第08章-矿井瓦斯

1、本章主要内容和学习重点,掌握瓦斯的基本概念及赋存形式； 明确瓦斯灾害防治基本思路和需要注意的问题 瓦斯动力学灾害 瓦斯爆炸 瓦斯抽采,瓦斯基本概念、瓦斯突出、瓦斯抽采、瓦斯爆炸,学习重点,第一节 矿井瓦斯概述,矿井瓦斯,矿井瓦斯是煤矿生产过程中，从煤、岩内涌出的各种气体的总称。煤矿术语中的瓦斯指的就是甲烷。 物理化学性质。无色、无味、无毒、比空气轻，微溶于水。 危害：爆炸，突出，人员窒息、温室效应。 作用：能源、化工原料。,第二节 煤层瓦斯赋存与含量,一、矿井瓦斯的生成,瓦斯的赋存与含量,煤层瓦斯是腐植型有机物（植物）在成煤过程中生成的。 成气过程两个阶段：,第一阶段为生物化学成气时期（泥炭化

2、时期） 第二阶段为煤化变质作用时期（煤化变质时期）,二、瓦斯在煤体内存在的状态,煤层中瓦斯赋存两种状态：游离状态 吸附状态（吸着状态、吸收状态）,游离状态瓦斯 1020%,吸附状态瓦斯 8090%,第二节 煤层瓦斯赋存与含量,-1000m,-800m,-600m,-400m,-200m,形成原因(1)煤层中顺层孔隙比径向孔隙发育；(2)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地面空气向煤层中渗透，使煤层内的瓦斯呈现出垂直分带特征。 四带： CO2- N2带、N2带、N2CH4带、CH4带。,三、瓦斯垂直分带,第二节 煤层瓦斯赋存与含量,瓦斯风化带下界深度确

3、定依据：可以根据下列指标中的任何一项确定。 （1）煤层的相对瓦斯涌出量等于23m3/t处； （2）煤层内的瓦斯组分中甲烷及重烃浓度总和达到80%（体积比）； （3）煤层内的瓦斯压力为0.10.15MPa； （4）煤的瓦斯含量达到下列数值处：长焰煤1.01.5 m3/t（C.M.），气煤1.52.0m3/t（C.M.），肥煤与焦煤2.02.5m3/t(C.M)，瘦煤2.53.0m3/t(C.M.)，贫煤3.04.0m3/t(C.M.)，无烟煤5.07.0m3/t(C.M.)（此处的C.M.是指煤中可燃质既固定碳和挥发分）,三、瓦斯垂直分带,划分的意义：掌握本煤田煤层瓦斯垂直分带的特征，是搞好矿井

4、瓦斯涌出量预测和日常瓦斯管理工作的基础。,第二节 煤层瓦斯赋存与含量,煤的瓦斯含量是指单位体积或重量的煤在自然状态下所含有的瓦斯量（标准状态下的瓦斯体积），单位为 m3/m3(cm3/cm3)或 m3/t(cm3/g)。 主要影响因素： 1、煤的吸附特性 煤的吸附性能决定于煤化程度， 一般情况下煤的煤化程度越高，存储瓦斯的能力越强。 2、煤层露头 3、煤层的埋藏深度 -深，瓦斯大 4、围岩透气性、泥岩、完整石灰岩低透气性 5、煤层倾角-大，瓦斯小，小，瓦斯大 6、地质构造-封闭地质，瓦斯大，开放的，瓦斯小 7、水文地质条件-水流，带走瓦斯,四、瓦斯含量,第二节 煤层瓦斯赋存与含量,煤层的瓦斯压

