第08章-礦井瓦斯

1、本章主要內(nèi)容和學(xué)習(xí)重點,掌握瓦斯的基本概念及賦存形式； 明確瓦斯災(zāi)害防治基本思路和需要注意的問題 瓦斯動力學(xué)災(zāi)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,學(xué)習(xí)重點,第一節(jié) 礦井瓦斯概述,礦井瓦斯,礦井瓦斯是煤礦生產(chǎn)過程中，從煤、巖內(nèi)涌出的各種氣體的總稱。煤礦術(shù)語中的瓦斯指的就是甲烷。 物理化學(xué)性質(zhì)。無色、無味、無毒、比空氣輕，微溶于水。 危害：爆炸，突出，人員窒息、溫室效應(yīng)。 作用：能源、化工原料。,第二節(jié) 煤層瓦斯賦存與含量,一、礦井瓦斯的生成,瓦斯的賦存與含量,煤層瓦斯是腐植型有機物（植物）在成煤過程中生成的。 成氣過程兩個階段：,第一階段為生物化學(xué)成氣時期（泥炭化

2、時期） 第二階段為煤化變質(zhì)作用時期（煤化變質(zhì)時期）,二、瓦斯在煤體內(nèi)存在的狀態(tài),煤層中瓦斯賦存兩種狀態(tài)：游離狀態(tài) 吸附狀態(tài)（吸著狀態(tài)、吸收狀態(tài)）,游離狀態(tài)瓦斯 1020%,吸附狀態(tài)瓦斯 8090%,第二節(jié) 煤層瓦斯賦存與含量,-1000m,-800m,-600m,-400m,-200m,形成原因(1)煤層中順層孔隙比徑向孔隙發(fā)育；(2)當(dāng)煤層直達地表或直接為透氣性較好的第四系沖積層覆蓋時，由于煤層中瓦斯向上運移和地面空氣向煤層中滲透，使煤層內(nèi)的瓦斯呈現(xiàn)出垂直分帶特征。 四帶： CO2- N2帶、N2帶、N2CH4帶、CH4帶。,三、瓦斯垂直分帶,第二節(jié) 煤層瓦斯賦存與含量,瓦斯風(fēng)化帶下界深度確

3、定依據(jù)：可以根據(jù)下列指標(biāo)中的任何一項確定。 （1）煤層的相對瓦斯涌出量等于23m3/t處； （2）煤層內(nèi)的瓦斯組分中甲烷及重?zé)N濃度總和達到80%（體積比）； （3）煤層內(nèi)的瓦斯壓力為0.10.15MPa； （4）煤的瓦斯含量達到下列數(shù)值處：長焰煤1.01.5 m3/t（C.M.），氣煤1.52.0m3/t（C.M.），肥煤與焦煤2.02.5m3/t(C.M)，瘦煤2.53.0m3/t(C.M.)，貧煤3.04.0m3/t(C.M.)，無煙煤5.07.0m3/t(C.M.)（此處的C.M.是指煤中可燃質(zhì)既固定碳和揮發(fā)分）,三、瓦斯垂直分帶,劃分的意義：掌握本煤田煤層瓦斯垂直分帶的特征，是搞好礦井

4、瓦斯涌出量預(yù)測和日常瓦斯管理工作的基礎(chǔ)。,第二節(jié) 煤層瓦斯賦存與含量,煤的瓦斯含量是指單位體積或重量的煤在自然狀態(tài)下所含有的瓦斯量（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的瓦斯體積），單位為 m3/m3(cm3/cm3)或 m3/t(cm3/g)。 主要影響因素： 1、煤的吸附特性 煤的吸附性能決定于煤化程度， 一般情況下煤的煤化程度越高，存儲瓦斯的能力越強。 2、煤層露頭 3、煤層的埋藏深度 -深，瓦斯大 4、圍巖透氣性、泥巖、完整石灰?guī)r低透氣性 5、煤層傾角-大，瓦斯小，小，瓦斯大 6、地質(zhì)構(gòu)造-封閉地質(zhì)，瓦斯大，開放的，瓦斯小 7、水文地質(zhì)條件-水流，帶走瓦斯,四、瓦斯含量,第二節(jié) 煤層瓦斯賦存與含量,煤層的瓦斯壓

