第九章 礦井瓦斯
本章主要內容
1、瓦斯概念
2、煤層瓦斯賦存與含量
3、礦井瓦斯湧出
4、瓦斯噴出與突出
5、瓦斯爆炸與預防
6、瓦斯抽放
第九章 礦井瓦斯
第一節 概述
礦井瓦斯是煤礦生產過程中，從煤、岩內湧出的各種氣體的總稱。煤礦術語中的瓦斯指的就是甲烷。
物理化學性質。無色、無味、無毒、比空氣輕，微溶於水。
危害：爆炸，突出，人員窒息、環境汙染。
作用：能源、化工原料。
第二節 煤層瓦斯賦存與含量
一、瓦斯的成因與賦存
（一）礦井瓦斯的生成
煤層瓦斯是腐植型有機物（植物）在成煤過程中生成的。
成氣過程兩個階段一是生物化學成氣時期；二是煤化變質作用時期。
（二）瓦斯在煤體內存在的狀態
煤體是一種複雜的多孔性固體，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麵。
煤層中 瓦斯賦存兩種狀態：
遊離狀態
吸附狀態
吸著狀態
吸收狀態
二、煤層中瓦斯垂直分帶
形成原因：當煤層直達地表或直接為透氣性較好的第四係衝積層覆蓋時，由於煤層中瓦斯向上運移和地麵空氣向煤層中滲透，使煤層內的瓦斯呈現出垂直分帶特征。
四帶： CO2- N2帶、N2帶、N2—CH4帶、CH4帶。
瓦斯風化帶下界深度確定依據：可以根據下列指標中的任何一項確定。
（1）煤層的相對瓦斯湧出量等於2～3m3/t處；
（2）煤層內的瓦斯組分中甲烷及重烴濃度總和達到80%（體積比）；
（3）煤層內的瓦斯壓力為0.1～0.15MPa；
（4）煤的瓦斯含量達到下列數值處：長焰煤1.0～1.5 m3/t（C.M.），氣煤1.5～2.0m3/t（C.M.），肥煤與焦煤2.0～2.5m3/t(C.M)，瘦煤2.5～3.0m3/t(C.M.)，貧煤3.0～4.0m3/t(C.M.)，無煙煤5.0～7.0m3/t(C.M.)（此處的C.M.是指煤中可燃質既固定碳和揮發分）
三 影響煤層瓦斯含量的因素
煤的瓦斯含量是指單位體積或重量的煤在自然狀態下所含有的瓦斯量（標準狀態下的瓦斯體積），單位為 m3/m3(cm3/cm3)或 m3/t(cm3/g)。
煤的瓦斯含量包括遊離瓦斯和吸附瓦斯含量之和。
主要影響因素：
1、煤的吸附特性 煤的吸附性能決定於煤化程度， 一般情況下煤的煤化程度越高，存儲瓦斯的能力越強。
2、.煤層露頭
3、煤層的埋藏深度 ---深，瓦斯大
4、圍岩透氣性、泥岩、完整石灰岩低透氣性
5、煤層傾角----大，瓦斯小，小，瓦斯大
6、地質構造----封閉地質，瓦斯大，開放的，瓦斯小
7、水文地質條件----水流，帶走瓦斯
四、煤層內的瓦斯壓力
瓦斯流動動力高低以及瓦斯動力現象的基本參數。
瓦斯壓力測定：打鑽、封孔、測壓
瓦斯帶內瓦斯壓力變化規律：
末受采動影響的煤層內的瓦斯壓力，隨深度的增加而有規律地增加，可以大於、等於或小於靜水壓。
瓦斯壓力梯度：
或
式中 P—預測的甲烷帶內深H(m)處的瓦斯壓力，MPa
gp—瓦斯壓力梯度，MPa/m
P1，P2—甲烷帶內深度為H1、H2(m)處的瓦斯壓力，MPa。
P0--甲烷帶上部邊界處瓦斯壓力，取0.2MPa 。
H0---甲烷帶上部邊界深度，m。
第三節 礦井瓦斯湧出
普通湧出 特殊湧出
一、瓦斯湧出量
