1-1煤層瓦斯的基礎(chǔ)概念及瓦斯生成(第一次課)

1、礦井瓦斯防治安全工程教研室安全工程教研室 韋善陽韋善陽(博士博士)郵箱：郵箱：手機：手機：187130001092講課：講課：礦井瓦斯防治礦井瓦斯防治課程介紹課程介紹授課：瓦斯基礎(chǔ)概念及其生成授課：瓦斯基礎(chǔ)概念及其生成礦井瓦斯防治課程介紹3（1）課程性質(zhì)）課程性質(zhì)（2）選用教材選用教材（3）教學(xué)內(nèi)容教學(xué)內(nèi)容（4）教學(xué)方法與手段教學(xué)方法與手段（5）學(xué)習方法及考核方式）學(xué)習方法及考核方式。 45（2 2）教材選擇）教材選擇重點大學(xué)教材重點大學(xué)教材主編：蔣承林、楊勝強出版日期：2013-06出版社：中國礦業(yè)大學(xué)出版社 6主要參考資料： 1礦井災(zāi)害防治理論與技術(shù) ， 俞啟香主編，中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2

2、008 2 礦井瓦斯防治技術(shù)孫和應(yīng) 常松嶺 中國礦業(yè)大學(xué)出版社 ，2009礦井瓦斯防治1.礦井瓦斯基礎(chǔ)知識（4）（3 3）講授內(nèi)容（）講授內(nèi)容（2828）實驗）實驗(4)(4)2.礦井瓦斯涌出（4）4.礦井瓦斯爆炸及預(yù)防 （4）3.煤與瓦斯突出及其防治（8）5.礦井瓦斯的抽放（6）6.瓦斯事故調(diào)查分析（2）實驗： 1、 礦井瓦斯基礎(chǔ)參數(shù)的測定（1*2） 2、突出預(yù)測預(yù)報參數(shù)測定（1*2） 授課：8（4 4）教學(xué)方法與手段）教學(xué)方法與手段 教學(xué)方法：啟發(fā)式、探究式、討論式等。教學(xué)方法：啟發(fā)式、探究式、討論式等。 教學(xué)手段：多媒體教學(xué)手段：多媒體( (視頻視頻+PPT)+PPT)，黑板板書。，黑板

3、板書。（5 5）學(xué)習方法、作業(yè)安排及考核方式）學(xué)習方法、作業(yè)安排及考核方式 學(xué)習方法：勤觀察、勤思考、勤練習；學(xué)習方法：勤觀察、勤思考、勤練習； 作業(yè)安排：課后思考題、重點章節(jié)布置作業(yè)。作業(yè)安排：課后思考題、重點章節(jié)布置作業(yè)。 考核方式：總成績考核方式：總成績=30%=30%平時（平時（10%10%實驗）實驗）+70%+70%考試?？荚?。（6 6）課堂要求：按時上下課，記筆記，衣著整潔。）課堂要求：按時上下課，記筆記，衣著整潔。瓦斯基礎(chǔ)概念及其生成瓦斯基礎(chǔ)概念及其生成一、瓦斯基礎(chǔ)概念一、瓦斯基礎(chǔ)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、瓦斯生成的母質(zhì)三、瓦斯生成的母質(zhì)

4、(了解了解)四、生物化學(xué)時期瓦斯的生成四、生物化學(xué)時期瓦斯的生成 (了解了解)五、煤化變質(zhì)作用時期瓦斯的生成五、煤化變質(zhì)作用時期瓦斯的生成 (掌握掌握)六、影響礦井瓦斯生成的因素六、影響礦井瓦斯生成的因素(掌握掌握)礦井瓦斯的概念與性質(zhì)礦井瓦斯的概念與性質(zhì)一、礦井瓦斯的含義一、礦井瓦斯的含義廣義：廣義：井下除正?？諝獾拇髿獬煞菀酝?，涌向采井下除正?？諝獾拇髿獬煞菀酝?，涌向采礦空間的各種有毒、有害氣體總稱。礦空間的各種有毒、有害氣體總稱。狹義：狹義：煤礦生產(chǎn)過程中從煤、巖內(nèi)涌出的，以甲煤礦生產(chǎn)過程中從煤、巖內(nèi)涌出的，以甲烷為主要成份的混合氣體總稱。烷為主要成份的混合氣體總稱。 礦井瓦斯成分很復(fù)雜

