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1、第1章 矿井瓦斯1、概述2、煤层瓦斯赋存与含量3、矿井瓦斯涌出4、瓦斯喷出5、煤(岩)与瓦斯突出及其防治6、瓦斯爆炸及其预防7、矿井瓦斯抽放,本章要求：熟悉瓦斯性质、矿井瓦斯生成及赋存规律；理解矿井瓦斯涌出及影响因素；了解矿井瓦斯喷出以及防治措施；掌握煤（岩）与瓦斯突出机理、一般规律以及防治技术；掌握矿井瓦斯爆炸条件及预防技术；熟悉矿井瓦斯抽放条件与方法。,第一节 概 述矿井瓦斯概念瓦斯的性质和危害瓦斯利用,返回,一、矿井瓦斯概念矿井瓦斯是成煤过程中的一种伴生气体，地质学上称为煤层气。1、广义概念矿井瓦斯是煤矿生产过程中，从煤层、围岩中涌入矿井内的各种气体的总称。主要成分为：CH4、CO2、N
2、2少量成分：H2S、CO、H2、SO2、C2H6、C2H4等。甲烷是矿井瓦斯的主要成分，占瓦斯总量的8090%，在分析和研究矿井瓦斯时，又以甲烷CH4为主，其次是CO2。2、狭义概念矿井瓦斯就是指甲烷(CH4)。,返回本节,二、瓦斯的性质和危害1、性质瓦斯是一种无色、无味、无嗅的气体。在标准状态下，瓦斯的密度为0.7168kg/m3，为空气密度为0.554倍。瓦斯分子直径0.41nm，瓦斯的扩散性很强，扩散速度是空气的1.34倍，会很快在空气中扩散。当无瓦斯涌出时，巷道断面内瓦斯的浓度是均匀分布的；当有瓦斯涌出时，瓦斯浓度呈不均匀分布，在有瓦斯涌出的侧壁附近瓦斯的浓度高。瓦斯的化学性质不活泼，
3、微溶于水，在200C、101.325kPa的条件下，溶解度为3.5L/100L水。,返回本节,2、危害(1)污染环境，加剧大气“温室效应”它产生的温室效应是CO2的2530倍，且产生温室效应的时效长达100150年之久。(2)瓦斯积聚可使人窒息死亡瓦斯本身无毒，其浓度57，能使空气中氧浓度10。通风不良或不通风的煤巷，往往积存大量瓦斯。案例：1961年10月28日，抚顺某矿-330m水平52采区3斜上掘进工作面临时停工，因水力引射器循环风造成巷道内瓦斯积聚，通风人员随即钉上栅栏并挂上“禁止入内”的警标。11月22日，采区3名技术员为准备复工，闯进栅栏检查，当走进44m(盲巷全长69m)处时，全
4、部窒息死亡，直到第二天才被发现。现场取样分析表明：瓦斯浓度43.9%，二氧化碳浓度4.3%(正常0.04%)，氧气浓度0.9%，氮气浓度50.9%。,(3)瓦斯可酿成燃烧和爆炸事故当矿井中瓦斯浓度低于5%或超过15%时，遇到火源，会酿成瓦斯燃烧；当瓦斯浓度达到5%15%时，遇火源将会引起爆炸。(4)瓦斯喷出和突出现象发生瓦斯喷出或煤与瓦斯突出动力现象时，大量高浓度的瓦斯突然涌向采掘空间，特别是煤与瓦斯突出还伴有强大的冲击波，不仅会造成现场作业人员窒息死亡。还可能引起瓦斯爆炸重大事故。如我国最大突出是于1975年8月8日在天府矿务局三汇坝一矿主平硐(+280m)，震动性放炮揭穿6号煤层时发生的，
5、突出煤岩量1.3万t、瓦斯140万m3 。,三、瓦斯利用根据美国环境保护总署1994年的数据，全世界地下煤矿排放瓦斯量2941109m3/年，其中2.3109m3作为燃料利用，其余被排放到大气中去。1990年估算，中国煤矿排放到大气层中的瓦斯量达1424109m3，约占世界总排放量的1/3。可用作居民和矿山设备的燃料。可用于玻璃和塑料工业生产中的原料碳黑。可用于发电，1990年抚顺老虎台矿建立了中国第一家1200kW的瓦斯发电厂。2009年7月29日宁夏汝箕沟矿建成年利用瓦斯4000万m3、发电9000万kWh的瓦斯发电项目。,返回本节,第二节 煤层瓦斯赋存与含量瓦斯的成因与赋存煤层瓦斯垂直分
6、带影响煤层瓦斯含量的因素煤层内的瓦斯压力,返回,一、瓦斯的成因与赋存1、矿井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，成气过程可分为两个阶段。(1)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650C的条件下，被厌氧微生物分解为CH4、CO2和H2O。在这个阶段生成的泥炭层，埋深浅，生成的瓦斯易排放到古大气中去，一般不会保留在现有煤层内。随着泥炭层下沉，上覆盖层变厚，温度和压力增高，生物化学作用逐渐减弱直至结束，在较高的压力与温度作用下泥炭转化成褐煤，并逐渐进入煤化变质作用阶段。,返回本节,(2)煤化变质作用成气时期褐煤进一步沉降，压力与温度
