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1、1,礦山安全技術,第一節 礦井瓦斯防治 第二節 礦塵防治,2,第一節 礦井瓦斯防治,1、煤層瓦斯賦存與含量2、礦井瓦斯涌出3、瓦斯噴出4、煤與瓦斯突出及其預防,3,1、煤層瓦斯賦存與含量,1.1 礦井瓦斯的概念與性質一、礦井瓦斯的含義廣義：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。狹義：煤礦生產過程中從煤、巖內涌出的，以甲烷 為主要成份的混合氣體總稱。,4,礦井瓦斯成分很復雜，其主要成分是甲烷(CH4)，其次是二氧化碳(CO2)和氮氣(N2)，還含有少量或微量的重烴類氣體（乙烷、丙烷、丁烷、戊烷等）、氫（H2）、一氧化碳（CO）、二氧化硫(SO2)、硫化氫(H2S)2、等 來源：（1）煤、巖層涌出（烷烴、環烷烴、芳香烴）；（2）生產過程中產生（CO2、NO2、H2等）（3）井下化學、生物化學反應生成（CO2、H2S、SO2）；（4）放射性元素蛻變過程生成（Rn、He等）,5,二、CH4的性質 無色、無味、無嗅的氣體，可燃燒、爆炸；分子量：16.049，分子直徑：0.41nm，密度：0.716Kg/m3(氣態)、424.5Kg/m3(液態)相對空氣密度：0.554,難溶入水三、CH4的危害及其經濟價值 1、危害性（1）燃燒、爆炸（2）窒息（3）噴出、突出,6,2、重要能源CH4+2O2CO2+2H2O+Q1m3CH437022.2kJ 相當于11.5Kg煙煤。3、1.2 煤層瓦斯的成因 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：（1）生物化學階段（從植物遺體到泥炭）特點：埋藏淺，覆蓋層膠結不好，煤層保存氣體少。,7,（2）變質階段（從泥炭到煙煤）泥炭 褐煤 煙煤 無煙煤如：4C16H18O5 C57H56O10+4CO2+3CH4+2H2OC57H56O10 C54H42O5+CO2+2CH4+3H2OC54H42O5 C13H4+2CH4+H2O,（泥炭）,（褐煤）,（褐煤）,（煙煤）,（煙煤）,（無煙煤）,8,特點：（1）碳化過程生成的大量氣體。初期：主要為CO2，CH4不多。隨著碳化程度的 提高，CO2減少，CH4增多，同時生成4、重烴。（2）碳化的同時，煤的物質分子式、結構發生變化（3）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。減少的原因：（1）地質構造運動；（2）運移到適于貯存地點，形成氣藏；（3）溶解于水中（長久地質年代過程中）；（4）逸散于大氣中（從煤層露頭）。,9,（3）其它主要氣體CO2，成因：變質生成。易逸散于大氣中，溶解于水，生成 碳酸鹽，所以，深部煤層中很少含有CO2；生物化學作用，淺部生物圈內(微生物生化作用)火山活動，巖漿接觸變質，生成大量CO2。如：窯街、營城局；煤氧化。特別是煤的低溫氧化。N2 來自大氣。He 放射性元素蛻變的產物。,10,1.3 煤層瓦斯賦存的垂直分帶5、性 煤層瓦斯主要成分：CH4、CO2、N2。形成原因：當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，使煤層內的瓦斯呈現出垂直分帶特征。,CO2-N2,N2,N2-CH4,CH4,11,四帶：CO2-N2帶、N2帶、N2CH4帶、CH4帶?，F場實際過程中，將前三帶總稱為瓦斯風化帶。