1、礦井瓦斯防治技術(shù),Gas 滲透性-流態(tài)、流出形式、涌出量； 力學(xué)特性-強度、彈性、脆性。,一、孔隙分類 為了研究瓦斯在煤層中的賦存與流動，將煤中孔隙分類如下： 煤中的微孔 80%,二、表示孔隙特性的參數(shù) 1、孔隙率（f） - 單位體積固體具有的孔隙容積。 表示式： f -孔隙率，%； V-固體（含孔隙）的體積，cm； V0-實體（不含孔隙）的體積，cm。 假設(shè) M-固體質(zhì)量，g; -固體假密度，g/cm3; o-固體真密度，g/cm3; 則有：,通過實驗確定?；蚶媒?jīng)驗公式計算。 當(dāng) 2、孔容（比孔容）-f -單位質(zhì)量固體具有的孔隙容積。 表示式： 同上，可推得： 所以：,cm3/g,3、比表

2、面 -固體單位質(zhì)量或單位體積具有的孔隙總表面積。 4、孔隙結(jié)構(gòu) -各類孔隙在總孔隙中所占百分比。 微孔所占比例大，且比表面積也大。,三、煤、巖孔隙的基本特點 1、各類煤巖的孔隙率差別很大，不同的煤需具體測定。,我國一些礦井煤的孔隙率,2、煤的孔隙率與碳化程度的關(guān)系,長焰煤開始 Vr f 到焦瘦煤達(dá)到最小 ； 而后 Vr f 到無煙煤達(dá)到最大。 但微孔，則 Vr 而始終,3、煤的孔隙率與煤的破壞程度的關(guān)系 （1）未受構(gòu)造應(yīng)力破壞的煤 微孔達(dá) 80% 90%，大孔很少，無外生裂隙。煤層瓦斯含量大，但瓦斯涌出量不大，涌出速度慢，涌出時間長。 （2）破壞型煤 各種孔均存在，隨著煤的破壞程度增大而增加。

3、游離瓦斯含量高，易涌出，衰減快，可能發(fā)生突出。 （3）構(gòu)造煤 在地應(yīng)力作用下，煤破碎成0.1mm的煤粒，再被壓成煤磚狀。 各類孔均存在，瓦斯含量高，卸壓后，f ，瓦斯涌出量 ，易突出。,4、孔隙率與外加壓力（地應(yīng)力）關(guān)系 式中：f-受壓狀態(tài)下的孔隙率； f0-未受壓狀態(tài)孔隙率； -壓應(yīng)力； -壓縮系數(shù)。 一般地，微孔不壓縮。Exp: 17MPa時，f 減少20%，因為微孔不變，大中孔減少4050% 備注：（1）H f （2）卸壓后（受采動影響） f （3）對煤的吸附性影響很小。,1.5 煤的吸附特性 一、概述 1、吸附現(xiàn)象 -氣體分子與固體表面分子間相互作用，氣體分子暫時停留在固體表面上的現(xiàn)象

4、。 吸附劑-能吸附其它物質(zhì)的介質(zhì)，如：煤； 吸附質(zhì)-被吸附的物質(zhì)，如CH4 。 2、吸附分類 根據(jù)吸附方式分： 表面吸附（吸著）-在吸附劑表面吸附一層或多層吸附質(zhì)分子。 容積吸附（吸收）-吸附質(zhì)分子緊密地充滿于吸附劑的微小孔隙內(nèi)，類似于溶質(zhì)溶解于溶劑中。, 根據(jù)吸附作用力分： A）物理吸附 特點：、作用力為范德華力，作用距離極?。?/r7）,僅限于界面附近； 、可逆的-不穩(wěn)定的動平衡。 、吸附是一種放熱反應(yīng)，解吸，吸熱。 如：煤-CH4，吸附熱：0.51.2 Kj/mol B）化學(xué)吸附 作用力為離子鍵，不可逆。,二、吸附線和吸附方程 吸附量決定于： 吸附質(zhì)性質(zhì)（不同氣體）； 吸附劑性質(zhì)； 吸附

