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(guò)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(huì)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(shí)，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(wú)色、無(wú)味、無(wú)嗅、無(wú)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(wú)色、無(wú)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(guò)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(shí)，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(shí)，煤轉(zhuǎn)變?yōu)闊o(wú)煙煤，復(fù)雜的碳?xì)浠衔镌獾狡茐模荒墚a(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(wú)煙煤：400m3。煤（巖）層中保留CH4的多少取決于瓦斯形成過(guò)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(wú)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(wú)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(gè)帶統(tǒng)稱(chēng)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(duì)＞2m3/t②CH4＞80﹪③煤層瓦壓=0.1-0.15MPa④長(zhǎng)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(wú)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(wú)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(shí)，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(shí)，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(shí)，則不利于瓦斯排放。5．地下水活動(dòng)地下水活動(dòng)強(qiáng)烈的地區(qū)瓦斯含量小；水分子被吸附在煤或裂隙的表面后，減弱了煤對(duì)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(shí)，煤層傾角越小，瓦斯含量越大。礦井瓦斯（二）煤層瓦斯的測(cè)定方法1.直接測(cè)定法用密閉式巖芯采取器直接采集鉆孔中的煤樣，直接測(cè)定煤芯中瓦斯含量。2．間接測(cè)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(cè)，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(shí)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(shí)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(shí)間長(zhǎng)，無(wú)明顯的地壓顯現(xiàn)現(xiàn)象。噴瓦斯裂縫多屬于開(kāi)放性裂隙（張性或張扭性斷裂），它們與儲(chǔ)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(shí)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(shí)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(jí)1．礦井瓦斯涌出量礦井瓦斯涌出量是指開(kāi)采過(guò)程中煤層或圍巖在單位時(shí)間內(nèi)瓦斯的涌出量。礦井瓦斯涌出量分為絕對(duì)瓦斯涌出量及相對(duì)瓦斯涌出量?jī)煞N。（1）絕對(duì)瓦斯涌出量礦井在單位時(shí)間內(nèi)涌出的瓦斯量，用m3/min或m3/d表示。（2）相對(duì)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(jí)（1）低瓦斯礦井礦井相對(duì)瓦斯涌出量小于或等于10m3/t且礦井絕對(duì)瓦斯涌出量小于或等于40m3/min。（2）高瓦斯礦井礦井相對(duì)瓦斯涌出量大于10m3/t或礦井絕對(duì)瓦斯涌出量大于40m3/min。（3）煤與瓦斯突出礦井在一個(gè)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(xiǎn)性也在增加。一個(gè)突出礦井，多數(shù)是厚煤層比薄煤層危險(xiǎn)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(zhǎng)期以來(lái)對(duì)厚煤層分層開(kāi)采一直無(wú)突出現(xiàn)象，在采用一次采全高綜采放頂煤開(kāi)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(duì)突出發(fā)生了作用。礦井瓦斯2．圍巖性質(zhì)突出危險(xiǎn)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(shí)，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(xiǎn)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(gè)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(duì)礦井瓦斯等級(jí)鑒定，合理確定瓦斯設(shè)防等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，針對(duì)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(guó)現(xiàn)行的煤礦瓦斯管理規(guī)定，每個(gè)礦井每年均需要進(jìn)行瓦斯等級(jí)鑒定工作，并按管理權(quán)限報(bào)請(qǐng)相關(guān)安全生產(chǎn)監(jiān)督管理部門(mén)審批，礦井必須按照批復(fù)的瓦斯等級(jí)進(jìn)行管理。有突出危險(xiǎn)的礦井，無(wú)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(kāi)裂、掉渣、底鼓、巖煤自行剝落、煤壁顫動(dòng)、鉆孔變形、垮孔、頂鉆、夾鉆桿、鉆機(jī)過(guò)負(fù)荷等。2.瓦斯涌出異常瓦斯?jié)舛群龃蠛鲂　⒕旅簤m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(duì)瓦斯賦存、涌出規(guī)律特征，通過(guò)方案類(lèi)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(jí)分類(lèi)治理按瓦斯危險(xiǎn)程度進(jìn)行分級(jí)分類(lèi)，并按瓦斯危險(xiǎn)類(lèi)別進(jìn)行治理。