,12,劃分的意義：掌握本煤田煤層瓦斯垂直分帶的特征，是搞好礦井瓦斯涌出量預測和日常瓦斯管理工作的基礎。,煤層垂向各帶氣體組份表,13,1.4 煤的孔隙特征 煤是一種復雜的孔隙性介質，有著十分發達的各種不同直徑的孔隙和裂隙。形成龐大的自由空間和表面。煤是一種孔隙-裂6、隙性介質，它決定煤-CH4體系的許多特性。EX：集氣性-CH4的存在形態、含量，etc;滲透性-流態、流出形式、涌出量；力學特性-強度、彈性、脆性。,14,1.5 煤的吸附特性一、概述1、吸附現象 氣體分子與固體表面分子間相互作用，氣體分子暫時停留在固體表面上的現象。吸附劑-能吸附其它物質的介質，如：煤；吸附質-被吸附的物質，如CH4。2、吸附分類 根據吸附方式分：表面吸附（吸著）-在吸附劑表面吸附一層或多層吸附質分子。容積吸附（吸收）-吸附質分子緊密地充滿于吸附劑的微小孔隙內，類似于溶質溶解于溶劑中。,15,根據吸附作用力分：A）物理吸附特點：、作用力為范德華力，作用距離極小（1/r7）,僅7、限于界面附近；、可逆的-不穩定的動平衡。、吸附是一種放熱反應，解吸，吸熱。如：煤-CH4，吸附熱：0.51.2Kj/molB）化學吸附 作用力為離子鍵，不可逆。,16,二、影響煤與瓦斯吸附量的主要因素1、瓦斯壓力 t=const,P X2、溫度 P=const t X 溫度每升高1，吸附瓦斯的能力降低約8%。3、瓦斯的性質 對于特定的煤，在t、P一定時，CO2的吸附量 CH4的吸附量 N2的吸附量 4、煤的變質程度 變質程度反映了煤的表面積與化學組成。變質程度越高（Vr）X,17,5、煤中的水份 水份的增加使煤的吸附能力降低。艾琴格爾經驗式：式中：Xch-含有水份時瓦斯吸附量；Xg-不含有水份8、時瓦斯吸附量；W-水份含量。6、煤中的灰份（Ac）灰份不吸附瓦斯，我國習慣于用可燃基作單位。,18,1.6 煤層瓦斯壓力瓦斯壓力的含義-煤層孔隙或裂隙內氣體分子自由運動撞擊所產生的作用力。特點：在某一點上各向大小相等，方向與孔隙壁面垂直。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象的基本參數。,19,1.7 煤層瓦斯含量一、瓦斯在煤層中的存在狀態 煤體是一種復雜的多孔性固體，包括原生孔隙和運動形成的大量孔隙和裂隙，形成了很大的自由空間和孔隙表面。1、游離狀態 主要存在于大、中孔、裂隙空間內，其間瓦斯分子作自由熱運動，顯示相應的瓦斯壓力。在現今采深下，占瓦斯總量的 5 12%9、。2、吸附狀態 主要存在于小孔和微孔空間內。分為表面吸附和吸收兩種狀態。占瓦斯總量的80%。,20,3、其它形態-結晶水化物 問題提出：結晶水化物的形式：形成條件：低溫、高壓。對CH4:對C2H6:對C3H8:,t=0時，P2.0MPat=5時，P4.8MPat=10時，P8.0MPa,t=0時，P0.6MPat=5時，P1.3MPat=10時，P2.5MPa,t=0時，P0.1MPat=2.5時，P0.3MPa,乙烷和丙烷生成水化物的條件比CH4低得多,21,二、煤層瓦斯含量1、含義：單位質量或體積的煤中含有的瓦斯量。m3/m3，m3/t。煤層瓦斯包含：游離瓦斯量 和 吸附瓦斯量2、瓦斯含量10、計算（1）游離瓦斯量 由氣體狀態方程：考慮到瓦斯氣體可壓縮性，則有：粗略計算，假設：則：式中：P-煤層瓦斯壓力，Mpa；V-煤的孔容。,22,（2）吸附瓦斯量-Xx 一般采用朗格繆爾方程計算。其中：（3）煤層瓦斯含量-X X=Xg+Xx m3/t,23,1.8 影響煤層瓦斯含量的主要因素 煤層瓦斯含量主要取決于：瓦斯生成量；瓦斯運移條件；煤層貯存瓦斯的性能。