5、溫度； 吸附壓力。 1、吸附線 - 吸附劑和吸附質(zhì)，在一定溫度（t）或一定壓力(P)下，吸附量與 P 或 t 之間的關(guān)系曲線。,t=const,等溫吸附線,t,X,P=const,等壓吸附線,2、吸附方程 A）Langmuir方程（1916年） 理論計算式： 式中：X-給定溫度下的吸附量，m3/t； a-吸附常數(shù)，極限吸附量，m3/t； b-吸附常數(shù)，MPa-1; P-吸附平衡時的氣體壓力，Mpa。 a、b通過實驗室測定得出。 實際算式： 其中：,B) 弗洛德里希方程（1906） 式中：k、n-系數(shù)； P-氣體壓力。 C）都必林方程 式中：a0-極限吸附瓦斯量，cm/g； E-吸附能，j/mo

6、l； P0-極限吸附時的氣體壓力,Mpa； P-吸附壓力,Mpa； T-吸附溫度； n-吸附結(jié)構(gòu)系數(shù)。,三、影響煤與瓦斯吸附量的主要因素 1、瓦斯壓力 t=const , P X 2、溫度 P = const t X 溫度每升高1，吸附瓦斯的能力降低約8%。 3、瓦斯的性質(zhì) 對于特定的煤，在t、P一定時， CO2的吸附量 CH4的吸附量 N2的吸附量 4、煤的變質(zhì)程度 變質(zhì)程度反映了煤的表面積與化學(xué)組成。 變質(zhì)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。 艾琴格爾經(jīng)驗式： 式中：Xch-含有水份時瓦斯吸附量； Xg-不含有水份時瓦斯吸附量； W-水份含量。 6、煤中的

7、灰份（Ac） 灰份不吸附瓦斯，我國習(xí)慣于用可燃基作單位。,1.6 煤層瓦斯壓力 一、瓦斯壓力的含義 - 煤層孔隙或裂隙內(nèi)氣體分子自由運動撞擊所產(chǎn)生的作用力。 特點： 在某一點上各向大小相等，方向與孔隙壁面垂直。 煤層瓦斯壓力是決定煤層瓦斯含量、瓦斯流動動力高低以及瓦斯動力現(xiàn)象的基本參數(shù)。,二、煤層瓦斯壓力分布的一般規(guī)律 1、在未受采動影響煤層內(nèi) （1）沿深度(沿煤層傾向) 符合氣體狀態(tài)方程，即：P=f(v-1,t)， 其中：v為孔容，t為煤溫。 H ，V ， T 但不明顯 H P 未受采動影響的煤層內(nèi)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。,存在： n-系數(shù)，通常取

8、n=1。 存在： gp-煤層瓦斯壓力梯度，Mpa/m。 含義-單位深度增加煤層瓦斯壓力增加量。 gp 說明什么?,根據(jù)瓦斯壓力梯度可以預(yù)測深部煤層瓦斯壓力。 預(yù)測計算式： 式中： P預(yù)測的甲烷帶內(nèi)深H(m)處的瓦斯壓力，MPa gp瓦斯壓力梯度，MPa/m 特例： 式中：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。 舉例：某礦瓦斯風(fēng)化帶深度為100m，在200m處測得煤層瓦斯壓力為0.5MPa，預(yù)測300m處煤層瓦斯壓力。,（2）沿走向 在地質(zhì)條件相近的塊段內(nèi)，相同深度的同一煤層，具有大體相同的瓦斯壓力。 條件： A）孔隙、裂隙互相連通，形成一個統(tǒng)一的體系

9、； B）等量的瓦斯處于孔隙容積相同的不同體系內(nèi)。 C）不等量的瓦斯處于孔隙容積按同比例的不同體系內(nèi)。 即： 實際上，只能“大體相同”，而且可能差別。 2、采動影響區(qū)煤層 f , Xf , P發(fā)生變化，十分復(fù)雜，一般隨深度增加瓦斯壓力逐漸增大。,二、煤層瓦斯壓力測定 瓦斯壓力測定：打鉆、封孔、測壓 1、主要設(shè)備及儀表 鉆機、測定管、壓力表。 封孔材料：炮泥、水泥，木楔； 封孔器。 2、測壓步驟 A）打鉆 要求：測定地點無大裂隙，不位于破壞帶，含水小。 一般由圍巖向煤層打穿層鉆孔，鉆孔直徑 4575mm。 B）封孔 鉆孔到位后，用壓氣清渣。 封孔方法分為：,固體材料封孔 一般采黃泥作為固體材料。,

