第五章矿井瓦斯防治..doc

第五章 矿井瓦斯防治 矿井瓦斯是煤矿生产中必然遇到的有害气体，是煤矿五大自然灾害之一，在采掘过程中瓦斯大量涌出，可造成作业地点的瓦斯超限，当井下空气中瓦斯浓度较高时，会相对地降低空气中的氧气浓度，可以造成作业人员窒息。如果忽视矿井通风与瓦斯管理和不严格执行《规程》有关规定，当瓦斯与空气混合达到一定浓度时，遇火源能燃烧或爆炸。瓦斯的存在易造成煤与瓦斯突出，严重影响和威胁矿井生产安全，一旦发生重、特大瓦斯灾害事故，，就会给国家财产和职工的生命安全造成巨大损失。所以说，瓦斯是煤矿第一大杀手。 第一节 瓦斯的性质与赋存状态 一、矿井瓦斯的概念 矿井瓦斯是指煤矿在生产过程中从煤（岩）层中涌出以甲烷为主的各种有毒有害气体的总称。有时单独指甲烷（沼气）。根据气体分析结果表明，其中构成的主要成分是以甲烷为主，约占总量的80～90%左右，它是一种最简单的炭氢化合物，又是各种有害气体混合物。因沼泽之气而得名，俗称沼气，其化学分子为CH4。根据人们群众长期形成的历史习惯把沼气也称为瓦斯。瓦斯的成分且由基本成分和其它成分所组成，其成分组成为：甲烷(沼气)（CH4）、二氧化碳（CO2）、硫化氢（H2S）二氧化氮（NO2）、一氧化碳（CO）、二氧化硫（SO2）氨气（NH3）、硫化氢化合物(乙烷、丙烷、丁烷)。 依据瓦斯成分与其性质的不同，大致可分为三种类型： （一）具有可燃、可爆性气体，主要是沼气； （二）具有窒息性气体，主要是二氧化碳； （三）具有毒、有害气体，主要是一氧化碳、硫化氢、二氧化硫、二氧化氮。上述这些有毒有害气体中，绝大多数矿井中沼气约占瓦斯总量的80%以上，其次才是二氧化碳。煤矿通常所说的瓦斯实际是指沼气，矿井瓦斯的这种可燃性、爆炸性、窒息性，是煤矿安全生产中的主要威胁。 矿井瓦斯来源于煤（岩）层，瓦斯的生成是在成煤过程中的一种伴生气体，它的形成要经历两个不同的造气时期，古代植物遗体在形成泥炭过程中，由于厌氧菌的作用，植物的纤维质被分解、发酵，逐渐生成腐植酸，与此同时生成瓦斯，属于生物化学造气时期；此后，在煤的炭化变质过程中，随着化学成分和结构的变化，从泥炭转变成褐煤、烟煤到无烟煤，属于变质作用造气时期。同时继续有大量瓦斯伴随生成。当生成一吨煤的同时，大约生成1000m3以上的瓦斯（沼气）伴随生成。在长期的地质年代里，由于在生化作用造气时期泥炭的埋藏较浅，覆盖层的胶结固化也不好，因地层变动造成的断裂和裂隙，大部分瓦斯通过煤层裂隙自然逸散到大气中去了，仅仅只有一部分则被保存在煤体和围岩中。 其次，煤层的倾角大，埋藏较浅，顶板岩层透气性好，而煤层中被保存下来的瓦斯量就少；反之，煤层中保留下来的瓦斯就多。当人们建井开拓井巷、从事采掘作业时，瓦斯就会不断地从煤（岩）层中涌向采掘空间，这就是矿井瓦斯的主要来源。当在成煤过程中所伴随生成的瓦斯不逸散，如果大部分都被保存下来的话，那么我们现在就无法开采其煤炭。 由于煤层赋存条件所致，煤层有露头时，瓦斯易于排放，无露头时，顶板岩性致密，其瓦斯不易排放，并易于保存。煤层倾角越小瓦斯运移的途径长。如成煤后地壳上升，剥蚀作用加强为煤层瓦斯向地表运移提供了条件，而大部分瓦斯随着裂隙逸散到大气中去了。因此，在其他条件大致相同的情况下，在同一开采深度上，煤层倾角小，煤层所含瓦斯越多。反之，煤层倾角大，且煤层瓦斯含量就越小。 二、瓦斯的性质 瓦斯通常指甲烷，分子式为CH4，它是一种无色、无味的气体。瓦斯具有燃烧和爆炸性。 三、矿井瓦斯的危害 （一)瓦斯窒息。 （二)瓦斯的燃烧和爆炸。 四、瓦斯的赋存 （一)瓦斯在煤层中的垂直分带 在漫长地质年代中，变质作用过程中生成的瓦斯在其压力差与浓度差的驱动下不断向古大气中运移，而地表空气通过渗透和扩散也不断向煤层深部运移，这就导致沿煤层垂深出现了特征明显的四个分带，即CO—N带、N带、N—CH和CH带，见图1—1。各带的气体成分组成与含量见表1—1。按照各带的成因和组分变化规律，第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ带又统称为瓦斯风化带，第Ⅳ带称为甲烷带。 图3-1 煤矿瓦斯垂直分布图 Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、瓦斯风化带，Ⅳ甲烷带 表3-1 煤层垂向各瓦斯带主要特征 确定瓦斯风化带和甲烷带的深度是很重要的，因为在甲烷带内，煤层中瓦斯含量、瓦斯压力、以及在开采条件变化不大的前提下的瓦斯涌出量都随着深度的增加而有规律地增大。研究这些规律及影响因素，是防治矿井瓦斯灾害的基本工作之一。 （二)瓦斯的赋存。瓦斯在煤层及围岩中的赋存状态有两种，一种是游离状态，另一个是吸附状态。如图3-2所示。 图3－2 煤矿瓦斯赋存状态示意图 1―游离瓦斯；2―吸着附瓦斯；3―吸收瓦斯；4―煤体；5―空隙 1、游离状态（也称自由状态）。这种瓦斯以完全自由的气