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1、山东科技大学采矿工程 （本科）毕业论文论文题目：煤矿瓦斯及其防治技术探讨专 业:采矿工程姓 名：周俊福煤矿瓦斯及其防治技术探讨2010 级 采矿工程专业 周俊福摘 要：通过理论分析,进行了瓦斯综合抽放技术研究. 分析了瓦斯赋存及流动规律、抽放方 法、引起事故危险因素等进行了分析，为合理确定工作面瓦斯抽放方法提供了理论依据.论 文针对矿井瓦斯地质影响因素，探讨了其对煤层瓦斯含量的影响，并从瓦斯安全管理、火 源安全管理等方面给出了瓦斯事故防治措施。关键词：煤矿安全 瓦斯赋存状态 瓦斯抽放方法 瓦斯地质影响因素ABSTRACT： Through theoretical analysis, has c
2、arried on the comprehensive gas drainage technology research 。 Analyzed， drainage method and flow law of gas occurrence and cause accident risk factors are analyzed, and reasonable to determine the gas drainage method provides a theoretical basis 。 Paper in view of the mine gas geological influence
3、factors, discusses its influence on coal seam gas content ， and from the gas safety management， fire safety management of gas accident prevention measures are given.KEYWORDS: Coal mine safety Gas occurrence state Gas drainage method Gas geology factor1、我国煤矿安全生产现状分析我国 95的煤矿开采是地下作业。煤矿事故占工矿企业一次死亡10 人以上
4、特大事故的 72。8%至 89。6%（20022005 年）；煤矿企业一次死亡 10 人以上事故中，瓦斯事故占死 亡人数的 71%。煤矿所面临的重大灾害事故是相当严峻的，造成的损失是极其惨重的。由 于煤矿事故多,死亡人数多,造成了我国煤矿的百万吨死亡率一直居高不下。特别是煤矿重大 及特大瓦斯（煤尘）灾害事故的频发，不但造成国家财产和公民生命的巨大损失，而且严 重影响了我国的国际声誉。实际上，这些瓦斯事故的发生不是偶然的，它是以往煤矿生产过程中存在问题的集中 暴露,涉及许多方面。既有自然因素、科技投入和研究的不足，也有人为因素以及国家的体 制、管理、经济政策,社会的传统观念，煤矿企业的文化素质等
5、.2、瓦斯赋存及流动规律2。1 瓦斯在煤层中的流动机理瓦斯在煤层中的流动是一个十分复杂的运移过程，主要取决于煤层介质的孔隙结构和 瓦斯在煤层中的赋存状态。煤是一种多孔的微裂隙发育的介质，微裂隙间含有孔隙和大部 分与微裂隙相连的毛细管通路，而孔隙和毛细管通路的数目是变化的，它们之间或多或少 互有联系，其直径由几m，变化到几mm不等.瓦斯在煤层中主要是以吸附和游离状态赋存在煤体中的，其中呈游离状态压缩在微裂 隙和大孔隙中的较少，大部分为吸附在煤体中.根据煤体中的孔隙分布和煤层中的联系系统 以及周世宁教授的研究表明：瓦斯在煤层中的流动主要是层流渗透运动和扩散运动，其中 前者基本上服从Darcy渗透定
