瓦斯防治第1講

礦井瓦斯防治技術(shù)安全工程學(xué)院王亞年來(lái)全國(guó)煤礦瓦斯事故情況

2005年3月，國(guó)務(wù)院決定成立煤礦瓦斯防治部際協(xié)調(diào)領(lǐng)導(dǎo)小組。三年來(lái)，全國(guó)煤礦瓦斯事故總量和死亡人數(shù)均有較大幅度下降。

2005年，發(fā)生瓦斯事故414起、死亡2171人。2006年，發(fā)生瓦斯事故327起、死亡1319人。2007年，發(fā)生瓦斯事故272起、死亡1084人。2008年，發(fā)生瓦斯事故182起、死亡778人，

2008年共發(fā)生較大瓦斯事故63起、死亡290人，重特大瓦斯事故18起、死亡352人。

●瓦斯事故主要發(fā)生在低瓦斯礦井

“十一五”期間我國(guó)較大瓦斯事故礦井瓦斯等級(jí)分布情況

重大以上瓦斯事故：低瓦斯礦井占37.5%；高瓦斯礦井占23.9%；煤與瓦斯突出礦井占30.7%；未鑒定礦井占8%。煤礦安全生產(chǎn)存在的主要問(wèn)題行業(yè)管理弱化對(duì)煤礦安全生產(chǎn)影響深遠(yuǎn)

企業(yè)安全生產(chǎn)主體責(zé)任落實(shí)不到位煤礦安全投入不足、安全裝備水平低煤礦安全科技水平低，重大災(zāi)害預(yù)防與治理關(guān)鍵技術(shù)亟待解決煤礦專(zhuān)業(yè)技術(shù)人才匱乏，從業(yè)人員整體素質(zhì)偏低煤礦安全監(jiān)管監(jiān)察執(zhí)法環(huán)境有待改善

我國(guó)煤礦的自然條件平均每年增加10m，我國(guó)最大開(kāi)采深度已超過(guò)1000m。平均開(kāi)采深度410m；美國(guó)煤層平均埋深200~300m，500m以上只占17.5%；露天礦比重：中國(guó)3.4%美國(guó)66%印度73.8%澳大利亞69.6%南非40%

煤礦瓦斯大，煤與瓦斯突出越來(lái)越嚴(yán)重

在724處國(guó)有重點(diǎn)煤礦中，高瓦斯礦井152處，占21.0％；煤與瓦斯突出礦井154處，占21.3％；低瓦斯礦井418處，占57.7％。地方國(guó)有煤礦和鄉(xiāng)鎮(zhèn)煤礦中，高瓦斯和煤與瓦斯突出礦井占15％。隨著開(kāi)采深度的增加，瓦斯涌出量的增大，高瓦斯和煤與瓦斯突出礦井的比例還會(huì)增加。

自然發(fā)火危險(xiǎn)性嚴(yán)重，比例大、覆蓋面廣大中型煤礦中，自然發(fā)火危險(xiǎn)程度嚴(yán)重或較嚴(yán)重(Ⅰ、II、III級(jí))的煤礦占總數(shù)的72.86％。國(guó)有重點(diǎn)煤礦中，具有自然發(fā)火危險(xiǎn)的礦井占47.3％。小煤礦中，煤層自然發(fā)火期不足6個(gè)月的煤礦占47.41％，煤層自然發(fā)火期為6～12個(gè)月的煤礦占47.85％由于煤層自燃，我國(guó)每年損失煤炭資源2億噸左右。我國(guó)煤礦的自然條件沖擊地壓危險(xiǎn)性增大，個(gè)別煤礦十分嚴(yán)重我國(guó)910處大中型煤礦中具有沖擊地壓危險(xiǎn)的煤礦47處,占5.16％。隨著開(kāi)采深度的增加，現(xiàn)有沖擊地壓礦井的沖擊地壓頻率和強(qiáng)度在不斷增加，少數(shù)礦井頻繁發(fā)生礦震煤塵爆炸危險(xiǎn)普遍存在，危害嚴(yán)重全國(guó)煤礦中，具有煤塵爆炸危險(xiǎn)的礦井占煤礦總數(shù)的60％以上，煤塵爆炸指數(shù)在45％以上的煤礦占16.3％。國(guó)有重點(diǎn)煤礦中具有煤塵爆炸危險(xiǎn)性的煤礦占87.37％，其中具有強(qiáng)爆炸性的占60％以上。我國(guó)煤礦的自然條件