5、力是處于煤的裂隙和孔隙中的游離瓦斯分子熱運動撞擊所產(chǎn)生的作用力。 煤層瓦斯壓力是決定煤層瓦斯含量、瓦斯流動動力高低以及瓦斯動力現(xiàn)象的基本參數(shù)。 瓦斯壓力測定：打鉆、封孔、測壓 瓦斯帶內(nèi)瓦斯壓力變化規(guī)律：末受采動影響的煤層內(nèi)的瓦斯壓力，隨深度的增加而有規(guī)律地增加，可以大于、等于或小于靜水壓。,五、瓦斯壓力,第二節(jié) 煤層瓦斯賦存與含量,瓦斯壓力梯度： 則 或,煤瓦斯涌出形式,第三節(jié) 礦井瓦斯涌出與噴出,長時間地、均勻地從煤體中涌出瓦斯。,一、普通涌出,時間上：連續(xù)不斷 空間上：普遍存在 涌出強度：緩慢、均勻,二、特殊涌出,礦井生產(chǎn)過程中，在某些特定地點、突然地于一段時間內(nèi)大量涌出瓦斯的現(xiàn)象。,時間

6、上：突然地、間隔的 空間上：非普遍存在 涌出強度：產(chǎn)生動力破壞,瓦斯涌出量,第三節(jié) 礦井瓦斯涌出與噴出,瓦斯涌出量指在礦井建設(shè)和生產(chǎn)過程中從煤與巖石內(nèi)涌出的瓦斯量。,一、定義,二、瓦斯涌出量表示方法,單位時間涌出的瓦斯體積，單位為m3/d或m3/min： Qg=QC/100,絕對瓦斯涌出量,相對瓦斯涌出量,qg=Qg/A,影響瓦斯涌出的因素,第三節(jié) 礦井瓦斯涌出與噴出,決定于自然因素和開采技術(shù)因素的綜合影響。,(一) 自然因素 1、煤層和圍巖的瓦斯含量， 2、地面大氣壓變化。 （二）開采技術(shù)因素 1、開采規(guī)模產(chǎn)量與瓦斯涌出量的關(guān)系復(fù)雜 2、開采順序與回采方法 -先開采，大；回采率低，大；頂板管

7、理 3、生產(chǎn)工藝-初期大，呈指數(shù)下降 4、風(fēng)量變化-單一煤層，隨風(fēng)量減而增，煤層群 5、采區(qū)通風(fēng)系統(tǒng) 6、采空區(qū)的密閉質(zhì)量,礦井瓦斯涌出來源的分析與分源治理,第三節(jié) 礦井瓦斯涌出與噴出,按劃分目的不同，對礦井瓦斯來源劃分為三種方式：,按掘進區(qū)、回采區(qū)和已采區(qū)來劃分,按開采區(qū)、臨近區(qū)劃分,按水平、翼、采區(qū)來進行劃分,它作為風(fēng)量分配的依據(jù)之一。,它是日常治理瓦斯工作的基礎(chǔ)。,它是采煤工作面治理瓦斯工作的基礎(chǔ)。,瓦斯涌出不均勻系數(shù),第三節(jié) 礦井瓦斯涌出與噴出,正常生產(chǎn)過程中，礦井絕對瓦斯涌出量受各種因素的影響其數(shù)值是經(jīng)常變化的，但在一段時間內(nèi)只在一個平均值上下波動，峰值與平均值的比值稱為瓦斯涌出不均

