第16、17讲矿井瓦斯

煤矿地质第六章、矿井瓦斯瓦斯是在煤的形成过程中生成并保存在煤层和围岩中的多成分混合气体。瓦斯是地质成因的，是地质作用的产物。在煤矿建设和生产中，煤层及围岩中的瓦斯会进入到采掘工作面中，并因其存在而降低井下空气的含氧量。当氧气下降到12％以下时，可导致井下人员中毒窒息事故发生；井下空气中瓦斯达到一定浓度条件（5～16％），遇引爆火源可发生矿井瓦斯爆炸事故。矿井瓦斯一、瓦斯的形成与分带1．瓦斯成分及其性质瓦斯成分：CH4（主要）、N2、CO2。狭义的瓦斯指甲烷（CH4）。甲烷为无色、无味、无嗅、无毒的气体，比空气轻，因而在井下它停积在巷道上部。空气中甲烷浓度达到5～16％，遇引火源即可发生燃烧或爆炸。CO2为无色、无嗅、略带酸味并有一定毒性的气体，它的比重比空气大，在井下主要分布在巷道的下部。大量二氧化碳在井下突然喷出可使人窒息。矿井瓦斯2．瓦斯的成因瓦斯是在煤化作用过程中形成的。泥炭化阶段，泥炭转变为褐煤，这一阶段以生物化学作用为主，可以产生甲烷。随着深度增加，地温进一步升高，约50～160℃时，煤化作用处于气煤到肥煤阶段，它不仅产生大量甲烷，而且在中晚期也是大量出油的阶段。当温度大于160～200℃时，煤转变为无烟煤，复杂的碳氢化合物遭到破坏，只能产生甲烷而不能生成石油。矿井瓦斯每生成1t煤的产气量（CH4）：褐煤：68m3肥煤：230m3瘦煤：330m3无烟煤：400m3。煤（岩）层中保留CH4的多少取决于瓦斯形成过程中及其后的保存条件。各煤化阶段最终残留1t煤的生气量（CH4）：泥炭→褐煤：68.3m3褐煤→烟煤：161.6m3烟煤→无烟煤：192.9m3各煤化阶段最终残留1t煤的生气量（CO2）：泥炭→褐煤：167.3m3褐煤→烟煤：124.9m3烟煤→无烟煤：23.4m3矿井瓦斯3．瓦斯在煤层内的赋存状态（1）游离状态瓦斯瓦斯分子存在于煤体、围岩的空隙中。（2）吸着状态瓦斯

吸附瓦斯：瓦斯分子被吸附在煤体或岩体孔隙的表面。吸收瓦斯：瓦斯分子在煤体内部。矿井瓦斯4.瓦斯的垂直分带CO2-N2带：CH4＜10﹪N2带：CH4＜20﹪N2-CH4带：CH4＜20-80﹪CH4带：CH4＞80﹪其中，前三个带统称为瓦斯风化带，其下届深度可据下列指标中任何一项确定：①Q相对＞2m3/t②CH4＞80﹪③煤层瓦压=0.1-0.15MPa④长焰煤1-1.5；气煤1.5-2；肥煤焦煤2-2.5；瘦煤2.5-3；贫煤3-4；无烟煤5-7m3/t。矿井瓦斯二、瓦斯含量的影响因素（一）影响瓦斯含量的地质因素1．煤的变质程度煤的变质程度高，瓦斯含量大。无烟煤吸附瓦斯的能力最强，可达50～60m3/t。

2．围岩和煤层的渗透性煤层与围岩的渗透性好，瓦斯易逸散，不易保存，煤层瓦斯含量低；反之，则易于保存，煤层瓦斯含量高。矿井瓦斯3．地质构造（1）张性断裂通达地表的张性断层，有利于瓦斯的排放；压性断裂不利于瓦斯排放，甚至有一定封闭作用，促进瓦斯在煤层内的聚集。（2）褶皱构造当顶板为致密岩层且未暴露地表时，一般在背斜瓦斯含量由两翼向轴部增大，在向斜槽部瓦斯含量减少；当顶板为脆性岩层且裂隙较多时，瓦斯容易扩散，因而脆性岩层顶板的煤层背斜顶部含瓦斯量减少，在向斜轴部瓦斯含量增加。矿井瓦斯4．煤田的暴露程度在暴露式煤田中，含煤岩系出露地表，瓦斯易于排放逸散。在隐伏式煤田中，若含煤岩系的覆盖层为不透气岩层且厚度大时，则不利于瓦斯排放。5．地下水活动地下水活动强烈的地区瓦斯含量小；水分子被吸附在煤或裂隙的表面后，减弱了煤对瓦斯的吸附能力；水分占据了煤的孔隙，排挤自由状态的瓦斯，因此煤层含水可降低瓦斯的含量。矿井瓦斯6．煤层埋藏深度瓦斯含量一般随深度增加而增大。

