瓦斯地质基础2

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1、1 瓦 斯 地 质 学瓦 斯 地 质 学 河 南 理 工 大 学河 南 理 工 大 学 资源环境学院地质工程系资源环境学院地质工程系 2 第二章 瓦斯地质基础 2.1 矿井瓦斯矿井瓦斯 ?2.1 2.1 矿井瓦斯矿井瓦斯 1. “瓦斯瓦斯”词语来源？词语来源？ “瓦斯”音译自日文“（瓦斯）” 2. 矿井瓦斯矿井瓦斯 是指从煤层及煤层围岩中涌出的，以及在煤矿生产过程中产 生的各种气体的统称。 矿井瓦斯成分很复杂，其主要成分是甲烷(CH4)，其次是二氧 化碳(CO2)和氮气(N2)，还含有少量或微量的重烃类气体、氢 （H2）、一氧化碳（CO）、二氧化硫(SO2)、硫化氢(H2S)等。 广义：煤矿井

2、下有毒气体的总称。狭义：甲烷 2.1 矿井瓦斯矿井瓦斯 ?2.1.1 2.1.1 矿井瓦斯来源矿井瓦斯来源 矿井瓦斯来源矿井瓦斯来源 煤（岩）层和地下煤（岩）层和地下 水释放出来的水释放出来的 化学及生物化学作化学及生物化学作 用产生的用产生的 煤炭生产过程中煤炭生产过程中 产生的产生的 2.1 矿井瓦斯矿井瓦斯 ?2.1.2 2.1.2 矿井瓦斯的性质矿井瓦斯的性质 1. 物理性质 无色、无味、无嗅、可燃烧、窒息、有毒性、微溶于水。 密度密度：0.7168kg/m3； 水中溶解度水中溶解度：55.61 l/m3(0，0.1MPa) 33.10 l/m3(20，0.1MPa) 爆炸范围爆炸范围

3、：5%-15%(体积百分比，相当1m3空气33-100g瓦斯) 对空气比重对空气比重：0.5545 发 热 量发 热 量：35.994 MJ/m3 扩散系数扩散系数：0.196 cm2/s (0，0.1MPa) 分子直径分子直径：0.4110-9m 2.1 矿井瓦斯矿井瓦斯 ?2.1.3 2.1.3 煤矿常见气体的部分物理性质煤矿常见气体的部分物理性质 甲烷甲烷二氧化碳二氧化碳一氧化碳一氧化碳硫化氢硫化氢乙烷乙烷氢气氢气 CH4CO2COH2SC2H6H2 分子量分子量16.0444.0128.0134.0830.072.01 密度，密度，kg/m3 0.71681.981.251.541.3

4、60.09 对空气的比重对空气的比重0.55451.530.971.171.050.07 沸点，沸点，0， （0.1MPa下）下） - 161.7- 78.5- 190- 61.8- 88.3- 252.8 爆炸下限，爆炸下限，%5/12.54.334 爆炸上限，爆炸上限，%15/74.245.512.574.2 发热量，发热量， MJ/m3 35.99/11.8623.564.5311.94 性性 质质 2.1 矿井瓦斯矿井瓦斯 ?2.1.4 2.1.4 瓦斯的危害及用途瓦斯的危害及用途 危害：危害：危害：危害： 1.可造成瓦斯窒息事故(43%呼吸短促，57%即刻昏迷 2.可酿成瓦斯燃烧事故

5、(15%存在火源) 3.引起瓦斯爆炸事故(5%-15%存在火源) 4.产生煤与瓦斯突出事故 用途：用途：用途：用途： 1.用城镇煤气 2.用作锅炉和窑炉燃料 3.瓦斯发电 4.作为机动车燃料 5.用作化工原料和化工产品 2.2 瓦斯成因瓦斯成因 ?2.2.1 2.2.1 瓦斯成因瓦斯成因 瓦 斯 成 因瓦 斯 成 因 在植物沉积成煤初期的泥炭化过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程中，有机物在隔绝外部氧气进入和 温度不超过温度不超过5050的条件下，被厌氧微的条件下，被厌氧微 生物分解为生物分解为CHCH4 4、COCO2 2和和H H2 2O O。 泥炭时期埋深不

