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1、1,硕士研究生课程 瓦斯灾害预测与防治,2,授课的主要内容,第一讲：瓦斯的生成及赋存 第二讲：瓦斯基础参数测定技术 第三讲：煤矿瓦斯涌出及瓦斯喷出 第四讲：矿井瓦斯涌出量预测 第五讲：瓦斯突出、预测及防治,3,第一讲 瓦斯的生成及赋存,本章要求： 1.掌握矿井瓦斯的概念、瓦斯的垂直分带、瓦斯的吸附性能、瓦斯压力、含量及其影响因素； 2.熟悉矿井瓦斯的生成各成气时期、瓦斯孔隙隙特征及其分类。,4,一、矿井瓦斯的概念与性质,1. 矿井瓦斯的概念,可燃可爆气体:,有毒性气体：,烃类气体，如CH4、链烷烃（CnHn+2）、环烷烃（CnH2n）、烯烃、炔烃、芳香烃等。 其他气体，H2、CO、H2S等,C
2、O、H2S、SO2、NH3、NO2、NO等,矿井气体的分类,窒息性气体：,放射性气体：,N2、CH4、CO2、H2等,Rn,有的气体既是可燃可爆气体，又是有毒性气体和窒息性气体。上述气体统称为有毒有害气体。,5,一、矿井瓦斯的概念与性质,2. 甲烷的性质,无色、无味、无嗅的气体。,窒息性气体：,CH4：0% O2：21% N2：79%,甲烷的性质,分子直径：0.41nm,扩散性：是空气的1.34倍,可燃可爆性气体：5%-15%，15%燃烧,CH4：43% O2：12% N2：45%,CH4：57% O2：9% N2：34%,正常呼吸空气,呼吸困难,昏迷、死亡,密度：0.716kg/m3（标况）
3、，是空气的0.554倍。 上浮,微溶于水：3.31L/100L（20），5.56L/100L（0）。,化学性质不活泼，稳定，不会自然分解、氧化或反应。,6,二、煤层瓦斯的生成,1. 煤是怎样形成的？,煤是腐植型有机物在经受长期的地层高温、高压作用，并经过漫长的变质作用形成的。,植物遗体泥炭,生物化学成气时期,泥炭褐煤 烟煤(长焰、气、肥、焦、贫、瘦) 无烟煤,成煤过程,成气时期,煤化变质作用成气时期,7,二、煤层瓦斯的生成,2. 煤层中的瓦斯是怎样形成的？,煤层瓦斯是腐植型有机物在成煤过程中形成的。,生物化学成气时期： 植物在厌氧、潮湿，温度小于65的条件下产生瓦斯。,特点：成煤物质埋藏浅、固
4、结性差、透气性好，生成的瓦斯难以保存。,沼泽、三角洲,8,二、煤层瓦斯的生成,2. 煤层中的瓦斯是怎样形成的？,煤化变质作用成气时期： 褐煤层进一步沉降，在高温及地层压力在下，便进入变质作用造气阶段。 变质初期：基本单元侧链和官能团的缩合稠环芳烃体系。,羟基（-OH） 甲基（-CH3） 羧基（-COOH） 醚基（-O-）,键力强 稳定,键力弱 不稳定 易断裂 易脱落,9,二、煤层瓦斯的生成,2. 煤层中的瓦斯是怎样形成的？,煤化变质作用成气时期： 变质中后期：在瓦斯产出的同时，芳核进一步缩合，碳元素进一步集中在碳 网中。随着煤化变质作用的加深，基本结构单元中的缩聚芳核 的数目不断增加，到无烟煤
5、时，主要由缩聚芳核组成。,10,二、煤层瓦斯的生成,3. 不同成煤期的瓦斯生成量,前苏联B.A.乌斯别斯基根据地球化学与煤化作用 过程反应物与生成物平衡原理，计算的甲烷生成量。,前苏联BA索科洛夫等人给出的 腐植煤在煤化变质各阶段成气的一股模式。,连续生成,不连续生成,11,二、煤层瓦斯的生成,3. 不同成煤期的瓦斯生成量,我国部分煤的热模拟实验产期结果,* 引用国外文献数据。表中数据：阶段产气量/累计产气量/(m3/t),12,三、煤层瓦斯赋存的垂向分带,1. 煤层甲烷逸散及气体渗透,CH4,CH4,CH4,CH4,N2,O2,CH4,瓦斯风化带,甲烷带,13,三、煤层瓦斯赋存的垂向分带,2