水文地質(zhì)條件復(fù)雜，水害制約安全生產(chǎn)

我國(guó)大中型煤礦中，水文地質(zhì)條件屬于復(fù)雜或極復(fù)雜類(lèi)型的煤礦占25.04%。煤礦熱害已成為礦井新的災(zāi)害

1999年，70處大中型生產(chǎn)井工煤礦的采掘工作面最高氣溫超過(guò)《煤礦安全規(guī)程》的要求，其中26處超過(guò)30℃，最高達(dá)到37℃。隨著開(kāi)采深度的增加、圍巖溫度提高，礦井熱害問(wèn)題越來(lái)越突出。職業(yè)危害嚴(yán)重

據(jù)衛(wèi)生部統(tǒng)計(jì)，2002年底，中國(guó)塵肺病累計(jì)病例達(dá)到萬(wàn)人，其中仍然存活者44萬(wàn)多人。2002年，全國(guó)共報(bào)塵肺病患者12448例，其中煤礦系統(tǒng)的塵肺病例占47.6%(僅為原國(guó)有重點(diǎn)煤礦病例數(shù)，不包括地方煤礦和鄉(xiāng)鎮(zhèn)煤礦)。每年塵肺病造成的直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)80億元人民幣。2003年，全國(guó)產(chǎn)煤17.4億噸，其中地方煤礦和鄉(xiāng)鎮(zhèn)煤礦占9億噸，占一半多。專(zhuān)家認(rèn)為，全國(guó)估計(jì)有120多萬(wàn)塵肺病患者，這意味著每1000個(gè)中國(guó)人中就有一個(gè)塵肺病患者。超能力、超強(qiáng)度開(kāi)采

一些煤礦為了追求利潤(rùn)，急功近利，不惜拚人力，搞人海戰(zhàn)術(shù)，無(wú)設(shè)計(jì)或不按設(shè)計(jì)施工作業(yè)，在局部區(qū)域內(nèi)布置很多采掘工作面，導(dǎo)致井下一個(gè)班作業(yè)人員高達(dá)數(shù)百人。由于生產(chǎn)組織集中，導(dǎo)致事故擴(kuò)大，傷亡慘重。河北承德暖兒河煤礦在513工作面布置上、下2個(gè)回采工作面，在走向長(zhǎng)和傾斜寬都不到70米的區(qū)域內(nèi)，采掘工作面和切眼多達(dá)9個(gè)，導(dǎo)致風(fēng)流短路，致使513下采煤工作面瓦斯積聚發(fā)生爆炸事故，死亡50人。廣東梅州市大興煤礦井下布置46個(gè)采掘工作面，亂采亂挖，十分混亂。不少竟是文盲，不懂規(guī)程，難以實(shí)施有效管理。違法違規(guī)組織生產(chǎn)現(xiàn)象嚴(yán)重

一些煤礦礦主為追求高額利潤(rùn)，無(wú)視國(guó)家法律法規(guī)，鋌而走險(xiǎn)，抗拒執(zhí)法，無(wú)證或證照不全違法組織生產(chǎn)，超層越界開(kāi)采。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2005年58起特大事故中有8起是超層越界開(kāi)采造成的。