8、系數(shù)。,礦井瓦斯涌出不均系數(shù)表示為： kg=Qmax/Qa 式中：kg給定時間內(nèi)瓦斯涌出不均系數(shù)； Qmax該時間內(nèi)的最大瓦斯涌出量，m3/min； Qa該時間內(nèi)的平均瓦斯涌出量，m3/min；,礦井瓦斯等級,第三節(jié) 礦井瓦斯涌出與噴出,瓦斯礦井,高瓦斯礦井：礦井 10m3/t以上 或 40m3/min 掘進3m3/min 或采面5m3/min,煤與瓦斯突出礦井,一、礦井瓦斯等級劃分,依據(jù)：按照平均日產(chǎn)一噸煤涌出瓦斯量（相對瓦斯涌出量）和瓦斯涌出形式，劃分為：,二、礦井瓦斯等級鑒定,每年進行一次，是瓦斯治理治理管理工作的基礎(chǔ)。,礦井瓦斯涌出量預(yù)測,第三節(jié) 礦井瓦斯涌出與噴出,瓦斯涌出量的預(yù)測：

9、指根據(jù)某些已知相關(guān)數(shù)據(jù)，按照一定的方法和規(guī)律，預(yù)先估算出礦井或局部區(qū)域瓦斯涌出量的工作。,（1）統(tǒng)計預(yù)測方法,簡易統(tǒng)計法 線性回歸法,非線性,瓦斯地質(zhì)數(shù)學(xué)模型法 逐步回歸數(shù)學(xué)模型法,多元統(tǒng)計,代表人物,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測法 基因表達預(yù)測法 趨勢面預(yù)測 灰色理論預(yù)測 灰趨勢面預(yù)測法 模糊分形神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測法,預(yù)測方法,張子戌等 王生全等,朱川曲 等 李曲等 張克樹等 龍祖根等 袁東升等 曾勇等,礦井瓦斯涌出量預(yù)測,第三節(jié) 礦井瓦斯涌出與噴出,（2）分源預(yù)測方法發(fā)展,工作面推進速度,動態(tài)分源預(yù)測法,比例系數(shù)預(yù)測法,撫順分院,“九五”期間,上世紀(jì)80年代初,原蘇聯(lián)、波蘭、德國、英國、法國,提出,引入前蘇聯(lián)的

10、預(yù)測模型,適合我國各礦區(qū)的預(yù)測模型,修正系數(shù),撫順分院,礦井瓦斯涌出量預(yù)測,第三節(jié) 礦井瓦斯涌出與噴出,（3）特性系數(shù)法,根據(jù)巷道煤壁瓦斯涌出量q和煤壁暴露時間t求出C值,瓦斯涌出量,巷道煤壁瓦斯涌出量；,煤壁暴露時間；,巷道瓦斯涌出特性系數(shù)。,瓦斯噴出的分類及特點,第三節(jié) 礦井瓦斯涌出與噴出,瓦斯噴出：大量承壓狀態(tài)的瓦斯從煤、巖裂隙中迅速噴出的現(xiàn)象。 特點：時間突然，空間上集中，動力效應(yīng)。 危害：造成局部地區(qū)、采區(qū)、一翼充滿高濃度瓦斯；窒息、遇火燃能引起瓦斯爆炸、火災(zāi)。,地質(zhì)來源 采掘地壓形成,根據(jù)瓦斯噴出裂隙呈現(xiàn)原因不同分：,瓦斯噴出的預(yù)防,第三節(jié) 礦井瓦斯涌出與噴出,預(yù)防瓦斯噴出，首先要

11、加強地質(zhì)工作，查清楚施工地區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造、斷層、溶洞的位置、裂隙的位置和走向、以及瓦斯儲量和壓力等情況，采取相應(yīng)的預(yù)防或處理措施。 分為：,黃泥或水泥沙漿等充填材料堵塞噴出口 可能的噴出地點附近打前探鉆孔，探測、排放,第四節(jié) 煤與瓦斯突出及其預(yù)防,煤與瓦斯突出概述,含義：在極短時間內(nèi)，從煤巖內(nèi)以極快速度向采掘空間涌出煤巖和瓦斯。 危害：摧毀巷道、破壞通風(fēng)系統(tǒng)、人員窒息、煤流埋人。,第四節(jié) 煤與瓦斯突出及其預(yù)防,煤與瓦斯突出機理,一、突出假說,“瓦斯包”、“多聚甲烷”,瓦斯作用說,地應(yīng)力作用說,綜合作用說,突出主要是地應(yīng)力、瓦斯、煤的力學(xué)性質(zhì)等因素綜合作用結(jié)果。,第四節(jié) 煤與瓦斯突出及其預(yù)防,煤與

