矿井瓦斯涌出及预测方法

单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,矿井瓦斯涌出及预测方法,周 宗 勇,1,瓦斯基础知识,瓦斯涌出,瓦斯涌出量预测分源预测法,2011瓦斯事故概述,2,矿井瓦斯,是煤矿生产过程中，从煤、岩内涌出的各种气体的总称。煤矿瓦斯指的就是,甲烷。,物理化学性质：无色、无味、无毒、比空气轻，微溶于水。,危害,：喷出、突出、爆炸、人员窒息、环境污染。,作用,：能源、化工原料。,每立方米瓦斯的燃烧热,3.710,7,J,相当于,1,1.5kg,烟煤。,煤层瓦斯,3,煤层中瓦斯赋存两种状态,：,游离状态 、吸附状态,煤体是一种复杂的多孔性固体，包括原生孔隙和运动形成的大量孔隙和裂隙，形成了很大的自由空间和孔隙表面。,1,、煤体,2,、孔隙,3,、吸收瓦斯,4,、游离瓦斯,5,、吸附瓦斯,4,一、瓦斯的成因与赋存,煤层瓦斯是腐植型有机物（植物）在成煤过程中生成的。,一是生物化学成气时期；腐植型有机物堆积在沼泽相和三角洲环境中开始，在温度不超过,65C,条件下，腐植体经厌氧微生物分解成甲烷和二氧化碳，生成的瓦斯扩散到古大气中。随着泥炭层下沉，上覆岩层越来越厚，压力温度升高，生物化学作用减弱直至结束，在较高的压力和温度下泥炭转化成褐煤（生成瓦斯量,68m3/t,）,二是煤化变质作用时期：随着褐煤层沉降，压力温度作用加剧，进入煤化变质造气阶段,5,煤和煤层的形成与演化,1，,成煤母质植物,（低等、高等）,两淮煤的成煤母质高等植物。在成煤期淮南气候和地理环境适于植物生长,2，,成煤环境泥炭沼泽,两淮煤的成煤环境发育在滨海三角洲平原上的泥炭沼泽,当时南边是海，河流方向自北向南。,成煤作用阶段,第一阶段；泥炭化作用阶段,;,第二阶段,:,煤化作用阶段,.,植物,泥炭,褐煤,烟煤,无烟煤,石墨,泥炭化作用,煤化作用,石墨化作用,现今淮南煤处于早中期烟煤阶段，煤种较单一；,淮北煤的演化阶段比较乱，因为淮北的岩浆活动强烈。,6,二、煤层中瓦斯垂直分带,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：,CO,2,- N,2,带、,N,2,带、,N,2,CH,4,带、,CH,4,带。,7,三、 煤的孔隙特征 孔隙率与表面积 与煤化程度、地质破坏程度、地应力有关。,四、煤的吸附性能 （,a/b,）,五、煤层瓦斯压力 （,p/MPa,）,六、煤层瓦斯含量,煤的瓦斯含量是指单位体积或重量的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,m,3,/m,3,(cm,3,/cm,3,),或,m,3,/t(cm,3,/g),。,煤的瓦斯含量包括游离瓦斯和吸附瓦斯含量之和。,8,研究意义,矿井瓦斯涌出形式及涌出量,瓦斯涌出量预测，是矿井通风设计、瓦斯抽采系统设计和矿井及工作面确定的重要依据。,9,矿井瓦斯等级,煤矿瓦斯等级鉴定暂行办法,1,、煤（岩）与瓦斯（二氧化碳）突出矿井（简称突出矿井）,2,、高瓦斯矿井,3,、瓦斯矿井,10,突出矿井 具备下列情形之一的矿井：,1,、发生过煤（岩）与瓦斯（二氧化碳）突出的；,2,、经鉴定具有煤（岩）与瓦斯（二氧化碳）突出煤（岩）层的；,3,、依照有关规定有按照突出管理的煤层，但在规定期限内未完成突出危险性鉴定的。