礦井瓦斯防治技術(shù).ppt

第一部分礦井瓦斯防治技術(shù)第1章煤層瓦斯賦存與含量 1 1礦井瓦斯的概念與性質(zhì) 1 2煤層瓦斯的成因 1 3煤層瓦斯賦存的垂直分帶性 1 4煤的孔隙特征 1 5煤的吸附特性 1 6煤層瓦斯壓力 1 7煤層瓦斯含量 1 8影響煤層瓦斯含量的主要因素 目錄 第2章礦井瓦斯涌出 2 1煤層瓦斯流動的基本規(guī)律 2 2煤層瓦斯涌出量及主要影響因素 2 3礦井瓦斯等級及其鑒定 2 4礦井瓦斯涌出量預(yù)測 2 5礦井瓦斯涌出防治第3章瓦斯噴出及其預(yù)防 3 1瓦斯噴出的分類及其特點(diǎn) 3 2瓦斯噴出的防治 第4章煤與瓦斯突出及其防治 4 1煤與瓦斯突出概況 4 2礦井瓦斯動力現(xiàn)象及分類 4 3采掘工作面瓦斯動力現(xiàn)象的特點(diǎn) 4 4煤與瓦斯突出機(jī)理 4 5煤與瓦斯突出的一般規(guī)律 4 6區(qū)域性防突措施 4 7采掘工作面防突措施 4 8煤與瓦斯突出的預(yù)測 4 9巖石與二氧化碳的預(yù)防 第5章礦井瓦斯爆炸及其預(yù)防 5 1礦井瓦斯爆炸及作用機(jī)理 5 2瓦斯爆炸的傳播及其后果 5 3煤礦爆炸性氣體的安全技術(shù)參數(shù) 5 4煤礦瓦斯爆炸原因分析 5 5預(yù)防瓦斯爆炸的技術(shù)措施第6章煤礦瓦斯抽放技術(shù) 6 1煤礦瓦斯抽放可行性分析 6 2瓦斯抽放設(shè)計基礎(chǔ) 6 3抽放瓦斯方法及工藝參數(shù) 6 4抽放瓦斯設(shè)備及參數(shù)設(shè)計 6 5瓦斯利用 第一部分礦井瓦斯防治技術(shù) 第1章煤層瓦斯賦存與含量 1 1礦井瓦斯的概念與性質(zhì)一 礦井瓦斯的含義廣義 井下除正?？諝獾拇髿獬煞菀酝?涌向采礦空間的各種有毒 有害氣體總稱 狹義 煤礦生產(chǎn)過程中從煤 巖內(nèi)涌出的 以甲烷為主要成份的混合氣體總稱 礦井瓦斯成分很復(fù)雜 其主要成分是甲烷 CH4 其次是二氧化碳 CO2 和氮?dú)?N2 還含有少量或微量的重?zé)N類氣體 乙烷 丙烷 丁烷 戊烷等 氫 H2 一氧化碳 CO 二氧化硫 SO2 硫化氫 H2S 等 由于甲烷 俗稱沼氣 是礦井瓦斯的主要成分 因而人們習(xí)慣上所說的瓦斯 通常指甲烷而言 來源 1 煤 巖層涌出 烷烴 環(huán)烷烴 芳香烴 2 生產(chǎn)過程中產(chǎn)生 CO2 NO2 H2等 3 井下化學(xué) 生物化學(xué)反應(yīng)生成 CO2 H2S SO2 4 放射性元素蛻變過程生成 Rn He等 二 CH4的性質(zhì)無色 無味 無嗅的氣體 可燃燒 爆炸 分子量 16 049 分子直徑 0 41nm 密度 0 716Kg m3 氣態(tài) 424 5Kg m3 液態(tài) 相對空氣密度 0 554 難溶入水 在101 3KPa 20 條件下 3 31l 100lH2O三 CH4的危害及其經(jīng)濟(jì)價值1 危害性 1 燃燒 爆炸 2 窒息 3 噴出 突出 2 重要能源CH4 2O2CO2 2H2O Q1m3CH437022 2kJ相當(dāng)于1 1 5Kg煙煤 重要的化工原料 1 2煤層瓦斯的成因有機(jī)源氣體 腐植有機(jī)物 高等植物 成煤過程 煤層瓦斯是腐植型有機(jī)物 植物 在成煤過程中生成的兩個階段 1 生物化學(xué)階段 從植物遺體到泥炭 4C6H10O57CH4 8CO2 C9H6O 3H2O特點(diǎn) 埋藏淺 覆蓋層膠結(jié)不好 煤層保存氣體少 2 變質(zhì)階段 從泥炭到煙煤 泥炭褐煤煙煤無煙煤如 4C16H18O5C57H56O10 4CO2 3CH4 