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1、安徽理工大学,能源与安全学院 2011-4-5,矿井瓦斯与矿尘防治技术,第一部分：矿井瓦斯防治技术第二部分：矿尘防治技术,本课程参考书：,瓦斯地质学-张子敏，中国矿业大学出版社瓦斯灾害防治技术-中国煤炭工业劳动保护科学技术学会组织编著矿井粉尘防治技术-中国煤炭工业劳动保护科学技术学会组织编著粉尘防治理论及技术-杨胜强 中国矿业大学出版社煤矿安全规程-煤炭工业出版社,安徽理工大学,第一章：煤层瓦斯赋存与含量,模块一：瓦斯地质基础,模块二：瓦斯压力和瓦斯含量测定,第一部分,矿井瓦斯防治技术,模块一：瓦斯地质基础,1、矿井瓦斯及成因,1.1 矿井瓦斯“瓦斯”音译自日文“（瓦斯）”,广义：,井下涌向采
2、矿空间的各种有毒、有害气体的总称。,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。,如何理解？,、瓦斯成分复杂（CH4、CO2、N2、乙烷、丙烷、丁烷、戊烷、H2、CO、SO2、H2S）,、一定深度后，主要成分为甲烷,煤矿术语中的瓦斯，通常是指甲烷。,瓦斯来源？,放射性元素蜕变过程生成（Rn、He等）,1.1 矿井瓦斯,矿井瓦斯来源,煤（岩）层和地下水释放出来的,化学及生物化学作用产生的,煤炭生产过程中产生的,（CO2、H2S、SO2）,（CO2、NO2、H2）,1.1.1 矿井瓦斯来源,1.1 矿井瓦斯,危害：1.可造成瓦斯窒息事故(43%呼吸短促，57%即刻昏迷2
3、.可酿成瓦斯燃烧事故(16%存在火源)3.引起瓦斯爆炸事故(5%-16%存在火源)4.产生煤与瓦斯突出事故5.污染环境,1.1.2 矿井瓦斯的危害及用途,用途：1.用城镇煤气2.用作锅炉和窑炉燃料3.瓦斯发电4.作为机动车燃料5.用作化工原料和化工产品,1.2 矿井瓦斯的成因,有机源气体-腐植有机物（高等植物）成煤过程。煤层瓦斯是腐植型有机物（植物）在成煤过程中生成的,特点：1）炭化过程生成大量气体。2）覆盖层增厚，生成气体得以保存。但煤层瓦斯 含量远小于生产量。,1.2 矿井瓦斯的成因,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
4、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,CH4,1.3 煤层瓦斯赋存的垂直分带,在瓦斯压力和浓度差下,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。,1.3 煤层瓦斯赋存的垂直分带,煤层垂向各带气体组份表,瓦斯赋存的垂直分带性划分的意义？,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。,规律：瓦斯风化带内涌出量与深度之间无规律性。瓦斯风化带内，无突出危险性。在CH4带内，,1.3 煤层瓦斯赋存的垂直分带,瓦斯风化带下部边界确定,煤层内
5、的瓦斯压力为0.10.15MPa,在瓦斯风化带开采煤层时，煤层的相对瓦斯涌出量达到2m3/t,煤的瓦斯含量达到23 m3/t（烟煤）和57 m3/t（无烟煤）,煤层内的瓦斯组分中甲烷组分含量达到80%（体积比）,氮气二氧化碳带、氮气带、氮气甲烷带统称为瓦斯风化带,瓦斯风化带下部边界的确定,1.3 煤层瓦斯赋存的垂直分带,影响瓦斯风化带的深度的因素：,含煤地层排放瓦斯时间越长，瓦斯风化带越探；地质错动程度越高，煤层排放瓦斯的不均匀性和排放深度就越大；剥蚀过程使含煤地层无瓦斯风化的范围减小或局部消失煤层之上的覆盖层阻碍瓦斯风化带的进一步扩大,1.3 煤层瓦斯赋存的垂直分带,煤的孔隙特征 煤是一种复
