安全工程学十二.ppt

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1、1,第六章 矿山安全技术,第一节 矿井瓦斯防治 第二节 矿尘防治,2,第一节 矿井瓦斯防治,1、煤层瓦斯赋存与含量2、矿井瓦斯涌出3、瓦斯喷出4、煤与瓦斯突出及其预防,3,1、煤层瓦斯赋存与含量,1.1 矿井瓦斯的概念与性质一、矿井瓦斯的含义广义：井下除正常空气的大气成份以外，涌向采矿 空间的各种有毒、有害气体总称。狭义：煤矿生产过程中从煤、岩内涌出的，以甲烷 为主要成份的混合气体总称。,4,矿井瓦斯成分很复杂，其主要成分是甲烷(CH4)，其次是二氧化碳(CO2)和氮气(N2)，还含有少量或微量的重烃类气体（乙烷、丙烷、丁烷、戊烷等）、氢（H2）、一氧化碳（CO）、二氧化硫(SO2)、硫化氢(

2、H2S)等。来源：（1）煤、岩层涌出（烷烃、环烷烃、芳香烃）；（2）生产过程中产生（CO2、NO2、H2等）（3）井下化学、生物化学反应生成（CO2、H2S、SO2）；（4）放射性元素蜕变过程生成（Rn、He等）,5,二、CH4的性质 无色、无味、无嗅的气体，可燃烧、爆炸；分子量：16.049，分子直径：0.41nm，密度：0.716Kg/m3(气态)、424.5Kg/m3(液态)相对空气密度：0.554,难溶入水三、CH4的危害及其经济价值 1、危害性（1）燃烧、爆炸（2）窒息（3）喷出、突出,6,2、重要能源CH4+2O2CO2+2H2O+Q1m3CH437022.2kJ 相当于11.5K

3、g烟煤。1.2 煤层瓦斯的成因 煤层瓦斯是腐植型有机物（植物）在成煤过程中生成的。两个阶段：（1）生物化学阶段（从植物遗体到泥炭）特点：埋藏浅，覆盖层胶结不好，煤层保存气体少。,7,（2）变质阶段（从泥炭到烟煤）泥炭 褐煤 烟煤 无烟煤如：4C16H18O5 C57H56O10+4CO2+3CH4+2H2OC57H56O10 C54H42O5+CO2+2CH4+3H2OC54H42O5 C13H4+2CH4+H2O,（泥炭）,（褐煤）,（褐煤）,（烟煤）,（烟煤）,（无烟煤）,8,特点：（1）碳化过程生成的大量气体。初期：主要为CO2，CH4不多。随着碳化程度的 提高，CO2减少，CH4增多，

4、同时生成重烃。（2）碳化的同时，煤的物质分子式、结构发生变化（3）因覆盖层增厚，生成的气体大多得以保存。但 煤层瓦斯含量远小于生成量。减少的原因：（1）地质构造运动；（2）运移到适于贮存地点，形成气藏；（3）溶解于水中（长久地质年代过程中）；（4）逸散于大气中（从煤层露头）。,9,（3）其它主要气体CO2，成因：变质生成。易逸散于大气中，溶解于水，生成 碳酸盐，所以，深部煤层中很少含有CO2；生物化学作用，浅部生物圈内(微生物生化作用)火山活动，岩浆接触变质，生成大量CO2。如：窑街、营城局；煤氧化。特别是煤的低温氧化。N2 来自大气。He 放射性元素蜕变的产物。,10,1.3 煤层瓦斯赋存的

5、垂直分带性 煤层瓦斯主要成分：CH4、CO2、N2。形成原因：当煤层直达地表或直接为透气性较好的第四系冲积层覆盖时，由于煤层中瓦斯向上运移和地面空气向煤层中渗透，使煤层内的瓦斯呈现出垂直分带特征。,CO2-N2,N2,N2-CH4,CH4,11,四带：CO2-N2带、N2带、N2CH4带、CH4带。现场实际过程中，将前三带总称为瓦斯风化带。,12,划分的意义：掌握本煤田煤层瓦斯垂直分带的特征，是搞好矿井瓦斯涌出量预测和日常瓦斯管理工作的基础。,煤层垂向各带气体组份表,13,1.4 煤的孔隙特征 煤是一种复杂的孔隙性介质，有着十分发达的各种不同直径的孔隙和裂隙。形成庞大的自由空间和表面。煤是一种

