第一章 矿井瓦斯灾害防治PPT讲稿.ppt
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1、第一章矿井瓦斯灾害防治第1页,共145页,编辑于2022年,星期二第一章第一章 矿井瓦斯灾害防治矿井瓦斯灾害防治目目 录录第一节第一节 基本概念和理论概述基本概念和理论概述第二节第二节 瓦斯爆炸及防治技术瓦斯爆炸及防治技术第三节第三节 煤与瓦斯突出及防治技术煤与瓦斯突出及防治技术第四节第四节 矿井瓦斯抽放矿井瓦斯抽放 复习题复习题 问题思考问题思考第2页,共145页,编辑于2022年,星期二第一节第一节 基本概念和理论概述基本概念和理论概述主主 要要 内内 容容一、一、矿井瓦斯的定义及性质矿井瓦斯的定义及性质二、二、矿井瓦斯的成因和分带矿井瓦斯的成因和分带三、三、煤层瓦斯的赋存状态煤层瓦斯的赋
2、存状态四、四、矿井瓦斯的涌出矿井瓦斯的涌出五、五、瓦斯涌出的影响因素瓦斯涌出的影响因素六、六、矿井瓦斯涌出来源的分析与分源治理矿井瓦斯涌出来源的分析与分源治理七、七、矿井瓦斯等级矿井瓦斯等级第3页,共145页,编辑于2022年,星期二一、矿井瓦斯的定义及性质一、矿井瓦斯的定义及性质1矿井瓦斯的定义从广义上讲,矿井瓦斯是指从煤层或岩层中放出或生产过程中产生并涌入到矿井内的各种气体。狭义的讲,矿井瓦斯专指甲烷(CH4)。后面章节中所谈的瓦斯概念,一般为甲烷。2矿井瓦斯的性质瓦斯是无色、无味、无臭、无毒的气体。瓦斯比空气轻,其比重为0.554,因此在煤矿井下常积聚在巷道顶部或上山迎头。瓦斯的扩散速度
3、是空气的1.34倍,瓦斯的渗透能力是空气的1.6倍。瓦斯微溶于水,瓦斯不助燃,但条件适宜时能发生燃烧和爆炸。第4页,共145页,编辑于2022年,星期二二、矿井瓦斯的成因和分带二、矿井瓦斯的成因和分带1、矿井瓦斯的成因煤矿井下的瓦斯来自煤层和煤系地层,主要是由高等植物经煤化作用形成的。成气过程可分为两个阶段:()生物化学成气时期(泥炭化或腐泥阶段)腐植型有机物沉积在沼泽相和三角洲相,在小于65下,经厌氧微生物(细菌)的化学降解作用生成甲烷、二氧化碳、水。第5页,共145页,编辑于2022年,星期二泥炭化过程的生物化学作用分两个阶段植物中的有机物经氧化分解和水解作用,转化为简单的化学性质活泼的化
4、合物。分解产物相互作用生成新的较稳定的有机化合物。该时期埋藏深度不大且覆盖层胶结固化程度不够,所产生的气体绝大部分逸散入大气。第6页,共145页,编辑于2022年,星期二()煤化变质作用时期(煤化阶段)泥炭、腐泥在以温度和压力为主的作用下变化为煤的过程。第7页,共145页,编辑于2022年,星期二图1-1-l顿巴斯煤田煤层瓦斯组分在各瓦斯带中的变化IN2-CO2;IIN2;IIIN2-CH4;IVCH42.煤层瓦斯垂直分带根据井下煤层瓦斯组分和含量,将煤层瓦斯按赋存深度不同自上而下分为4个带:N2CO2带、N2带、N2CH4带和CH4带(见图1-1-1)。第8页,共145页,编辑于2022年,
5、星期二图1-1-2煤体中瓦斯的赋存状态示意图1-自由瓦斯;2-吸着瓦斯;3-吸收瓦斯;4-煤体;5-空隙三、煤层瓦斯的赋存状态三、煤层瓦斯的赋存状态1、瓦斯的赋存状态矿井瓦斯在煤、岩层中以两种状态存在,即自由状态和吸附状态。自由状态又称游离状态。吸附状态分为两种表现形式,即吸着状态和吸收状态。自由瓦斯和吸附瓦斯关系:二者是处于一种动平衡状态,即在一定条件下自由瓦斯和吸附瓦斯可以互相转化。第9页,共145页,编辑于2022年,星期二各带的气体成分组成及含量:瓦斯风化带上届深度确定(以下任何一项)煤层的相对瓦斯涌出量为2-3m3/t。煤层内的瓦斯组分中甲烷及重烃浓度总和达到80%。煤层内的瓦斯压力
