《安全工程學十二》PPT課件.ppt

1,第六章 礦山安全技術(shù),第一節(jié) 礦井瓦斯防治 第二節(jié) 礦塵防治,2,第一節(jié) 礦井瓦斯防治,1、煤層瓦斯賦存與含量 2、礦井瓦斯涌出 3、瓦斯噴出 4、煤與瓦斯突出及其預防,3,1、煤層瓦斯賦存與含量,1.1 礦井瓦斯的概念與性質(zhì) 一、礦井瓦斯的含義 廣義：井下除正?？諝獾拇髿獬煞菀酝?，涌向采礦 空間的各種有毒、有害氣體總稱。 狹義：煤礦生產(chǎn)過程中從煤、巖內(nèi)涌出的，以甲烷 為主要成份的混合氣體總稱。,4,礦井瓦斯成分很復雜，其主要成分是甲烷(CH4)， 其次是二氧化碳(CO2)和氮氣(N2)，還含有少量或微 量的重烴類氣體（乙烷、丙烷、丁烷、戊烷等）、 氫（H2）、一氧化碳（CO）、二氧化硫(SO2)、硫化 氫(H2S)等。 來源： （1）煤、巖層涌出（烷烴、環(huán)烷烴、芳香烴）； （2）生產(chǎn)過程中產(chǎn)生（CO2、NO2、H2等） （3）井下化學、生物化學反應生成（CO2、H2S、SO2）； （4）放射性元素蛻變過程生成（Rn、He等）,5,二、CH4的性質(zhì) 無色、無味、無嗅的氣體，可燃燒、爆炸； 分子量：16.049，分子直徑：0.41nm， 密度：0.716Kg/m3(氣態(tài))、424.5Kg/m3(液態(tài)) 相對空氣密度：0.554, 難溶入水 三、CH4的危害及其經(jīng)濟價值 1、危害性 （1）燃燒、爆炸 （2）窒息 （3）噴出、突出,6,2、重要能源 CH4 + 2O2CO2 + 2H2O + Q 1m3CH437022.2kJ 相當于11.5Kg煙煤。 1.2 煤層瓦斯的成因 煤層瓦斯是腐植型有機物（植物）在成煤過程 中生成的。 兩個階段： （1）生物化學階段（從植物遺體到泥炭） 特點：埋藏淺，覆蓋層膠結(jié)不好，煤層保存氣體少。,7,（2）變質(zhì)階段（從泥炭到煙煤） 泥炭 褐煤 煙煤 無煙煤 如： 4C16H18O5 C57H56O10+4CO2+3CH4 +2H2O C57H56O10 C54H42O5 + CO2 +2CH4 + 3H2O C54H42O5 C13H4 + 2CH4 + H2O,（泥炭）,（褐煤）,（褐煤）,（煙煤）,（煙煤）,（無煙煤）,8,特點： （1）碳化過程生成的大量氣體。 初期：主要為CO2，CH4不多。隨著碳化程度的 提高，CO2減少，CH4增多，同時生成重烴。 （2）碳化的同時，煤的物質(zhì)分子式、結(jié)構(gòu)發(fā)生變化 （3）因覆蓋層增厚，生成的氣體大多得以保存。但 煤層瓦斯含量遠小于生成量。 減少的原因： （1）地質(zhì)構(gòu)造運動； （2）運移到適于貯存地點，形成氣藏； （3）溶解于水中（長久地質(zhì)年代過程中）； （4）逸散于大氣中（從煤層露頭）。,9,（3）其它主要氣體 CO2，成因： 變質(zhì)生成。易逸散于大氣中，溶解于水，生成 碳酸鹽，所以，深部煤層中很少含有CO2； 生物化學作用，淺部生物圈內(nèi)(微生物生化作用) 火山活動，巖漿接觸變質(zhì)，生成大量CO2。如： 窯街、營城局； 煤氧化。特別是煤的低溫氧化。 N2 來自大氣。 He 放射性元素蛻變的產(chǎn)物。,10,1.3 煤層瓦斯賦存的垂直分帶性 煤層瓦斯主要成分：CH4、CO2、N2。 形成原因：當煤層直達地表或直接為透氣性較好的 第四系沖積層覆蓋時，由于煤層中瓦斯向上運移和地 面空氣向煤層中滲透，使煤層內(nèi)的瓦斯呈現(xiàn)出垂直分 帶特征。,CO2-N2,N2,N2-CH4,CH4,11,四帶： CO2- N2帶、 N2帶、 N2CH4帶、 CH4帶。 