1-1煤层瓦斯的基础概念及瓦斯生成(第一次课)

1、矿井瓦斯防治安全工程教研室安全工程教研室 韦善阳韦善阳(博士博士)邮箱：邮箱：手机：手机：187130001092讲课：讲课：矿井瓦斯防治矿井瓦斯防治课程介绍课程介绍授课：瓦斯基础概念及其生成授课：瓦斯基础概念及其生成矿井瓦斯防治课程介绍3（1）课程性质）课程性质（2）选用教材选用教材（3）教学内容教学内容（4）教学方法与手段教学方法与手段（5）学习方法及考核方式）学习方法及考核方式。 45（2 2）教材选择）教材选择重点大学教材重点大学教材主编：蒋承林、杨胜强出版日期：2013-06出版社：中国矿业大学出版社 6主要参考资料： 1矿井灾害防治理论与技术 ， 俞启香主编，中国矿业大学出版社，2

2、008 2 矿井瓦斯防治技术孙和应 常松岭 中国矿业大学出版社 ，2009矿井瓦斯防治1.矿井瓦斯基础知识（4）（3 3）讲授内容（）讲授内容（2828）实验）实验(4)(4)2.矿井瓦斯涌出（4）4.矿井瓦斯爆炸及预防 （4）3.煤与瓦斯突出及其防治（8）5.矿井瓦斯的抽放（6）6.瓦斯事故调查分析（2）实验： 1、 矿井瓦斯基础参数的测定（1*2） 2、突出预测预报参数测定（1*2） 授课：8（4 4）教学方法与手段）教学方法与手段 教学方法：启发式、探究式、讨论式等。教学方法：启发式、探究式、讨论式等。 教学手段：多媒体教学手段：多媒体( (视频视频+PPT)+PPT)，黑板板书。，黑板

3、板书。（5 5）学习方法、作业安排及考核方式）学习方法、作业安排及考核方式 学习方法：勤观察、勤思考、勤练习；学习方法：勤观察、勤思考、勤练习； 作业安排：课后思考题、重点章节布置作业。作业安排：课后思考题、重点章节布置作业。 考核方式：总成绩考核方式：总成绩=30%=30%平时（平时（10%10%实验）实验）+70%+70%考试。考试。（6 6）课堂要求：按时上下课，记笔记，衣着整洁。）课堂要求：按时上下课，记笔记，衣着整洁。瓦斯基础概念及其生成瓦斯基础概念及其生成一、瓦斯基础概念一、瓦斯基础概念(了解了解)二、瓦斯生成概述二、瓦斯生成概述 (了解了解)三、瓦斯生成的母质三、瓦斯生成的母质

4、(了解了解)四、生物化学时期瓦斯的生成四、生物化学时期瓦斯的生成 (了解了解)五、煤化变质作用时期瓦斯的生成五、煤化变质作用时期瓦斯的生成 (掌握掌握)六、影响矿井瓦斯生成的因素六、影响矿井瓦斯生成的因素(掌握掌握)矿井瓦斯的概念与性质矿井瓦斯的概念与性质一、矿井瓦斯的含义一、矿井瓦斯的含义广义：广义：井下除正常空气的大气成份以外，涌向采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。矿空间的各种有毒、有害气体总称。狭义：狭义：煤矿生产过程中从煤、岩内涌出的，以甲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。烷为主要成份的混合气体总称。 矿井瓦斯成分很复杂

5、，其主要成分是甲烷矿井瓦斯成分很复杂，其主要成分是甲烷(CH(CH4 4) )，其次是二氧化碳其次是二氧化碳(CO(CO2 2) )和氮气和氮气(N(N2 2) )，还含有少量或微量，还含有少量或微量的重烃类气体（乙烷、丙烷、丁烷、戊烷等）、氢的重烃类气体（乙烷、丙烷、丁烷、戊烷等）、氢（H H2 2）、一氧化碳（）、一氧化碳（COCO）、二氧化硫）、二氧化硫(SO(SO2 2) )、硫化氢、硫化氢(H(H2 2S)S)等。等。 由于甲烷（俗称沼气）是矿井瓦斯的主要成分，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。因而人们习惯上所说的瓦斯，通常指甲烷而言

