中國(guó)煤礦安全技術(shù)培訓(xùn)中心--礦井瓦斯防治技術(shù)

　　礦井瓦斯防治技術(shù)

　　中國(guó)煤礦安全技術(shù)培訓(xùn)中心

　　華北科技學(xué)院

　　朱建芳

　　博士、副教授、注冊(cè)安全工程師

　　主要內(nèi)容

　　礦井瓦斯基礎(chǔ)知識(shí)

　　防治技術(shù)

　　通風(fēng)系統(tǒng)

　　瓦斯爆炸

　　煤與瓦斯突出

　　第一章 礦井瓦斯基礎(chǔ)知識(shí)

　　二、井下有害氣體的來(lái)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(guò)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(xué)反應(yīng)生成的氣體。

　　4、放射性物質(zhì)蛻變過(guò)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(guò)程

　　礦井瓦斯是成煤過(guò)程中的一種伴生產(chǎn)物。古代植物遺體在形成泥炭過(guò)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(shí)生成瓦斯;

　　此后，在煤的炭化變質(zhì)過(guò)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(wú)煙煤，同時(shí)繼續(xù)有大量瓦斯伴隨生成。

　　瓦斯的生成和煤的形成同時(shí)進(jìn)行且貫穿于整個(gè)成煤過(guò)程中，在長(zhǎng)期的地質(zhì)年代里，由于地層變動(dòng)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(cè)量

　　膠襄、密封粘液封孔

　　注漿(膨脹水泥)封孔

　　瓦斯壓力間接測(cè)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(fēng)化帶H0深處的瓦斯壓力，取

　　0.15~0.2MPa;

　　H0——瓦斯風(fēng)化帶深度，m;

　　H——距地表垂深，m;

　　m——瓦斯壓力梯度，我國(guó)礦井一般在

　　0.007~0.012MPa/m之間。

　　此外，對(duì)于測(cè)壓資料比較豐富的礦井，可根據(jù)已開(kāi)采深度范圍內(nèi)瓦斯壓力與開(kāi)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(duì)于我國(guó)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(cè)定瓦斯壓力

　　當(dāng)某一采區(qū)瓦斯來(lái)自開(kāi)采煤層本身時(shí)，如能統(tǒng)計(jì)出從采區(qū)的掘進(jìn)到回采結(jié)束的時(shí)間內(nèi)涌出的總瓦斯量、采區(qū)的煤炭?jī)?chǔ)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(jì)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(yù)定地點(diǎn)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(jì)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(dāng)密封性能良好時(shí)，其所求得瓦斯壓力比較準(zhǔn)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(kāi)始取樣到放入罐中的時(shí)間t0;然后再到地面實(shí)驗(yàn)室測(cè)出煤樣中的剩余瓦斯含量。每次測(cè)量完畢后再充以瓦斯，達(dá)到某一瓦斯壓力后，突然放散瓦斯，放散瓦斯的時(shí)間與t0相同，然后再測(cè)其剩余瓦斯含量。如此變換瓦斯壓力，重復(fù)操作幾次，根據(jù)測(cè)量結(jié)果繪制出真實(shí)瓦斯壓力P和放散瓦斯時(shí)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(biāo)△h2測(cè)算瓦斯壓力

　　煤屑解吸指標(biāo)△h2的大小反映了煤樣采集地點(diǎn)煤層的瓦斯壓力、煤的變質(zhì)程度和煤的強(qiáng)度特性。這種方法的基本原理是通過(guò)在實(shí)驗(yàn)室對(duì)煤樣進(jìn)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(cè)地點(diǎn)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(cè)算瓦斯壓力

　　近年來(lái)，煤炭科學(xué)研究總院撫順研究院基于瓦斯解吸規(guī)律，開(kāi)發(fā)了WP-1型井下煤層瓦斯含量快速測(cè)定儀，通過(guò)在煤礦井下現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)鉆屑瓦斯解吸量，從而計(jì)算出煤層瓦斯含量w、瓦斯壓力P及防突指標(biāo)K1、Kt等指標(biāo)。其操作過(guò)程如下：在新暴露的煤壁或煤巷中，沿煤層傾向打鉆，當(dāng)鉆孔深度超過(guò)巷道瓦斯排放帶深度后，每隔1~2m定點(diǎn)采集煤鉆屑樣，利用WP-1型井下煤層瓦斯含量快速測(cè)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(cè)量煤對(duì)瓦斯的吸附常數(shù)a、b值。

　　7)理論計(jì)算

　　我國(guó)學(xué)者鮮學(xué)福等人采用解析算法，在考慮地應(yīng)力和地溫影響的基礎(chǔ)上，提出了煤層瓦斯?jié)B透率k(φ，θ)與平均應(yīng)力和地溫的關(guān)系及一維穩(wěn)定流動(dòng)的瓦斯?jié)B流方程，并根據(jù)煤層在地表有無(wú)露頭和通道的情況，推導(dǎo)出了煤礦深部開(kāi)采時(shí)煤層瓦斯壓力的解析式。