1、含義：礦井建設或生產過程中從煤岩內湧出的瓦斯量
2、瓦斯湧出量表示方法
絕對瓦斯湧出量-- 單位時間湧出的瓦斯體積，單位為m3/d或m3/min：
相對瓦斯湧出量--平均日產一噸煤同期所湧出的瓦斯量，單位是 m3/t 。
二、影響瓦斯湧出的因素
決定於自然因素和開采技術因素的綜合影響。
(一) 自然因素
1、煤層和圍岩的瓦斯含量，
2、地麵大氣壓變化。
（二）開采技術因素
1、開采規模—產量與瓦斯湧出量的關係複雜
2、開采順序與回采方法 ---先開采，大；回采率低，大；頂板管理
3、生產工藝-初期大，呈指數下降
4、風量變化---單一煤層，隨風量減而增，煤層群
5、采區通風係統
6、采空區的密閉質量
三、礦井瓦斯湧出來源的分析與分源治理
按劃分目的的不同，對礦井瓦斯來源有三種劃分方式：
.按水平、翼、采區來進行劃分，作為風量分配的依據之一；
.按掘進區、回采區和已采區來劃分，它是日常治理瓦斯工作的基礎；
.按開采區、臨近區劃分，它是采煤工作麵治理瓦斯工作的基礎
四、瓦斯湧出不均係數
正常生產過程中，礦井絕對瓦斯湧出量受各種因素的影響其數值是經常變化的，但在一段時間內隻在一個平均值上下波動，峰值與平均值的比值稱為瓦斯湧出不均係數。
礦井瓦斯湧出不均係數表示為：
kg=Qmax/Qa
式中：kg－給定時間內瓦斯湧出不均係數；
Qmax－該時間內的最大瓦斯湧出量，m3/min；
Qa－該時間內的平均瓦斯湧出量，m3/min；
方法：確定區域，進回風量、瓦斯濃度
五、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湧出瓦斯量（相對瓦斯湧出量）和瓦斯湧出形式，劃分為：
低瓦斯礦井：10m3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。
六、礦井瓦斯湧出量預測
瓦斯湧出量的預測：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湧出量的工作。
瓦斯湧出量的預測的方法：
（1）統計法
A、 瓦斯湧出量梯度：深度與相對湧出量的比值
B、 物理含義
C、計算
（2）計算法: 以煤層瓦斯含量為基礎進行計算。
第四節 瓦斯噴出
瓦斯噴出：大量承壓狀態的瓦斯從煤、岩裂縫中快速噴出的現象。
一、瓦斯噴出的分類
根據噴瓦斯裂縫呈現原因的不同，可把瓦斯噴出分成：
地質來源形成的和采掘卸壓形成的兩大類。
二、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、當瓦斯噴出量和壓力不大時，黃泥或水泥沙漿等充填材料堵塞噴出口；
2、當瓦斯噴出量和壓力較大時，可能的噴出地點附近打前探鑽孔，探測、排放。
前探鑽孔的要求：
(1)10 m外，打鑽75mm，3個
(2)邊掘邊打超前鑽，超前5 m，不少3個孔；
(3)裂隙、溶洞、破壞帶打超前鑽,75mm,2個，超5m
第五節 煤與瓦斯突出及其預防
一、概述
含義：在極短時間內，從煤岩內以極快速度向采掘空間湧出煤岩和瓦斯。
危害：
二、突出的機理