6、孔隙-裂隙性介质，它决定煤-CH4体系的许多特性。EX：集气性-CH4的存在形态、含量，etc;渗透性-流态、流出形式、涌出量；力学特性-强度、弹性、脆性。,14,1.5 煤的吸附特性一、概述1、吸附现象 气体分子与固体表面分子间相互作用，气体分子暂时停留在固体表面上的现象。吸附剂-能吸附其它物质的介质，如：煤；吸附质-被吸附的物质，如CH4。2、吸附分类 根据吸附方式分：表面吸附（吸着）-在吸附剂表面吸附一层或多层吸附质分子。容积吸附（吸收）-吸附质分子紧密地充满于吸附剂的微小孔隙内，类似于溶质溶解于溶剂中。,15,根据吸附作用力分：A）物理吸附特点：、作用力为范德华力，作用距离极小（1/r

7、7）,仅限于界面附近；、可逆的-不稳定的动平衡。、吸附是一种放热反应，解吸，吸热。如：煤-CH4，吸附热：0.51.2Kj/molB）化学吸附 作用力为离子键，不可逆。,16,二、影响煤与瓦斯吸附量的主要因素1、瓦斯压力 t=const,P X2、温度 P=const t X 温度每升高1，吸附瓦斯的能力降低约8%。3、瓦斯的性质 对于特定的煤，在t、P一定时，CO2的吸附量 CH4的吸附量 N2的吸附量 4、煤的变质程度 变质程度反映了煤的表面积与化学组成。变质程度越高（Vr）X,17,5、煤中的水份 水份的增加使煤的吸附能力降低。艾琴格尔经验式：式中：Xch-含有水份时瓦斯吸附量；Xg-不

8、含有水份时瓦斯吸附量；W-水份含量。6、煤中的灰份（Ac）灰份不吸附瓦斯，我国习惯于用可燃基作单位。,18,1.6 煤层瓦斯压力瓦斯压力的含义-煤层孔隙或裂隙内气体分子自由运动撞击所产生的作用力。特点：在某一点上各向大小相等，方向与孔隙壁面垂直。煤层瓦斯压力是决定煤层瓦斯含量、瓦斯流动动力高低以及瓦斯动力现象的基本参数。,19,1.7 煤层瓦斯含量一、瓦斯在煤层中的存在状态 煤体是一种复杂的多孔性固体，包括原生孔隙和运动形成的大量孔隙和裂隙，形成了很大的自由空间和孔隙表面。1、游离状态 主要存在于大、中孔、裂隙空间内，其间瓦斯分子作自由热运动，显示相应的瓦斯压力。在现今采深下，占瓦斯总量的 5

9、 12%。2、吸附状态 主要存在于小孔和微孔空间内。分为表面吸附和吸收两种状态。占瓦斯总量的80%。,20,3、其它形态-结晶水化物 问题提出：结晶水化物的形式：形成条件：低温、高压。对CH4:对C2H6:对C3H8:,t=0时，P2.0MPat=5时，P4.8MPat=10时，P8.0MPa,t=0时，P0.6MPat=5时，P1.3MPat=10时，P2.5MPa,t=0时，P0.1MPat=2.5时，P0.3MPa,乙烷和丙烷生成水化物的条件比CH4低得多,21,二、煤层瓦斯含量1、含义：单位质量或体积的煤中含有的瓦斯量。m3/m3，m3/t。煤层瓦斯包含：游离瓦斯量 和 吸附瓦斯量2、

10、瓦斯含量计算（1）游离瓦斯量 由气体状态方程：考虑到瓦斯气体可压缩性，则有：粗略计算，假设：则：式中：P-煤层瓦斯压力，Mpa；V-煤的孔容。,22,（2）吸附瓦斯量-Xx 一般采用朗格缪尔方程计算。其中：（3）煤层瓦斯含量-X X=Xg+Xx m3/t,23,1.8 影响煤层瓦斯含量的主要因素 煤层瓦斯含量主要取决于：瓦斯生成量；瓦斯运移条件；煤层贮存瓦斯的性能。具体包括以下几点：1、煤的碳化程度 在碳化作用过程中，不断地产生瓦斯，碳化程度越高，生成的瓦斯量越多。相同的条件下，煤的变质程度越高，煤层瓦斯含量越大。,煤的平均甲烷含量与其变质程度的定量关系曲线,24,2、煤层的赋存状态（1）露头