現(xiàn)場實際過程中，將前三帶總稱為瓦斯風化帶。,12,劃分的意義：掌握本煤田煤層瓦斯垂直分帶的特征，是搞好礦井瓦斯涌出量預測和日常瓦斯管理工作的基礎(chǔ)。,煤層垂向各帶氣體組份表,13,1.4 煤的孔隙特征 煤是一種復雜的孔隙性介質(zhì)，有著十分發(fā)達的各種不同直徑的孔隙和裂隙。形成龐大的自由空間和表面。 煤是一種孔隙-裂隙性介質(zhì)，它決定煤-CH4體系的許多特性。EX： 集氣性-CH4的存在形態(tài)、含量，etc; 滲透性-流態(tài)、流出形式、涌出量； 力學特性-強度、彈性、脆性。,14,1.5 煤的吸附特性 一、概述 1、吸附現(xiàn)象 氣體分子與固體表面分子間相互作用，氣體分子暫時停留在固體表面上的現(xiàn)象。 吸附劑-能吸附其它物質(zhì)的介質(zhì)，如：煤； 吸附質(zhì)-被吸附的物質(zhì)，如CH4 。 2、吸附分類 根據(jù)吸附方式分： 表面吸附（吸著）-在吸附劑表面吸附一層或多層吸附質(zhì)分子。 容積吸附（吸收）-吸附質(zhì)分子緊密地充滿于吸附劑的微小孔隙內(nèi)，類似于溶質(zhì)溶解于溶劑中。,15, 根據(jù)吸附作用力分： A）物理吸附 特點：、作用力為范德華力，作用距離極?。?/r7）,僅限于界面附近； 、可逆的-不穩(wěn)定的動平衡。 、吸附是一種放熱反應，解吸，吸熱。 如：煤-CH4，吸附熱：0.51.2Kj/mol B）化學吸附 作用力為離子鍵，不可逆。,16,二、影響煤與瓦斯吸附量的主要因素 1、瓦斯壓力 t=const ,P X 2、溫度 P = const t X 溫度每升高1，吸附瓦斯的能力降低約8%。 3、瓦斯的性質(zhì) 對于特定的煤，在t、P一定時， CO2的吸附量 CH4的吸附量 N2的吸附量 4、煤的變質(zhì)程度 變質(zhì)程度反映了煤的表面積與化學組成。 變質(zhì)程度越高（Vr ） X,17,5、煤中的水份 水份的增加使煤的吸附能力降低。 艾琴格爾經(jīng)驗式： 式中：Xch-含有水份時瓦斯吸附量； Xg-不含有水份時瓦斯吸附量； W-水份含量。 6、煤中的灰份（Ac） 灰份不吸附瓦斯，我國習慣于用可燃基作單位。,18,1.6 煤層瓦斯壓力 瓦斯壓力的含義 - 煤層孔隙或裂隙內(nèi)氣體分子自由運動撞擊所產(chǎn)生的作用力。 特點： 在某一點上各向大小相等，方向與孔隙壁面垂直。 煤層瓦斯壓力是決定煤層瓦斯含量、瓦斯流動動力高低以及瓦斯動力現(xiàn)象的基本參數(shù)。,19,1.7 煤層瓦斯含量 一、瓦斯在煤層中的存在狀態(tài) 煤體是一種復雜的多孔性固體，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面。 1、游離狀態(tài) 主要存在于大、中孔、裂隙空間內(nèi)，其間瓦斯分子作自由熱運動，顯示相應的瓦斯壓力。 在現(xiàn)今采深下，占瓦斯總量的 5 12%。 2、吸附狀態(tài) 主要存在于小孔和微孔空間內(nèi)。分為表面吸附和吸收兩種狀態(tài)。占瓦斯總量的80%。,20,3、其它形態(tài)-結(jié)晶水化物 問題提出： 結(jié)晶水化物的形式： 形成條件：低溫、高壓。 對CH4: 對C2H6: 對C3H8:,t=0時，P2.0MPa t=5時，P4.8MPa t=10時，P8.0MPa,t=0時，P0.6MPa t=5時，P1.3MPa t=10時，P2.5MPa,t=0時， P0.1MPa t=2.5時，P0.3MPa,乙烷和丙烷生成 水化物的條件比 CH4低得多,21,二、煤層瓦斯含量 1、含義：單位質(zhì)量或體積的煤中含有的瓦斯量。m3/m3，m3/t。 