矿业瓦斯防治---安徽理工大学教案

时间：2015-12-20 23:28:14 所属分类：矿业工程 浏览量:

安 徽 理 工 大 学 教 案 课程名称 矿业瓦斯防治 任课教师石 必 明 院(系、部) 能源与安全学院 教 研 室 安全工程 第 1次 课 日期周次 1 星期 2学时 第一部分矿井瓦斯防治技术 重点：瓦斯的概念及性质，瓦斯的成因，瓦斯赋存规律。 难点：瓦斯赋存和运移规律

安 徽 理 工 大 学

教 案




课程名称 矿业瓦斯防治
任课教师石　必　明
院(系、部)　能源与安全学院 　
教 研 室 安全工程 　　



第 1次 课
日期周次 1 星期 2学时

第一部分矿井瓦斯防治技术

重点：瓦斯的概念及性质，瓦斯的成因，瓦斯赋存规律。
难点：瓦斯赋存和运移规律。

第1章煤层瓦斯赋存与含量
§1.1矿井瓦斯的概念与性质
一、矿井瓦斯的含义
广义：井下除正常空气的大气成份以外，涌向采矿空间的各种有毒、有害气体总称。
狭义：煤矿生产过程中从煤、岩内涌出的，以甲烷为主要成份的混合气体总称。
矿井瓦斯成分很复杂，其主要成分是甲烷(CH4)，其次是二氧化碳(CO2)和氮气(N2)，还含有少量或微量的重烃类气体（乙烷、丙烷、丁烷、戊烷等）、氢（H2）、一氧化碳（CO）、二氧化硫(SO2)、硫化氢(H2S)等。
由于甲烷（俗称沼气）是矿井瓦斯的主要成分，因而人们习惯上所说的瓦斯，通常指甲烷而言。
（1）煤、岩层涌出（烷烃、环烷烃、芳香烃）；
（2）生产过程中产生（CO2、NO2、H2等）
（3）井下化学、生物化学反应生成（CO2、H2S、SO2）；
（4） 放射性元素蜕变过程生成（Rn、He等）
二、CH4的性质
无色、无味、无嗅的气体，可燃烧、爆炸；
分子量：16.049，分子直径：0.41nm，
密度：0.716Kg/m3（气态）、 424.5 Kg/m3（液态）
相对空气密度：0.554,
难溶入水:101.3 KPa , 20℃ , 3.31l/100lH2O
三、 CH4的危害及其经济价值
1、危害性
（1） 燃烧、爆炸
（2）窒息
（3）喷出、突出
2、重要能源
CH4 + 2O2CO2 + 2H2O +Q
1m3CH437022.2kJ 相当于1~1.5Kg烟煤。
重要的化工原料。

§1.2煤层瓦斯的成因
　　 有机源气体-----腐植有机物（高等植物）成煤过程。煤层瓦斯是腐植型有机物（植物）在成煤过程中生成的
两个阶段：
（1）生物化学阶段（从植物遗体到泥炭）
隔绝空气


微生物

4C6H10O5 7CH4 + 8CO2 + C9H6O + 3H2O
(纤维素)



特点：埋藏浅，覆盖层胶结不好，煤层保存气体少。

（2）变质阶段（从泥炭到烟煤）

泥炭褐煤 烟煤 无烟煤

如：4C16H18O5 C57H56O10 + 4CO2 + 3CH4 + 2H2O
（褐煤）
）



C57H56O10C54H42O5 + CO2 + 2CH4 + 3H2O
（烟煤）
）

（褐煤）
）



C54H42O5C13H4 + 2CH4 + H2O
（烟煤）
）

（无烟煤）
）



v 特点：

（1）碳化过程生成的大量气体。
初期：主要为CO2，CH4不多。随着碳化程度的提高，CO2减少，CH4增多，同时生成重烃。
（2）碳化的同时，煤的物质分子式、结构发生变化；
（3）因覆盖层增厚，生成的气体大多得以保存。但煤层瓦斯含量远小于生成量。
减少的原因:
（1）地质构造运动；
（2）运移到适于贮存地点，形成气藏；
（3）溶解于水中（长久地质年代过程中）；
（4）逸散于大气中（从煤层露头）。
（3）其它主要气体
Ø CO2
成因：① 变质生成。易逸散于大气中，溶解于水，生成碳酸盐，所以，深部煤层中很少含有CO2；
② 生物化学作用，浅部生物圈内（微生物生化作用）；
③ 火山活动，岩浆接触变质，生成大量CO2。如：窑街、营城局；
④ 煤氧化。特别是煤的低温氧化。
Ø N2
来自大气。与氩的比例与空气一致。