2H2OC57H56O10C54H42O5 CO2 2CH4 3H2OC54H42O5C13H4 2CH4 H2O P t P t P t 特點(diǎn) 1 碳化過程生成的大量氣體 初期 主要為CO2 CH4不多 隨著碳化程度的提高 CO2減少 CH4增多 同時生成重?zé)N 2 碳化的同時 煤的物質(zhì)分子式 結(jié)構(gòu)發(fā)生變化 3 因覆蓋層增厚 生成的氣體大多得以保存 但煤層瓦斯含量遠(yuǎn)小于生成量 減少的原因 1 地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動 2 運(yùn)移到適于貯存地點(diǎn) 形成氣藏 3 溶解于水中 長久地質(zhì)年代過程中 4 逸散于大氣中 從煤層露頭 3 其它主要?dú)怏wCO2成因 變質(zhì)生成 易逸散于大氣中 溶解于水 生成碳酸鹽 所以 深部煤層中很少含有CO2 生物化學(xué)作用 淺部生物圈內(nèi) 微生物生化作用 火山活動 巖漿接觸變質(zhì) 生成大量CO2 如 窯街 營城局 煤氧化 特別是煤的低溫氧化 N2來自大氣 與氬的比例與空氣一致 He放射性元素蛻變的產(chǎn)物 1 3煤層瓦斯賦存的垂直分帶性煤層瓦斯主要成分 CH4 CO2 N2 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 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 CO2 N2 N2 N2 CH4 CH4 四帶 CO2 N2帶 N2帶 N2 CH4帶 CH4帶 現(xiàn)場實(shí)際過程中 將前三帶總稱為瓦斯風(fēng)化帶 劃分的意義 掌握本煤田煤層瓦斯垂直分帶的特征 是搞好礦井瓦斯涌出量預(yù)測和日常瓦斯管理工作的基礎(chǔ) 規(guī)律 瓦斯風(fēng)化帶內(nèi) 涌出量與深度之間無規(guī)律性 瓦斯風(fēng)化帶內(nèi) 無突出危險性 在CH4帶內(nèi) 煤層垂向各帶氣體組份表 瓦斯風(fēng)化帶下界深度確定依據(jù) 根據(jù)下列指標(biāo)中的任何一項確定 1 煤層的相對瓦斯涌出量等于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0 1 0 15MPa 4 煤的瓦斯含量達(dá)到下列數(shù)值處 長焰煤1 0 1 5m3 t C M 氣煤1 5 2 0m3 t C M 肥煤與焦煤2 0 2 5m3 t C M 瘦煤2 5 3 0m3 t C M 貧煤3 0 4 0m3 t C M 無煙煤5 0 7 0m3 t C M 此處的C M是指煤中可燃質(zhì)既固定碳和揮發(fā)分 1 4煤的孔隙特征煤是一種復(fù)雜的孔隙性介質(zhì) 有著十分發(fā)達(dá)的各種不同直徑的孔隙和裂隙 形成龐大的自由空間和表面 煤是一種孔隙 裂隙性介質(zhì) 它決定煤 CH4體系的許多特性 EX 集氣性 CH4的存在形態(tài) 含量 etc 滲透性 流態(tài) 流出形式 涌出量 力學(xué)特性 強(qiáng)度 彈性 脆性 一 孔隙分類為了研究瓦斯在煤層中的賦存與流動 將煤中孔隙分類如下 煤中的微孔 80 二 表示孔隙特性的參數(shù)1 孔隙率 f 單位體積固體具有的孔隙容積 表示式 f 孔隙率 V 固體 含孔隙 的體積 cm V0 實(shí)體 不含孔隙 的體積 cm 假設(shè)M 固體質(zhì)量 g 固體假密度 g cm3 o 固體真密度 g cm3 則有 通過實(shí)驗確定 或利用經(jīng)驗公式計算 