6、. 煤层瓦斯的垂直分带特征,CO2-N2带,N2带,N2-CH4带,CH4带,14,三、煤层瓦斯赋存的垂向分带,2. 煤层瓦斯的垂直分带特征,15,三、煤层瓦斯赋存的垂向分带,2. 煤层瓦斯的垂直分带特征,我国部分矿区的瓦斯风化带深度表,16,三、煤层瓦斯赋存的垂向分带,3. 瓦斯风化带的特征,我国确定瓦斯风化带下部边界时主要采用如下指标： 瓦斯压力P=0.10.15MPa； 甲烷（CH4）组分浓度80%（体积百分数）； 相对瓦斯涌出量q=23m3/t； 瓦斯含量（煤芯中的甲烷含量）X： 气煤 X=1.52.0m3/t； 肥煤与焦煤 X=2.02.5m3/t可燃物； 瘦煤 X=2.53.0m3
7、/t可燃物； 贫煤 X=3.04.0m3/t可燃物； 无烟煤 X=5.07.0m3/t。,17,三、煤层瓦斯赋存的垂向分带,4. 甲烷带的特征,（1）煤层瓦斯含量随埋深增加而增大； （2）煤层瓦斯压力随埋深增加而增大； （3）矿井相对瓦斯涌出量随埋深增大而增大； （4）随着埋深增加，有可能出现瓦斯异常涌出、瓦斯喷出、甚至瓦斯突出的情况。,18,四、煤的孔隙特征,1. 煤中的孔隙分类,煤是一种典型的多孔介质，煤具有很强的吸附性能，其吸附性能与煤的孔隙特征有较大的关系。 B.B霍多特的分类方法,吸附孔容,渗透孔容,甲烷分子直径0.41nm,19,吸附容积与渗透容积之和称为总孔隙体积； 煤的孔隙率：
8、煤中的总孔隙体积占煤的视体积的百分比，。 式中： 煤的孔隙率，%； K ,K1煤的孔隙率，m3/t， m3/m3 ； Vp煤中总孔隙体积，m3； Va煤的视体积（包括孔隙体积），m3； t,p煤的真相对密度和视相对密度， kg/m3。,四、煤的孔隙特征,1. 煤中的孔隙分类,20,四、煤的孔隙特征,2. 煤的孔隙与表面积,煤中孔隙直径、表面积和孔隙体积的关系,单孔Vp，Ss VpS,21,四、煤的孔隙特征,3. 煤的比表面积,江西涌山煤矿煤的挥发分与比表面积的关系,半个篮球场大小,22,四、煤的孔隙特征,4. 煤孔隙率的主要影响因素,（1）煤的变质程度 煤的孔隙率随变质程度的变化呈一马鞍型变化
9、关系，即中变质程度的焦煤和瘦煤孔隙率最低，低变质程度的褐煤和高变质程度的无烟煤孔隙率均较大。,23,四、煤的孔隙特征,4. 煤孔隙率的主要影响因素,（2）煤的破坏程度 煤在沉积和变质过程中，受地层变迁的影响，煤层会遭到不同程度的破坏，产生断裂、滑移、挤压及岩浆浸入等，产生煤层产生大量的新生裂隙，导致煤的孔隙率增加。,24,四、煤的孔隙特征,4. 煤孔隙率的主要影响因素,（3）地应力 地应力可以使渗透孔容压缩减小，地应力越大，煤中渗透孔容越小，孔隙率减小。煤地应力卸压后，渗透孔容会得到一定程度的恢复，孔隙率增加。这就是保护层开采卸压防突的原理。 煤的孔隙率与承受压力之间的变化关系： 式中 K，K
10、0在压力为和压力为0时煤的孔隙率，cm3/cm3； 煤承受的压力，MPa； b常数，MPa-1。,25,四、煤的孔隙特征,4. 煤孔隙率的主要影响因素,（3）地应力,26,五、煤的吸附能力,1. 固体表面的吸附现象,（1）固体的表面吸附 由于气体分子与固体表面分子之间的相互作用，气体分子暂时停留在围体表面上的现象称为气体分子在固体表面上的吸附。 （2）吸附作用力 物理吸附：剩余的表面自由力范德华力； 化学吸附：原子表面的剩余成键能力化学键； （3）可逆性 物理吸附：单分子层吸附，符合Langmuir等温式，可逆； 化学吸附：单分子层吸附，也符合Langmuir等温式，不可逆。,27,五、煤的吸
11、附能力,1. 固体表面的吸附现象,（4）吸附位 经典的Langmuir吸附理论认为，固体表面存在着能够吸附分子或原子的吸附位（adsorption site），并将这些吸附位形象地比喻为“剧院座位”。这些吸附位大多数情况下不是均匀分布在固体表面。 （5）吸附与解吸 吸附（adsorption）：分子由自由态进入到吸附位的过程。 解吸（desorption）：分子脱离吸附位进入到自由空间的过程。 （6）吸附平衡 吸附平衡时，在单位时间内进入到吸附位的分子数等于离开吸附位的分子数，此时，吸附速度与解吸速度相等。,28,五、煤的吸附能力,1. 固体表面的吸附现象,（7）气体分子的吸附态 气体分子吸附
