矿井瓦斯防治.ppt

第八章 矿井瓦斯防治,第一节 概述 第二节 瓦斯的赋存与含量 第三节 矿井瓦斯涌出量与矿井瓦斯等级划分 第四节煤（岩）与瓦斯突出 第五节 瓦斯爆炸及防治 第六节 瓦斯抽放,第一节 概述,一、矿井瓦斯的概念 瓦斯是指在煤矿生产过程中，从煤和围岩中释放出来的一种多成分的混合气体。主要成分为甲烷，无色无味无臭无毒的气体，但有时可以闻到类似苹果的香味，这是由于芳香族的碳氢气体同瓦斯同时涌出的缘故。,瓦斯难溶于水，相对密度为0.554，扩散性很强，是空气的1.6倍。,二、瓦斯的生成,煤层瓦斯是腐殖型有机物在成煤的过程中生成的。煤的原始母质腐殖质沉积以后，一般经历2个成气阶段：,植物,泥炭,褐煤,烟煤,无烟煤,泥炭化成气时期,变质作用成气时期,（一）泥炭化作用阶段瓦斯的生成,泥炭化作用阶段是从成煤原始有机物堆积在沼泽环境中开始的。在温度不超过65条件下，成煤原始物质经厌氧微生物分解成瓦斯。 在这个阶段，成煤物质生成的泥炭层埋深浅，上覆盖层的胶结固化不好，生成的瓦斯通过渗透和扩散到大气中去，因此泥炭化作用阶段生成的瓦斯一般不会大量保留在现有煤层内。,（二）煤化作用阶段瓦斯的生成,褐煤层进一步沉降，压力和温度作用加剧，便进入煤化变质作用造气阶段。在100摄氏度高温及相应的地层压力作用下，煤体会产生强烈的热力变质成气作用。煤化变质作用阶段，有机质分解生成大量的以甲烷为主要成分的气体。从褐煤到无烟煤，煤的变质程度越高，生成的瓦斯量也越多。,三、瓦斯的害与利,（一）瓦斯的危害 1、瓦斯具有窒息性。 2、瓦斯能燃烧和爆炸。 3、当某些地区煤（岩）体内的瓦斯含量较大时，瓦斯会因采掘活动的影响而以突然的猛烈的形式被释放出来。 4、环境污染方面,（二）瓦斯的利用,1、民用燃气 2、发电 3、化工原料 4、低浓度瓦斯的提纯,第二节 瓦斯的赋存与含量,一、瓦斯的赋存状态 1、被吸附于煤的孔隙、裂隙内表面上的气体，即吸附气； 2、以游离状态存在于煤的孔（裂）隙中，即游离气； 3、溶解于煤层水中的气体，即溶解气。,二、煤层中瓦斯垂直分带,三、 影响瓦斯含量的地质因素,1、煤的变质程度 2、煤层露头 3、煤层的埋藏深度 4、围岩透气性 5、煤层倾角 6、地质构造 7、水文地质条件,四、中国煤层瓦斯分布简要特征,华北地区东部由于受印支期太平洋板块俯冲而隆起，缺失三叠纪地层，使得二叠纪煤系地层瓦斯保存条件变差。 华南地区长期受太平洋板块挤压，煤层不稳定，构造煤发育，80%以上为高瓦斯矿井。 西北地区由于受南北挤压，盆地大面积抬升，煤层距地表浅，并受到风化剥蚀作用，80%以上的矿井是低瓦斯矿井。 东北地区沉积于大兴安岭东侧的侏罗纪煤层以褐煤为主，并遭受风化剥蚀，90%以上为低瓦斯矿井；沉积于松辽盆地的晚侏罗纪-早白垩纪煤层，受岩浆岩活动影响，煤化程度高，透气性差，多为高瓦斯矿井。 我国瓦斯分布的总体规律是，南方瓦斯大，北方瓦斯较小。,第三节 矿井瓦斯涌出量与矿井瓦斯等级划分,一、矿井瓦斯涌出量 瓦斯涌出量是指在矿井建设和生产过程中从煤与岩石内涌出的瓦斯量，对应于整个矿井的叫矿井瓦斯涌出量，对应于翼、采区或工作面，叫翼、采区或工作面的瓦斯涌出量。瓦斯涌出量表示方法有两种： 绝对瓦斯涌出量（absolute gas emission rate）矿井在单位时间内涌出的瓦斯量。