煤层瓦斯的生成与赋存.ppt
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1、煤 矿 瓦 斯 灾 害 防 治 煤层瓦斯的生成与赋存,瓦斯是煤矿安全的“第一杀手”,表 新中国成立以来的100人以上的矿难,瓦斯爆炸后果举国震惊,世界震惊。严重危害社会的安定,损害了国家的形象。,温家宝总理看望陕西省铜川矿务局陈家山矿难家属。,四川省2007年112月份瓦斯事故统计表,第一节 煤矿瓦斯的基本认识,1.1 瓦斯的定义 瓦斯 是指在煤矿生产过程中,从煤层、岩层和采空区放出的,以甲烷(CH4)为主要成分的各种有害气体的总称。 主要成分:甲烷(主要成分)、二氧化碳、氮气,还有少量的乙烷、乙烯、氢气、一氧化碳、二氧化碳、硫化氢和二氧化硫等。 我国规定:矿井中主要由煤层气构成的以甲烷为主的
2、有害气体叫瓦斯。 狭义而言:瓦斯有时专指甲烷。,1.2 瓦斯的生成,煤的形成大可分为两个时期或阶段: 第一阶段:泥炭化阶段,生成的气体物质主要为CH4、CO2和H2O。这一过程发生于地表附近,生成的气体大部分散失于大气中。 第二阶段:煤化作用阶段,是煤质变化成气时期。生成的气体物质主要为CH4、CO2。 煤层瓦斯瓦斯沿深度呈带状分布: 当煤层有露头或在冲冲积层下有含煤地层时,煤化过程生成的瓦斯经煤层、上覆岩层和断层不断由煤层深部向地表运移;而地表的空气和生物化学生成的气体,则由地表向煤层深部渗透和扩散。由于这两种反向运移的结果,造成了煤层瓦斯组分沿赋存深度的带状分布。如下图1-3所示。,图1-
3、3 顿巴斯煤田煤层瓦斯组分在各瓦斯带中的变化 氮气二氧化碳带; 氮气带; 氮气甲烷带; 甲烷带,瓦斯带的前三带统称为瓦斯风化带。瓦斯风化带下部边界煤层中甲烷组分含量为80%;煤层瓦斯压力为0.10.15MPa,煤的瓦斯含量为23%(烟煤)和57%(无烟煤);在瓦斯风化带开采煤层时,其相对瓦斯涌出量一般不超过2m3/t。,图1-4 各煤化阶段甲烷生成量曲线,由上图1-4可以看出, 成煤过程生成的瓦斯量是很大的,最高可达300400m3/t ,但煤矿开采实践表明。煤层瓦斯含量一般不超过2030 m3/t,由此看来,成煤过程生成瓦斯的绝大部分已经逸散到大气中,扩散到煤层围岩或运移至储气构造形成煤层气
4、田。,1.3 瓦斯生成的影响因素及其分析,在煤化作用过程中,瓦斯将不断地产生,煤化作用程度越高,累积产生的瓦斯量就越多,其主要原因是:第一,煤层瓦斯的伴生量直接依赖于煤化作用程度;第二,随着煤化作用程度的加深煤的气体渗透率下降,煤的储气能力提高,气体沿煤层向地表运移能力减弱; 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,煤的吸附能力增强。因此煤化作用程度不仅影响瓦斯的生成量,而且对瓦斯的吸咐能力也有影响。在成煤初期,褐煤的结构疏松,孔隙率大,瓦斯分子能渗入煤体内部,但是,由于该阶段瓦斯生成量较少且不易保存,煤中实际所含瓦斯量并不大。,在变质作用过程中,由于地应力的作用,煤的孔隙率减