5、力是处于煤的裂隙和孔隙中的游离瓦斯分子热运动撞击所产生的作用力。 煤层瓦斯压力是决定煤层瓦斯含量、瓦斯流动动力高低以及瓦斯动力现象的基本参数。 瓦斯压力测定：打钻、封孔、测压 瓦斯带内瓦斯压力变化规律：末受采动影响的煤层内的瓦斯压力，随深度的增加而有规律地增加，可以大于、等于或小于静水压。,五、瓦斯压力,第二节 煤层瓦斯赋存与含量,瓦斯压力梯度： 则 或,煤瓦斯涌出形式,第三节 矿井瓦斯涌出与喷出,长时间地、均匀地从煤体中涌出瓦斯。,一、普通涌出,时间上：连续不断 空间上：普遍存在 涌出强度：缓慢、均匀,二、特殊涌出,矿井生产过程中，在某些特定地点、突然地于一段时间内大量涌出瓦斯的现象。,时间

6、上：突然地、间隔的 空间上：非普遍存在 涌出强度：产生动力破坏,瓦斯涌出量,第三节 矿井瓦斯涌出与喷出,瓦斯涌出量指在矿井建设和生产过程中从煤与岩石内涌出的瓦斯量。,一、定义,二、瓦斯涌出量表示方法,单位时间涌出的瓦斯体积，单位为m3/d或m3/min： Qg=QC/100,绝对瓦斯涌出量,相对瓦斯涌出量,qg=Qg/A,影响瓦斯涌出的因素,第三节 矿井瓦斯涌出与喷出,决定于自然因素和开采技术因素的综合影响。,(一) 自然因素 1、煤层和围岩的瓦斯含量， 2、地面大气压变化。 （二）开采技术因素 1、开采规模产量与瓦斯涌出量的关系复杂 2、开采顺序与回采方法 -先开采，大；回采率低，大；顶板管

7、理 3、生产工艺-初期大，呈指数下降 4、风量变化-单一煤层，随风量减而增，煤层群 5、采区通风系统 6、采空区的密闭质量,矿井瓦斯涌出来源的分析与分源治理,第三节 矿井瓦斯涌出与喷出,按划分目的不同，对矿井瓦斯来源划分为三种方式：,按掘进区、回采区和已采区来划分,按开采区、临近区划分,按水平、翼、采区来进行划分,它作为风量分配的依据之一。,它是日常治理瓦斯工作的基础。,它是采煤工作面治理瓦斯工作的基础。,瓦斯涌出不均匀系数,第三节 矿井瓦斯涌出与喷出,正常生产过程中，矿井绝对瓦斯涌出量受各种因素的影响其数值是经常变化的，但在一段时间内只在一个平均值上下波动，峰值与平均值的比值称为瓦斯涌出不均

8、系数。,矿井瓦斯涌出不均系数表示为： kg=Qmax/Qa 式中：kg给定时间内瓦斯涌出不均系数； Qmax该时间内的最大瓦斯涌出量，m3/min； Qa该时间内的平均瓦斯涌出量，m3/min；,矿井瓦斯等级,第三节 矿井瓦斯涌出与喷出,瓦斯矿井,高瓦斯矿井：矿井 10m3/t以上 或 40m3/min 掘进3m3/min 或采面5m3/min,煤与瓦斯突出矿井,一、矿井瓦斯等级划分,依据：按照平均日产一吨煤涌出瓦斯量（相对瓦斯涌出量）和瓦斯涌出形式，划分为：,二、矿井瓦斯等级鉴定,每年进行一次，是瓦斯治理治理管理工作的基础。,矿井瓦斯涌出量预测,第三节 矿井瓦斯涌出与喷出,瓦斯涌出量的预测：

9、指根据某些已知相关数据，按照一定的方法和规律，预先估算出矿井或局部区域瓦斯涌出量的工作。,（1）统计预测方法,简易统计法 线性回归法,非线性,瓦斯地质数学模型法 逐步回归数学模型法,多元统计,代表人物,神经网络预测法 基因表达预测法 趋势面预测 灰色理论预测 灰趋势面预测法 模糊分形神经网络预测法,预测方法,张子戌等 王生全等,朱川曲 等 李曲等 张克树等 龙祖根等 袁东升等 曾勇等,矿井瓦斯涌出量预测,第三节 矿井瓦斯涌出与喷出,（2）分源预测方法发展,工作面推进速度,动态分源预测法,比例系数预测法,抚顺分院,“九五”期间,上世纪80年代初,原苏联、波兰、德国、英国、法国,提出,引入前苏联的