6、为0.1MPa。煤的瓦斯含量达到下列数值:长焰煤1.0-1.5m3/t,气煤1.5-2.0m3/t,肥煤与焦煤2.0-2.5m3/t,瘦煤2.5-3.0m3/t,贫煤3.0-4.0m3/t,无烟煤5.0-7.0m3/t。第10页,共145页,编辑于2022年,星期二2.影响煤层瓦斯含量的因素(一)煤的变质程度变质程度越高,瓦斯含量就大;灰分、杂质、水分降低煤中的瓦斯含量。(二)煤系地层保存瓦斯的条件(1)煤层存贮条件煤的吸附特性。煤化程度高,存贮瓦斯能力强。煤层有无露头。煤层的埋深。(2)围岩透气性致密完整的低透气性岩层,瓦斯含量高,瓦斯压力大,反之越小。第11页,共145页,编辑于2022年
7、,星期二第12页,共145页,编辑于2022年,星期二第13页,共145页,编辑于2022年,星期二(3)煤层的地质史以下降、覆盖层加厚和海相沉积为主要变化的地质活动过程,会导致瓦斯含量增高;反之,瓦斯含量降低。(4)煤层倾角埋藏深度相同时,煤层倾角越小,瓦斯含量越大。第14页,共145页,编辑于2022年,星期二()地质构造及其他条件第15页,共145页,编辑于2022年,星期二(6)水文地质条件地下水活跃的地区,煤层瓦斯含量小。地下水带走部分被溶解的瓦斯;地下水的渗透通道也是瓦斯渗透通道;地下水带走了溶解的矿物,使围岩及煤层卸压,透气性增加,造成了瓦斯的流失。3.煤层瓦斯压力煤层瓦斯压力是
8、指煤孔隙中所含游离瓦斯的气体压力,即气体作用于孔隙壁的压力。煤层瓦斯压力越高,煤的吸附瓦斯量越大。第16页,共145页,编辑于2022年,星期二第17页,共145页,编辑于2022年,星期二四、矿井瓦斯的涌出四、矿井瓦斯的涌出1矿井瓦斯涌出形式瓦斯从煤层或围岩中涌出的形式有两种:(1)普通涌出:瓦斯能够长时间地、持续地从煤体中释放出来。(2)特殊涌出(喷出、突出):在时间上突然,在空间上集中、大量的瓦斯涌出。2矿井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。(1)Q绝=QC6024(1-1-1)式中Q矿井总回风道风量,m3/min;C回风流中的平均瓦斯浓度,%。(2)q相=Q
9、绝n/T(1-1-2)式中Q绝矿井绝对瓦斯涌出量,m3/d;n矿井瓦斯鉴定月的工作天数,d/月;T矿井瓦斯鉴定月的产量,t/月。第18页,共145页,编辑于2022年,星期二1、自然因素(1)煤层和围岩的瓦斯含量煤层的瓦斯含量越高,开采时的瓦斯涌出量越大。(瓦斯含量较小,瓦斯涌出量越小吗?)(2)地面气压的变化地面大气压一年内夏冬差值5.3-8kPa,一天内差值可达2-2.7kPa。(3)开采深度在瓦斯带内,随着开采深度的增加,相对瓦斯涌出量增大。五、瓦斯涌出的影响因素五、瓦斯涌出的影响因素第19页,共145页,编辑于2022年,星期二2、开采技术因素1)开采规模(开采深度、开拓与开采范围和矿
10、井产量)在瓦斯带内,开采越深、规模越大,瓦斯涌出量越高。2)开采顺序与采煤方法首先开采的煤层瓦斯涌出量大。第20页,共145页,编辑于2022年,星期二采空区丢煤多,回采率低的采煤方法,采区瓦斯涌出量大。顶板管理采用全部垮落法时,瓦斯涌出量大。采煤工作面周期来压时,瓦斯涌出量增大。3)生产工艺破煤时瓦斯涌出量总是大于其他工序。第21页,共145页,编辑于2022年,星期二4)风量变化抽出式负压增加时,瓦斯涌出量增大。5)采区通风系统Y、W型通风优于U型通风,工作面瓦斯涌出量较低。6)采空区的密闭质量采空区瓦斯浓度可达60%-70%。第22页,共145页,编辑于2022年,星期二六、矿井瓦斯涌出