1本課程內(nèi)容結(jié)構(gòu)及考核方式研究對(duì)象煤礦瓦斯瓦斯特性賦存介質(zhì)一般涌出特殊涌出災(zāi)害能源噴出突出防治不防治瓦斯災(zāi)害防治技術(shù)措施瓦斯爆炸瓦斯抽采瓦斯利用課程考核方式通風(fēng)專(zhuān)業(yè)統(tǒng)招：平時(shí)30考試70%通風(fēng)專(zhuān)業(yè)定向：平時(shí)20實(shí)驗(yàn)10考試70%1瓦斯的概念概念：井下從煤巖中涌出的以甲烷（CH4）為主的有毒、有害氣體的總稱，有時(shí)單獨(dú)指甲烷。來(lái)源：主要來(lái)源于煤層及圍巖內(nèi)涌出到礦井中的氣體。此外，礦井生產(chǎn)中產(chǎn)生的氣體如放炮產(chǎn)生的炮煙等，井下空氣與煤、巖、礦用材料等反應(yīng)生成的氣體，井下人員呼吸生成的氣體也是礦井瓦斯重要來(lái)源。瓦斯賦存與含量

課題一：瓦斯基本知識(shí)瓦斯賦存與含量

課題一：瓦斯基本知識(shí)來(lái)源：

(1)煤巖內(nèi)賦存的氣體

(2)生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的氣體

(3)井下空氣與礦物及其他材料反應(yīng)產(chǎn)生的氣體

(4)放射性物質(zhì)衰變產(chǎn)生惰性氣體氡（放射性）和氦2瓦斯的性質(zhì)瓦斯賦存與含量

課題一：瓦斯基本知識(shí)化學(xué)式：CH4分子量：16.042kg/kmol密度：0.7168kg/m3沸點(diǎn)：-161.7℃（0.1MPa下）液態(tài)密度：415kg/m3水中的溶解度：55.6l/m3發(fā)熱量：8568大卡/m3分子直徑：0.41×10-9m分子體積：22.36m3/kmol對(duì)空氣的比重：0.5545溶點(diǎn)：-182.5℃擴(kuò)散系數(shù)：0.196cm2/s空氣中的爆炸下限：5%空氣中的爆炸上限：15%

污染環(huán)境，加劇大氣“溫室效應(yīng)”：21倍/7倍可造成瓦斯窒息事故●瓦斯?jié)舛取?3%時(shí)，呼吸短促●瓦斯?jié)舛冗_(dá)≥57%時(shí)，即刻昏迷可釀成瓦斯燃燒事故●瓦斯?jié)舛鹊陀凇?%或≥15%

引起瓦斯爆炸事故●瓦斯?jié)舛仍?～15%

產(chǎn)生煤與瓦斯突出事故3瓦斯研究背景

之一：瓦斯的危害性

瓦斯利用可以獲得直接效益出售減排碳指標(biāo)抽采利用財(cái)政補(bǔ)貼和稅收減免減排減少的污染罰款促進(jìn)抽采帶來(lái)的安全和煤炭開(kāi)采效益3瓦斯研究背景

之二：瓦斯利用的效益中國(guó)煤礦瓦斯對(duì)空直接排放量約135億m3直排低濃度瓦斯中約含15億m3的純甲烷，相當(dāng)于180萬(wàn)t標(biāo)準(zhǔn)煤，如將其用來(lái)發(fā)電，每年可發(fā)電4億kWh，節(jié)約電費(fèi)20億元。中國(guó)煤礦瓦斯對(duì)空排放量占全部工業(yè)生產(chǎn)排放甲烷量的1/3，占中國(guó)年總溫室氣體排放量的近5%。5%~25%的低濃度瓦斯極容易爆炸,如果及時(shí)抽采用于利用，將很大程度地消除這一煤礦安全生產(chǎn)隱患。瓦斯利用節(jié)約能源環(huán)境保護(hù)安全生產(chǎn)3瓦斯利用技術(shù)研究背景

