瓦斯地質(zhì)基礎(chǔ)幻燈片

1、第二章 瓦斯地質(zhì)基礎(chǔ),知識點(diǎn),瓦斯的基本特性 瓦斯的賦存與運(yùn)移 瓦斯的涌出與突出,主要內(nèi)容,2.1 礦井瓦斯 2.2 瓦斯成因 2.3 瓦斯賦存 2.4 煤的性質(zhì) 2.5 煤層瓦斯運(yùn)移 2.6 礦井瓦斯涌出 2.7 煤與瓦斯突出,2.1 礦井瓦斯,2.1 礦井瓦斯 1. “瓦斯”詞語來源？ “瓦斯”音譯自日文“（瓦斯）” 2. 礦井瓦斯 是指從煤層及煤層圍巖中涌出的，以及在煤礦生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的各種氣體的統(tǒng)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、氫（H2）、一氧化碳（CO）、二氧化硫(SO2)、硫化氫(H2S)等

2、。 廣義：煤礦井下有毒氣體的總稱。狹義：甲烷,2.1 礦井瓦斯,2.1.1 礦井瓦斯來源,2.1 礦井瓦斯,2.1.2 礦井瓦斯的性質(zhì) 1. 物理性質(zhì) 無色、無味、無嗅、可燃燒、窒息、有毒性、微溶于水。 密度：0.7168 kg/m3； 水中溶解度：55.61 L/m3(0，0.1MPa) 33.10 L/m3(20，0.1MPa) 爆炸范圍：5%-16%(體積百分比，相當(dāng)1m3空氣33-100g瓦斯) 對空氣比重：0.5545 發(fā) 熱 量：35.994 MJ/m3 擴(kuò)散系數(shù)：0.196 cm2/s (0，0.1MPa) 分子直徑：0.4110-9m,2.1 礦井瓦斯,2.1.2 礦井瓦斯的性

3、質(zhì),2.1 礦井瓦斯,2.1.4 瓦斯的危害及用途,危害： 1. 可造成瓦斯窒息事故(43%呼吸短促，57%即刻昏迷) 2. 可釀成瓦斯燃燒事故(16%存在火源) 3. 引起瓦斯爆炸事故(5%-16%存在火源) 4. 產(chǎn)生煤與瓦斯突出事故,用途： 1. 用城鎮(zhèn)煤氣 2. 用作鍋爐和窯爐燃料 3. 瓦斯發(fā)電 4. 作為機(jī)動車燃料 5. 用作化工原料和化工產(chǎn)品,2.2 瓦斯成因,2.2.1 瓦斯成因,2.2 瓦斯成因,2.2.2 成煤過程中瓦斯生成量,2.2 瓦斯成因,2.2.3 煤層瓦斯垂向分帶各帶氣體組分,瓦斯在壓力和濃度差驅(qū)動下進(jìn)行運(yùn)移，煤層保存瓦斯量的多少取決于封閉條件(埋藏深度、透氣性、

4、地質(zhì)構(gòu)造)與貯藏條件(吸附性、孔隙率、含水性、溫度、壓力等)。,瓦斯風(fēng)化帶,2.2 瓦斯成因,從上向下,某煤田煤層瓦斯組分在各瓦斯帶中的變化,氮?dú)?二氮化碳帶,氮?dú)鈳?氮?dú)?甲烷帶,甲烷帶,2.2 瓦斯成因,2.2.4 瓦斯風(fēng)化帶下限,(1) 煤層中所含瓦斯的CH4成分達(dá)80%； (2) 煤層瓦斯壓力為0.1-0.15MPa； (3) 在相同條件下(M和T)，與煤層瓦斯壓力相當(dāng)0.1-0.15MPa的瓦斯含量； 氣煤X=1.5-2.0 m3/t.r；肥煤與瘦煤X=2.0-2.5 m3/t.r； 瘦煤X=2.5-3.0 m3/t.r；貧煤X=3.0-4.0 m3/t.r； 無煙煤X=5.0-7.