11、来源的分析与分源治理六、矿井瓦斯涌出来源的分析与分源治理.瓦斯来源三种划分方式(1)按水平、翼、采区划分;(分量分配)(2)按掘进区、开采区、已采区划分;(日常治理)(3)按开采区、邻近区划分;(采面治理)第23页,共145页,编辑于2022年,星期二2.瓦斯涌出不均衡系数在一段时间内,瓦斯涌出峰值与平均值的比值称为瓦斯涌出不均衡系数。Kg=Qmax/Qa第24页,共145页,编辑于2022年,星期二3.矿井瓦斯涌出量预测(1)统计法(生产矿井)(2)瓦斯含量法(新建矿井)例题:抚顺龙凤矿不同加权平均开采深度时的相对瓦斯涌出量如下表所示。第25页,共145页,编辑于2022年,星期二第26页,
12、共145页,编辑于2022年,星期二抚顺龙凤矿深500处的瓦斯涌出量为qm=qm1+(H-H1)/ga=33.0+(500.0-410.0)/10.9=41.2m3/t采深500m处实测为41.5m3/t,误差为0.7%。统计法预测注意问题:统计法只适用于瓦斯带以下已开采了1-2个水平的矿井,而且外推深度不得超过100-200m,煤层倾角和瓦斯涌出量梯度值越小,外推深度也应越小。积累的瓦斯涌出量资料,至少要有一年以上,资料越多,精度越高,已采水平的瓦斯地质情况和开采技术与新设计水平越相似,预测的可靠性也越高。第27页,共145页,编辑于2022年,星期二规程规定:一个矿井中,只要有一个煤(岩)
13、层中发现过瓦斯,该矿井即定为瓦斯矿井,并依照矿井瓦斯等级的工作制度进行管理,矿井瓦斯等级,按照平均日产一吨煤涌出瓦斯量和瓦斯涌出形式划分为:低瓦斯矿井:相对瓦斯涌出量10m3/t,且绝对瓦斯涌出量40m3/min;高瓦斯矿井:相对瓦斯涌出量10m3/t,或绝对瓦斯涌出量40m3/min;煤与瓦斯突出矿井:矿井在采掘过程中,只要发生过一次煤与瓦斯突出,该矿井即为突出矿井,发生突出的煤层定为突出煤层。七、矿井瓦斯等级七、矿井瓦斯等级第28页,共145页,编辑于2022年,星期二第二节第二节 瓦斯爆炸及防治技术瓦斯爆炸及防治技术主主 要要 内内 容容一、一、瓦斯爆炸瓦斯爆炸二、二、防止瓦斯积聚的技术
14、措施防止瓦斯积聚的技术措施 三、三、防止点火源的出现防止点火源的出现四、四、加强瓦斯的检查和监测加强瓦斯的检查和监测五、五、瓦斯爆炸的处理要点瓦斯爆炸的处理要点第29页,共145页,编辑于2022年,星期二统计表明:2000-2008年共发生死亡10人以上30人以下的重大瓦斯爆炸事故117起,死亡30人以上的特别重大瓦斯爆炸事故37起,其中7起百人以上事故都发生在低瓦斯区域,具体统计数据如图1图10所示。第30页,共145页,编辑于2022年,星期二第31页,共145页,编辑于2022年,星期二第32页,共145页,编辑于2022年,星期二第33页,共145页,编辑于2022年,星期二(一)瓦
15、斯爆炸的过程及其危害1.瓦斯爆炸的化学反应过程最终的化学反应式为:CH42O2CO2+2H2O如果煤矿井下O2不足,反应的最终式为:CH4+O2CO+H2+H2O2瓦斯爆炸的产生与传播过程爆炸性混合气体高温火源瓦斯初爆(火焰锋面、高温混合气体、压力的冲击)正向冲击波一、瓦斯爆炸一、瓦斯爆炸第34页,共145页,编辑于2022年,星期二3瓦斯爆炸的危害矿内瓦斯爆炸的有害因素是:高温、冲击波和有害气体。(1)产生高温火焰锋面传播速度500-700m/s,爆轰式传播速度2500m/s。焰面温度高达2150-2650。(2)形成冲击波冲击波锋面压力由几个大气压到20个大气压,高达100个大气压。(3)
