瓦斯防治第1讲

矿井瓦斯防治技术安全工程学院王亚年来全国煤矿瓦斯事故情况

2005年3月，国务院决定成立煤矿瓦斯防治部际协调领导小组。三年来，全国煤矿瓦斯事故总量和死亡人数均有较大幅度下降。

2005年，发生瓦斯事故414起、死亡2171人。2006年，发生瓦斯事故327起、死亡1319人。2007年，发生瓦斯事故272起、死亡1084人。2008年，发生瓦斯事故182起、死亡778人，

2008年共发生较大瓦斯事故63起、死亡290人，重特大瓦斯事故18起、死亡352人。

●瓦斯事故主要发生在低瓦斯矿井

“十一五”期间我国较大瓦斯事故矿井瓦斯等级分布情况

重大以上瓦斯事故：低瓦斯矿井占37.5%；高瓦斯矿井占23.9%；煤与瓦斯突出矿井占30.7%；未鉴定矿井占8%。煤矿安全生产存在的主要问题行业管理弱化对煤矿安全生产影响深远

企业安全生产主体责任落实不到位煤矿安全投入不足、安全装备水平低煤矿安全科技水平低，重大灾害预防与治理关键技术亟待解决煤矿专业技术人才匮乏，从业人员整体素质偏低煤矿安全监管监察执法环境有待改善

我国煤矿的自然条件平均每年增加10m，我国最大开采深度已超过1000m。平均开采深度410m；美国煤层平均埋深200~300m，500m以上只占17.5%；露天矿比重：中国3.4%美国66%印度73.8%澳大利亚69.6%南非40%

煤矿瓦斯大，煤与瓦斯突出越来越严重

在724处国有重点煤矿中，高瓦斯矿井152处，占21.0％；煤与瓦斯突出矿井154处，占21.3％；低瓦斯矿井418处，占57.7％。地方国有煤矿和乡镇煤矿中，高瓦斯和煤与瓦斯突出矿井占15％。随着开采深度的增加，瓦斯涌出量的增大，高瓦斯和煤与瓦斯突出矿井的比例还会增加。

自然发火危险性严重，比例大、覆盖面广大中型煤矿中，自然发火危险程度严重或较严重(Ⅰ、II、III级)的煤矿占总数的72.86％。国有重点煤矿中，具有自然发火危险的矿井占47.3％。小煤矿中，煤层自然发火期不足6个月的煤矿占47.41％，煤层自然发火期为6～12个月的煤矿占47.85％由于煤层自燃，我国每年损失煤炭资源2亿吨左右。我国煤矿的自然条件冲击地压危险性增大，个别煤矿十分严重我国910处大中型煤矿中具有冲击地压危险的煤矿47处,占5.16％。随着开采深度的增加，现有冲击地压矿井的冲击地压频率和强度在不断增加，少数矿井频繁发生矿震煤尘爆炸危险普遍存在，危害严重全国煤矿中，具有煤尘爆炸危险的矿井占煤矿总数的60％以上，煤尘爆炸指数在45％以上的煤矿占16.3％。国有重点煤矿中具有煤尘爆炸危险性的煤矿占87.37％，其中具有强爆炸性的占60％以上。我国煤矿的自然条件

水文地质条件复杂，水害制约安全生产

我国大中型煤矿中，水文地质条件属于复杂或极复杂类型的煤矿占25.04%。煤矿热害已成为矿井新的灾害

1999年，70处大中型生产井工煤矿的采掘工作面最高气温超过《煤矿安全规程》的要求，其中26处超过30℃，最高达到37℃。随着开采深度的增加、围岩温度提高，矿井热害问题越来越突出。职业危害严重

据卫生部统计，2002年底，中国尘肺病累计病例达到万人，其中仍然存活者44万多人。2002年，全国共报尘肺病患者12448例，其中煤矿系统的尘肺病例占47.6%(仅为原国有重点煤矿病例数，不包括地方煤矿和乡镇煤矿)。每年尘肺病造成的直接经济损失达80亿元人民币。2003年，全国产煤17.4亿吨，其中地方煤矿和乡镇煤矿占9亿吨，占一半多。专家认为，全国估计有120多万尘肺病患者，这意味着每1000个中国人中就有一个尘肺病患者。超能力、超强度开采