具體包括以下幾點：1、煤的碳化程度 在碳化作用過程中，不斷地產生瓦斯，碳化程度越高，生成的瓦斯量越多。相同的條件下，煤的變質程度越高，煤層瓦斯含量越大。,24,2、煤層的賦存狀態（1）露頭 成煤的地質年代中，若有露頭長時間與大氣相通，瓦斯沿11、煤層流動，煤層瓦斯往往沿煤層露頭排放，瓦斯含量大為減少。（2）煤層傾角 煤層傾角愈大，煤層瓦斯含量愈低。Exp:芙蓉礦，北翼：40 80,南翼：6 12，,25,（3）埋藏深度 埋深增加，地應力增高，煤層的透氣性變差，瓦斯向地表運移距離增加，有利于封存瓦斯。,26,3、煤層和圍巖的透氣性 煤層圍巖是指煤層直接頂、老頂和直接底板等在內的一定厚度范圍的層段。煤層圍巖對瓦斯賦存的影響，決定于它的隔氣、透氣性能。當煤層頂板巖性為致密完整的巖石，如頁巖、油母頁巖時，煤層中的瓦斯容易被保存下來；頂板為多孔隙或脆性裂隙發育的巖石，如礫巖、砂巖時，瓦斯容易逸散。exp:北京京西煤礦，不論是下侏羅統或是石炭二疊12、系的煤層，盡管煤的牌號為無煙煤，由于煤層頂板為1216m的厚層中粒砂巖，透氣性好，因此煤層瓦斯含量小，礦井瓦斯涌出量低。,27,4、地質構造 是影響煤層瓦斯含量的主要因素之一。表現：一方面是造成了瓦斯分布的不均衡，另一方面是形成了有利于瓦斯賦存或有利于瓦斯排放的條件。(1)褶皺構造 褶皺的類型、封閉情況和復雜程度，對瓦斯賦存均有影響。當煤層頂板巖石透氣性差，且未遭構造破壞時，背斜有利于瓦斯的儲存，是良好的儲氣構造，背斜軸部的瓦斯會相對聚集，瓦斯含量增大。形成“氣頂”。,28,在向斜盆地構造的礦區，頂板封閉條件良好時，瓦斯沿垂直地層方向運移是比較困難的，大部分瓦斯僅能沿兩翼流向地表。煤包、地 壘13、地塹都為高瓦斯區。（2）斷層 斷層破壞了煤層的連續完整性，使煤層瓦斯運移條件發生變化。有的斷層有利于瓦斯排放，也有的斷層對瓦斯排放起阻擋作用，成為逸散的屏障。前者稱開放型斷層，后者稱封閉型斷層。,29,斷層的開放與封閉性決定于下列條件：a.斷層的性質和力學性質。一般張性正斷層屬開放型，而壓性或壓扭性逆斷層封閉條件較好。b.斷層與地表或與沖積層的連通情況。規模大且與地表相通或與沖積層相連的斷層一般為開放型。c.斷層將煤層斷開后，煤層與斷層另一盤接觸的巖層性質。若透氣性好則利于瓦斯排放。d.斷層帶的特征。斷層帶的充填情況、緊閉程度、裂隙發育情況等都會影響到斷層的開放或封閉性。一般地，開放性斷層，14、不論其與地表是否連通，其附近，瓦斯含量低。,30,封閉性斷層（受壓影響），可阻止CH4的排放。5水文地質條件 地下水與瓦斯共存于煤層及圍巖之中，其共性是均為流體，運移和賦存都與煤、巖層的孔隙、裂隙通道有關。由于地下水的運移，一方面驅動著裂隙和孔隙中瓦斯的運移，另一方面又帶動溶解于水中的瓦斯一起流動。瓦斯在水中的溶解度僅為14%。地下水和瓦斯占有的空間是互補的，這種相逆的關系，常表現為水大地帶瓦斯小，反之亦然。,31,7巖漿活動 巖漿活動對瓦斯賦存的影響比較復雜。一方面，在巖漿熱變質和接觸變質的影響下，煤的變質程度升高，增大了瓦斯的生成量和對瓦斯的吸附能力。另一方面，在沒有隔氣蓋層、封閉條件不好15、的情況下，巖漿的高溫作用可以強化煤層瓦斯排放，使煤層瓦斯含量減小。所以說，巖漿活動對瓦斯賦存既有生成、保存瓦斯的作用，在某些條件下又有使瓦斯逸散的可能性。,32,2.礦井瓦斯涌出,2.1 瓦斯涌出形式1、普通涌出-長時間地、均勻地從煤體中涌出瓦斯。特點：時間上：連續不斷 空間上：普遍存在 涌出強度：緩慢、均勻2、特殊涌出：-礦井生產過程中，在某些特定地點、突然地于一段時間內大量涌出瓦斯的現象。