16、产生大量有害气体氧气:0.6%-10%氮气:82%-88%二氧化碳:4%-8%一氧化碳:2%-4%第35页,共145页,编辑于2022年,星期二1、瓦斯爆炸的基本条件瓦斯浓度在爆炸界限内,一般为516;混合气体中的氧浓度不低于12;有足够能量的点火源以上三条件必须同时具备。柯瓦德爆炸三角形(二)瓦斯爆炸的条件及影响因素第36页,共145页,编辑于2022年,星期二2、影响瓦斯爆炸发生的因素(1)影响瓦斯爆炸界限的因素可燃气体几种可燃性气体同时存在时,混合气体的爆炸上限与下限:第37页,共145页,编辑于2022年,星期二第38页,共145页,编辑于2022年,星期二爆炸性煤尘煤尘在300-40
17、0的火源能够放出可燃性气体,空气中煤尘含量为5g/m3,瓦斯的爆炸下限为3%;煤尘含量为8g/m3,瓦斯爆炸下限为2.5%。第39页,共145页,编辑于2022年,星期二可燃气体加入的惰气惰气/可燃气(体积比率)失爆点处的气体(体积)浓度/%可燃气体O2H2N216.554.35.1CO210.205.38.4CH4N23.006.112.1CO23.207.314.6CON24.1213.96.0CO22.1618.68.6表1-2-2可燃气体H2、CH4、CO失爆所需的惰气量惰性气体(表1-2-2)惰性气体使可燃气体爆炸下限升高,上限降低。第40页,共145页,编辑于2022年,星期二混合
18、气体的初始温度初始温度越高,瓦斯爆炸界限就越大。当初始温度为20,瓦斯爆炸界限为6.0%-13.4%。初始温度为700,瓦斯爆炸界限为3.25%-18.75%。第41页,共145页,编辑于2022年,星期二(2)影响引火温度的因素(点燃瓦斯的最低温度650-750)瓦斯浓度瓦斯浓度在7%-8%,其引火温度最低。混合气体压力混合气体的压力越大、引火温度就越低。混合气体压力为9.8kPa,引火温度为700;压力为274kPa,引火温度为460。火源性质化学火源:明火、煤炭自燃、炮火、导火索等。冲击火源:冲击、摩擦、绝热压缩高温;电气火源:电火花、电弧、静电;高温火源:高温表面(机械设备、皮带摩擦)
19、、热辐射。第42页,共145页,编辑于2022年,星期二表1-2-1 瓦斯爆炸感应期火源温度/瓦斯浓度/火源温度/77582587592597510751175感应期/s678910121.081.151.251.31.41.640.580.60.620.650.680.740.350.360.370.390.410.440.200.210.220.230.240.250.120.130.140.140.150.160.0390.0410.0420.0440.0490.0550.010.0120.0150.0180.02瓦斯爆炸的感应期:瓦斯与高温热源接触后,不是立即燃烧或爆炸,而是要经过一个
20、很短的间隔时间,这种现象叫引火延迟性,间隔的这段时间称感应期。第43页,共145页,编辑于2022年,星期二(三)矿井瓦斯爆炸的致因1瓦斯积聚瓦斯积聚是指体积超过0.5m3时的空间瓦斯浓度超过2的现象。积聚原因主要有以下几个方面:(1)通风系统不合理。(2)正常生产时期,煤矿井下的通风设施被随意改变其状态。(3)采掘工作面的串联通风。(4)局部通风机停止运转可能使掘进工作面很快达到瓦斯爆炸的界限。(5)对封闭的区域或停工一段时间的工作面恢复通风,未制定专门的排放瓦斯措施。(6)采空区和盲巷中往往积存大量高浓度的瓦斯。第44页,共145页,编辑于2022年,星期二(7)当采掘工作面推进到地质构造
