矿井瓦斯防治技术精.ppt

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1、矿井瓦斯防治技术第1页，本讲稿共58页第一部分第一部分 矿井瓦斯防治技术矿井瓦斯防治技术第第1 1章章 煤层瓦斯赋存与含量煤层瓦斯赋存与含量 1.1 1.1 矿井瓦斯的概念与性质矿井瓦斯的概念与性质 1.2 1.2 煤层瓦斯的成因煤层瓦斯的成因 1.3 1.3 煤层瓦斯赋存的垂直分带性煤层瓦斯赋存的垂直分带性 1.4 1.4 煤的孔隙特征煤的孔隙特征 1.5 1.5 煤的吸附特性煤的吸附特性 1.6 1.6 煤层瓦斯压力煤层瓦斯压力 1.7 1.7 煤层瓦斯含量煤层瓦斯含量 1.8 1.8 影响煤层瓦斯含量的主要因素影响煤层瓦斯含量的主要因素目目 录录第2页，本讲稿共58页第第2 2章章 矿井

2、瓦斯涌出矿井瓦斯涌出 2.1 2.1 煤层瓦斯流动的基本规律煤层瓦斯流动的基本规律 2.2 2.2 煤层瓦斯涌出量及主要影响因素煤层瓦斯涌出量及主要影响因素 2.3 2.3 矿井瓦斯等级及其鉴定矿井瓦斯等级及其鉴定 2.4 2.4 矿井瓦斯涌出量预测矿井瓦斯涌出量预测 2.5 2.5 矿井瓦斯涌出防治矿井瓦斯涌出防治第第3 3章章 瓦斯喷出及其预防瓦斯喷出及其预防 3.1 3.1 瓦斯喷出的分类及其特点瓦斯喷出的分类及其特点 3.2 3.2 瓦斯喷出的防治瓦斯喷出的防治第3页，本讲稿共58页第第4 4章章 煤与瓦斯突出及其防治煤与瓦斯突出及其防治 4.1 4.1 煤与瓦斯突出概况煤与瓦斯突出概

3、况 4.2 4.2 矿井瓦斯动力现象及分类矿井瓦斯动力现象及分类 4.3 4.3 采掘工作面瓦斯动力现象的特点采掘工作面瓦斯动力现象的特点 4.4 4.4 煤与瓦斯突出机理煤与瓦斯突出机理 4.5 4.5 煤与瓦斯突出的一般规律煤与瓦斯突出的一般规律 4.6 4.6 区域性防突措施区域性防突措施 4.7 4.7 采掘工作面防突措施采掘工作面防突措施 4.8 4.8 煤与瓦斯突出的预测煤与瓦斯突出的预测 4.9 4.9 岩石与二氧化碳的预防岩石与二氧化碳的预防第4页，本讲稿共58页第第5 5章章 矿井瓦斯爆炸及其预防矿井瓦斯爆炸及其预防 5.1 矿井瓦斯爆炸及作用机理 5.2 瓦斯爆炸的传播及其

4、后果 5.3 煤矿爆炸性气体的安全技术参数 5.4 煤矿瓦斯爆炸原因分析 5.5 预防瓦斯爆炸的技术措施第第6 6章章 煤矿瓦斯抽放技术煤矿瓦斯抽放技术 6.1 煤矿瓦斯抽放可行性分析 6.2 瓦斯抽放设计基础 6.3 抽放瓦斯方法及工艺参数 6.4 抽放瓦斯设备及参数设计 6.5 瓦斯利用第5页，本讲稿共58页第一部分第一部分 矿井瓦斯防治技术矿井瓦斯防治技术第第1 1章章 煤层瓦斯赋存与含量煤层瓦斯赋存与含量 1.1 1.1 矿井瓦斯的概念与性质矿井瓦斯的概念与性质一、矿井瓦斯的含义一、矿井瓦斯的含义广义广义：井下除正常空气的大气成份以外，涌向采矿空间：井下除正常空气的大气成份以外，涌向采

5、矿空间的各种有毒、有害气体总称。的各种有毒、有害气体总称。狭义狭义：煤矿生产过程中从煤、岩内涌出的，以甲烷为主：煤矿生产过程中从煤、岩内涌出的，以甲烷为主要成份的混合气体总称。要成份的混合气体总称。第6页，本讲稿共58页 矿矿井井瓦瓦斯斯成成分分很很复复杂杂，其其主主要要成成分分是是甲甲烷烷(CH(CH4 4)，其其次次是是二二氧氧化化碳碳(CO(CO2 2)和和氮氮气气(N(N2 2)，还还含含有有少少量量或或微微量量的的重重烃烃类类气气体体（乙乙烷烷、丙丙烷烷、丁丁烷烷、戊戊烷烷等等）、氢氢（HH2 2）、一一氧氧化化碳碳（COCO）、二二氧氧化化硫硫(SO(SO2 2)、硫化氢、硫化氢(

6、H(H2 2S)S)等。等。由于甲烷（俗称沼气）是矿井瓦斯的主要成分，因而人们习由于甲烷（俗称沼气）是矿井瓦斯的主要成分，因而人们习惯上所说的瓦斯，通常指甲烷而言。惯上所说的瓦斯，通常指甲烷而言。来源来源：（1 1）煤、岩层涌出（烷烃、环烷烃、芳香烃）；）煤、岩层涌出（烷烃、环烷烃、芳香烃）；（2 2）生产过程中产生（）生产过程中产生（COCO2 2、NONO2 2、H H2 2等）等）（3 3）井下化学、生物化学反应生成）井下化学、生物化学反应生成 （COCO2 2、HH2 2S S、SOSO2 2）；）；（4 4）放射性元素蜕变过程生成（放射性元素蜕变过程生成（RnRn、HeHe等）等）第

