煤矿瓦斯及其防治技术探讨

煤矿瓦斯及其防治技术探讨1、我国煤矿安全生产现状分析我国95的煤矿开采是地下作业。煤矿事故占工矿企业一次死亡10人以上特大事故的72.8至89.6（20022005年）；煤矿企业一次死亡10人以上事故中，瓦斯事故占死亡人数的71。煤矿所面临的重大灾害事故是相当严峻的，造成的损失是极其惨重的。由于煤矿事故多，死亡人数多，造成了我国煤矿的百万吨死亡率一直居高不下。特别是煤矿重大及特大瓦斯（煤尘）灾害事故的频发，不但造成国家财产和公民生命的巨大损失，而且严重影响了我国的国际声誉。 实际上，这些瓦斯事故的发生不是偶然的，它是以往煤矿生产过程中存在问题的集中暴露，涉及许多方面。既有自然因素、科技投入和研究的不足，也有人为因素以及国家的体制、管理、经济政策，社会的传统观念，煤矿企业的文化素质等。2、瓦斯赋存及流动规律2.1 瓦斯在煤层中的流动机理瓦斯在煤层中的流动是一个十分复杂的运移过程，主要取决于煤层介质的孔隙结构和瓦斯在煤层中的赋存状态。煤是一种多孔的微裂隙发育的介质，微裂隙间含有孔隙和大部分与微裂隙相连的毛细管通路，而孔隙和毛细管通路的数目是变化的，它们之间或多或少互有联系，其直径由几，变化到几不等。瓦斯在煤层中主要是以吸附和游离状态赋存在煤体中的，其中呈游离状态压缩在微裂隙和大孔隙中的较少，大部分为吸附在煤体中。根据煤体中的孔隙分布和煤层中的联系系统以及周世宁教授的研究表明：瓦斯在煤层中的流动主要是层流渗透运动和扩散运动，其中前者基本上服从Darcy渗透定律，且主要发生在煤体大孔和微裂隙中；后者则基本上服从扩散定律，且主要发生在煤体微孔隙之中。因此，瓦斯在煤体中的运动可以认为是一个扩散渗透的过程。2.2 煤的吸附理论及煤层瓦斯含量2.2.1 瓦斯赋存状态煤中瓦斯的赋存状态一般有吸附状态和游离状态两种。固体表面的吸附作用可以分为物理吸附和化学吸附2种类型，煤对瓦斯的吸附作用是物理吸附，是瓦斯分子和碳分子间相互吸引的结果，如图2-1所示。在被吸附的瓦斯中，通常以将进入煤体内部的瓦斯称为吸收瓦斯，把附着在煤体表面的瓦斯称为吸着瓦斯，吸收瓦斯和吸着瓦斯统称为吸附瓦斯。在煤层赋存的瓦斯量中，通常吸附瓦斯量占80%90%，游离瓦斯量占10%20%；在吸附瓦斯量中又以煤体表面吸着的瓦斯量占多数。在煤体中，吸附瓦斯和游离瓦斯在外界条件不变的条件下处于动态平衡状态，吸附状态的瓦斯分子和游离状态的瓦斯分子处于不断的交换之中；当外界的瓦斯压力或温度发生变化或给予冲击和振荡、影响了分子的能量时，则会破坏其动态平衡，而产生新的平衡状态。12345煤是一种多孔介质，煤体吸附瓦斯是煤的一种自然属性，煤体表面吸附瓦斯量的多少，与煤体表面积的大小密切相关，而煤体表面积的大小则和煤体孔隙特征有关。因此，煤体孔隙特征对吸附瓦斯有重要的作用。1-游离瓦斯；2-吸附瓦斯；3-吸收瓦斯；4-煤体；5-煤中孔隙图2-1 煤体中瓦斯的赋存状态2.2.2 煤的吸附性及其影响因素分析煤之所以具有吸附性是由于煤结构中分子的不均匀分布和分子作用力的不同所致，这种吸附性的大小主要取决于3个方面的因素，即：一是煤结构、煤的有机组成和煤的变质程度；二是被吸附物质的性质；三是煤体吸附的环境条件。由于煤对瓦斯的吸附是一种可逆现象，吸附瓦斯所处的环境条件就显得尤为重要。煤中吸附瓦斯量的大小主要取决于煤化变质程度、煤中水分、瓦斯性质、瓦斯压力以及吸附平衡温度等。(1)瓦斯压力。