突出的機理是關於解釋突出的原因和過程的理論。突出是十分複雜的自然現象，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。
三、突出的一般規律
1、突出多發生在一定的采深以後；
2、突出多發生在地質構造帶、應力集中區；
3、突出的強度和次數，與煤層厚度、傾角、硬度、透氣性等有關；
4、突出與瓦斯關係，瓦斯壓力小含量低，可能發生突出。
4、突出大多發生在落煤、放炮工序
5、突出前有預兆
四、預防煤與瓦斯突出的主要技術措施
防突措施分類：
區域性防突措施：實施以後可使較大範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：實施以後可使局部區域(如掘進工作麵)消除突出危險性的措施稱為局部防突措施。
(一)、區域性防突措施
區域性防突措施主要有開采保護層和預抽煤層瓦斯兩種。
1、開采保護層
保護層：在突出礦井中，預先開采的、並能使其它相鄰的有突出危險的煤層受到采動影響而減少或喪失突出危險的煤層稱為保護層。
被保護層：後開采的煤層稱為被保護層。保護層位於被保護層上方的叫上保護層，位於下方的叫下保護層。
1)、開采保護層的作用(1)地壓減少，彈性潛能緩慢釋放；
(2)煤層膨脹變形，形成裂隙與孔道，透氣性增加；
(3)煤層瓦斯湧出後，煤的強度增加
2).保護範圍
保護範圍：指保護層開采後，在空間和時間上使危險層喪失突出危險的有效範圍。
（1）垂直保護距離
保護層與被保護層間的有效垂距:上：急<60m,緩：<50m
下：急<80m，緩：<100m
沿傾斜的保護範圍
確定沿傾向的保護範圍就是沿傾向劃定被保護層的上、下邊界(以冒落角)。
沿走向的保護範圍。
超前距一般不得小於兩個
煤層之間垂直距離的兩倍，
至少不小於30m。
(4) 煤柱的影響
(二) 局部防突措施
1、鬆動爆破
作用機理：
2、鑽孔排放瓦斯—3.5~4.5孔/m2
作用機理：
3、水力衝孔---在煤岩柱保護下，高壓水
作用機理：
4、超前鑽孔
作用機理：
5、金屬骨架
作用機理：
6、超前支架
作用機理：
7、卸壓槽
8、震動放炮
1）、岩柱厚度>1.5m
2）、炮眼數和炮眼布置，單列三組楔形掏槽
3）、裝藥量：f=3~4,4~5kg/m3, f=6~8,5~7kg/m3
4）、注意事項
(1)撤人；(2)斷電，(3)30min檢查；(4)防止擴大(矸石堆和反向風門)
五、突出的預測
突出危險性預測是防治煤與瓦斯突出綜合措施的第一步。突出危險性預測包括區域性預測和工作麵預測。
(一)、預測指標
1、煤的瓦斯放散指數ΔP：
一般情況下，ΔP＞15～25時有突出危險。
2、煤的堅固係數f ：
當f0.6～0.8時有突出危險；f＞1.2時，無突出危險。
3、軟煤比 軟煤分層厚度與煤層總厚度之比稱軟煤比，亦稱揉皺係數。該值越高，煤層越不穩定，突出可能性越大。
4、鑽孔瓦斯湧出量和鑽渣量 這是一種可以在掘進工作麵即時預測有無突出危險的方法，它綜合反映了工作麵前方煤體滲透性、破壞程度、瓦斯湧出速度和岩層應力狀態。
（二）、突出預兆
1、煤層結構和構造
2、地壓增大
3、瓦斯及其它
第六節 爆炸及其預防
一、瓦斯爆炸過程及其危害
１.瓦斯爆炸的化學反應過程
瓦斯爆炸