7、7页，本讲稿共58页二、二、CH4的性质的性质 无色、无味、无嗅的气体，可燃烧、爆炸；无色、无味、无嗅的气体，可燃烧、爆炸；分子量：分子量：16.04916.049，分子直径：，分子直径：0.41nm0.41nm，密度：密度：0.716Kg/m0.716Kg/m3 3（气态）、（气态）、424.5 Kg/m424.5 Kg/m3 3（液态）（液态）相对空气密度：相对空气密度：0.554,0.554,难溶入水难溶入水:在在101.3 KPa,20101.3 KPa,20条件下条件下 ,3.31l/100lH,3.31l/100lH2 2OO三、三、CH4的危害及其经济价值的危害及其经济价值 1

8、1、危害性、危害性 （1 1）燃烧、爆炸燃烧、爆炸 （2 2）窒息）窒息 （3 3）喷出、突出）喷出、突出第8页，本讲稿共58页2、重要能源、重要能源 CH4+2O2 CO2+2H2O+Q 1m3CH4 37022.2kJ 相当于相当于11.5Kg烟煤。烟煤。重要的化工原料。重要的化工原料。1.2 煤层瓦斯的成因煤层瓦斯的成因 有机源气体有机源气体-腐植有机物（高等植物）成煤过程。煤层腐植有机物（高等植物）成煤过程。煤层瓦斯是腐植型有机物（植物）在成煤过程中生成的瓦斯是腐植型有机物（植物）在成煤过程中生成的 两个阶段两个阶段：（1）生物化学阶段（）生物化学阶段（从植物遗体到泥炭从植物遗体到泥炭

9、）4C6H10O5 7CH4+8CO2+C9H6O+3H2O 特点特点：埋藏浅，覆盖层胶结不好，煤层保存气体少。：埋藏浅，覆盖层胶结不好，煤层保存气体少。隔绝空气隔绝空气微生物微生物（纤维素）（纤维素）第9页，本讲稿共58页（2）变质阶段（）变质阶段（从泥炭到烟煤从泥炭到烟煤）泥炭泥炭 褐煤褐煤 烟煤烟煤 无烟煤无烟煤如：如：4C16H18O5 C57H56O10+4CO2+3CH4+2H2O C57H56O10 C54H42O5+CO2+2CH4+3H2O C54H42O5 C13H4+2CH4+H2OP、tP、tP、t（泥炭）（泥炭）（褐煤）（褐煤）（褐煤）（褐煤）（烟煤）（烟煤）（烟煤）

10、（烟煤）（无烟煤）（无烟煤）第10页，本讲稿共58页v特点特点：（1）碳化过程生成的大量气体。）碳化过程生成的大量气体。初期初期：主要为：主要为CO2，CH4不多。随着碳化程度的提高，不多。随着碳化程度的提高，CO2减少，减少，CH4增多，同时生成重烃。增多，同时生成重烃。（2）碳化的同时，煤的物质分子式、结构发生变化；）碳化的同时，煤的物质分子式、结构发生变化；（3）因覆盖层增厚，生成的气体大多得以保存。但煤层瓦斯含量远）因覆盖层增厚，生成的气体大多得以保存。但煤层瓦斯含量远小于生成量。小于生成量。减少的原因减少的原因：（1）地质构造运动；）地质构造运动；（2）运移到适于贮存地点，形成气藏；

11、）运移到适于贮存地点，形成气藏；（3）溶解于水中（）溶解于水中（长久地质年代过程中长久地质年代过程中）；）；（4）逸散于大气中（）逸散于大气中（从煤层露头从煤层露头）。）。第11页，本讲稿共58页（3）其它主要气体）其它主要气体vCO2 成因成因：变质生成。易逸散于大气中，溶解于水，生成碳酸变质生成。易逸散于大气中，溶解于水，生成碳酸盐，所以，深部煤层中很少含有盐，所以，深部煤层中很少含有CO2；生物化学作用，浅部生物圈内（微生物生化作用）；生物化学作用，浅部生物圈内（微生物生化作用）；火山活动，岩浆接触变质，生成大量火山活动，岩浆接触变质，生成大量CO2。如：窑街、营。如：窑街、营城局；城局

12、；煤氧化。特别是煤的低温氧化。煤氧化。特别是煤的低温氧化。vN2 来自大气。与氩的比例与空气一致。来自大气。与氩的比例与空气一致。第12页，本讲稿共58页He 放射性元素蜕变的产物。放射性元素蜕变的产物。1.3 煤层瓦斯赋存的垂直分带性煤层瓦斯赋存的垂直分带性 煤层瓦斯主要成分：煤层瓦斯主要成分：CH4、CO2、N2。形成原因形成原因：当煤层直达地表或直接为透气性较好的第四系：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。煤层中渗透，使煤层内的瓦斯呈现出垂直分

13、带特征。瓦斯瓦斯空气空气-1000m-800m-600m-400m-200mCO2-N2N2N2-CH4CH4第13页，本讲稿共58页 四带：CO2-N2带、带、N2带、带、N2CH4带、带、CH4带。带。现场实际过程中，将前三带总称为现场实际过程中，将前三带总称为瓦斯风化带瓦斯风化带。COCO2 2N N2 2带带带带N N2 2带带带带N N2 2CHCH4 4带带带带CHCH4 4带带带带瓦斯风化带瓦斯风化带瓦斯风化带瓦斯风化带瓦瓦瓦瓦斯斯斯斯垂垂垂垂直直直直分分分分带带带带性性性性第14页，本讲稿共58页v划分的意义划分的意义：掌握本煤田煤层瓦斯垂直分带的特征，是搞好掌握本煤田煤层瓦斯

