1、第九章 礦井瓦斯,本章主要內容 1、瓦斯概念 2、煤層瓦斯賦存與含量 3、礦井瓦斯涌出 4、瓦斯噴出與突出 5、瓦斯爆炸與預防 6、瓦斯抽放,第九章礦井瓦斯,第一節(jié) 概述 礦井瓦斯是煤礦生產過程中，從煤、巖內涌出的各種氣體的總稱。煤礦術語中的瓦斯指的就是甲烷。 物理化學性質。無色、無味、無毒、比空氣輕，微溶于水。 危害：爆炸，突出，人員窒息、環(huán)境污染。 作用：能源、化工原料。 第二節(jié) 煤層瓦斯賦存與含量 一、瓦斯的成因與賦存 （一）礦井瓦斯的生成 煤層瓦斯是腐植型有機物（植物）在成煤過程中生成的。 成氣過程兩個階段一是生物化學成氣時期；二是煤化變質作用時期。,（二）瓦斯在煤體內存在的狀態(tài) 煤體

2、是一種復雜的多孔性固體，包括原生孔隙和運動形成的大量孔隙和裂隙，形成了很大的自由空間和孔隙表面。 煤層中 瓦斯賦存兩種狀態(tài)： 游離狀態(tài) 吸附狀態(tài) 吸著狀態(tài) 吸收狀態(tài),二、煤層中瓦斯垂直分帶 形成原因：當煤層直達地表或直接為透氣性較好的第四系沖積層覆蓋時，由于煤層中瓦斯向上運移和地面空氣向煤層中滲透，使煤層內的瓦斯呈現出垂直分帶特征。 四帶： CO2- N2帶、N2帶、N2CH4帶、CH4帶。,瓦斯風化帶下界深度確定依據：可以根據下列指標中的任何一項確定。 （1）煤層的相對瓦斯涌出量等于23m3/t處； （2）煤層內的瓦斯組分中甲烷及重烴濃度總和達到80%（體積比）； （3）煤層內的瓦斯壓力為0

3、.10.15MPa； （4）煤的瓦斯含量達到下列數值處：長焰煤1.01.5 m3/t（C.M.），氣煤1.52.0m3/t（C.M.），肥煤與焦煤2.02.5m3/t(C.M)，瘦煤2.53.0m3/t(C.M.)，貧煤3.04.0m3/t(C.M.)，無煙煤5.07.0m3/t(C.M.)（此處的C.M.是指煤中可燃質既固定碳和揮發(fā)分） 三 影響煤層瓦斯含量的因素 煤的瓦斯含量是指單位體積或重量的煤在自然狀態(tài)下所含有的瓦斯量（標準狀態(tài)下的瓦斯體積），單位為 m3/m3(cm3/cm3)或 m3/t(cm3/g)。 煤的瓦斯含量包括游離瓦斯和吸附瓦斯含量之和。,主要影響因素： 1、煤的吸附特性

4、 煤的吸附性能決定于煤化程度， 一般情況下煤的煤化程度越高，存儲瓦斯的能力越強。 2、.煤層露頭 3、煤層的埋藏深度 -深，瓦斯大 4、圍巖透氣性、泥巖、完整石灰?guī)r低透氣性 5、煤層傾角-大，瓦斯小，小，瓦斯大 6、地質構造-封閉地質，瓦斯大，開放的，瓦斯小 7、水文地質條件-水流，帶走瓦斯 四、煤層內的瓦斯壓力 瓦斯流動動力高低以及瓦斯動力現象的基本參數。 瓦斯壓力測定：打鉆、封孔、測壓,瓦斯帶內瓦斯壓力變化規(guī)律： 末受采動影響的煤層內的瓦斯壓力，隨深度的增加而有規(guī)律地增加，可以大于、等于或小于靜水壓。 瓦斯壓力梯度： 或 式中 P預測的甲烷帶內深H(m)處的瓦斯壓力，MPa gp瓦斯壓力梯

5、度，MPa/m P1，P2甲烷帶內深度為H1、H2(m)處的瓦斯壓力，MPa。 P0-甲烷帶上部邊界處瓦斯壓力，取0.2MPa 。 H0-甲烷帶上部邊界深度，m。,第三節(jié) 礦井瓦斯涌出 普通涌出 特殊涌出 一、瓦斯涌出量 1、含義：礦井建設或生產過程中從煤巖內涌出的瓦斯量 2、瓦斯涌出量表示方法 絕對瓦斯涌出量- 單位時間涌出的瓦斯體積，單位為m3/d或m3/min： 相對瓦斯涌出量-平均日產一噸煤同期所涌出的瓦斯量，單位是 m3/t 。 二、影響瓦斯涌出的因素 決定于自然因素和開采技術因素的綜合影響。 (一) 自然因素 1、煤層和圍巖的瓦斯含量， 2、地面大氣壓變化。,（二）開采技術因素 1