6、律，且主要发生在煤体大孔和微裂隙中;后者则基本上服从 Fick 扩散定律,且主要发生在煤体微孔隙之中。因此，瓦斯在煤体中的运动可以认为是一个 扩散渗透的过程.2。2 煤的吸附理论及煤层瓦斯含量2。2.1 瓦斯赋存状态煤中瓦斯的赋存状态一般有吸附状态和游离状态两种.固体表面的吸附作用可以分为物 理吸附和化学吸附2种类型,煤对瓦斯的吸附作用是物理吸附,是瓦斯分子和碳分子间相互吸 引的结果，如图21所示。在被吸附的瓦斯中，通常以将进入煤体内部的瓦斯称为吸收瓦 斯，把附着在煤体表面的瓦斯称为吸着瓦斯,吸收瓦斯和吸着瓦斯统称为吸附瓦斯.在煤层赋 存的瓦斯量中，通常吸附瓦斯量占80%90%，游离瓦斯量占1
7、0%20%；在吸附瓦斯量 中又以煤体表面吸着的瓦斯量占多数。在煤体中，吸附瓦斯和游离瓦斯在外界条件不变的条件下处于动态平衡状态，吸附状 态的瓦斯分子和游离状态的瓦斯分子处于不断的交换之中;当外界的瓦斯压力或温度发生变 化或给予冲击和振荡、影响了分子的能量时,则会破坏其动态平衡,而产生新的平衡状态.煤是一种多孔介质，煤体吸附瓦斯是煤的一种自然属性，煤体表面吸附瓦斯量的多少， 与煤体表面积的大小密切相关，而煤体表面积的大小则和煤体孔隙特征有关。因此，煤体 孔隙特征对吸附瓦斯有重要的作用。1游离瓦斯； 2-吸附瓦斯;3吸收瓦斯； 4煤体； 5煤中孔隙图 2-1 煤体中瓦斯的赋存状态2。2。2 煤的吸
8、附性及其影响因素分析煤之所以具有吸附性是由于煤结构中分子的不均匀分布和分子作用力的不同所致，这 种吸附性的大小主要取决于 3 个方面的因素，即：一是煤结构、煤的有机组成和煤的变质 程度;二是被吸附物质的性质；三是煤体吸附的环境条件。由于煤对瓦斯的吸附是一种可逆 现象,吸附瓦斯所处的环境条件就显得尤为重要。煤中吸附瓦斯量的大小主要取决于煤化变 质程度、煤中水分、瓦斯性质、瓦斯压力以及吸附平衡温度等。(1) 瓦斯压力。实验研究表明：在给定的温度下，吸附瓦斯量与瓦斯压力的关系呈双曲 线变化，如图22 所示，从图中可以看出：随着瓦斯压力的升高煤体吸附瓦斯量增大;当瓦 斯压力大于 3.0 MPa 时，吸
9、附的瓦斯量将趋于定值。(2) 吸附温度。目前的实验研究表明：温度每升高 10C ，煤吸附瓦斯的能力将降低约 8%。其原因主要是：温度的升高，使瓦斯分子活性增大,故而不易被煤体所吸附；同时，已 被吸附的瓦斯分子又易获得动能,会产生脱附现象，使吸附瓦斯量降低。(3) 瓦斯性质。对于指定的煤，在给定的温度与瓦斯压力条件下，煤对二氧化碳的吸图 2-2 吸附瓦斯量与瓦斯压力关系图(4) 煤的变质程度。煤的瓦斯生成量及煤的比表面积和煤的变质程度有关。一般情况下， 从中等变质程度的烟煤到无烟煤，相应的吸附量呈快速增加状态。(5) 煤中水分。水分的增加会使煤的吸附能力降低.目前可以采用俄罗斯煤化学家艾琴 格尔
10、的经验公式来确定煤的天然水分对甲烷吸附量的影响。2。3 煤层瓦斯流动理论研究 煤层瓦斯流动理论是专门研究煤层内瓦斯压力分布及瓦斯流动变化规律的理论，根据 应用范围和使用条件的不同，煤层瓦斯流动理论有以下几种。2。3.1 线性瓦斯流动理论 线性瓦斯渗流理论认为，煤层内瓦斯运移基本符合线性渗透定律 -达西定律 (Dracyslaw) ,1856 年，法国水力学家 Darcy 通过实验总结出了著名的 Darcy 定律：K dpdp1)v = =九-Hdxdx式中：v流速，m/s；卩瓦斯动力粘度系数，Pas；K煤层的渗透率,m2；dx和流体流动方向一致的极小长度,m;dp在d x长度内的压差，Pa ；