14、垂直分带的特征，是搞好矿井瓦斯涌出量预测和日常瓦斯管理工作的基础。矿井瓦斯涌出量预测和日常瓦斯管理工作的基础。规律规律：瓦斯风化带内，瓦斯风化带内，涌出量与深度之间无规涌出量与深度之间无规律性。律性。瓦斯风化带内，无突出危险性。瓦斯风化带内，无突出危险性。在在CH4带内，带内，煤层垂向各带气体组份表煤层垂向各带气体组份表第15页，本讲稿共58页瓦斯风化带下界深度确定依据瓦斯风化带下界深度确定依据：根据下列指标中的任何一项确定：根据下列指标中的任何一项确定：（1 1）煤层的相对瓦斯涌出量等于）煤层的相对瓦斯涌出量等于2 23m3m3 3/t/t处；处；（2 2）煤层内的瓦斯组分中甲烷及重烃浓度总

15、和达到）煤层内的瓦斯组分中甲烷及重烃浓度总和达到80%80%（体积比）；（体积比）；（3 3）煤层内的瓦斯压力为）煤层内的瓦斯压力为0.10.10.15MPa0.15MPa；（4 4）煤的瓦斯含量达到下列数值处：）煤的瓦斯含量达到下列数值处：长长焰焰煤煤1.01.01.51.5 mm3 3/t/t（C.M.C.M.），气气煤煤1.51.52.0m2.0m3 3/t/t（C.M.C.M.），肥肥煤煤与与焦焦煤煤2.02.02.5m2.5m3 3/t(C.M)/t(C.M)，瘦瘦煤煤2.52.53.0m3.0m3 3/t(C.M)/t(C.M)，贫贫煤煤3.03.04.0m4.0m3 3/t(C.

16、M)/t(C.M)，无无烟烟煤煤5.05.07.0m7.0m3 3/t(C.M)/t(C.M)（此此处处的的C.MC.M是是指指煤煤中中可可燃质既固定碳和挥发分）燃质既固定碳和挥发分）第16页，本讲稿共58页1.4 煤的孔隙特征煤的孔隙特征 煤是一种复杂的孔隙性介质，有着十分发达的各种不同直煤是一种复杂的孔隙性介质，有着十分发达的各种不同直径的孔隙和裂隙。形成庞大的自由空间和表面。径的孔隙和裂隙。形成庞大的自由空间和表面。煤是一种孔隙煤是一种孔隙-裂隙性介质，它决定煤裂隙性介质，它决定煤-CH-CH4 4体系的体系的许多特性。许多特性。EXEX：集气性集气性-CH-CH4 4的存在形态、含量，

17、的存在形态、含量，etc;etc;渗透性渗透性-流态、流出形式、涌出量；流态、流出形式、涌出量；力学特性力学特性-强度、弹性、脆性。强度、弹性、脆性。第17页，本讲稿共58页一、孔隙分类一、孔隙分类 为了研究瓦斯在煤层中的赋存与流动，将煤中孔隙分类如下：为了研究瓦斯在煤层中的赋存与流动，将煤中孔隙分类如下：煤中的微孔煤中的微孔 80%类别类别直径直径/mmCH4的存在形态的存在形态微孔微孔10-5吸附、吸收吸附、吸收小孔小孔10-5 10-4吸收、游离吸收、游离中孔中孔10-4 10-3表面吸附、游离表面吸附、游离大孔大孔10-3 10-1游离游离第18页，本讲稿共58页二、表示孔隙特性的参数

18、二、表示孔隙特性的参数1、孔隙率（、孔隙率（f）-单位体积固体具有的孔隙容积。单位体积固体具有的孔隙容积。表示式：表示式：f-孔隙率，孔隙率，%；V-固体（含孔隙）的体积，固体（含孔隙）的体积，cm；V0-实体（不含孔隙）的体积，实体（不含孔隙）的体积，cm。假设假设 M-固体质量，固体质量，g;-固体假密度，固体假密度，g/cm3;o-固体真密度，固体真密度，g/cm3;则有：则有：第19页，本讲稿共58页 通过实验确定。或利用经验公式计算。通过实验确定。或利用经验公式计算。当当2、孔容（比孔容）、孔容（比孔容）-f -单位质量固体具有的孔隙容积。单位质量固体具有的孔隙容积。表示式：表示式：

19、同上，可推得：同上，可推得：所以：所以：cm3/g第20页，本讲稿共58页3、比表面、比表面 -固体单位质量或单位体积具有的孔隙总表面积。固体单位质量或单位体积具有的孔隙总表面积。4、孔隙结构、孔隙结构 -各类孔隙在总孔隙中所占百分比。各类孔隙在总孔隙中所占百分比。微孔所占比例大，且比表面积也大。微孔所占比例大，且比表面积也大。分类分类孔隙体积百分比孔隙体积百分比/%孔隙表面积百分比孔隙表面积百分比/%微微孔微微孔12.562.2微孔微孔42.235.1小孔小孔28.12.5中孔中孔17.20.2第21页，本讲稿共58页三、煤、岩孔隙的基本特点三、煤、岩孔隙的基本特点1、各类煤岩的孔隙率差别很