對(duì)特別危險(xiǎn)的工作面（如獨(dú)頭掘進(jìn)巷道及瓦斯涌出特別危險(xiǎn)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(xiǎn)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(cè)、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(cè)與礦井瓦斯涌出量預(yù)測(cè)1.煤層瓦斯含量預(yù)測(cè)一個(gè)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(cè)應(yīng)分煤層進(jìn)行。預(yù)測(cè)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(cè)圖。聯(lián)繪瓦斯含量等值線(xiàn)時(shí)，應(yīng)充分考慮地質(zhì)構(gòu)造因素對(duì)煤層瓦斯含量的影響，使預(yù)測(cè)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(hào)煤層瓦斯地質(zhì)圖礦井瓦斯2.礦井瓦斯涌出量預(yù)測(cè)（1）統(tǒng)計(jì)預(yù)測(cè)法依據(jù)礦井瓦斯涌出量與開(kāi)采深度等參數(shù)之間的統(tǒng)計(jì)規(guī)律，外推到預(yù)測(cè)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(cè)的主要依據(jù)，通過(guò)計(jì)算井下各涌出源的瓦斯涌出量，對(duì)礦井瓦斯涌出量進(jìn)行預(yù)測(cè)。礦井瓦斯3.煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)礦井中的煤與瓦斯突出往往發(fā)生在個(gè)別區(qū)域，這個(gè)區(qū)域的面積一般只占整個(gè)井田面積的10％左右。為了保證礦井安全生產(chǎn)，對(duì)突出危險(xiǎn)程度不同的區(qū)域應(yīng)采取不同的措施。（1）區(qū)域預(yù)測(cè)由礦井地測(cè)和通風(fēng)部門(mén)收集地質(zhì)勘探獲取的煤層厚度、煤的結(jié)構(gòu)破壞類(lèi)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(xiǎn)性預(yù)測(cè)。礦井瓦斯（2）局部預(yù)測(cè)按巷道性質(zhì)的不同，又分為石門(mén)、煤巷和回采工作面突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)。在工作面打孔從每米煤孔中取樣測(cè)定煤的堅(jiān)固系數(shù)f值，測(cè)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(cè)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(duì)比經(jīng)驗(yàn)參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值確定突出危險(xiǎn)性。（3）突出報(bào)警在預(yù)測(cè)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(bào)。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(xiǎn)煤層內(nèi)的大量鉆孔，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間(數(shù)個(gè)至數(shù)十個(gè)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(xiǎn)性。礦井瓦斯2）開(kāi)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(chǔ)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(duì)煤層群，超前開(kāi)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(kāi)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(guò)鉆孔向煤體中大面積均勻注水，使煤層濕潤(rùn)（水分含量不低于5％），增加煤的可塑性，在煤層隨后開(kāi)采時(shí)，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(xiǎn)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(guò)注水很難做到均勻濕潤(rùn)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(mén)揭開(kāi)突出煤層的措施①震動(dòng)性放炮：震動(dòng)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(shí)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(xiǎn)。③鉆孔排放瓦斯：由巖巷或煤巷向有突出的危險(xiǎn)煤層打鉆孔，將煤層中的瓦斯經(jīng)過(guò)鉆孔自然排放出來(lái)，待瓦斯壓力降到安全壓力以下時(shí)，再進(jìn)行開(kāi)采。④金屬骨架：當(dāng)石門(mén)接近煤層時(shí)，通過(guò)巖柱在巷道頂部和兩幫上側(cè)打鉆，鉆孔穿過(guò)煤層全厚，進(jìn)入巖層0.5m，然后把長(zhǎng)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(dòng)性放炮揭開(kāi)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(gè)較長(zhǎng)的卸壓和排放瓦斯帶。②松動(dòng)爆破：在進(jìn)行普通放炮時(shí)，同時(shí)爆破幾個(gè)深炮孔，破壞與松動(dòng)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(zhǎng)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?chē)纬善扑槿?，有助于消除煤的軟硬不均而引起的?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(xiǎn)性預(yù)測(cè)、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(cè)確定突出危險(xiǎn)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(cè)有突出危險(xiǎn)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(duì)其防突效果進(jìn)行立竿見(jiàn)影的檢驗(yàn)。檢驗(yàn)證實(shí)措施無(wú)效時(shí)，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(cè)失誤或防突措施失效而發(fā)生突出時(shí)，避免人身事故。煤與瓦斯突出是一個(gè)極其復(fù)雜的瓦斯動(dòng)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