當(dāng)2 孔容 比孔容 f 單位質(zhì)量固體具有的孔隙容積 表示式 同上 可推得 所以 cm3 g 3 比表面 固體單位質(zhì)量或單位體積具有的孔隙總表面積 4 孔隙結(jié)構(gòu) 各類孔隙在總孔隙中所占百分比 微孔所占比例大 且比表面積也大 三 煤 巖孔隙的基本特點(diǎn)1 各類煤巖的孔隙率差別很大 不同的煤需具體測定 我國一些礦井煤的孔隙率 2 煤的孔隙率與碳化程度的關(guān)系 長焰煤開始Vrf到焦瘦煤達(dá)到最小 而后Vrf到無煙煤達(dá)到最大 但微孔 則Vr而始終 3 煤的孔隙率與煤的破壞程度的關(guān)系 1 未受構(gòu)造應(yīng)力破壞的煤微孔達(dá)80 90 大孔很少 無外生裂隙 煤層瓦斯含量大 但瓦斯涌出量不大 涌出速度慢 涌出時間長 2 破壞型煤各種孔均存在 隨著煤的破壞程度增大而增加 游離瓦斯含量高 易涌出 衰減快 可能發(fā)生突出 3 構(gòu)造煤在地應(yīng)力作用下 煤破碎成 0 1mm的煤粒 再被壓成煤磚狀 各類孔均存在 瓦斯含量高 卸壓后 f 瓦斯涌出量 易突出 4 孔隙率與外加壓力 地應(yīng)力 關(guān)系式中 f 受壓狀態(tài)下的孔隙率 f0 未受壓狀態(tài)孔隙率 壓應(yīng)力 壓縮系數(shù) 一般地 微孔不壓縮 Exp 17MPa時 f減少20 因為微孔不變 大中孔減少40 50 備注 1 Hf 2 卸壓后 受采動影響 f 3 對煤的吸附性影響很小 1 5煤的吸附特性一 概述1 吸附現(xiàn)象 氣體分子與固體表面分子間相互作用 氣體分子暫時停留在固體表面上的現(xiàn)象 吸附劑 能吸附其它物質(zhì)的介質(zhì) 如 煤 吸附質(zhì) 被吸附的物質(zhì) 如CH4 2 吸附分類 根據(jù)吸附方式分 表面吸附 吸著 在吸附劑表面吸附一層或多層吸附質(zhì)分子 容積吸附 吸收 吸附質(zhì)分子緊密地充滿于吸附劑的微小孔隙內(nèi) 類似于溶質(zhì)溶解于溶劑中 根據(jù)吸附作用力分 A 物理吸附特點(diǎn) 作用力為范德華力 作用距離極小 1 r7 僅限于界面附近 可逆的 不穩(wěn)定的動平衡 吸附是一種放熱反應(yīng) 解吸 吸熱 如 煤 CH4 吸附熱 0 5 1 2Kj molB 化學(xué)吸附作用力為離子鍵 不可逆 二 吸附線和吸附方程吸附量決定于 吸附質(zhì)性質(zhì) 不同氣體 吸附劑性質(zhì) 吸附溫度 吸附壓力 1 吸附線 吸附劑和吸附質(zhì) 在一定溫度 t 或一定壓力 P 下 吸附量與P或t之間的關(guān)系曲線 t const 等溫吸附線 t X P const 等壓吸附線 2 吸附方程A Langmuir方程 1916年 理論計算式 式中 X 給定溫度下的吸附量 m3 t a 吸附常數(shù) 極限吸附量 m3 t b 吸附常數(shù) MPa 1 P 吸附平衡時的氣體壓力 Mpa a b通過實(shí)驗室測定得出 實(shí)際算式 其中 B 弗洛德里希方程 1906 式中 k n 系數(shù) P 氣體壓力 C 都必林方程式中 a0 極限吸附瓦斯量 cm g E 吸附能 j mol P0 極限吸附時的氣體壓力 Mpa P 吸附壓力 Mpa T 吸附溫度 n 吸附結(jié)構(gòu)系數(shù) 三 影響煤與瓦斯吸附量的主要因素1 瓦斯壓力t const PX2 溫度P consttX溫度每升高1 吸附瓦斯的能力降低約8 3 瓦斯的性質(zhì)對于特定的煤 在t P一定時 CO2的吸附量 CH4的吸附量 N2的吸附量4 煤的變質(zhì)程度變質(zhì)程度反映了煤的表面積與化學(xué)組成 