7、作用加剧，便进入煤化变质作用造气阶段。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 。从褐煤到无烟煤，煤的变质程度越高，生成的瓦斯量也越多。,2、 煤层瓦斯赋存煤是天然的空隙裂隙体：空隙率一般为518%；每克煤内空隙的表面积达20200m2/g甚至更多。,丰城煤张扭裂隙，放大5400倍,鸡西煤的孔隙，放大720倍,瓦斯在煤体内存在的状态(1)游离状态(自由状态)瓦斯以自由气体的状态存在于煤体的孔隙和裂隙中，呈现出压力，服从气体状态方程。游离瓦斯量的大小与贮存空间的容积和瓦斯压力成正比，与瓦斯温度成反比。,1吸收瓦斯 2游离瓦斯 3吸着瓦斯,(2)吸附状态
8、吸着状态是在孔隙表面的固体分子引力作用下，气体分子被紧密地吸附于孔隙表面上，形成很薄的吸附层。吸收状态是瓦斯分子进入煤体胶粒结构与煤分子结合而呈现的一种状态，类似于气体溶解于液体的现象。煤层赋存的瓦斯量中，通常吸附瓦斯量占80%90%，游离瓦斯量占10%20%。,1吸收瓦斯 2游离瓦斯 3吸着瓦斯,(3)两种状态的关系在煤体中，吸附瓦斯和游离瓦斯在外界温度的压力不变的条件下处于动平衡状态。煤体中的瓦斯含量是一定的，但以游离状态和吸附状态存在的瓦斯量是可以相互转化的。当压力升高或温度降低时，一部分瓦斯由游离状态转化为吸附状态，这种现象称为吸附。如果压力降低或温度升高时，一部分瓦斯就由吸附状态转化
9、为游离状态，这种现象称为解吸。煤层受到采动影响后，形成的压力梯度使瓦斯流动，煤体内瓦斯压力的降低将促进解吸作用。,二、煤层中瓦斯垂直分带形成原因：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，使煤层内的瓦斯呈现出垂直分带特征。,返回本节,煤层自上向下分为四个带：CO2-N2带、N2带、N2-CH4带、CH4带，前三个带总称为瓦斯风化带，第四个带甲烷带。划分的意义：掌握本煤田煤层瓦斯垂直分带的特征，是搞好矿井瓦斯涌出量预测和日常瓦斯管理工作的基础。规律： 瓦斯风化带内，瓦斯涌出量与深度之间无规律性。 瓦斯风化带内，无突出危险性。 在CH4带内
10、，瓦斯含量和涌出量随着深度的增加而增大。在瓦斯风化带开采煤层时，相对瓦斯涌出量一般2m3/t，瓦斯对生产不构成主要威胁。我国大部分低瓦斯矿井都是在瓦斯风化带内进行生产的。,深 度,煤层瓦斯垂直分带及各带气体成分,瓦斯风化带的下部边界深度确定依据：根据下列指标中的任何一项确定：煤层的相对瓦斯涌出量等于23m3/t处；煤层内的瓦斯组分中甲烷及重烃浓度总和达到80%（体积比）；煤层内的瓦斯压力为0.10.15MPa；煤的瓦斯含量为23m3/t（烟煤）和57m3/t（无烟煤）。瓦斯风化带深度决定于煤层的具体条件，变化很大，即使在同一井田有时也相差很大，南桐鱼田堡矿的瓦斯风化带为30m，开滦赵各庄矿为4
11、67m。,三、影响煤层瓦斯含量的因素煤的瓦斯含量是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或m3/t。煤层瓦斯原始含量：指未受采矿采动及抽采影响的煤体内的瓦斯含量。煤层瓦斯残余含量：指受采矿采动及抽采影响的煤体内现存的瓦斯含量。煤的瓦斯含量包括游离瓦斯和吸附瓦斯。,返回本节,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。煤的煤化程度越高，存储瓦斯的能力越强。因此，在其它条件相同时，高变质煤比低变质煤瓦斯含量大。2、煤层露头煤层露头是瓦斯向地面排放的出口，露头存在时间越长，瓦斯排放越多；反之地表无露头的煤层，瓦斯含量较高。3、煤