12、瓦斯突出機理,二、瓦斯在突出中的作用突出動力之一,（1）瓦斯壓力梯度激發(fā)突出； （2）連續(xù)剝離、破碎煤體； （3）解吸瓦斯形成“風(fēng)暴” ，破碎、搬運煤體；,三、地應(yīng)力在突出中的作用突出動力之一,（1）剪切破壞煤體、卸壓解吸瓦斯； （2）破碎、剝離煤體； （3）推動破碎煤體移動。,四、煤的物理力學(xué)性能在突出中的作用,（1）煤體強度增加能阻礙突出的發(fā)生； （2）煤體強度降低時，受壓透氣性降低，增加瓦斯壓力梯度。,第四節(jié) 煤與瓦斯突出及其預(yù)防,煤與瓦斯突出機理,五、突出發(fā)生的條件,1）采掘前方存在較高的瓦斯能和地應(yīng)力的局部高能量煤體； 2）工作面前方煤層透氣性降低，瓦斯壓力和地應(yīng)力梯度大； 3）局部

13、高能煤體與自由面之間的煤體的強度較低； 4）煤體中含有大量的可迅速釋放的瓦斯。,第四節(jié) 煤與瓦斯突出及其預(yù)防,由于地質(zhì)、采礦原因，煤體內(nèi)的能量積聚逐漸發(fā)展到臨界破壞，或過載的脆弱平衡狀態(tài)。 特點：工作面煤壁內(nèi)形成高 和 ，呈現(xiàn)出多種有聲或無聲的預(yù)兆。時間有長，有短。,突出過程及特點,一、準(zhǔn)備階段-能量積蓄,特點：地應(yīng)力狀態(tài)突然改變。 引發(fā)原因：落煤、打鉆、修整工作面等,二、激發(fā)階段,第四節(jié) 煤與瓦斯突出及其預(yù)防,特點： 突出從激發(fā)點起向內(nèi)部連續(xù)剝離并破碎煤。 （由地應(yīng)力和瓦斯壓力共同作用） 破碎的煤在不斷膨脹的承壓瓦斯風(fēng)暴中邊運送，邊粉碎，此過程主要是瓦斯內(nèi)能作功的過程。 煤的剝離與破碎具有脈

14、沖特性，存在多輪回過程。,三、發(fā)展階段,第四節(jié) 煤與瓦斯突出及其預(yù)防,兩種情況突出可能終止： 在剝離與破碎煤體的擴展中遇到較硬的煤體；或地應(yīng)力和瓦斯壓力降低不足以破壞煤體。 突出孔道被堵塞，突出物支撐建立起新的拱平衡；孔洞內(nèi)瓦斯壓力因堵塞而升高， 和 下降 ，不足以破壞煤體。,四、終止階段,第四節(jié) 煤與瓦斯突出及其預(yù)防,煤與瓦斯突出分類,按動力現(xiàn)象分： 突出（地應(yīng)力+瓦斯壓力） 壓出（地應(yīng)力） 傾出（重力）,按突出強度分： 小型：煤量小于100t 中型：100500t 大型：5001000t 特大型：1000t以上,按突出時間分： 延期突出 不延期突出,第四節(jié) 煤與瓦斯突出及其預(yù)防,突出發(fā)生的