实验研究表明：在给定的温度下，吸附瓦斯量与瓦斯压力的关系呈双曲线变化，如图2-2所示，从图中可以看出：随着瓦斯压力的升高煤体吸附瓦斯量增大；当瓦斯压力大于3.0时，吸附的瓦斯量将趋于定值。(2)吸附温度。目前的实验研究表明：温度每升高1，煤吸附瓦斯的能力将降低约8%。其原因主要是：温度的升高，使瓦斯分子活性增大，故而不易被煤体所吸附；同时，已被吸附的瓦斯分子又易获得动能，会产生脱附现象，使吸附瓦斯量降低。无烟煤(挥发分5%) CO226 CO244 CH426 CH444 N226(3)瓦斯性质。对于指定的煤，在给定的温度与瓦斯压力条件下，煤对二氧化碳的吸附量比甲烷的吸附量高，而对甲烷的吸附量又大于对氮气的吸附量。 图2-2吸附瓦斯量与瓦斯压力关系图(4)煤的变质程度。煤的瓦斯生成量及煤的比表面积和煤的变质程度有关。一般情况下，从中等变质程度的烟煤到无烟煤，相应的吸附量呈快速增加状态。(5)煤中水分。水分的增加会使煤的吸附能力降低。目前可以采用俄罗斯煤化学家艾琴格尔的经验公式来确定煤的天然水分对甲烷吸附量的影响。2.3 煤层瓦斯流动理论研究煤层瓦斯流动理论是专门研究煤层内瓦斯压力分布及瓦斯流动变化规律的理论,根据应用范围和使用条件的不同,煤层瓦斯流动理论有以下几种。2.3.1 线性瓦斯流动理论线性瓦斯渗流理论认为，煤层内瓦斯运移基本符合线性渗透定律达西定律(Dracys law) ，1856年,法国水力学家Darcy 通过实验总结出了著名的Darcy 定律： （1）式中： v 流速，m/s；瓦斯动力粘度系数，Pas；K 煤层的渗透率，m2；dx 和流体流动方向一致的极小长度，m；dp 在d x 长度内的压差，Pa ；煤层透气系数，m2/(MPa2d) 。Darcy 定律是在常温和常压条件下，各向同性砂柱中的一维流动过程实验得到的结果。在直角坐标系中，若以vx , vy , vz 表示三个坐标方向上的渗流速度分量，就得到三维流动下的Darcy 定律： （2）Darcy 定律有一定的适用范围，超出这个范围就不再符合Darcy 定律了。雷诺数Re 是个无量纲的数，用来表示作用在流体上的惯性力和粘滞力之比，它是判别层流和紊流的准则。同样，多孔介质流体的雷诺数Re 为： （3）式中：d 孔隙骨架的代表性长度，m；v 流体的渗流速度，m/s ；流体的运动粘滞系数，m2/s。经验表明,当Re 在110 之间时,属低雷诺数区,粘滞力占优势,流体的运动符合Darcy 定律。2.3.2 瓦斯扩散理论煤是一种典型的多孔介质，根据气体在多孔介质中的扩散机理的研究，可以用表示孔隙直径和分子运动平均自由程相对大小的诺森数 (4)式中：d 孔隙平均直径，m；气体分子的平均自由程，m。将扩散分为一般的菲克( Fick) 型扩散、诺森(Knudsen) 型扩散和过渡型扩散。Kn 10 时，孔隙直径远大于瓦斯气体分子的平均自由程，这时瓦斯气体分子的碰撞主要发生在自由瓦斯气体分子之间，而分子和毛细管壁的碰撞机会相对较少,此类扩散仍然遵循菲克定理，称为菲克型扩散。当Kn 0. 1 时,分子的平均自由程大于孔隙直径，此时瓦斯气体分子和孔隙壁之间的碰撞占主导地位，而分子之间的碰撞退居次要地位，此类扩散不再遵循菲克扩散，而为诺森扩散。当0. 1 Kn 10 时，孔隙直径与瓦斯气体分子的平均自由程相似，分子之间的碰撞和分子与面的碰撞同样重要，因此此时的扩散是介于菲克型扩散与诺森扩散之间的过渡型扩散。