓦斯压力梯度做出安全线，并应满足除异常点外的其余部分测点均在该直线以下。瓦斯压力预测方法—安全线法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●预测的瓦斯压力随埋深的变化斜率还要近似符合下列关系：一般斜率变化处于0.01±0.005范围内。在甲烷带内，浅部由于地应力小，其瓦斯压力往往小于或近似于静水压，P＝0.01H；而在矿井深部，由于地应力随垂深呈线性增加，瓦斯压力可以超过静水压力，P值可达（0.013～0.015）。●根据安全线法做出的