| 第九章 矿井瓦斯
本章主要内容
1、瓦斯概念
2、煤层瓦斯赋存与含量
3、矿井瓦斯涌出
4、瓦斯喷出与突出
5、瓦斯爆炸与预防
6、瓦斯抽放
第九章 矿井瓦斯
第一节 概述
矿井瓦斯是煤矿生产过程中，从煤、岩内涌出的各种气体的总称。煤矿术语中的瓦斯指的就是甲烷。
物理化学性质。无色、无味、无毒、比空气轻，微溶于水。
危害：爆炸，突出，人员窒息、环境污染。
作用：能源、化工原料。
第二节 煤层瓦斯赋存与含量
一、瓦斯的成因与赋存
（一）矿井瓦斯的生成
煤层瓦斯是腐植型有机物（植物）在成煤过程中生成的。
成气过程两个阶段一是生物化学成气时期；二是煤化变质作用时期。
（二）瓦斯在煤体内存在的状态
煤体是一种复杂的多孔性固体，包括原生孔隙和运动形成的大量孔隙和裂隙，形成了很大的自由空间和孔隙表面。
煤层中 瓦斯赋存两种状态：
游离状态
吸附状态
吸着状态
吸收状态
二、煤层中瓦斯垂直分带
形成原因：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煤层中渗透，使煤层内的瓦斯呈现出垂直分带特征。
四带： CO2- N2带、N2带、N2—CH4带、CH4带。
瓦斯风化带下界深度确定依据：可以根据下列指标中的任何一项确定。
（1）煤层的相对瓦斯涌出量等于2～3m3/t处；
（2）煤层内的瓦斯组分中甲烷及重烃浓度总和达到80%（体积比）；
（3）煤层内的瓦斯压力为0.1～0.15MPa；
（4）煤的瓦斯含量达到下列数值处：长焰煤1.0～1.5 m3/t（C.M.），气煤1.5～2.0m3/t（C.M.），肥煤与焦煤2.0～2.5m3/t(C.M)，瘦煤2.5～3.0m3/t(C.M.)，贫煤3.0～4.0m3/t(C.M.)，无烟煤5.0～7.0m3/t(C.M.)（此处的C.M.是指煤中可燃质既固定碳和挥发分）
三 影响煤层瓦斯含量的因素
煤的瓦斯含量是指单位体积或重量的煤在自然状态下所含有的瓦斯量（标准状态下的瓦斯体积），单位为 m3/m3(cm3/cm3)或 m3/t(cm3/g)。
煤的瓦斯含量包括游离瓦斯和吸附瓦斯含量之和。
主要影响因素：
1、煤的吸附特性 煤的吸附性能决定于煤化程度， 一般情况下煤的煤化程度越高，存储瓦斯的能力越强。
2、.煤层露头
3、煤层的埋藏深度 ---深，瓦斯大
4、围岩透气性、泥岩、完整石灰岩低透气性
5、煤层倾角----大，瓦斯小，小，瓦斯大
6、地质构造----封闭地质，瓦斯大，开放的，瓦斯小
7、水文地质条件----水流，带走瓦斯
四、煤层内的瓦斯压力
瓦斯流动动力高低以及瓦斯动力现象的基本参数。
瓦斯压力测定：打钻、封孔、测压
瓦斯带内瓦斯压力变化规律：
末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。
瓦斯压力梯度：
或
式中 P—预测的甲烷带内深H(m)处的瓦斯压力，MPa
gp—瓦斯压力梯度，MPa/m
P1，P2—甲烷带内深度为H1、H2(m)处的瓦斯压力，MPa。
P0--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，m。
第三节 矿井瓦斯涌出
普通涌出 特殊涌出
一、瓦斯涌出量