单位为m3/d或m3/min； 相对瓦斯涌出量（relative gas emission rate）正常情况下，平均每生产1吨煤所涌出的瓦斯量（m3/t）。,（二）煤层瓦斯涌出形式,瓦斯涌出形式指瓦斯涌出在时间和空间上的分布形式，可以分为普通（一般）涌出和特殊（异常）涌出。 普通涌出是在时间和空间上比较均匀、普遍发生的不间断涌出，它决定了煤矿的瓦斯平衡和风量分配； 特殊瓦斯涌出是在时间和空间上突然、集中发生，涌出量很不均匀的间断涌出，后者包括瓦斯喷出和煤（岩）与瓦斯突出。,（三）影响瓦斯涌出的因素,瓦斯涌出量决定于自然因素和开采技术因素的综合影响。,1、自然因素,（1）煤层的瓦斯含量是影响瓦斯涌出量的决定因素。 （2）在瓦斯带内开采的矿井，随着开采深度的增加，相对瓦斯涌出量增高。 （3）地面大气压变化时引起井下大气压的相应变化，它对采空区（包括采煤工作面后部采空区和封闭不严的老空区）或坍冒处瓦斯涌出的影响比较显著。,2、开采技术因素,（1）开采强度和产量 矿井的绝对瓦斯涌出量与开采速度或矿井产量成正比，而相对瓦斯涌出量变化较小。当回采速度较高时，相对瓦斯涌出量中开采煤层涌出的量和邻近煤层涌出的量反而相对减少，使得相对瓦斯涌出量降低。 （2）开采顺序和回采方法 厚煤层分层开采或开采煤层群时，首先开采的煤层瓦斯涌出量较大，除本煤层或本分层瓦斯涌出外，邻近层或未开采分层的瓦斯也要通过开采产生的裂隙与孔洞渗透出来，增大瓦斯涌出量，其他层开采时，瓦斯涌出量大大减少。 （3）风量的变化 风量发生变化时，瓦斯涌出量和风流中的瓦斯浓度由原来的稳定状态，逐渐过渡为另一稳定状态。风量发生变化时，漏风量和漏风中的瓦斯浓度也会随之变化。井巷的瓦斯涌出量和风流中的瓦斯浓度，在短时间内就会发生异常的变化,2、开采技术因素,（4）生产工艺 瓦斯从煤体暴露而涌出的特点是初期瓦斯涌出强度大，然后按指数函数逐渐衰减，所以采煤工作面破煤时瓦斯涌出量总是大于其他工序。 （5）通风压力 矿井通风压力的变化对瓦斯涌出量的影响与大气压力影响相似。抽出式通风负压减小时，工作面风压升高，采空区瓦斯涌出量减少；压入式通风负压减低时，采空区瓦斯涌出量增大。 （6）采空区密闭质量 采空区内往往积存着大量高浓度的瓦斯（可达6070%），如果封闭的密闭墙质量不好，或进、回风侧的通风压差较大，就会造成采空区大量漏风，使矿井的瓦斯涌出增大 （7）采区通风系统】 采区通风系统对采空区内和回风流中的瓦斯浓度分布有重要影响。,二、矿井瓦斯等级鉴定,（1）低瓦斯矿井：相对瓦斯涌出量在10 m3/t以下或绝对瓦斯涌出量40 m3/min以下。 （2）高瓦斯矿井：相对瓦斯涌出量在10 m3/t以上或绝对瓦斯涌出量40 m3/min以上。 （3）煤（岩）与瓦斯突出矿井：在采掘过程中，有一个煤层或岩层发生过一次煤（岩）与瓦斯突出的矿井，被定为煤(岩)瓦斯突出矿井，简称突出矿井；发生一次瓦斯突出的煤层定为突出煤层。煤矿必需按突出矿井的安全规程进行生产管理。,第四节煤（岩）与瓦斯突出,一、煤（岩）与瓦斯突出的概念 在地应力和瓦斯的共同作用下，破碎的煤、岩和瓦斯由煤体或岩体内突然向采掘空间抛出的异常的动力现象，称为煤（岩）与瓦斯突出（coal (rock) and gas outburst），简称“突出”。抛出的煤岩从几吨到上万吨，瓦斯从几百到上百万立方米，并可能诱发瓦斯爆炸，产生更大的灾难。