5、，其主要成分是甲烷礦井瓦斯成分很復(fù)雜，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) )和氮氣和氮氣(N(N2 2) )，還含有少量或微量，還含有少量或微量的重烴類氣體（乙烷、丙烷、丁烷、戊烷等）、氫的重烴類氣體（乙烷、丙烷、丁烷、戊烷等）、氫（H H2 2）、一氧化碳（）、一氧化碳（COCO）、二氧化硫）、二氧化硫(SO(SO2 2) )、硫化氫、硫化氫(H(H2 2S)S)等。等。 由于甲烷（俗稱沼氣）是礦井瓦斯的主要成分，由于甲烷（俗稱沼氣）是礦井瓦斯的主要成分，因而人們習慣上所說的瓦斯，通常指甲烷而言。因而人們習慣上所說的瓦斯，通常指甲烷而言

6、。礦井瓦斯的概念與性質(zhì)礦井瓦斯的概念與性質(zhì)來源：來源： （1 1）煤、巖層涌出（烷烴、環(huán)烷烴、芳香烴）；）煤、巖層涌出（烷烴、環(huán)烷烴、芳香烴）； （2 2）生產(chǎn)過程中產(chǎn)生（）生產(chǎn)過程中產(chǎn)生（COCO2 2、NONO2 2、HH2 2等）等） （3 3）井下化學(xué)、生物化學(xué)反應(yīng)生成）井下化學(xué)、生物化學(xué)反應(yīng)生成 （COCO2 2、HH2 2S S、SOSO2 2）；）； （4 4） 放射性元素蛻變過程生成（放射性元素蛻變過程生成（RnRn、HeHe等）等）二、二、CH4的性質(zhì)的性質(zhì) 無色、無味、無嗅的氣體，可燃燒、爆炸；無色、無味、無嗅的氣體，可燃燒、爆炸； 分子量：分子量：16.04916.049

7、，分子直徑：，分子直徑：0.41nm0.41nm， 密度：密度：0.716Kg/m0.716Kg/m3 3（氣態(tài)）、（氣態(tài)）、 424.5 Kg/m424.5 Kg/m3 3（液（液態(tài)）態(tài)） 相對空氣密度：相對空氣密度：0.554,0.554, 難溶入水難溶入水: : 在在101.3 KPa , 20101.3 KPa , 20條件下條件下 , , 3.31l/100lH3.31l/100lH2 2O O三、三、 CH4的危害及其經(jīng)濟價值的危害及其經(jīng)濟價值 1 1、危害性、危害性 （1 1） 燃燒、爆炸燃燒、爆炸 （2 2）窒息）窒息 （3 3）噴出、突出）噴出、突出2、重要能源、重要能源 C

8、H4 + 2O2 CO2 + 2H2O + Q 1m3CH4 37022.2kJ 相當于相當于11.5Kg煙煤煙煤 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 相當于相當于11.5Kg煙煤。煙煤。 重要的化工原料。重要的化工原料。1.2 煤層瓦斯的成因煤層瓦斯的成因 有機源氣體有機源氣體-腐植有機物（高等植物）成煤過程。腐植有機物（高等植物）成煤過程。煤層瓦斯是腐植型有機物（植物）在成煤過程中生成的煤層瓦斯是腐植型有機物（植物）在成煤過程中生成的 兩個階段：兩個階段： （1）生物化學(xué)階段（從植物遺體

9、到泥炭）生物化學(xué)階段（從植物遺體到泥炭） 4C6H10O5 7CH4 + 8CO2 + C9H6O + 3H2O 特點：埋藏淺，覆蓋層膠結(jié)不好，煤層保存氣體少特點：埋藏淺，覆蓋層膠結(jié)不好，煤層保存氣體少。隔絕空氣隔絕空氣微生物微生物（纖維素）（纖維素）一、瓦斯生成概述一、瓦斯生成概述1. 我國史書對瓦斯的記載 瓦斯，這一煤炭生成過程中的伴生物，早在15世紀就開始為人們所認識。我國明代宋應(yīng)星在天工開物(1637年)一書中曾介紹，煤層中存在著一種能使人窒息和可燃爆的氣體，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. 國外對瓦斯的認識 16世紀末，英國和其他西歐國家在采煤時，也