20、大，不同的煤需具体测定。、各类煤岩的孔隙率差别很大，不同的煤需具体测定。矿矿 井井挥发份挥发份/%孔隙率孔隙率/%抚顺老虎台矿抚顺老虎台矿45.7614.05鹤岗大陆鹤岗大陆31.8610.6开滦马家沟开滦马家沟12煤煤26.86.59本溪田师付本溪田师付8煤煤13.716.7阳泉三矿阳泉三矿3 煤煤6.6614.1焦作王封大煤焦作王封大煤5.8218.5我国一些矿井煤的孔隙率我国一些矿井煤的孔隙率第22页，本讲稿共58页2、煤的孔隙率与碳化程度的关系、煤的孔隙率与碳化程度的关系v长焰煤开始长焰煤开始Vr f 到焦瘦煤达到最小到焦瘦煤达到最小；而后而后 Vr f 到无烟煤达到最大。到无烟煤达到

21、最大。但微孔，则但微孔，则 Vr 而始终而始终Vr/%f/%焦煤焦煤 瘦煤瘦煤长长无无第23页，本讲稿共58页3、煤的孔隙率与煤的破坏程度的关系、煤的孔隙率与煤的破坏程度的关系（1）未受构造应力破坏的煤）未受构造应力破坏的煤 微孔达微孔达 80%90%，大孔很少，无外生裂隙。煤层瓦斯，大孔很少，无外生裂隙。煤层瓦斯含量大，但瓦斯涌出量不大，涌出速度慢，涌出时间长。含量大，但瓦斯涌出量不大，涌出速度慢，涌出时间长。（2）破坏型煤）破坏型煤 各种孔均存在，随着煤的破坏程度增大而增加。游离瓦斯各种孔均存在，随着煤的破坏程度增大而增加。游离瓦斯含量高，易涌出，衰减快，可能发生突出。含量高，易涌出，衰减

22、快，可能发生突出。（3）构造煤）构造煤 在地应力作用下，煤破碎成在地应力作用下，煤破碎成0.1mm的煤粒，再被压的煤粒，再被压成煤砖状。成煤砖状。各类孔均存在，瓦斯含量高，卸压后，各类孔均存在，瓦斯含量高，卸压后，f ，瓦斯涌出量，瓦斯涌出量 ，易突出。，易突出。第24页，本讲稿共58页4、孔隙率与外加压力（地应力）关系、孔隙率与外加压力（地应力）关系式中：式中：f-受压状态下的孔隙率；受压状态下的孔隙率；f0-未受压状态孔隙率；未受压状态孔隙率；-压应力；压应力；-压缩系数。压缩系数。一般地，微孔不压缩。一般地，微孔不压缩。Exp:17MPa时，时，f 减少减少20%，因，因为微孔不变，大中

23、孔减少为微孔不变，大中孔减少4050%备注：备注：（1）H f （2）卸压后（受采动影响）卸压后（受采动影响）f （3）对煤的吸附性影响很小。对煤的吸附性影响很小。f第25页，本讲稿共58页1.5 煤的吸附特性煤的吸附特性一、概述一、概述1、吸附现象、吸附现象 -气体分子与固体表面分子间相互作用，气体分子气体分子与固体表面分子间相互作用，气体分子暂时暂时停留停留在固体表面上的现象。在固体表面上的现象。吸附剂吸附剂-能吸附其它物质的介质，如：能吸附其它物质的介质，如：煤煤；吸附质吸附质-被吸附的物质，如被吸附的物质，如CH4。2、吸附分类、吸附分类 根据吸附方式分：根据吸附方式分：表面吸附（吸着

24、）表面吸附（吸着）-在吸附剂表面吸附一层或多层吸附在吸附剂表面吸附一层或多层吸附质分子。质分子。容积吸附（吸收）容积吸附（吸收）-吸附质分子紧密地充满于吸附剂的微吸附质分子紧密地充满于吸附剂的微小孔隙内，类似于溶质溶解于溶剂中。小孔隙内，类似于溶质溶解于溶剂中。第26页，本讲稿共58页 根据吸附作用力分：根据吸附作用力分：A）物理吸附）物理吸附特点特点：、作用力为范德华力，作用距离极小（、作用力为范德华力，作用距离极小（1/r7）,仅限于界面附仅限于界面附近；近；、可逆的、可逆的-不稳定的动平衡。不稳定的动平衡。、吸附是一种放热反应，解吸，吸热。、吸附是一种放热反应，解吸，吸热。如：煤如：煤-

25、CH4，吸附热：，吸附热：0.51.2 Kj/molB）化学吸附）化学吸附 作用力为离子键，不可逆。作用力为离子键，不可逆。P or tP or t解解解解吸吸吸吸吸吸附附第27页，本讲稿共58页二、吸附线和吸附方程二、吸附线和吸附方程 吸附量决定于吸附量决定于：吸附质性质（不同气体）；吸附质性质（不同气体）；吸附剂性质；吸附剂性质；吸附温度；吸附温度；吸附压力。吸附压力。1、吸附线、吸附线 -吸附剂和吸附质，在一定温度（吸附剂和吸附质，在一定温度（t）或一定压力）或一定压力(P)下，吸下，吸附量与附量与 P 或或 t 之间的关系曲线。之间的关系曲线。PXt=const等温吸附线等温吸附线tX

