【采矿课件】第一章矿井瓦斯灾害防治ejf.docx
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1、课 程 教 案案第一章矿矿井瓦斯斯灾害防防治矿井瓦斯斯是严重重威胁煤煤矿安全全生产的的主要自自然因素素之一。本本章在阐阐述瓦斯斯的赋存存状况、涌涌出形式式与瓦斯斯灾害形形式等基基本理论论的基础础上,着着重介绍绍矿井瓦瓦斯防治治的有关关措施。第一节基基本概念念和理论论概述一、 矿井瓦斯斯的定义义及性质质1矿井井瓦斯的的定义矿井瓦斯斯是指从煤层层或岩层层中放出出或生产产过程中中产生并并涌入到到矿井内内的各种种气体。其其基本成成分是甲甲烷(CCH4)、二二氧化碳碳(COO2)和氮氮气(NN2),还还有少量量的硫化化氢(HH2S)、一一氧化碳碳(COO)、氢氢气(HH2)、二二氧化硫硫(SOO2)及其
2、其它碳氢氢化合物物气体。2矿井井瓦斯的的性质图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;IVCH4瓦斯是无无色、无无味、无无臭、无毒的气气体。瓦瓦斯在大大气压力力为1001.3325KKPa,温温度为00 的标标准状态态下,容容重为0.7716 kg/m3。瓦斯斯比空气气轻,其其比重为为O.5554 ,因此此在煤矿矿井下常常积聚在在巷道顶顶部或上上山迎头头。瓦斯斯不助燃燃,但条条件适宜宜时能发发生燃烧烧和爆炸炸。二、 矿井瓦斯斯的成因因和分带带1 矿井瓦斯斯的成因因煤层瓦斯斯是腐植植型有机机物(植植物)在在成煤过过程中生生成的,是与煤煤炭
3、共生生的气体体产物。成气过程可分为两个阶段。第一阶段为生物化学成气时期,第二阶段为煤化变质作用时期。2 煤层瓦斯斯垂直分分带根据井下下煤层瓦瓦斯组分分和含量量,将煤煤层瓦斯斯按赋存存深度不不同自上上而下分分为4 个带:N2CO2带、NN2带、NN2CH4 带和和CH44带(见见图1-1-11)。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-吸收瓦斯瓦斯风化化带的深深度取决决于煤层层的地质质条件和和赋存状状况,如如围岩性性质、煤煤层露头头、断层层、煤层层倾角、地地下水活活动等。围围岩透气气性越大大、煤层层倾角越越大、开开放性断断层越发发育、地地下水活活动越剧剧烈,则则
4、瓦斯风风化带下下部边界界就越深深。有露露头的煤煤层往往往比无露露头的隐隐伏煤层层瓦斯风风化带深深。三、 煤层瓦斯斯的赋存存状态1 瓦斯的赋赋存状态态矿井瓦斯斯在煤、岩岩层中以以两种状状态存在在,即自自由状态态和吸附附状态,如如图1-1-22所示。自由状态态又称游游离状态态,是指指瓦斯以自自由气体体状态存存在于煤煤、岩层层的裂隙隙或空洞洞之中。吸附状态态分为两两种形式式,即吸吸着状态态和吸收收状态。吸吸着状态态由气体体分子和和固体分分子之间间的引力力造成,瓦斯分子被吸着在煤体或岩体孔隙表面上,形成瓦斯薄膜。以吸着状态存在的瓦斯称吸着瓦斯。吸收状态的瓦斯被溶解于煤体或岩体之中,类似气体溶解于液体之