之三：我國(guó)瓦斯利用現(xiàn)狀低濃度煤礦瓦斯直接利用技術(shù)低濃度瓦斯氧化技術(shù)民用/工業(yè)燃?xì)釩NG清潔能源汽車(chē)LNG瓦斯液化技術(shù)低濃度瓦斯發(fā)電技術(shù)高濃度煤礦瓦斯直接利用技術(shù)GH瓦斯固化技術(shù)PSA技術(shù)LNG技術(shù)GH技術(shù)4瓦斯直接利用技術(shù)

之一：低濃度瓦斯發(fā)電技術(shù)瓦斯發(fā)電原理：井下抽采瓦斯與空氣混合后，在發(fā)電機(jī)燃燒室(汽缸)內(nèi)發(fā)生爆燃，推動(dòng)活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)做功，將爆燃熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能；發(fā)動(dòng)機(jī)與發(fā)電機(jī)通過(guò)彈性連軸器連接,將動(dòng)力傳給發(fā)電機(jī)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。低濃度瓦斯發(fā)電(瓦斯?jié)舛?%~25%)低濃度瓦斯輸送工藝流程是：瓦斯經(jīng)水位自控水封阻火器和瓦斯專(zhuān)用干式阻火器，進(jìn)入細(xì)水霧變送管道與細(xì)水霧混合輸送。4瓦斯直接利用技術(shù)

之二：低濃度瓦斯氧化技術(shù)

流向變換催化燃燒技術(shù)將預(yù)熱、反應(yīng)和熱量回收三個(gè)部分集成在一個(gè)設(shè)備內(nèi)，將低濃度瓦斯或礦井通風(fēng)氣（甲烷濃度0.5~6.0vol%）中甲烷的燃燒熱安全、高效地轉(zhuǎn)化為中壓蒸汽或進(jìn)一步用于發(fā)電，一方面回收了巨量低濃度甲烷的化學(xué)能，另一方面減少了溫室氣體甲烷的排放，可用于清潔發(fā)展機(jī)制的碳交易產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益。

國(guó)內(nèi)，北京化工大學(xué)對(duì)流向變換催化反應(yīng)技術(shù)進(jìn)行了十多年的系統(tǒng)研究，近年在小型中試規(guī)模（催化劑裝填量1升）上開(kāi)展了0.5~6.0vol%低濃度甲烷流向變換催化燃燒的研究，效果非常顯著；在甲烷濃度1.0%的條件下，反應(yīng)混合物最高溫度即可達(dá)750度，完全可以作為中壓廢熱鍋爐的熱源利用。這項(xiàng)技術(shù)的研究我國(guó)走在前列，通過(guò)專(zhuān)利授權(quán)搜索，未發(fā)現(xiàn)國(guó)際專(zhuān)利。4瓦斯直接利用技術(shù)

之三：民用/工業(yè)燃?xì)狻詴x煤集團(tuán)為例2008年，已形成瓦斯井1400口，產(chǎn)氣能力6億立方米；投入運(yùn)行339口，單井日產(chǎn)近2500立方米，日總產(chǎn)氣量80萬(wàn)立方米。利用量抽采量地面鉆井2007年：地面利用量1.06億立方米2007年：地面抽采量2.1億立方米2007年，達(dá)到880口晉煤集團(tuán)瓦斯項(xiàng)目寺河礦地面本煤層預(yù)抽采泵站的抽采能力為2億m3/a，井下采空區(qū)抽采泵站抽采能力為1億m3/a。地面泵站安裝了6臺(tái)CBF710型水環(huán)式真空泵。井下泵站安裝了5臺(tái)2BE1-705水環(huán)式真空泵。豐城合作區(qū)兩淮煤田沁水盆地河?xùn)|合作區(qū)準(zhǔn)格爾合作區(qū)準(zhǔn)南煤田瓦斯輸送途徑之一：管道灌裝壓縮煤層瓦斯氣的運(yùn)輸槽車(chē)

瓦斯壓縮機(jī)車(chē)間瓦斯輸送途徑之二：壓縮車(chē)載利用瓦斯的回轉(zhuǎn)窯居民燃?xì)馊細(xì)忮仩t燃用瓦斯生產(chǎn)陶瓷4瓦斯直接利用技術(shù)