在瓦斯风化带以下，瓦斯含量、涌出量和瓦斯压力与深度增加有一定的比例关系。7.煤层倾角在埋藏深度相同时，煤层倾角越小，瓦斯含量越大。矿井瓦斯（二）煤层瓦斯的测定方法1.直接测定法用密闭式岩芯采取器直接采集钻孔中的煤样，直接测定煤芯中瓦斯含量。2．间接测定法采集未经风化的新鲜煤样，装密闭容器送试验室进行实测，分析计算出煤的瓦斯含量。矿井瓦斯（三）矿井瓦斯涌出形式1.矿井瓦斯涌出与矿井瓦斯涌出形式矿井瓦斯涌出：瓦斯从煤、岩层中进入矿井空气中。矿井瓦斯涌出形式：（1）普通涌出在时间上与空间上缓慢、均匀、持久地从煤、岩暴露面涌出。（2）特殊涌出在时间上突然集中发生，其涌出量很不均匀的间断涌出，包括瓦斯喷出和煤与瓦斯突出。矿井瓦斯2.瓦斯喷出（突出）（1）瓦斯沿原始地质构造洞隙喷出（突出）

喷出的特点：流量大，持续时间长，无明显的地压显现现象。喷瓦斯裂缝多属于开放性裂隙（张性或张扭性断裂），它们与储气层（煤层、砂岩层等）、溶洞或断层带贯通。（2）瓦斯沿采掘地压形成的裂隙喷出（突出）

喷出的特点：喷出濒临发生时伴随着地压显现效应，出现多种显现预兆，喷出持续时间较短，其流量与卸压区面积、瓦斯压力和瓦斯含量大小等因素有关。矿井瓦斯（四）矿井瓦斯涌出量与矿井瓦斯等级1．矿井瓦斯涌出量矿井瓦斯涌出量是指开采过程中煤层或围岩在单位时间内瓦斯的涌出量。矿井瓦斯涌出量分为绝对瓦斯涌出量及相对瓦斯涌出量两种。（1）绝对瓦斯涌出量矿井在单位时间内涌出的瓦斯量，用m3/min或m3/d表示。（2）相对瓦斯涌出量矿井在正常生产情况下，平均日产1t煤的瓦斯涌出量；用m3／t表示。矿井瓦斯2．矿井瓦斯等级（1）低瓦斯矿井矿井相对瓦斯涌出量小于或等于10m3/t且矿井绝对瓦斯涌出量小于或等于40m3/min。（2）高瓦斯矿井矿井相对瓦斯涌出量大于10m3/t或矿井绝对瓦斯涌出量大于40m3/min。（3）煤与瓦斯突出矿井在一个矿井中只要发现一次煤与瓦斯突出，该矿井即定为煤与瓦斯突出矿井。矿井瓦斯（五）、影响煤与瓦斯突出的地质因素1．煤层结构煤层中软分层厚度增大，突出的危险性也在增加。一个突出矿井，多数是厚煤层比薄煤层危险性大，厚煤层突出深度比薄煤层浅。含丝炭较多的层状连续分布的煤层，易发生突出。如某矿，长期以来对厚煤层分层开采一直无突出现象，在采用一次采全高综采放顶煤开采后发生了突出现象，原因就是在煤层下部存在约0.6m的软弱分层对突出发生了作用。矿井瓦斯2．围岩性质突出危险性随硬而厚的围岩（硅质灰岩、砂岩等）存在而增高。坚硬围岩可以限制煤层内较高的瓦斯压力，当巷道揭穿围岩、压力平衡被打破时，煤体内瓦斯压力迅速释放，造成大量的煤与瓦斯突出。3.煤层倾角一般岩煤层倾角大突出深度浅，倾角小突出深度较深。突出发生在一定的深度上，一般比瓦斯风化带的深度深一倍以上。随深度增加，突出次数增多、突出强度增大、突出层数增加、突出危险区域扩大。矿井瓦斯4.地质构造向斜轴部、向斜轴部与断层或褶曲交汇地区、煤层扭转地区、煤层倾角骤变、走向拐弯、变厚特别是软分层变厚地区、压性或压扭性断层地带、煤层构造分叉、顶底板阶梯状凸起地区等，都是突出点密集地区，也是大型甚至特大型突出地区。

