矿业瓦斯防治

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1、矿业瓦斯防治 安 徽 理 工 大 学教 案课程名称 矿业瓦斯防治任课教师石必明院(系、部)能源与安全学院 教 研 室 安全工程 第 1次 课日期周次 1 星期 2学时第一部分矿井瓦斯防治技术重点：瓦斯的概念及性质，瓦斯的成因，瓦斯赋存规律。难点：瓦斯赋存和运移规律。第1章煤层瓦斯赋存与含量1.1矿井瓦斯的概念与性质一、矿井瓦斯的含义广义：井下除正常空气的大气成份以外，涌向采矿空间的各种有毒、有害气体总称。狭义：煤矿生产过程中从煤、岩内涌出的，以甲烷为主要成份的混合气体总称。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（乙烷

2、、丙烷、丁烷、戊烷等）、氢（H2）、一氧化碳（CO）、二氧化硫(SO2)、硫化氢(H2S)等。由于甲烷（俗称沼气）是矿井瓦斯的主要成分，因而人们习惯上所说的瓦斯，通常指甲烷而言。 （1）煤、岩层涌出（烷烃、环烷烃、芳香烃）； （2）生产过程中产生（CO2、NO2、H2等） （3）井下化学、生物化学反应生成（CO2、H2S、SO2）； （4） 放射性元素蜕变过程生成（Rn、He等）二、CH4的性质无色、无味、无嗅的气体，可燃烧、爆炸；分子量：16.049，分子直径：0.41nm，密度：0.716Kg/m3（气态）、 424.5 Kg/m3（液态）相对空气密度：0.554,难溶入水:101.3 K

3、Pa , 20 , 3.31l/100lH2O三、 CH4的危害及其经济价值1、危害性（1） 燃烧、爆炸（2）窒息（3）喷出、突出2、重要能源 CH4 + 2O2CO2 + 2H2O +Q 1m3CH437022.2kJ 相当于11.5Kg烟煤。 重要的化工原料。 1.2煤层瓦斯的成因 有机源气体-腐植有机物（高等植物）成煤过程。煤层瓦斯是腐植型有机物（植物）在成煤过程中生成的两个阶段：（1）生物化学阶段（从植物遗体到泥炭） 隔绝空气 微生物4C6H10O5 7CH4 + 8CO2 + C9H6O + 3H2O (纤维素)特点：埋藏浅，覆盖层胶结不好，煤层保存气体少。（2）变质阶段（从泥炭到烟

4、煤） 泥炭褐煤 烟煤 无烟煤如：4C16H18O5 C57H56O10 + 4CO2 + 3CH4 + 2H2O （褐煤）C57H56O10C54H42O5 + CO2 + 2CH4 + 3H2O （烟煤） （褐煤） C54H42O5C13H4 + 2CH4 + H2O （烟煤） （无烟煤）v 特点： （1）碳化过程生成的大量气体。初期：主要为CO2，CH4不多。随着碳化程度的提高，CO2减少，CH4增多，同时生成重烃。（2）碳化的同时，煤的物质分子式、结构发生变化；（3）因覆盖层增厚，生成的气体大多得以保存。但煤层瓦斯含量远小于生成量。减少的原因:（1）地质构造运动；（2）运移到适于贮存地点

5、，形成气藏；（3）溶解于水中（长久地质年代过程中）；（4）逸散于大气中（从煤层露头）。（3）其它主要气体Ø CO2成因： 变质生成。易逸散于大气中，溶解于水，生成碳酸盐，所以，深部煤层中很少含有CO2； 生物化学作用，浅部生物圈内（微生物生化作用）； 火山活动，岩浆接触变质，生成大量CO2。如：窑街、营城局； 煤氧化。特别是煤的低温氧化。Ø N2 来自大气。与氩的比例与空气一致。 Ø He 放射性元素蜕变的产物。1.3煤层瓦斯赋存的垂直分带性煤层瓦斯主要成分：CH4、CO2、N2。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

6、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。 四带： CO2- N2带、N2带、N2CH4带、CH4带。现场实际过程中，将前三带总称为瓦斯风化带。v 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，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，瓦斯风化带下界深度确定依据： 根据下列指标中的任何一项确定：（1）煤层的相对瓦斯涌出量等于23m3/t处；（2）煤层内的瓦斯组分中甲烷及重烃浓度总和达到80%（体积比）；（3）煤层内的瓦斯压力为0.10.15MPa；（4）煤的瓦斯含量达到

7、下列数值处：长焰煤1.01.5 m3/t（C.M.），气煤1.52.0m3/t（C.M.），肥煤与焦煤2.02.5m3/t(C.M)，瘦煤2.53.0m3/t(C.M.)，贫煤3.04.0m3/t(C.M.)，无烟煤5.07.0m3/t(C.M.)（此处的C.M.是指煤中可燃质既固定碳和挥发分）第 2次 课日期周次 1 星期 2学时重点：煤的孔隙结构、成因及分布规律，煤的吸附特性，煤的孔隙率与煤的破坏程度的关系。难点：煤的吸附特性。1.4煤的孔隙特征 煤是一种复杂的孔隙性介质，有着十分发达的各种不同直径的孔隙和裂隙。形成庞大的自由空间和表面。煤是一种孔隙-裂隙性介质，它决定煤-CH4体系的许多

8、特性。EX：集气性 - CH4的存在形态、含量，etc渗透性 - 流态、流出形式、涌出量；力学特性-强度、弹性、脆性。 一、孔隙分类为了研究瓦斯在煤层中的赋存与流动，将煤中孔隙分类如下： 类别直径/mmCH4的存在形态微孔10-5吸附、吸收小孔10-5 10-4吸收、游离中孔10-4 10-3表面吸附、游离大孔10-3 10-1游离煤中的微孔 80%二、表示孔隙特性的参数1、孔隙率（f） - 单位体积固体具有的孔隙容积。表示式：f -孔隙率，%；V-固体（含孔隙）的体积，cm；V0-实体（不含孔隙）的体积，cm。假设M为固体质量，g-固体假密度，g/cm3o-固体真密度，g/cm3则有： 通过实验确定。或利用经验公式计算。 当 2、孔容（比孔容）-f -单位质量固体具有的孔隙容积。表示式： cm3/g 同上，可推得：所以：3、比表面 -固体单位质量或单位体积具有的孔隙总表面积。4、孔隙结构-各类孔隙在总孔隙中所占百分比。 分类孔隙体积百分比/%孔隙表面积百分比/%微微孔12.562.2微孔42.235.1小孔28.12.5中孔17.20.2 微孔所占比例大，且比表面积也大。