,高瓦斯矿井，具备下列情形之一的矿井：,1,、矿井相对瓦斯涌出量大于,10m3/t,；,2,、矿井绝对瓦斯涌出量大于,40m3/min,；,3,、矿井任一掘进工作面绝对瓦斯涌出量大于,3m3/min,；,4,、矿井任一采煤工作面绝对瓦斯涌出量大于,5m3/min,。,瓦斯矿井 同时满足下列条件的矿井：,1,、矿井相对瓦斯涌出量小于或等于,10m3/t,；,2,、矿井绝对瓦斯涌出量小于或等于,40m3/min,；,3,、矿井各掘进工作面绝对瓦斯涌出量均小于或等于,3m3/min,；,4,、矿井各采煤工作面绝对瓦斯涌出量均小于或等于,5m3/min,。,11,煤层瓦斯涌出形式,普通涌出：,时间和空间上比较均匀、普遍发生的不间断涌出,异常涌出：,时间和空间上突然、集中发生的，涌出量不均匀的间断涌出。,包括瓦斯喷出和煤与瓦斯突出,12,（,1,）单向流动。（,2,）径向流动。 （,3,）球向流动,煤层中瓦斯流动状态,按流场的空间流向分类,13,14,瓦斯喷出 （,gas blowout,）,从煤体或岩体裂隙、孔洞、钻孔或炮眼中大量涌出瓦斯（二氧化碳）的异常涌出现象。在,20m,巷道范围内，涌出瓦斯（二氧化碳）量大于或等于,1.0m3/min,且持续,8h,以上时的区域定位瓦斯（二氧化碳）喷出危险区域。,防治方法地质工作、前探钻孔,15,煤与瓦斯突出,coal and gas outburst,在地应力和瓦斯的共同作用下，破碎的煤、岩和瓦斯由煤体或岩体中突然向采掘空间抛出的异常的动力现象。,摧毁井巷设施、破坏通风系统、井巷内充满瓦斯抛出物、人员窒息、煤流埋人、引起瓦斯爆炸火灾，煤矿最严重的灾害之一。,16,一、影响瓦斯涌出量的因素：,1,、 自然因素,煤层和围岩的瓦斯含量,甲烷带内，开采越深、规模越大，瓦斯涌出量越高。,开采深度,芦岭三水平开采深度达,-900m,，海孜矿三水平、新建祁南矿改扩建开采深度达,-1000m,；,地面大气压力变化,（,采空区瓦斯涌出）,2,、,瓦斯赋存与涌出,17,18,开采技术因素,开采顺序与回采方法,先开采的煤层瓦斯涌出量大；顶板初次冒落时涌出量增加。,回采速度与产量,生产工艺过程,从暴露面采落煤炭和钻孔涌出的瓦斯量，一般都是随着时间的增长而逐渐下降，落煤时瓦斯涌出量总是大于其它工序，老顶来压冒落时涌出量高于其它时期。 风镐落煤增大,1.1,1.3,倍,;,放炮落煤时,1.4,2.0,倍,;,采煤机采煤时，,1.3,1.6,倍,;,水枪落煤时，,2,4,倍等。,19,20,通风压力,抽出式通风负压增加时，瓦斯涌出量增大。,通风系统,U,型，其上隅角容易聚积瓦斯；,U,型尾巷，瓦斯聚积点移至采空区内的尾巷入风口；,Y,形与,W,型通风系统由于采空区内有漏风通道，采空区与邻近层涌出的瓦斯很少会涌入工作面，加之进风多了一条风路，工作面的瓦斯浓度较低，适用于高瓦斯高产要求。,2,、,瓦斯赋存与涌出,21,22,矿井瓦斯涌出量预测,23,新建煤矿或生产煤矿新水平，都必须进行瓦斯涌出量预测，以确定新煤矿、新水平、新采区投产后瓦斯涌出量大小，作为煤矿和采区通风设计、瓦斯抽采及瓦斯管理的依据。,煤矿瓦斯涌出量预测依据,矿井瓦斯涌出量预测方法,（,AQ1018-2006,），采用分源预测法或矿山统计法。