6、、開采規(guī)模產量與瓦斯涌出量的關系復雜 2、開采順序與回采方法 -先開采，大；回采率低，大；頂板管理 3、生產工藝-初期大，呈指數下降 4、風量變化-單一煤層，隨風量減而增，煤層群 5、采區(qū)通風系統 6、采空區(qū)的密閉質量 三、礦井瓦斯涌出來源的分析與分源治理 按劃分目的的不同，對礦井瓦斯來源有三種劃分方式： .按水平、翼、采區(qū)來進行劃分，作為風量分配的依據之一； .按掘進區(qū)、回采區(qū)和已采區(qū)來劃分，它是日常治理瓦斯工作的基礎； .按開采區(qū)、臨近區(qū)劃分，它是采煤工作面治理瓦斯工作的基礎,四、瓦斯涌出不均系數 正常生產過程中，礦井絕對瓦斯涌出量受各種因素的影響其數值是經常變化的，但在一段時間內只在一個

7、平均值上下波動，峰值與平均值的比值稱為瓦斯涌出不均系數。 礦井瓦斯涌出不均系數表示為： kg=Qmax/Qa 式中：kg給定時間內瓦斯涌出不均系數； Qmax該時間內的最大瓦斯涌出量，m3/min； Qa該時間內的平均瓦斯涌出量，m3/min； 方法：確定區(qū)域，進回風量、瓦斯?jié)舛?五、礦井瓦斯等級 1.礦井瓦斯等級劃分 依據：按照平均日產一噸煤涌出瓦斯量（相對瓦斯涌出量）和瓦斯涌出形式，劃分為： 低瓦斯礦井：10m3及其以下；高瓦斯礦井：10m3以上； 煤與瓦斯突出礦井。,2、礦井瓦斯等級鑒定 （1）鑒定時間和基本條件 礦井瓦斯等級的鑒定工作應在正常生產的條件下進行。 （2）測點選擇和測定內容

8、及要求。 （3）礦井瓦斯等級的確定。 六、礦井瓦斯涌出量預測 瓦斯涌出量的預測：指根據某些已知相關數據，按照一定的方法和規(guī)律，預先估算出礦井或局部區(qū)域瓦斯涌出量的工作。 瓦斯涌出量的預測的方法： （1）統計法 A、 瓦斯涌出量梯度：深度與相對涌出量的比值 B、 物理含義 C、計算 （2）計算法: 以煤層瓦斯含量為基礎進行計算。,第四節(jié) 瓦斯噴出 瓦斯噴出：大量承壓狀態(tài)的瓦斯從煤、巖裂縫中快速噴出的現象。 一、瓦斯噴出的分類 根據噴瓦斯裂縫呈現原因的不同，可把瓦斯噴出分成： 地質來源形成的和采掘卸壓形成的兩大類。 二、瓦斯噴出的預防 預防瓦斯噴出，首先要加強地質工作，查清楚施工地區(qū)的地質構造、斷

9、層、溶洞的位置、裂隙的位置和走向、以及瓦斯儲量和壓力等情況，采取相應的預防或處理措施。分為： 1、當瓦斯噴出量和壓力不大時，黃泥或水泥沙漿等充填材料堵塞噴出口； 2、當瓦斯噴出量和壓力較大時，可能的噴出地點附近打前探鉆孔，探測、排放。,前探鉆孔的要求： (1)10 m外，打鉆75mm，3個 (2)邊掘邊打超前鉆，超前5 m，不少3個孔； (3)裂隙、溶洞、破壞帶打超前鉆,75mm,2個，超5m,第五節(jié) 煤與瓦斯突出及其預防 一、概述 含義：在極短時間內，從煤巖內以極快速度向采掘空間涌出煤巖和瓦斯。 危害： 二、突出的機理 突出的機理是關于解釋突出的原因和過程的理論。突出是十分復雜的自然現象，它