10、遇到了“有害的”氣體，但并未引起人們的重視。直到18世紀初期英國有的礦井開始發(fā)生瓦斯爆炸、1839年美國煤礦發(fā)生瓦斯爆炸及后來斷斷續(xù)續(xù)又發(fā)生的許多次爆炸，導(dǎo)致了人員和設(shè)備財產(chǎn)的嚴重損失后，才逐漸引起人們的重視并開始研究爆炸的原因及應(yīng)采取的防范措施。 但是，有關(guān)瓦斯生成及來源的問題，直到20世紀40年代才開始逐步引起人們的重視，并對此進行研究。 一、瓦斯生成概述一、瓦斯生成概述3. 瓦斯的生成過程 古代植物遺體在形成泥炭過程中，由于厭氧菌的作用，植物的纖維分解、發(fā)酵，逐漸生成腐植酸和瀝青質(zhì)，同時生成瓦斯；此后，在煤的炭化變質(zhì)過程中，隨著化學(xué)成分和結(jié)構(gòu)的變化，泥炭轉(zhuǎn)變成褐煤、煙煤和無煙煤，同時繼續(xù)

11、有大量瓦斯伴隨生成。瓦斯的生成和煤的形成同時進行且貫穿于整個成煤過程中，在長期的地質(zhì)年代里，由于地層變動造成的斷裂和裂隙,部分瓦斯逸散到大氣中去,另一部分則被保存在煤體和圍巖之中。一、瓦斯生成概述一、瓦斯生成概述4. 瓦斯生成的兩個主要成氣時期 煤礦井下的瓦斯是成煤的煤化作用過程中伴生的。煤的原始母質(zhì)沉積以后，一般經(jīng)歷2個成氣時期： 從植物遺體到泥炭的生物化學(xué)成氣時期和在地層的高溫高壓作用下從褐煤直到無煙煤的煤化變質(zhì)作用成氣時期。 二、瓦斯生成的母質(zhì)二、瓦斯生成的母質(zhì) 瓦斯的成氣母質(zhì)可分為高等植物在成煤過程中形成的腐植質(zhì)和低等植物在成煤過程中形成的腐泥質(zhì)2大類，它們在成煤和成氣過程中的差異，構(gòu)

12、成了各自特有的的特點， 二、瓦斯生成的母質(zhì)二、瓦斯生成的母質(zhì)三、生物化學(xué)時期瓦斯的生成三、生物化學(xué)時期瓦斯的生成1. 成氣條件 成煤的原始有機物堆積在沼澤相環(huán)境中，在溫度不超過65的條件下，成煤原始物質(zhì)經(jīng)厭氧微生物分解成瓦斯。 三、生物化學(xué)時期瓦斯的生成三、生物化學(xué)時期瓦斯的生成2. 成氣過程這個過程可用纖維素的化學(xué)反應(yīng)式表示如下：OHCOHCOCHOHC6922451063874纖維素類煙煤隔絕空氣、微生物作用三、生物化學(xué)時期瓦斯的生成三、生物化學(xué)時期瓦斯的生成3. 特點 在這個階段，成煤物質(zhì)生成的泥炭層埋深淺，上覆蓋層的膠結(jié)固化不好，生成的瓦斯通過滲透和擴散容易排放到古大氣中去，因此，生化

