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1、第一节 煤矿瓦斯概述第二节 瓦斯致灾类型第三节 瓦斯治理技术第一节 煤矿瓦斯概述一、煤矿瓦斯的性质二、煤矿瓦斯的生成三、瓦斯的赋存四、矿井瓦斯涌出一、煤矿瓦斯的性质瓦斯(通常指甲烷CH4)是一种无色、无味、无嗅 的气体。在标准状态(温度为0、大气压为 101325Pa)下，瓦斯密度为0.7168kg/m3，相对密 度为0.554。由于瓦斯较轻，故常积聚在巷道的 顶部、上山掘进面及顶板冒落空洞中。瓦斯微溶于水，在20、101.3kPa条件下， 溶解度为3.5L/100L水。瓦斯的扩散性很强，扩 散速度是空气的1.34倍，会很快地在空气中扩 散。二、煤矿瓦斯的生成(一)生物化学造气时期(二)煤化变
2、质作用造气时期(一)生物化学造气时期这是成煤作用的第一阶段，即泥炭化或腐泥化 阶段。在该阶段，植物在泥炭沼泽、湖泊或浅 海中不断繁殖，其遗体在微生物参加下不断分 解、化合和聚积。在这个阶段中,起主导作用的 是生物化学作用，低等植物经生物化学作用形 成腐泥，高等植物形成泥炭。(二)煤化变质作用造气时期这是成煤作用的第二阶段，即泥炭、腐泥在以 温度和压力为主的作用下变化为煤的过程。在 该阶段中，由于埋藏较深且覆盖层已固化，故 在压力和温度影响下，泥炭进一步变为褐煤， 褐煤再变为烟煤和无烟煤。三、瓦斯的赋存(一)瓦斯的存在状态(二)影响煤层瓦斯赋存及含量的主要因素(一)瓦斯的存在状态1.游离状态(也
3、称自由状态)2.吸附状态(也称结合状态)(一)瓦斯的存在状态图4-1 瓦斯在煤体中的存在状态 1游离瓦斯 2吸着瓦斯 3吸收瓦斯1.游离状态(也称自由状态)这种瓦斯以完全自由的气体状态存在于煤体或围岩的较大裂缝、孔隙或空洞之中(如图4-1中 1所示)。游离瓦斯可以自由运动或从煤(岩)层的 裂隙中散放出来，因此表现出一定压力。煤体 内游离瓦斯的多少取决于储存空间的容积、瓦 斯压力及围岩温度等因素。2.吸附状态(也称结合状态)按其结合形式的不同，又分为吸着和吸收两种 状态。吸着状态是瓦斯气体分子在其与煤粒固 体分子间的引力作用下而被吸着在煤体孔隙的 内表面上所呈现的状态，其形成一层很薄的吸附层(如
4、图4-1中2所示)；吸收状态是瓦斯分子进 入煤体胶粒结构内部与煤分子结合而呈现的一种状态，其类似气体溶解于液体的现象(如图4-1 中3所示)。吸附状态存在的瓦斯量的多少，取决 于煤的结构特点、炭化程度等。(二)影响煤层瓦斯赋存及含量的主要因素1.煤层的埋藏深度2.煤层和围岩的透气性3.煤层倾角4.煤层露头5.煤化作用程度6.煤系地层的地质史1.煤层的埋藏深度煤层埋藏深度的增加不仅会因地应力增高而 使煤层和围岩的透气性降低，而且瓦斯向地表 运移的距离也增大，这两者的变化均朝着有利 于封存瓦斯而不利于瓦斯扩散的方向发展。研 究表明：当深度不大时，煤层瓦斯含量随埋深 的增大基本上呈线性规律增加；当埋
5、深达到一 定值后，煤层瓦斯含量将趋于常量。2.煤层和围岩的透气性3.煤层倾角在同一埋深及条件相同的情况下，煤层倾角越 小，煤层的瓦斯含量就越高。这种现象的主要 原因在于煤层透气性一般大于围岩；煤层倾角 越小，在顶板岩性密封好的条件下，瓦斯不易 通过煤层排出，煤体中的瓦斯容易得到储存， 故而煤层的瓦斯含量高。4.煤层露头煤层露头是瓦斯向地面排放的出口。因此，露 头存在的时间越长，瓦斯排放就越多。5.煤化作用程度6.煤系地层的地质史成煤有机物沉积以后，直到现今煤化阶段，经 历了漫长的地质年代。其地层多次下降或上 升、覆盖层加厚或遭受剥蚀、陆相与海相交替 变化、遭受地质构造运动破坏等，所有这些地 质