變質(zhì)程度越高 Vr X 5 煤中的水份水份的增加使煤的吸附能力降低 艾琴格爾經(jīng)驗式 式中 Xch 含有水份時瓦斯吸附量 Xg 不含有水份時瓦斯吸附量 W 水份含量 6 煤中的灰份 Ac 灰份不吸附瓦斯 我國習(xí)慣于用可燃基作單位 1 6煤層瓦斯壓力一 瓦斯壓力的含義 煤層孔隙或裂隙內(nèi)氣體分子自由運(yùn)動撞擊所產(chǎn)生的作用力 特點(diǎn) 在某一點(diǎn)上各向大小相等 方向與孔隙壁面垂直 煤層瓦斯壓力是決定煤層瓦斯含量 瓦斯流動動力高低以及瓦斯動力現(xiàn)象的基本參數(shù) 二 煤層瓦斯壓力分布的一般規(guī)律1 在未受采動影響煤層內(nèi) 1 沿深度 沿煤層傾向 符合氣體狀態(tài)方程 即 P f v 1 t 其中 v為孔容 t為煤溫 H V T但不明顯 HP未受采動影響的煤層內(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 存在 n 系數(shù) 通常取n 1 存在 gp 煤層瓦斯壓力梯度 Mpa m 含義 單位深度增加煤層瓦斯壓力增加量 gp說明什么 根據(jù)瓦斯壓力梯度可以預(yù)測深部煤層瓦斯壓力 預(yù)測計算式 式中 P 預(yù)測的甲烷帶內(nèi)深H m 處的瓦斯壓力 MPagp 瓦斯壓力梯度 MPa m特例 式中 P0 甲烷帶上部邊界處瓦斯壓力 取0 2MPa H0 甲烷帶上部邊界深度 m 舉例 某礦瓦斯風(fēng)化帶深度為100m 在200m處測得煤層瓦斯壓力為0 5MPa 預(yù)測300m處煤層瓦斯壓力 2 沿走向在地質(zhì)條件相近的塊段內(nèi) 相同深度的同一煤層 具有大體相同的瓦斯壓力 條件 A 孔隙 裂隙互相連通 形成一個統(tǒng)一的體系 B 等量的瓦斯處于孔隙容積相同的不同體系內(nèi) C 不等量的瓦斯處于孔隙容積按同比例的不同體系內(nèi) 即 實(shí)際上 只能 大體相同 而且可能差別 2 采動影響區(qū)煤層 f Xf P發(fā)生變化 十分復(fù)雜 一般隨深度增加瓦斯壓力逐漸增大 二 煤層瓦斯壓力測定瓦斯壓力測定 打鉆 封孔 測壓1 主要設(shè)備及儀表鉆機(jī) 測定管 壓力表 封孔材料 炮泥 水泥 木楔 封孔器 2 測壓步驟A 打鉆要求 測定地點(diǎn)無大裂隙 不位于破壞帶 含水小 一般由圍巖向煤層打穿層鉆孔 鉆孔直徑 45 75mm B 封孔鉆孔到位后 用壓氣清渣 封孔方法分為 固體材料封孔一般采黃泥作為固體材料 水泥砂漿封孔為了克服粘土封孔費(fèi)工費(fèi)時勞動強(qiáng)度較大的缺點(diǎn) 國內(nèi)外不少礦井采用以壓縮空氣為動力 將水泥砂漿壓入鉆孔的封孔工藝 適用條件 封孔傾角超過45 深度大于15m的鉆孔 水泥沙漿配比 500號水泥 砂石 水 鋁粉 或石膏 1 0 5 0 0008 膠圈粘液封孔測定瓦斯壓力原理 用膨脹著的膠圈封高壓粘液 再由高壓粘液封高壓瓦斯 由壓力表測定瓦斯壓力 3 注意事項 1 測壓空間盡可能小 2 鉆孔打完后 立即封孔 尤其是低透氣性煤層 3 防止漏氣 4 足夠長的觀察時間 5 防止地下水的影響 盡可能不穿含水層 必須穿過含水層時 封孔應(yīng)超過含水層 1 7煤層瓦斯含量一 瓦斯在煤層中的存在狀態(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 1 游離狀態(tài)主要存在于大 中孔 裂隙空間內(nèi) 其間瓦斯分子作自由熱運(yùn)動 顯示相應(yīng)的瓦斯壓力 在現(xiàn)今采深下 占瓦斯總量的5 12 2 吸附狀態(tài)主要存在于小孔和微孔空間內(nèi) 