5、中。以吸收状态存在的瓦斯称吸收瓦斯。2 影响煤层层瓦斯含含量的因因素煤层瓦斯斯含量是是指单位位质量(或或体积)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或m3/t。影响煤层层瓦斯含含量的因因素有以以下几个个方面:(1)煤煤田地质质史。(2)地地质构造造。(3)煤煤层的赋赋存条件件。(4)煤煤层的围围岩性质质。(5)煤煤的变质质程度。(6)岩岩浆活动动。(7)水水文地质质条件。总之,影影响煤层层瓦斯含含量的因因素是多多种多样样的。在在矿井瓦瓦斯管理理工作中中,必须须结合本本井田或或本矿具具体情况况,做全全面的调调查和深深入细致的的分析研研究,找找出影响响本煤田田、本矿
6、矿井瓦斯斯含量的的主要因因素,作作为预测测瓦斯含含量和瓦瓦斯涌出出量的参参考。3. 煤煤层瓦斯斯压力煤层瓦斯斯压力是是指煤孔孔隙中所所含游离离瓦斯的的气体压压力,即即气体作作用于孔孔隙壁的的压力。它它是决定定煤层瓦瓦斯含量量的一个个主要因因素,当当煤吸附附瓦斯的的能力相相同时,煤煤层瓦斯斯压力越越高,煤煤中所含含的瓦斯斯量也就就越大。在在煤与瓦瓦斯突出出的发生生、发展展过程中中,瓦斯斯压力起起着重大大作用。四、 矿井瓦斯斯的涌出出1矿井井瓦斯涌涌出形式式瓦斯从煤煤层或围围岩中涌涌出的形形式有两两种:(1)普普通涌出出。随着着采掘工工作的不不断进行行,瓦斯斯从煤层层或围岩岩中不断断地向采采掘空间
7、间涌出。其其特点是是:范围围大、时时间长、量量均匀,速速度缓。普普通涌出出是煤矿矿瓦斯涌出出的主要要形式。(2)特特殊涌出出。包括括瓦斯的喷喷出和煤煤与瓦斯斯突出。其其特点是是涌出地地点为局局部地点点,涌出出时间短短、速度度快、量量大而集集中、有有机械破破坏力。它它是瓦斯斯矿井中中极具危害的一一种涌出出形式。2矿井井瓦斯涌涌出量矿井瓦斯斯涌出量量是指在在矿井生生产过程程中涌入入巷道内内的瓦斯斯量,可可用绝对对瓦斯涌涌出量和和相对瓦瓦斯涌出出量两个个参数来来表示。矿矿井绝对对瓦斯涌涌出量(QQ绝)是指矿矿井在单单位时间间内涌出出瓦斯的的体积,单位为为m3miin 或或m3/d。可用下下式计算算:
8、Q绝=QQC6024 (1-11-1)式中 Q矿井总总回风道道风量,mm3/d; CC回风流流中的平平均瓦斯斯浓度,%。 相对瓦斯斯涌出量量(q相)是指在在正常生生产条件件下开采采1吨煤煤所涌出出的瓦斯斯体积,其其单位为为m3/t。q相=( Q绝n)/T (1-1-2)式中 Q绝矿井绝绝对瓦斯斯涌出量量,m33/d; nn矿井瓦斯斯鉴定月月的工作作天数,dd/月; TT矿井瓦瓦斯鉴定定月的产产量,tt/月。五、 瓦斯涌出出的影响响因素(1)煤煤层和围围岩的瓦瓦斯含量量。(2)开开采深度度。(3)开开采规模模。(4)开开采顺序序与开采采方法。(5)地地面气压压的变化化。六、 矿井瓦斯斯等级煤矿安
9、安全规程程规定定:一个个矿井中中,只要要有一个个煤(岩岩)层中中发现过过瓦斯,该该矿井即即定为瓦瓦斯矿井井,并依依照矿井井瓦斯等等级的工工作制度度进行管管理,矿矿井瓦斯斯等级,按按照平均均日产一一吨煤涌涌出瓦斯斯量和瓦瓦斯涌出出形式划划分为:低瓦斯矿矿井:110 mm3及其以以下;高瓦斯矿矿井:110 mm3以上;煤与瓦斯斯突出矿矿井。矿井在采采掘过程程中,只只要发生生过一次次煤与瓦瓦斯突出出,该矿矿井即为为突出矿矿井,发发生突出出的煤层层定为突突出煤层层。第二节瓦瓦斯爆炸炸及突出出的规律律一、瓦斯斯爆炸(一)瓦瓦斯爆炸炸的过程程及其危危害1 瓦斯爆炸炸的化学学反应过过程瓦斯爆炸炸是一定定浓度