最終的化學反應式為：CH4+2O2=CO2+2H2O
如果O2不足，反應的最終式為：CH4+O2=CO+H2+H2O
礦井瓦斯爆炸是一種熱－鏈反應過程(也稱連鎖反應)。
２.瓦斯爆炸的產生與傳播過程
爆炸性的混合氣體與高溫火源同時存在，
初燃(初爆) 焰麵 衝擊波 新的爆炸混合物
３、瓦斯爆炸的危害
高溫---2150~2650；高壓---幾~20at，有害氣體CO，衝擊波
二 瓦斯爆炸的主要參數
1 瓦斯的爆炸濃度
在正常的大氣環境中，瓦斯隻在一定的濃度範圍內爆炸，這個濃度範圍稱瓦斯的爆炸界限，其最低濃度界限叫爆炸下限，其最高濃度界限叫爆炸上限，瓦斯在空氣中的爆炸下限為5～6％，上限為14～16％。
瓦斯爆炸界限不是
固定不變的，它受到
許多因素的影響，
其中重要的有：
（1） 氧的濃度
（2）其它可燃氣體
混合氣體中有兩種以上可燃氣體同時存在時，其爆炸界限決定於各可燃氣體的爆炸界限和它們的濃度。可由公式求出：
N——多種可燃氣體同時存在時的混合氣體爆炸上限或下限， ％；
C1、C2、C3...Cn——分別為各可燃氣體占可燃氣體總的體積百分比，％；
C1+ C2+ C3+...Cn =100％
N1、N2、N3...Nn——分別為各可燃氣體的爆炸上限或下限， ％；
（3）煤塵 ----本身具有爆炸，300~400 ℃揮發 氣體
（4）空氣壓力 ----壓力大，分子接近，碰撞幾率增加範圍擴大
（5）惰性氣體 可以降低瓦斯爆炸的危險性。
2 瓦斯的最低點燃溫度和最小點燃能量
瓦斯的最低點燃溫度和最小點燃能量決定於空氣中的瓦斯濃度，瓦斯-空氣混合氣體的最低點燃溫度，絕熱壓縮時565℃，其它情況時650℃。
最低點燃能量為0.28mJ。
3 瓦斯的引火延遲性
引火延遲性：（1)感應期的長短與瓦斯濃度、火源溫度和火源性質有關；（2）瓦斯燃燒的感應期總是小於爆炸的感應期；（3）火源溫度升高，感應期迅速下降，瓦斯濃度增加，感應期略有增加。
安全意義。
三 煤礦井下瓦斯爆炸事故原因分析
1、火源
井下的一切高溫熱源——電氣、放炮、摩擦、靜電
2、發生地點
掘進工作麵占80%~90%，采煤工作麵占10%~20%
采煤工作麵發生地點上隅角，采煤機藥割附近
掘進麵發生的原因：
四、預防瓦斯爆炸的措施
(一)防止瓦斯積聚
所謂瓦斯積聚是指瓦斯濃度超過2％，其體積超過0.5m3的現象。
1、搞好通風。
2、及時處理局部積存的瓦斯。
1）、采麵上隅角瓦斯積聚處理；
2）、綜采麵處理
3）、頂板附近層狀積聚處理；
4）、頂板冒落孔洞內積聚處理；
5）、恢複有大量瓦斯積存盲巷或打開封閉
.抽放瓦斯
4 .經常檢查瓦斯濃度和通風狀況
（二）、防止瓦斯引燃
防止瓦斯引燃的原則，是對一切非生產必需的熱源，要堅決禁絕。生產中可能發生的熱源，必須嚴加管理和控製，防止它的發生或限定其引燃瓦斯的能力。
(三)、防止瓦斯爆炸災害事故擴大的措施
萬一發生爆炸，應使災害波及範圍局限在盡可能小的區域內，以減少損失。
第七節 瓦斯抽放
一、概述
規定：
當回采工作麵瓦斯湧出量>5m3/min；
掘進工作麵瓦斯湧出量>3m3/min，采用通風方法解決瓦斯問題不合理時，應該抽放瓦斯。
抽放瓦斯的方法：
按瓦斯的來源分三類；開采煤層、鄰近層、采空區抽放