15、一般規(guī)律,突出發(fā)生在一定深度以后。始突深度：礦井開始發(fā)生突出的最淺深度。不同礦區(qū)差別很大。 突出的次數(shù)和強度隨著煤層厚度，特別是軟分層厚度的增加而增加。 突出需具有一定的瓦斯含量和瓦斯壓力。 突出煤層的強度低，而且變化大。 突出危險區(qū)呈帶狀分布。 上山掘進比下山掘容易突出，突出次數(shù)隨著煤層傾角增大而增多。 采掘工作往往可以激發(fā)突出。 突出大多有預(yù)兆。 突出危險性隨著有硬而厚的圍巖存在而增高。 石門突出危險性最高。,第四節(jié) 煤與瓦斯突出及其預(yù)防,煤層開采過程防突程序,1,2,3,4,1,2,3,4,第四節(jié) 煤與瓦斯突出及其預(yù)防,突出危險性評價及預(yù)測指標(biāo),一、突出危險程度劃分,1）突出礦井和突出煤

16、層 井田范圍內(nèi)發(fā)生過突出的煤層或經(jīng)鑒定有突出危險的煤層為突出煤層。 礦井在開拓、開采范圍內(nèi)有突出危險煤層的礦井為突出礦井。 2）突出危險區(qū)和無突出危險區(qū) 未經(jīng)預(yù)測的突出煤層視為突出危險區(qū)。 3）突出危險工作面和無突出危險工作面 未進行工作面預(yù)測的采掘工作面，應(yīng)當(dāng)視為突出危險工作面。,第四節(jié) 煤與瓦斯突出及其預(yù)防,突出危險性評價及預(yù)測指標(biāo),二、突出煤層鑒定,上述四個指標(biāo)都達到或超過臨界值，即認(rèn)為突出煤層。,第四節(jié) 煤與瓦斯突出及其預(yù)防,突出危險性評價及預(yù)測指標(biāo),三、煤層突出危險性預(yù)測指標(biāo),第四節(jié) 煤與瓦斯突出及其預(yù)防,區(qū)域防突措施（技術(shù)）,定義：指在突出煤層進行采掘前，對突出煤層較大范圍采取的防

17、突措施。,第四節(jié) 煤與瓦斯突出及其預(yù)防,一、預(yù)抽煤層瓦斯,地面鉆井,穿層鉆孔,順層鉆孔,第四節(jié) 煤與瓦斯突出及其預(yù)防,傾斜、急傾斜煤層控制范圍,緩傾斜、近水平煤層控制范圍,預(yù)抽煤層瓦斯控制范圍示意圖,第四節(jié) 煤與瓦斯突出及其預(yù)防,保護層的概念:,二、開采保護層,第四節(jié) 煤與瓦斯突出及其預(yù)防,開采保護層區(qū)域防突措施應(yīng)當(dāng)符合下列要求： 開采保護層時，同時抽采被保護層的瓦斯； 開采近距離保護層時，采取措施防止被保護層初期卸壓瓦斯突然涌入保護層采掘工作面或誤穿突出煤層； 正在開采的保護層工作面超前于被保護層的掘進工作面，其超前距離不得小于保護層與被保護層層間垂距的3倍，并不得小于100m。,第四節(jié) 煤

18、與瓦斯突出及其預(yù)防,保護層開采結(jié)合卸壓瓦斯抽放,彎曲下沉帶,裂隙帶,冒落帶,底板瓦斯抽放巷,抽放鉆孔,開采煤層,卸壓煤層,第四節(jié) 煤與瓦斯突出及其預(yù)防,被保護層,上保護層,底板巷,底板巷,保護層開采結(jié)合卸壓瓦斯抽放,第四節(jié) 煤與瓦斯突出及其預(yù)防,保護層開采理論及應(yīng)用 保護層開采是預(yù)防突出最有效、最經(jīng)濟的區(qū)域性預(yù)防突出的技術(shù)措施。 保護作用過程 保護層開采后，巖體中形成自由空間，破壞了原巖應(yīng)力平衡，地應(yīng)力重新分布，上覆巖體向采空區(qū)方向移動，發(fā)生頂板冒落下沉，底板鼓起，同時產(chǎn)生大小不等的裂隙。 被保護層： 產(chǎn)生“卸壓增流效應(yīng)”。,第四節(jié) 煤與瓦斯突出及其預(yù)防,保護層防突作用: 地壓減少，彈性潛能得