10、的機理還沒有統一的見解，假說很多。多數人認為，突出是地壓、瓦斯、煤的力學性質和重力綜合作用的結果。 三、突出的一般規(guī)律 1、突出多發(fā)生在一定的采深以后； 2、突出多發(fā)生在地質構造帶、應力集中區(qū)； 3、突出的強度和次數，與煤層厚度、傾角、硬度、透氣性等有關； 4、突出與瓦斯關系，瓦斯壓力小含量低，可能發(fā)生突出。 4、突出大多發(fā)生在落煤、放炮工序 5、突出前有預兆,四、預防煤與瓦斯突出的主要技術措施 防突措施分類： 區(qū)域性防突措施：實施以后可使較大范圍煤層消除突出危險性的措施，稱為區(qū)域性防突措施； 局部防突措施：實施以后可使局部區(qū)域(如掘進工作面)消除突出危險性的措施稱為局部防突措施。 (一)、區(qū)

11、域性防突措施 區(qū)域性防突措施主要有開采保護層和預抽煤層瓦斯兩種。 1、開采保護層 保護層：在突出礦井中，預先開采的、并能使其它相鄰的有突出危險的煤層受到采動影響而減少或喪失突出危險的煤層稱為保護層。 被保護層：后開采的煤層稱為被保護層。保護層位于被保護層上方的叫上保護層，位于下方的叫下保護層。 1)、開采保護層的作用(1)地壓減少，彈性潛能緩慢釋放； (2)煤層膨脹變形，形成裂隙與孔道，透氣性增加； (3)煤層瓦斯涌出后，煤的強度增加,2).保護范圍 保護范圍：指保護層開采后，在空間和時間上使危險層喪失突出危險的有效范圍。 （1）垂直保護距離 保護層與被保護層間的有效垂距:上：急60m,緩：5

12、0m 下：急80m，緩：100m 沿傾斜的保護范圍 確定沿傾向的保護范圍就是沿傾向劃定被保護層的上、下邊界(以冒落角)。 沿走向的保護范圍。 超前距一般不得小于兩個 煤層之間垂直距離的兩倍， 至少不小于30m。 (4) 煤柱的影響,(二) 局部防突措施 1、松動爆破 作用機理： 2、鉆孔排放瓦斯3.54.5孔/m2 作用機理： 3、水力沖孔-在煤巖柱保護下，高壓水 作用機理： 4、超前鉆孔 作用機理： 5、金屬骨架 作用機理： 6、超前支架 作用機理： 7、卸壓槽,8、震動放炮 1）、巖柱厚度1.5m 2）、炮眼數和炮眼布置，單列三組楔形掏槽 3）、裝藥量：f=34,45kg/m3, f=68

13、,57kg/m3 4）、注意事項 (1)撤人；(2)斷電，(3)30min檢查；(4)防止擴大(矸石堆和反向風門),五、突出的預測 突出危險性預測是防治煤與瓦斯突出綜合措施的第一步。突出危險性預測包括區(qū)域性預測和工作面預測。 (一)、預測指標 1、煤的瓦斯放散指數P： 一般情況下，P1525時有突出危險。 2、煤的堅固系數f ： 當f0.60.8時有突出危險；f1.2時，無突出危險。 3、軟煤比 軟煤分層厚度與煤層總厚度之比稱軟煤比，亦稱揉皺系數。該值越高，煤層越不穩(wěn)定，突出可能性越大。 4、鉆孔瓦斯涌出量和鉆渣量 這是一種可以在掘進工作面即時預測有無突出危險的方法，它綜合反映了工作面前方煤體

14、滲透性、破壞程度、瓦斯涌出速度和巖層應力狀態(tài)。 （二）、突出預兆 1、煤層結構和構造 2、地壓增大 3、瓦斯及其它,第六節(jié) 爆炸及其預防 一、瓦斯爆炸過程及其危害 .瓦斯爆炸的化學反應過程 瓦斯爆炸 最終的化學反應式為：CH4+2O2=CO2+2H2O 如果O2不足，反應的最終式為：CH4+O2=CO+H2+H2O 礦井瓦斯爆炸是一種熱鏈反應過程(也稱連鎖反應)。 .瓦斯爆炸的產生與傳播過程 爆炸性的混合氣體與高溫火源同時存在， 初燃(初爆) 焰面 沖擊波 新的爆炸混合物 、瓦斯爆炸的危害 高溫-21502650；高壓-幾20at，有害氣體CO，沖擊波,二 瓦斯爆炸的主要參數 1 瓦斯的爆炸濃

