【正文】 開采瓦斯突出煤層方法培訓(xùn) 第 1講 礦井瓦斯概述 內(nèi)容： 一、瓦斯概念、瓦斯的形成、物理與化學(xué)性質(zhì) 二、瓦斯的賦存狀態(tài) 三、礦井瓦斯的涌出 四、礦井瓦斯等級(jí)與鑒定 五、礦井瓦斯管理 一、瓦斯概念、物理與化學(xué)性質(zhì)、瓦斯的形成 瓦斯概念 礦井瓦斯是煤礦生產(chǎn)過程中，從煤、巖內(nèi)涌出的各種氣體（ 以甲烷為主的各種有毒、有害氣體） 的總稱。煤礦術(shù)語中的瓦斯一般常指的是甲烷（ CH4） 。 瓦斯物理與化學(xué)性質(zhì) 無色、無味、無毒、比空氣輕，微溶于水； 甲烷的分子直徑為 109m，可以在微小的煤體孔隙或裂隙里流動(dòng)； 在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)（氣溫為攝氏 0度、大氣壓力為）下， 1立方米甲烷的質(zhì)量為 8kg，而 1立方米空氣的質(zhì)量為 ,甲烷比空氣輕 ,其相對(duì)密度為 ； 甲烷的擴(kuò)散性很強(qiáng)，擴(kuò)散的速率是空氣的。 危害 爆炸（ 瓦斯在空氣中達(dá)到一定濃度，如5%— 16%后，遇到高溫?zé)嵩茨苋紵捅ǎ┦堑V山的威脅性災(zāi)害 ；突出；人員窒息、環(huán)境污染。 作用 礦物資源，可以做燃料（能源）和化工原料 。 礦井瓦斯的生成 煤層瓦斯是 腐植型有機(jī)物 （ 植物 ）在成煤過程中生成的 。 成氣過程兩個(gè)階段 一是生物化學(xué)成氣時(shí)期；二是煤化變質(zhì)作用時(shí)期 。 （ 1）生物化學(xué)成氣時(shí)期 植物沉積，有機(jī)物在隔絕氧氣進(jìn)入不高于攝氏 65度狀態(tài)下，被厭氧微生物分解為 CH CO2和水，而沉積植物遺體漸漸形成泥炭，這屬于生物化學(xué)成氣時(shí)期。 （ 2）煤化變質(zhì)作用時(shí)期 隨泥炭層的沉降，上覆蓋層增厚，壓力和溫度上升，泥炭轉(zhuǎn)化為褐煤，揮發(fā)分減少，固定碳增加，褐煤進(jìn)而變質(zhì)為煙煤、無煙煤，這屬于變質(zhì)作用成氣時(shí)期。由于在生化成氣時(shí)期泥炭的埋藏較淺，覆蓋層的膠結(jié)固化也不好，因此生成的氣體通過滲透和擴(kuò)散很容易排放到古大氣中，一般不會(huì)保留在煤層內(nèi)。留存在現(xiàn)今煤層中的瓦斯，僅是變質(zhì)作用生成的氣體總量的 3%∽ 24%。 二 、 瓦斯的賦存狀態(tài) （ 瓦斯在煤體內(nèi)存在的狀態(tài) ） 煤體是一種復(fù)雜的多孔性固體，包括原生孔隙和運(yùn)動(dòng)形成的大量孔隙和裂隙，形成了很大的自由空間和孔隙表面。 （一）煤層中 瓦斯賦存兩種狀態(tài)： 游離狀態(tài) 吸附狀態(tài) ① 吸著狀態(tài) ② 吸收狀態(tài) （ 二 ） 煤層中瓦斯垂直分帶 形成原因 ： 當(dāng)煤層直達(dá)地表或直接為透氣性較好的第四系沖積層覆蓋時(shí) ， 由于煤層中瓦斯向上運(yùn)移和地面空氣向煤層中滲透 ， 使煤層內(nèi)的瓦斯呈現(xiàn)出垂直分帶特征 （ 瓦斯風(fēng)化 帶與甲烷帶 ） 。 四帶 （ 1） 瓦斯風(fēng)化 帶： CO2N N N2CH4帶 （ 2） 甲烷 CH4帶 。 瓦斯成分 %名 稱 氣 帶 成 因N2CO2CH4CO2— N2帶 生物化學(xué) — 空氣 20 ～ 80 20 ～ 80 ? 