之四：CNG清潔能源汽車(chē)

被稱為綠色汽車(chē)，在環(huán)保方面具有顯著效益。與使用汽油作為動(dòng)力相比較，汽車(chē)尾氣中的CO可減少97%，碳?xì)浠衔餃p少72%，二氧化硫減少90%，噪聲減少40%，導(dǎo)致人體呼吸道疾病及癌癥的苯、鉛粉塵等減少100%。汽車(chē)燃“氣”與燃“油”相比，一、每年可節(jié)約40%至50%的費(fèi)用；二、可大幅減少CO等污染物的排放。CNG技術(shù)是利用氣體的可壓縮性，將15～25MPa高壓瓦斯作為一種理想的車(chē)用替代能源。

CNG加氣站的主要設(shè)備包括壓縮機(jī)、儲(chǔ)罐、控制系統(tǒng)及加氣機(jī)等。瓦斯經(jīng)壓縮機(jī)從供氣管路抽氣并直接通過(guò)加氣機(jī)的軟管送入加氣汽車(chē)的CNG鋼瓶之中。4瓦斯直接利用技術(shù)

之五：LNG瓦斯液化技術(shù)

低溫液化后的煤層氣體積縮小625倍，一臺(tái)35立方米的標(biāo)準(zhǔn)液化氣槽車(chē)可運(yùn)輸21000標(biāo)方煤層氣，相當(dāng)于8個(gè)標(biāo)準(zhǔn)氣井的全部日產(chǎn)量。液化槽車(chē)是“高速公路上的天然氣管道”，“通公路的地方就通液化天然氣”，“液化技術(shù)為煤層氣裝上了輪子”。液化后便于進(jìn)行經(jīng)濟(jì)可靠的運(yùn)輸。儲(chǔ)存效率高、占地少、投資省。建成1MPa的6座l000m3的天然氣球罐的投資，要比建成1座儲(chǔ)氣量相當(dāng)?shù)?.5MPa的100m3LNG儲(chǔ)罐的投資高出80倍之多。有利于城市負(fù)荷的平衡調(diào)節(jié)。目前，在美國(guó)、日本、歐洲已建成投產(chǎn)100多座LNG調(diào)峰裝置。LNG可作為優(yōu)質(zhì)的車(chē)用燃料。瓦斯成因生物化學(xué)成氣時(shí)期煤化變質(zhì)作用時(shí)期1瓦斯的生成煤礦瓦斯--殺手.wmv從圖中可以看出，CH4的生成是個(gè)連續(xù)相，即在整個(gè)變質(zhì)階段的各個(gè)時(shí)期都不斷地有CH4生成，只是各階段生成的數(shù)量有較大的波動(dòng)而已；但是，重?zé)N的生成則是個(gè)不連續(xù)相。實(shí)踐表明，這個(gè)以人工熱演化產(chǎn)生瓦斯為基礎(chǔ)的模型與實(shí)測(cè)的結(jié)果在趨勢(shì)上是一致的。瓦斯生成的影響因素及其分折1煤巖組分煤的有機(jī)顯微組分可以分為鏡質(zhì)組(鏡質(zhì)體)、惰質(zhì)組（絲質(zhì)體）和殼質(zhì)組（角質(zhì)體）。這些組分產(chǎn)烴的能力大小次序是殼質(zhì)組＞鏡質(zhì)組＞惰質(zhì)組，其結(jié)果見(jiàn)表1-1-2。

實(shí)際資料證實(shí)：煤巖組分與瓦斯吸附量之間存在著十分清楚的依附關(guān)系，即甲烷吸附量隨著煤不同的煤化作用階段而發(fā)生變化(如圖1-2-1所示)。