5、0 m3/t.r (4) 礦井相對瓦斯涌出量為2 m3/t。 影響因素： 煤層賦存地質(zhì)條件(圍巖性質(zhì)、煤層有無露頭、斷層發(fā)育、煤層傾角、地下水活動等),2.3 瓦斯賦存,2.3.1 瓦斯在煤體內(nèi)賦存狀態(tài),1煤體；2孔隙；3吸收瓦斯；4游離瓦斯；5吸附瓦斯,2.3 瓦斯賦存,2.3 瓦斯賦存,2.3.2 瓦斯吸附與解吸,(1) 吸附瓦斯與游離瓦斯處于動平衡狀態(tài)； (2) 外界壓力、溫度變化，原平衡破壞； (3) 這種瓦斯由吸附狀態(tài)轉(zhuǎn)化為游離狀態(tài)的現(xiàn)象，稱為解吸； (4) 吸附態(tài)瓦斯無內(nèi)能，游離態(tài)分子熱運(yùn)動具有內(nèi)能； (5) 煤的解吸瓦斯量：瓦斯壓力從平衡狀態(tài)下過渡到正常標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，煤體釋放的瓦

6、斯量。,2.4 煤的性質(zhì),2.4.1 煤的孔隙分類,六、煤孔隙結(jié)構(gòu)測定,2.4.2 煤孔隙的測定 壓汞法煤顯微結(jié)構(gòu)測定：利用注入汞的方法測量孔徑分布曲線以及孔容、孔面積、排替壓力等參數(shù)。其測定范圍：3775000埃。壓汞儀是通過對放入其中的樣品在一定范圍內(nèi)由小到大逐步施加壓力并記錄在加壓過程中注入樣品孔隙中汞的體積得到壓力與注入汞體積之間的關(guān)系曲線。 低溫液氮吸附法，該方法能測定煤樣微孔及小孔的分布特征和孔隙結(jié)構(gòu)特征，并能給出比表面積。低溫氮吸附法能更好地反映孔徑小于100nm的孔徑分布特征。,2.4 煤的性質(zhì),測試儀器：AUTOPORE IV,2.4 煤的性質(zhì),2.4.3 不同變質(zhì)程度煤的孔

7、隙分布,2.4 煤的性質(zhì),2.4.4 煤的吸附等溫線,1916年朗格繆爾導(dǎo)出單分子層吸附狀態(tài)方程朗格繆爾方程： 式中：X給定溫度下，瓦斯壓力為P時單位質(zhì)量固體(純煤除水分和灰分)表面吸附的氣體體積，m3/t或m3/ m3 ； P煤層平衡的瓦斯壓力，MPa； a吸附常數(shù)，試驗溫度下煤的極限吸附量，m3/t； b吸附常數(shù)，MPa-1。,2.4 煤的性質(zhì),2.4.5 煤的吸附能力主要影響因素,儲層壓力,煤的吸附能力主要影響因素,煤中水分,變質(zhì)程度,溫度每升高1，吸附瓦斯的能力要降低8%。,CO2 CH4 N2,在給定溫度下，吸附量與瓦斯壓力呈雙曲線變化。,艾琴格爾經(jīng)驗公式： 式中：Xw濕煤的瓦斯吸附

8、量，m3/t；Xd干煤的瓦斯吸附量，m3/t；Mad煤中水分含量，%。,變質(zhì)程度和孔隙結(jié)構(gòu)和比表面積及化學(xué)成分有關(guān)，呈馬鞍型變化。,溫 度,氣體性質(zhì),平衡水,2.4 煤的性質(zhì),兩個吸附等溫線實例（無水無灰基） aCO2（26）；bCO2（44）；cCH4（26）； dCH4（44）；eN2（26）,2.4 煤的性質(zhì),2.4 煤的性質(zhì),2.4.6 不同變質(zhì)程度煤的吸附瓦斯量,圖2 不同變質(zhì)程度煤的吸附瓦斯量 （ “T=30，P=2 MPa ） 1、2、3一非突出煤；4、5，6一突出煤； 1、4一新容量法；2、5一重量法；3、6一舊容量法,2.5 煤層瓦斯運(yùn)移,2.5.1 瓦斯運(yùn)移,保存在煤層中的