6、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。煤是一种孔隙-裂隙性介质，它决定煤-CH4体系的许多特性。集气性-CH4的存在形态、含量;渗透性-流态、流出形式、涌出量；力学特性-强度、弹性、脆性。,1.4 煤的特征,煤中孔隙分类微孔：直径 10-5mm小孔：直径 10-510-4mm中孔：直径 10-410-3mm大孔：直径 10-310-1mm可见孔及裂隙：直径 10-1mm,为了研究瓦斯在煤层中的赋存与流动，将煤中孔隙分类如下：,煤中的微孔 80%,瓦斯的存在形态,煤的孔隙特征,吸附和吸收,吸收和游离,表面吸附和游离,游离,孔隙率（f）-单位体积固体具有
7、的孔隙容积。表示式：f-孔隙率，%；V-固体（含孔隙）的体积，cm3；V0-实体（不含孔隙）的体积，cm3。假设 M-固体质量，g;-固体假密度，g/cm3;o-固体真密度，g/cm3;则有：,孔隙特性的参数,通过实验确定。或利用经验公式计算。当 孔容（比孔容）-f-单位质量固体具有的孔隙容积。表示式：同上，可推得：所以：,cm3/g,比表面-固体单位质量或单位体积具有的孔隙总表面积。孔隙结构-各类孔隙在总孔隙中所占百分比。微孔所占比例大，且比表面积也大。,各类煤岩的孔隙率差别很大，不同的煤需具体测定。,我国一些矿井煤的孔隙率,煤岩孔隙的基本特点,煤的孔隙率与碳化程度的关系,长焰煤开始Vr f
8、 到焦瘦煤达到最小；而后 Vr f 到无烟煤达到最大。但微孔，则 Vr 而始终,煤的孔隙率与煤的破坏程度的关系未受构造应力破坏的煤 微孔达 80%90%，大孔很少，无外生裂隙。煤层瓦斯含量大，但瓦斯涌出量不大，涌出速度慢，涌出时间长。破坏型煤 各种孔均存在，随着煤的破坏程度增大而增加。游离瓦斯含量高，易涌出，衰减快，可能发生突出。构造煤 在地应力作用下，煤破碎成0.1mm的煤粒，再被压成煤砖状。各类孔均存在，瓦斯含量高，卸压后，f，瓦斯涌出量，易突出。,孔隙率与外加压力（地应力）关系式中：f-受压状态下的孔隙率；f0-未受压状态孔隙率；-压应力；-压缩系数。一般地，微孔不压缩。Exp:17MP
9、a时，f 减少20%，因为微孔不变，大中孔减少40 50%备注：（1）H f（2）卸压后（受采动影响）f（3）对煤的吸附性影响很小。,吸附瓦斯,游离瓦斯,吸收状态,吸着状态,煤层的吸附性,类似于溶质溶解于溶剂中,瓦斯在煤层中赋存状态,A）物理吸附特点：、作用力为范德华力，作用距离极小（1/r7）,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：0.51.2 Kj/molB）化学吸附 作用力为离子键，不可逆。,P or t,P or t,解吸,吸附,吸附作用力分类,瓦斯吸附与解吸,(1)吸附瓦斯与游离瓦斯处于动平衡状态；(2)外界压力、温度变化
10、，原平衡破坏；(3)这种瓦斯由吸附状态转化为游离状态的现象，称为解吸；(4)吸附态瓦斯无内能，游离态分子热运动具有内能；(5)煤的解吸瓦斯量：瓦斯压力从平衡状态下过渡到正常标准大气压下，煤体释放的瓦斯量。,瓦斯的另一种存在形式，瓦斯水化物晶体。即瓦斯和水所形成的类冰状固态化合物。存在于海底或陆地冻土带内的瓦斯水化物，习惯被称为天然气水化物，白色，形似冰雪，可以像酒精一样直接被点燃。,瓦斯固溶态（瓦斯水化物）,据新华社报道，2007-6-17，我国在南海北部成功钻获的天然气水化物实物样品“可燃冰”在广州亮相。,难以寻找,吸附量决定于：吸附质性质（不同气体）；吸附剂性质；吸附温度；吸附压力。(1)
11、吸附线-吸附剂和吸附质，在一定温度（t）或一定压力(P)下，吸附量与 P 或 t 之间的关系曲线。,t=const,等温吸附线,t,X,P=const,等压吸附线,吸附线和吸附方程,(2)吸附方程A）Langmuir方程（1916年）理论计算式：式中：X-给定温度下的吸附量，m3/t；a-吸附常数，极限吸附量，m3/t；b-吸附常数，Mpa-1;P-吸附平衡时的气体压力，Mpa。a、b通过实验室测定得出。实际算式：其中：,B)弗洛德里希方程（1906）-适用于吸附中压部分 式中：k、n-系数；P-气体压力。C）都必林方程式中：a0-极限吸附瓦斯量，cm/g；E-吸附能，j/mol；P0-极限吸