,二、煤（岩）与瓦斯突出的预兆,1、地压显现方面的预兆有：煤炮声（在煤层内发出像机关枪、炮击声），支架声响（支柱来劲，发出咔咔的响声，或发出劈裂折断的响声），掉渣，岩煤开裂、底鼓、岩与煤自行剥落、煤壁外鼓、来压煤壁颤动、煤尘增大、气味异常、钻孔变形、垮孔顶钻、夹钻杆、钻粉量增大、钻机过负荷等等。 2、瓦斯涌出方面的预兆有：瓦斯浓度增大，瓦斯涌出忽大忽小，钻孔喷瓦斯，煤壁或者工作面温度降低，等等。 3、煤力学性能与结构方面的预兆有：层理紊乱，煤强度松软或软硬不均，煤暗淡无光泽，煤厚度变化大，倾角变陡，波状隆起，褶皱，断层等等。,三、煤（岩）与瓦斯突出的类型,（一）按突出的力学特征分类,压 出,倾 出,喷 出,（二）按突出动力现象的强度分类 小型突出 一次抛出煤（岩）量小于100吨； 中型突出 一次抛出煤（岩）量100500吨； 大型突出 一次抛出煤（岩）量5001000吨； 特大型突出一次抛出煤（岩）量大于1000吨。,（三）按突出危险程度划分 （1）无突出危险的煤层或区域：在突出矿井中，未发现过或不可能发生倾出、压出和突出的煤层或区域。 （2）疑突出危险的煤层或区域：在突出矿井中，怀疑有突出危险，需观察待定突出危险程度的煤层或区域。 （3）一般突出危险的煤层或区域：只发生倾出或压出类型，典型突出的次数不多，而且强度属于小型或预计属于小型，采煤1000t突出煤量在1t以下的煤层或区域。 （4）严重突出危险的煤层或区域：小型典型突出频繁，曾发生过中型以上突出，采煤1000t突出煤量在1t以上的煤层或区域。,（四）影响煤（岩）与瓦斯突出的因素,（1）煤层瓦斯含量和瓦斯压力的影响,（2）地应力的影响,（3）煤体结构破坏程度的影响,（五）煤与瓦斯突出的一般规律,1、突出与深度有关 2、突出与煤层厚度有关 3、突出与地质构造有关 4、突出与瓦斯量、瓦斯压力有关 5、突出与围岩厚度、性质有关 6、突出与煤层性质有关 7、突出与煤层倾角有关 8、突出与采掘形成的集中应力有关,四、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。,（一）区域性防突措施,1、开采保护层 2、预抽煤层瓦斯,（二）局部防突措施,1、松动爆破 2、钻孔排放瓦斯 3、水力冲孔 4、超前钻孔 5、金属骨架 6、超前支架 7、卸压槽 8、震动放炮,超 前 钻 孔,第五节 瓦斯爆炸及防治,瓦斯具有爆炸性，在适当的浓度和引火源的作用下会产生强烈的燃烧和爆炸。煤矿井下的瓦斯爆炸是最严重的事故，每年都因此造成的大量的人员伤亡和财产损失。,一、瓦斯爆炸的原理,瓦斯爆炸（gas explosion）是空气中的氧与甲烷进行的一种自加速反应，反应的同时放出大量的热，形成CO2和水蒸汽。,二、瓦斯爆炸的条件,（一）瓦斯的浓度 （二）氧气的浓度 （三）足够能量的点火源,三、引起瓦斯爆炸的点火源,1、明火火焰 2、炽热表面和炽热气体 3、机械摩擦及撞击火花 4、电火花,四、瓦斯爆炸主要危害,（一）爆炸冲击波 （二）火焰锋面 （三）大气成份的变化,五、预防煤矿爆炸事故的技术措施,从瓦斯、煤尘爆炸的基本条件出发，可以得出预防煤矿爆炸事故就是去除引发爆炸的基本条件，即瓦斯的积聚和点火源的出现。