1、含义：矿井建设或生产过程中从煤岩内涌出的瓦斯量
2、瓦斯涌出量表示方法
绝对瓦斯涌出量-- 单位时间涌出的瓦斯体积，单位为m3/d或m3/min：
相对瓦斯涌出量--平均日产一吨煤同期所涌出的瓦斯量，单位是 m3/t 。
二、影响瓦斯涌出的因素
决定于自然因素和开采技术因素的综合影响。
(一) 自然因素
1、煤层和围岩的瓦斯含量，
2、地面大气压变化。
（二）开采技术因素
1、开采规模—产量与瓦斯涌出量的关系复杂
2、开采顺序与回采方法 ---先开采，大；回采率低，大；顶板管理
3、生产工艺-初期大，呈指数下降
4、风量变化---单一煤层，随风量减而增，煤层群
5、采区通风系统
6、采空区的密闭质量
三、矿井瓦斯涌出来源的分析与分源治理
按划分目的的不同，对矿井瓦斯来源有三种划分方式：
.按水平、翼、采区来进行划分，作为风量分配的依据之一；
.按掘进区、回采区和已采区来划分，它是日常治理瓦斯工作的基础；
.按开采区、临近区划分，它是采煤工作面治理瓦斯工作的基础
四、瓦斯涌出不均系数
正常生产过程中，矿井绝对瓦斯涌出量受各种因素的影响其数值是经常变化的，但在一段时间内只在一个平均值上下波动，峰值与平均值的比值称为瓦斯涌出不均系数。
矿井瓦斯涌出不均系数表示为：
kg=Qmax/Qa
式中：kg－给定时间内瓦斯涌出不均系数；
Qmax－该时间内的最大瓦斯涌出量，m3/min；
Qa－该时间内的平均瓦斯涌出量，m3/min；
方法：确定区域，进回风量、瓦斯浓度
五、矿井瓦斯等级
1.矿井瓦斯等级划分
依据：按照平均日产一吨煤涌出瓦斯量（相对瓦斯涌出量）和瓦斯涌出形式，划分为：
低瓦斯矿井：10m3及其以下；高瓦斯矿井：10m3以上；
煤与瓦斯突出矿井。
2、矿井瓦斯等级鉴定
（1）鉴定时间和基本条件 矿井瓦斯等级的鉴定工作应在正常生产的条件下进行。
（2）测点选择和测定内容及要求。
（3）矿井瓦斯等级的确定。
六、矿井瓦斯涌出量预测
瓦斯涌出量的预测：指根据某些已知相关数据，按照一定的方法和规律，预先估算出矿井或局部区域瓦斯涌出量的工作。
瓦斯涌出量的预测的方法：
（1）统计法
A、 瓦斯涌出量梯度：深度与相对涌出量的比值
B、 物理含义
C、计算
（2）计算法: 以煤层瓦斯含量为基础进行计算。
第四节 瓦斯喷出
瓦斯喷出：大量承压状态的瓦斯从煤、岩裂缝中快速喷出的现象。
一、瓦斯喷出的分类
根据喷瓦斯裂缝呈现原因的不同，可把瓦斯喷出分成：
地质来源形成的和采掘卸压形成的两大类。
二、瓦斯喷出的预防
预防瓦斯喷出，首先要加强地质工作，查清楚施工地区的地质构造、断层、溶洞的位置、裂隙的位置和走向、以及瓦斯储量和压力等情况，采取相应的预防或处理措施。分为：
1、当瓦斯喷出量和压力不大时，黄泥或水泥沙浆等充填材料堵塞喷出口；
2、当瓦斯喷出量和压力较大时，可能的喷出地点附近打前探钻孔，探测、排放。
前探钻孔的要求：
(1)10 m外，打钻75mm，3个
(2)边掘边打超前钻，超前5 m，不少3个孔；
(3)裂隙、溶洞、破坏带打超前钻,75mm,2个，超5m
第五节 煤与瓦斯突出及其预防
一、概述
含义：在极短时间内，从煤岩内以极快速度向采掘空间涌出煤岩和瓦斯。
危害：
二、突出的机理