一些煤矿为了追求利润，急功近利，不惜拚人力，搞人海战术，无设计或不按设计施工作业，在局部区域内布置很多采掘工作面，导致井下一个班作业人员高达数百人。由于生产组织集中，导致事故扩大，伤亡惨重。河北承德暖儿河煤矿在513工作面布置上、下2个回采工作面，在走向长和倾斜宽都不到70米的区域内，采掘工作面和切眼多达9个，导致风流短路，致使513下采煤工作面瓦斯积聚发生爆炸事故，死亡50人。广东梅州市大兴煤矿井下布置46个采掘工作面，乱采乱挖，十分混乱。不少竟是文盲，不懂规程，难以实施有效管理。违法违规组织生产现象严重

一些煤矿矿主为追求高额利润，无视国家法律法规，铤而走险，抗拒执法，无证或证照不全违法组织生产，超层越界开采。据统计，2005年58起特大事故中有8起是超层越界开采造成的。

1本课程内容结构及考核方式研究对象煤矿瓦斯瓦斯特性赋存介质一般涌出特殊涌出灾害能源喷出突出防治不防治瓦斯灾害防治技术措施瓦斯爆炸瓦斯抽采瓦斯利用课程考核方式通风专业统招：平时30考试70%通风专业定向：平时20实验10考试70%1瓦斯的概念概念：井下从煤岩中涌出的以甲烷（CH4）为主的有毒、有害气体的总称，有时单独指甲烷。来源：主要来源于煤层及围岩内涌出到矿井中的气体。此外，矿井生产中产生的气体如放炮产生的炮烟等，井下空气与煤、岩、矿用材料等反应生成的气体，井下人员呼吸生成的气体也是矿井瓦斯重要来源。瓦斯赋存与含量

课题一：瓦斯基本知识瓦斯赋存与含量

课题一：瓦斯基本知识来源：

(1)煤岩内赋存的气体

(2)生产过程中产生的气体

(3)井下空气与矿物及其他材料反应产生的气体

(4)放射性物质衰变产生惰性气体氡（放射性）和氦2瓦斯的性质瓦斯赋存与含量

课题一：瓦斯基本知识化学式：CH4分子量：16.042kg/kmol密度：0.7168kg/m3沸点：-161.7℃（0.1MPa下）液态密度：415kg/m3水中的溶解度：55.6l/m3发热量：8568大卡/m3分子直径：0.41×10-9m分子体积：22.36m3/kmol对空气的比重：0.5545溶点：-182.5℃扩散系数：0.196cm2/s空气中的爆炸下限：5%空气中的爆炸上限：15%

污染环境，加剧大气“温室效应”：21倍/7倍可造成瓦斯窒息事故●瓦斯浓度≥43%时，呼吸短促●瓦斯浓度达≥57%时，即刻昏迷可酿成瓦斯燃烧事故●瓦斯浓度低于≤5%或≥15%

引起瓦斯爆炸事故●瓦斯浓度在5～15%

产生煤与瓦斯突出事故3瓦斯研究背景

之一：瓦斯的危害性

瓦斯利用可以获得直接效益出售减排碳指标抽采利用财政补贴和税收减免减排减少的污染罚款促进抽采带来的安全和煤炭开采效益3瓦斯研究背景

之二：瓦斯利用的效益中国煤矿瓦斯对空直接排放量约135亿m3直排低浓度瓦斯中约含15亿m3的纯甲烷，相当于180万t标准煤，如将其用来发电，每年可发电4亿kWh，节约电费20亿元。中国煤矿瓦斯对空排放量占全部工业生产排放甲烷量的1/3，占中国年总温室气体排放量的近5%。5%~25%的低浓度瓦斯极容易爆炸,如果及时抽采用于利用，将很大程度地消除这一煤矿安全生产隐患。瓦斯利用节约能源环境保护安全生产3瓦斯利用技术研究背景

之三：我国瓦斯利用现状低浓度煤矿瓦斯直接利用技术低浓度瓦斯氧化技术民用/工业燃气CNG清洁能源汽车LNG瓦斯液化技术低浓度瓦斯发电技术高浓度煤矿瓦斯直接利用技术GH瓦斯固化技术PSA技术LNG技术GH技术4瓦斯直接利用技术