煤層瓦斯包含： 游離瓦斯量 和 吸附瓦斯量 2、瓦斯含量計算 （1）游離瓦斯量 由氣體狀態(tài)方程： 考慮到瓦斯氣體可壓縮性，則有： 粗略計算，假設(shè)： 則： 式中：P-煤層瓦斯壓力，Mpa； V-煤的孔容。,22,（2）吸附瓦斯量-Xx 一般采用朗格繆爾方程計算。 其中： （3）煤層瓦斯含量-X X = Xg + Xx m3/t,23,1.8 影響煤層瓦斯含量的主要因素 煤層瓦斯含量主要取決于： 瓦斯生成量； 瓦斯運移條件； 煤層貯存瓦斯的性能。 具體包括以下幾點： 1、煤的碳化程度 在碳化作用過程中，不斷地 產(chǎn)生瓦斯，碳化程度越高，生成 的瓦斯量越多。相同的條件下， 煤的變質(zhì)程度越高，煤層瓦斯含量越大。,煤的平均甲烷含量與其變質(zhì)程度的定量關(guān)系曲線,24,2、煤層的賦存狀態(tài) （1）露頭 成煤的地質(zhì)年代中，若有露頭長時間與大氣相通，瓦斯沿煤層流動，煤層瓦斯往往沿煤層露頭排放，瓦斯含量大為減少。 （2）煤層傾角 煤層傾角愈大，煤層瓦斯含量愈低。 Exp:芙蓉礦，北翼：40 80 , 南翼：6 12 ，,25,（3）埋藏深度 埋深增加，地應力增高，煤層的透氣性變差，瓦斯向地表運移距離增加，有利于封存瓦斯。,26,3、煤層和圍巖的透氣性 煤層圍巖是指煤層直接頂、老頂和直接底板等 在內(nèi)的一定厚度范圍的層段。煤層圍巖對瓦斯賦存 的影響，決定于它的隔氣、透氣性能。 當煤層頂板巖性為致密完整的巖石，如頁巖、油母頁巖時，煤層中的瓦斯容易被保存下來； 頂板為多孔隙或脆性裂隙發(fā)育的巖石，如礫巖、砂巖時，瓦斯容易逸散。 exp:北京京西煤礦，不論是下侏羅統(tǒng)或是石炭二 疊系的煤層，盡管煤的牌號為無煙煤，由于煤層 頂板為1216m的厚層中粒砂巖，透氣性好， 因此煤層瓦斯含量小，礦井瓦斯涌出量低。,27,4、地質(zhì)構(gòu)造 是影響煤層瓦斯含量的主要因素之一。 表現(xiàn)：一方面是造成了瓦斯分布的不均衡，另一 方面是形成了有利于瓦斯賦存或有利于瓦斯排放的 條件。 (1) 褶皺構(gòu)造 褶皺的類型、封閉情況和復雜程度，對瓦斯賦存 均有影響。 當煤層頂板巖石透氣性差，且未 遭構(gòu)造破壞時，背斜有利于瓦斯的 儲存，是良好的儲氣構(gòu)造，背斜軸 部的瓦斯會相對聚集，瓦斯含量增 大。形成“氣頂”。,28,在向斜盆地構(gòu)造的礦區(qū)，頂 板封閉條件良好時，瓦斯沿垂直 地層方向運移是比較困難的，大 部分瓦斯僅能沿兩翼流向地表。 煤包、地 壘、地塹都為高瓦斯區(qū)。 （2）斷層 斷層破壞了煤層的連續(xù)完整性，使煤層瓦斯運移條件發(fā)生變化。有的斷層有利于瓦斯排放，也有的斷層對瓦斯排放起阻擋作用，成為逸散的屏障。前者稱開放型斷層，后者稱封閉型斷層。,29,斷層的開放與封閉性決定于下列條件： a. 斷層的性質(zhì)和力學性質(zhì)。一般張性正斷層屬 開放型，而壓性或壓扭性逆斷層封閉條件較好。 b. 斷層與地表或與沖積層的連通情況。規(guī)模大 且與地表相通或與沖積層相連的斷層一般為開放型。 c. 斷層將煤層斷開后，煤層與斷層另一盤接觸 的巖層性質(zhì)。若透氣性好則利于瓦斯排放。 d. 斷層帶的特征。斷層帶的充填情況、緊閉程 度、裂隙發(fā)育情況等都會影響到斷層的開放或封閉性。 一般地，開放性斷層，不論其 與地表是否連通，其附近，瓦斯 含量低。,30,封閉性斷層（受壓影響），可阻止CH4的排放。 5水文地質(zhì)條件 地下水與瓦斯共存于煤層 及圍巖之中，其共性是均為流 體，運移和賦存都與煤、巖層的孔隙、裂隙通道有 關(guān)。由于地下水的運移，一方面驅(qū)動著裂隙和孔隙 中瓦斯的運移，另一方面又帶動溶解于水中的瓦斯 一起流動。 