矿井瓦斯煤与瓦斯突出，除与地质因素有关外，还与采掘形成的集中压力带、掘进方向造成的煤体自重失稳、采掘作业引起煤体应力状态变化剧烈程度等有关。如邻近煤层留存煤柱，或本层内两个工作面相距很近，造成采掘集中压力重叠，这些地段是易突出地带。矿井瓦斯三、矿井瓦斯防治对矿井瓦斯等级鉴定，合理确定瓦斯设防等级标准，针对性采取防治措施，是防止矿井瓦斯事故发生的基本途径。按照我国现行的煤矿瓦斯管理规定，每个矿井每年均需要进行瓦斯等级鉴定工作，并按管理权限报请相关安全生产监督管理部门审批，矿井必须按照批复的瓦斯等级进行管理。有突出危险的矿井，无论新井设计，还是生产矿井，必须采取防止突出发生的综合防治措施。矿井瓦斯（一）煤与瓦斯突出的预兆1.地压显现出现煤炮声、支架声响、岩煤开裂、掉渣、底鼓、岩煤自行剥落、煤壁颤动、钻孔变形、垮孔、顶钻、夹钻杆、钻机过负荷等。2.瓦斯涌出异常瓦斯浓度忽大忽小、井下煤尘增大、温度异常、气味异常、打钻喷瓦斯、喷煤粉、哨声、蜂鸣声等。3.煤层出现异常煤层层理紊乱、煤层强度变低出现松软或不均质、软煤分层厚度增加、煤层倾角变陡、挤压褶曲、波状隆起、煤体干燥、顶底板阶梯隆起、断层等。矿井瓦斯（二）矿井瓦斯涌出的治理1.分源治理针对瓦斯赋存、涌出规律特征，通过方案类比选取效果、经济方面最优的治理技术措施、方法。2.分级分类治理按瓦斯危险程度进行分级分类，并按瓦斯危险类别进行治理。对特别危险的工作面（如独头掘进巷道及瓦斯涌出特别危险的工作面，采取特殊的管理措施和施工技术措施。3.综合防治以消除瓦斯危险为方向，以确保作业人员人身安全为主要目标，采取预测、预防及应急安全保障等综合安全防治措施。矿井瓦斯（三）煤层瓦斯含量预测与矿井瓦斯涌出量预测1.煤层瓦斯含量预测一个井田内不同煤层瓦斯含量可能存在较大的差别，瓦斯含量预测应分煤层进行。预测的基础工作是收集井田内瓦斯钻孔、井下采样点位置及原始分析资料，编制出煤层瓦斯含量预测图。联绘瓦斯含量等值线时，应充分考虑地质构造因素对煤层瓦斯含量的影响，使预测结果与理论及实际情况相一致。山西太原南峪矿区瓦斯涌出量分布图（m3/t）平顶山十矿15号煤层瓦斯地质图矿井瓦斯2.矿井瓦斯涌出量预测（1）统计预测法依据矿井瓦斯涌出量与开采深度等参数之间的统计规律，外推到预测区域中的瓦斯涌出量。（2）分源计算法以煤层瓦斯含量为预测的主要依据，通过计算井下各涌出源的瓦斯涌出量，对矿井瓦斯涌出量进行预测。矿井瓦斯3.煤与瓦斯突出危险性预测矿井中的煤与瓦斯突出往往发生在个别区域，这个区域的面积一般只占整个井田面积的10％左右。为了保证矿井安全生产，对突出危险程度不同的区域应采取不同的措施。（1）区域预测由矿井地测和通风部门收集地质勘探获取的煤层厚度、煤的结构破坏类型及工业分析、煤层围岩性质及厚度、地质构造、煤层瓦斯含量等资料，编制瓦斯地质图，然后在此基础上利用瓦斯地质统计法等进行突出区域危险性预测。矿井瓦斯（2）局部预测按巷道性质的不同，又分为石门、煤巷和回采工作面突出危险性预测。在工作面打孔从每米煤孔中取样测定煤的坚固系数f值，测定最小坚固系数的煤的瓦斯放散初速度△p值，根据测定结果，取最大瓦斯压力值、煤的最小坚固性系数平均值及瓦斯放散初速度值进行相关计算，最后对比经验参数标准值确定突出危险性。（3）突出报警在预测的基础上，根据突出前的预兆及仪表信息指示发出警报。矿井瓦斯（四）预防瓦斯突出的防治措施1.