之一：低浓度瓦斯发电技术瓦斯发电原理：井下抽采瓦斯与空气混合后，在发电机燃烧室(汽缸)内发生爆燃，推动活塞往复运动做功，将爆燃热能转换为机械能；发动机与发电机通过弹性连轴器连接,将动力传给发电机，将机械能转化为电能。低浓度瓦斯发电(瓦斯浓度6%~25%)低浓度瓦斯输送工艺流程是：瓦斯经水位自控水封阻火器和瓦斯专用干式阻火器，进入细水雾变送管道与细水雾混合输送。4瓦斯直接利用技术

之二：低浓度瓦斯氧化技术

流向变换催化燃烧技术将预热、反应和热量回收三个部分集成在一个设备内，将低浓度瓦斯或矿井通风气（甲烷浓度0.5~6.0vol%）中甲烷的燃烧热安全、高效地转化为中压蒸汽或进一步用于发电，一方面回收了巨量低浓度甲烷的化学能，另一方面减少了温室气体甲烷的排放，可用于清洁发展机制的碳交易产生经济效益。

国内，北京化工大学对流向变换催化反应技术进行了十多年的系统研究，近年在小型中试规模（催化剂装填量1升）上开展了0.5~6.0vol%低浓度甲烷流向变换催化燃烧的研究，效果非常显著；在甲烷浓度1.0%的条件下，反应混合物最高温度即可达750度，完全可以作为中压废热锅炉的热源利用。这项技术的研究我国走在前列，通过专利授权搜索，未发现国际专利。4瓦斯直接利用技术

之三：民用/工业燃气→以晋煤集团为例2008年，已形成瓦斯井1400口，产气能力6亿立方米；投入运行339口，单井日产近2500立方米，日总产气量80万立方米。利用量抽采量地面钻井2007年：地面利用量1.06亿立方米2007年：地面抽采量2.1亿立方米2007年，达到880口晋煤集团瓦斯项目寺河矿地面本煤层预抽采泵站的抽采能力为2亿m3/a，井下采空区抽采泵站抽采能力为1亿m3/a。地面泵站安装了6台CBF710型水环式真空泵。井下泵站安装了5台2BE1-705水环式真空泵。丰城合作区两淮煤田沁水盆地河东合作区准格尔合作区准南煤田瓦斯输送途径之一：管道灌装压缩煤层瓦斯气的运输槽车

瓦斯压缩机车间瓦斯输送途径之二：压缩车载利用瓦斯的回转窑居民燃气燃气锅炉燃用瓦斯生产陶瓷4瓦斯直接利用技术

之四：CNG清洁能源汽车

被称为绿色汽车，在环保方面具有显著效益。与使用汽油作为动力相比较，汽车尾气中的CO可减少97%，碳氢化合物减少72%，二氧化硫减少90%，噪声减少40%，导致人体呼吸道疾病及癌症的苯、铅粉尘等减少100%。汽车燃“气”与燃“油”相比，一、每年可节约40%至50%的费用；二、可大幅减少CO等污染物的排放。CNG技术是利用气体的可压缩性，将15～25MPa高压瓦斯作为一种理想的车用替代能源。

