矿井瓦斯防治

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1、第五章 矿井灾害防治,第二节 矿井瓦斯防治 一、矿井瓦斯基本知识 （一）概述 1、瓦斯的概念矿井瓦斯是煤矿生产过程中，从煤、岩内涌出的以甲烷为主的各种有害气体的总称。它是一种混合气体：（1）甲烷(CH4)占8090%,（2）其他烃类如乙烷、丙烷，以及CO2 H2、CO等气体 瓦斯从安全角度可以将这些组分划分为四类。 可燃性气体：甲烷等同系烷、烃、 H2、CO H2S等 有毒性气体：如H2S CO SO2 NH3 NO NO2 窒息性气体：N2 CH4 CO2 H2 放射性气体：氡气,2、瓦斯的基本性质 （1）瓦斯是无色、无味、无臭、无毒的气体。 （2）甲烷分子非常小 其分子的直径为0.3758

2、10-9 m，可以在微小的煤体孔隙和裂隙里流动。 （3）瓦斯具有扩散性，其扩散速度是空气的1.34倍，从煤岩中涌出的瓦斯会很快扩散到巷道空间。 （4）甲烷的比重为0.554，比空气轻，如果巷道上部有瓦斯涌出源，且风速低时，容易在顶板附近形成瓦斯积聚层。,（5）瓦斯具有窒息性。甲烷虽然无毒，但其浓度增加，可相对地使氧气浓度下降。 当空气中瓦斯浓度达19%时，氧气下降为17%，在劳动时使人感到呼吸困难； 当瓦斯浓度达到43%时，氧气下降为12%，使人发生窒息； 当瓦斯浓度超过57%时，氧气降低至10%以下，使人立即死亡。,（6）瓦斯具有燃烧和爆炸性。一般情况下，瓦斯浓度在5%16%时，遇火即爆炸。

3、当瓦斯浓度在5%以下或在16%以上时，遇火不爆炸只燃烧。 瓦斯是一种可燃性气体，浓度达到一定范围还会爆炸，按瓦斯在空气中发生燃烧的性状不同，可将它分为三个区间： 助燃区间 瓦斯浓度0 5 %之间，能发生氧化燃烧反应，不能形成持续火焰，只能起到助燃作用。, 爆炸区间 浓度5%16%之间，遇火发生爆炸。 扩散燃烧区间 浓度大于16%，此区间内瓦斯瓦斯空气的混合气体无法直接被点燃，但与新鲜空气混合时，可在混合界面上被点燃并形成稳定的火焰，称为扩散燃烧。 (二)煤层瓦斯赋存与含量 1.矿井瓦斯的生成 在植物沉积成煤初期的泥炭化过程中，有机物被厌氧微生物分解为CH4、CO2和H2O；,在以后的煤化变质过

4、程中，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。 据粗略估计，每生成一吨烟煤同时可伴生600m3以上的甲烷。 由长烟煤变成无烟煤时，每吨又可伴生240m3的甲烷。 煤的变质程度越高，瓦斯含量越高。,2.瓦斯在煤层中的赋存状态 煤是一种复杂的多孔性固体，有着由十分发达的、大小不同的孔隙和裂隙形成的巨大的自由空间和空隙表面积，瓦斯以游离和吸附两种状态存在于煤体内。 游离状态(也称自由状态)：是指瓦斯以自由气体状态存在于煤层或围岩的孔隙、裂缝与空洞中。,吸附状态(也称结合状态)：按其结合的形式不同，分为吸着和吸收两种。 吸着状态：是在孔隙表面的团体分子引力

5、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：是瓦斯分子已深入到煤分子团内部，如同气体溶解于液体中的状态。,游离状态与吸附状态的瓦斯不是固定不变的，在一定条件下，二者是可以相互转化的。 当外界压力降低或温度升高时，一部分吸附瓦斯可转化为游离瓦斯，这种现象叫做解吸； 当外界压力增加或温度降低时，一部分游离瓦斯可转化为吸附瓦斯，这种现象叫做吸附。 在现今开采深度内，煤层中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。 随着开采，大量的吸附瓦斯会转变为游离瓦斯，且这一过程不断重复，因此，回采时瓦斯会不断涌出。,3.煤层瓦斯含量 （1）定义：煤层瓦斯含量是指