,24,煤矿瓦斯涌出量预测应包括以下资料：,1,、煤矿采掘设计说明书：,开拓、开采系统图、采掘接替计划；,采煤方法、通风方式；,掘进巷道参数、煤巷平均掘进速度；,煤矿、采区、回采工作面及掘进工作面产量。,2,、煤矿地质报告：,地层剖面图、柱状图等；,各煤层和煤夹层的厚度、煤层间距及顶、底板岩性。,煤层瓦斯含量测定结果、风化带深度及瓦斯含量等值线图；,邻近煤矿和本煤矿已采水平、采区,(,盘区,),以及采掘工作面瓦斯涌出测定结果；,煤的工业分析指标（灰分、水分、挥发分和密度）以及煤质牌号。,25,煤矿瓦斯涌出的源、汇关系,26,分源预测法,分源预测法预测煤矿瓦斯涌出量也称瓦斯含量法预测煤矿瓦斯涌出量。该预测方法的实质是按照煤矿生产过程中瓦斯涌出源的多少，各个瓦斯源涌出瓦斯量的大小，来预计煤矿各个时期（如投产期、达标期、萎缩期等）的瓦斯涌出量。各个瓦斯源涌出瓦斯量的大小是以煤层瓦斯含量、瓦斯涌出规律及煤层开采技术条件为基础进行计算确定的,27,1,）掘进工作面瓦斯涌出构成及变化,掘进巷道的瓦斯涌出包括三部分：巷道壁、迎头煤壁和采落煤炭的瓦斯涌出。,三者一般都遵循图所揭示的规律，但是由于掘进速度与落煤工艺的不同以及地质条件等变化，瓦斯涌出在时间与空间上也会有很大变化。,28,暴露煤面瓦斯涌出比流量与暴露时间的关系曲线,a,采煤工作面煤壁瓦斯涌出曲线；,b,采落碎煤瓦斯涌出曲线,29,掘进工作面瓦斯涌出量预测用绝对瓦斯涌出量表达,式中：,掘进工作面绝对瓦斯涌出量，,m3/min,；,掘进工作面巷道煤壁绝对瓦斯涌出量，,m3/min,；,掘进工作面落煤绝对瓦斯涌出量，,m3/min,。,30,掘进巷道煤壁瓦斯涌出量采用式,式中：,掘进巷道煤壁瓦斯涌出量，,m3/min,；,巷道断面内暴露煤壁面的周边长度，,m,；对于薄及中厚煤层，,D=2,，为开采层厚度；对于厚煤层，及分别为巷道的高度及宽度；,巷道平均掘进速度，,m/min,；,巷道长度，,m,；,煤壁瓦斯涌出强度，,m3 /(m2min),，如无实测值参考,式中：,巷道煤壁瓦斯涌出量初速度，,rn3 / (m2min),；,煤中挥发分含量，,%,；,煤层原始瓦斯含量，,m3/t,，煤层原始瓦斯含量和残存瓦斯含量的选定选取。,31,（2）掘进落煤的瓦斯涌出量,掘进巷道落煤的瓦斯涌出量采用式,式中：掘进巷道落煤的瓦斯涌出量，m3/rnin；,掘进巷道断面积，m2；,巷道平均掘进速度，m/min；,煤的密度，t/m3；,煤层原始瓦斯含量，m3/t，；,运出煤矿后煤的残存瓦斯含量，m3/t。,32,采煤工作面瓦斯涌出量预测,用相对瓦斯涌出量表达,q,采,=q,本,+q,邻,式中：,回采工作面相对瓦斯涌出量，,m3/t,；,开采层相对瓦斯涌出量，,m3/t,；,邻近层相对瓦斯涌出量，,m3/t,。,33,薄及中厚煤层不分层开采时，,式中：,开采层相对瓦斯涌出量，,m3/t,；,围岩瓦斯涌出系数，值选取范围为,1.11.3,；全部陷落法管理顶板，碳质组分较多的围岩，可取,1.3,；局部充填法管理顶板取,1.2,；全部充填法管理顶板取,1.1,；砂质泥岩等致密性围岩取值可偏小；,工作面丢煤瓦斯涌出系数，用回采率的倒数来计算；,采区内准备巷道预排瓦斯对开采层瓦斯涌出影响系数，,开采层厚度，,m,；,工作面采高，,m,；,煤层原始瓦斯含量，,m3/t,；,运出煤矿后煤的残存瓦斯含量，,m3/t,。