按抽放的機理分為兩類；未卸壓和卸壓抽放
按彙集瓦斯的方法分為三類。鑽孔、巷道抽放、鑽孔與巷道綜合抽放
貫徹“先抽後采，監測監控，以風定產”十二字方針
二、開采煤層的瓦斯抽放
開采煤層的瓦斯抽放，是在煤層開采之前或采掘的同時，用鑽孔或巷道進行該煤層的抽放工作。
1、未卸壓的鑽孔抽放
本法適用於透氣數較大的開采煤層預抽的瓦斯。
按鑽孔與煤層的關係分為穿層鑽孔和沿層鑽孔；按鑽孔角度分為上向孔、下向孔和水平孔。我國多采用穿層上向鑽孔。
鑽孔參數：
鑽孔方向 我國多為上向孔；
孔間距 30—50m
抽放負壓 孔口負壓不超過14kPa
鑽孔直徑 70—100mm
2、卸壓的鑽孔抽放
2、卸壓的鑽孔抽放
1）、隨掘隨抽
2）、隨采隨抽
頂板走向鑽孔，
頂板巷道
3、人工增加煤層透氣係數的措施
1）、水力壓裂；
2）、水力割縫；
3）、深孔爆破
4）、酸性處理；
5）、交叉鑽孔。
三、鄰近層的瓦斯抽放
鄰近層含義
為什麼鄰近層抽放總能抽出瓦斯呢？
煤層開采後，在其頂板形成三個受采動影響的地帶：冒落帶、裂隙帶和變形帶，在其底板則形成卸壓帶。λ增大。注意問題
參數：鑽場位置；鑽場或鑽孔的間距；鑽孔角度；鑽孔進入的層位；孔徑和抽放負壓
四、采空區抽放
采空區瓦斯抽放可分為全封閉式抽放和半封閉式抽放兩類。全封閉式抽放又可分為密閉式抽放、鑽孔式抽放和鑽孔與密閉相結合的綜合抽放等方式。半封閉式抽放是在采空區上部開掘一條專用瓦斯抽放巷道(如雞西礦務局城子河煤礦)，在該巷道中布置鑽場向下部采空區打鑽，同時封閉采空區入口，以抽放下部各區段采空區中從鄰近層湧入的瓦斯。抽放的采空區可以是一個采煤工作麵(如鬆藻礦務局打通二礦)，或一兩個采區的局部範圍(如天府礦務局磨心坡煤礦)，也可以是一個水平結束後的大範圍抽放(如中梁山礦務局)。
五、圍岩瓦斯抽放
煤層圍岩裂隙和溶洞中存在的高壓瓦斯會對岩巷掘進構成瓦斯噴出或突出危險。為了施工安全，可超前向岩巷兩側或掘進工作麵前方的溶洞裂隙帶打鑽，進行瓦斯抽放(如廣旺礦務局唐家河煤礦)。
六 、瓦斯抽放設備
抽放瓦斯的設備主要有鑽機、封孔裝置、管道、瓦斯泵、安全裝置和檢測儀表。
鑽機：根據鑽孔深度選擇，可用專用於打抽放鑽孔的鑽機（裝有排放瓦斯裝置），也可以用一般鑽機。鑽孔打好後，將孔口段直徑擴大到100～120mm，插入直徑70～80mm的鋼管。
封孔：用水泥砂漿封孔，也可以用膠圈封孔器或聚胺脂封孔。封口深度視孔口附近圍岩性質而定，圍岩堅固時2～3m，圍岩鬆軟時6～7m，甚至10m左右。
其它：封孔後，必須在抽放前用彎管、自動放水器、流量計、鎧裝軟管(或抗靜電塑料軟管)、閘門等將鑽孔與抽放管路連接起來。
1、抽放瓦斯的管道
一般用鋼管或鑄鐵管。管道直徑是決定抽放投資和抽放效果的重要因素之一。管道直徑D（m）應根據預計的抽出量，用下式計算：
D =[(4Qc)/(60πv)]1/2 (9-7-1)
式中; Qc --- 管內氣體流量，m3/min; v ---- 管內氣體流速，m/s;
管內瓦斯流速 V:5m/s
大多數礦井抽放瓦斯的管道內徑為：
采區的100mm～150mm，
大巷的150mm～300mm，
井筒和地麵的200mm～400mm。
