矿井瓦斯灾害防治理论与技术

1矿井瓦斯防治理论与技术21概述2矿井瓦斯的生成及赋存3矿井瓦斯涌出4矿井瓦斯的喷出及预防5煤和瓦斯突出及其预防6矿井瓦斯爆炸及其预防7矿井瓦斯检测及监测8矿井瓦斯抽放主要内容31概述1.1矿井瓦斯的概念广义：井下有害气体的总称。来源：(1)煤岩内赋存的气体(2)生产过程中产生的气体(3)井下空气与矿物及其他材料反应产生的气体(4)放射性物质衰变产生惰性气体氡（放射性）和氦狭义：由于煤层中的瓦斯一般以甲烷为主，所以在煤矿中矿井瓦斯专指甲烷。41.2甲烷的性质无色、无味，微溶于水，标准状况下100L水可溶解5.56L甲烷；可燃性、爆炸性、窒息性；密度为0.716kg/m3，为空气密度的0.554倍；分子直径0.41nm，扩散速度是空气的1.34倍；高热值：55.67MJ/kg；低热值：50.17MJ/kg热导率：0.0306W/m℃（在20℃时0.0328W/m·℃）；动力粘度：（10.26+0.0305t）×10.6Pa·s（温度t＝0～100°C）；52矿井瓦斯的生成及赋存2.1煤层瓦斯的生成煤层瓦斯是腐植型有机物在成煤过程中生成的，主要可以划分为两个生成阶段第一阶段：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。6第二阶段：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，泥炭转化为褐煤并进人变质作用时期，有机物在高温、高压作用下，挥发分减少，固定碳增加，这时生成的气体主要为CH4和CO2。72.2煤层瓦斯赋存1、瓦斯在煤体内存在的状态游离瓦斯：以自由气体形式存在；吸附瓦斯：分为吸着状态与吸收状态；在现今开采深度内，煤层内的瓦斯主要是以吸附状态存在，游离状态的瓦斯只占总量的10％左右。82、煤层瓦斯垂向分带：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，使煤层瓦斯呈现出垂直分带特征:瓦斯风化带：“CO2－N2”、“N2”、“N2-CH4”三带统称瓦斯风化带。瓦斯风化带内的井、区为低瓦斯井、区。甲烷带：位于瓦斯风化带下边界以下的瓦斯带。9表1煤层瓦斯垂直分带及各带气体成分气带名称（从上往下）气带成因瓦斯成分％N2CO2CH4CO2－N2生物化学－空气20～8020～8010N2空气成因8010~2020N2-CH4变质成因20~8010~2020~80CH4变质成因201080103、煤的孔隙特征煤的孔隙分类：微孔：直径0.01µm，构成煤中的吸附容积小孔：直径＝0.01µm～0.1µm，构成毛细管凝结和瓦斯扩散空间中孔：直径＝0.1µm～1.0µm，构成缓慢的层流渗透区间大孔：直径＝1.0µm～100µm，构成强烈的层流渗透区间可见孔及裂隙：直径100µm，构成层流及紊流混合渗透的区间渗透容积：小孔至可见孔的孔隙体积之和煤的孔隙率：吸附容积与渗透容积之和称为总孔隙体积，总孔隙体积占煤的体积的百分比成为煤的孔隙率114、煤层瓦斯压力概念：煤层裂隙和孔隙内由于气体分子热运动撞击所产生的作用力意义：煤层瓦斯压力是决定煤层瓦斯含量、瓦斯流动动力高低以及瓦斯动力现象的基本参数测量原理：打一穿透待测煤层(或直接打在煤层中)的钻孔，插入一根测压管(5mm～12mm的铜管或10mm～13mm的镀锌铁管)后再把钻孔封堵好，在测压管的外端接上压力表，待压力稳定后就可以读取瓦斯压力值。125、煤层瓦斯含量1）概念：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)，包括游离瓦斯和吸附瓦斯两部分2）影响因素煤岩结构(如透气性)和物理化学特性(如吸附性能)成煤后的地质运动和地质构造煤层的赋存条件133）煤的瓦斯含量确定煤内游离瓦斯含量Xy(m3/t煤)式中V——煤的渗透容积，m3/t煤；P——瓦斯压力，kPa；T0——标准状况下的绝对温度(273K)；T——瓦斯的绝对温度；P0——标准状况下的压力，等于101.3kPa；ξ——瓦斯的压缩系数00TPVPTXy14煤的吸附瓦斯含量煤的表面积是很大的，每克煤有数十至二百m2，其中微孔表面积占绝大多数，吸附瓦斯量主要取决于微孔隙表面积、瓦斯压力与温度。