突出的机理是关于解释突出的原因和过程的理论。突出是十分复杂的自然现象，它的机理还没有统一的见解，假说很多。多数人认为，突出是地压、瓦斯、煤的力学性质和重力综合作用的结果。
三、突出的一般规律
1、突出多发生在一定的采深以后；
2、突出多发生在地质构造带、应力集中区；
3、突出的强度和次数，与煤层厚度、倾角、硬度、透气性等有关；
4、突出与瓦斯关系，瓦斯压力小含量低，可能发生突出。
4、突出大多发生在落煤、放炮工序
5、突出前有预兆
四、预防煤与瓦斯突出的主要技术措施
防突措施分类：
区域性防突措施：实施以后可使较大范围煤层消除突出危险性的措施，称为区域性防突措施；
局部防突措施：实施以后可使局部区域(如掘进工作面)消除突出危险性的措施称为局部防突措施。
(一)、区域性防突措施
区域性防突措施主要有开采保护层和预抽煤层瓦斯两种。
1、开采保护层
保护层：在突出矿井中，预先开采的、并能使其它相邻的有突出危险的煤层受到采动影响而减少或丧失突出危险的煤层称为保护层。
被保护层：后开采的煤层称为被保护层。保护层位于被保护层上方的叫上保护层，位于下方的叫下保护层。
1)、开采保护层的作用(1)地压减少，弹性潜能缓慢释放；
(2)煤层膨胀变形，形成裂隙与孔道，透气性增加；
(3)煤层瓦斯涌出后，煤的强度增加
2).保护范围
保护范围：指保护层开采后，在空间和时间上使危险层丧失突出危险的有效范围。
（1）垂直保护距离
保护层与被保护层间的有效垂距:上：急<60m,缓：<50m
下：急<80m，缓：<100m
沿倾斜的保护范围
确定沿倾向的保护范围就是沿倾向划定被保护层的上、下边界(以冒落角)。
沿走向的保护范围。
超前距一般不得小于两个
煤层之间垂直距离的两倍，
至少不小于30m。
(4) 煤柱的影响
(二) 局部防突措施
1、松动爆破
作用机理：
2、钻孔排放瓦斯—3.5~4.5孔/m2
作用机理：
3、水力冲孔---在煤岩柱保护下，高压水
作用机理：
4、超前钻孔
作用机理：
5、金属骨架
作用机理：
6、超前支架
作用机理：
7、卸压槽
8、震动放炮
1）、岩柱厚度>1.5m
2）、炮眼数和炮眼布置，单列三组楔形掏槽
3）、装药量：f=3~4,4~5kg/m3, f=6~8,5~7kg/m3
4）、注意事项
(1)撤人；(2)断电，(3)30min检查；(4)防止扩大(矸石堆和反向风门)
五、突出的预测
突出危险性预测是防治煤与瓦斯突出综合措施的第一步。突出危险性预测包括区域性预测和工作面预测。
(一)、预测指标
1、煤的瓦斯放散指数ΔP：
一般情况下，ΔP＞15～25时有突出危险。
2、煤的坚固系数f ：
当f0.6～0.8时有突出危险；f＞1.2时，无突出危险。
3、软煤比 软煤分层厚度与煤层总厚度之比称软煤比，亦称揉皱系数。该值越高，煤层越不稳定，突出可能性越大。
4、钻孔瓦斯涌出量和钻渣量 这是一种可以在掘进工作面即时预测有无突出危险的方法，它综合反映了工作面前方煤体渗透性、破坏程度、瓦斯涌出速度和岩层应力状态。
（二）、突出预兆
1、煤层结构和构造
2、地压增大
3、瓦斯及其它
第六节 爆炸及其预防
一、瓦斯爆炸过程及其危害
１.瓦斯爆炸的化学反应过程
瓦斯爆炸
最终的化学反应式为：CH4+2O2=CO2+2H2O