由于多孔特性及其大分子结构，煤是一种良好的吸附剂，当瓦斯气体分子被强烈地吸附于煤的固体表面时，就产生表面扩散。对吸附性极强的煤来说，表面扩散占有很大比重。当孔隙直径与瓦斯气体分子尺寸相差不大，压力足够大时，瓦斯气体分子就会进入微孔隙中以固溶体存在，发生晶体扩散，在煤体扩散中一般比较小。1、菲克型扩散当Kn 10 时，由于孔隙直径远大于瓦斯气体分子的平均自由程，因此扩散是由于瓦斯气体分子之间的无规则运动引起的，可以用菲克扩散定律去描述，即 （5）式中：J 瓦斯气体通过单位面积的扩散速度，kgP(sm2 ) ； 沿扩散方向的浓度梯度； Df 菲克扩散系数，m2/s； C 瓦斯气体的浓度，kg/m2 。等式中由于扩散是沿着浓度减少的方向进行的，而扩散系数总是正的，故式中要加一个负号。由于孔道是弯曲的各种形状，同时又是相互连通的通道，所以扩散路径因孔隙通道的曲折而增长，孔截面收缩可使扩散流动阻力增大，从而使实际的扩散通量减少。考虑以上因素，瓦斯气体分子在煤层内有效扩散系数可定义为： （6）式中：Dfe 瓦斯气体在煤层内的有效Fick 扩散系数，m2/s ；有效表面孔隙率；曲折因子，为修正扩散路径变化而引入的。对于给定状态的某种瓦斯气体来讲，菲克型扩散的扩散系数大小取决于煤本身的孔隙结构特征。2、诺森型扩散当Kn 0. 1 时,瓦斯气体在煤层中的扩散属于诺森型扩散，根据分子运动论，在半径为r 的孔隙内，由于壁面的散射而引起的瓦斯分子扩散系数为： （7）式中：Dk 诺森扩散系数；r 孔隙平均半径，m；R 普适气体常数；T 绝对温度，K；M 瓦斯气体分子量。若考虑有效表面孔隙率、曲折因子半径变化等因素,则有效扩散系数为： （8）式中：s 煤粒的比表面积，m2/kg；煤密度，kg/m3 。从上式中可以看出,诺森扩散系数与煤的结构和煤层的温度等有关。3、过渡型扩散当0. 1 Kn 10 时,孔隙直径与瓦斯气体分子的平均自由程相近，分子之间的碰撞和分子与壁面的碰撞同样重要，扩散过程受两种扩散机理的制约，在恒压下其有效扩散系数与菲克扩散和诺森扩散系数的关系为： （9）4、表面扩散对于凸凹不平的煤粒表面，具有表面势阱强度即表面能量Ea，当瓦斯气体分子的能量等于表面能Ea 时，气体分子在煤表面形成表面扩散，见图2-3。图2-3 瓦斯气体在煤表面上的表面扩散表面扩散经常同普通的菲克型扩散在煤层较大孔隙中同时进行，使扩散的总通量增大；另一种情况是当瓦斯气体被煤表面强烈吸附时，吸附层增厚使得瓦斯气体扩散通量减少。5、晶体扩散煤晶体内的扩散阻力较大，扩散通量较小。由煤大分子结构可知，煤是由周边联结有多种原子基团的缩聚芳香稠环、氢化芳香稠环通过各种桥键和交联键合边联结而成，在其中含有各种缺陷、位错或空位。当瓦斯气体压力较低时，不易进入到芳香层之间或碳分子之间；而当瓦斯压力较高时，瓦斯气体分子则可能进入芳香层缺陷或煤物质大分子之间，发生晶体扩散。当孔隙半径与瓦斯气体分子大小相差不大，且压力足够大时，瓦斯气体分子可以进入到煤微孔隙中以固溶体(取代式固溶体、填隙式固溶体) 形式存在，且不易脱附。晶体扩散通量与瓦斯气体分子的化学位梯度成比例，即： （10）化学位可用瓦斯气体的活度a 或分压p 代替，由Darken 关系式： （11）式中：B 迁移率；D 自扩散系数，即由于瓦斯气体与煤的物理化学性质相似性。由于瓦斯气体在煤层中以固溶体形式赋存的量较少，一般在晶体的芳香层缺陷内的瓦斯量为1 %5 % ，在芳香碳晶体内瓦斯量为5 %12 %，所以只有当瓦斯压力很高时，扩散才会较为明显6。