主要有以下几个方面：,（一）防止瓦斯积聚的技术措施,1、保证工作面的供风量,2、处理采煤工作面回风隅角的瓦斯积聚,3、掘进工作面局部瓦斯积聚的处理,4、刮板输送机底槽瓦斯积聚的处理,5、通风异常或瓦斯涌出异常时期应特别注意,（二）防止点火源的出现,1、加强管理，提高防火意识 2、防止放炮火源 3、防止电气火源和静电火源 4、防止摩擦和撞击点火 5、防止明火点燃 6、防止其它火源,（三）加强瓦斯的检查和监测,随时检查和监测煤矿井下的通风、瓦斯状况，是矿井安全管理的主要内容，它可以及时发现瓦斯超限和积聚，从而采取处理措施，使事故消除在萌芽状态。每个矿都必须建立井下瓦斯检查制度，设立相应的瓦斯检查和通风管理机构，配备相应的瓦斯检查仪器仪表，以监测监控井下的瓦斯。低瓦斯矿井每班至少检查瓦斯2次，高瓦斯矿井至少检查3次。 高瓦斯矿井、煤（岩）与瓦斯突出矿井、有高瓦斯区的低瓦斯矿井必须装备矿井安全监控系统。,第六节 瓦斯抽放,一、瓦斯抽放 为了减少和解除矿井瓦斯对煤矿安全生产的威胁，利用机械设备和专用管道造成的负压，将煤（岩）层中赋存或释放的瓦斯抽出来，输送到地面或其他安全地点的做法，叫做瓦斯抽放（gas drainage）。,1、瓦斯抽放的目的,（1）预防瓦斯超限、确保矿井安全。 （2）开采保护层并具有抽放瓦斯系统的矿井，应抽放被保护层的卸压瓦斯。 （3）无保护层可采的矿井，预抽瓦斯可作为区域性或局部防突措施来使用； （4）开发利用瓦斯资源，变害为利。,2、抽放瓦斯的条件,（1）一个采煤工作面的瓦斯涌出量大于5m3/min或一个掘进工作面的瓦斯涌出量大于3m3/min，用通风方法解决瓦斯问题不合理的。 （2）矿井的绝对瓦斯涌出量达到以下条件的： 大于或等于40m3/min； 年产量1.01.5Mt的矿井，大于30 m3/min； 年产量0.61.0Mt的矿井，大于25 m3/min； 年产量0.40.6Mt的矿井，大于20 m3/min； 年产量小于或等于0.4Mt的矿井，大于15 m3/min； （3）开采保护层时应考虑抽放被保护层瓦斯。 （4）开采有煤与瓦斯突出危险煤层的。,二、瓦斯抽放的基本方法,（一）本煤层瓦斯抽放 本煤层瓦斯抽放就是在煤层开采之前或采掘的同时，用钻孔或巷道进行该煤层的抽放工作。如抚顺煤矿在煤巷掘进前，从底板岩石巷道打钻穿透煤层，钻孔中插入钢管并将孔口周围密封，瓦斯从插管中抽出。,（二）邻近煤层中瓦斯抽放,开采煤层群时，回采煤层的顶、底板围岩将发生冒落、移动和卸压，透气性系数增加。回采煤层附近的煤层中的瓦斯，就能向回采煤层的采空区转移。能向开采煤层采空区涌出瓦斯的煤层，就叫做邻近层。邻近层瓦斯抽放即是在有瓦斯赋存的邻近层内预先开凿抽放瓦斯的巷道，或预先从开采煤层或围岩大巷内向邻近层打钻，将邻近层内涌出的瓦斯抽出。邻近层瓦斯抽放按邻近层的位置分为上邻近层（或顶板邻近层）抽放和下邻近层（或底板邻近层）抽放；,（三）采空区瓦斯抽放,开采厚煤层或邻近层处于冒落带（含瓦斯邻近层距开采层距离小于10倍采高）时，其中大量的瓦斯会直接进入采空区。当回采工作面的采空区或老空区积存大量瓦斯时，往往被漏风带入生产巷道或工作面，造成瓦斯超限而影响生产，因而应对采空区的瓦斯进行抽放。对采空区的瓦斯进行抽放的方法，叫做采空区抽放。按采空区瓦斯抽放方式分为钻孔抽放法和巷道抽放法。,三、瓦斯抽放系统的构成,1、抽放瓦斯的管道 2、瓦斯泵 3、抽放瓦斯参数监测仪,