分為表面吸附和吸收兩種狀態(tài) 占瓦斯總量的 80 3 其它形態(tài) 結(jié)晶水化物問題提出 結(jié)晶水化物的形式 形成條件 低溫 高壓 對CH4 對C2H6 對C3H8 t 0 時 P 2 0MPat 5 時 P 4 8MPat 10 時 P 8 0MPa t 0 時 P 0 6MPat 5 時 P 1 3MPat 10 時 P 2 5MPa t 0 時 P 0 1MPat 2 5 時 P 0 3MPa 乙烷和丙烷生成水化物的條件比CH4低得多 二 煤層瓦斯含量1 含義 單位質(zhì)量或體積的煤中含有的瓦斯量 m3 m3 m3 t 煤層瓦斯包含 游離瓦斯量和吸附瓦斯量2 瓦斯含量計算 1 游離瓦斯量由氣體狀態(tài)方程 考慮到瓦斯氣體可壓縮性 則有 粗略計算 假設(shè) 則 式中 P 煤層瓦斯壓力 Mpa V 煤的孔容 2 吸附瓦斯量 Xx一般采用朗格繆爾方程計算 其中 3 煤層瓦斯含量 XX Xg Xxm3 t 三 煤層瓦斯含量的測定1 直接測定法 勘探鉆孔煤芯解吸法主要測定步驟 1 現(xiàn)場采樣與瓦斯解吸速度的測定 v1 2 損失瓦斯量的計算 v2t0 裝罐前時間 t 裝罐后時間 v 解吸瓦斯體積 煤樣剩余瓦斯解吸 v3包括 I 煤樣粉碎前脫氣 ii 煤樣粉碎后脫氣總瓦斯量 V V1 V2 V3經(jīng)過狀態(tài)變換和計算可得煤層原始瓦斯含量 2 瓦斯含量系數(shù)法測定原理 煤層瓦斯含量與瓦斯壓力之間 大致存在如下關(guān)系 式中 瓦斯含量系數(shù) m3 m3 MPa0 5 通過實(shí)驗室測定得出 P 煤層瓦斯壓力 Mpa X 煤層瓦斯含量 m3 m3 1 8影響煤層瓦斯含量的主要因素煤層瓦斯含量主要取決于 瓦斯生成量 瓦斯運(yùn)移條件 煤層貯存瓦斯的性能 具體包括以下幾點(diǎn) 1 煤的碳化程度在碳化作用過程中 不斷地產(chǎn)生瓦斯 碳化程度越高 生成的瓦斯量越多 相同的條件下 煤的變質(zhì)程度越高 煤層瓦斯含量越大 煤的平均甲烷含量與其變質(zhì)程度的定量關(guān)系曲線 2 煤層的賦存狀態(tài) 1 露頭成煤的地質(zhì)年代中 若有露頭長時間與大氣相通 瓦斯沿煤層流動 煤層瓦斯往往沿煤層露頭排放 瓦斯含量大為減少 2 煤層傾角 煤層傾角愈大 煤層瓦斯含量愈低 Exp 芙蓉礦 北翼 40 80 南翼 6 12 3 埋藏深度埋深增加 地應(yīng)力增高 煤層的透氣性變差 瓦斯向地表運(yùn)移距離增加 有利于封存瓦斯 在近代開采深度內(nèi) CH4帶 但是如果埋藏深度繼續(xù)增大 瓦斯含量增加的速度將要減慢而趨于常量 3 煤層和圍巖的透氣性煤層圍巖是指煤層直接頂 老頂和直接底板等在內(nèi)的一定厚度范圍的層段 煤層圍巖對瓦斯賦存的影響 決定于它的隔氣 透氣性能 當(dāng)煤層頂板巖性為致密完整的巖石 如頁巖 油母頁巖時 煤層中的瓦斯容易被保存下來 頂板為多孔隙或脆性裂隙發(fā)育的巖石 如礫巖 砂巖時 瓦斯容易逸散 exp 北京京西煤礦 不論是下侏羅統(tǒng)或是石炭二疊系的煤層 盡管煤的牌號為無煙煤 由于煤層頂板為12 16m的厚層中粒砂巖 透氣性好 因此煤層瓦斯含量小 礦井瓦斯涌出量低 4 地質(zhì)構(gòu)造是影響煤層瓦斯含量的主要因素之一 表現(xiàn) 一方面是造成了瓦斯分布的不均衡 另一方面是形成了有利于瓦斯賦存或有利于瓦斯排放的條件 1 褶皺構(gòu)造褶皺的類型 封閉情況和復(fù)雜程度 對瓦斯賦存均有影響 當(dāng)煤層頂板巖石透氣性差 且未遭構(gòu)造破壞時 背斜有利于瓦斯的儲存 是良好的儲氣構(gòu)造 背斜軸部的瓦斯會相