10、的的甲烷和和空气中中的氧气气在高温温热源的的作用下下发生激激烈氧化化反应的的过程。最终的化化学反应应式为:CH442OO2COO2+2HH2O 如果煤矿矿井下OO2不足,反反应的最最终式为为:CHH4+O2COO+H22+H2O2瓦斯斯爆炸的的产生与与传播过过程爆炸性的的混合气气体与高高温火源源同时存存在,就就将发生生瓦斯的的初燃(初初爆),初初燃产生生以一定定速度移移动的焰焰面,焰焰面后的的爆炸产产物具有有很高的的温度,由由于热量量集中而而使爆源源气体产产生高温温和高压压并急剧剧膨胀而而形成冲冲击波。如如果巷道道顶板附附近或冒冒落孔内内积存着着瓦斯,或或者巷道道中有沉沉落的煤煤尘,在在冲击波
11、波的作用用下,它它们就能能均匀分分布,形形成新的的爆炸混混合物,使使爆炸过过程得以以继续下下去。3瓦斯斯爆炸的的危害矿内瓦斯斯爆炸的的有害因因素是:高温、冲冲击波和和有害气气体。瓦斯爆炸炸后生成成大量有有害气体体,某些些煤矿分分析爆炸炸后的气气体成分分为O22 6%100% , N22 822 %88 % , COO2 4%8%,COO2%4。如如果有煤煤尘参与与爆炸,CCO 的的生成量量更大,往往往成为为人员大大量伤亡亡的主要要原因。图1-2-1 柯瓦德爆炸三角形(二)瓦瓦斯爆炸炸的条件件及影响响因素1瓦斯斯爆炸的的基本条条件 瓦斯斯浓度在在爆炸界界限内,一一般为5516。 混合合气体中中的
12、氧浓浓度不低低于122。 有足足够能量量的点火火源。2影响响瓦斯爆爆炸发生生的因素素(1)其其它可燃燃气体的的影响。(2)氧氧浓度和和过量惰惰气的影影响。(3)温温度的影影响。(4)气气压的影影响。(三)矿矿井瓦斯斯爆炸的的致因 1瓦斯斯积聚瓦斯积聚聚是指体体积超过过0.55m3时的空空间瓦斯斯浓度超超过2的现象象。局部部地点的的瓦斯积积聚是造造成瓦斯斯爆炸事事故的根根源,积积聚原因因主要有有以下几几个方面面:(1)通通风系统统不合理理、供风风距离过过长、采掘掘布置过过于集中中、工作作面瓦斯斯涌出量量过大而而又没有有采取抽抽放措施施、通风风路线不不畅通等等,都容容易造成成采煤工工作面风风量供给
13、给不足。(2)正正常生产产时期,煤煤矿井下下的通风风设施被被随意改改变其状状态。(3)采采掘工作作面的串串联通风风,上工工作面的的污浊空空气未经经监测控控制进入下工作作面,导导致与下下工作面面风流中中的瓦斯斯叠加而而超限。(4)局局部通风风机停止止运转可可能使掘掘进工作作面很快快达到瓦瓦斯爆炸炸的界限限。(5)对对封闭的的区域或或停工一一段时间间的工作作面恢复复通风,未制定专门的排放瓦斯措施。(6)气气压发生生变化或或采空区区发生大大面积冒冒顶时。(7)当当采掘工工作面推推进到地地质构造造异常区区域时。(8)巷巷道冒落落空洞由由于通风风不良容容易形成成瓦斯积积聚。2瓦斯斯爆炸的的点火源源煤矿井
14、下下的明火火、煤炭炭自燃、电电弧、电电火花、赤赤热的金金属表面面以及撞撞击和摩摩擦火花花,都能能点燃瓦瓦斯。此此外,采采空区内内岩石悬顶顶冒落时时产生的的碰撞火火花,也也能引起起瓦斯的的燃烧或或爆炸。原原苏联的的研究认认为,岩岩石脆性性破裂时时,它的的裂隙内内可以产产生高压压电场(达达1088V/ccm ),电场场内电荷荷流动,也也能导致致瓦斯燃燃烧。二、煤(岩)与与瓦斯突突出煤(岩)与瓦斯斯突出是是煤矿井井下发生生的一种种复杂的的瓦斯动动力现象象,即在在很短时时间内,大大量的煤煤(岩)和瓦斯斯由煤(岩岩)体向向采掘巷巷道空间间喷出的的现象。(一)煤煤(岩)与瓦斯斯突出分分类按照突出出物质的的