10、预测模型,适合我国各矿区的预测模型,修正系数,抚顺分院,矿井瓦斯涌出量预测,第三节 矿井瓦斯涌出与喷出,（3）特性系数法,根据巷道煤壁瓦斯涌出量q和煤壁暴露时间t求出C值,瓦斯涌出量,巷道煤壁瓦斯涌出量；,煤壁暴露时间；,巷道瓦斯涌出特性系数。,瓦斯喷出的分类及特点,第三节 矿井瓦斯涌出与喷出,瓦斯喷出：大量承压状态的瓦斯从煤、岩裂隙中迅速喷出的现象。 特点：时间突然，空间上集中，动力效应。 危害：造成局部地区、采区、一翼充满高浓度瓦斯；窒息、遇火燃能引起瓦斯爆炸、火灾。,地质来源 采掘地压形成,根据瓦斯喷出裂隙呈现原因不同分：,瓦斯喷出的预防,第三节 矿井瓦斯涌出与喷出,预防瓦斯喷出，首先要

11、加强地质工作，查清楚施工地区的地质构造、断层、溶洞的位置、裂隙的位置和走向、以及瓦斯储量和压力等情况，采取相应的预防或处理措施。 分为：,黄泥或水泥沙浆等充填材料堵塞喷出口 可能的喷出地点附近打前探钻孔，探测、排放,第四节 煤与瓦斯突出及其预防,煤与瓦斯突出概述,含义：在极短时间内，从煤岩内以极快速度向采掘空间涌出煤岩和瓦斯。 危害：摧毁巷道、破坏通风系统、人员窒息、煤流埋人。,第四节 煤与瓦斯突出及其预防,煤与瓦斯突出机理,一、突出假说,“瓦斯包”、“多聚甲烷”,瓦斯作用说,地应力作用说,综合作用说,突出主要是地应力、瓦斯、煤的力学性质等因素综合作用结果。,第四节 煤与瓦斯突出及其预防,煤与

12、瓦斯突出机理,二、瓦斯在突出中的作用突出动力之一,（1）瓦斯压力梯度激发突出； （2）连续剥离、破碎煤体； （3）解吸瓦斯形成“风暴” ，破碎、搬运煤体；,三、地应力在突出中的作用突出动力之一,（1）剪切破坏煤体、卸压解吸瓦斯； （2）破碎、剥离煤体； （3）推动破碎煤体移动。,四、煤的物理力学性能在突出中的作用,（1）煤体强度增加能阻碍突出的发生； （2）煤体强度降低时，受压透气性降低，增加瓦斯压力梯度。,第四节 煤与瓦斯突出及其预防,煤与瓦斯突出机理,五、突出发生的条件,1）采掘前方存在较高的瓦斯能和地应力的局部高能量煤体； 2）工作面前方煤层透气性降低，瓦斯压力和地应力梯度大； 3）局部

13、高能煤体与自由面之间的煤体的强度较低； 4）煤体中含有大量的可迅速释放的瓦斯。,第四节 煤与瓦斯突出及其预防,由于地质、采矿原因，煤体内的能量积聚逐渐发展到临界破坏，或过载的脆弱平衡状态。 特点：工作面煤壁内形成高 和 ，呈现出多种有声或无声的预兆。时间有长，有短。,突出过程及特点,一、准备阶段-能量积蓄,特点：地应力状态突然改变。 引发原因：落煤、打钻、修整工作面等,二、激发阶段,第四节 煤与瓦斯突出及其预防,特点： 突出从激发点起向内部连续剥离并破碎煤。 （由地应力和瓦斯压力共同作用） 破碎的煤在不断膨胀的承压瓦斯风暴中边运送，边粉碎，此过程主要是瓦斯内能作功的过程。 煤的剥离与破碎具有脉