区域性防突措施1）预抽煤层瓦斯利用均匀布置在突出危险煤层内的大量钻孔，经过一定时间(数个至数十个月)预先抽放瓦斯，以降低其瓦斯压力与瓦斯含量，并利用由此引起煤层收缩变形、地应力下降、煤层透气系数增加和煤的强度增高等效应，使抽放瓦斯的煤体失去或减弱其突出的危险性。矿井瓦斯2）开采保护层瓦斯突出煤层是地质构造强烈挤压、剪切作用的产物。它含有极发育的的细小剪切面，疏松多孔，能储存大量的高压瓦斯。这种煤体强度低，在高压作用下极容易压成“煤砖”，因此，透气性极低。对煤层群，超前开采保护层，可使上下地层产生强烈的拉张破坏，使上覆煤岩层垮落破坏，下伏煤岩层破裂上鼓，使煤岩层的产生大量张开裂隙，地应力在大范围得到有效释放，使瓦斯压力急剧降低，大量瓦斯被解吸，煤层透气性成千倍增加，使突出煤层变成非突出煤层，使瓦斯含量高的煤层变成瓦斯含量低的煤层。矿井瓦斯3）煤层注水通过钻孔向煤体中大面积均匀注水，使煤层湿润（水分含量不低于5％），增加煤的可塑性，在煤层随后开采时，可减小工作面前方的应力集中；当水进入煤层内部的裂缝和孔隙后，可使煤体瓦斯放散速度减慢，煤层注水可以减缓煤体弹性潜能及瓦斯潜能的突然释放，降低或消除煤层的突出危险性。由于煤体结构的不均匀性和地质构造的存在，通过注水很难做到均匀湿润煤体，因此注水仅作为一项辅助的防突措施，与预抽瓦斯等配合使用。矿井瓦斯2.局部性防突措施1）石门揭开突出煤层的措施①震动性放炮：震动性放炮是人为诱导突出的措施。用增加掘进工作面炮眼数目，加大装药量，全断面一次爆破，人为激发突出，以避免一般爆破法所发生延期突出。②水力冲孔：利用钻机打钻时喷射的水射流，在突出煤层内诱导可控制的小型突出，以造成煤体卸压，排放瓦斯，消除采掘突出危险。③钻孔排放瓦斯：由岩巷或煤巷向有突出的危险煤层打钻孔，将煤层中的瓦斯经过钻孔自然排放出来，待瓦斯压力降到安全压力以下时，再进行开采。④金属骨架：当石门接近煤层时，通过岩柱在巷道顶部和两帮上侧打钻，钻孔穿过煤层全厚，进入岩层0.5m，然后把长度大于孔深0.4～0.5m的钢管或钢轨，作为骨架插入孔内，再将骨架尾部固定，用震动性放炮揭开煤层。矿井瓦斯2）煤巷掘进工作面防突措施①超前钻孔：在工作面向前方煤体打一定数量的钻孔，并始终保持钻孔有一定超前距，使工作面前方煤体卸压、排放瓦斯，以减弱和防止突出。超前钻孔能使工作面附近的应力集中和高瓦斯压力带向远处推移，减少应力和瓦斯压力梯度，使工作面前方形成一个较长的卸压和排放瓦斯带。②松动爆破：在进行普通放炮时，同时爆破几个深炮孔，破坏与松动深部煤体，使应力集中带和高压瓦斯带移向深部，以便在工作面前方造成较长的卸压和排放瓦斯区，从而预防突出的发生。此外，深孔爆破在炮眼周围形成破碎圈，有助于消除煤的软硬不均而引起的应力集中，并形成瓦斯排放通道，降低瓦斯压力。矿井瓦斯3）“四位一体”综合防治措施四位一体：指突出危险性预测、防治突出措施、防治突出措施的效果检验和安全防护措施。（1）突出预测确定突出危险的区域和地点，以使防突措施的执行更加有的放矢。（2）防突措施在预测有突出危险的区段采用，其目的是预防突出的发生。矿井瓦斯（3）防突效果检验在防突措施执行后，对其防突效果进行立竿见影的检验。检验证实措施无效时，应采取附加防突措施。（4）安全防护措施目的在于突出预测失误或防突措施失效而发生突出时，避免人身事故。煤与瓦斯突出是一个极其复杂的瓦斯动力现象，当前的科技水平尚难以完全避免发生，因此，采用综合安全防护措施是必要的。矿井瓦斯（五）山西煤层