9、瓦斯僅占形成瓦斯量的1/10。成煤過程中形成的瓦斯可分如下幾個部分： (1) 保存煤層中的瓦斯； (2) 從煤層中運(yùn)移出來，保存在圍巖中的瓦斯； (3) 從煤層中運(yùn)移出來，溶解于地下水中瓦斯； (4) 排放大氣中瓦斯。,2.5 煤層瓦斯運(yùn)移,2.5.2 瓦斯運(yùn)移方式,1.滲濾 瓦斯沿裂隙、構(gòu)造破碎帶的運(yùn)移方式。 2.擴(kuò)散 由于氣體濃度差原因，氣體由高濃度向低濃度擴(kuò)散，達(dá)到擴(kuò)散平衡。,2.5 煤層瓦斯運(yùn)移,2.5.2 瓦斯運(yùn)移方式,2.5 煤層瓦斯運(yùn)移,2.5.3 煤層瓦斯流動,1. 原始煤體 瓦斯在煤層中以呈壓縮狀態(tài)，煤層瓦斯壓力隨深度增大而增大，是在漫長的地質(zhì)年代里，煤層瓦斯由深部向地表流動

10、的結(jié)果，但這種煤層瓦斯流動是極其緩慢的，在采礦工程中，研究煤層瓦斯流動時，一般忽略這種緩慢的瓦斯流動。通常認(rèn)為，在采掘工作或鉆孔未影響到的煤層，瓦斯處于平衡狀態(tài)，不會發(fā)生瓦斯流動。,2.5 煤層瓦斯運(yùn)移,2. 采掘影響區(qū) 由于采掘破壞了原有的瓦斯壓力平衡狀態(tài)，引起瓦斯流動，形成瓦斯流動場。應(yīng)響影響煤層瓦斯流動的因素很多，諸如煤層賦存條件、瓦斯壓力、含量、煤層透氣性以及采掘技術(shù)條件等等，但主要影響因素為瓦斯壓力和煤層透氣性，前者是瓦斯流動的動力，后者是瓦斯流動的阻力。,2.5 煤層瓦斯運(yùn)移,2.5.4 煤層瓦斯流動方式,1. 當(dāng)孔隙直徑為0.1-1 m時，由于孔徑大于瓦斯分子的平均自由程0.1m

11、 ，瓦斯流動表現(xiàn)為自由擴(kuò)散或慢速的層流滲透，這時瓦斯流動符合費(fèi)克或達(dá)西定律。 2. 當(dāng)孔隙直徑為0.1-0.2 m時，瓦斯流動為層流滲透，符合達(dá)西定律。 3. 當(dāng)孔徑或可見裂隙寬度0.2 m時，瓦斯流動表現(xiàn)為層流滲透或?qū)恿髋c紊流的混合過渡流。,2.5 煤層瓦斯運(yùn)移,2.5.4 煤層瓦斯流動方式,4. 當(dāng)孔隙直徑小于0.1m時，瓦斯流動屬于分子擴(kuò)散。 5. 當(dāng)孔徑小于3 nm時，會出現(xiàn)瓦斯表面擴(kuò)散和固體中的擴(kuò)散。 煤層中上述各種瓦斯流動形式是同時存在的，但為了簡化煤層瓦斯流動狀態(tài)，通常用線性滲透規(guī)律來描述，即認(rèn)為煤層中瓦斯流動屬層流滲透，即符合達(dá)西定律。 流體流過孔隙介質(zhì)時，其流速與流動方向上的

12、壓力梯度成正比。,2.5 煤層瓦斯運(yùn)移,2.5.5 瓦斯流動場,瓦斯在煤層中由高壓區(qū)流向低壓區(qū)，在煤層中即形成一定的流動范圍瓦斯流動場。 從時間因素來看：流動類型可分為穩(wěn)定流動和非穩(wěn)定流動兩種類型，前者流動場不隨時間而變化，后者流動場隨時間而改變。煤層瓦斯流動屬非穩(wěn)定流動類型。 從空間形態(tài)來看：瓦斯流動類型分為單向流動、徑向流動和球向流動三種類型。,2.5 煤層瓦斯運(yùn)移,2.5.5 瓦斯流動場,(一)單向流動 單向流動的特點(diǎn)是煤層瓦斯沿單一方向流動，流線相互平行。 沿煤層開掘高度大于煤層厚度的巷道后，巷道兩側(cè)煤層中的瓦斯皆沿垂直于巷道的方向流動，這種流動屬單向流動。,2.5 煤層瓦斯運(yùn)移,2.