10、水泥砂漿封孔 為了克服粘土封孔費工費時勞動強度較大的缺點，國內(nèi)外不少礦井采用以壓縮空氣為動力，將水泥砂漿壓入鉆孔的封孔工藝。 適用條件：封孔傾角超過45、深度大于15m的鉆孔。 水泥沙漿配比：500號水泥：砂石：水：鋁粉（或石膏）：1 0.5：0.0008,膠圈粘液封孔測定瓦斯壓力 原理：用膨脹著的膠圈封高壓粘液，再由高壓粘液封高壓瓦斯，由壓力表測定瓦斯壓力。,3、注意事項 （1）測壓空間盡可能??； （2）鉆孔打完后，立即封孔，尤其是低透氣性煤層； （3）防止漏氣； （4）足夠長的觀察時間； （5）防止地下水的影響，盡可能不穿含水層，必須穿過含水層時，封孔應(yīng)超過含水層。 1.7 煤層瓦斯含量

11、一、瓦斯在煤層中的存在狀態(tài) 煤體是一種復(fù)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。,1、游離狀態(tài) 主要存在于大、中孔、裂隙空間內(nèi)，其間瓦斯分子作自由熱運動，顯示相應(yīng)的瓦斯壓力。 在現(xiàn)今采深下，占瓦斯總量的 5 12%。 2、吸附狀態(tài) 主要存在于小孔和微孔空間內(nèi)。分為表面吸附和吸收兩種狀態(tài)。占瓦斯總量的 80%。,3、其它形態(tài)-結(jié)晶水化物 問題提出： 結(jié)晶水化物的形式： 形成條件：低溫、高壓。 對CH4: 對C2H6: 對C3H8:,t=0時，P2.0MPa t=5時，P4.8MPa t=10時，P8.0MPa,t=0時，P0.6MPa t=5時，P

12、1.3MPa t=10時，P2.5MPa,t=0時， P0.1MPa t=2.5時，P0.3MPa,乙烷和丙烷生成 水化物的條件比 CH4低得多,二、煤層瓦斯含量 1、含義：單位質(zhì)量或體積的煤中含有的瓦斯量。m3/m3，m3/t。 煤層瓦斯包含： 游離瓦斯量 和 吸附瓦斯量 2、瓦斯含量計算 （1）游離瓦斯量 由氣體狀態(tài)方程： 考慮到瓦斯氣體可壓縮性，則有： 粗略計算，假設(shè)： 則： 式中：P-煤層瓦斯壓力，Mpa； V-煤的孔容。,（2）吸附瓦斯量-Xx 一般采用朗格繆爾方程計算。 其中： （3）煤層瓦斯含量-X X = Xg + Xx m3/t,三、煤層瓦斯含量的測定 1、直接測定法勘探鉆孔

13、煤芯解吸法 主要測定步驟： 1）現(xiàn)場采樣與瓦斯解吸速度的測定v1,2、損失瓦斯量的計算v2 t0裝罐前時間； t裝罐后時間； v解吸瓦斯體積。,）煤樣剩余瓦斯解吸v3 包括：I) 煤樣粉碎前脫氣； ii) 煤樣粉碎后脫氣 總瓦斯量：V=V1+V2+V3 經(jīng)過狀態(tài)變換和計算可得煤層原始瓦斯含量。 2、瓦斯含量系數(shù)法 測定原理：煤層瓦斯含量與瓦斯壓力之間，大致存在如下關(guān)系： 式中： 瓦斯含量系數(shù)，m3/(m3.MPa0.5)，通過實驗室測定得出； P煤層瓦斯壓力，Mpa； X煤層瓦斯含量，m3/m3,1.8 影響煤層瓦斯含量的主要因素 煤層瓦斯含量主要取決于： 瓦斯生成量； 瓦斯運移條件； 煤層貯

