第16、17講礦井瓦斯

煤礦地質(zhì)第六章、礦井瓦斯瓦斯是在煤的形成過程中生成并保存在煤層和圍巖中的多成分混合氣體。瓦斯是地質(zhì)成因的，是地質(zhì)作用的產(chǎn)物。在煤礦建設(shè)和生產(chǎn)中，煤層及圍巖中的瓦斯會進(jìn)入到采掘工作面中，并因其存在而降低井下空氣的含氧量。當(dāng)氧氣下降到12％以下時，可導(dǎo)致井下人員中毒窒息事故發(fā)生；井下空氣中瓦斯達(dá)到一定濃度條件（5～16％），遇引爆火源可發(fā)生礦井瓦斯爆炸事故。礦井瓦斯一、瓦斯的形成與分帶1．瓦斯成分及其性質(zhì)瓦斯成分：CH4（主要）、N2、CO2。狹義的瓦斯指甲烷（CH4）。甲烷為無色、無味、無嗅、無毒的氣體，比空氣輕，因而在井下它停積在巷道上部?？諝庵屑淄闈舛冗_(dá)到5～16％，遇引火源即可發(fā)生燃燒或爆炸。CO2為無色、無嗅、略帶酸味并有一定毒性的氣體，它的比重比空氣大，在井下主要分布在巷道的下部。大量二氧化碳在井下突然噴出可使人窒息。礦井瓦斯2．瓦斯的成因瓦斯是在煤化作用過程中形成的。泥炭化階段，泥炭轉(zhuǎn)變?yōu)楹置?，這一階段以生物化學(xué)作用為主，可以產(chǎn)生甲烷。隨著深度增加，地溫進(jìn)一步升高，約50～160℃時，煤化作用處于氣煤到肥煤階段，它不僅產(chǎn)生大量甲烷，而且在中晚期也是大量出油的階段。當(dāng)溫度大于160～200℃時，煤轉(zhuǎn)變?yōu)闊o煙煤，復(fù)雜的碳?xì)浠衔镌獾狡茐?，只能產(chǎn)生甲烷而不能生成石油。礦井瓦斯每生成1t煤的產(chǎn)氣量（CH4）：褐煤：68m3肥煤：230m3瘦煤：330m3無煙煤：400m3。煤（巖）層中保留CH4的多少取決于瓦斯形成過程中及其后的保存條件。各煤化階段最終殘留1t煤的生氣量（CH4）：泥炭→褐煤：68.3m3褐煤→煙煤：161.6m3煙煤→無煙煤：192.9m3各煤化階段最終殘留1t煤的生氣量（CO2）：泥炭→褐煤：167.3m3褐煤→煙煤：124.9m3煙煤→無煙煤：23.4m3礦井瓦斯3．瓦斯在煤層內(nèi)的賦存狀態(tài)（1）游離狀態(tài)瓦斯瓦斯分子存在于煤體、圍巖的空隙中。（2）吸著狀態(tài)瓦斯

吸附瓦斯：瓦斯分子被吸附在煤體或巖體孔隙的表面。吸收瓦斯：瓦斯分子在煤體內(nèi)部。礦井瓦斯4.瓦斯的垂直分帶CO2-N2帶：CH4＜10﹪N2帶：CH4＜20﹪N2-CH4帶：CH4＜20-80﹪CH4帶：CH4＞80﹪其中，前三個帶統(tǒng)稱為瓦斯風(fēng)化帶，其下屆深度可據(jù)下列指標(biāo)中任何一項(xiàng)確定：①Q(mào)相對＞2m3/t②CH4＞80﹪③煤層瓦壓=0.1-0.15MPa④長焰煤1-1.5；氣煤1.5-2；肥煤焦煤2-2.5；瘦煤2.5-3；貧煤3-4；無煙煤5-7m3/t。礦井瓦斯二、瓦斯含量的影響因素（一）影響瓦斯含量的地質(zhì)因素1．煤的變質(zhì)程度煤的變質(zhì)程度高，瓦斯含量大。無煙煤吸附瓦斯的能力最強(qiáng)，可達(dá)50～60m3/t。