煤的吸附瓦斯服从朗缪尔吸附方程。按朗缪尔方程计算并考虑煤中水分、可燃物的百分比，温度的影响：式中p——瓦斯压力，MPa；a——在该温度下，极限吸附量，m3/t可燃物；b——取决于温度和煤的吸附性能常数，kPa-1。tmWAWebpabpXttnx3)(,10010031.0111015A,W——煤中的灰分与水分，%；t0——实测室测定吸附常数时的实验温度℃t——煤层温度，℃n——系数，无因次，按下式确定煤层瓦斯含量等于吸附含量与游离含量之和：X＝Xy＋Xx实测表明，在目前开采深度(1000～2000m以内)煤层的吸附瓦斯占70～95%，而游离瓦斯占5～30%。pn07.0993.002.0163.1煤层瓦斯流动的基本规律煤层与围岩属于孔隙－裂隙结构体，不同煤层和岩层的孔隙、裂隙尺寸、结构形式以及发育程度等的差别式很大，并且对地应力的作用很敏感。1、煤层瓦斯流场分类概念：煤层内瓦斯流动的空间称为煤层瓦斯流场，在流场内瓦斯具有流向、流速和压力梯度和浓度梯度171）按流场的流向分类：单向流场：在x、y、z三维空间中，只有一个方向有流速；径向流场：在x、y、z三维空间中，在两个方向有分速度，可以用柱坐标系描述；球向流场：在x、y、z三维空间中，三个方向都有分速度，可以用球坐标系描述。2）按流场的稳定性分类：定常流场：流场中任何一点的流速、流向和瓦斯压力均不随时间变化。非定常流场；流场中的流速、流向或瓦斯压力中至少有一参数随时间变化。182、扩散流与渗透流瓦斯在孔隙－裂隙内的运移基本上可以分为两类：1）扩散流动：瓦斯在小孔（1µm）和微孔（0.1µm）内的运移主要为扩散运动，瓦斯在浓度梯度驱动下从高浓度向的浓度的方向运移，可以用菲克定律描述：ux＝在x方向上的扩散流的速度（m/s）D＝扩散系数（m2/s但更多用的是cm2/s）c＝特定气体的浓度（m3/m3煤）xcDu192）渗透流动瓦斯在中孔（1µm）以上的孔隙或裂隙中的运移，可能有两种形式：层流和紊流层流：层流又可以分为线性层流和非线性层流线性层流：Re1~10，粘滞力占优势，符合达西定律非线性层流：Re10~100，服从非线性渗透定律紊流：Re100，惯性力占优势，流动阻力与流速的平方成正比。20达西定律：流体的流速与其压力梯度成正比，即u＝瓦斯流速（m/s）k＝渗透率（m2）μ＝动态粘滞度（Pa·m）＝气压梯度（Pa/m）xpku/px213.2瓦斯涌出量及主要影响因素矿井瓦斯涌出量是指在矿井生产建设过程中涌进巷道或管道的瓦斯量。其表达的方法有两种：绝对瓦斯涌出量——单位时间内涌入巷道的瓦斯量，以体积表示，单位为m3/min或m3/d；相对瓦斯涌出量——每采一吨煤平均涌出的瓦斯量，单位是m3/t。22绝对瓦斯涌出量与相对瓦斯涌出量之间的关系为：qe——相对瓦斯涌出量，m3/t；qa——绝对瓦斯涌出量，m3/d；A——单位时间内采掘地区的产煤量，t/d。Aqqae23影响瓦斯涌出量的因素主要有：1)煤层和围岩的瓦斯含量在甲烷带内，开采越深、规模越大，绝对、相对瓦斯涌出量越高。2)开采顺序与回采方法先开采的煤层或分层，其相对瓦斯涌出量大，后开采的瓦斯涌出量小。瓦斯工作面开始回采初期瓦斯涌出量小，当顶板第一次冒落以后，由于围岩及邻近层的瓦斯涌入开采层，所以涌出量增加。243)生产工艺过程从暴露面采落煤炭和钻孔涌出的瓦斯量，一般都是随着时间的增长而逐渐下降。所以，落煤时瓦斯涌出量总是大于其它工序，老顶来压冒落时涌出量高于其它时期。落煤时瓦斯涌出量与煤的瓦斯含量、落煤速度、煤的粉碎程度等有关。