19、以緩慢釋放。 煤層膨脹變形，形成裂隙與孔道，透氣系數(shù)增加。被保護層內(nèi)的瓦斯能大量排放，瓦斯含量和瓦斯壓力都將明顯下降。 煤層瓦斯涌出后，煤的強度增加。 所以保護層開采后，不但消除或減少了引起突出的兩個重要因素：地壓和瓦斯，而且增加了抵御突出的能力因素煤的機械強度。這就使得在卸壓區(qū)范圍內(nèi)開采被保護層時，不再會發(fā)生煤與瓦斯突出。,第四節(jié) 煤與瓦斯突出及其預(yù)防,三、保護范圍劃分,保護范圍：指保護層開采后，在空間上使危險層喪失突出危險的有效范圍。 （1）保護層與被保護層之間的有效層間距,（2） 沿傾斜的保護范圍,保護線,第四節(jié) 煤與瓦斯突出及其預(yù)防,三、保護范圍劃分,（4）煤柱的影響,（3）沿走向的保

20、護范圍-超前距,保護層停采3個月后,保護層正在開采,按完全卸壓角范圍劃分,第四節(jié) 煤與瓦斯突出及其預(yù)防,煤與瓦斯突出防治局部措施（技術(shù)）,1）松動爆破 2）鉆孔排放瓦斯(揭煤) 3）水力沖孔 4）超前鉆孔(煤巷) 5）金屬骨架(揭煤) 6）超前支架(煤巷) 7）卸壓槽 8）固化煤體,第四節(jié) 煤與瓦斯突出及其預(yù)防,“四位一體”防突措施,（1）突出危險性預(yù)測； 瓦斯壓力 or 瓦斯含量 （2）防治突出措施； 開采保護層 and 預(yù)抽煤層瓦斯 （3）防突措施效果檢驗； 殘余瓦斯壓力 殘余瓦斯含量 煤層頂?shù)装逡平?（4）區(qū)域驗證。 鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)等,1）區(qū)域綜合防突,2）局部綜合防突,（1）突出危

21、險性預(yù)測； 鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)等 （2）防治突出措施； 排放瓦斯、水力沖孔等 （3）防突措施效果檢驗； 鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)等 （4）安全防護。 避難硐室 壓風(fēng)自救 反向風(fēng)門,第四節(jié) 煤與瓦斯突出及其預(yù)防,防突措施防治煤與瓦斯突出流程,P或W,鉆屑瓦斯解吸,鉆屑瓦斯解吸,鉆屑瓦斯解吸,鉆屑瓦斯解吸,1,2,3,4,1,2,3,4,第四節(jié) 煤與瓦斯突出及其預(yù)防,突出預(yù)兆,（1）瓦斯異常涌出； （2）地壓增大； （3）煤層結(jié)構(gòu)、地質(zhì)構(gòu)造； （4）電磁輻射異常； （5）其他，如溫度降低等。,第五節(jié) 瓦斯抽采,瓦斯抽采概述,規(guī)程規(guī)定： （1）當(dāng)回采工作面瓦斯涌出量5m3/min，掘進工作面瓦斯涌出量3m3/min，采用通風(fēng)方法解決瓦斯問題不合理時。 （2）開采有煤與瓦斯突出礦井。,抽放瓦斯的方法：,按抽放的機理分為：未卸壓抽放和卸抽放兩類； 按瓦斯的來源分：開采煤層、鄰近層、采空區(qū)抽放 按匯集瓦斯的方法分為三類。鉆孔、巷道抽放、鉆孔與巷道綜合抽放,第五節(jié) 瓦斯抽采,2,第五節(jié) 瓦斯