11、 成煤的地质年代中，若有露头长时间与大气相通，瓦斯沿煤层流动，煤层瓦斯往往沿煤层露头排放，瓦斯含量大为减少。（2）煤层倾角 煤层倾角愈大，煤层瓦斯含量愈低。Exp:芙蓉矿，北翼：40 80,南翼：6 12，,25,（3）埋藏深度 埋深增加，地应力增高，煤层的透气性变差，瓦斯向地表运移距离增加，有利于封存瓦斯。,26,3、煤层和围岩的透气性 煤层围岩是指煤层直接顶、老顶和直接底板等在内的一定厚度范围的层段。煤层围岩对瓦斯赋存的影响，决定于它的隔气、透气性能。当煤层顶板岩性为致密完整的岩石，如页岩、油母页岩时，煤层中的瓦斯容易被保存下来；顶板为多孔隙或脆性裂隙发育的岩石，如砾岩、砂岩时，瓦斯容易逸

12、散。exp:北京京西煤矿，不论是下侏罗统或是石炭二叠系的煤层，尽管煤的牌号为无烟煤，由于煤层顶板为1216m的厚层中粒砂岩，透气性好，因此煤层瓦斯含量小，矿井瓦斯涌出量低。,27,4、地质构造 是影响煤层瓦斯含量的主要因素之一。表现：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赋存或有利于瓦斯排放的条件。(1)褶皱构造 褶皱的类型、封闭情况和复杂程度，对瓦斯赋存均有影响。当煤层顶板岩石透气性差，且未遭构造破坏时，背斜有利于瓦斯的储存，是良好的储气构造，背斜轴部的瓦斯会相对聚集，瓦斯含量增大。形成“气顶”。,28,在向斜盆地构造的矿区，顶板封闭条件良好时，瓦斯沿垂直地层方向运移是比

13、较困难的，大部分瓦斯仅能沿两翼流向地表。煤包、地 垒、地堑都为高瓦斯区。（2）断层 断层破坏了煤层的连续完整性，使煤层瓦斯运移条件发生变化。有的断层有利于瓦斯排放，也有的断层对瓦斯排放起阻挡作用，成为逸散的屏障。前者称开放型断层，后者称封闭型断层。,29,断层的开放与封闭性决定于下列条件：a.断层的性质和力学性质。一般张性正断层属开放型，而压性或压扭性逆断层封闭条件较好。b.断层与地表或与冲积层的连通情况。规模大且与地表相通或与冲积层相连的断层一般为开放型。c.断层将煤层断开后，煤层与断层另一盘接触的岩层性质。若透气性好则利于瓦斯排放。d.断层带的特征。断层带的充填情况、紧闭程度、裂隙发育情况

14、等都会影响到断层的开放或封闭性。一般地，开放性断层，不论其与地表是否连通，其附近，瓦斯含量低。,30,封闭性断层（受压影响），可阻止CH4的排放。5水文地质条件 地下水与瓦斯共存于煤层及围岩之中，其共性是均为流体，运移和赋存都与煤、岩层的孔隙、裂隙通道有关。由于地下水的运移，一方面驱动着裂隙和孔隙中瓦斯的运移，另一方面又带动溶解于水中的瓦斯一起流动。瓦斯在水中的溶解度仅为14%。地下水和瓦斯占有的空间是互补的，这种相逆的关系，常表现为水大地带瓦斯小，反之亦然。,31,7岩浆活动 岩浆活动对瓦斯赋存的影响比较复杂。一方面，在岩浆热变质和接触变质的影响下，煤的变质程度升高，增大了瓦斯的生成量和对瓦

15、斯的吸附能力。另一方面，在没有隔气盖层、封闭条件不好的情况下，岩浆的高温作用可以强化煤层瓦斯排放，使煤层瓦斯含量减小。所以说，岩浆活动对瓦斯赋存既有生成、保存瓦斯的作用，在某些条件下又有使瓦斯逸散的可能性。,32,2.矿井瓦斯涌出,2.1 瓦斯涌出形式1、普通涌出-长时间地、均匀地从煤体中涌出瓦斯。特点：时间上：连续不断 空间上：普遍存在 涌出强度：缓慢、均匀2、特殊涌出：-矿井生产过程中，在某些特定地点、突然地于一段时间内大量涌出瓦斯的现象。特点：时间上：突然地、间隔的 空间上：非普遍存在 涌出强度：产生动力破坏,33,2.2 瓦斯涌出量1、定义 瓦斯涌出量指在矿井建设和生产过程中从煤与岩石