如果O2不足，反应的最终式为：CH4+O2=CO+H2+H2O
矿井瓦斯爆炸是一种热－链反应过程(也称连锁反应)。
２.瓦斯爆炸的产生与传播过程
爆炸性的混合气体与高温火源同时存在，
初燃(初爆) 焰面 冲击波 新的爆炸混合物
３、瓦斯爆炸的危害
高温---2150~2650；高压---几~20at，有害气体CO，冲击波
二 瓦斯爆炸的主要参数
1 瓦斯的爆炸浓度
在正常的大气环境中，瓦斯只在一定的浓度范围内爆炸，这个浓度范围称瓦斯的爆炸界限，其最低浓度界限叫爆炸下限，其最高浓度界限叫爆炸上限，瓦斯在空气中的爆炸下限为5～6％，上限为14～16％。
瓦斯爆炸界限不是
固定不变的，它受到
许多因素的影响，
其中重要的有：
（1） 氧的浓度
（2）其它可燃气体
混合气体中有两种以上可燃气体同时存在时，其爆炸界限决定于各可燃气体的爆炸界限和它们的浓度。可由公式求出：
N——多种可燃气体同时存在时的混合气体爆炸上限或下限， ％；
C1、C2、C3...Cn——分别为各可燃气体占可燃气体总的体积百分比，％；
C1+ C2+ C3+...Cn =100％
N1、N2、N3...Nn——分别为各可燃气体的爆炸上限或下限， ％；
（3）煤尘 ----本身具有爆炸，300~400 ℃挥发 气体
（4）空气压力 ----压力大，分子接近，碰撞几率增加范围扩大
（5）惰性气体 可以降低瓦斯爆炸的危险性。
2 瓦斯的最低点燃温度和最小点燃能量
瓦斯的最低点燃温度和最小点燃能量决定于空气中的瓦斯浓度，瓦斯-空气混合气体的最低点燃温度，绝热压缩时565℃，其它情况时650℃。
最低点燃能量为0.28mJ。
3 瓦斯的引火延迟性
引火延迟性：（1)感应期的长短与瓦斯浓度、火源温度和火源性质有关；（2）瓦斯燃烧的感应期总是小于爆炸的感应期；（3）火源温度升高，感应期迅速下降，瓦斯浓度增加，感应期略有增加。
安全意义。
三 煤矿井下瓦斯爆炸事故原因分析
1、火源
井下的一切高温热源——电气、放炮、摩擦、静电
2、发生地点
掘进工作面占80%~90%，采煤工作面占10%~20%
采煤工作面发生地点上隅角，采煤机药割附近
掘进面发生的原因：
四、预防瓦斯爆炸的措施
(一)防止瓦斯积聚
所谓瓦斯积聚是指瓦斯浓度超过2％，其体积超过0.5m3的现象。
1、搞好通风。
2、及时处理局部积存的瓦斯。
1）、采面上隅角瓦斯积聚处理；
2）、综采面处理
3）、顶板附近层状积聚处理；
4）、顶板冒落孔洞内积聚处理；
5）、恢复有大量瓦斯积存盲巷或打开封闭
.抽放瓦斯
4 .经常检查瓦斯浓度和通风状况
（二）、防止瓦斯引燃
防止瓦斯引燃的原则，是对一切非生产必需的热源，要坚决禁绝。生产中可能发生的热源，必须严加管理和控制，防止它的发生或限定其引燃瓦斯的能力。
(三)、防止瓦斯爆炸灾害事故扩大的措施
万一发生爆炸，应使灾害波及范围局限在尽可能小的区域内，以减少损失。
第七节 瓦斯抽放
一、概述
规定：
当回采工作面瓦斯涌出量>5m3/min；
掘进工作面瓦斯涌出量>3m3/min，采用通风方法解决瓦斯问题不合理时，应该抽放瓦斯。
抽放瓦斯的方法：
按瓦斯的来源分三类；开采煤层、邻近层、采空区抽放
按抽放的机理分为两类；未卸压和卸压抽放
按汇集瓦斯的方法分为三类。钻孔、巷道抽放、钻孔与巷道综合抽放