6、。矿井瓦斯的概念与性质矿井瓦斯的概念与性质来源：来源： （1 1）煤、岩层涌出（烷烃、环烷烃、芳香烃）；）煤、岩层涌出（烷烃、环烷烃、芳香烃）； （2 2）生产过程中产生（）生产过程中产生（COCO2 2、NONO2 2、HH2 2等）等） （3 3）井下化学、生物化学反应生成）井下化学、生物化学反应生成 （COCO2 2、HH2 2S S、SOSO2 2）；）； （4 4） 放射性元素蜕变过程生成（放射性元素蜕变过程生成（RnRn、HeHe等）等）二、二、CH4的性质的性质 无色、无味、无嗅的气体，可燃烧、爆炸；无色、无味、无嗅的气体，可燃烧、爆炸； 分子量：分子量：16.04916.049

7、，分子直径：，分子直径：0.41nm0.41nm， 密度：密度：0.716Kg/m0.716Kg/m3 3（气态）、（气态）、 424.5 Kg/m424.5 Kg/m3 3（液（液态）态） 相对空气密度：相对空气密度：0.554,0.554, 难溶入水难溶入水: : 在在101.3 KPa , 20101.3 KPa , 20条件下条件下 , , 3.31l/100lH3.31l/100lH2 2O O三、三、 CH4的危害及其经济价值的危害及其经济价值 1 1、危害性、危害性 （1 1） 燃烧、爆炸燃烧、爆炸 （2 2）窒息）窒息 （3 3）喷出、突出）喷出、突出2、重要能源、重要能源 C

8、H4 + 2O2 CO2 + 2H2O + Q 1m3CH4 37022.2kJ 相当于相当于11.5Kg烟煤烟煤 重要的化工原料。重要的化工原料。2、重要能源、重要能源 CH4 + 2O2 CO2 + 2H2O + Q 1m3CH4 37022.2kJ 相当于相当于11.5Kg烟煤。烟煤。 重要的化工原料。重要的化工原料。1.2 煤层瓦斯的成因煤层瓦斯的成因 有机源气体有机源气体-腐植有机物（高等植物）成煤过程。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：两个阶段： （1）生物化学阶段（从植物遗体

9、到泥炭）生物化学阶段（从植物遗体到泥炭） 4C6H10O5 7CH4 + 8CO2 + C9H6O + 3H2O 特点：埋藏浅，覆盖层胶结不好，煤层保存气体少特点：埋藏浅，覆盖层胶结不好，煤层保存气体少。隔绝空气隔绝空气微生物微生物（纤维素）（纤维素）一、瓦斯生成概述一、瓦斯生成概述1. 我国史书对瓦斯的记载 瓦斯，这一煤炭生成过程中的伴生物，早在15世纪就开始为人们所认识。我国明代宋应星在天工开物(1637年)一书中曾介绍，煤层中存在着一种能使人窒息和可燃爆的气体，并提出了利用竹管引排的方法。 一、瓦斯生成概述一、瓦斯生成概述2. 国外对瓦斯的认识 16世纪末，英国和其他西欧国家在采煤时，也

10、遇到了“有害的”气体，但并未引起人们的重视。直到18世纪初期英国有的矿井开始发生瓦斯爆炸、1839年美国煤矿发生瓦斯爆炸及后来断断续续又发生的许多次爆炸，导致了人员和设备财产的严重损失后，才逐渐引起人们的重视并开始研究爆炸的原因及应采取的防范措施。 但是，有关瓦斯生成及来源的问题，直到20世纪40年代才开始逐步引起人们的重视，并对此进行研究。 一、瓦斯生成概述一、瓦斯生成概述3. 瓦斯的生成过程 古代植物遗体在形成泥炭过程中，由于厌氧菌的作用，植物的纤维分解、发酵，逐渐生成腐植酸和沥青质，同时生成瓦斯；此后，在煤的炭化变质过程中，随着化学成分和结构的变化，泥炭转变成褐煤、烟煤和无烟煤，同时继续

11、有大量瓦斯伴随生成。瓦斯的生成和煤的形成同时进行且贯穿于整个成煤过程中，在长期的地质年代里，由于地层变动造成的断裂和裂隙,部分瓦斯逸散到大气中去,另一部分则被保存在煤体和围岩之中。一、瓦斯生成概述一、瓦斯生成概述4. 瓦斯生成的两个主要成气时期 煤矿井下的瓦斯是成煤的煤化作用过程中伴生的。煤的原始母质沉积以后，一般经历2个成气时期： 从植物遗体到泥炭的生物化学成气时期和在地层的高温高压作用下从褐煤直到无烟煤的煤化变质作用成气时期。 二、瓦斯生成的母质二、瓦斯生成的母质 瓦斯的成气母质可分为高等植物在成煤过程中形成的腐植质和低等植物在成煤过程中形成的腐泥质2大类，它们在成煤和成气过程中的差异，构