5、少,煤质渐趋致密,如长焰煤,其孔隙和比表面积都比较小,所以吸咐瓦斯的能力并不大,其吸附量一般在:20m3/t30m3/t。随着变质作用程度提高,在高温、高压作用下,煤体内部因干馏作用而生成许多微孔隙,使煤的表面积到无烟煤时为最大;因此,无烟煤吸附瓦斯的能力最强,可达50m3/t60m3/t。以后,煤体内部的微孔又收缩、减少,到石墨时变为零。从而导致吸附瓦斯能力消失(图1-5)。,图1-5 不同煤级煤对瓦斯的吸附能力,1.3 瓦斯在煤体中的存在状态,1)游离状态 2)吸附状态,图1-6 瓦斯在煤体中存在的形态示意图 1-游离瓦斯;2吸附瓦斯 ;3吸收瓦斯;4煤体;5孔隙,瓦斯在煤层中的存在状态,
6、有吸附、游离两种状态,其中吸附是主要的,大致占80%90%。1m3煤可以吸附3040m3的瓦斯。 吸附瓦斯与瓦斯压力有关,当煤层的瓦斯压力逐渐变小时,吸附瓦斯就会转变为游离瓦斯,反之也对。故煤体中的吸附瓦斯和游离瓦斯,是处于动态平衡状态。 原始煤层经采动,采、掘工作面前方煤壁的游离瓦斯首先涌向采掘工作面空间,越靠近煤壁,瓦斯压力越小,吸附瓦斯则越容易转变为游离瓦斯-即所谓解吸。随着工作面向前推进,煤层内的瓦斯就将不断涌向采掘空间。,图1-7 瓦斯含量与温度、压力的关系,煤的瓦斯含量与温度、瓦斯正力的关系如图1-7所示,该图是某一煤样的测定曲线,从中可以看出:由吸附瓦斯和游离瓦斯组成的总瓦斯量随
7、瓦斯压力增大而提高,随温度的升高而降低。这是因为在一定温度下,当瓦斯压力升高时,则意味着单位体积内瓦斯分子数增加,从而增大了瓦斯分子与煤体吸附机会;当吸附量增加到一定程度后,就渐趋于饱和;目前认为,一般在瓦斯压力超过5MPa以后,吸附量基本上达到饱和范围。,煤与瓦斯一对双胞胎,瓦斯是与煤同时生成的,并存储于煤层和围岩之中,煤的地方必然有瓦斯。我们采煤时,瓦斯必然涌出来。不仅采落的煤炭涌出瓦斯。煤壁、煤层顶底板、采空区、邻近的煤层都会向采掘工作面涌出瓦斯。因此,在煤矿井下,瓦斯时刻威胁着我们。 煤层附近的岩层,比如砂岩、石灰岩中,也可能存储瓦斯,岩石内的瓦斯,主要是游离瓦斯。,1.4 瓦斯的性质
8、,瓦斯的性质是瓦斯所含各个成分性质的总和。 甲烷(CH4)性质 无色、无嗅、无味的可燃气体; 比重0.554,比空气轻;微溶于水,具有强扩散性,其扩散速度是空气的1.34倍; 在微风或无风的巷道中,由于瓦斯轻,易浮在巷道顶部,所以要规定风流的最低风速,防止瓦斯积聚。, 有燃烧和爆炸性;,甲烷燃烧和爆炸的条件: (1)必须有高温热源或火源引燃或引爆; (2)甲烷浓度在516时才具爆炸性;这就是爆炸界限。当浓度为9.5时,爆炸的危险性和爆炸威力最大。 瓦斯浓度在0%5%,为助燃区间;而瓦斯在大于16%时,为扩散燃烧区,即在与空气混合的界面上可被点燃;在5%16%为爆炸区,这是最危险的、过去最容易发
9、生的。 (3)空气中氧的含量要高于12。, 空气中甲烷含量达到一定浓度(超过40)时,可使人窒息。 川南某重灾国有煤矿1970到1993年发生的瓦斯事故,死亡54人,其中28人是窒息死亡的,占51.85%。 温室效应性 温室效应是CO2的21倍。目前瓦斯抽出来后要强调利用。,井下瓦斯含有的主要有毒有害气体,1.5 煤层瓦斯含量及影响因素,瓦斯含量定义 计算瓦斯含量: 式中: X煤层瓦斯含量,m3/t; a吸附常数,试验温度下的极限吸附量,m3/t; b吸附常数,MPa1; P煤层绝对瓦斯压力,MPa; Aad煤的灰分,; Mad煤的水分,; K煤的孔隙体积,m3/m3; 煤的视密度,t/m3。
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