26、P=const等压吸附线等压吸附线第28页，本讲稿共58页2、吸附方程、吸附方程A）Langmuir方程（方程（19161916年）年）理论计算式：理论计算式：式中：式中：X-给定温度下的吸附量，给定温度下的吸附量，m3/t；a-吸附常数，极限吸附量，吸附常数，极限吸附量，m3/t；b-吸附常数，吸附常数，MPa-1;P-吸附平衡时的气体压力，吸附平衡时的气体压力，Mpa。a、b通过实验室测定得出。通过实验室测定得出。实际算式：实际算式：其中：其中：第29页，本讲稿共58页B)弗洛德里希方程（弗洛德里希方程（1906）式中：式中：k、n-系数；系数；P-气体压力。气体压力。C）都必林方程）都必

27、林方程式中：式中：a0-极限吸附瓦斯量，极限吸附瓦斯量，cm/g；E-吸附能，吸附能，j/mol；P0-极限吸附时的气体压力极限吸附时的气体压力,Mpa；P-吸附压力吸附压力,Mpa；T-吸附温度；吸附温度；n-吸附结构系数。吸附结构系数。第30页，本讲稿共58页三、影响煤与瓦斯吸附量的主要因素三、影响煤与瓦斯吸附量的主要因素1、瓦斯压力、瓦斯压力 t=const,P X2、温度、温度 P=const t X 温度每升高温度每升高1，吸附瓦斯的能力降低约，吸附瓦斯的能力降低约8%。3、瓦斯的性质、瓦斯的性质 对于特定的煤，在对于特定的煤，在t、P一定时，一定时，CO2的吸附量的吸附量 CH4的

28、吸附量的吸附量 N2的吸附量的吸附量 4、煤的变质程度、煤的变质程度 变质程度反映了煤的表面积与化学组成。变质程度反映了煤的表面积与化学组成。变质程度越高（变质程度越高（Vr）X第31页，本讲稿共58页5、煤中的水份、煤中的水份 水份的增加使煤的吸附能力降低。水份的增加使煤的吸附能力降低。艾琴格尔经验式：艾琴格尔经验式：式中：式中：Xch-含有水份时瓦斯吸附量；含有水份时瓦斯吸附量；Xg-不含有水份时瓦斯吸附量；不含有水份时瓦斯吸附量；W-水份含量。水份含量。6、煤中的灰份（、煤中的灰份（Ac）灰份不吸附瓦斯，我国习惯于用灰份不吸附瓦斯，我国习惯于用可燃基可燃基作单位。作单位。第32页，本讲稿

29、共58页1.6 煤层瓦斯压力煤层瓦斯压力一、一、瓦斯压力的含义瓦斯压力的含义 -煤层孔隙或裂隙内气体分子自由运动撞击煤层孔隙或裂隙内气体分子自由运动撞击所产生的作用力所产生的作用力。特点特点：在某一点上各向大小相等，方向与孔隙壁面在某一点上各向大小相等，方向与孔隙壁面垂直。垂直。煤层瓦斯压力煤层瓦斯压力是决定煤层是决定煤层瓦斯含量瓦斯含量、瓦斯流动瓦斯流动动力高低动力高低以及以及瓦斯动力现象瓦斯动力现象的基本参数。的基本参数。第33页，本讲稿共58页二、煤层瓦斯压力分布的一般规律二、煤层瓦斯压力分布的一般规律1 1、在未受采动影响煤层内、在未受采动影响煤层内（1 1）沿深度）沿深度(沿煤层倾向

30、沿煤层倾向)符合气体状态方程，即：符合气体状态方程，即：P=f(vP=f(v-1-1,t),t)，其中：其中：v v为孔容，为孔容，t t为煤温。为煤温。H ，V ，T 但不明显但不明显 H P 未受采动影响的煤层内的瓦斯压力，随深度的增加未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。而有规律地增加，可以大于、等于或小于静水压。第34页，本讲稿共58页 存在存在：n-系数，通常取系数，通常取n=1。存在：存在：gp-煤层瓦斯压力梯度，煤层瓦斯压力梯度，Mpa/m。含义含义-单位深度增加煤层瓦斯压力增加量。单位深度增加煤层瓦斯压力增加量。gp 说明什么说

31、明什么?（H1,P1）(H2,P2)(H,P)H(m)P(MPa)第35页，本讲稿共58页根据瓦斯压力梯度可以预测深部煤层瓦斯压力。根据瓦斯压力梯度可以预测深部煤层瓦斯压力。预测计算式：预测计算式：式中：式中：P预测的甲烷带内深预测的甲烷带内深H(m)处的瓦斯压力，处的瓦斯压力，MPa gp瓦斯压力梯度，瓦斯压力梯度，MPa/m特例特例：式中：式中：P0-甲烷带上部边界处瓦斯压力，取甲烷带上部边界处瓦斯压力，取0.2MPa。H0-甲烷带上部边界深度，甲烷带上部边界深度，m。举举例例：某某矿矿瓦瓦斯斯风风化化带带深深度度为为100m，在在200m处处测测得得煤煤层层瓦瓦斯压力为斯压力为0.5MP

32、a，预测，预测300m处煤层瓦斯压力。处煤层瓦斯压力。第36页，本讲稿共58页 （2）沿走向）沿走向 在地质条件相近的块段内，相同深度的同一煤层，具有大体相在地质条件相近的块段内，相同深度的同一煤层，具有大体相同的瓦斯压力。同的瓦斯压力。条件：条件：A）孔隙、裂隙互相连通，形成一个统一的体系；）孔隙、裂隙互相连通，形成一个统一的体系；B）等量的瓦斯处于）等量的瓦斯处于孔隙容积相同孔隙容积相同的不同体系内。的不同体系内。C）不等量的瓦斯处于）不等量的瓦斯处于孔隙容积按同比例孔隙容积按同比例的不同体系内。的不同体系内。即：即：实际上，只能实际上，只能“大体相同大体相同”，而且可能差别。，而且可能差