6、过程及其延续时间的长短，都对煤层瓦斯含 量的大小产生影响。四、矿井瓦斯涌出(一)矿井瓦斯涌出形式(二)矿井瓦斯涌出量表示方法和计算(三)影响矿井瓦斯涌出量的主要因素(四)瓦斯涌出量预测方法(五)瓦斯涌出不均衡系数、压力和梯度(一)矿井瓦斯涌出形式1.普通涌出2.特殊涌出1.普通涌出即瓦斯从采落的煤炭及煤层、岩层的暴露面上 ，通过细小的孔隙缓慢而长时间地放出。首先 是游离瓦斯，而后是部分解吸的吸附瓦斯。普 通涌出是矿井瓦斯涌出的主要形式，不仅范围 广，而且数量大。2.特殊涌出矿井瓦斯涌出量是指矿井生产过程中涌入巷道 的瓦斯量，可用绝对瓦斯涌出量和相对瓦斯涌 出量两个参数来表示。矿井绝对瓦斯涌出量
7、是 指矿井在单位时间内涌出瓦斯的体积，通常所用的单位为m3/min或m3/d。矿井相对瓦斯涌出 量是指矿井在正常生产条件下月平均日采1t煤 所涌出的瓦斯体积，单位是m3/t。(二)矿井瓦斯涌出量表示方法和计算1.绝对瓦斯涌出量2.相对瓦斯涌出量1.绝对瓦斯涌出量单位时间内涌进采掘空间的瓦斯数量，叫做绝对瓦斯涌出量。用单位m3/min或m3/d表示。可 用下式计算：2.相对瓦斯涌出量在矿井正常生产条件下，月平均日产1t煤所涌 出的瓦斯数量，叫做相对瓦斯涌出量。用m3/t 表示。可用下式计算：(三)影响矿井瓦斯涌出量的主要因素1.煤层和围岩的瓦斯含量2.开采规模3.开采顺序与开采方法4.地面大气压
8、力的变化1.煤层和围岩的瓦斯含量煤层(包括可采层和非可采层)和围岩的瓦斯含量 是瓦斯涌出量大小的决定因素，瓦斯含量越高 ，瓦斯涌出量越大。当前矿井的瓦斯涌出量预 测把煤层瓦斯含量作为主要依据。2.开采规模开采规模是指矿井的开采深度,开拓、开采范 围,以及矿井的产量而言。随着开采深度的增大 ，煤层的瓦斯含量将增大，因而瓦斯涌出量也 相应地增大。对某一矿井来说，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。如果 矿井是靠改进采煤工艺、提高工作面单产来增 大产量的，则相对瓦斯涌出量明显地减少，其 原因：一是与采面无关的瓦斯源的瓦斯涌出量 在产量提高时无明
9、显增大；二是随着开采速度 加快，邻近层及采落煤的残存瓦斯量将增大。 如果矿井仅是靠扩大开采规模来增大产量的， 则矿井相对瓦斯涌出量或保持不变或增大。3.开采顺序与开采方法在开采煤层群中的首采煤层时，由于其涌出的 瓦斯不仅来源于本煤层本身，而且还来源于 上、下邻近层。因此，开采首采煤层时的瓦斯 涌出量往往比开采其他各层时大好几倍。为了 使矿井瓦斯涌出量不发生大波动，在开采煤层 群时，应搭配好首采煤层和其他各层的比例。4.地面大气压力的变化地面大气压力变化，必然引起井下空气压力的变化。根据测定，地面大气压力在1年内的变 化量可达(58)10-3MPa，1d内的最大变化量可 达(24)10-3MPa
10、，但与煤层瓦斯压力相比，地 面大气压的变化量是很微小的。(四)瓦斯涌出量预测方法1.统计法2.煤层瓦斯含量法1.统计法由已采水平不同深度的瓦斯涌出量观测数据可 按下式计算瓦斯涌出量增深率：已知瓦斯涌出量增深率和瓦斯风化带下界限时 ，就可用下式预测相对瓦斯涌出量：矿井的相对瓦斯涌出量与深度之间为非线性关 系，其回归方程可采用下列形式：2.煤层瓦斯含量法单一煤层开采时相对瓦斯涌出量：开采有邻近层的煤层时相对瓦斯涌出量：瓦斯含量与本煤层相同时，qei由下式计算：(五)瓦斯涌出不均衡系数、压力和梯度1.瓦斯涌出不均衡系数2.瓦斯压力3.瓦斯梯度1.瓦斯涌出不均衡系数在开采过程中，由于煤层赋存条件、地质
11、构 造、大气压力及生产工艺的不同和影响，每时 每刻涌出的瓦斯量都不一样，有时大,有时小， 并不均匀。为了便于通风和瓦斯管理引入瓦斯 涌出不均衡系数，其值就是最大绝对瓦斯涌出 量与平均绝对瓦斯涌出量的比值。“煤矿安 全规程(以下简称规程)执行说明”规定， 对于一个采区或采面，在正常生产情况下，至少要连续进行5昼夜测算，所得的比值中的最大 值即为该区(面)的瓦斯涌出不均衡系数。显然， 瓦斯涌出不均衡系数总是大于1的。其用途是， 在进行风量计算时要乘上瓦斯涌出不均衡系数 ，这样算出的风量才能满足安全生产的要求。2.瓦斯压力瓦斯压力是指瓦斯在煤层中所呈现的压力。它 是由煤层孔隙和裂隙中的游离瓦斯的自由