10N2帶 空氣 ＞ 80 ? 10 ～ 20 ? 20N2—C H4帶 空氣 — 變質(zhì) ?? ～ 80 ? 10 ～ 20 ?? ～ 80CH4帶 變質(zhì) ? 20 ? 10 ＞ 80確定瓦斯風(fēng)化帶和甲烷帶深度的重要意義 確定瓦斯風(fēng)化帶和甲烷帶的深度是很重要的，因?yàn)椋? （ 1） 在甲烷帶內(nèi)，煤層中瓦斯含量、瓦斯壓力、以及在開采條件變化不大的前提下的瓦斯涌出量都隨著深度的增加而有規(guī)律地增大； （ 2）研究這些規(guī)律及其影響因素，是防治礦井瓦斯災(zāi)害的基本工作之一。 瓦斯風(fēng)化帶下界深度確定依據(jù)： 可以根據(jù)下列指標(biāo)中的任何一項(xiàng)確定： （ 1） 煤層的相對(duì)瓦斯涌出量等于 2～3m3/t處； （ 2） 煤層內(nèi)的瓦斯組分中甲烷及重?zé)N濃度總和達(dá)到 80%（ 體積比 ） ； （ 3） 煤 層 內(nèi) 的 瓦 斯 壓 力 為 ～； （ 4） 煤的瓦斯含量達(dá)到下列數(shù)值處： 長焰煤 ～ m3/t（ .） ， 氣煤～ （ .） ， 肥煤與焦煤 ～()， 瘦煤 ～ (.)，貧煤 ～ (.)， 無煙煤 ～(.) 此處的 C和揮發(fā)分 M。 三、礦井瓦斯的涌出 （一） 影響煤層瓦斯含量的因素 （二） 煤層內(nèi)的瓦斯壓力 （三） 礦井瓦斯涌出量及分源治理 （一） 影響煤層瓦斯含量的因素 煤的瓦斯含量概念 是指單位體積或重量的煤在自然狀態(tài)下所含有的瓦斯量 （ 標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的瓦斯體積 ） ，單位為 m3/m3(cm3/cm3)或 m3/t(cm3/g)。 煤的瓦斯含量 包括 游離瓦斯 和 吸附瓦斯含量 之和 ， 其中游離瓦斯約占 10%∽ 20%， 吸附瓦斯約占 80%∽ 90% 影響煤層瓦斯含量的因素： （ 1） 煤的吸附特性 煤的吸附性能決定于煤化程度 （ 煤的變質(zhì)程度 ） ， 一般情況下煤的煤化程度越高 ， 存儲(chǔ)瓦斯的能力越強(qiáng)即煤的變質(zhì)程度越高 ， 生成的氣體量就越大 ， 煤體的微孔隙就越多 ， 吸附瓦斯的量就越大 ， 含瓦斯能力 （ 煤的吸附特性 ）就越強(qiáng) 。 因此 ， 在其他條件相同的情況下 ， 變質(zhì)程度高的煤層 ， 瓦斯含量就越大 。 煤的變質(zhì)程度增高的 順序是：褐煤 、 煙煤 、 無煙煤 。 根據(jù)實(shí)驗(yàn)室測定：煤層含有瓦斯的最大能力 ， 一般不超過 60 立方米 /噸 。 此外 ， 煤層中的灰分和雜質(zhì)會(huì)降低煤層吸附瓦斯的能力；煤中的水分 ， 不僅占據(jù)了孔隙表面 ， 也降低了煤的含瓦斯能力 。 （ 2） 煤層露頭： 煤層有露頭時(shí)一般存在著瓦斯風(fēng)化帶 ， 在該風(fēng)化帶內(nèi)瓦斯沿煤層向大氣中運(yùn)移阻力較小 ， 煤層的瓦斯很容易放散到大氣中去 。 （ 3） 煤層的埋藏深度： 深，瓦斯大。 煤層埋藏深度增加，保存瓦斯的條件就變好，煤層吸附瓦斯的能力就加大，瓦斯放散就越困難。在甲烷帶內(nèi)，煤層的瓦斯含量和瓦斯壓力隨埋藏深度的增加而增加，可用瓦斯壓力梯度指標(biāo)來表達(dá)。瓦斯壓力梯度是指煤層埋藏深度每增加 1m，煤層內(nèi)瓦斯壓力的增加值。