12、成了各自特有的的特点， 二、瓦斯生成的母质二、瓦斯生成的母质三、生物化学时期瓦斯的生成三、生物化学时期瓦斯的生成1. 成气条件 成煤的原始有机物堆积在沼泽相环境中，在温度不超过65的条件下，成煤原始物质经厌氧微生物分解成瓦斯。 三、生物化学时期瓦斯的生成三、生物化学时期瓦斯的生成2. 成气过程这个过程可用纤维素的化学反应式表示如下：OHCOHCOCHOHC6922451063874纤维素类烟煤隔绝空气、微生物作用三、生物化学时期瓦斯的生成三、生物化学时期瓦斯的生成3. 特点 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容易排放到古大气中去，因此，生化

13、作用时期生成的瓦斯一般不会保留在现有煤层内。 此后，随着泥炭层的下沉，上覆盖层越来越厚，成煤物质中的温度和所受压力也随之增高，生物化学作用逐渐减弱直至结束，在较高的压力与温度作用下泥炭转化成褐煤，并逐渐进入煤化变质作用阶段。 四、煤化变质时期瓦斯的生成四、煤化变质时期瓦斯的生成1. 成气条件 褐煤层进一步沉降，便进入煤化变质作用造气阶段。在100高温及相应地层压力作用下，煤体会产生强烈的热力变质作用，生成大量CO2、CH4、H2O等挥发性气体。泥炭泥炭 褐煤褐煤 烟煤烟煤 无烟煤无烟煤 四、煤化变质时期瓦斯的生成四、煤化变质时期瓦斯的生成2. 成气过程（化学反应式）四、煤化变质时期瓦斯的生成四

14、、煤化变质时期瓦斯的生成2. 成气过程（分子结构变化）四、煤化变质时期瓦斯的生成四、煤化变质时期瓦斯的生成3. 特点 褐煤到无烟煤，煤的变质程度越高，生成的瓦斯量也越多，但各个变质阶段，生成的气体组分不仅不同，而且数量上也有很大差别。 0 01 10 00 02 20 00 03 30 00 04 40 00 05 50 00 0泥泥煤煤褐褐煤煤长长焰焰煤煤气气煤煤肥肥煤煤焦焦煤煤瘦瘦煤煤贫贫煤煤无无烟烟煤煤煤煤 化化 阶阶 段段甲甲烷烷生生成成量量（m m3 3/ /t t）四、煤化变质时期瓦斯的生成四、煤化变质时期瓦斯的生成苏联学者B.A.索科洛夫等人给出的腐植型有机煤在变质作用阶段成气的

15、一般模式如图。四、煤化变质时期瓦斯的生成四、煤化变质时期瓦斯的生成 特点：特点： （1）碳化过程生成的大量气体。）碳化过程生成的大量气体。 初期：主要为初期：主要为CO2，CH4不多。随着碳化程度的提高，不多。随着碳化程度的提高，CO2减少，减少，CH4增多，同时生成重烃。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；）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）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。瓦斯含量远小于生成量。 减少的原因：减少的原因： 1）地质构造运动；）地质构造运动； 2）运

16、移到适于贮存地点，形成气藏；）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）；）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）。）逸散于大气中（从煤层露头）。五、影响矿井瓦斯生成的因素五、影响矿井瓦斯生成的因素1 煤岩组分 煤是一种固体可燃有机岩，其岩石组成比较复杂。煤岩组分是组成煤的基本单元，可分成镜质组、丝质组和壳质组。从煤岩学角度看，煤层瓦斯的生成取决于成煤作用和煤岩组分。在同一变质阶段，相对丝质组而言，镜质组碳含量少、氢含量多，挥发分产率高，瓦斯生成量大，植物结构保存程度低。壳质组在整个成煤过程中都产生瓦斯，其挥发分产率和瓦斯生成量最高；但是，它在煤中所占比例很少，作用不大。 五、影响矿井瓦斯生成的因素五、影响矿井瓦斯生成的因素2 煤的变质程度及变质分带 在煤化变质作用