2．圍巖和煤層的滲透性煤層與圍巖的滲透性好，瓦斯易逸散，不易保存，煤層瓦斯含量低；反之，則易于保存，煤層瓦斯含量高。礦井瓦斯3．地質(zhì)構(gòu)造（1）張性斷裂通達(dá)地表的張性斷層，有利于瓦斯的排放；壓性斷裂不利于瓦斯排放，甚至有一定封閉作用，促進(jìn)瓦斯在煤層內(nèi)的聚集。（2）褶皺構(gòu)造當(dāng)頂板為致密巖層且未暴露地表時，一般在背斜瓦斯含量由兩翼向軸部增大，在向斜槽部瓦斯含量減少；當(dāng)頂板為脆性巖層且裂隙較多時，瓦斯容易擴(kuò)散，因而脆性巖層頂板的煤層背斜頂部含瓦斯量減少，在向斜軸部瓦斯含量增加。礦井瓦斯4．煤田的暴露程度在暴露式煤田中，含煤巖系出露地表，瓦斯易于排放逸散。在隱伏式煤田中，若含煤巖系的覆蓋層為不透氣巖層且厚度大時，則不利于瓦斯排放。5．地下水活動地下水活動強(qiáng)烈的地區(qū)瓦斯含量??；水分子被吸附在煤或裂隙的表面后，減弱了煤對瓦斯的吸附能力；水分占據(jù)了煤的孔隙，排擠自由狀態(tài)的瓦斯，因此煤層含水可降低瓦斯的含量。礦井瓦斯6．煤層埋藏深度瓦斯含量一般隨深度增加而增大。

在瓦斯風(fēng)化帶以下，瓦斯含量、涌出量和瓦斯壓力與深度增加有一定的比例關(guān)系。7.煤層傾角在埋藏深度相同時，煤層傾角越小，瓦斯含量越大。礦井瓦斯（二）煤層瓦斯的測定方法1.直接測定法用密閉式巖芯采取器直接采集鉆孔中的煤樣，直接測定煤芯中瓦斯含量。2．間接測定法采集未經(jīng)風(fēng)化的新鮮煤樣，裝密閉容器送試驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)測，分析計(jì)算出煤的瓦斯含量。礦井瓦斯（三）礦井瓦斯涌出形式1.礦井瓦斯涌出與礦井瓦斯涌出形式礦井瓦斯涌出：瓦斯從煤、巖層中進(jìn)入礦井空氣中。礦井瓦斯涌出形式：（1）普通涌出在時間上與空間上緩慢、均勻、持久地從煤、巖暴露面涌出。（2）特殊涌出在時間上突然集中發(fā)生，其涌出量很不均勻的間斷涌出，包括瓦斯噴出和煤與瓦斯突出。礦井瓦斯2.瓦斯噴出（突出）（1）瓦斯沿原始地質(zhì)構(gòu)造洞隙噴出（突出）

噴出的特點(diǎn)：流量大，持續(xù)時間長，無明顯的地壓顯現(xiàn)現(xiàn)象。噴瓦斯裂縫多屬于開放性裂隙（張性或張扭性斷裂），它們與儲氣層（煤層、砂巖層等）、溶洞或斷層帶貫通。（2）瓦斯沿采掘地壓形成的裂隙噴出（突出）

噴出的特點(diǎn)：噴出瀕臨發(fā)生時伴隨著地壓顯現(xiàn)效應(yīng)，出現(xiàn)多種顯現(xiàn)預(yù)兆，噴出持續(xù)時間較短，其流量與卸壓區(qū)面積、瓦斯壓力和瓦斯含量大小等因素有關(guān)。礦井瓦斯（四）礦井瓦斯涌出量與礦井瓦斯等級1．礦井瓦斯涌出量礦井瓦斯涌出量是指開采過程中煤層或圍巖在單位時間內(nèi)瓦斯的涌出量。礦井瓦斯涌出量分為絕對瓦斯涌出量及相對瓦斯涌出量兩種。（1）絕對瓦斯涌出量礦井在單位時間內(nèi)涌出的瓦斯量，用m3/min或m3/d表示。（2）相對瓦斯涌出量礦井在正常生產(chǎn)情況下，平均日產(chǎn)1t煤的瓦斯涌出量；用m3／t表示。礦井瓦斯2．礦井瓦斯等級（1）低瓦斯礦井礦井相對瓦斯涌出量小于或等于10m3/t且礦井絕對瓦斯涌出量小于或等于40m3/min。（2）高瓦斯礦井礦井相對瓦斯涌出量大于10m3/t或礦井絕對瓦斯涌出量大于40m3/min。（3）煤與瓦斯突出礦井在一個礦井中只要發(fā)現(xiàn)一次煤與瓦斯突出，該礦井即定為煤與瓦斯突出礦井。礦井瓦斯（五）、影響煤與瓦斯突出的地質(zhì)因素1．煤層結(jié)構(gòu)煤層中軟分層厚度增大，突出的危險性也在增加。一個突出礦井，多數(shù)是厚煤層比薄煤層危險性大，厚煤層突出深度比薄煤層淺。含絲炭較多的層狀連續(xù)分布的煤層，易發(fā)生突出。