21、异常区域时,有可能发生瓦斯异常涌出,造成瓦斯积聚。(8)巷道冒落空洞由于通风不良容易形成瓦斯积聚。(9)小煤矿的瓦斯积聚除上述几个方面外,还有以下几点:独眼井开采。未安装主要通风机。使用局部通风机代替主要通风机。回风井筒兼作提升,矿井漏风严重,通风机不能发挥作用。矿井停工停风或掘进工作面停工停风。井下通风系统混乱,串联通风严重。掘进工作面无局部通风机。没有瓦斯检查、监测制度。无专门的安全技术人员从事安全管理工作。第45页,共145页,编辑于2022年,星期二2瓦斯爆炸的点火源(1)井下爆破引起的瓦斯爆炸和燃烧事故呈增加的趋势,存在的问题主要有:使用了不符合安全要求的炸药或炸药已经超过安全有效期
22、限。充填炮泥不合格,造成放炮火焰存在时间过长。爆破炮眼布置不合理,抵抗限过低,或者放明炮、糊炮等。爆破电路连线不合格,产生电火花。放炮器不合格或使用明电放炮等。(2)电火花引起的瓦斯爆炸与电器设备的不合格和人员违章操作有关。(3)摩擦撞击火花有时难以避免。(4)井下严禁使用明火。(5)其他情况。第46页,共145页,编辑于2022年,星期二二、防止瓦斯积聚的技术措施二、防止瓦斯积聚的技术措施(一)按照规程的要求做好通风工作(1)矿井通风必须采用机械通风。(2)所有没有封闭的巷道必须保持足以稀释瓦斯到规定界限的风量和风速。(3)采煤工作面必须保持风路畅通,避免形成串连通风。(4)掘进工作面供风最
23、容易出现安全问题。(5)对高瓦斯矿井,必须使用“三专两闭锁”。(6)整个矿井的生产和通风是相匹配的。第47页,共145页,编辑于2022年,星期二(二)及时处理局部聚积的瓦斯1回采工作面上隅角的瓦斯积聚处理技术处理的方法有以下几种:1)增风吹散法(1)风障引流法。(2)液压局部通风机吹散法。(3)脉动通风技术吹散法2)无火花设备抽排法(1)风筒引射导风法。(2)移动泵站抽放法。(3)尾巷排放法。第48页,共145页,编辑于2022年,星期二风障引流法第49页,共145页,编辑于2022年,星期二 小型液压局部通风机处理上隅角积聚的瓦斯1-工作面液压支架;2-甲烷传感器;3-柔性风筒;4-小型液
24、压通风机5-中心控制处理器;6-液压泵站;7-磁力启动器;8-油管第50页,共145页,编辑于2022年,星期二风、水引射器在采煤工作面上隅角的风种布置方式第51页,共145页,编辑于2022年,星期二第52页,共145页,编辑于2022年,星期二第53页,共145页,编辑于2022年,星期二煤矿安全规程对该方法的应用提出如下要求:工作面风流控制必须可靠;专用排瓦斯巷道内不得进行生产作业和设置电器设备进。专用排瓦斯巷道内风速不低于0.5m/s;专用排瓦斯巷道内必须用不燃性材料支护,并应有防止产生静电、摩擦和撞击火花的安全措施;专用排瓦斯巷道必须贯穿整个工作面推进长度且不得留有盲巷;专用排瓦斯巷
25、道内必须安设甲烷传感器,甲烷传感器应悬挂在距专用排瓦斯巷道回风口1015m处。煤层的自燃倾向性为不易自燃。第54页,共145页,编辑于2022年,星期二2刮板输送机底槽的瓦斯积聚处理技术处理的方法有以下几种:(1)设专人清理输送机底下遗留的煤炭,保证底槽畅通,使瓦斯不易积聚。(2)保持输送机经常运转,即使不出煤也让输送机继续运转,以防止瓦斯积聚。(3)如果发现输送机底槽内有瓦斯超限的区段,可把输送机吊起来,使空气流通排除瓦斯。(4)有压风管路的地点可以将压风引至底槽进行通风,排除积聚的瓦斯。3机械化采煤工作面瓦斯积聚的处理(1)加大工作面的进风量。(2)降低瓦斯涌出的不均匀性。(3)抽放瓦斯和
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