15、不同,突突出可分分为煤与与甲烷突突出、岩石与与甲烷突突出、砂砂岩和二二氧化碳碳突出,以以及煤、岩岩、二氧氧化碳和和甲烷突突出。按照突出出动力源源的不同同,突出出又可分分为倾出出、压出出和突出出。其中中,倾出出的主要要动力是是地应力力,其基基本能源源是煤的的重力位位能,它经常常发生在在急斜松松软煤层层中;压压出的主主要动力力是地应应力,其其基本能能源是煤煤中所积积聚的弹弹性能;突出的的动力是地地应力和和瓦斯压压力的合合力,其其基本能能源是煤煤中积聚聚的瓦斯斯能。(二)煤煤(岩)与瓦斯斯突出的的机理和和条件1. 突突出机理理煤(岩)与瓦斯斯突出是是一种力力学现象象,是地地应力、瓦瓦斯和煤煤(岩)的
16、物理理力学性性质三个因素素综合作作用的结结果。地地应力、瓦瓦斯和煤煤(岩)强度是是突出的的主要自自然因素素,突出出的发生生与否取取决于这这三个因素素的一定定组合。对对突出发发生的区区域条件件来说,该该区域的的地应力力越大,煤煤(岩)层瓦斯斯压力(含含量)越越高,煤煤(岩)越松软软,则区区域的突突出危险险性就越越大。对对采掘工工作面来来说,突突出危险险性除与与上述三三个因素素各参数数的原始始值有关关外,而而且在很很大程度度上,还还取决于于近工作面面区域各各参数的的变化,工作面面前方应应力和瓦瓦斯压力力梯度越越大,煤煤(岩)越不均均质,则则工作面面的突出出危险性性也就越越大。2. 突突出的条条件突
17、出发生生必须同同时满足足以下33 个条条件:(1)放放炮落煤煤、石门门突然揭揭开煤层层、采掘掘工作面面进入地地质构造造带、打打钻、悬悬顶冒落落等使工工作面附附近煤(岩岩)体应应力状态态突然改改变,并并导致煤煤(岩)体体局部的的突然破破坏,这这是突出出的诱发发条件。(2)突突出诱发发后,煤煤(岩)的的暴露面面处于高高地应力力和高瓦瓦斯压力力区,使使煤(岩岩)体能能产生自自发地连连续破碎碎,这是是突出的的发展条条件。(3)煤煤(岩)体体和已破破碎的煤煤(岩)能能快速涌涌出瓦斯斯(包括括游离瓦瓦斯和吸吸附瓦斯斯),并并形成能能抛出已已破碎煤煤(岩)的的瓦斯流流,这是是突出发发展的必必要条件件。(三)
18、煤煤(岩)与瓦斯斯突出的的一般规规律和预兆1. 煤煤(岩)与瓦斯斯突出的的一般规规律(1)危危险性随随开采深度度及煤层层厚度增增大而增大大。(2)绝绝大多数数发生在在掘进工工作面。(3)引引起应力力状态突突然变化化的区域域。(4)主主要诱导导因素是是采掘作作业,其其次为爆爆破、风风镐、手手镐作业业。2. 突突出预兆兆 声响响预兆。煤体中中发出闷闷雷声、爆爆竹声、机机枪声、嗡嗡嗡声,这这些声响响在我国国许多突突出矿井井统称为为“煤炮”。在个个别突出出发生前前,也会会出现渗渗水声和和其它声响响。 煤结结构变化化预兆。如煤层层层理紊紊乱、煤煤变松软软、煤变变暗而无无光泽、煤煤干燥和和煤尘增增多等。