15、度 在正常的大氣環(huán)境中，瓦斯只在一定的濃度范圍內爆炸，這個濃度范圍稱瓦斯的爆炸界限，其最低濃度界限叫爆炸下限，其最高濃度界限叫爆炸上限，瓦斯在空氣中的爆炸下限為56，上限為1416。 瓦斯爆炸界限不是 固定不變的，它受到 許多因素的影響， 其中重要的有： （1） 氧的濃度,（2）其它可燃氣體 混合氣體中有兩種以上可燃氣體同時存在時，其爆炸界限決定于各可燃氣體的爆炸界限和它們的濃度。可由公式求出： N多種可燃氣體同時存在時的混合氣體爆炸上限或下限， ； C1、C2、C3.Cn分別為各可燃氣體占可燃氣體總的體積百分比，； C1+ C2+ C3+.Cn =100 N1、N2、N3.Nn分別為各可燃氣

16、體的爆炸上限或下限， ； （3）煤塵 -本身具有爆炸，300400 揮發(fā) 氣體 （4）空氣壓力 -壓力大，分子接近，碰撞幾率增加范圍擴大 （5）惰性氣體 可以降低瓦斯爆炸的危險性。,2 瓦斯的最低點燃溫度和最小點燃能量 瓦斯的最低點燃溫度和最小點燃能量決定于空氣中的瓦斯?jié)舛?，瓦?空氣混合氣體的最低點燃溫度，絕熱壓縮時565，其它情況時650。 最低點燃能量為0.28mJ。 3 瓦斯的引火延遲性 引火延遲性： 安全意義。 三 煤礦井下瓦斯爆炸事故原因分析 1、火源 井下的一切高溫熱源電氣、放炮、摩擦、靜電 2、發(fā)生地點 掘進工作面占80%90%，采煤工作面占10%20% 采煤工作面發(fā)生地點上隅

17、角，采煤機藥割附近 掘進面發(fā)生的原因：,四、預防瓦斯爆炸的措施 (一)防止瓦斯積聚 所謂瓦斯積聚是指瓦斯?jié)舛瘸^2，其體積超過0.5m3的現象。 1、搞好通風。 2、及時處理局部積存的瓦斯。 1）、采面上隅角瓦斯積聚處理； 2）、綜采面處理 3）、頂板附近層狀積聚處理； 4）、頂板冒落孔洞內積聚處理； 5）、恢復有大量瓦斯積存盲巷或打開封閉 .抽放瓦斯 4 .經常檢查瓦斯?jié)舛群屯L狀況,（二）、防止瓦斯引燃 防止瓦斯引燃的原則，是對一切非生產必需的熱源，要堅決禁絕。生產中可能發(fā)生的熱源，必須嚴加管理和控制，防止它的發(fā)生或限定其引燃瓦斯的能力。 (三)、防止瓦斯爆炸災害事故擴大的措施 萬一發(fā)生爆

18、炸，應使災害波及范圍局限在盡可能小的區(qū)域內，以減少損失。,第七節(jié) 瓦斯抽放,一、概述 規(guī)定： 當回采工作面瓦斯涌出量5m3/min； 掘進工作面瓦斯涌出量3m3/min，采用通風方法解決瓦斯問題不合理時，應該抽放瓦斯。 抽放瓦斯的方法： 按瓦斯的來源分三類；開采煤層、鄰近層、采空區(qū)抽放 按抽放的機理分為兩類；未卸壓和卸壓抽放 按匯集瓦斯的方法分為三類。鉆孔、巷道抽放、鉆孔與巷道綜合抽放 貫徹“先抽后采，監(jiān)測監(jiān)控，以風定產”十二字方針,二、開采煤層的瓦斯抽放 開采煤層的瓦斯抽放，是在煤層開采之前或采掘的同時，用鉆孔或巷道進行該煤層的抽放工作。 1、未卸壓的鉆孔抽放 本法適用于透氣數較大的開采煤層

19、預抽的瓦斯。 按鉆孔與煤層的關系分為穿層鉆孔和沿層鉆孔；按鉆孔角度分為上向孔、下向孔和水平孔。我國多采用穿層上向鉆孔。 鉆孔參數： 鉆孔方向 我國多為上向孔； 孔間距 3050m 抽放負壓 孔口負壓不超過14kPa 鉆孔直徑 70100mm 2、卸壓的鉆孔抽放,2、卸壓的鉆孔抽放,1）、隨掘隨抽 2）、隨采隨抽 頂板走向鉆孔， 頂板巷道,3、人工增加煤層透氣系數的措施 1）、水力壓裂； 2）、水力割縫； 3）、深孔爆破 4）、酸性處理； 5）、交叉鉆孔。,三、鄰近層的瓦斯抽放 鄰近層含義 為什么鄰近層抽放總能抽出瓦斯呢？ 煤層開采后，在其頂板形成三個受采動影響的地帶：冒落帶、裂隙帶和變形帶，在

