矿井灾害防治技术

矿井灾害防治技术矿井灾害防治技术21.矿井瓦斯及其防治顶板水火瓦斯煤尘煤炭生产五大自然灾害矿井瓦斯——瓦斯是煤矿生产的主要灾害之一。伴随着煤炭开采的不断深入，瓦斯问题将越来越严重。矿井灾害防治技术31.矿井瓦斯及其防治瓦斯窒息瓦斯爆炸煤与瓦斯突出污染环境瓦斯燃烧矿井瓦斯危害矿井灾害防治技术41.矿井瓦斯及其防治1.1矿井瓦斯基础1.2矿井瓦斯涌出1.3矿井瓦斯喷出和煤与瓦斯突出防治1.4矿井瓦斯爆炸及防治1.5矿井瓦斯抽放与管理矿井灾害防治技术51.1矿井瓦斯基础矿井瓦斯－－定义及特性特性：甲烷是无色、无味、无臭、可以燃烧和爆炸的气体，对空气的相对密度为0.554；其扩散性较强，扩散速度是空气的1.34倍；甲烷的化学性质不活泼，微溶于水（20℃,101.3kPa时，溶解度位3.5L/100L水）矿井瓦斯——指从煤层和岩层中放出的以甲烷为主的气体、矿井生产过程中产生的气体（如爆破产生的气体）和化学及生物化学作用产生的气体（如煤氧化和坑木腐烂产生的气体）的统称。有时单独指甲烷。矿井灾害防治技术61.1矿井瓦斯基础煤化变质作用时期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。生物化学成气时期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65℃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。矿井瓦斯－－瓦斯的成因矿井灾害防治技术71.1矿井瓦斯基础矿井瓦斯－－煤层瓦斯的赋存吸附瓦斯游离瓦斯吸收状态吸着状态瓦斯在煤体内赋存状态矿井灾害防治技术81.1矿井瓦斯基础矿井瓦斯－－煤层瓦斯的赋存煤层瓦斯垂向分带带名（从上到下）气带成因CO2N2CH4（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0~100~2080~100矿井灾害防治技术91.1矿井瓦斯基础矿井瓦斯－－煤层瓦斯的赋存煤层瓦斯垂向分带矿井灾害防治技术101.1矿井瓦斯基础矿井瓦斯－－煤层瓦斯的赋存煤层瓦斯垂向分带瓦斯风化带下部边界确定煤层内的瓦斯压力为0.1～0.15MPa在瓦斯风化带开采煤层时，煤层的相对瓦斯涌出量达到2m3/t煤的瓦斯含量达到2～3m3/t（烟煤）和5～7m3/t（无烟煤）煤层内的瓦斯组分中甲烷组分含量达到80%（体积比）矿井灾害防治技术111.1矿井瓦斯基础矿井瓦斯－－影响煤层瓦斯赋存的地质因素吸附瓦斯量（m3/t）石墨烟煤褐煤无烟煤不同变质程度煤对瓦斯的吸附能力示意图矿井灾害防治技术121.1矿井瓦斯基础矿井瓦斯－－影响煤层瓦斯赋存的地质因素围岩条件瓦斯生成量岩石的力学性质几种不同的顶板变形矿井灾害防治技术131.1矿井瓦斯基础矿井瓦斯－－影响煤层瓦斯赋存的地质因素N22630CH4（m3/min）（c）（a）20423小马村矿中马村矿演马村矿O2O2O2李庄断层45大煤九里山断层426大煤凤凰岭断层（b）630CH4（m3/min）塔17李5127227123凤凰岭断层塔掌断层O2O2李封断层O2天官断层区O2三断层井号三十九号井断层塔掌区西区天官区朱村矿矿井灾害防治技术141.1矿井瓦斯基础矿井瓦斯－－影响煤层瓦斯赋存的地质因素深压力（MPa)煤的甲烷含量（m3/t）岩石甲烷含量（m3/t)度(m)地层静压力P1瓦斯压力P2p=p1-p2吸附游离总计q1孔隙中分散有机质中总计q21002003004005006007008009001000110012002.44.87.19.411.714.116.418.721.123.425.728.10.10.20.71.32.13.04.05.06.17.18.29.42.34.66.48.19.611.112.413.715.016.317.518