CNG加气站的主要设备包括压缩机、储罐、控制系统及加气机等。瓦斯经压缩机从供气管路抽气并直接通过加气机的软管送入加气汽车的CNG钢瓶之中。4瓦斯直接利用技术

之五：LNG瓦斯液化技术

低温液化后的煤层气体积缩小625倍，一台35立方米的标准液化气槽车可运输21000标方煤层气，相当于8个标准气井的全部日产量。液化槽车是“高速公路上的天然气管道”，“通公路的地方就通液化天然气”，“液化技术为煤层气装上了轮子”。液化后便于进行经济可靠的运输。储存效率高、占地少、投资省。建成1MPa的6座l000m3的天然气球罐的投资，要比建成1座储气量相当的0.5MPa的100m3LNG储罐的投资高出80倍之多。有利于城市负荷的平衡调节。目前，在美国、日本、欧洲已建成投产100多座LNG调峰装置。LNG可作为优质的车用燃料。瓦斯成因生物化学成气时期煤化变质作用时期1瓦斯的生成煤矿瓦斯--杀手.wmv从图中可以看出，CH4的生成是个连续相，即在整个变质阶段的各个时期都不断地有CH4生成，只是各阶段生成的数量有较大的波动而已；但是，重烃的生成则是个不连续相。实践表明，这个以人工热演化产生瓦斯为基础的模型与实测的结果在趋势上是一致的。瓦斯生成的影响因素及其分折1煤岩组分煤的有机显微组分可以分为镜质组(镜质体)、惰质组（丝质体）和壳质组（角质体）。这些组分产烃的能力大小次序是壳质组＞镜质组＞惰质组，其结果见表1-1-2。

实际资料证实：煤岩组分与瓦斯吸附量之间存在着十分清楚的依附关系，即甲烷吸附量随着煤不同的煤化作用阶段而发生变化(如图1-2-1所示)。

从图中可以看出，镜质组在肥煤阶段甲烷吸附量最小，肥煤以后吸附量迅速增加，并在焦煤、瘦煤阶段以后超过惰质组。因此，肥煤阶段是镜质组甲烷吸附量的一个转折点；惰质组的甲烷吸附量是随着煤化作用程度的提高而呈直线型缓慢增长。2煤化作用程度及其变质分带

◆第一，煤层瓦斯的伴生量直接依赖于煤化作用程度；

◆第二，随着煤化作用程度的加深，煤的气体渗透率下降，煤的储气能力提高，气体沿煤层向地表运移能力减弱；

◆第三，煤化作用程度越高，煤中微孔隙和超微孔隙所占比例提高，煤的吸附能力增强。

在成煤初期，褐煤的结构疏松，孔隙率大、瓦斯分子能渗入煤体内部，但是，由于该阶段瓦斯生成量较少且不易保存，煤中实际所含瓦斯量并不大。在变质作用过程中，由于地应力的作用，煤的孔隙率减少，煤质渐趋致密，如长焰煤，其孔隙和表面积都比较小，所以吸附瓦斯的能力并不大。

随着变质作用程度提高，在高温、高压作用下，煤体内部因干馏作用而生成许多微孔隙，使煤的表面积到无烟煤时为最大；因此，无烟煤吸附瓦斯的能力最强。以后，煤体内部的微孔又收缩、减少，到石墨时变为零，从而导致吸附瓦斯能力消失(如图1-2-1所示)。

变质作用总的规律表现为：

◆晚古生代以中、高煤化煤占较大比例，尚未发现低煤化煤如褐煤；

◆中生代虽有褐煤，但以中、低煤化煤为主，并伴随有高煤化烟煤以至无烟煤；

◆第三纪则不仅有褐煤，而且也有低煤化烟煤。因此，目前的研究结果基本上反映出成煤时期越久，经历的地质历史越长，煤化作用程度就越高的趋势。

◆从地区上看，大致在北纬38°以北，包括东北地区和西北大部分地区，基本上是以褐煤和低、中煤化作用烟煤为主；

◆而北纬38°以南的华北地区则具有各种变质作用程度的烟煤和无烟煤；

◆西南地区主要是中、高煤化烟煤赋存的地区，而东南地区则以高煤化烟煤和无烟煤占优势。这种分布规律与煤矿瓦斯分布有一定的吻合性，其具体表现在西北地区为低、中瓦斯区，华北地区为中瓦斯区，而华南地区则为高瓦斯区。■以上事实表明，煤化作用分带在一定程度上影响着煤层瓦斯的生成与赋存。1.1瓦斯在煤体内赋存状态瓦斯在煤体内存在状态吸附瓦斯游离瓦斯吸收状态吸着状态以自由气体分子存在于煤体或围岩的较大裂隙、孔隙和空洞之中。在与颗粒固体在分子之间引力作用下，被吸着在煤体孔隙的内表面上。瓦斯分子进入煤体颗粒结构内部，与煤体固体分子相结合。1瓦斯的生成及赋存1.2、煤层瓦斯垂向分带：当煤层直达地表或直接为透气性较好的第四系冲积层覆盖时，由于煤层中瓦斯向上运移和