超实用《矿井瓦斯防治技术》【一份十分经典的专业资料,打灯笼都找不到的好资料】 .pdf
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1、矿井瓦斯防矿井瓦斯防 治技术治技术 第1次 课 日期周次1星期2学时 第一部分第一部分第一部分第一部分矿井瓦斯防治技术矿井瓦斯防治技术矿井瓦斯防治技术矿井瓦斯防治技术 重点:瓦斯的概念及性质,瓦斯的成因,瓦斯赋存规律。 难点:瓦斯赋存和运移规律。 第 1 章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。 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
2、、丙烷、丁烷、戊烷等) 、氢(H2)、 一氧化碳(CO) 、二氧化硫(SO2)、硫化氢(H2S)等。 由于甲烷(俗称沼气)是矿井瓦斯的主要成分,因而人们习惯上所说的瓦斯, 通常指甲烷而言。 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) 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) 、 424.5 Kg/m3(液态) 相对空气密度
3、:0.554, 难溶入水:101.3 KPa , 20 , 3.31l/100lH2O 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 2、重要能源 CH4+ 2O2CO2+ 2H2O +Q 1m 3CH 4 37022.2kJ相当于 11.5Kg 烟煤。 重要的化工原料。 1.2煤层瓦斯的成因 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 两个阶段: (1)生物化学阶段(从植物遗体到泥炭) 4C6H10O57CH4+ 8CO2+ C9H6O + 3H2O 特点:埋藏浅,覆盖层胶结不好,煤层保存气体
4、少。 (2)变质阶段(从泥炭到烟煤) 泥炭褐煤烟煤无烟煤 如:4C16H18O5C57H56O10+ 4CO2+ 3CH4+ 2H2O C57H56O10C54H42O5+ CO2+ 2CH4+ 3H2O C54H42O5C13H4+ 2CH4+ H2O 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, 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; 隔绝空气隔绝空气 微生物微生物 ( (
5、 ( (纤维素纤维素) ) ) ) (褐煤)(褐煤) (褐煤)(褐煤) (烟煤)(烟煤) (烟煤)(烟煤)(无烟煤)(无烟煤) 瓦斯瓦斯 空气空气 -1000m -800m -600m -400m -200m (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) 。 (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
6、来自大气。与氩的比例与空气一致。来自大气。与氩的比例与空气一致。 He 放射性元素蜕变的产物。 1.31.31.31.3煤层瓦斯赋存的垂直分带性煤层瓦斯赋存的垂直分带性煤层瓦斯赋存的垂直分带性煤层瓦斯赋存的垂直分带性 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。 四带: COCO2 2- - N N2 2带、带、N N2 2带、带、N N2 2CHCH4 4带、带、CHCH4 4带。现场实际过程中,将前三带总称为带。现场实际过程中,将前三带总称为 瓦
7、斯风化带瓦斯风化带。 014 . 0 012. 0100 2 = N Ar COCOCOCOCOCOCOCO2 2 2 22 2 2 2 N N N N N N N N2 2 2 22 2 2 2带带带带 N N N NN N N N2 2 2 22 2 2 2带带带带 N N N NN N N N2 2 2 22 2 2 2CHCHCHCHCHCHCHCH4 4 4 44 4 4 4带带带带 CHCHCHCHCHCHCHCH4 4 4 44 4 4 4带带带带 瓦斯风化带瓦斯风化带瓦斯风化带瓦斯风化带 瓦瓦瓦瓦 斯斯斯斯 垂垂垂垂 直直直直 分分分分 带带带带 性性性性 划分的意义:掌握本煤
8、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, 瓦斯风化带下界深度确定依据: 根据下列指标中的任何一项确定: (1)煤层的相对瓦斯涌出量等于 23m3/t 处; (2)煤层内的瓦斯组分中甲烷及重烃浓度总和达到 80%(体积比) ; (3)煤层内的瓦斯压力为 0.10.15MPa; (4)煤的瓦斯含量达到下列数值处:长焰煤 1.01.5 m3/t(C.M.) ,气煤 1.52.0m3/t (C.M.) , 肥煤与焦煤2.02.5m3/t(C.M), 瘦煤 2.53.