13、作用時期生成的瓦斯一般不會保留在現(xiàn)有煤層內(nèi)。 此后，隨著泥炭層的下沉，上覆蓋層越來越厚，成煤物質(zhì)中的溫度和所受壓力也隨之增高，生物化學(xué)作用逐漸減弱直至結(jié)束，在較高的壓力與溫度作用下泥炭轉(zhuǎn)化成褐煤，并逐漸進入煤化變質(zhì)作用階段。 四、煤化變質(zhì)時期瓦斯的生成四、煤化變質(zhì)時期瓦斯的生成1. 成氣條件 褐煤層進一步沉降，便進入煤化變質(zhì)作用造氣階段。在100高溫及相應(yīng)地層壓力作用下，煤體會產(chǎn)生強烈的熱力變質(zhì)作用，生成大量CO2、CH4、H2O等揮發(fā)性氣體。泥炭泥炭 褐煤褐煤 煙煤煙煤 無煙煤無煙煤 四、煤化變質(zhì)時期瓦斯的生成四、煤化變質(zhì)時期瓦斯的生成2. 成氣過程（化學(xué)反應(yīng)式）四、煤化變質(zhì)時期瓦斯的生成四

14、、煤化變質(zhì)時期瓦斯的生成2. 成氣過程（分子結(jié)構(gòu)變化）四、煤化變質(zhì)時期瓦斯的生成四、煤化變質(zhì)時期瓦斯的生成3. 特點 褐煤到無煙煤，煤的變質(zhì)程度越高，生成的瓦斯量也越多，但各個變質(zhì)階段，生成的氣體組分不僅不同，而且數(shù)量上也有很大差別。 0 01 10 00 02 20 00 03 30 00 04 40 00 05 50 00 0泥泥煤煤褐褐煤煤長長焰焰煤煤氣氣煤煤肥肥煤煤焦焦煤煤瘦瘦煤煤貧貧煤煤無無煙煙煤煤煤煤 化化 階階 段段甲甲烷烷生生成成量量（m m3 3/ /t t）四、煤化變質(zhì)時期瓦斯的生成四、煤化變質(zhì)時期瓦斯的生成蘇聯(lián)學(xué)者B.A.索科洛夫等人給出的腐植型有機煤在變質(zhì)作用階段成氣的

15、一般模式如圖。四、煤化變質(zhì)時期瓦斯的生成四、煤化變質(zhì)時期瓦斯的生成 特點：特點： （1）碳化過程生成的大量氣體。）碳化過程生成的大量氣體。 初期：主要為初期：主要為CO2，CH4不多。隨著碳化程度的提高，不多。隨著碳化程度的提高，CO2減少，減少，CH4增多，同時生成重烴。增多，同時生成重烴。 （2）碳化的同時，煤的物質(zhì)分子式、結(jié)構(gòu)發(fā)生變化；）碳化的同時，煤的物質(zhì)分子式、結(jié)構(gòu)發(fā)生變化； （3）因覆蓋層增厚，生成的氣體大多得以保存。但煤層）因覆蓋層增厚，生成的氣體大多得以保存。但煤層瓦斯含量遠小于生成量。瓦斯含量遠小于生成量。 減少的原因：減少的原因： 1）地質(zhì)構(gòu)造運動；）地質(zhì)構(gòu)造運動； 2）運

16、移到適于貯存地點，形成氣藏；）運移到適于貯存地點，形成氣藏； 3）溶解于水中（長久地質(zhì)年代過程中）；）溶解于水中（長久地質(zhì)年代過程中）； 4）逸散于大氣中（從煤層露頭）。）逸散于大氣中（從煤層露頭）。五、影響礦井瓦斯生成的因素五、影響礦井瓦斯生成的因素1 煤巖組分 煤是一種固體可燃有機巖，其巖石組成比較復(fù)雜。煤巖組分是組成煤的基本單元，可分成鏡質(zhì)組、絲質(zhì)組和殼質(zhì)組。從煤巖學(xué)角度看，煤層瓦斯的生成取決于成煤作用和煤巖組分。在同一變質(zhì)階段，相對絲質(zhì)組而言，鏡質(zhì)組碳含量少、氫含量多，揮發(fā)分產(chǎn)率高，瓦斯生成量大，植物結(jié)構(gòu)保存程度低。殼質(zhì)組在整個成煤過程中都產(chǎn)生瓦斯，其揮發(fā)分產(chǎn)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、影響礦井瓦斯生成的因素五、影響礦井瓦斯生成的因素2 煤的變質(zhì)程度及變質(zhì)分帶 在煤化變質(zhì)作用