6、单位体积或重量的煤在自然状态下所有的瓦斯的数量，其单位为m3/m3或m3/T。 （2）煤层瓦斯含量的大小取决于两方面： 一是成煤和变质过程中瓦斯生成量的多少； 二是瓦斯能被保存下来的条件。（起主要作用，决定煤层中 瓦斯含量的大小） （3）影响煤层瓦斯含量的因素, 煤田地质史 煤田地层上升，增加瓦斯向地表扩散，煤层瓦斯含量小。 煤田地层下沉，缓解瓦斯向地表扩散，煤层瓦斯含量大。 地质构造 封闭型的，有利于瓦斯存储。 开放型的，有利于瓦斯排放。 煤层的赋存条件 埋藏深度、倾角、有无露头对瓦斯含量有重要影响。,同一煤层内瓦斯含量随深度增加而增大，倾角越小，瓦斯运移路程越长，煤层瓦斯含量越大，有露头，

7、易排放，含量低。 煤的变质程度 变质程度越高，生成瓦斯量越大，其他条件相同时，瓦斯含量就越大。 煤层围岩的性质 围岩致密、完整不透气，易保存瓦斯。 水文地质条件 地下水活跃的地区，裂隙比较发育，且处于开放状态，为瓦斯排放提供了通道，地下水在漫长的地质历史时期，也可以带走大量瓦斯，降低煤,层瓦斯含量。地下水对矿物质的溶解和侵蚀，会造成底层的天然卸压，使得煤层及围岩的透气性增大，增大瓦斯的散失量。 (三)矿井瓦斯涌出量 1.矿井瓦斯涌出形式 （1）普通涌出 在时间与空间上比较均匀、普遍发生的不间断涌出，它是矿井正常状态下的涌出。 （2）特殊涌出 是指在时间上突然，在空间上集中、大量的瓦斯涌出，主要

8、有瓦斯喷出和煤与瓦斯突出。,（3）矿井瓦斯的来源 煤（岩）壁涌出的瓦斯； 临近层涌出的瓦斯； 采落煤炭放散的瓦斯； 采空区涌出的瓦斯。 2.瓦斯涌出量 瓦斯涌出量是指矿井在生产过程中，从巷道、工作面、煤层、岩层以及采空区实际涌入巷道内的瓦斯量。其大小有两种表示方法： （1）绝对瓦斯涌出量指矿井或采区在单位时间内涌出的瓦斯量，一般用QCH4表示，单位为m3/min或m3/d。,QCH4=QC% 式中QCH4矿井或采区绝对瓦斯涌出量， m3/min； Q矿井或采区总回风量，m3/min; C该回风流中的瓦斯浓度，%。 （2）相对瓦斯涌出量指矿井在正常生产情况下，月平均日产一吨煤的瓦斯涌出量，一般用

9、qCH4表示，单位为mt。 qCH4=1440QCH4n/T 式中qCH4矿井相对瓦斯涌出量，m3/t;,QCH4矿井绝对瓦斯涌出量，m3/min; n矿井瓦斯鉴定月的工作天数，d/m; T矿井瓦斯鉴定月的煤炭产量，t/m。 两者之间关系如下： qCH4= QCH4 /A A 矿井日产量 t/d 3.影响瓦斯涌出因素 （1）煤层的瓦斯含量及特性 含量大、涌出量大，煤层的透气好涌出大。,（2）煤层的埋藏特性 深度增加，瓦斯含量增多，涌出量增多。相邻煤层越多，含有的瓦斯量越大，距离开采层越近，则矿井的瓦斯涌出量就越大。 （3）地面大气压力变化 大气压力主要对采空区、老空区影响大。大气压力下降，瓦斯

10、积聚区的压力高于巷道风流压力，瓦斯涌出就会加大。反之减少。,（4）开采顺序和回采方法 厚煤层分层开采或开采有临近煤层涌出瓦斯的煤层时，首先开采的煤层瓦斯涌出量较大。 采用陷落法管理顶板或放顶煤开采时，瓦斯涌出量较大。如使用采空区充填法，顶板产生裂隙少，瓦斯涌出量少。 （5）开采强度和产量 矿井的绝对瓦斯涌出量与回采速度或矿井产量成正比，而相对瓦斯涌出量变化较小。,因此，矿井瓦斯涌出量与产量的关系不能笼统地下结论。 一般来说，当矿井开采具有一定规模后，如果矿井涌出的瓦斯主要来源于采落的煤炭，产量变化时，绝对瓦斯涌出量变化明显，产量大，绝对涌出量大，而相对涌出量变化较小。如果瓦斯主要来源于采空区，

