礦井瓦斯防治技術(shù)

　　中國煤礦安全技術(shù)培訓中心

　　華北科技學院

　　朱建芳

　　博士、副教授、注冊安全工程師

　　主要內(nèi)容

　　礦井瓦斯基礎知識

　　防治技術(shù)

　　通風系統(tǒng)

　　瓦斯爆炸

　　煤與瓦斯突出

　　第一章 礦井瓦斯基礎知識

　　二、井下有害氣體的來源

　　1、煤層及圍巖內(nèi)賦存并涌入礦井的氣體。

　　2、礦井生產(chǎn)過程中生成的氣體(放炮等作業(yè))。

　　3、空氣與煤、木材、其他材料之間緩慢化學反應生成的氣體。

　　4、放射性物質(zhì)蛻變過程中生成的或地下水放出的放射性惰性氣體，主要是氡Rn和氦He。

　　三、瓦斯的生成過程

　　礦井瓦斯是成煤過程中的一種伴生產(chǎn)物。古代植物遺體在形成泥炭過程中，由于厭氧菌的作用，植物的纖維質(zhì)破壞分解、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)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。

　　礦井瓦斯的危害

　　窒息

　　燃燒

　　爆炸

　　突出

　　煤層原始瓦斯壓力的測量

　　膠襄、密封粘液封孔

　　注漿(膨脹水泥)封孔

　　瓦斯壓力間接測算法

　　1)按瓦斯壓力梯度推算煤層瓦斯壓力

　　式中，p——在深度H處的瓦斯壓力，MPa;

　　p0——瓦斯風化帶H0深處的瓦斯壓力，取

　　0.15~0.2MPa;

　　H0——瓦斯風化帶深度，m;

　　H——距地表垂深，m;

　　m——瓦斯壓力梯度，我國礦井一般在

　　0.007~0.012MPa/m之間。

　　此外，對于測壓資料比較豐富的礦井，可根據(jù)已開采深度范圍內(nèi)瓦斯壓力與開采深度之間的關(guān)系，直接按下式估算未知深度處的煤層瓦斯壓力值：

　　式中，p——距地表深度處的瓦斯壓力，MPa;

　　H——距地表垂深，m;

　　B——系數(shù)，MPa/m。

　　根據(jù)于不凡等人的研究結(jié)果，對于我國煤層而言，B=0.0015~0.015，其中，高瓦斯煤層B=0.0064。

　　2)根據(jù)煤層瓦斯涌出量間接測定瓦斯壓力

　　當某一采區(qū)瓦斯來自開采煤層本身時，如能統(tǒng)計出從采區(qū)的掘進到回采結(jié)束的時間內(nèi)涌出的總瓦斯量、采區(qū)的煤炭儲量以及煤的瓦斯含量系數(shù)曲線，則可求得該采區(qū)中煤層的平均瓦斯壓力，其計算式為：

　　3)根據(jù)煤層原始瓦斯含量推算瓦斯壓力

　　即利用特制的密閉鉆頭從煤體內(nèi)部預定地點采取煤樣，然后采用解吸法將煤樣中的瓦斯全部抽出，根據(jù)煤樣的重量或體積和解吸出的總的瓦斯量求出單位重量或體積的瓦斯量，再按瓦斯含量曲線或瓦斯含量計算公式反求出瓦斯壓力。該方法要求密封鉆頭的密封性能良好;當密封性能良好時，其所求得瓦斯壓力比較準確。

　　4)根據(jù)殘余瓦斯含量推算煤層瓦斯壓力

　　其基本原理與根據(jù)煤層原始瓦斯含量推算瓦斯壓力的方法相同，不同之處在于這種方法采用普通巖心管采樣，而不用密閉鉆頭。取出煤樣后迅速放入煤樣密閉罐中，并記錄從開始取樣到放入罐中的時間t0;然后再到地面實驗室測出煤樣中的剩余瓦斯含量。每次測量完畢后再充以瓦斯，達到某一瓦斯壓力后，突然放散瓦斯，放散瓦斯的時間與t0相同，然后再測其剩余瓦斯含量。如此變換瓦斯壓力，重復操作幾次，根據(jù)測量結(jié)果繪制出真實瓦斯壓力P和放散瓦斯時間t0后的剩余瓦斯含量XM的關(guān)系曲線，即可求得煤層瓦斯壓力。

　　5)根據(jù)煤屑解吸指標△h2測算瓦斯壓力

　　煤屑解吸指標△h2的大小反映了煤樣采集地點煤層的瓦斯壓力、煤的變質(zhì)程度和煤的強度特性。這種方法的基本原理是通過在實驗室對煤樣進行瓦斯解吸規(guī)律研究，然后根據(jù)解吸數(shù)據(jù)反求出所測地點的煤層瓦斯壓力。

　　MD-2型煤屑瓦斯解吸儀

　　6)利用井下煤屑瓦斯解吸量測算瓦斯壓力

　　近年來，煤炭科學研究總院撫順研究院基于瓦斯解吸規(guī)律，開發(fā)了WP-1型井下煤層瓦斯含量快速測定儀，通過在煤礦井下現(xiàn)場實測鉆屑瓦斯解吸量，從而計算出煤層瓦斯含量w、瓦斯壓力P及防突指標K1、Kt等指標。其操作過程如下：在新暴露的煤壁或煤巷中，沿煤層傾向打鉆，當鉆孔深度超過巷道瓦斯排放帶深度后，每隔1~2m定點采集煤鉆屑樣，利用WP-1型井下煤層瓦斯含量快速測定儀，在5min內(nèi)即可獲得煤層瓦斯壓力。這種方法需要事先獲取或測量煤對瓦斯的吸附常數(shù)a、b值。

　　7)理論計算

　　我國學者鮮學福等人采用解析算法，在考慮地應力和地溫影響的基礎上，提出了煤層瓦斯?jié)B透率k(φ，θ)與平均應力和地溫的關(guān)系及一維穩(wěn)定流動的瓦斯?jié)B流方程，并根據(jù)煤層在地表有無露頭和通道的情況，推導出了煤礦深部開采時煤層瓦斯壓力的解析式。