特點：時間上：突然地、間隔的 空間上：非普遍存在 涌出強度：產生動力破壞,33,2.2 瓦斯涌出量1、定義 瓦斯涌出量指在礦井建設和生產過程中從煤與巖石內涌出的瓦斯量。2、瓦斯涌出量表示方法（1）絕對瓦斯16、涌出量 單位時間涌出的瓦斯體積，單位為m3/d或m3/min：Qg=QC/100 式中 Qg絕對瓦斯涌出量，m3/min；Q風量，m3/min；C風流中的平均瓦斯濃度，。,34,（2）相對瓦斯涌出量平均日產一噸煤同期所涌出的瓦斯量，單位是m3/t。qg=Qg/A 式中：qg 相對瓦斯涌出量，m3/t；Qg 絕對瓦斯涌出量，m3/d；A 日產量，t/d 說明：相對瓦斯涌出量單位的表達式雖然與瓦斯含量的相同，但兩者的物理含義是不同的，其數值也是不相等的。,35,2.3 影響瓦斯涌出的因素 決定于自然因素和開采技術因素的綜合影響。（一）自然因素（1）、煤層和圍巖的瓦斯含量 它是決定瓦斯涌出量多少的最17、重要因素。一般地，煤層的瓦斯含量越高，開采時的瓦斯涌出量也越大。（2）、地面大氣壓變化,36,（二）開采技術因素 1、開采規模 開采規模指開采深度，開拓與開采范圍和礦井產量。A、在甲烷帶內，隨著開采深度的增加，相對瓦斯涌 出量增大。B、開拓與開采的范圍越廣，煤巖的暴露面就越大，因此，礦井瓦斯涌出量也就越大。C、礦井產量與礦井瓦斯涌出量間的關系比較復雜，達產前、達產后及產量收縮期。,37,2、開采順序與回采方法 首先開采的煤層（或分層）瓦斯涌出量大；采空區丟失煤炭多，回采率低的采煤方法，采區瓦斯涌出量大。頂板管理采用陷落法比充填法能造成頂板更大范圍的破壞和卸壓，臨近層瓦斯涌出量就比較大。回采工作18、面周期來壓時，瓦斯涌出量也會大大增加。3、生產工藝 瓦斯從煤層暴露面（煤壁和鉆孔）和采落的煤炭內涌出的特點是，初期瓦斯涌出的強度大，然后大致按指數函數的關系逐漸衰減。所以落煤時瓦斯涌出量總是大于其它工序。,38,4、風量變化 礦井風量變化時，瓦斯涌出量和風流中的瓦斯濃度會發生擾動，但很快就會轉變為另一穩定狀態。,39,5、采區通風系統 采區通風系統對采空區內和回風流中瓦斯濃度分布有重要影響。,6、采空區的密閉質量,40,2.4 礦井瓦斯涌出來源的分析與分源治理 按劃分目的的不同，對礦井瓦斯來源劃分為三種方式：1、按水平、翼、采區來進行劃分 它作為風量分配的依據之一。2、按掘進區、回采區和已采區19、來劃分 它是日常治理瓦斯工作的基礎。3、按開采區、臨近區劃分 它是采煤工作面治理瓦斯工作的基礎。,41,2.5 瓦斯涌出不均系數 正常生產過程中，礦井絕對瓦斯涌出量受各種因素的影響其數值是經常變化的，但在一段時間內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系數。礦井瓦斯涌出不均系數表示為：kg=Qmax/Qa 式中：kg給定時間內瓦斯涌出不均系數；Qmax該時間內的最大瓦斯涌出量，m3/min；Qa該時間內的平均瓦斯涌出量，m3/min；,42,2.6 礦井瓦斯等級1、礦井瓦斯等級劃分 依據：按照平均日產一噸煤涌出瓦斯量（相對瓦斯涌出量）和瓦斯涌出形式，劃分為：低瓦斯礦井：1020、m3及其以下；高瓦斯礦井：10m3以上；煤與瓦斯突出礦井。2、礦井瓦斯等級鑒定（1）鑒定時間和基本條件 礦井瓦斯等級的鑒定工作應在正常生產的條件下進行。（2）測點選擇和測定內容及要求。（3）礦井瓦斯等級的確定。,43,2.7 礦井瓦斯涌出量預測 瓦斯涌出量的預測：指根據某些已知相關數據，按照一定的方法和規律，預先估算出礦井或局部區域瓦斯涌出量的工作。