6、大，生成的瓦斯泥炭时期埋深不大，生成的瓦斯 通通过过渗滤渗滤和和扩散排扩散排放放到到大气中，因大气中，因此此 ，生物化学作用产生的瓦斯一，生物化学作用产生的瓦斯一般般不不会会 保留保留在煤层在煤层内内。 生物化学成气时期生物化学成气时期 T T5050 煤化煤化变变质作用时期质作用时期 T=50-220T=50-220 随着随着煤煤系系地层的沉地层的沉降降及及所所 处压力处压力和温度的和温度的增加增加，泥炭，泥炭转转 化为化为褐褐煤煤. .有机物在有机物在高高温、温、高压高压 作用下，作用下，处于变处于变质质造造气时期，气时期， 挥挥发分发分减少减少，固定固定碳碳增加增加，生，生 成的气成的气

7、体主要体主要为为CHCH4 4和和COCO2 2。 2.2 瓦斯成因瓦斯成因 ?2.2.2 2.2.2 成煤过程中瓦斯生成量成煤过程中瓦斯生成量 煤煤 阶阶褐褐 煤煤 长焰长焰煤 气煤 气 煤煤 肥肥 煤煤 焦焦 煤煤 瘦瘦 煤煤 贫贫 煤煤 无烟无烟煤煤 生气量生气量 （m3/t） 阶段阶段生气量生气量 （m3/t） 411746861004417 27028733341968168212229 2.2 瓦斯成因瓦斯成因 ?2.2.3 2.2.3 煤层瓦斯垂向分带各带气体组分煤层瓦斯垂向分带各带气体组分 COCO2 2N N2 2CHCH4 4 % % % % ( (按体按体积积) )( (

8、按体按体积积) )( (按体按体积积) ) COCO2 2-N-N2 2空气空气生化成因生化成因 20208080202080800 01010 N N2 2空气成因空气成因 0 0202080801001000 02020 N N2 2-CH-CH4 4变变质成因质成因 0 020202020808020208080 CHCH4 4变变质成因质成因 0 010100 020208080100100 带带 名名 （从从上上到到下）下） 气气 带带 成成 因因 瓦斯在瓦斯在压力压力和和浓浓度度差驱动差驱动下进下进行运移行运移，煤层，煤层保存保存瓦斯量的瓦斯量的多少取决多少取决 于封闭于封闭条件条

9、件( (埋埋藏藏深度、深度、透透气性、地质气性、地质构造构造) )与贮藏与贮藏条件条件( (吸附吸附性、性、孔隙率孔隙率 、含含水性、温度、水性、温度、压力等压力等) )。 瓦瓦 斯斯 风风 化化 带带 瓦瓦 斯斯 风风 化化 带带 2.2 瓦斯成因瓦斯成因 图2-2-2 顿巴斯煤田煤层瓦斯组分在各瓦斯带中的变化 -氮气-二氮化碳带-氮气带 -氮气-甲烷带-甲烷带 N2 CO2 CH4 CH4 N2 CO2 从从 上上 向向 下下 2.2 瓦斯成因瓦斯成因 ?2.2.4 2.2.4 瓦斯风化带下限瓦斯风化带下限 (1)(1)煤层中煤层中所含所含瓦斯的瓦斯的CHCH4 4成成份达份达80%80%

10、； (2)(2)煤层瓦斯煤层瓦斯压力压力为为0.1-0.15MPa0.1-0.15MPa； (3)(3)在在相同相同条件下条件下(M(M和和T)T)，与与煤层瓦斯煤层瓦斯压力相当压力相当的瓦斯的瓦斯含含量量； 气煤气煤X=1.5-2.0 mX=1.5-2.0 m3 3/t.r/t.r； 肥肥煤煤与瘦与瘦煤煤X=2.0-2.5 mX=2.0-2.5 m3 3/t.r/t.r； 瘦瘦煤煤X=2.5-3.0 mX=2.5-3.0 m3 3/t.r/t.r；贫；贫煤煤X=3.0-4.0 mX=3.0-4.0 m3 3/t.r/t.r； 无烟无烟煤煤X=5.0-7.0 mX=5.0-7.0 m3 3/t

11、.r/t.r，相相对瓦斯对瓦斯涌涌出量出量q=2-3 mq=2-3 m3 3/t/t； (4)(4)矿井矿井相相对瓦斯对瓦斯涌涌出量为出量为2m2m3 3/t/t。 影响影响因因素素： 煤层煤层赋存赋存地质条件地质条件( (围围岩性质、煤层有岩性质、煤层有无露头无露头、断断层发层发育育、 煤层煤层倾角倾角、地下水、地下水活活动等动等) ) 2.3 瓦斯赋存瓦斯赋存 ?2.3.1 2.3.1 瓦斯在煤体内赋存状态瓦斯在煤体内赋存状态 图例图例 瓦斯在煤层瓦斯在煤层内存内存在在状态状态 1 -1 - 游离游离瓦斯瓦斯；2 -2 - 吸吸收收瓦斯瓦斯；3 -3 - 吸着吸着瓦斯瓦斯 1 1 瓦斯在煤