瓦斯在水中的溶解度僅為14%。 地下水和瓦斯占有的空間是互補的，這種相逆 的關(guān)系，常表現(xiàn)為水大地帶瓦斯小，反之亦然。,31,7巖漿活動 巖漿活動對瓦斯賦存的影響比較復雜。一方面，在巖漿熱變質(zhì)和接觸變質(zhì)的影響下，煤的變質(zhì)程度升高，增大了瓦斯的生成量和對瓦斯的吸附能力。另一方面，在沒有隔氣蓋層、封閉條件不好的情況下，巖漿的高溫作用可以強化煤層瓦斯排放，使煤層瓦斯含量減小。 所以說，巖漿活動對瓦斯賦存既有生成、保存瓦斯的作用，在某些條件下又有使瓦斯逸散的可能性。,32,2.礦井瓦斯涌出,2.1 瓦斯涌出形式 1、普通涌出 -長時間地、均勻地從煤體中涌出瓦斯。 特點：時間上：連續(xù)不斷 空間上：普遍存在 涌出強度：緩慢、均勻 2、特殊涌出： - 礦井生產(chǎn)過程中，在某些特定地點、突然地于一段時間內(nèi)大量涌出瓦斯的現(xiàn)象。 特點：時間上：突然地、間隔的 空間上：非普遍存在 涌出強度：產(chǎn)生動力破壞,33,2.2 瓦斯涌出量 1、定義 瓦斯涌出量指在礦井建設(shè)和生產(chǎn)過程中從煤與巖石內(nèi)涌出的瓦斯量。 2、瓦斯涌出量表示方法 （1）絕對瓦斯涌出量 單位時間涌出的瓦斯體積，單位為m3/d或m3/min： Qg=QC/100 式中 Qg絕對瓦斯涌出量， m3/min； Q風量， m3/min； C風流中的平均瓦斯?jié)舛?，?34,（2）相對瓦斯涌出量 平均日產(chǎn)一噸煤同期所涌出的瓦斯量，單位是m3/t 。 qg=Qg/A 式中：qg 相對瓦斯涌出量，m3/t； Qg 絕對瓦斯涌出量，m3/d； A 日產(chǎn)量，t/d 說明：相對瓦斯涌出量單位的表達式雖然與瓦斯含量的相同，但兩者的物理含義是不同的，其數(shù)值也是不相等的。,35,2.3 影響瓦斯涌出的因素 決定于自然因素和開采技術(shù)因素的綜合影響。 （一）自然因素 （1）、煤層和圍巖的瓦斯含量 它是決定瓦斯涌出量多少的最重要因素。 一般地，煤層的瓦斯含量越高，開采時的瓦斯涌出量也越大。 （2）、地面大氣壓變化,36,（二）開采技術(shù)因素 1、開采規(guī)模 開采規(guī)模指開采深度，開拓與開采范圍和礦井產(chǎn)量。 A、在甲烷帶內(nèi)，隨著開采深度的增加，相對瓦斯涌 出量增大。 B、開拓與開采的范圍越廣，煤巖的暴露面就越大， 因此，礦井瓦斯涌出量也就越大。 C、礦井產(chǎn)量與礦井瓦斯涌出量間的關(guān)系比較復雜， 達產(chǎn)前、達產(chǎn)后及產(chǎn)量收縮期。,37,2、開采順序與回采方法 首先開采的煤層（或分層）瓦斯涌出量大；采空區(qū)丟失煤炭多，回采率低的采煤方法，采區(qū)瓦斯涌出量大。頂板管理采用陷落法比充填法能造成頂板更大范圍的破壞和卸壓，臨近層瓦斯涌出量就比較大?；夭晒ぷ髅嬷芷趤韷簳r，瓦斯涌出量也會大大增加。 3、生產(chǎn)工藝 瓦斯從煤層暴露面（煤壁和鉆孔）和采落的煤炭內(nèi)涌出的特點是，初期瓦斯涌出的強度大，然后大致按指數(shù)函數(shù)的關(guān)系逐漸衰減。所以落煤時瓦斯涌出量總是大于其它工序。,38,4、風量變化 礦井風量變化時，瓦斯涌出量和風流中的瓦斯 濃度會發(fā)生擾動，但很快就會轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环€(wěn)定狀態(tài)。,39,5、采區(qū)通風系統(tǒng) 采區(qū)通風系統(tǒng)對采空區(qū)內(nèi)和回風流中瓦斯?jié)舛确?布有重要影響。