2.3.3 瓦斯渗透扩散理论瓦斯渗透与扩散理论认为，煤层内瓦斯运动是包含了渗透和扩散的混合流动过程。煤层中存在相互沟通的裂隙网络，沿着这些裂隙网络，游离瓦斯流向低压工作面，而煤体的透气率与该裂隙网络密切相关。与此同时，块煤内部的瓦斯解吸，向裂隙扩散，因此煤层中瓦斯的渗透率和介质的扩散性共同决定了瓦斯的流动状况7。2.3.4 非线性瓦斯流动理论达西定律偏离的原因为：流量过大；分子效应；离子效应； 流体本身的非牛顿态势。著名的流体力学家EM. Allen 指出，将达西定律用于描述从均匀固体物(煤样) 中涌出瓦斯的试验，结果导致了与实际观测不相符合的结论。从通过变化压差测定煤样瓦斯渗透率看，达西定律不太符合瓦斯流动规律8。在大量试验研究的基础上提出了更能符合瓦斯流动的基本规律幂定律(Power Law) 。 （12）式中：qx 在x点的比流量，m3/P(m2d) ;m 渗透指数， m = 12。该理论用于中雷诺数区， Re = 10100，此时为非线性层流区域。2.3.4 多煤层系统瓦斯越流理论根据地下渗流力学多煤层瓦斯越流的定义，如保护层开采的有效保护范围的确定问题、井下邻近层(采空区) 瓦斯抽放工程的合理布孔设计抽放率预估问题、地下多气层之间煤层气运移规律的预估和评估问题，都可以归结为多煤层系统瓦斯越流问题。但由于此问题的复杂性，均未从煤层瓦斯越流的角度去抽象出其普遍规律并创建多煤层系统瓦斯越流理论，因此,应用流体岩石的相互作用的观点创建和发展煤层瓦斯耦合模型及数值方法，丰富和完善煤层瓦斯渗流力学，这是当今该学科理论研究的前沿课题。2.3.5 结论每种煤层瓦斯流动理论，在一定的简化假设下，已形成了一定的理论体系，并在煤矿安全生产中起到了一定的作用。但是，由于煤层内瓦斯流动是一个非常复杂的过程，这不仅与煤的结构有关，而且受到众多因素的影响。目前我国煤矿煤与瓦斯突出事故频繁发生，死亡人数多，严重影响煤矿安全生产，而瓦斯流动规律对于预防煤与瓦斯突出，改善煤层瓦斯抽放率和煤层气开发利用具有重要意义，因此煤层瓦斯流动理论有待继续深入研究。3、煤矿瓦斯抽放方法以及引起事故危险因素的分析3.1 抽放瓦斯方法分类抽放瓦斯的分类方式和方法多种多样，目前尚无统一的标准。通常按以下三种方法进行分类。1、按抽放瓦斯的来源分类按抽放瓦斯的来源分为：1）开采层（本煤层）抽放瓦斯；2）邻近层抽放瓦斯；3）采空区抽放瓦斯。2、按抽放与采掘的时间分类按抽放与采掘的时间关系可分为：1）采前抽放（也称为预抽）；2）采中抽放（也称边抽，包括边采边抽和边掘边抽）；3）采后抽放（也趁旧区抽放）。3、按施工工艺和手段分类按施工工艺和手段可分为：1）巷道抽放法；2）钻孔抽放法；3）巷道、钻孔混合抽放法。瓦斯抽放方法虽然有以上不同分类方法和不同种类，但在现场实际应用时，往往是互相结合、综合使用，无法截然分开的。如，本煤层抽放中包括巷道预抽法、钻孔预抽法及边抽（掘）法等；同时，钻孔抽放法又应用于本煤层抽放、邻近层抽放及预抽、边抽等。3.2 瓦斯抽放新方法研究 1、深孔预裂控制爆破强化抽放瓦斯技术深孔控制预裂爆破强化抽放瓦斯技术实质是：在回采工作面的进、回风巷和掘进工作面每隔一定的距离，打一定深度的爆破孔和控制孔(用于抽放)，二者交替布置。利用煤矿瓦斯抽排孔专用爆破药柱装药。利用炸药爆炸的能量、瓦斯压力及抽放孔的导向和补偿作用使煤体产生新的裂隙，并使原生裂隙得以扩展，从而提高煤层透气性，达到提高抽放效果的目的。