如某礦，長期以來對厚煤層分層開采一直無突出現(xiàn)象，在采用一次采全高綜采放頂煤開采后發(fā)生了突出現(xiàn)象，原因就是在煤層下部存在約0.6m的軟弱分層對突出發(fā)生了作用。礦井瓦斯2．圍巖性質(zhì)突出危險性隨硬而厚的圍巖（硅質(zhì)灰?guī)r、砂巖等）存在而增高。堅(jiān)硬圍巖可以限制煤層內(nèi)較高的瓦斯壓力，當(dāng)巷道揭穿圍巖、壓力平衡被打破時，煤體內(nèi)瓦斯壓力迅速釋放，造成大量的煤與瓦斯突出。3.煤層傾角一般巖煤層傾角大突出深度淺，傾角小突出深度較深。突出發(fā)生在一定的深度上，一般比瓦斯風(fēng)化帶的深度深一倍以上。隨深度增加，突出次數(shù)增多、突出強(qiáng)度增大、突出層數(shù)增加、突出危險區(qū)域擴(kuò)大。礦井瓦斯4.地質(zhì)構(gòu)造向斜軸部、向斜軸部與斷層或褶曲交匯地區(qū)、煤層扭轉(zhuǎn)地區(qū)、煤層傾角驟變、走向拐彎、變厚特別是軟分層變厚地區(qū)、壓性或壓扭性斷層地帶、煤層構(gòu)造分叉、頂?shù)装咫A梯狀凸起地區(qū)等，都是突出點(diǎn)密集地區(qū)，也是大型甚至特大型突出地區(qū)。

礦井瓦斯煤與瓦斯突出，除與地質(zhì)因素有關(guān)外，還與采掘形成的集中壓力帶、掘進(jìn)方向造成的煤體自重失穩(wěn)、采掘作業(yè)引起煤體應(yīng)力狀態(tài)變化劇烈程度等有關(guān)。如鄰近煤層留存煤柱，或本層內(nèi)兩個工作面相距很近，造成采掘集中壓力重疊，這些地段是易突出地帶。礦井瓦斯三、礦井瓦斯防治對礦井瓦斯等級鑒定，合理確定瓦斯設(shè)防等級標(biāo)準(zhǔn)，針對性采取防治措施，是防止礦井瓦斯事故發(fā)生的基本途徑。按照我國現(xiàn)行的煤礦瓦斯管理規(guī)定，每個礦井每年均需要進(jìn)行瓦斯等級鑒定工作，并按管理權(quán)限報請相關(guān)安全生產(chǎn)監(jiān)督管理部門審批，礦井必須按照批復(fù)的瓦斯等級進(jìn)行管理。有突出危險的礦井，無論新井設(shè)計(jì)，還是生產(chǎn)礦井，必須采取防止突出發(fā)生的綜合防治措施。礦井瓦斯（一）煤與瓦斯突出的預(yù)兆1.地壓顯現(xiàn)出現(xiàn)煤炮聲、支架聲響、巖煤開裂、掉渣、底鼓、巖煤自行剝落、煤壁顫動、鉆孔變形、垮孔、頂鉆、夾鉆桿、鉆機(jī)過負(fù)荷等。2.瓦斯涌出異常瓦斯?jié)舛群龃蠛鲂?、井下煤塵增大、溫度異常、氣味異常、打鉆噴瓦斯、噴煤粉、哨聲、蜂鳴聲等。3.煤層出現(xiàn)異常煤層層理紊亂、煤層強(qiáng)度變低出現(xiàn)松軟或不均質(zhì)、軟煤分層厚度增加、煤層傾角變陡、擠壓褶曲、波狀隆起、煤體干燥、頂?shù)装咫A梯隆起、斷層等。礦井瓦斯（二）礦井瓦斯涌出的治理1.分源治理針對瓦斯賦存、涌出規(guī)律特征，通過方案類比選取效果、經(jīng)濟(jì)方面最優(yōu)的治理技術(shù)措施、方法。2.分級分類治理按瓦斯危險程度進(jìn)行分級分類，并按瓦斯危險類別進(jìn)行治理。對特別危險的工作面（如獨(dú)頭掘進(jìn)巷道及瓦斯涌出特別危險的工作面，采取特殊的管理措施和施工技術(shù)措施。3.綜合防治以消除瓦斯危險為方向，以確保作業(yè)人員人身安全為主要目標(biāo)，采取預(yù)測、預(yù)防及應(yīng)急安全保障等綜合安全防治措施。礦井瓦斯（三）煤層瓦斯含量預(yù)測與礦井瓦斯涌出量預(yù)測1.