管道阻力計算：管道鋪設路線選定後，進行管道總阻力的計算，用來選擇瓦斯泵。管道阻力計算方法和通風設計時計算礦井總阻力一樣，即選擇阻力最大的一路管道，分別計算各段的摩擦阻力和局部阻力，累加起來即為整個係統的總阻力。
摩擦阻力hf (Pa)可用下式計算:
hf=(1-0.00446C)LQc2/kD5
式中 L---管道的長度， m; D---管徑 cm; k---係數 見表(9-7-3)
Qc--管內混合氣體的流量), m3/h；C---混合氣體中的瓦斯濃度。
表 9-7-3
管徑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
局部阻力一般不進行個別計算，而是以管道總摩擦阻力的10％～20％作為局部阻力。
管道的總阻力hR-為:
2、瓦斯泵
常用的瓦斯泵有，水環式真空泵、離心式鼓風機和回轉式鼓風機。
水環式真空泵的特點是真空度高、負壓大、流量小、安全性好(工作室內充滿介質，不會發生瓦斯爆炸)。適用於抽出量不大，要求抽放負壓高礦井。
離心式鼓風機適用於瓦斯抽出量大（20～1200m3/min），管道阻力不高（4～5kPa）的抽放情況下。
回轉式鼓風機的特點是，管道阻力變化時，風機的流量幾乎不變，所以供氣均勻，效率高。缺點是噪音大，檢修複雜。
3、流量計
為了全麵掌握與管理井下瓦斯抽放情況，需要在總管、支管和各個鑽場內安設測定瓦斯流量的流量計。目前井下一般采用孔板流量計，如圖(9-7-11)所示。孔板兩端靜壓差h(可用水柱計測出)與流過孔板的氣體流量有如下關係式:
Q=9.7×10-4×K{h×P/[0.716×C +1.293(1-C)]}1/2 (9-7-4)
式中 Q－-溫度為20℃，壓力為101.3Pa時的混合氣體流量，m3/min；
h－-孔板兩端靜壓差，Pa；
P－-孔板出口端絕對靜壓，Pa；
C－-瓦斯濃度，％；
K－-孔板流量係數，K＝Kt×c×Sk×60 (m2.5/min)
C1－-流速收縮係數，取0.65；
Kt－-孔板係數(加工精度好時取1)；
Sk－-孔板孔口麵積，m2；
4、其它裝置
1）放水器 為了及時放出管道內的積水，以免堵塞管道。在鑽孔附近和管路係統中都要安裝放水器。最簡單的放水器為“Ｕ”形管自動放水器當Ｕ型管內積水超過開口端的管長時，水就自動流出。
2）防爆、防回火裝置
抽放係統正常工作狀態遭到破壞，管內瓦斯濃度降低時，遇到火源瓦斯就有可能燃燒或爆炸。為了防止火焰沿管道傳播,正常抽放時，瓦斯由進氣口進入，經水封器由出口排出。管內發生瓦斯燃燒或爆炸時，火焰被水隔斷、熄滅、爆炸波將防爆蓋衝破而釋放於大氣中。
防回火網多由4～6層導熱性能好而不易生鏽的銅網構成，網孔約0.5mm
《規程》規定，利用瓦斯時，抽出瓦斯中的瓦斯濃度不得低於30％；不利用瓦斯時，用幹式抽氣設備，瓦斯濃度不得低於25％。
抽出的瓦斯，可以按其濃度的不同，合理地加以利用：濃度為35～40％時，主要用作工業、民用燃料；濃度50％以上的瓦斯可以用作化工原料，如製造炭黑和甲醛。撫順、陽泉、天府、中梁山和淮南等局礦都已建廠生產。
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