13、5.5 瓦斯流動場,(二)徑向流動 徑向流動是平面流動。徑向流動時，等瓦斯壓力線為一組同心圓，瓦斯流線沿圓的徑向發(fā)展。 在煤礦井下，石門或鉆孔垂直揭穿煤層時，煤層中的瓦斯流動就是徑向流動。,2.5 煤層瓦斯運(yùn)移,2.5.5 瓦斯流動場,(三)球向流動 球向流動的特點(diǎn)是等瓦斯壓力線為一組同心球狀，瓦斯流線沿球的徑向發(fā)展。在煤礦井下屬球向流動的情況很少見。 石門揭特厚煤層，特厚煤層中的掘進(jìn)面迎頭和鉆孔孔底以及煤塊的瓦斯放散等都可近似地視為球向流動。,2.5 煤層瓦斯運(yùn)移,2.6 礦井瓦斯涌出,2.6.1 礦井瓦斯涌出,1. 礦井瓦斯涌出 是礦井在開拓、掘進(jìn)、回采過程中，瓦斯從煤層或巖層涌向采掘空間

14、的現(xiàn)象。 2. 瓦斯涌出來源：煤層、巖層、鄰近層。 3. 絕對瓦斯涌出量(m3/min或m3/d) 4. 相對瓦斯涌出量(m3/t),2.6 礦井瓦斯涌出,絕對瓦斯涌出量(Q) 是指礦井在單位時間內(nèi)涌出的瓦斯體積，單位是m3/min或m3/d。,相對瓦斯涌出量(q) 是指在礦井正常生產(chǎn)條件下平均每采一噸煤所涌出的瓦斯體積，單位是m3/t。,2.6 礦井瓦斯涌出,2.6.2 礦井瓦斯涌出方式,瓦斯噴出從煤體或巖體裂隙、孔洞或炮眼中大量瓦斯異常涌出的現(xiàn)象。在20m巷道范圍內(nèi)，涌出瓦斯量1.0 m3/min，且持續(xù)時間在8h以上時，該采掘區(qū)即定為瓦斯噴出危險區(qū)域。,2.6 礦井瓦斯涌出,2.6.3

15、礦井瓦斯等級,2.6 礦井瓦斯涌出,2.7 煤與瓦斯突出,2.7.1 煤與瓦斯突出,什么是煤與瓦斯突出？ 煤與瓦斯突出是發(fā)生在煤礦井下的一種復(fù)雜的瓦斯動力現(xiàn)象，表現(xiàn)為在很短時間（幾秒至數(shù)十秒）內(nèi)，大量的煤（幾噸至數(shù)千噸）和瓦斯（數(shù)百至數(shù)百萬米）由煤體向采掘巷道噴出，伴隨著強(qiáng)大的沖擊力，破壞煤壁，摧毀巷道，使風(fēng)流逆轉(zhuǎn)，煤流埋人，甚至造成嚴(yán)重的爆炸事故。煤與瓦斯突出是煤礦井下嚴(yán)重的自然災(zāi)害之一。,2.7 煤與瓦斯突出,2.7 煤與瓦斯突出,突 出 模 擬,2.7 煤與瓦斯突出,嚴(yán)重突出礦區(qū) 北票、六枝、南桐、天府、芙蓉、松藻、英崗嶺、漣邵、白沙、焦作、雞西、阜新、沈陽,2.7 煤與瓦斯突出,2.7