风镐落煤时，瓦斯涌出量可增大1.1～1.3倍，打眼放炮时1.4～2.0倍，采煤机采煤时，1.3～1.6倍，水枪落煤时，2～4倍等，其增加的倍数与工作面瓦斯来源的构成有关。开采单一中厚煤层，落煤时增加的倍数比开采有邻近层的煤层要大些。254)通风压力与通风系统抽出式通风负压增加时，瓦斯涌出量增大。U型通风系统的回采工作面，其上隅角容易聚积瓦斯。采用U型加尾巷的通风系统，瓦斯聚积点移至采空区内的尾巷入风口。Y形与W型通风系统由于采空区内有漏风通道，采空区与邻近层涌出的瓦斯很少会涌入工作面，加之进风多了一条风路，工作面的瓦斯浓度较低，适用于高瓦斯高产要求。263.3瓦斯涌出不均系数在正常生产过程中，矿井绝对瓦斯涌出量受各种因素的影响，其数值在一段时间内围绕平均值上下波动，我们把其峰值与平均值的比值称为瓦斯涌出不均系数。在确定矿井总风量选取风量备用系数时，要考虑矿井瓦斯涌出不均系数。27矿井瓦斯涌出不均系数表示为：kg——给定时间内瓦斯涌出不均系数；Qmax——该时间内的最大瓦斯涌出量，m3／min；Qa——该时间内的平均瓦斯涌出量，m3／min。任何矿井的瓦斯涌出在时间上与空间上都是不均匀的。在生产过程中要有针对性地采取措施，使瓦斯涌出比较均匀稳定。例如尽可能均衡生产，错开相邻工作面的落煤、放顶时间等。agQQk/max283.4矿井瓦斯等级1、矿井瓦斯等级划分《规程》规定：一个矿井中，只要有一个煤(岩)层中发现过瓦斯，该矿井即定为瓦斯矿井，并依照矿井瓦斯等级的工作制度进行管理，矿井瓦斯等级按照日产吨煤涌出瓦斯量和瓦斯涌出形式分为：29（一）低瓦斯矿井：矿井相对瓦斯涌出量小于或等于10m3/t且矿井绝对瓦斯涌出量小于或等于40m3/min。（二）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。（三）煤（岩）与瓦斯（二氧化碳）突出矿井。煤与瓦斯突出矿井:矿井在采掘过程中，只要发生过一次煤与瓦斯突出，该矿井即为突出矿井煤层定为突出煤层。302、矿井瓦斯等级鉴定新矿井设计前，地质勘探部门根据各煤层的瓦斯含量资料，预测矿井瓦斯等级，作为算风量的依据。生产矿井每年必须进行矿井瓦斯等级的鉴定工作，同时还应进行矿井二氧化碳涌出量的测定，作为核定和调整风量的依据。311)鉴定时间和基本条件矿井瓦斯等级的鉴定工作应在正常生产的条件下进行。根据当地气候条件，选择矿井绝对瓦斯涌出量较大的月份进行，一般在七月或八月。在鉴定月的上、中、下旬中各取一天(间隔10天)，分三个班(或四个班)进行测定工作。所谓正常生产，即被鉴定的矿井、煤层、一翼、水平或采区的回采产量应达到该地区设计产量的60％。测定前必须做好组织分工和仪表校正等准备工作。322)测点选择和测定内容及要求确定矿井瓦斯等级时，是按每一自然矿井、煤层、一翼、水平和各采区分别计算相对瓦斯涌出量，并取其中最大值(而不是全矿井的平均值)。所以测点应布置在每一通风系统的主要通风机的风峒、各水平、各煤层和各采区的回风道测风站内。如无测风站，可选取断面规整并无杂物堆积的一段平直巷道做测点。33测定内容为风量和风流中瓦斯浓度。如果进风流中含有瓦斯时，还应在进风流中测风量和瓦斯浓度。进、回风流的瓦斯涌出量之差，就是鉴定地区的瓦斯涌出量。抽放瓦斯的矿井，在鉴定月内应在相应的地区测定抽出的瓦斯量，矿井瓦斯等级划分时，必须包括抽放的瓦斯量。每一测定班的测定时间应选在生产正常时刻，并尽可能在同一时刻进行测定工作。343)矿井瓦斯等级的确定矿井瓦斯等级以最大的相对瓦斯涌出量和有、无煤与瓦斯突出，按分级标准确定。并附以必要的文字说明，如产量、采掘比例、地质构造等因素和瓦斯喷出、煤与瓦斯突出等情况，报上级审批。正在建设中的矿井，也应进行瓦斯等级的鉴定，如果鉴定结果，特别是在煤层揭开以后，实际的瓦斯涌出量超过原设计确定的等级时，应提出修改矿井瓦斯等级的专门报告，报原设计审批单位批准。353.5矿井瓦斯涌出量预测设计矿井或生产矿井的新区(新采区、深部水平)，需要预先掌握其瓦