第十章 矿井瓦斯.doc

第十章 矿井瓦斯 第一节 概述 瓦斯（methane）是井下煤岩涌出的各种气体的总称，其主要成份是以甲烷为主的烃类气体，有时也专指甲烷，瓦斯的物理与化学性质一般都是针对甲烷而言。瓦斯是在煤炭发育过程中形成的，故也称煤层气。 甲烷是无色、无味、可以燃烧或爆炸的气体。它对人呼吸的影响同氮气相似，可使人窒息。例如，由于甲烷的存在冲淡了空气中的氧，当甲烷浓度为43％时，空气中相应的氧浓度即降到12％，人感到呼吸非常短促；当甲烷浓度在空气中达57％时，相应的氧浓度被冲淡到9％，人即刻处于昏迷状态，有死亡危险。甲烷分子直径0.41nm（1nm=10-9m），其扩散度是空气的1.34倍，它会很快地扩散到巷道空间。甲烷的密度为0.716kg／m3(标准状况下)，为空气密度的0.554倍。甲烷在巷道断面内的分布取决于该巷道有无瓦斯涌出源。在自然条件下，由于甲烷在空气中表现强扩散性，所以它一经与空气均匀混合，就不会因其比重较空气轻而上浮、聚积，所以当无瓦斯涌出时，巷道断面内甲烷的浓度是均匀分布的；当有瓦斯涌出时，甲烷浓度则呈不均匀分布。在有瓦斯涌出的侧壁附近甲烷的浓度高，有时见到在巷道顶板、冒落区顶部积存瓦斯，这并不是由于甲烷的密度比空气小，而是说明这里的顶部有瓦斯(源)在涌出[3]。 甲烷的化学性质不活泼。甲烷微溶于水，在101.3kPa条件下，当温度20℃时，100L水可溶3.31L，0℃时可溶解5.56L甲烷。甲烷对水的溶解度和温度、压力的关系如图10-1-1所示。从图中可以看到，当瓦斯压力为50大气压、温度30℃时，其溶解度仅为1％，所以，少量地下水的流动对瓦斯的排放影响不大。 图10-1-1 纯水对甲烷的溶解度 瓦斯与氧气适当混合具有燃烧和爆炸性。当空气中的甲烷浓度为5%~16%时，遇高温（650~750℃）能发生爆炸。瓦斯爆炸事故是矿井的严重自然灾害，一旦发生，会造成大量人员伤亡，为矿井带来巨大的灾难。自1675年英国茅斯丁矿发生第一次大型瓦斯爆炸事故以来，瓦斯爆炸事故还在不断发生，一直是威胁煤矿安全生产的最主要自然灾害。 在煤矿的采掘生产过程中，当条件合适时，还会发生瓦斯喷出或煤与瓦斯突出，产生严重的破坏作用，甚至造成巨大的财产损失和人员伤亡。 瓦斯是一种温室气体，同比产生的温室效应是二氧化碳（CO2）的20倍，在全球气候变暖中的份额为15％，仅次于CO2。我国是煤炭生产和消费大国，伴随着煤炭的开采，我国每年向大气排放瓦斯约194亿 m3，约占世界采煤排放瓦斯总量的1／3，瓦斯对大气的严重污染已引起关注。 瓦斯是一种优质洁净能源。瓦斯的燃烧热为37 MJ/ m3，相当于1~1.5 kg烟煤燃烧产生的热量。瓦斯燃烧后的气体不含硫化氢，所产生的污染大体上只有石油的1／40，煤炭的1／800[1]。瓦斯还是重要的化工原料，它还可以转化成合成原料气，制备出合成氨、合成醇、烃类等重要的化工产品。 我国的瓦斯资源丰富，初步估计达30～35万亿m3，相当于450亿吨标准煤[4]。对煤矿瓦斯进行抽放并加以利用，既可大量减少瓦斯事故的发生，又减少对环境的污染，同时为社会提供优质洁净能源和重要的化工原料，带来巨大的经济效益。 第二节 瓦斯的赋存与含量 一、瓦斯的成因 在我国矿井的实际条件下，瓦斯主要是指甲烷，是腐植型有机物(植物)在成煤过程中生成的。煤层中的甲烷的产生大致可分为两个阶段。 第一阶段为生物化学成气时期，在植物沉积成煤初期的泥炭化过程中，有机物在隔绝外部氧气进入和温度不超过65℃的条件下，被厌氧微生物分解为CH4、CO2和H2O。由于这一过程发生于地表附近，上覆盖层不厚且透气性较好，因而生成的气体大部分散失于古大气中。随泥炭层的逐渐下沉和地层沉积厚度的增加，压力和温度也随之增加，生物化学作用逐渐减弱并最终停止。 第二阶段为煤化变质作用时期，随着煤系地层的沉陷及所处压力和温度的增加，泥炭转化为褐煤并进入变质作用时期，有机物在高温、高压作用下，挥发分减少，固定碳增加，这时生成的气体主要为CH4和CO2。这个阶段中，瓦斯生成量随着煤的变质程度增高而增多。但在漫长的地质年代中，在地质构造(地层的隆起、侵蚀和断裂)的形成和变化过程中，瓦斯本身在其压力差和浓度差的驱动下进行运移，一部分或大部分瓦斯扩散到大气中，或转移到围岩内，所以不同煤田，甚至同一煤田不同区域煤层的瓦斯含量差别可能很大。 在个别煤层中也有一部分瓦斯是由于油气田的瓦斯的侵入造成的，例如四川中梁山10号煤层的瓦斯有时与底板石灰岩溶洞中的瓦斯相连,陕西铜川焦坪煤矿井下的瓦斯又与底板砂岩含油层的瓦斯有关。有的煤层中还含有大量的二氧化碳，如波兰的下西里西亚煤田的煤层中还有大量的二氧化碳，则是由于火山活动使碳酸盐类岩石分解生产的二氧化碳侵入的结果。在某些煤层中还含有乙烷、乙烯等重碳氢气体。