16、.1 煤與瓦斯突出,截至1981年底，我國有突出礦井205對，已發(fā)生突出9845次，其中1000t以上的特大型突出64次。我國最大的一次煤與瓦斯突出是1975年8月8日在四川三匯壩一井+280m水平（距地表垂深500m）主平硐揭開K1煤層時發(fā)生的，突出煤巖12780t，噴出瓦斯140萬m3。,2.7 煤與瓦斯突出,2.7.2 煤與瓦斯突出分類 1. 按突出強(qiáng)度分,小型突出（50t） 中型突出（50，100t） 次大型突出（100，500t） 大型突出（500，1000t） 特大型突出（1000t）,2.7 煤與瓦斯突出,2.按突出地點(diǎn)分,石門突出 平巷突出 上山突出 下山突出 回采工作面突出,

17、2.7 煤與瓦斯突出,3.按參與突出物種類分,煤與瓦斯突出 巖石與瓦斯突出 煤與二氧化碳突出 巖石與二氧化碳突出 鹽與二氧化碳突出 煤、鹽和二氧化碳突出,2.7 煤與瓦斯突出,2.7.3 煤與瓦斯突出機(jī)理,國外 對煤 與瓦 斯突 出的 認(rèn)識,瓦斯為主導(dǎo) 作用的假說,綜合假說,化學(xué)本質(zhì)假說,地應(yīng)力為主導(dǎo) 作用的假說,強(qiáng)調(diào)瓦斯是突出的主要能源,1、地壓和瓦斯壓力是導(dǎo)致突出的能源； 2、瓦斯起著拋出體和搬運(yùn)煤體的作用，是 完成突出的主要能源； 3、當(dāng)煤的強(qiáng)度很低、煤與圍巖的摩擦力不 大時，地壓造成的變形潛能使煤體破碎。,突出是由于煤在變質(zhì)時發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)而 引起的,突出的主要因素和能源是地應(yīng)力,2.

18、7 煤與瓦斯突出,2.7 煤與瓦斯突出,結(jié)果,致因,致因明細(xì),主要作用,煤 與 瓦 斯 突 出,地壓,瓦斯,煤性質(zhì),巖層應(yīng)力,壓力,構(gòu)造應(yīng)力,集中應(yīng)力,組分,含量,穩(wěn)定性 透氣性 強(qiáng) 度,破壞煤體 發(fā)生突出,拋出煤體 完成突出過程,決定突出發(fā)生 發(fā)展的難易,綜合假說突出機(jī)理,2.7 煤與瓦斯突出,國內(nèi) 對煤 與瓦 斯突 出的 認(rèn)識,中心擴(kuò) 張學(xué)說,流變說,二相 流體說,固流藕合 失穩(wěn)理論,煤和瓦斯突出是從離工作面某一距離處的中心開始,煤和瓦斯突出是含瓦斯煤體在采動影響后地應(yīng)力 與孔隙瓦斯氣體偶合的一種流變過程。,煤粒和瓦斯的二相流體受壓積蓄能量，卸壓膨脹 放出能量，沖破阻礙區(qū)形成突出。,球殼失 穩(wěn)觀點(diǎn),突出是含瓦斯煤體在采掘活動影響下，局部發(fā)生 迅速、突然破壞而生成的現(xiàn)象。,地應(yīng)力破壞煤體、煤體釋放瓦斯、瓦斯使煤體裂 隙擴(kuò)張并使形成的煤殼失穩(wěn)破壞的過程。,2.7 煤與瓦斯突出,推論1,在突出的發(fā)展過程中，如果某一點(diǎn)煤體滿足 了前兩個突出的力學(xué)條件，但不滿足第三個 力學(xué)條件，則突出將在該處停止，由于滿足 了前兩個力學(xué)條件，球蓋狀的煤殼已經(jīng)形成， 因此，在突出孔洞的里端，應(yīng)該能夠找到這 樣的球蓋狀的煤殼。,2.7 煤與瓦斯突出,推論2,突出煤體暴露后，如果未發(fā)生突出，則暴露表面煤體會在地應(yīng)力的 作用下破壞，表面煤體內(nèi)