33、别。2、采动影响区煤层、采动影响区煤层 f ,Xf ,P发生变化，十分复杂，一般随深度增加瓦斯压力逐发生变化，十分复杂，一般随深度增加瓦斯压力逐渐增大。渐增大。第37页，本讲稿共58页 二、煤层瓦斯压力测定二、煤层瓦斯压力测定 瓦斯压力测定瓦斯压力测定：打钻、封孔、测压：打钻、封孔、测压 1、主要设备及仪表、主要设备及仪表 钻机、测定管、压力表钻机、测定管、压力表。封孔材料封孔材料：炮泥、水泥，木楔；：炮泥、水泥，木楔；封孔器。封孔器。2、测压步骤、测压步骤 A）打钻）打钻 要求要求：测定地点无大裂隙，不位于破坏带，含水小。：测定地点无大裂隙，不位于破坏带，含水小。一般由围岩向煤层打穿层钻孔，

34、钻孔直径一般由围岩向煤层打穿层钻孔，钻孔直径 4575mm。B）封孔）封孔 钻孔到位后，用压气清渣。钻孔到位后，用压气清渣。封孔方法分为：封孔方法分为：第38页，本讲稿共58页vv固体材料封孔固体材料封孔固体材料封孔固体材料封孔 一般采黄泥作为固体材料一般采黄泥作为固体材料。木楔木楔导气管（导气管（1520m紫铜管或铁管紫铜管或铁管）5m0.4m0.2m水泥水泥固体材料挡盘挡盘导气孔导气孔测压室测压室固体材料封孔测定瓦斯压力示意图固体材料封孔测定瓦斯压力示意图固体材料封孔测定瓦斯压力示意图固体材料封孔测定瓦斯压力示意图第39页，本讲稿共58页3m测压管测压管检查管检查管注浆管注浆管v水泥砂浆封

35、孔水泥砂浆封孔 为了克服粘土封孔费工费时劳动强度较大的缺点，国内外不为了克服粘土封孔费工费时劳动强度较大的缺点，国内外不少矿井采用以压缩空气为动力，将水泥砂浆压入钻孔的封孔工艺。少矿井采用以压缩空气为动力，将水泥砂浆压入钻孔的封孔工艺。适用条件：适用条件：封孔倾角超过封孔倾角超过4545、深度大于、深度大于15m15m的钻孔。的钻孔。水泥沙浆配比水泥沙浆配比：500500号水泥：砂石：水：铝粉（或石膏）号水泥：砂石：水：铝粉（或石膏）：1 0.51 0.5：0.00080.0008第40页，本讲稿共58页v胶圈粘液封孔测定瓦斯压力胶圈粘液封孔测定瓦斯压力 原理：用膨胀着的胶圈封高压粘液，再由高

36、压粘液封用膨胀着的胶圈封高压粘液，再由高压粘液封高压瓦斯，由压力表测定瓦斯压力。高压瓦斯，由压力表测定瓦斯压力。测压管测压管胶圈胶圈注粘液注粘液第41页，本讲稿共58页3、注意事项、注意事项（1）测压空间尽可能小；）测压空间尽可能小；（2）钻孔打完后，立即封孔，尤其是低透气性煤层；）钻孔打完后，立即封孔，尤其是低透气性煤层；（3）防止漏气；）防止漏气；（4）足够长的观察时间；）足够长的观察时间；（5）防止地下水的影响，尽可能不穿含水层，必须穿过含）防止地下水的影响，尽可能不穿含水层，必须穿过含水层时，封孔应超过含水层。水层时，封孔应超过含水层。1.7 煤层瓦斯含量煤层瓦斯含量一、瓦斯在煤层中的

37、存在状态一、瓦斯在煤层中的存在状态 煤体是一种复杂的多孔性固体，包括原生孔隙和运动形煤体是一种复杂的多孔性固体，包括原生孔隙和运动形成的大量孔隙和裂隙，形成了很大的自由空间和孔隙表面。成的大量孔隙和裂隙，形成了很大的自由空间和孔隙表面。第42页，本讲稿共58页1 1、游离状态、游离状态 主要存在于大、中孔、裂隙空间内，其间瓦斯分子作自由热主要存在于大、中孔、裂隙空间内，其间瓦斯分子作自由热运动，显示相应的瓦斯压力。运动，显示相应的瓦斯压力。在现今采深下，占瓦斯总量的在现今采深下，占瓦斯总量的 5 12%5 12%。2 2、吸附状态、吸附状态 主要存在于小孔和微孔空间内。分为表面吸附和吸收两主要

38、存在于小孔和微孔空间内。分为表面吸附和吸收两种状态。占瓦斯总量的种状态。占瓦斯总量的 80%80%。P或t升高P或t降低游离状态瓦斯游离状态瓦斯游离状态瓦斯游离状态瓦斯游离状态瓦斯吸附状态瓦斯吸附状态瓦斯吸附状态瓦斯吸附状态瓦斯第43页，本讲稿共58页3、其它形态、其它形态-结晶水化物结晶水化物 问题提出问题提出：结晶水化物的形式：结晶水化物的形式：形成条件形成条件：低温、高压。：低温、高压。对对CH4:对对C2H6:对对C3H8:t=0时，P2.0MPat=5时，P4.8MPat=10时，P8.0MPat=0时，P0.6MPat=5时，P1.3MPat=10时，P2.5MPat=0时，P0.