12、层的埋藏深度煤层的埋藏深度的增加，有利于封存瓦斯。瓦斯风化带中瓦斯含量小，不会发生瓦斯突出。甲烷带内同，瓦斯含量随深度的增加而增大。,如：阳泉3号煤层为无烟煤，挥发分为7%，瓦斯压力1.3MPa，瓦斯含量为25m3/t；抚顺胜利矿为气煤，发分为45%，瓦斯压力1.7MPa，瓦斯含量仅7m3/t。,4、围岩透气性围岩为致密完整的低透气性岩层，如泥岩，完整的石灰岩，煤层中的瓦斯就易于保存下来，瓦斯含量就大，瓦斯压力也大。围岩透气性大，如中粗砂岩、砾岩等，瓦斯越易流失，煤层瓦斯含量就小。5、煤层倾角埋藏深度相同时，煤层倾角越小，煤层的瓦斯含量就越高。如芙蓉煤矿北翼煤层倾角40800，瓦斯涌出量约20
13、m3/t，无瓦斯突出现象；南翼煤层倾角6120，瓦斯涌出量高达150m3/t，具有发生瓦斯突出的危险性。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放，煤体中的瓦斯容易得到贮存。,6、地质构造封闭型地质构造有利于封存瓦斯，开放型地质构造有利于瓦斯排放。(1)褶曲构造背斜构造瓦斯风化带以下，背斜顶板为致密岩层又未遭到破坏时，在背斜轴部的瓦斯容易积聚和保存下来，形成瓦斯含量较高的“气顶”，称为储瓦斯构造。当背斜轴部的顶部岩(煤)层因张力作用而形成有连通地表的裂隙时，背斜轴部的瓦斯就会流失掉，瓦斯含量就会降低。,1-不透气岩层 2-煤层瓦
14、斯含量增高区域 3-煤层,向斜构造向斜构造一般轴部的瓦斯含量比翼部高，这是轴部岩层受到强力挤压，围岩的透气性会变得更低，则轴部封存较多瓦斯。,1-不透气岩层 2-煤层瓦斯含量增高区域 3-煤层,(2) 断裂构造开放性断层(张性、张扭性断层)，不论其与地表是否直接相通，都会因其有利于瓦斯的散放而使瓦斯含量降低，如图a、b。而封闭性断层(压性、压扭性断层)不利于瓦斯的排放，煤层瓦斯含量则较高，如图c。,1-瓦斯丧失区域；2-瓦斯含量降低区；3-瓦斯含量异常增高区；4-瓦斯含量正常增高区,(3)其他构造煤包储瓦斯构造 局部煤层突然变厚而形成的大“煤包”会出现瓦斯含量增高现象。 因为煤包周围在构造挤压
15、应力作用下，煤层被压薄，形成对大煤包封闭的条件，有利于瓦斯的封存。,1-不透气岩层 2-煤层瓦斯含量增高区域 3-煤层,地垒地堑储瓦斯构造由两条封闭断层与致密围岩圈闭而形成的“地垒”或“地堑”等构造，因为有着良好的圈闭条件，生成的瓦斯难于扩散或排放，其瓦斯含量较其他地点要高。,另外，火成岩侵入体的附近，煤的变质程度较高，瓦斯含量也会增大。,1-不透气岩层 2-煤层瓦斯含量增高区域 3-煤层,7、水文地质条件地下水活跃的地区，煤层瓦斯含量减小。其原因有二：一是瓦斯能溶于水，尽管其溶解度很小，但经过漫长的地质年代，可以从煤层中带走数量可观的被溶解的瓦斯；二是地下水溶蚀一部分矿物质，使地层得到卸压，
16、地应力降低，导致煤岩层裂隙发育和透气性的增加，从而增强了煤层瓦斯的流失。国内煤矿普遍存在凡是不大的矿井瓦斯小，水小的矿井瓦斯大的规律。以上是对这些因素的简要说明，在分析某一煤层瓦斯含量以及有无突出危险时，需要根据这些因素以及地应力等因素作综合的研究。找出影响本煤田、本矿井瓦斯含量的主要因素。,四、煤层内的瓦斯压力1、瓦斯压力的定义煤层瓦斯压力是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。煤层瓦斯原始压力：指未受采矿采动影响及抽采影响的煤体内的瓦斯压力。煤层瓦斯残存压力：指受采矿采动及抽采影响的煤体内现存的瓦斯压力。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潜能大小的基本参数。瓦斯压力是造成突出的重要动力，如1MPa的压力作用在1m2的面积上能产生980kN的推力，这样大的力量足以将几十吨的煤炭抛出。,返回本节,2、煤层瓦斯压力分布的规律根据国内外在瓦斯煤层大量的测定结果，在甲烷带内，煤层的瓦斯压力随深度的增加而增加，多数煤层呈线性增加。存在：p2p1H2H1 式中 p1、p2甲烷带内深度为H1、H2 (m)处的瓦斯压力，MPa。单位下降的深度瓦斯压力的增加值即为瓦斯压力梯度gp。gp(p2p1)/(H2H1) MPa/m则甲烷带内某一深度 H 预测的瓦斯压力 p 为pgp(HH1)p1 MPa,