16、内涌出的瓦斯量。2、瓦斯涌出量表示方法（1）绝对瓦斯涌出量 单位时间涌出的瓦斯体积，单位为m3/d或m3/min：Qg=QC/100 式中 Qg绝对瓦斯涌出量，m3/min；Q风量，m3/min；C风流中的平均瓦斯浓度，。,34,（2）相对瓦斯涌出量平均日产一吨煤同期所涌出的瓦斯量，单位是m3/t。qg=Qg/A 式中：qg 相对瓦斯涌出量，m3/t；Qg 绝对瓦斯涌出量，m3/d；A 日产量，t/d 说明：相对瓦斯涌出量单位的表达式虽然与瓦斯含量的相同，但两者的物理含义是不同的，其数值也是不相等的。,35,2.3 影响瓦斯涌出的因素 决定于自然因素和开采技术因素的综合影响。（一）自然因素（1

17、）、煤层和围岩的瓦斯含量 它是决定瓦斯涌出量多少的最重要因素。一般地，煤层的瓦斯含量越高，开采时的瓦斯涌出量也越大。（2）、地面大气压变化,36,（二）开采技术因素 1、开采规模 开采规模指开采深度，开拓与开采范围和矿井产量。A、在甲烷带内，随着开采深度的增加，相对瓦斯涌 出量增大。B、开拓与开采的范围越广，煤岩的暴露面就越大，因此，矿井瓦斯涌出量也就越大。C、矿井产量与矿井瓦斯涌出量间的关系比较复杂，达产前、达产后及产量收缩期。,37,2、开采顺序与回采方法 首先开采的煤层（或分层）瓦斯涌出量大；采空区丢失煤炭多，回采率低的采煤方法，采区瓦斯涌出量大。顶板管理采用陷落法比充填法能造成顶板更大

18、范围的破坏和卸压，临近层瓦斯涌出量就比较大。回采工作面周期来压时，瓦斯涌出量也会大大增加。3、生产工艺 瓦斯从煤层暴露面（煤壁和钻孔）和采落的煤炭内涌出的特点是，初期瓦斯涌出的强度大，然后大致按指数函数的关系逐渐衰减。所以落煤时瓦斯涌出量总是大于其它工序。,38,4、风量变化 矿井风量变化时，瓦斯涌出量和风流中的瓦斯浓度会发生扰动，但很快就会转变为另一稳定状态。,39,5、采区通风系统 采区通风系统对采空区内和回风流中瓦斯浓度分布有重要影响。,6、采空区的密闭质量,40,2.4 矿井瓦斯涌出来源的分析与分源治理 按划分目的的不同，对矿井瓦斯来源划分为三种方式：1、按水平、翼、采区来进行划分 它

19、作为风量分配的依据之一。2、按掘进区、回采区和已采区来划分 它是日常治理瓦斯工作的基础。3、按开采区、临近区划分 它是采煤工作面治理瓦斯工作的基础。,41,2.5 瓦斯涌出不均系数 正常生产过程中，矿井绝对瓦斯涌出量受各种因素的影响其数值是经常变化的，但在一段时间内只在一个平均值上下波动，峰值与平均值的比值称为瓦斯涌出不均系数。矿井瓦斯涌出不均系数表示为：kg=Qmax/Qa 式中：kg给定时间内瓦斯涌出不均系数；Qmax该时间内的最大瓦斯涌出量，m3/min；Qa该时间内的平均瓦斯涌出量，m3/min；,42,2.6 矿井瓦斯等级1、矿井瓦斯等级划分 依据：按照平均日产一吨煤涌出瓦斯量（相对

20、瓦斯涌出量）和瓦斯涌出形式，划分为：低瓦斯矿井：10m3及其以下；高瓦斯矿井：10m3以上；煤与瓦斯突出矿井。2、矿井瓦斯等级鉴定（1）鉴定时间和基本条件 矿井瓦斯等级的鉴定工作应在正常生产的条件下进行。（2）测点选择和测定内容及要求。（3）矿井瓦斯等级的确定。,43,2.7 矿井瓦斯涌出量预测 瓦斯涌出量的预测：指根据某些已知相关数据，按照一定的方法和规律，预先估算出矿井或局部区域瓦斯涌出量的工作。1、矿山统计法 统计法是根据生产矿井或生产水平，在以往生产过程中积累的大量不同深度相对瓦斯涌出量与深度的数据，通过整理分析找出相互之间变化关系的统计规律，推算出相邻的新矿井或延深水平瓦斯涌出量的方