,6、采空區(qū)的密閉質(zhì)量,40,2.4 礦井瓦斯涌出來源的分析與分源治理 按劃分目的的不同，對礦井瓦斯來源劃分為三種方式： 1、按水平、翼、采區(qū)來進行劃分 它作為風量分配的依據(jù)之一。 2、按掘進區(qū)、回采區(qū)和已采區(qū)來劃分 它是日常治理瓦斯工作的基礎(chǔ)。 3、按開采區(qū)、臨近區(qū)劃分 它是采煤工作面治理瓦斯工作的基礎(chǔ)。,41,2.5 瓦斯涌出不均系數(shù) 正常生產(chǎn)過程中，礦井絕對瓦斯涌出量受各種因素的影響其數(shù)值是經(jīng)常變化的，但在一段時間內(nèi)只在一個平均值上下波動，峰值與平均值的比值稱為瓦斯涌出不均系數(shù)。 礦井瓦斯涌出不均系數(shù)表示為： kg=Qmax/Qa 式中：kg給定時間內(nèi)瓦斯涌出不均系數(shù)； Qmax該時間內(nèi)的最大瓦斯涌出量，m3/min； Qa該時間內(nèi)的平均瓦斯涌出量，m3/min；,42,2.6 礦井瓦斯等級 1、礦井瓦斯等級劃分 依據(jù)：按照平均日產(chǎn)一噸煤涌出瓦斯量（相對瓦斯涌出量）和瓦斯涌出形式，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(chǎn)的條件下進行。 （2）測點選擇和測定內(nèi)容及要求。 （3）礦井瓦斯等級的確定。,43,2.7 礦井瓦斯涌出量預測 瓦斯涌出量的預測：指根據(jù)某些已知相關(guān)數(shù)據(jù)，按照一定的方法和規(guī)律，預先估算出礦井或局部區(qū)域瓦斯涌出量的工作。 1、礦山統(tǒng)計法 統(tǒng)計法是根據(jù)生產(chǎn)礦井或生產(chǎn)水平，在以往生產(chǎn)過程中積累的大量不同深度相對瓦斯涌出量與深度的數(shù)據(jù)，通過整理分析找出相互之間變化關(guān)系的統(tǒng)計規(guī)律，推算出相鄰的新礦井或延深水平瓦斯涌出量的方法。 （1）瓦斯涌出量梯度 深度與相對瓦斯涌出量的比值，稱瓦斯涌出量梯度。,44,（2）物理含義： 相對瓦斯涌出量每增加1m3/t 時，開采深度增加的米數(shù)，其單位為m/(m3/t)。瓦斯涌出量梯度愈小，礦井瓦斯涌出量隨深度增加的速度愈快。 （3）計算公式 gm=(H2-H1)/(q2-q1)n 式中: gg瓦斯涌出量梯度，m/（m3/t）或t/m2； H1、H2甲烷帶內(nèi)的兩個已采深度，m； q1、q2對應于深度H1、H2的相對瓦斯涌出量，m3/t； n 指數(shù)系數(shù)，大多數(shù)煤田在垂深1000m內(nèi)時n=1。,45,已知瓦斯涌出量梯度和瓦斯風化帶下界深度時， 就可用下式預測相對瓦斯涌出量。 qm=q0+(H-H0)/gm 或 qm=qm1+(H-H1)/gm 式中：qm 預測的深H(m)處的相對瓦斯涌出量，m3/t； H0 瓦斯風化帶下界深度，m； gm瓦斯涌出量增深率，(m.t)/m3 q0、q1瓦斯風化帶下界或H1處的相對瓦斯涌出量，q0=2m3/t； 2、計算法 以煤層瓦斯含量為基礎(chǔ)進行計算。,46,3.瓦斯噴出,3.1 瓦斯噴出的分類及其特點 瓦斯噴出：大量承壓狀態(tài)的瓦斯從煤、巖裂隙中迅速噴出的現(xiàn)象。 特點：時間突然，空間上集中，動力效應。 危害：造成局部地區(qū)、采區(qū)、一翼充滿高濃度瓦斯； 窒息、遇火燃能引起瓦斯爆炸、火災。 根據(jù)瓦斯噴出裂隙呈現(xiàn)原因不同分： （1）地質(zhì)來源； （2）采掘地壓形成。,47,3.2 瓦斯噴出的預防 預防瓦斯噴出，首先要加強地質(zhì)工作，查清楚施工地區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造、斷層、溶洞