14、存瓦斯的性能。 具體包括以下幾點： 1、煤的碳化程度 在碳化作用過程中，不斷地 產(chǎn)生瓦斯，碳化程度越高，生成 的瓦斯量越多。相同的條件下， 煤的變質(zhì)程度越高，煤層瓦斯含量越大。,煤的平均甲烷含量與其變質(zhì)程度的定量關(guān)系曲線,2、煤層的賦存狀態(tài) （1）露頭 成煤的地質(zhì)年代中，若有露頭長時間與大氣相通，瓦斯沿煤層流動，煤層瓦斯往往沿煤層露頭排放，瓦斯含量大為減少。 （2）煤層傾角 煤層傾角愈大，煤層瓦斯含量愈低。 Exp:芙蓉礦，北翼：40 80 , 南翼：6 12 ，,（3）埋藏深度 埋深增加，地應(yīng)力增高，煤層的透氣性變差，瓦斯向地表運移距離增加，有利于封存瓦斯。 在近代開采深度內(nèi)，CH4帶， ，

15、但是如果埋藏深度繼續(xù)增大，瓦斯含量增加的速度將要減慢而趨于常量。,3、煤層和圍巖的透氣性 煤層圍巖是指煤層直接頂、老頂和直接底板等在內(nèi)的一定厚度范圍的層段。煤層圍巖對瓦斯賦存的影響，決定于它的隔氣、透氣性能。 當(dāng)煤層頂板巖性為致密完整的巖石，如頁巖、油母頁巖時，煤層中的瓦斯容易被保存下來； 頂板為多孔隙或脆性裂隙發(fā)育的巖石，如礫巖、砂巖時，瓦斯容易逸散。 exp:北京京西煤礦，不論是下侏羅統(tǒng)或是石炭二疊系的煤層，盡管煤的牌號為無煙煤，由于煤層頂板為1216m的厚層中粒砂巖，透氣性好，因此煤層瓦斯含量小，礦井瓦斯涌出量低。,4、地質(zhì)構(gòu)造 是影響煤層瓦斯含量的主要因素之一。 表現(xiàn)：一方面是造成了瓦

16、斯分布的不均衡，另一方面是形成了有利于瓦斯賦存或有利于瓦斯排放的條件。 (1) 褶皺構(gòu)造 褶皺的類型、封閉情況和復(fù)雜程度，對瓦斯賦存均有影響。 當(dāng)煤層頂板巖石透氣性差， 且未遭構(gòu)造破壞時，背斜有利 于瓦斯的儲存，是良好的儲氣 構(gòu)造，背斜軸部的瓦斯會相對 聚集，瓦斯含量增大。形成“氣頂”。,在向斜盆地構(gòu)造的礦區(qū)，頂 板封閉條件良好時，瓦斯沿垂直 地層方向運移是比較困難的，大 部分瓦斯僅能沿兩翼流向地表。 煤包、地 壘、地塹都為高瓦斯區(qū)。 （2）斷層 斷層破壞了煤層的連續(xù)完整性，使煤層瓦斯運移條件發(fā)生變化。有的斷層有利于瓦斯排放，也有的斷層對瓦斯排放起阻擋作用，成為逸散的屏障。前者稱開放型斷層，后

17、者稱封閉型斷層。,斷層的開放與封閉性決定于下列條件： a. 斷層的性質(zhì)和力學(xué)性質(zhì)。一般張性正斷層屬開放型，而壓性或壓扭性逆斷層封閉條件較好。 b. 斷層與地表或與沖積層的連通情況。規(guī)模大且與地表相通或與沖積層相連的斷層一般為開放型。 c. 斷層將煤層斷開后，煤層與斷層另一盤接觸的巖層性質(zhì)。若透氣性好則利于瓦斯排放。 d. 斷層帶的特征。斷層帶的充填情況、緊閉程度、裂隙發(fā)育情況等都會影響到斷層的開放或封閉性。 一般地，開放性斷層， 不論其與地表是否連通，其 附近，瓦斯含量低。,封閉性斷層（受壓影響）， 可阻止CH4的排放。 5水文地質(zhì)條件 地下水與瓦斯共存于煤 層及圍巖之中，其共性是均 為流體，運移和賦存都與煤、巖層的孔隙、裂隙通道有關(guān)。由于地下水的