12、附时的气体压力,Mpa；P-吸附压力,Mpa；T-吸附温度；n-吸附结构系数。,(1)瓦斯压力 t=const,P X(2)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,6）影响煤与瓦斯吸附量的主要因素,(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
13、基作单位。,模块二：瓦斯压力和瓦斯含量及测定,2.1 煤层瓦斯压力及测定方法,2.1.1 有关煤层瓦斯压力的几个概念瓦斯压力煤层原始瓦斯压力煤层残存瓦斯压力,瓦斯压力-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，它在某一点上各向大小相等，方向与孔隙壁垒垂直。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。煤层原始瓦斯压力 当煤层未受采动影响而处于原始赋存状态时，煤中平衡瓦斯压力称之为煤层原始瓦斯压力，其物理单位为MPa。煤层残存瓦斯压力 当煤层受采动影响涌出一部分瓦斯后，此时煤层中残留瓦斯的压力大小称之为煤层残存瓦斯压力，单位为MPa。煤层的残存瓦斯压力总小于原始瓦斯压
14、力。,有关煤层瓦斯压力的几个概念,煤层瓦斯压力分布的一般规律,沿深度(沿煤层倾向)未受采动影响的煤层内的瓦斯压力，随深度的增加而有规律地增加存在：,1）在未受采动影响煤层内,n-系数常取1。故存在：gp-煤层瓦斯压力梯度，Mpa/m,煤层瓦斯压力分布的一般规律,根据瓦斯压力梯度可以预测深部煤层瓦斯压力。预测计算式：式中：P预测的甲烷带内深H(m)处的瓦斯压力，MPa gp瓦斯压力梯度，MPa/m特例：式中：P0-甲烷带上部边界处瓦斯压力，取0.2MPa。H0-甲烷带上部边界深度，m。举例：某矿瓦斯风化带深度为100m，在200m处测得煤层瓦斯压力为0.5MPa，预测300m处煤层瓦斯压力。,沿
15、走向 在地质条件相近的块段内，相同深度的同一煤层，具有大体相同的瓦斯压力。条件：A）孔隙、裂隙互相连通，形成一个统一的体系；B）等量的瓦斯处于孔隙容积相同的不同体系内。C）不等量的瓦斯处于孔隙容积按同比例的不同体系内 实际上，只能“大体相同”，而且可能差别。,煤层瓦斯压力分布的一般规律,2）采动影响煤层,孔隙、含量发生变化，所以瓦斯压力发生变化，十分复杂，一般随深度增加瓦斯压力逐渐增大。,2.1.2 煤层瓦斯压力的测定,瓦斯压力测定步骤：打孔-封孔-测压打孔 要求：测定地点无大裂隙，不位于破坏带，含水小。注意：钻孔到位后，用压气清渣,1）直接测定法被动测压法主动测压法,上行孔下行孔水平孔,固体
16、材料封孔（1980年以前）一般采黄泥作为固体材料,煤层瓦斯压力的测定,几种封孔方法,注意事项（1）测压空间尽可能小；（2）钻孔打完后，立即封孔，尤其是低透气性煤层；（3）防止漏气；（4）足够长的观察时间；（5）防止地下水的影响，尽可能不穿含水层，必须穿过含水层时，封孔应超过含水层。,煤层瓦斯压力的测定,2.2.1 有关煤层瓦斯含量的几个概念瓦斯含量煤层原始瓦斯含量煤层残存瓦斯含量,2.2 煤层瓦斯含量及测定方法,瓦斯含量：单位质量或体积的煤中含有的瓦斯量。m3/m3，m3/t煤层原始瓦斯含量：当煤层未受采动影响而处于原始赋存状态时，单位重量煤中所含有的换算成标准状态下（0，0.1MPa）的瓦斯
17、体积称之为煤层原始瓦斯含量，它常用m3/t和cm3/g作计量单位。煤层残存瓦斯含量：当煤层受采动影响而涌出一部分瓦斯后，单位重量煤中所含有的换算成标准状态下的瓦斯体积称之为煤层残存瓦斯含量。,2.2.1 有关煤层瓦斯含量的几个概念,煤层瓦斯含量测定,1）直接测定法勘探钻孔煤芯解吸法,煤层瓦斯含量测定,煤层瓦斯含量测定,煤层瓦斯含量测定,煤层瓦斯含量测定,2）间接测定计算法,游离态瓦斯,粗略计算，假设：,式中：P-煤层瓦斯压力，Mpa；V-煤的孔容。,则：,吸附态瓦斯,煤层瓦斯含量,X=Xg+X m3/t,（马略特定律+朗格缪尔方程）,2.2.2 煤层瓦斯含量测定,2.2.2 煤层瓦斯含量测定,