39、1MPat=2.5时，P0.3MPa乙烷和丙烷生成乙烷和丙烷生成水化物的条件比水化物的条件比CH4低得多低得多第44页，本讲稿共58页二、煤层瓦斯含量二、煤层瓦斯含量1、含义含义：单位质量或体积的煤中含有的瓦斯量。：单位质量或体积的煤中含有的瓦斯量。m3/m3，m3/t。煤层瓦斯包含：煤层瓦斯包含：游离瓦斯量游离瓦斯量 和和 吸附瓦斯量吸附瓦斯量2、瓦斯含量计算、瓦斯含量计算 （1）游离瓦斯量）游离瓦斯量 由气体状态方程：由气体状态方程：考虑到瓦斯气体可压缩性，则有：考虑到瓦斯气体可压缩性，则有：粗略计算，假设：粗略计算，假设：则：则：式中：式中：P-煤层瓦斯压力，煤层瓦斯压力，Mpa；V-煤

40、的孔容。煤的孔容。第45页，本讲稿共58页（2）吸附瓦斯量）吸附瓦斯量-Xx 一般采用朗格缪尔方程计算。一般采用朗格缪尔方程计算。其中：其中：（3）煤层瓦斯含量）煤层瓦斯含量-X X=Xg+Xx m3/t第46页，本讲稿共58页三、煤层瓦斯含量的测定三、煤层瓦斯含量的测定1、直接测定法、直接测定法勘探钻孔煤芯解吸法勘探钻孔煤芯解吸法主要测定步骤：主要测定步骤：1）现场采样与瓦斯解吸速度的测定现场采样与瓦斯解吸速度的测定v1第47页，本讲稿共58页2、损失瓦斯量的计算、损失瓦斯量的计算v2 t0装罐前时间；装罐前时间；t装罐后时间；装罐后时间；v解吸瓦斯体积。解吸瓦斯体积。02004006008

41、00200400600800V/ml第48页，本讲稿共58页）煤样剩余瓦斯解吸）煤样剩余瓦斯解吸v3 包括包括：I)煤样粉碎前脱气；煤样粉碎前脱气；ii)煤样粉碎后脱气煤样粉碎后脱气 总瓦斯量：总瓦斯量：V=V1+V2+V3 经过状态变换和计算可得煤层原始瓦斯含量。经过状态变换和计算可得煤层原始瓦斯含量。2、瓦斯含量系数法、瓦斯含量系数法 测定原理测定原理：煤层瓦斯含量与瓦斯压力之间，大致存在如下关系：煤层瓦斯含量与瓦斯压力之间，大致存在如下关系：式中：式中：瓦斯含量系数，瓦斯含量系数，m m3 3/(m/(m3 3.MPa.MPa0.50.5)，通过实验室测定得，通过实验室测定得出；出；P

42、P煤层瓦斯压力，煤层瓦斯压力，MpaMpa；X X煤层瓦斯含量，煤层瓦斯含量，m m3 3/m/m3 3第49页，本讲稿共58页1.8 影响煤层瓦斯含量的主要因素影响煤层瓦斯含量的主要因素 煤层瓦斯含量主要取决于：煤层瓦斯含量主要取决于：瓦斯生成量；瓦斯生成量；瓦斯运移条件；瓦斯运移条件；煤层贮存瓦斯的性能。煤层贮存瓦斯的性能。具体包括以下几点：具体包括以下几点：1、煤的碳化程度、煤的碳化程度 在碳化作用过程中，不断地在碳化作用过程中，不断地产生瓦斯，碳化程度越高，生成产生瓦斯，碳化程度越高，生成的瓦斯量越多。相同的条件下，的瓦斯量越多。相同的条件下，煤的变质程度越高，煤层瓦斯含量越大煤的变质

43、程度越高，煤层瓦斯含量越大。煤煤的的平平均均甲甲烷烷含含量量与与其其变变质质程程度的定量关系曲线度的定量关系曲线第50页，本讲稿共58页2、煤层的赋存状态、煤层的赋存状态（1）露头）露头 成煤的地质年代中，若有露头长时间与大气相通，瓦斯沿成煤的地质年代中，若有露头长时间与大气相通，瓦斯沿煤层流动，煤层流动，煤层瓦斯往往沿煤层露头排放，瓦斯含量大为减煤层瓦斯往往沿煤层露头排放，瓦斯含量大为减少。少。（2 2）煤层倾角）煤层倾角 煤层倾角煤层倾角愈大，煤层瓦斯含量愈低。愈大，煤层瓦斯含量愈低。Exp:芙蓉矿，北翼：芙蓉矿，北翼：40 80,南翼：南翼：6 12，第51页，本讲稿共58页（3）埋藏深

44、度）埋藏深度 埋深增加，地应力增高，煤层的透气性变差，瓦埋深增加，地应力增高，煤层的透气性变差，瓦斯向地表运移距离增加，有利于封存瓦斯。斯向地表运移距离增加，有利于封存瓦斯。在近代开采深度内，在近代开采深度内，CH4带，带，但是但是如果埋藏深度继续增大，瓦斯含量增加的速度将要如果埋藏深度继续增大，瓦斯含量增加的速度将要减慢而趋于常量。减慢而趋于常量。第52页，本讲稿共58页3 3、煤层和围岩的透气性、煤层和围岩的透气性 煤层围岩煤层围岩是指煤层直接顶、老顶和直接底板等在内的一定厚度是指煤层直接顶、老顶和直接底板等在内的一定厚度范围的层段。煤层围岩对瓦斯赋存的影响，决定于它的隔气、范围的层段。煤