從圖中可以看出，鏡質(zhì)組在肥煤階段甲烷吸附量最小，肥煤以后吸附量迅速增加，并在焦煤、瘦煤階段以后超過(guò)惰質(zhì)組。因此，肥煤階段是鏡質(zhì)組甲烷吸附量的一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)；惰質(zhì)組的甲烷吸附量是隨著煤化作用程度的提高而呈直線型緩慢增長(zhǎng)。2煤化作用程度及其變質(zhì)分帶

◆第一，煤層瓦斯的伴生量直接依賴于煤化作用程度；

◆第二，隨著煤化作用程度的加深，煤的氣體滲透率下降，煤的儲(chǔ)氣能力提高，氣體沿煤層向地表運(yùn)移能力減弱；

◆第三，煤化作用程度越高，煤中微孔隙和超微孔隙所占比例提高，煤的吸附能力增強(qiáng)。

在成煤初期，褐煤的結(jié)構(gòu)疏松，孔隙率大、瓦斯分子能滲入煤體內(nèi)部，但是，由于該階段瓦斯生成量較少且不易保存，煤中實(shí)際所含瓦斯量并不大。在變質(zhì)作用過(guò)程中，由于地應(yīng)力的作用，煤的孔隙率減少，煤質(zhì)漸趨致密，如長(zhǎng)焰煤，其孔隙和表面積都比較小，所以吸附瓦斯的能力并不大。

隨著變質(zhì)作用程度提高，在高溫、高壓作用下，煤體內(nèi)部因干餾作用而生成許多微孔隙，使煤的表面積到無(wú)煙煤時(shí)為最大；因此，無(wú)煙煤吸附瓦斯的能力最強(qiáng)。以后，煤體內(nèi)部的微孔又收縮、減少，到石墨時(shí)變?yōu)榱?，從而?dǎo)致吸附瓦斯能力消失(如圖1-2-1所示)。

變質(zhì)作用總的規(guī)律表現(xiàn)為：

◆晚古生代以中、高煤化煤占較大比例，尚未發(fā)現(xiàn)低煤化煤如褐煤；

◆中生代雖有褐煤，但以中、低煤化煤為主，并伴隨有高煤化煙煤以至無(wú)煙煤；

◆第三紀(jì)則不僅有褐煤，而且也有低煤化煙煤。因此，目前的研究結(jié)果基本上反映出成煤時(shí)期越久，經(jīng)歷的地質(zhì)歷史越長(zhǎng)，煤化作用程度就越高的趨勢(shì)。

◆從地區(qū)上看，大致在北緯38°以北，包括東北地區(qū)和西北大部分地區(qū)，基本上是以褐煤和低、中煤化作用煙煤為主；

◆而北緯38°以南的華北地區(qū)則具有各種變質(zhì)作用程度的煙煤和無(wú)煙煤；

◆西南地區(qū)主要是中、高煤化煙煤賦存的地區(qū)，而東南地區(qū)則以高煤化煙煤和無(wú)煙煤占優(yōu)勢(shì)。這種分布規(guī)律與煤礦瓦斯分布有一定的吻合性，其具體表現(xiàn)在西北地區(qū)為低、中瓦斯區(qū)，華北地區(qū)為中瓦斯區(qū)，而華南地區(qū)則為高瓦斯區(qū)?！鲆陨鲜聦?shí)表明，煤化作用分帶在一定程度上影響著煤層瓦斯的生成與賦存。1.1瓦斯在煤體內(nèi)賦存狀態(tài)瓦斯在煤體內(nèi)存在狀態(tài)吸附瓦斯游離瓦斯吸收狀態(tài)吸著狀態(tài)以自由氣體分子存在于煤體或圍巖的較大裂隙、孔隙和空洞之中。在與顆粒固體在分子之間引力作用下，被吸著在煤體孔隙的內(nèi)表面上。瓦斯分子進(jìn)入煤體顆粒結(jié)構(gòu)內(nèi)部，與煤體固體分子相結(jié)合。1瓦斯的生成及賦存1.2、煤層瓦斯垂向分帶：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