18、中国矿业大学周世宁提出：式中：X 煤层瓦斯含量，m3/t；p 煤层瓦斯压力，MPa；煤的瓦斯含量系数，m3/(m3.MPa1/2),2）间接测定计算法,（含量系数法）,2.2.2 煤层瓦斯含量测定,2.2.3 影响煤层瓦斯含量的因素,煤层瓦斯含量主要取决于：瓦斯生成量；瓦斯向煤层运移条件；煤层贮存瓦斯的性能。,影响因素,地质构造,水文地质条件,煤层变质程度,煤层赋存条件,煤层围岩性质,煤的变质程度 在煤化作用过程中，不断地产生瓦斯，煤化程度越高，生成的瓦斯量越多。因此，在其它因素相同的条件下，煤的变质程度越高，煤层瓦斯含量越大。煤的变质程度不仅影响瓦斯的生成量，还在很大程度上决定着煤对瓦斯的吸
19、附能力。,2.2.3 影响煤层瓦斯含量的因素,煤层的赋存条件（1）露头 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，,2.2.3 影响煤层瓦斯含量的因素,（3）埋藏深度 在瓦斯风化带以下，煤层瓦斯含量、瓦斯压力和瓦斯涌出量都与深度的增加有一定的比例关系。一般情况下，煤层中的瓦斯压力随着埋藏深度的增加而增大。随着瓦斯压力的增加，煤与岩石中游离瓦斯量所占的比例增大，同时煤中的吸附瓦斯逐渐趋于饱和。因此从理论上分析，在一定深度范围内，煤层瓦斯
20、含量亦随埋藏深度的增大而增加。但是如果埋藏深度继续增大，瓦斯含量增加的速度将要减慢。下表是前苏联学者黎金作的一个计算实例。,2.2.3 影响煤层瓦斯含量的因素,2.2.3 影响煤层瓦斯含量的因素,2.2.3 影响煤层瓦斯含量的因素,煤层围岩性质 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
21、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。,2.2.3 影响煤层瓦斯含量的因素,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”。,2.2.3 影响煤层瓦斯含量的因素,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较困难的，大部分瓦斯仅能沿两翼流向地表。
22、地质构造作用煤包、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。,2.2.3 影响煤层瓦斯含量的因素,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。尽管瓦斯在水中的溶解度仅为14%，但在地下水交换活跃的地区，水能从煤层中带走大量的瓦斯，使煤层瓦斯含量明显减少。同时，水吸附在裂隙和孔隙的
23、表面，还减弱了煤对瓦斯的吸附能力。因此，地下水的活动有利于瓦斯的逸散。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。,2.2.3 影响煤层瓦斯含量的因素,岩浆活动 岩浆活动对瓦斯赋存的影响比较复杂。岩浆侵入含煤岩系或煤层，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斯的吸附能力。(1)在无隔气盖层、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。(2)岩浆岩体有时使煤层局部被覆盖或封闭，成为隔气盖层。但在有些情况下，由于岩脉蚀变带裂隙增加，造成风化作用加强，可逐渐形成裂隙通道，而有利于瓦斯的排放。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。,2.2.3 影响煤层瓦斯含量的因素,课后习题：,模块一 瓦斯地质一填空题1、煤层瓦斯是（）作用的产物，是在（）过程中形成的。2在成煤过程，大致可划分为（）和（）两个成气时期。3、瓦斯在煤中呈两种状态存在，即（）和（）。主要是（）状态存在。4、游离瓦斯量的大小与瓦斯压力成（），与瓦斯温度成（）。,本章结束,