,34,邻近层瓦斯涌出量,式中：,邻近层相对瓦斯涌出量，,m3/t,；,第,i,个邻近层煤层厚度，,m,；,工作面采高，,m,；,第,i,个邻近层瓦斯排放率，,%,，如无实测值可参照,4.2.2.8,分源预测法各种系数的确定来选取；,第,i,个邻近层煤层原始瓦斯含量，,m3/t,，如无实测值可参照开采层选取；,第,i,个邻近层煤层残存瓦斯含量，,m3/t,，如无实测值可参照开采层选取。,35,邻近层受采动影响瓦斯排放率当邻近层位于冒落带中时，,1,。,当采高大于,4.5m,时，,第,i,邻近层与开采层垂直距离，,m,；,M,工作面采高，,m,。,工作面长度，,m,。,36,1,上邻近层；,2,缓倾斜煤层下邻近层；,3,倾斜、急倾斜煤层下邻近层,邻近层瓦斯排放率与层间距的关系曲线,37,2011年全国瓦斯事故分析,38,重大瓦斯事故统计图,较大瓦斯事故统计图,2011,年较大以上瓦斯事故中，瓦斯爆炸事故所占比例最大，其次是煤与瓦斯突出事故。,43,起较大瓦斯事故中，瓦斯爆炸事故,22,起、死亡,114,人，；煤与瓦斯突出事故,17,起、死亡,103,人；窒息事故,4,起、死亡,16,人,39,煤与瓦斯突出矿井事故最多。,发生较大瓦斯事故的,43,个矿井中，煤与瓦斯突出矿井,18,个，占,41.9%,；低瓦斯矿井,14,个，占,32.6%,；高瓦斯矿井,10,个，占,23.3%,；瓦斯等级未鉴定矿井,1,个，占,2.3%,。,40,掘进工作面发生瓦斯事故最多。,43,起较大瓦斯事故中，掘进工作面发生,28,起，死亡,157,人；采煤工作面,9,起，死亡,44,人；石门揭煤、回风大巷、瓦斯抽放巷等其他地点,6,起，死亡,32,人。,41,从瓦斯积聚原因看,，,瓦斯抽采不达标，局部通风管理混乱和通风系统不合理是主要原因,。,22,起较大瓦斯爆炸事故中有,10,起是由于局部风机安装位置不符合规定形成循环风或风筒漏风、送风距离过长致使有效风量不足引起的；,2,起是通风系统不合理引起的，主要是矿井总风量不足、风流短路；,5,起是停电停风引起的，,3,起是采空区瓦斯溢出引起的，,2,起是突出造成的瓦斯异常涌出引起的。,42,从瓦斯爆炸火源看，主要是电气设备火花、违章放炮引起的,。,22,起较大瓦斯爆炸事故中，有,10,起是电气设备火花引起的，有,7,起是放炮引起的，,2,起是井下煤炭自燃引起的，,2,起是由违章吸烟引起的，,1,起是由金属撞击火花引起的。,43,从地质构造情况看，相当部分煤与瓦斯突出事故发生在地质构造带和煤层急剧变化处,。,17,起较大煤与瓦斯突出事故中，,7,起与地质构造、煤层变化有关。,4,起重大以上煤与瓦斯突出事故中，,1,起与地质构造、煤层变化有直接关系。,从突出地点来看，突出事故多数发生在煤层掘进巷道,。,17,起较大煤与瓦斯突出事故中，,14,起发生在煤层巷道掘进工作面，,2,起发生在采煤工作面，,1,起发生在其他地点。,44,从诱突因素来看，采掘施工是诱发突出的主要原因。,17,起较大突出事故中，,7,起由采掘落煤诱导突出，如综掘机掘进、采煤机、风镐落煤等诱发；,5,起是放炮震动诱发突出；,3,起是由顶板冒落诱发突出；,2,起是由施工钻孔诱发突出。,45,