14、冲特性，存在多轮回过程。,三、发展阶段,第四节 煤与瓦斯突出及其预防,两种情况突出可能终止： 在剥离与破碎煤体的扩展中遇到较硬的煤体；或地应力和瓦斯压力降低不足以破坏煤体。 突出孔道被堵塞，突出物支撑建立起新的拱平衡；孔洞内瓦斯压力因堵塞而升高， 和 下降 ，不足以破坏煤体。,四、终止阶段,第四节 煤与瓦斯突出及其预防,煤与瓦斯突出分类,按动力现象分： 突出（地应力+瓦斯压力） 压出（地应力） 倾出（重力）,按突出强度分： 小型：煤量小于100t 中型：100500t 大型：5001000t 特大型：1000t以上,按突出时间分： 延期突出 不延期突出,第四节 煤与瓦斯突出及其预防,突出发生的

15、一般规律,突出发生在一定深度以后。始突深度：矿井开始发生突出的最浅深度。不同矿区差别很大。 突出的次数和强度随着煤层厚度，特别是软分层厚度的增加而增加。 突出需具有一定的瓦斯含量和瓦斯压力。 突出煤层的强度低，而且变化大。 突出危险区呈带状分布。 上山掘进比下山掘容易突出，突出次数随着煤层倾角增大而增多。 采掘工作往往可以激发突出。 突出大多有预兆。 突出危险性随着有硬而厚的围岩存在而增高。 石门突出危险性最高。,第四节 煤与瓦斯突出及其预防,煤层开采过程防突程序,1,2,3,4,1,2,3,4,第四节 煤与瓦斯突出及其预防,突出危险性评价及预测指标,一、突出危险程度划分,1）突出矿井和突出煤

16、层 井田范围内发生过突出的煤层或经鉴定有突出危险的煤层为突出煤层。 矿井在开拓、开采范围内有突出危险煤层的矿井为突出矿井。 2）突出危险区和无突出危险区 未经预测的突出煤层视为突出危险区。 3）突出危险工作面和无突出危险工作面 未进行工作面预测的采掘工作面，应当视为突出危险工作面。,第四节 煤与瓦斯突出及其预防,突出危险性评价及预测指标,二、突出煤层鉴定,上述四个指标都达到或超过临界值，即认为突出煤层。,第四节 煤与瓦斯突出及其预防,突出危险性评价及预测指标,三、煤层突出危险性预测指标,第四节 煤与瓦斯突出及其预防,区域防突措施（技术）,定义：指在突出煤层进行采掘前，对突出煤层较大范围采取的防

17、突措施。,第四节 煤与瓦斯突出及其预防,一、预抽煤层瓦斯,地面钻井,穿层钻孔,顺层钻孔,第四节 煤与瓦斯突出及其预防,倾斜、急倾斜煤层控制范围,缓倾斜、近水平煤层控制范围,预抽煤层瓦斯控制范围示意图,第四节 煤与瓦斯突出及其预防,保护层的概念:,二、开采保护层,第四节 煤与瓦斯突出及其预防,开采保护层区域防突措施应当符合下列要求： 开采保护层时，同时抽采被保护层的瓦斯； 开采近距离保护层时，采取措施防止被保护层初期卸压瓦斯突然涌入保护层采掘工作面或误穿突出煤层； 正在开采的保护层工作面超前于被保护层的掘进工作面，其超前距离不得小于保护层与被保护层层间垂距的3倍，并不得小于100m。,第四节 煤