12、热运 动对孔隙和裂隙的空间壁面所产生的作用力体 现出来的。瓦斯压力是衡量煤层瓦斯含量大小 的一个重要指标，也是抽放瓦斯和防止煤与瓦 斯突出的重要依据之一。3.瓦斯梯度对于某一矿井或煤层来说，在一定范围内，其 相对瓦斯涌出量是随开采深度的增加而增加的 ，而且，相对瓦斯涌出量的增加量与所增加的 开采深度之间的比值是一个常数，这个常数习 惯上就称为瓦斯梯度。其含义是，在瓦斯风化 带以下，深度每增加一单位时，相对瓦斯涌出 量增加的数量。瓦斯梯度的用途是，可以用来 推算和预测深部尚待开采水平或采区的相对瓦 斯涌出量；其对于预抽瓦斯和新采区通风设计 也是一个非常重要的参数。第二节 瓦斯致灾类型一、瓦斯喷出
13、二、瓦斯燃烧爆炸三、瓦斯突出四、瓦斯窒息一、瓦斯喷出(一)瓦斯喷出特点与危害(二)瓦斯喷出分类(三)瓦斯喷出原因(四)瓦斯喷出的规律(一)瓦斯喷出特点与危害目前认为，大量的承压状态的瓦斯从肉眼可见 的煤、岩裂缝中快速喷出的现象，称为瓦斯喷 出。因此，瓦斯喷出主要取决于两个因素，即 瓦斯压力的大小和周围煤、岩裂隙状态。但是 ，由于矿井中煤、岩裂隙分布状态复杂多变， 同时承压状态的瓦斯也时常发生变化，所以导 致了喷出时的瓦斯流动状态变化不定，增加了 研究、测试工作的难度。因此，时至今日，人 们的研究工作还仅仅是初步的。由于瓦斯喷出 在时间上往往表现为突然性，而在空间上又表 现为集中性，所以对矿井安
14、全生产的威胁是很 大的。(二)瓦斯喷出分类1.瓦斯沿原地质构造裂隙的喷出2.瓦斯沿采掘地压生成的裂缝的喷出1.瓦斯沿原地质构造裂隙的喷出这类喷出大多数发生在地质破坏带，石灰岩溶 洞裂缝区，背斜或向斜轴部储瓦斯区以及其他 一些储瓦斯构造与原始裂缝相通的区域。这类 瓦斯喷出的特点是：在一般情况下喷出的瓦斯 流量较大，持续的时间较长，无明显的地压显 现预兆；而且掘进巷道的瓦斯喷出一般位于工 作面迎头周围。这类瓦斯喷出时的流动多数为 紊流运动；当然，这主要取决于喷出时的瓦斯 流动速度。2.瓦斯沿采掘地压生成的裂缝的喷出这类瓦斯喷出不仅与地质构造有关，而且还与 采掘地压有关。这是因为，在各种地质构造破
15、坏区内，原来处于封闭状态的构造裂隙在采掘 地压和瓦斯压力的联合作用下往往会突然张开 ，成为瓦斯喷出的通道。此外，在采掘地压的 作用下，也往往会产生新的裂隙，构成瓦斯喷 出的通道。这类瓦斯喷出的特点是：喷出濒临 发生时，往往伴随着地压显现效应，出现多种 显著预兆。这类瓦斯喷出时的流动状态则取决 于喷出源的瓦斯压力、裂隙分布状态及其流动 阻力。(三)瓦斯喷出原因(1)内因：煤层或岩层的构造裂缝中储存有大量高瓦斯。(2)外因：在采掘过程中，由于爆破穿透、机械振动或地压活动，使煤炭造成卸压缝隙，构成瓦斯喷出的通道是其外在因素。(四)瓦斯喷出的规律(1)瓦斯喷出往往发生在地址变化带，瓦斯喷出前往往有先兆
16、。(2)易发生在煤层顶、底板岩层中有溶洞、裂隙发育的石灰岩。(3)具有明显的喷出口或裂隙。(4)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。二、瓦斯燃烧爆炸(一)瓦斯爆炸的条件(二)瓦斯爆炸的过程和危害(三)瓦斯爆炸的原因分析(四)影响瓦斯爆炸发生的因素(一)瓦斯爆炸的条件1.与空气混合气体中瓦斯的含量2.氧气的含量3.足够能量的点火源1.与空气混合气体中瓦斯的含量瓦斯发生爆炸的界限指的是瓦斯与空气的混合 气体中瓦斯的体积比含量，当瓦斯含量达到9.5%时，理论上瓦斯可以同空气中的氧气完全 反应，从而放出最多的热量，因此，爆炸的强 度最大。在实际测量中，最大瓦斯爆炸强度往往比该含量高一点，达到10%左右。当与瓦斯混 合的空气成分发生变化时，例如其中混入了其 他可燃气体或认为加入了过量的惰性气体，则 上述瓦斯爆炸的界限就要发生变化，这种变化 通常是不能忽略的。2.氧气的含量瓦斯空气混合气体中氧气的含量必须大于12%， 否则爆炸反应不能持续。矿井下的封闭区域、 采空区内及其他裂隙等处，由于氧气消耗或没有供氧条件，可能会出现氧气含量低于12%的情 况