20、其底板則形成卸壓帶。增大。注意問題 參數：鉆場位置；鉆場或鉆孔的間距；鉆孔角度；鉆孔進入的層位；孔徑和抽放負壓,四、采空區(qū)抽放 采空區(qū)瓦斯抽放可分為全封閉式抽放和半封閉式抽放兩類。全封閉式抽放又可分為密閉式抽放、鉆孔式抽放和鉆孔與密閉相結合的綜合抽放等方式。半封閉式抽放是在采空區(qū)上部開掘一條專用瓦斯抽放巷道(如雞西礦務局城子河煤礦)，在該巷道中布置鉆場向下部采空區(qū)打鉆，同時封閉采空區(qū)入口，以抽放下部各區(qū)段采空區(qū)中從鄰近層涌入的瓦斯。抽放的采空區(qū)可以是一個采煤工作面(如松藻礦務局打通二礦)，或一兩個采區(qū)的局部范圍(如天府礦務局磨心坡煤礦)，也可以是一個水平結束后的大范圍抽放(如中梁山礦務局)。

21、五、圍巖瓦斯抽放 煤層圍巖裂隙和溶洞中存在的高壓瓦斯會對巖巷掘進構成瓦斯噴出或突出危險。為了施工安全，可超前向巖巷兩側或掘進工作面前方的溶洞裂隙帶打鉆，進行瓦斯抽放(如廣旺礦務局唐家河煤礦)。,六 、瓦斯抽放設備,抽放瓦斯的設備主要有鉆機、封孔裝置、管道、瓦斯泵、安全裝置和檢測儀表。 鉆機：根據鉆孔深度選擇，可用專用于打抽放鉆孔的鉆機（裝有排放瓦斯裝置），也可以用一般鉆機。鉆孔打好后，將孔口段直徑擴大到100120mm，插入直徑7080mm的鋼管。 封孔：用水泥砂漿封孔，也可以用膠圈封孔器或聚胺脂封孔。封口深度視孔口附近圍巖性質而定，圍巖堅固時23m，圍巖松軟時67m，甚至10m左右。 其它：

22、封孔后，必須在抽放前用彎管、自動放水器、流量計、鎧裝軟管(或抗靜電塑料軟管)、閘門等將鉆孔與抽放管路連接起來。,1、抽放瓦斯的管道 一般用鋼管或鑄鐵管。管道直徑是決定抽放投資和抽放效果的重要因素之一。管道直徑D（m）應根據預計的抽出量，用下式計算： D =(4Qc)/(60v)1/2 (9-7-1) 式中; Qc - 管內氣體流量，m3/min; v - 管內氣體流速，m/s; 管內瓦斯流速 V:5m/sV20m/s，一般取V=1015m/s。這樣才能使選擇的管徑有足夠的通過能力和較低的阻力。 大多數礦井抽放瓦斯的管道內徑為： 采區(qū)的100mm150mm， 大巷的150mm300mm， 井筒和

23、地面的200mm400mm。,管道阻力計算：管道鋪設路線選定后，進行管道總阻力的計算，用來選擇瓦斯泵。管道阻力計算方法和通風設計時計算礦井總阻力一樣，即選擇阻力最大的一路管道，分別計算各段的摩擦阻力和局部阻力，累加起來即為整個系統的總阻力。 摩擦阻力hf (Pa)可用下式計算: hf=(1-0.00446C)LQc2/kD5 式中 L-管道的長度， m; D-管徑 cm; k-系數 見表(9-7-3) Qc-管內混合氣體的流量), m3/h；C-混合氣體中的瓦斯?jié)舛取?表 9-7-3 管徑cm3.2 4.0 5.0 7.0 8.0 10.0 12.5 15.0 15.0 k 0.05 0.051 0.053 0.056 0.058 0.063 0.068 0.071 0.072 局部阻力一般不進行個別計算，而是以管道總摩擦阻力的1020作為局部阻力。 管道的總阻力hR-為:,2、瓦斯泵 常用的瓦斯泵有，水環(huán)式真空泵、離心式鼓風機和回轉式鼓風機。 水環(huán)式真空泵的特點是真空度高、負壓大、流量小、安全性好(工作室內充滿介質，不會發(fā)生瓦斯爆炸)。適用于抽出量不大，要求抽放負壓高礦井。 離心式鼓風機適用于瓦斯抽出量大（201200m3/min），管道阻力