11、产量变化时，绝对涌出量变化较小，而相对涌出量则有明显的变化，产量增加，相对瓦斯涌出量变小。,（6）风量变化 风量增加时，由于负压增大，采空区漏风加大，一部分高浓度瓦斯被漏风从采空区带出，绝对瓦斯涌出量迅速增加，风流中瓦斯浓度可能急剧上升，然后开始下降，经过一段时间，恢复到或接近原值。风量减少时，情况相反。 （7）采空区密闭质量 密闭质量差，瓦斯涌出量大。,4.矿井瓦斯涌出量的一般规律 封闭性断层两侧、岩溶陷落柱周围(封闭的)、背斜地区瓦斯涌出量大。 煤层由湿变干、由薄变厚、倾角小、煤质由硬变软时，瓦斯涌出量大。 煤层顶板为致密完整的岩层，其煤层瓦斯涌出量大。 地面大气压力下降或温度升高时，井下

12、瓦斯涌出量普遍增大。,开采深度越深、开拓与开采范围越大，矿井产量越大，瓦斯涌出量越大。 一组近距离煤层先开采层瓦斯涌出量大。 开采上分层煤比下分层煤瓦斯涌出量大。 工作面顶板周期来压，瓦斯涌出量大。 煤层掘进巷道送的越长，暴露面积越大，瓦斯涌出量越大。 开采工序不同，瓦斯涌出量也不同，爆破落煤、放顶时，瓦斯涌出量都大。 采空区丢煤多，采出率低的采煤方法，采区瓦斯涌出量大。,5.矿井瓦斯等级划分 世界主要产煤国家对矿井瓦斯等级划分不同。德国划分为6个级别，波兰分5个级别，印度3级，日本2级，美国只是分为瓦斯矿井和非瓦斯矿井。,我国在20世纪5060年代用的是前苏联的划法，将瓦斯矿井分为四个等级，

13、即一级、二级、三级和超级。超级包括瓦斯喷出或有煤与瓦斯突出矿井。80年代以后，将一级、二级合并为低瓦斯矿井，将三级和超级瓦斯矿井中的非突出矿井合并为高瓦斯矿井，将具有煤（岩）与瓦斯（二氧化碳）突出危险的矿井划分为突出矿井,划分依据：大多国家多采用相对瓦斯涌出量作为划分依据。我国2001年以前也用的是相对瓦斯涌出量。但相对涌出量受产量影响大，仅用这一指标作为划分依据，不能直观的反映出矿井瓦斯涌出量的真实大小和灾害程度。,绝对涌出量很小、相对涌出量较大的矿井可能被定为高瓦斯矿井； 绝对涌出量很大、相对涌出量较小的矿井可能被定为低瓦斯矿井。,如，绝对涌出量仅为3.0 m3/min 时，产量为15万吨

14、t/a以下的矿井的相对涌出量大都大于10m3/t 日产量：150000/12/30=417(t) 相对涌出量：14403417=10.359m3/t,而绝对涌出量为40 m3/min 时，产量为210万吨t/a以上的矿井的相对涌出量大都小于10m3/t 日产量：2100000/12/30=5833(t) 相对涌出量：1440405833=9.87m3/t,规程规定：一个矿井中只要一个煤(岩)层发现瓦斯。该矿即为瓦斯矿井。瓦斯矿井必须依照矿井瓦斯等级进行管理。 （1）矿井瓦斯等级划分的依据 根据矿井相对瓦斯涌出量 矿井绝对瓦斯涌量 瓦斯涌出形式,（2）矿井瓦斯等级 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。 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。 煤(岩)与瓦斯(二氧化碳)突出矿井。 每年必须对矿井进行瓦斯等级和二氧化碳涌出量的鉴定工作，报省(自治区、直辖市)煤炭管理部门审批，并报省(自治区、直辖市)煤矿安全监察机构备案。,