矿井瓦斯基本知识

1 第八章 矿井瓦斯

第一节 概述

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

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、无嗅的气体，可燃烧、爆炸；

分子量：16.049，分子直径：0.41nm，

密度：0.716Kg/m3（气态）、 424.5 Kg/m3（液态）

相对空气密度：0.554,

难溶入水:101.3 KPa , 20℃ , 3.31l/100lH2O

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 2 • 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。

垂直分为四带：

CO2- N2带、N2带、N2—CH4带、CH4带。

名 称 气 带 成 因 瓦斯成分 %

N2 CO2 CH4

CO2— N2带 生物化学—空气 20～80 20～80 10

N2带 空气 ＞80 10～20 20

N2—CH4带 空气—变质 ～80 10～20 ～80

CH4带 变质 20 10 ＞80

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 煤层如果有或曾经有过露头长时间与大气相通，瓦斯含量就不会很 3 大。反之，如果煤层没有通达地表的露头，瓦斯难以逸散，它的含量就较大。

3、煤层的埋藏深度

煤层的埋藏深度越深，煤层中的瓦斯向地表运移的距离就越长，散失就越困难

4、围岩透气性

煤系岩性组合和煤层围岩性质对煤层瓦斯含量影响很大。如果围岩为致密完整的低透气性岩层，围岩的透气性差，所以煤层瓦斯含量高，瓦斯压力大。反之，围岩由厚层中粗砂岩、砾岩或裂隙溶洞发育的石灰岩组成，则煤层瓦斯含量小。

5、煤层倾角

6、地质构造

7、水文地质条件

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：

gp=(P2-P1)/（H2-H1） （9-2-1）

则 P=gp(H-H1)+P1 (9-2-2a)

或 P= gp (H-H0)+P0 (9-2-2b)

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

瓦斯涌出分为：普通涌出和特殊涌出

1、普通涌出

----长时间地、均匀地从煤体中涌出瓦斯。

特点：时间上：连续不断

空间上：普遍存在

涌出强度：缓慢、均匀 4 2、特殊涌出：

---- 矿井生产过程中，在某些特定地点、突然地于一段时间内大量涌出瓦斯的现象。

特点：时间上：突然地、间隔的

空间上：非普遍存在

涌出强度：产生动力破坏

一、瓦斯涌出量

1、含义 瓦斯涌出量是指在矿井建设和生产过程中从煤与岩石内涌出的瓦斯量，对应于整个矿井的叫矿井瓦斯涌出量，对应于翼、采区或工作面，叫翼、采区或工作面的瓦斯涌出量

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：

Qg=Q×C/100

式中 Qg—绝对瓦斯涌出量， m3/min；

Q—风量， m3/min；

C—风流中的平均瓦斯浓度，％。

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 。

qg=Qg/A

式中：qg—相对瓦斯涌出量，m3/t；

Qg—绝对瓦斯涌出量，m3/d；

Ad—日产量，t/d

说明：相对瓦斯涌出量单位的表达式虽然与瓦斯含量的相同，但两者的物理含义是不同的，其数值也是不相等的。

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，

它是决定瓦斯涌出量多少的最重要因素。单一的薄煤层和中厚煤层开采时，瓦斯主要来自煤层暴露面和采落的煤炭，因此煤层的瓦斯含量越高，开采时的瓦斯涌出量也越大。

2、地面大气压变化。地面大气压变化引起井下大气压的相应变化，它对采空区（包 5 括回采工作面后部采空区和封闭不严的老空区）或坍冒处瓦斯涌出的影响比较显著

（二）开采技术因素

1、 开采规模

（1）矿井达产之前，绝对瓦斯涌出量随着开拓范围的扩大而增加。绝对瓦斯涌出量大致正比于产量，相对瓦斯涌出量数值偏大而没有意义。

（2）矿井达产阶段后，绝对瓦斯涌出量基本随产量变化并在一个稳定数值上下波动。对于相对瓦斯涌出量来说，如果矿井涌出的瓦斯主要来源于采落的煤炭，产量变化时，对绝对瓦斯涌出量的影响虽然比较明显，但对相对瓦斯涌出量影响却不大，

（3）开采工作逐渐收缩时，绝对瓦斯涌出量又随产量的减少而减少，并最终稳定在某一数值，这是由于巷道和采空区瓦斯涌出量不受产量减少的影响，这时相对瓦斯涌出量数值又会因产量低而偏大，再次失去意义。

2、 开采顺序与回采方法

首先开采的煤层（或分层）瓦斯涌出量大。采空区丢失煤炭多，回采率低的采煤方法，采区瓦斯涌出量大。顶板管理采用陷落法比充填法能造成顶板更大范围的破坏和卸压，临近层瓦斯涌出量就比较大。

3、 生产工艺

瓦斯从煤层暴露面（煤壁和钻孔）和采落的煤炭内涌出的特点是，初期瓦斯涌出的强度大，然后大致按指数函数的关系逐渐衰减。

4、 风量变化

矿井风量变化时，瓦斯涌出量和风流中的瓦斯浓度会发生扰动，但很快就会转变为另一稳定状态。 6 5、 采区通风系统

采区通风系统对采空区内和回风流中瓦斯浓度分布有重要影响。

6、 采空区的密闭质量

采空区内往往积存着大量高浓度的瓦斯（可达60～70%），如果封闭的密闭墙质量不好，或进、回风侧的通风压差较大，就会造成采空区大量漏风，使矿井的瓦斯涌出增大。

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

一般是将全矿的（或翼的、水平的）瓦斯来源分为回采区（包括回采工作面的采空区）、掘进区和已采区三部分。其测定方法是同时测定全矿井、各回采区和各掘进区的绝对瓦斯涌出量。然后分别计算出各回采区、掘进区和已采区三者各占的比例。测定回采区或掘进区的瓦斯涌出量时，要分别在各区进、回风流中测瓦斯浓度和通过的风量，回风和进风绝对瓦斯涌出量的差值，即为该区的绝对瓦斯涌出量。

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 7 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

确定瓦斯涌出不均系数的方法是：根据需要，在待确定地区（工作面、采区、翼或全矿）的进、回风流中连续测定一段时间（一个生产循环、一个工作班、一天、一月或一年）的风量和瓦斯浓度，一般以测定结果中的最大一次瓦斯涌出量和各次测定的算术平均值代入上式，即为该地区在该时间间隔内的瓦斯涌出不均系数

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。一般在七月或八月。在鉴定月的上、中、下旬中各取一天（间隔10天），分三个班（或四个班）进行测定工作。所谓正常生产，即被鉴定的矿井、煤层、一翼、水平或采区的回采产量应达到该地区设计产量的60%。

（2）测点选择和测定内容及要求。

确定矿井瓦斯等级时，是按每一自然矿井、煤层、一翼、水平和各采区分别计算相对瓦斯涌出量，并取其中最大值（而不是全矿井的平均值）。所以测点应布置在每一通风系统的主要通风机的风峒、各水平、各煤层和各采区的回风道测风站内。如无测风站，可选取断面规整并无杂物堆积的一段平直巷道作测点

（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。