煤層瓦斯含量預(yù)測一個井田內(nèi)不同煤層瓦斯含量可能存在較大的差別，瓦斯含量預(yù)測應(yīng)分煤層進(jìn)行。預(yù)測的基礎(chǔ)工作是收集井田內(nèi)瓦斯鉆孔、井下采樣點(diǎn)位置及原始分析資料，編制出煤層瓦斯含量預(yù)測圖。聯(lián)繪瓦斯含量等值線時，應(yīng)充分考慮地質(zhì)構(gòu)造因素對煤層瓦斯含量的影響，使預(yù)測結(jié)果與理論及實(shí)際情況相一致。山西太原南峪礦區(qū)瓦斯涌出量分布圖（m3/t）平頂山十礦15號煤層瓦斯地質(zhì)圖礦井瓦斯2.礦井瓦斯涌出量預(yù)測（1）統(tǒng)計(jì)預(yù)測法依據(jù)礦井瓦斯涌出量與開采深度等參數(shù)之間的統(tǒng)計(jì)規(guī)律，外推到預(yù)測區(qū)域中的瓦斯涌出量。（2）分源計(jì)算法以煤層瓦斯含量為預(yù)測的主要依據(jù)，通過計(jì)算井下各涌出源的瓦斯涌出量，對礦井瓦斯涌出量進(jìn)行預(yù)測。礦井瓦斯3.煤與瓦斯突出危險性預(yù)測礦井中的煤與瓦斯突出往往發(fā)生在個別區(qū)域，這個區(qū)域的面積一般只占整個井田面積的10％左右。為了保證礦井安全生產(chǎn)，對突出危險程度不同的區(qū)域應(yīng)采取不同的措施。（1）區(qū)域預(yù)測由礦井地測和通風(fēng)部門收集地質(zhì)勘探獲取的煤層厚度、煤的結(jié)構(gòu)破壞類型及工業(yè)分析、煤層圍巖性質(zhì)及厚度、地質(zhì)構(gòu)造、煤層瓦斯含量等資料，編制瓦斯地質(zhì)圖，然后在此基礎(chǔ)上利用瓦斯地質(zhì)統(tǒng)計(jì)法等進(jìn)行突出區(qū)域危險性預(yù)測。礦井瓦斯（2）局部預(yù)測按巷道性質(zhì)的不同，又分為石門、煤巷和回采工作面突出危險性預(yù)測。在工作面打孔從每米煤孔中取樣測定煤的堅(jiān)固系數(shù)f值，測定最小堅(jiān)固系數(shù)的煤的瓦斯放散初速度△p值，根據(jù)測定結(jié)果，取最大瓦斯壓力值、煤的最小堅(jiān)固性系數(shù)平均值及瓦斯放散初速度值進(jìn)行相關(guān)計(jì)算，最后對比經(jīng)驗(yàn)參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值確定突出危險性。（3）突出報警在預(yù)測的基礎(chǔ)上，根據(jù)突出前的預(yù)兆及儀表信息指示發(fā)出警報。礦井瓦斯（四）預(yù)防瓦斯突出的防治措施1.區(qū)域性防突措施1）預(yù)抽煤層瓦斯利用均勻布置在突出危險煤層內(nèi)的大量鉆孔，經(jīng)過一定時間(數(shù)個至數(shù)十個月)預(yù)先抽放瓦斯，以降低其瓦斯壓力與瓦斯含量，并利用由此引起煤層收縮變形、地應(yīng)力下降、煤層透氣系數(shù)增加和煤的強(qiáng)度增高等效應(yīng)，使抽放瓦斯的煤體失去或減弱其突出的危險性。礦井瓦斯2）開采保護(hù)層瓦斯突出煤層是地質(zhì)構(gòu)造強(qiáng)烈擠壓、剪切作用的產(chǎn)物。它含有極發(fā)育的的細(xì)小剪切面，疏松多孔，能儲存大量的高壓瓦斯。這種煤體強(qiáng)度低，在高壓作用下極容易壓成“煤磚”，因此，透氣性極低。