12、到固体表面后，紧密地排列在固体表面的吸附位上，分子间的距离大大缩小，自由度降低，其状态已经完全失去了气体状态的特征，不再符合理想气态方程，以类似于“液态”的状态存在。 可形象的比喻为“水蒸汽凝结在固体表面”。 （8）吸附与解吸过程中的热量交换 吸附（adsorption）： 解吸（desorption）：,是一个放热过程。,是一个吸热过程。,29,五、煤的吸附能力,2. Langmuir方程,式中 a吸附常数，表示在给定温度下，单位质量固体的表面饱和吸附气体时，吸附的气体体积，, cm3/g，一般为15-55 m3/t ； b吸附常数，MPa-1，一般为0.5-5.0MPa-1； p吸附平衡时
13、的瓦斯压力，MPa； V在给定温度下，瓦斯压力为p时单位质量固体的表面吸附的气体体积，m3/t。,30,五、煤的吸附能力,2. Langmuir方程,p（MPa）,V（cm3/g）,31,五、煤的吸附能力,3. 煤对甲烷的吸附,煤是一种吸附性强的多孔介质，对CH4、CO、N2、O2等多种气体均具有较强的吸附性。 煤对甲烷分子的吸附属于单分子层物理吸附，符合Langumir等温吸附规律。 不同煤种对甲烷的吸附量不同，其最大吸附量可达50m3/t以上。,1t煤体积： 1/1.4=0.71m3,1t煤孔隙体积： 0.718%=0.57m3,1t煤为何能容纳高达 50m3的甲烷？,32,五、煤的吸附能
14、力,3. 煤对甲烷的吸附,（1）a值差异 不同矿区的煤对甲烷的吸附规律相差较大，表现在a值相差也较大。,焦作大煤,阳泉3煤,峰峰大煤,淮南B11b,抚顺本层,西山2层,淮南13-1,33,五、煤的吸附能力,3. 煤对甲烷的吸附,（2）吸附饱和度 实质：已充填的吸附位占总吸附位的比率。 定义：实际吸附量与极限吸附量的比率。,34,五、煤的吸附能力,3. 煤对甲烷的吸附,（3）b值差异 b值的意义是等温吸附曲线始点（p=0）的斜率。 b值越大，曲线越陡； b值越大，越容易吸附饱和； 特征压力：饱和度达到0.5时的吸附压力。,b=2,b=1,b=0.6,b=0.4,b=0.2,pc1,pc2,35,
15、五、煤的吸附能力,4. 影响吸附量的因素,（1）吸附压力 固体表面上的吸附量随着吸附压力的增加而增加，但这种增加趋势随着压力的增加而减弱，最后逐渐接近于极限吸附量a。,36,五、煤的吸附能力,4. 影响吸附量的因素,（2）吸附温度 吸附能力随着吸附温度的增加而减弱，煤在吸附甲烷时，温度每升高1，吸附能力减少约8%。 式中： Vt、V0温度分别为t和0时煤的吸附瓦斯量，m3/t； n与瓦斯压力有关的系数。,37,五、煤的吸附能力,4. 影响吸附量的因素,（3）气体性质 不同性质的气体，其吸附能力不同。煤对气体吸附能力由强到弱的顺序为： CO2CH4N2 启发： *吸附性存在差异的混合气体吸附存在
16、着竞争吸附。 *可以用强吸附性气体置换弱吸附性气体。,瓦斯压力（MPa）,吸附瓦斯量（m3/t）,N2 26,CH4 26,CO2 26,无烟煤在不同温度的吸附量,38,五、煤的吸附能力,4. 影响吸附量的因素,（4）煤化程度 随着煤的变质程度增加，煤的吸附能力越强。 虽然煤对瓦斯的吸附量随挥发分有一定的变化规律，但其分散度较大，不存在一一对应的函数关系，因此无法根据挥发分确定瓦斯吸附量。,t=30，p=0.1MPa,39,五、煤的吸附能力,4. 影响吸附量的因素,煤的突出性 突出煤一般具有孔隙和比表面积发育，坚固性系数小(f10)等特点。但突出煤与非突出煤的吸附量差异不大。,40,五、煤的吸附能力,4. 影响吸附