45、层围岩对瓦斯赋存的影响，决定于它的隔气、透气性能。透气性能。当煤层顶板岩性为致密完整的岩石，如页岩、油母页岩时，煤当煤层顶板岩性为致密完整的岩石，如页岩、油母页岩时，煤层中的瓦斯容易被保存下来；层中的瓦斯容易被保存下来；顶板为多孔隙或脆性裂隙发育的岩石，如砾岩、砂岩时，顶板为多孔隙或脆性裂隙发育的岩石，如砾岩、砂岩时，瓦斯容易逸散。瓦斯容易逸散。exp:exp:北京京西煤矿，不论是下侏罗统或是石炭二叠系的煤北京京西煤矿，不论是下侏罗统或是石炭二叠系的煤层，尽管煤的牌号为无烟煤，由于煤层顶板为层，尽管煤的牌号为无烟煤，由于煤层顶板为121216m16m的厚层中粒砂岩，透气性好，因此煤层瓦斯含量小

46、，矿的厚层中粒砂岩，透气性好，因此煤层瓦斯含量小，矿井瓦斯涌出量低。井瓦斯涌出量低。第53页，本讲稿共58页4、地质构造、地质构造 是影响煤层瓦斯含量的主要因素之一。是影响煤层瓦斯含量的主要因素之一。表现表现：一方面是造成了瓦斯分布的不均衡，另一方面是形：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赋存或有利于瓦斯排放的条件。成了有利于瓦斯赋存或有利于瓦斯排放的条件。(1)(1)褶皱构造褶皱构造 褶皱的类型、封闭情况和复杂程度，对瓦斯赋存均有影褶皱的类型、封闭情况和复杂程度，对瓦斯赋存均有影响。响。当煤层顶板岩石透气性差，当煤层顶板岩石透气性差，且未遭构造破坏时，且未遭构造破坏时

47、，背斜有利背斜有利于瓦斯的储存于瓦斯的储存，是良好的储气，是良好的储气构造，背斜轴部的瓦斯会相对构造，背斜轴部的瓦斯会相对聚集，瓦斯含量增大。聚集，瓦斯含量增大。形成形成“气顶气顶”。第54页，本讲稿共58页 在向斜盆地构造的矿区，顶在向斜盆地构造的矿区，顶板封闭条件良好时，瓦斯沿垂直板封闭条件良好时，瓦斯沿垂直地层方向运移是比较困难的，大地层方向运移是比较困难的，大部分瓦斯仅能沿两翼流向地表。部分瓦斯仅能沿两翼流向地表。煤包、地煤包、地 垒、地堑都为高瓦斯区。垒、地堑都为高瓦斯区。（2）断层）断层 断层破坏了煤层的连续完整性，使煤层瓦斯运移条件发生变断层破坏了煤层的连续完整性，使煤层瓦斯运移

48、条件发生变化。有的断层有利于瓦斯排放，也有的断层对瓦斯排放起阻挡作化。有的断层有利于瓦斯排放，也有的断层对瓦斯排放起阻挡作用，成为逸散的屏障。前者称用，成为逸散的屏障。前者称开放型断层开放型断层，后者称，后者称封闭型断层封闭型断层。第55页，本讲稿共58页断层的开放与封闭性决定于下列条件断层的开放与封闭性决定于下列条件：a.断断层层的的性性质质和和力力学学性性质质。一一般般张张性性正正断断层层属属开开放放型型，而而压压性性或压扭性逆断层封闭条件较好。或压扭性逆断层封闭条件较好。b.断断层层与与地地表表或或与与冲冲积积层层的的连连通通情情况况。规规模模大大且且与与地地表表相相通通或与冲积层相连的

49、断层一般为开放型。或与冲积层相连的断层一般为开放型。c.断断层层将将煤煤层层断断开开后后，煤煤层层与与断断层层另另一一盘盘接接触触的的岩岩层层性性质质。若若透气性好则利于瓦斯排放。透气性好则利于瓦斯排放。d.断层带的特征断层带的特征。断层带的充填情况、紧闭程度、裂隙发。断层带的充填情况、紧闭程度、裂隙发育情况等都会影响到断层的开放或封闭性育情况等都会影响到断层的开放或封闭性。一般地，开放性断层，一般地，开放性断层，不论其与地表是否连通，其不论其与地表是否连通，其附近，瓦斯含量低。附近，瓦斯含量低。第56页，本讲稿共58页 封闭性断层（受压影响），封闭性断层（受压影响），可阻止可阻止CH4的排放

50、。的排放。5水文地质条件水文地质条件 地下水与瓦斯共存于煤地下水与瓦斯共存于煤 层及围岩之中，其共性是均层及围岩之中，其共性是均 为流体，运移和赋存都与煤、岩层的孔隙、裂隙通道有为流体，运移和赋存都与煤、岩层的孔隙、裂隙通道有关。由于地下水的运移，关。由于地下水的运移，一方面一方面驱动着裂隙和孔隙中瓦斯的驱动着裂隙和孔隙中瓦斯的运移，运移，另一方面另一方面又带动溶解于水中的瓦斯一起流动。又带动溶解于水中的瓦斯一起流动。瓦斯在水中的溶解度仅为瓦斯在水中的溶解度仅为1 14%4%。地下水和瓦斯占有的空间是互补的，这种相逆的关系，常表地下水和瓦斯占有的空间是互补的，这种相逆的关系，常表现为现为水大地