.7----5.712.917.019.020.421.021.421.621.721.621.5----0.20.71.32.02.83.74.75.76.57.48.3----5.913.618.321.423.224.726.127.328.229.029.8----0.10.40.91.42.02.63.44.14.85.56.3----0.10.10.20.20.20.30.30.30.30.30.3----0.20.51.11.62.22.93.64.45.15.86.0煤层甲烷含量与深度的关系矿井灾害防治技术151.1矿井瓦斯基础矿井瓦斯－－煤层瓦斯流动采动影响下邻近煤层瓦斯流动1一卸压圈2一冒落圈3一开采煤层4－邻近煤层矿井灾害防治技术161.1矿井瓦斯基础矿井瓦斯－－煤层瓦斯含量煤的瓦斯含量——指单位体积或重量的煤在自然状态下所含有的瓦斯量（标准状态下的瓦斯体积），单位为：m3/m3(cm3/cm3)或m3/t(cm3/g)。煤的瓦斯含量包括游离瓦斯和吸附瓦斯含量之和。矿井灾害防治技术171.1矿井瓦斯基础矿井瓦斯－－煤层瓦斯含量影响煤层瓦斯含量的因素1、煤的吸附特性——煤的吸附性能决定于煤化程度，一般情况下煤的煤化程度越高，存储瓦斯的能力越强。2、煤层露头3、煤层的埋藏深度——深，瓦斯大4、围岩透气性——泥岩、完整石灰岩低透气性5、煤层倾角——大，瓦斯小，小，瓦斯大6、地质构造——封闭地质，瓦斯大，开放的，瓦斯小7、水文地质条件——水流，带走瓦斯矿井灾害防治技术181.1矿井瓦斯基础矿井瓦斯－－煤层瓦斯压力矿井灾害防治技术19瓦斯带内瓦斯压力变化规律：末受采动影响的煤层内的瓦斯压力，随深度的增加而有规律地增加，可以大于、等于或小于静水压。瓦斯压力梯度：或式中P—预测的甲烷带内深H(m)处的瓦斯压力，MPagp—瓦斯压力梯度，MPa/mP1，P2—甲烷带内深度为H1、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。1.1矿井瓦斯基础00)(PHHgPp矿井瓦斯－－煤层瓦斯压力11)(PHHgPp矿井灾害防治技术201.2矿井瓦斯涌出特殊涌出采掘时，在极短的时间内，瓦斯及煤体、围岩内突然、大量的涌出，有时还伴有煤粉、煤块和岩石等。一般涌出由采落煤炭和煤层、岩层的新鲜暴露面，通过孔隙、裂隙，缓慢、长时间的涌出。矿井瓦斯－－矿井瓦斯涌出方式矿井灾害防治技术211.2矿井瓦斯涌出矿井瓦斯－－瓦斯涌出的来源矿井瓦斯的来源掘进区瓦斯已采区瓦斯采煤区瓦斯落煤瓦斯煤壁瓦斯开采层瓦斯采空区瓦斯邻近层瓦斯落煤瓦斯煤壁瓦斯矿井灾害防治技术221.2矿井瓦斯涌出相对瓦斯涌出量矿井在单位时间内涌出的瓦斯体积，单位是m3/min或m3/d。绝对瓦斯涌出量矿井在单位时间内涌出的瓦斯体积，单位是m3/min或m3/d。矿井瓦斯－－矿井瓦斯涌出量及其影响因素QCH4=Qf×CqCH4=QCH4/T矿井瓦斯涌出量矿井灾害防治技术231.2矿井瓦斯涌出矿井瓦斯－－矿井瓦斯涌出量及其影响因素矿井瓦斯涌出量主要影响因素煤层瓦斯含量是决定因素。瓦斯含量越高，矿井瓦斯涌出量就越大。开采规模开采规模越大，矿井的绝对瓦斯涌出量也就越大；但就矿井的相对瓦斯涌出量来说，情况比较复杂。开采顺序厚煤层分层开采时，首分层瓦斯涌出量最大，最后一个分层瓦斯涌出量最小。采煤方法采煤方法的回采率越低，瓦斯涌出量就越大，因为丢煤中所含瓦斯的绝大部分仍要涌入巷道顶板管理方法陷落法比充填法工作面的瓦斯涌出量大。生产工序落煤时瓦斯涌出量大于其它工序通风压力负压通风，风压越高瓦斯涌出量越大；正压通风，风压越高瓦斯涌出量越小。大气压力变化地面大气压的变化对对采空区瓦斯涌出有较大的影响。采空区管理方式一般采空区存有大量瓦斯，未封闭或封闭不严，采空区瓦斯大量涌出，矿井瓦斯涌出量增大。