贯彻“先抽后采，监测监控，以风定产”十二字方针
二、开采煤层的瓦斯抽放
开采煤层的瓦斯抽放，是在煤层开采之前或采掘的同时，用钻孔或巷道进行该煤层的抽放工作。
1、未卸压的钻孔抽放
本法适用于透气数较大的开采煤层预抽的瓦斯。
按钻孔与煤层的关系分为穿层钻孔和沿层钻孔；按钻孔角度分为上向孔、下向孔和水平孔。我国多采用穿层上向钻孔。
钻孔参数：
钻孔方向 我国多为上向孔；
孔间距 30—50m
抽放负压 孔口负压不超过14kPa
钻孔直径 70—100mm
2、卸压的钻孔抽放
2、卸压的钻孔抽放
1）、随掘随抽
2）、随采随抽
顶板走向钻孔，
顶板巷道
3、人工增加煤层透气系数的措施
1）、水力压裂；
2）、水力割缝；
3）、深孔爆破
4）、酸性处理；
5）、交叉钻孔。
三、邻近层的瓦斯抽放
邻近层含义
为什么邻近层抽放总能抽出瓦斯呢？
煤层开采后，在其顶板形成三个受采动影响的地带：冒落带、裂隙带和变形带，在其底板则形成卸压带。λ增大。注意问题
参数：钻场位置；钻场或钻孔的间距；钻孔角度；钻孔进入的层位；孔径和抽放负压
四、采空区抽放
采空区瓦斯抽放可分为全封闭式抽放和半封闭式抽放两类。全封闭式抽放又可分为密闭式抽放、钻孔式抽放和钻孔与密闭相结合的综合抽放等方式。半封闭式抽放是在采空区上部开掘一条专用瓦斯抽放巷道(如鸡西矿务局城子河煤矿)，在该巷道中布置钻场向下部采空区打钻，同时封闭采空区入口，以抽放下部各区段采空区中从邻近层涌入的瓦斯。抽放的采空区可以是一个采煤工作面(如松藻矿务局打通二矿)，或一两个采区的局部范围(如天府矿务局磨心坡煤矿)，也可以是一个水平结束后的大范围抽放(如中梁山矿务局)。
五、围岩瓦斯抽放
煤层围岩裂隙和溶洞中存在的高压瓦斯会对岩巷掘进构成瓦斯喷出或突出危险。为了施工安全，可超前向岩巷两侧或掘进工作面前方的溶洞裂隙带打钻，进行瓦斯抽放(如广旺矿务局唐家河煤矿)。
六 、瓦斯抽放设备
抽放瓦斯的设备主要有钻机、封孔装置、管道、瓦斯泵、安全装置和检测仪表。
钻机：根据钻孔深度选择，可用专用于打抽放钻孔的钻机（装有排放瓦斯装置），也可以用一般钻机。钻孔打好后，将孔口段直径扩大到100～120mm，插入直径70～80mm的钢管。
封孔：用水泥砂浆封孔，也可以用胶圈封孔器或聚胺脂封孔。封口深度视孔口附近围岩性质而定，围岩坚固时2～3m，围岩松软时6～7m，甚至10m左右。
其它：封孔后，必须在抽放前用弯管、自动放水器、流量计、铠装软管(或抗静电塑料软管)、闸门等将钻孔与抽放管路连接起来。
1、抽放瓦斯的管道
一般用钢管或铸铁管。管道直径是决定抽放投资和抽放效果的重要因素之一。管道直径D（m）应根据预计的抽出量，用下式计算：
D =[(4Qc)/(60πv)]1/2 (9-7-1)
式中; Qc --- 管内气体流量，m3/min; v ---- 管内气体流速，m/s;
管内瓦斯流速 V:5m/s<V<20m/s，一般取V=10～15m/s。这样才能使选择的管径有足够的通过能力和较低的阻力。
大多数矿井抽放瓦斯的管道内径为：
采区的100mm～150mm，
大巷的150mm～300mm，
井筒和地面的200mm～400mm。