1、礦山統計法 統計法是根據生產礦井或生產水平，在以往生產過程中積累的大量不同深度相對瓦斯涌出量與深度的數據，通過整理分析找出相互之間變化關系的統計規律，推算出相鄰的新礦井或延深水平瓦斯涌出量的方法。（1）瓦斯涌出量梯度 深度與相對瓦斯涌出量的比值21、，稱瓦斯涌出量梯度。,44,（2）物理含義：相對瓦斯涌出量每增加1m3/t 時，開采深度增加的米數，其單位為m/(m3/t)。瓦斯涌出量梯度愈小，礦井瓦斯涌出量隨深度增加的速度愈快。（3）計算公式 gm=(H2-H1)/(q2-q1)n 式中:gg瓦斯涌出量梯度，m/（m3/t）或t/m2；H1、H2甲烷帶內的兩個已采深度，m；q1、q2對應于深度H1、H2的相對瓦斯涌出量，m3/t；n 指數系數，大多數煤田在垂深1000m內時n=1。,45,已知瓦斯涌出量梯度和瓦斯風化帶下界深度時，就可用下式預測相對瓦斯涌出量。qm=q0+(H-H0)/gm 或 qm=qm1+(H-H1)/gm 式中：qm22、 預測的深H(m)處的相對瓦斯涌出量，m3/t；H0 瓦斯風化帶下界深度，m；gm瓦斯涌出量增深率，(m.t)/m3 q0、q1瓦斯風化帶下界或H1處的相對瓦斯涌出量，q0=2m3/t；2、計算法 以煤層瓦斯含量為基礎進行計算。,46,3.瓦斯噴出,3.1 瓦斯噴出的分類及其特點瓦斯噴出：大量承壓狀態的瓦斯從煤、巖裂隙中迅速噴出的現象。特點：時間突然，空間上集中，動力效應。危害：造成局部地區、采區、一翼充滿高濃度瓦斯；窒息、遇火燃能引起瓦斯爆炸、火災。根據瓦斯噴出裂隙呈現原因不同分：（1）地質來源；（2）采掘地壓形成。,47,3.2 瓦斯噴出的預防 預防瓦斯噴出，首先要加強地質工作，查清楚施工23、地區的地質構造、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，采取相應的預防或處理措施。分為：1、黃泥或水泥沙漿等充填材料堵塞噴出口。2、可能的噴出地點附近打前探鉆孔，探測、排放。,48,4、煤與瓦斯突出及其預防,4.1 概述含義：煤礦地下采掘過程中，在極短的時間內(幾秒到幾分鐘)，從煤、巖層內以極快的速度向采掘空間內噴出煤(巖)和瓦斯(CH4、CO2)的現象，稱為煤與瓦斯突出。,49,危害：1、產生的高壓瓦斯流，能摧毀巷道，造成風流逆轉、破壞通風系統。2、井巷充滿瓦斯，造成人員窒息，引起瓦斯燃燒或爆炸。3、噴出的煤巖，造成煤流埋人。4、猛烈的動力效應可能導致冒頂和火災事故的發24、生。到1992年底全國已有282個突出礦井，截止1995年共發生了16000多次突出。突出包括：壓出、傾出和突出。,50,4.2 突出的機理 突出的機理是關于解釋突出的原因和過程的理論。突出是十分復雜的自然現象，它的機理還沒有統一的見解，假說很多。多數人認為，突出是地壓、瓦斯、煤的力學性質和重力綜合作用的結果。4.3 突出的一般規律 1、突出發生在一定的采掘深度以后。2、突出多發生在地質構造附近。3、突出多發生在集中應力區。4、突出次數和強度，隨煤層厚度、特別是軟分層厚度的增加而增加。煤層傾角愈大，突出的危險性也愈大。,51,5、突出與煤層的瓦斯含量和瓦斯壓力之間沒有固 定的關系。6、突出煤層的特點是強度低，而且軟硬相間，透 氣系數小。7、大多數突出發生在放炮和落煤工序。8、突出前常有預兆發生。4.4 預防煤與瓦斯突出的主要技術措施 區域性防突措施：實施以后可使較大范圍煤層消除突出危險性的措施，稱為區域性防突措施；局部防突措施：實施以后可使局部區域(如掘進工作面)消除突出危險性的措施稱為局部防突措施。,