21、法。（1）瓦斯涌出量梯度 深度与相对瓦斯涌出量的比值，称瓦斯涌出量梯度。,44,（2）物理含义：相对瓦斯涌出量每增加1m3/t 时，开采深度增加的米数，其单位为m/(m3/t)。瓦斯涌出量梯度愈小，矿井瓦斯涌出量随深度增加的速度愈快。（3）计算公式 gm=(H2-H1)/(q2-q1)n 式中:gg瓦斯涌出量梯度，m/（m3/t）或t/m2；H1、H2甲烷带内的两个已采深度，m；q1、q2对应于深度H1、H2的相对瓦斯涌出量，m3/t；n 指数系数，大多数煤田在垂深1000m内时n=1。,45,已知瓦斯涌出量梯度和瓦斯风化带下界深度时，就可用下式预测相对瓦斯涌出量。qm=q0+(H-H0)/g

22、m 或 qm=qm1+(H-H1)/gm 式中：qm 预测的深H(m)处的相对瓦斯涌出量，m3/t；H0 瓦斯风化带下界深度，m；gm瓦斯涌出量增深率，(m.t)/m3 q0、q1瓦斯风化带下界或H1处的相对瓦斯涌出量，q0=2m3/t；2、计算法 以煤层瓦斯含量为基础进行计算。,46,3.瓦斯喷出,3.1 瓦斯喷出的分类及其特点瓦斯喷出：大量承压状态的瓦斯从煤、岩裂隙中迅速喷出的现象。特点：时间突然，空间上集中，动力效应。危害：造成局部地区、采区、一翼充满高浓度瓦斯；窒息、遇火燃能引起瓦斯爆炸、火灾。根据瓦斯喷出裂隙呈现原因不同分：（1）地质来源；（2）采掘地压形成。,47,3.2 瓦斯喷出

23、的预防 预防瓦斯喷出，首先要加强地质工作，查清楚施工地区的地质构造、断层、溶洞的位置、裂隙的位置和走向、以及瓦斯储量和压力等情况，采取相应的预防或处理措施。分为：1、黄泥或水泥沙浆等充填材料堵塞喷出口。2、可能的喷出地点附近打前探钻孔，探测、排放。,48,4、煤与瓦斯突出及其预防,4.1 概述含义：煤矿地下采掘过程中，在极短的时间内(几秒到几分钟)，从煤、岩层内以极快的速度向采掘空间内喷出煤(岩)和瓦斯(CH4、CO2)的现象，称为煤与瓦斯突出。,49,危害：1、产生的高压瓦斯流，能摧毁巷道，造成风流逆转、破坏通风系统。2、井巷充满瓦斯，造成人员窒息，引起瓦斯燃烧或爆炸。3、喷出的煤岩，造成煤

24、流埋人。4、猛烈的动力效应可能导致冒顶和火灾事故的发生。到1992年底全国已有282个突出矿井，截止1995年共发生了16000多次突出。突出包括：压出、倾出和突出。,50,4.2 突出的机理 突出的机理是关于解释突出的原因和过程的理论。突出是十分复杂的自然现象，它的机理还没有统一的见解，假说很多。多数人认为，突出是地压、瓦斯、煤的力学性质和重力综合作用的结果。4.3 突出的一般规律 1、突出发生在一定的采掘深度以后。2、突出多发生在地质构造附近。3、突出多发生在集中应力区。4、突出次数和强度，随煤层厚度、特别是软分层厚度的增加而增加。煤层倾角愈大，突出的危险性也愈大。,51,5、突出与煤层的瓦斯含量和瓦斯压力之间没有固 定的关系。6、突出煤层的特点是强度低，而且软硬相间，透 气系数小。7、大多数突出发生在放炮和落煤工序。8、突出前常有预兆发生。4.4 预防煤与瓦斯突出的主要技术措施 区域性防突措施：实施以后可使较大范围煤层消除突出危险性的措施，称为区域性防突措施；局部防突措施：实施以后可使局部区域(如掘进工作面)消除突出危险性的措施称为局部防突措施。,