18、与瓦斯突出及其预防,保护层开采结合卸压瓦斯抽放,弯曲下沉带,裂隙带,冒落带,底板瓦斯抽放巷,抽放钻孔,开采煤层,卸压煤层,第四节 煤与瓦斯突出及其预防,被保护层,上保护层,底板巷,底板巷,保护层开采结合卸压瓦斯抽放,第四节 煤与瓦斯突出及其预防,保护层开采理论及应用 保护层开采是预防突出最有效、最经济的区域性预防突出的技术措施。 保护作用过程 保护层开采后，岩体中形成自由空间，破坏了原岩应力平衡，地应力重新分布，上覆岩体向采空区方向移动，发生顶板冒落下沉，底板鼓起，同时产生大小不等的裂隙。 被保护层： 产生“卸压增流效应”。,第四节 煤与瓦斯突出及其预防,保护层防突作用: 地压减少，弹性潜能得

19、以缓慢释放。 煤层膨胀变形，形成裂隙与孔道，透气系数增加。被保护层内的瓦斯能大量排放，瓦斯含量和瓦斯压力都将明显下降。 煤层瓦斯涌出后，煤的强度增加。 所以保护层开采后，不但消除或减少了引起突出的两个重要因素：地压和瓦斯，而且增加了抵御突出的能力因素煤的机械强度。这就使得在卸压区范围内开采被保护层时，不再会发生煤与瓦斯突出。,第四节 煤与瓦斯突出及其预防,三、保护范围划分,保护范围：指保护层开采后，在空间上使危险层丧失突出危险的有效范围。 （1）保护层与被保护层之间的有效层间距,（2） 沿倾斜的保护范围,保护线,第四节 煤与瓦斯突出及其预防,三、保护范围划分,（4）煤柱的影响,（3）沿走向的保

20、护范围-超前距,保护层停采3个月后,保护层正在开采,按完全卸压角范围划分,第四节 煤与瓦斯突出及其预防,煤与瓦斯突出防治局部措施（技术）,1）松动爆破 2）钻孔排放瓦斯(揭煤) 3）水力冲孔 4）超前钻孔(煤巷) 5）金属骨架(揭煤) 6）超前支架(煤巷) 7）卸压槽 8）固化煤体,第四节 煤与瓦斯突出及其预防,“四位一体”防突措施,（1）突出危险性预测； 瓦斯压力 or 瓦斯含量 （2）防治突出措施； 开采保护层 and 预抽煤层瓦斯 （3）防突措施效果检验； 残余瓦斯压力 残余瓦斯含量 煤层顶底板移近量 （4）区域验证。 钻屑瓦斯解吸指标等,1）区域综合防突,2）局部综合防突,（1）突出危

21、险性预测； 钻屑瓦斯解吸指标等 （2）防治突出措施； 排放瓦斯、水力冲孔等 （3）防突措施效果检验； 钻屑瓦斯解吸指标等 （4）安全防护。 避难硐室 压风自救 反向风门,第四节 煤与瓦斯突出及其预防,防突措施防治煤与瓦斯突出流程,P或W,钻屑瓦斯解吸,钻屑瓦斯解吸,钻屑瓦斯解吸,钻屑瓦斯解吸,1,2,3,4,1,2,3,4,第四节 煤与瓦斯突出及其预防,突出预兆,（1）瓦斯异常涌出； （2）地压增大； （3）煤层结构、地质构造； （4）电磁辐射异常； （5）其他，如温度降低等。,第五节 瓦斯抽采,瓦斯抽采概述,规程规定： （1）当回采工作面瓦斯涌出量5m3/min，掘进工作面瓦斯涌出量3m3/min，采用通风方法解决瓦斯问题不合理时。 （2）开采有煤与瓦斯突出矿井。,抽放瓦斯的方法：,按抽放的机理分为：未卸压抽放和卸抽放两类； 按瓦斯的来源分：开采煤层、邻近层、采空区抽放 按汇集瓦斯的方法分为三类。钻孔、巷道抽放、钻孔与巷道综合抽放,第五节 瓦斯抽采,2,第五节 瓦斯