瓦斯壓力梯度 gp =△ p /△ h (MPa/m) （ 4） 圍巖透氣性： 煤層被透氣性很低的巖層包圍，煤層的瓦斯放散不出去，瓦斯含量就高；反之，瓦斯含量就低。 如，泥巖、完整石灰?guī)r透氣性低。 （ 5） 煤層傾角： 大，瓦斯小，小，瓦斯大。 因?yàn)槊簩觾A角小，瓦斯巖層運(yùn)移的路徑長，阻力大，煤層瓦斯不易流失，導(dǎo)致煤層瓦斯量大；反之，若煤層傾角大，則煤層瓦斯容易放散，含量就會(huì)變小。 （ 6） 地質(zhì)構(gòu)造： 封閉地質(zhì)瓦斯大，開放則瓦斯小。 閉合的和傾伏的背斜或穹窿，通常是儲(chǔ)藏瓦斯構(gòu)造體，在其軸部區(qū)域形成瓦斯包，即所謂的 “氣頂” 。 （ 7） 煤層的地質(zhì)升降變遷： 一般來說，以下降、 覆蓋層加厚和海相沉積為主要變化的地質(zhì)活動(dòng)過程，會(huì)導(dǎo)致煤層瓦斯含量增高 ；反之，煤層瓦斯含量則降低。 （ 8） 水文地質(zhì)條件： 水流，帶走瓦斯。 （二）煤層內(nèi)的瓦斯壓力 煤層瓦斯壓力 煤層瓦斯壓力 是決定煤層 瓦斯含量 、瓦斯流動(dòng)動(dòng)力高低 以及 瓦斯動(dòng)力現(xiàn)象 的基本參數(shù) 。 瓦斯壓力測定 打鉆 、 封孔 、 測壓 。 瓦斯帶內(nèi)瓦斯壓力變化規(guī)律： 未受采動(dòng)影響的煤層內(nèi)的瓦斯壓力，隨深度的增加而有規(guī)律地增加，可以大于、等于或小于靜水壓。 瓦斯壓力梯度表示瓦斯壓力變化規(guī)律。 瓦斯壓力梯度 gp =△ p /△ h (MPa/m) 甲烷帶內(nèi)深 H(m)處 瓦斯壓力計(jì)算（預(yù)測）： 或 式中 P— 預(yù)測的甲烷帶內(nèi)深 H(m)處的瓦斯壓力 ， MPa gp— 瓦斯壓力梯度 ， MPa/m P1， P2— 甲烷帶內(nèi)深度為 H H2(m)處的瓦斯壓力 ，MPa。 P0 — 甲烷帶上部邊界處瓦斯壓力 ， 取 。 H0 — 甲烷帶上部邊界深度 ， m。 11 )( PHHgP p ???00 )( PHHgP p ???（三） 礦井瓦斯涌出量及分源治理 分為普通涌出（持續(xù)釋放）與特殊涌出（噴出、突出）。 瓦斯涌出量 （ 1） 含義：礦井建設(shè)或生產(chǎn)過程中從煤巖內(nèi)涌出的瓦斯量（ 對(duì)于抽放瓦斯的礦井 ， 涌出量 ， 還應(yīng)包括抽放的瓦斯量 ） 。 （ 2） 瓦斯涌出量表示方法 絕對(duì)瓦斯涌出量 單位時(shí)間涌出的瓦斯體積 ， 單位為 m3/d或m3/min： C—— 礦井 （ 或采區(qū) ） 總回風(fēng)流中的瓦斯?jié)舛?， %； 相對(duì)瓦斯涌出量 平均日產(chǎn)一噸煤同期所涌出的瓦斯量 ， 單位是 m3/t 100/C g ??dgg AQq /?影響瓦斯涌出的因素 決定于自然因素和開采技術(shù)因素的綜合影響： (1) 自然因素 ① 煤層和圍巖的瓦斯含量， ② 地面大氣壓變化。 （ 2） 開采技術(shù)因素 ① 開采規(guī)模 （ 深度 、 范圍和產(chǎn)量 ） — 產(chǎn)量與瓦斯涌出量的關(guān)系復(fù)雜 ② 開采順序 — 先開采 ， 大；回采率低 ， 大 ③ 生產(chǎn)工藝 — 初期大 ， 呈指數(shù)下降 （ 見下圖 ） ④ 風(fēng)量變化 — 單一煤層 ， 隨風(fēng)量減 （ 增 ） 而變大 （ 小 ） 煤層群隨風(fēng)量增升始大后小 。 ⑤ 采區(qū)通風(fēng)系統(tǒng) ⑥ 采空區(qū)的密閉質(zhì)量 ⑦ 回采方法與頂板管理 機(jī)械化采煤，煤的破碎較嚴(yán)重，瓦斯涌出量高； 水力采煤，水包圍著采落的煤體，對(duì)其中的瓦斯的排出起阻礙作用，導(dǎo)致濕煤中殘余瓦斯含量增大，其瓦斯涌出量較少； 采用全部陷落法管理頂板，由于能夠造成頂?shù)装甯蠓秶乃蓜?dòng)，以及采空區(qū)存留大量散煤等原因其瓦斯涌出量比采用充填法管理頂板時(shí)要高； 回采率低的采煤方法，相對(duì)瓦斯涌出量就高。 礦井瓦斯涌出來源分析與分源治理 按劃分目的的不同，對(duì)礦井瓦斯來源有三種劃分方式： .（ 1）按水平、翼、采區(qū)來進(jìn)行劃分，作為風(fēng)量分配的依據(jù)之一； .（ 2）按掘進(jìn)區(qū)、回采區(qū)和已采區(qū)來劃分，它是日常治理瓦斯工作的基礎(chǔ)； .（ 3）按開采區(qū)、臨近區(qū)劃分，它是采煤工作面治理瓦斯工作的基礎(chǔ)。 ? 例如，按掘進(jìn)區(qū)、回采區(qū)和已采區(qū)來劃分，它是日常治理瓦斯工作的基礎(chǔ)： ? ①掘進(jìn)區(qū)，即煤巷掘進(jìn)時(shí)從煤壁和落煤中涌出的瓦斯； ? ②采煤區(qū)，即工作面煤壁、巷壁和落煤中涌出的瓦斯； ? ③已采區(qū)，即已采區(qū)的頂?shù)装搴透∶褐杏砍龅耐咚埂? ? 礦井瓦斯涌出的分源治理： ? 如果瓦斯涌出主要來自采區(qū)（采煤區(qū)），就應(yīng)采取合理布置采區(qū)、減少煤的破碎程度、預(yù)抽瓦斯或邊抽邊采等措施。 ? 如果瓦斯涌出主要來自掘進(jìn)區(qū)，應(yīng)該采取合理安排采掘比和開拓區(qū)的布置、預(yù)抽或邊抽（邊掘邊抽）瓦斯等措施。 ? 如果瓦斯涌出主要來自已采區(qū)，應(yīng)當(dāng)采取提高采出率、少留煤柱、采空區(qū)充填或封閉及抽放瓦斯等措施。 瓦斯涌出不均系數(shù) 正常生產(chǎn)過程中 ， 礦井絕對(duì)瓦斯涌出量受各種因素的影響其數(shù)值是經(jīng)常變化的 ， 但在一段時(shí)間內(nèi)只在一個(gè)平均值上下波動(dòng) ， 峰值與平均值的比值稱為 瓦斯涌出不均系數(shù) 。 礦井瓦斯涌出不均系數(shù)表示為： kg=Qmax/Qa 式中： kg－ 給定時(shí)間內(nèi)瓦斯涌出不均系數(shù)； Qmax－ 該時(shí)間內(nèi)的最大瓦斯涌出量 ， m3/min； Qa－ 該時(shí)間內(nèi)的平均瓦斯涌出量 ， m3/min； 礦井瓦斯涌出量預(yù)測 瓦斯涌出量的預(yù)測 ：指根據(jù)某些已知相關(guān)數(shù)據(jù) ， 按照一定的方法和規(guī)律 ， 預(yù)先估算出礦井或局部區(qū)域瓦斯涌出量的工作 。 瓦斯涌出量的預(yù)測的方法： （ 1） 統(tǒng)計(jì)法 A、 瓦斯涌出量梯度： 深度與相對(duì)涌出量的比值 B、 物理含義 C、 計(jì)算 （ 2）計(jì)算法 : 以煤層瓦斯含量為基礎(chǔ)進(jìn)行計(jì)算。 ng qqHHg )]/()[( 1212 ???mm gHHqq /)( 00 ???四、礦井瓦斯等級(jí)與鑒定 注意： 《 煤礦安全