管道阻力计算：管道铺设路线选定后，进行管道总阻力的计算，用来选择瓦斯泵。管道阻力计算方法和通风设计时计算矿井总阻力一样，即选择阻力最大的一路管道，分别计算各段的摩擦阻力和局部阻力，累加起来即为整个系统的总阻力。
摩擦阻力hf (Pa)可用下式计算:
hf=(1-0.00446C)LQc2/kD5
式中 L---管道的长度， m; D---管径 cm; k---系数 见表(9-7-3)
Qc--管内混合气体的流量), m3/h；C---混合气体中的瓦斯浓度。
表 9-7-3
管径cm 3.2 4.0 5.0 7.0 8.0 10.0 12.5 15.0 ＞15.0
k 0.05 0.051 0.053 0.056 0.058 0.063 0.068 0.071 0.072
局部阻力一般不进行个别计算，而是以管道总摩擦阻力的10％～20％作为局部阻力。
管道的总阻力hR-为:
2、瓦斯泵
常用的瓦斯泵有，水环式真空泵、离心式鼓风机和回转式鼓风机。
水环式真空泵的特点是真空度高、负压大、流量小、安全性好(工作室内充满介质，不会发生瓦斯爆炸)。适用于抽出量不大，要求抽放负压高矿井。
离心式鼓风机适用于瓦斯抽出量大（20～1200m3/min），管道阻力不高（4～5kPa）的抽放情况下。
回转式鼓风机的特点是，管道阻力变化时，风机的流量几乎不变，所以供气均匀，效率高。缺点是噪音大，检修复杂。
3、流量计
为了全面掌握与管理井下瓦斯抽放情况，需要在总管、支管和各个钻场内安设测定瓦斯流量的流量计。目前井下一般采用孔板流量计，如图(9-7-11)所示。孔板两端静压差h(可用水柱计测出)与流过孔板的气体流量有如下关系式:
Q=9.7×10-4×K{h×P/[0.716×C +1.293(1-C)]}1/2 (9-7-4)
式中 Q－-温度为20℃，压力为101.3Pa时的混合气体流量，m3/min；
h－-孔板两端静压差，Pa；
P－-孔板出口端绝对静压，Pa；
C－-瓦斯浓度，％；
K－-孔板流量系数，K＝Kt×c×Sk×60 (m2.5/min)
C1－-流速收缩系数，取0.65；
Kt－-孔板系数(加工精度好时取1)；
Sk－-孔板孔口面积，m2；
4、其它装置
1）放水器 为了及时放出管道内的积水，以免堵塞管道。在钻孔附近和管路系统中都要安装放水器。最简单的放水器为“Ｕ”形管自动放水器当Ｕ型管内积水超过开口端的管长时，水就自动流出。
2）防爆、防回火装置
抽放系统正常工作状态遭到破坏，管内瓦斯浓度降低时，遇到火源瓦斯就有可能燃烧或爆炸。为了防止火焰沿管道传播,正常抽放时，瓦斯由进气口进入，经水封器由出口排出。管内发生瓦斯燃烧或爆炸时，火焰被水隔断、熄灭、爆炸波将防爆盖冲破而释放于大气中。
防回火网多由4～6层导热性能好而不易生锈的铜网构成，网孔约0.5mm
《规程》规定，利用瓦斯时，抽出瓦斯中的瓦斯浓度不得低于30％；不利用瓦斯时，用干式抽气设备，瓦斯浓度不得低于25％。
抽出的瓦斯，可以按其浓度的不同，合理地加以利用：浓度为35～40％时，主要用作工业、民用燃料；浓度50％以上的瓦斯可以用作化工原料，如制造炭黑和甲醛。抚顺、阳泉、天府、中梁山和淮南等局矿都已建厂生产。
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