對煤層群，超前開采保護(hù)層，可使上下地層產(chǎn)生強(qiáng)烈的拉張破壞，使上覆煤巖層垮落破壞，下伏煤巖層破裂上鼓，使煤巖層的產(chǎn)生大量張開裂隙，地應(yīng)力在大范圍得到有效釋放，使瓦斯壓力急劇降低，大量瓦斯被解吸，煤層透氣性成千倍增加，使突出煤層變成非突出煤層，使瓦斯含量高的煤層變成瓦斯含量低的煤層。礦井瓦斯3）煤層注水通過鉆孔向煤體中大面積均勻注水，使煤層濕潤（水分含量不低于5％），增加煤的可塑性，在煤層隨后開采時，可減小工作面前方的應(yīng)力集中；當(dāng)水進(jìn)入煤層內(nèi)部的裂縫和孔隙后，可使煤體瓦斯放散速度減慢，煤層注水可以減緩煤體彈性潛能及瓦斯?jié)撃艿耐蝗会尫?，降低或消除煤層的突出危險性。由于煤體結(jié)構(gòu)的不均勻性和地質(zhì)構(gòu)造的存在，通過注水很難做到均勻濕潤煤體，因此注水僅作為一項(xiàng)輔助的防突措施，與預(yù)抽瓦斯等配合使用。礦井瓦斯2.局部性防突措施1）石門揭開突出煤層的措施①震動性放炮：震動性放炮是人為誘導(dǎo)突出的措施。用增加掘進(jìn)工作面炮眼數(shù)目，加大裝藥量，全斷面一次爆破，人為激發(fā)突出，以避免一般爆破法所發(fā)生延期突出。②水力沖孔：利用鉆機(jī)打鉆時噴射的水射流，在突出煤層內(nèi)誘導(dǎo)可控制的小型突出，以造成煤體卸壓，排放瓦斯，消除采掘突出危險。③鉆孔排放瓦斯：由巖巷或煤巷向有突出的危險煤層打鉆孔，將煤層中的瓦斯經(jīng)過鉆孔自然排放出來，待瓦斯壓力降到安全壓力以下時，再進(jìn)行開采。④金屬骨架：當(dāng)石門接近煤層時，通過巖柱在巷道頂部和兩幫上側(cè)打鉆，鉆孔穿過煤層全厚，進(jìn)入巖層0.5m，然后把長度大于孔深0.4～0.5m的鋼管或鋼軌，作為骨架插入孔內(nèi)，再將骨架尾部固定，用震動性放炮揭開煤層。礦井瓦斯2）煤巷掘進(jìn)工作面防突措施①超前鉆孔：在工作面向前方煤體打一定數(shù)量的鉆孔，并始終保持鉆孔有一定超前距，使工作面前方煤體卸壓、排放瓦斯，以減弱和防止突出。超前鉆孔能使工作面附近的應(yīng)力集中和高瓦斯壓力帶向遠(yuǎn)處推移，減少應(yīng)力和瓦斯壓力梯度，使工作面前方形成一個較長的卸壓和排放瓦斯帶。②松動爆破：在進(jìn)行普通放炮時，同時爆破幾個深炮孔，破壞與松動深部煤體，使應(yīng)力集中帶和高壓瓦斯帶移向深部，以便在工作面前方造成較長的卸壓和排放瓦斯區(qū)，從而預(yù)防突出的發(fā)生。此外，深孔爆破在炮眼周圍形成破碎圈，有助于消除煤的軟硬不均而引起的應(yīng)力集中，并形成瓦斯排放通道，降低瓦斯壓力。礦井瓦斯3）“四位一體”綜合防治措施四位一體：指突出危險性預(yù)測、防治突出措施、防治突出措施的效果檢驗(yàn)和安全防護(hù)措施。（1）突出預(yù)測確定突出危險的區(qū)域和地點(diǎn)，以使防突措施的執(zhí)行更加有的放矢。（2）防突措施在預(yù)測有突出危險的區(qū)段采用，其目的是預(yù)防突出的發(fā)生。礦井瓦斯（3）防突效果檢驗(yàn)在防突措施執(zhí)行后，對其防突效果進(jìn)行立竿見影的檢驗(yàn)。檢驗(yàn)證實(shí)措施無效時，應(yīng)采取附加防突措施。（4）安全防護(hù)措施目的在于突出預(yù)測失誤或防突措施失效而發(fā)生突出時，避免人身事故。煤與瓦斯突出是一個極其復(fù)雜的瓦斯動力現(xiàn)象，當(dāng)前的科技水平尚難以完全避免發(fā)生，因此，采用綜合安全防護(hù)措施是必要的。礦井瓦斯（五）山西煤層