12、瓦斯在煤体内存体内存在在状态状态 吸附吸附瓦斯瓦斯 80-90%80-90% 游离游离瓦斯瓦斯 10-20%10-20% 吸吸收状态收状态吸着吸着状态状态 以自由以自由气气体体 分子分子存存在在于于煤煤 体体或或围围岩的岩的较较 大大裂裂隙隙、孔隙孔隙 和空和空洞之洞之中。中。 在在与与颗粒颗粒固体固体 在分子在分子之间引之间引力力 作用下，被作用下，被吸着吸着 在煤在煤体孔隙体孔隙的的内内 表面表面上。上。 瓦斯分子进瓦斯分子进 入煤入煤体体颗粒结颗粒结 构内构内部，部，与与煤煤 体固体体固体分子分子相相 结合结合。 2.3 瓦斯赋存瓦斯赋存 ?2.3.2 2.3.2 瓦斯吸附与解吸瓦斯吸附

13、与解吸 吸附吸附 瓦斯瓦斯 游离游离 瓦斯瓦斯 压力压力温度温度 压力压力温度温度 (1)(1)吸附吸附瓦斯瓦斯与与游离游离瓦斯瓦斯处于动处于动平衡状态平衡状态； (2)(2)外外界界压力压力、温度、温度变变化，化，原平衡破坏原平衡破坏； (3)(3)这种这种瓦斯瓦斯由由吸附吸附状态状态转转化为化为游离状态游离状态的的现象现象，称称为解为解吸；吸； (4)(4)吸附吸附态态瓦斯瓦斯无内无内能能，游离态游离态分子热分子热运动运动具具有有内内能能； (5)(5)煤的解煤的解吸吸瓦斯量：瓦斯瓦斯量：瓦斯压力从压力从平衡状态平衡状态下过下过渡渡到到正常标准正常标准 大气大气压压下，煤下，煤休休释放的瓦

14、斯量。释放的瓦斯量。 2.4 煤的性质煤的性质 ?2.4.1 2.4.1 煤的孔隙分类煤的孔隙分类 微微孔孔：直径直径 10-1 -1 mmmm ，层，层流流和和紊流混合紊流混合渗透渗透区间区间。 煤煤 中中 孔孔 隙隙 分分 类类 渗透渗透容容积：积：小小孔孔至可见至可见 孔孔隙体孔孔隙体积积之之和。和。 总总孔隙体孔隙体积：积：吸附吸附容容积积 和和渗透渗透容容积积之之和。和。 中中孔孔：直径直径1010-4 -4 mm mm1010-3 -3 mm mm ，缓慢缓慢层层流流渗透渗透区间区间。 大大孔孔：直径直径1010-3 -3mm mm1010-1 -1mm mm ，强烈强烈的层的层流

15、流渗透渗透区间区间。 小小孔孔：直径直径1010-5 -5mm mm1010-4 -4mm mm ，毛细凝结毛细凝结和瓦斯和瓦斯扩散扩散空空间间。 2.4 煤的性质煤的性质 ?2.4.2 2.4.2 不同变质程度煤的孔隙分布不同变质程度煤的孔隙分布 0.0550.0490.0520.0290.0010.07625 5无烟无烟煤煤 0.0440.0330.0560.0230.0010.0546 69 9半半无烟无烟煤煤 0.0330.0270.0520.0220.0010.05210 01717贫贫 煤煤 0.0290.0220.0330.0160.0010.03618 82121瘦瘦 煤煤 0

16、.0260.0210.0380.0190.0010.03922 22727焦焦 煤煤 0.0260.0190.0330.0250.0010.05028 83434肥肥 煤煤 0.0260.0150.0340.0300.0010.05835 54040气 煤气 煤 0.0230.0210.0280.0610.0450.0701316长焰长焰煤煤 平均平均最小最小最最大大平均平均最小最小最最大大 微微孔孔(m3/t)小小孔孔、中、中孔孔和大和大孔孔(m3/t)挥挥发发份含份含量量 (%) 煤煤牌号牌号 2.4 煤的性质煤的性质 ?2.4.3 2.4.3 煤的 吸附等温线煤的 吸附等温线 1916年郎格缪尔导年郎格缪尔导出出单单分子层分子层吸附吸附 状态方状态方程程- - 郎格缪