11、入煤层透气系数，m2/ (MPa2d).Darcy 定律是在常温和常压条件下，各向同性砂柱中的一维流动过程实验得到的结果。在直角坐标系中，若以vx , vy , vz表示三个坐标方向上的渗流速度分量，就得到三维流动 下的 Darcy 定律：dpdpdp2)v =九 ，v =九 ，v =九 _xdxydyzdzDarcy 定律有一定的适用范围，超出这个范围就不再符合 Darcy 定律了.雷诺数 Re 是 个无量纲的数，用来表示作用在流体上的惯性力和粘滞力之比，它是判别层流和紊流的准 则。同样，多孔介质流体的雷诺数Re为：vd(3)式中： d -孔隙骨架的代表性长度， m；v 流体的渗流速度， m
12、/s ；Y流体的运动粘滞系数，m2/s.经验表明，当Re在110之间时，属低雷诺数区，粘滞力占优势，流体的运动符合Darcy 定律。2.3.2 瓦斯扩散理论煤是一种典型的多孔介质，根据气体在多孔介质中的扩散机理的研究，可以用表示孔 隙直径和分子运动平均自由程相对大小的诺森数Kn 二 / x 式中：d孔隙平均直径，m；入气体分子的平均自由程,m。将扩散分为一般的菲克(Fick)型扩散、诺森(Knudsen)型扩散和过渡型扩散。Kn 10 时，孔隙直径远大于瓦斯气体分子的平均自由程，这时瓦斯气体分子的碰撞主要发生在自 由瓦斯气体分子之间，而分子和毛细管壁的碰撞机会相对较少，此类扩散仍然遵循菲克定
13、理，称为菲克型扩散。当Kn 0o 1时，分子的平均自由程大于孔隙直径，此时瓦斯气体分子和孔隙壁之间的碰撞占主导地位,而分子之间的碰撞退居次要地位，此类扩散不再遵循菲克 扩散，而为诺森扩散。当0。 1 Kn10时，由于孔隙直径远大于瓦斯气体分子的平均自由程，因此扩散是由于瓦斯 气体分子之间的无规则运动引起的，可以用菲克扩散定律去描述，即J = Df ICC(5)f IX式中:J瓦斯气体通过单位面积的扩散速度,kgP(sm2 )；ic沿扩散方向的浓度梯度；IXDf -菲克扩散系数， m2/s；C瓦斯气体的浓度，kg/m2。等式中由于扩散是沿着浓度减少的方向进行的，而扩散系数总是正的，故式中要加一个
14、负 号。由于孔道是弯曲的各种形状，同时又是相互连通的通道,所以扩散路径因孔隙通道的曲 折而增长，孔截面收缩可使扩散流动阻力增大,从而使实际的扩散通量减少。考虑以上因素 瓦斯气体分子在煤层内有效扩散系数可定义为：式中：Dfe瓦斯气体在煤层内的有效Fick扩散系数,m2/s ；0有效表面孔隙率；T曲折因子，为修正扩散路径变化而引入的。对于给定状态的某种瓦斯气体来讲，菲克型扩散的扩散系数大小取决于煤本身的孔隙结构 特征.2、诺森型扩散当Kn 0. 1时，瓦斯气体在煤层中的扩散属于诺森型扩散，根据分子运动论，在半径为r 的孔隙内，由于壁面的散射而引起的瓦斯分子扩散系数为：8RT式中： D诺森扩散系数；r -孔隙平均半径,m；R 普适气体常数;T绝对温度，K;M 瓦斯气体分子量。 若考虑有效表面孔隙率、曲折因子半径变化等因素,则有效扩散系数为：八D 040；8RT802i2RT(8)D= -=(8丿ket3sp兀M3Tsp兀M式中：s煤粒的比表面积，m2/kg；p煤密度，kg/m3。从上式中可以看出，诺森扩散系数与煤的结构和煤层的温度等有关。3、过渡型扩散9)当0. 1 Kn 10 时，孔隙直径与瓦斯气体分子的平均自由程相近，分子之间的碰撞 和分子与壁面的碰撞同样重要，扩散过程受两种扩散机理的制约，在恒压下其有效扩