9、0m3/t(C.M.), 贫煤 3.04.0m3/t(C.M.),无烟煤 5.07.0m3/t(C.M.)(此处的 C.M.是指煤中可 燃质既固定碳和挥发分) 第2次 课 煤层垂向各带气体组份表煤层垂向各带气体组份表 瓦斯成分 % 名 称 气 带 成 因 N2 CO2 CH4 CO2 N2带 生物化学 空气 2080 2080 d A d r AV0065 . 0 005 . 0 42. 1+= 2、孔容(比孔容)-f -单位质量固体具有的孔隙容积。 表示式:cm3/g 同上,可推得: 所以: 3、比表面 -固体单位质量或单位体积具有的孔隙总表面积。 4、孔隙结构 -各类孔隙在总孔隙中所占百分
10、比。 100 0 = V VV f %100)1(100) 11 (100 00 0 = = M MM f 0 , d r r A V V 01. 0 665 . 0 778 . 0 0 + = M VV f 0 = 0 11 =f ff= 分类分类孔隙体积百分比孔隙体积百分比/%/%孔隙表面积百分比孔隙表面积百分比/%/% 微微孔微微孔12.512.562.262.2 微孔微孔42.242.235.135.1 小孔小孔28.128.12.52.5 中孔中孔17.217.20.20.2 微孔所占比例大,且比表面积也大。 三、煤、岩孔隙的基本特点 1、各类煤岩的孔隙率差别很大,不同的煤需具体测定
11、。 我国一些矿井煤的孔隙率 矿井挥发份/%孔隙率/% 抚顺老虎台矿45.7614.05 鹤岗大陆31.8610.6 开滦马家沟 12 煤26.86.59 本溪田师付 8 煤13.716.7 阳泉三矿 3 煤6.6614.1 焦作王封大煤5.8218.5 2、煤的孔隙率与炭化程度的关系 长焰煤开始 Vrf到焦瘦煤达到最小 Vr/% f /% 焦煤瘦煤长无 3、煤的孔隙率与煤的破坏程度的关系 (1)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。 (2)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
12、,易涌出, 衰减快,可能发生突出。 (3)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。 4、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。 f 一般地,微孔不压缩。Exp: 17MPa 时,f 减少 20%,因为微孔不变,大中孔 减少 4050% 备注:(1)Hf (2)卸压后(受采动影响)f (3)对煤的吸附性影响很小。 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
13、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 )exp( 0 ff= 于溶质溶解于溶剂中。 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/r7),仅限于界面附近; 、可逆的-不稳定的动平衡。 Port Por 解解解解 吸吸吸吸 吸吸 附附 、吸附是一种放热反应,解吸,吸热。 如:煤-CH4,吸附热:0.51.2 Kj/mol B)化学吸附 作用力为离子键,不可逆。 二、吸附线和
14、吸附方程 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、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 t P=const P X 等温吸附线线 X 等压吸附线线 2、吸附方程 A)Langmuir 方程(1916 年) 理论计算式: bP abP X + = 1 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
15、(1906) 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。 三、影响煤与瓦斯吸附量的主要因素 1、瓦斯压力 t=const ,PX 2、温度 P = consttX 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。 100 100 )(exp( 31. 01 1 0 wA ttn
16、w k + = bP abP kX + = 1 n kPX /1 = = n E PPT aX )/ln(574.4 exp 0 0 变质程度越高(Vr )X 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,我国习惯于用可燃基作单位。 W XX gch 31 . 0 1 1 + = 100 100 0 wA XX = 第3次 课 日期周次1星期2学时 重点:煤层瓦斯压力概念、成因及分布规律,煤层瓦斯压力测定方法,煤层瓦斯 含量及影响因素。 难点:煤层瓦
17、斯压力分布及煤层瓦斯含量。 1.6煤层瓦斯压力 一、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,它在某一 点上各向大小相等,方向与孔隙壁垒垂直。 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。 二、煤层瓦斯压力分布的一般规律 1、在未受采动影响煤层内 (1)沿深度(沿煤层倾向) 符合气体状态方程,即:P=f(v-1,t), 其中:v 为孔容,t 为煤温。 H ,V,T 但不明显 HP 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,可以大于、 等于或小于静水压。 存在: n-系数,通常取 n=1。 存在: (H1,P1)
18、 (H2,P2 (H,P H(m) P(MPa) gp-煤层瓦斯压力梯度,Mpa/m。 根据瓦斯压力梯度可以预测深部煤层瓦斯压力。 n HHPP)()( 1 212 12 12 HH PP gp = 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。 (2)沿走向 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
19、 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。 即: 实际上,只能“大体相同”,而且可能差别。 2、采动影响区煤层 f, Xf, P 发生变化,十分复杂,一般随深度增加瓦斯压力逐渐 增大。 二、煤层瓦斯压力测定 瓦斯压力测定:打钻、封孔、测压 1、主要设备及仪表 钻机、测定管、压力表。 2、测压步骤 11) (PHHgP p += 00) (PHHgP p += = 2 2 1 1 f X f X ff A)打钻 要求:测定地点无大裂隙,不位于破坏带,含水小。 一般由围岩向煤层
20、打穿层钻孔,钻孔直径 4575mm。 B)封孔 钻孔到位后,用压气清渣。 封孔方法分为: 固体材料封孔 一般采黄泥作为固体材料。 封孔材料:炮泥、水泥,木楔;封孔器。 木楔楔 导气管(1520m紫铜管或铁管) 水泥砂浆封孔 为了克服粘土封孔费工费时劳动强度较大的缺点,国内外不少矿井采用以压 缩空气为动力,将水泥砂浆压入钻孔的封孔工艺。 适用条件:封孔倾角超过 45、深度大于 15m 的钻孔。 水泥沙浆配比: 500 号水泥: 砂石: 水: 铝粉 (或石膏) : : 10.5: 0.0008 5m 0.4m 0.2m 水泥水泥 固体材料 挡盘挡盘 导气孔导气孔 测压室测压室 固体材料封孔测定瓦斯
21、压力示意图固体材料封孔测定瓦斯压力示意图 3m 测压管测压管 检查管检查管 注浆管注浆管 胶圈粘液封孔测定瓦斯压力 原理:用膨胀着的胶圈封高压粘液,再由高压粘液封高压瓦斯,由压力表测 定瓦斯压力。 测压管测压管 胶圈胶圈 注粘液注粘液 3、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。 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
22、。 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 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%。 P或t升高 P或t降低 游离状态瓦 斯 游离状态瓦斯游离状态瓦斯游离状态瓦斯游离状态瓦斯 吸附状态瓦斯吸附状态瓦斯吸附状态瓦斯吸附状态瓦斯 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: t=0时,P2.0MPa t=5时,P4.8MPa t=10时,P8.0MPa 对 C2H6: t=0时,P0.6MPa t=
23、5时,P1.3MPa t=10时,P2.5MPa 对 C3H8: t=0时,P0.1MPa t=2.5时,P0.3MPa 乙烷和丙烷生乙烷和丙烷生 成成 水化物的条件水化物的条件 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、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: OnHmCH 24 T PV T VP = 0 00 TP VPT VX g 0 0 0) ( = 11 . 0 00 =TTMPaP 则: 式中:P-煤层瓦斯压力,Mpa; V-煤的孔
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