Ø He
放射性元素蜕变的产物。
§1.3煤层瓦斯赋存的垂直分带性
煤层瓦斯主要成分：CH4、CO2、N2。
形成原因：当煤层直达地表或直接为透气性较好的第四系冲积层覆盖时，由于煤层中瓦斯向上运移和地面空气向煤层中渗透，使煤层内的瓦斯呈现出垂直分带特征。










四带： CO2- N2带、N2带、N2—CH4带、CH4带。现场实际过程中，将前三带总称为瓦斯风化带。







v 划分的意义：掌握本煤田煤层瓦斯垂直分带的特征，是搞好矿井瓦斯涌出量预测和日常瓦斯管理工作的基础。
规律：① 瓦斯风化带内，涌出量与深度之间无规律性。
② 瓦斯风化带内，无突出危险性。
③ 在CH4带内，
瓦斯风化带下界深度确定依据：

根据下列指标中的任何一项确定：
（1）煤层的相对瓦斯涌出量等于2～3m3/t处；
（2）煤层内的瓦斯组分中甲烷及重烃浓度总和达到80%（体积比）；
（3）煤层内的瓦斯压力为0.1～0.15MPa；
（4）煤的瓦斯含量达到下列数值处：长焰煤1.0～1.5 m3/t（C.M.），气煤1.5～2.0m3/t（C.M.），肥煤与焦煤2.0～2.5m3/t(C.M)，瘦煤2.5～3.0m3/t(C.M.)，贫煤3.0～4.0m3/t(C.M.)，无烟煤5.0～7.0m3/t(C.M.)（此处的C.M.是指煤中可燃质既固定碳和挥发分）


第 2次 课
日期周次 1 星期 2学时
重点：煤的孔隙结构、成因及分布规律，煤的吸附特性，煤的孔隙率与煤的破坏程度的关系。
难点：煤的吸附特性。

§1.4煤的孔隙特征
煤是一种复杂的孔隙性介质，有着十分发达的各种不同直径的孔隙和裂隙。形成庞大的自由空间和表面。
煤是一种孔隙----裂隙性介质，它决定煤----CH4体系的许多特性。EX：
集气性 ---- CH4的存在形态、含量，etc
渗透性 ---- 流态、流出形式、涌出量；
力学特性----强度、弹性、脆性。




一、孔隙分类
为了研究瓦斯在煤层中的赋存与流动，将煤中孔隙分类如下：

类别
直径/mm
CH4的存在形态
微孔
〈10-5
吸附、吸收
小孔
10-5~ 10-4
吸收、游离
中孔
10-4~ 10-3
表面吸附、游离
大孔
10-3~ 10-1
游离

煤中的微孔 ≥ 80%
二、表示孔隙特性的参数
1、孔隙率（f）
---- 单位体积固体具有的孔隙容积。
表示式：

f ----孔隙率，%；
V----固体（含孔隙）的体积，cm；
V0----实体（不含孔隙）的体积，cm。
假设M为固体质量，g
ρ----固体假密度，g/cm3
ρo----固体真密度，g/cm3
则有：







通过实验确定。或利用经验公式计算。
当






2、孔容（比孔容）----f’
----单位质量固体具有的孔隙容积。
表示式： cm3/g



同上，可推得：

所以：

3、比表面
----固体单位质量或单位体积具有的孔隙总表面积。
4、孔隙结构
----各类孔隙在总孔隙中所占百分比。
分类
孔隙体积百分比/%
孔隙表面积百分比/%
微微孔
12.5
62.2
微孔
42.2
35.1
小孔
28.1
2.5
中孔
17.2
0.2

微孔所占比例大，且比表面积也大。

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