19、地压压方面的的预兆。支架来来压、掉掉渣、片片帮、工工作面煤煤壁外鼓鼓、底鼓鼓、煤眼眼变形装装不进炸炸药等。 瓦斯斯方面的的预兆。风流瓦瓦斯浓度度增大、瓦瓦斯浓度度忽大忽忽小、打打钻时顶顶钻、钻钻孔喷煤煤喷瓦斯斯等。其它预预兆。在某些些突出发发生前,会会出现煤煤壁和工工作面温温度降低低,散发发特殊气气味等。第三节 瓦斯斯爆炸的的防治与与处理技技术一、 防止瓦斯斯积聚的的技术措措施(一)按按照煤煤矿安全全规程的要求做好通风工作(1)矿矿井通风风必须采采用机械械通风。(2)所所有没有有封闭的的巷道、采采掘工作作面和硐硐室必须须保持足足以稀释释瓦斯到到规定界界限的风风量和风风速,使使瓦斯不不能达到到积
20、聚的的条件。(3)采采煤工作作面必须须保持风风路畅通通,每个个掘进工工作面必必须有合合理的进进、回风风路线,避避免形成成串连通通风。(4)掘掘进工作作面供风风最容易易出现安安全问题题,特别别是在更更换、检检修局部部通风机机或通风风机停运运时,必必须加强强管理。(5)对对高瓦斯斯矿井,为为防止局局部通风风机停风风造成的的危险,必必须使用用“三专两两闭锁”,局部部通风机机要挂牌牌制定专专人管理理,严格格禁止非非专门人人员操作作局部通通风机和和随意开开停通风风机。(6)整整个矿井井的生产产和通风风是相匹匹配的。(二)及及时处理理局部聚聚积的瓦瓦斯1采煤煤工作面面上隅角角的瓦斯斯积聚处处理技术术1)增
21、风风吹散法法图1-3-1风障引流法该方法是是通过增增大向上上隅角的的供风,吹吹散积聚聚的瓦斯斯。具体体措施有有风障引引流吹散散法、液液压局部部通风机机吹散法法、脉动动通风技技术吹散散法等。(1)风风障引流流法。(2)液液压局部部通风机机吹散法法。(3)脉脉动通风风技术吹吹散法。2)无火火花设备备抽排法法该方法是是利用抽抽排的方方式处理理上隅角角处积聚聚的瓦斯斯。(1)风风筒引射射导风法法。(2)无无火花风风机抽排排法。图1-3-2 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
22、(3)小小型液压压风扇治治理上隅隅角瓦斯斯积聚。(4)移移动泵站站抽放法法。3)改变变采空区区内风流流流动路路线2刮板板输送机机底槽的的瓦斯积积聚处理理技术(1)设设专人清清理输送送机底下下遗留的的煤炭,保保证底槽槽畅通,使使瓦斯不不易积聚聚。(2)保保持输送送机经常常运转,即即使不出出煤也让让输送机机继续运运转,以以防止瓦瓦斯积聚聚。(3)如如果发现现输送机机底槽内内有瓦斯斯超限的的区段,可可把输送送机吊起起来,使使空气流流通排除除瓦斯。(4)有有压风管管路的地地点可以以将压风风引至底底槽进行行通风,排排除积聚聚的瓦斯斯。3机械械化采煤煤工作面面瓦斯积聚聚的处理理(1)加加大工作作面的进进风
23、量。(2)降降低瓦斯斯涌出的的不均匀匀性。(3)抽抽放瓦斯斯和煤壁壁注水。(4)采采煤机附附近局部部瓦斯积聚聚,可在在采煤机机的切割割部或牵牵引部安安装小型型局扇或或水力引引射器,吹吹散积存存的瓦斯斯。4顶板板瓦斯聚聚积的处处理图1-3-9 钻孔抽放裂隙带的瓦斯1)顶板板附近瓦瓦斯层状状积聚的的处理(1)加加大巷道道内风流流速度。(2)加加大顶板板附近的的风速。(3)喷喷浆封闭闭法。(4)瓦瓦斯抽放放法。2)顶板板冒落空空洞内积积存瓦斯斯处理顶板冒落落空洞内内积聚瓦斯处理理的方法法通常有有以下几几种:(1)隔隔离法。(2)引引风吹散散法5掘进进工作面面局部的的瓦斯积积聚处理理技术(1)对对于瓦
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