矿井灾害防治技术241.2矿井瓦斯涌出高瓦斯矿井矿井相对瓦斯涌出量大于10m3/t，或矿井绝对瓦斯涌出量大于40m3/min。低瓦斯矿井矿井相对瓦斯涌出量小于10m3/t，且矿井绝对瓦斯涌出量小于40m3/min。矿井瓦斯－－矿井瓦斯等级煤与瓦斯突出矿井发生煤（岩）与瓦斯突出矿井、鉴定有煤与瓦斯突出危险的矿井。注：低瓦斯矿井中，相对瓦斯涌出量大于10m3/t或有瓦斯喷出的个别区域（采区或工作面）为高瓦斯区，该区按高瓦斯矿井管理。矿井灾害防治技术25特征矿井瓦斯喷出在时间上的突然性和空间上的集中性。定义大量的承压状态的瓦斯从可见的煤、岩裂缝中快速喷出到采掘工作面和巷道的现象。危害可以造成局部地区瓦斯积聚；高浓度瓦斯，可致使人员窒息；也能引起瓦斯爆炸或火灾等事故，给矿井造成严重的破坏。1.3矿井瓦斯喷出和煤与瓦斯突出防治矿井瓦斯－－矿井瓦斯喷出防治矿井灾害防治技术26瓦斯沿采掘地压形成的裂缝喷出特征——喷出频临发生时伴随着地压显现效应，出现多种显现预兆，喷出持续的时间较短，其流量与卸压区面积、瓦斯压力和瓦斯含量大小等因素有关。瓦斯沿原始地质构造洞缝喷出特征——往往流量大，持续时间长，无明显的地压显现现象，喷瓦斯裂缝多属于开放性裂缝（张性或张扭性断裂），它们与储气层（煤层、砂岩层等）、溶洞或断层带相通。1.3矿井瓦斯喷出和煤与瓦斯突出防治矿井瓦斯－－矿井瓦斯喷出防治矿井灾害防治技术27瓦斯喷出的规律发生在地质变化带，瓦斯喷出前往往出现预兆；煤层顶、底板岩层中有溶洞、裂隙发育的石灰岩；具有明显的喷出口或裂隙；瓦斯喷出量有大有小，喷出的持续时间从几分钟到几年，甚至十几年。瓦斯喷出的原因内因:煤层或岩层的构造裂缝中贮存有大量高压瓦斯；外因:在采掘过程中，由于爆破穿透、机械震动或地压活动，使煤岩造成卸压缝隙，构成瓦斯喷出的通道是其外在因素。1.3矿井瓦斯喷出和煤与瓦斯突出防治矿井瓦斯－－矿井瓦斯喷出防治矿井灾害防治技术281.3矿井瓦斯喷出和煤与瓦斯突出防治矿井瓦斯－－矿井瓦斯喷出防治矿井灾害防治技术291.3矿井瓦斯喷出和煤与瓦斯突出防治矿井瓦斯－－煤与瓦斯突出防治矿井灾害防治技术301.3矿井瓦斯喷出和煤与瓦斯突出防治矿井瓦斯－－煤与瓦斯突出防治矿井灾害防治技术311.3矿井瓦斯喷出和煤与瓦斯突出防治矿井瓦斯－－煤与瓦斯突出防治矿井灾害防治技术321.3矿井瓦斯喷出和煤与瓦斯突出防治矿井瓦斯－－煤与瓦斯突出防治3、突出发生的条件矿井灾害防治技术331.3矿井瓦斯喷出和煤与瓦斯突出防治矿井瓦斯－－煤与瓦斯突出防治从时代分布来看，由最老的早石炭世煤层（如湖南金竹山地区）到最新的第三纪煤层（如抚顺）都有突出发生。从地理分布来看，我国突出分布的总规律是南方多、北方少，东部多、西部少。突出分布的不均衡性是普遍现象。我国突出矿区的分布规律矿井灾害防治技术341.3矿井瓦斯喷出和煤与瓦斯突出防治矿井瓦斯－－煤与瓦斯突出防治矿区内突出分布规律集中性突出分布有不均匀性，主要有几个矿井突出，突出矿井只有几个突出工作面。方向性突出的分布与构造线方向密切相关，瓦斯突出条带常沿构造带分布。相似性在相似的瓦斯地质条件区域，具有相似的突出分布特点。矿井灾害防治技术351.3矿井瓦斯喷出和煤与瓦斯突出防治矿井瓦斯－－煤与瓦斯突出防治矿区内突出分布规律分级性地质构造级别的大小和序次的前后对突出分布具有明显的对应控制作用。递增性煤与瓦斯突出规模和次数随开采深度的增加而增加。矿井灾害防治技术361.3矿井瓦斯喷出和煤与瓦斯突出防治矿井瓦斯－－煤与瓦斯突出防治突出强度以中、小型为常见。始突深度在不同地区的矿井中相差很大。地质因素构造应力集中的部位突出的危险性大。矿井灾害防治技术371.3矿井瓦斯喷出和煤与瓦斯突出防治矿井瓦斯－－煤与瓦斯突出防治工程因素突出大多发生在落煤时。气体成分突出气体主要成分是甲烷。突出空洞多呈口小肚大的梨形。矿井灾害防治技术381.3矿井瓦斯喷出和煤与瓦斯突出防治矿井瓦斯－－煤与瓦斯突出防治突出