和普通爆破相比：普通装药爆破后，炮孔壁上各个方向受到的作用力相同，在冲击波作用下，孔壁上产生多条随机裂隙。深孔预裂控制爆破就是使钻孔内的炸药爆破后在预定的几个方向上形成应力集中和能量集中，从而在这些方向产生较深的裂隙，并抑制其它方向的裂隙产生，爆破后不能形成较大的空腔，煤层中会形成许多裂隙，瓦斯通过这些裂隙被抽出。2、深孔预裂控制爆破原理 透气性较低的高瓦斯煤层，必须采用专门的措施来增加煤层的透气性，才能有效地抽出瓦斯。国内外试验地方法有：煤层注水、水力压裂、水力割缝、深孔爆破和酸液处理等。对于不同的瓦斯地层，各种方法的效果也不同，理论研究和试验都表明，采用爆破的方法可以增加瓦斯地层的透气性，从而提高瓦斯抽放率，在爆破冲击波和应力波的直接作用下，装药周围的煤体中将形成空腔区、压碎区、裂隙区和震动区。从爆破的后期效应看，炮孔附近煤体中水和瓦斯的排放及迁移进一步降低了煤体的应力水平，使得瓦斯的排放成为一个由近区到远区的连续过程。3.3 瓦斯燃烧或爆炸的分析3.3.1 瓦斯燃烧与爆炸的感应期据实验结果表明，瓦斯与高温热源接触时，不是立即发生燃烧或爆炸，而是有个引火迟延期，或叫感应期。感应期的长短与瓦斯浓度、火源温度和火源性质有关。实践证明，瓦斯燃烧的感应期总是小于爆炸的感应期。说明引起瓦斯燃烧的可能性大。对于瓦斯爆炸的感应期，对安全生产的意义很大。比如，使用安全炸药爆破时，虽然爆炸的初温高达2000左右，但高温存在的时间极短，大大小于瓦斯爆炸的感应期，所以不会引起瓦斯爆炸。如果炸药质量不合格、炮泥充填不够或放炮操作不当，就会增加高温气流的温度，延长它的存在时间，一旦超过感应期，就可能发生瓦斯燃烧或爆炸。3.2.2 瓦斯爆炸的类型1、瓦斯燃烧与爆炸严格来说，瓦斯燃烧与爆炸都是在高温作用下一定浓度的瓦斯与空气中的氧气发生激烈复杂的氧化反应的结果，二者很难区分的。一般认为，火焰移动速度较慢，声效应较小，空气没什么震动，无破坏作用的情况，称之为瓦斯燃烧；反之，火焰移动的速度快，爆炸声较大，对巷道和各种设施破坏较为严重，称之为瓦斯爆炸。瓦斯与煤尘混合爆炸可分为两种情况：一是在爆炸发生的瞬间，混合气体中同时存在着瓦斯与煤尘，二者相互影响且降低了各自的爆炸下限，在高温作用下而发生的瓦斯与煤尘联合爆炸。二是由于瓦斯爆炸产生的冲击波扬起爆源附近的沉积煤尘而导致的联合爆炸。这种爆炸往往是常见的连续发生的爆炸事故。其直接原因是首次爆炸产生的冲击波的速度（2340m/s）远大于火焰的传播速度（6101800m/s），随着时间的延长，二者差距越来越大，当前面的冲击波把巷道积尘再次扬起且达到一定浓度，而高温火焰又跟踪而至，就会把扬起的煤尘点燃，发生第二次、第三次爆炸。3.3 瓦斯突出分析在极短的时间内，煤与瓦斯由煤体向巷道或采掘空间大量喷出的动力现象，叫做煤与瓦斯的突出。发生煤与瓦斯突出时，在煤体中形成特殊形状的孔洞，并拌有动力效应和响声，能对井下巷道、设备、设施、生产系统造成破坏，甚至引起火灾或瓦斯爆炸。煤与瓦斯突出是一种危害很大的自然灾害。3.3.1 瓦斯突出的特征突出危险在广泛区域上具有点、线分别特征，并非“突出危险煤层”范围内的煤体都具备形成突出危险源的条件。突出危险源是存在于采矿活动中的具备发动煤与瓦斯突出的高势能瓦斯与破碎煤体混合的瓦斯富积区。其特征是：区内瓦斯大量解吸为气态的游离状瓦斯而积聚；区内煤体受力状态发生变化，原始结构被破坏；受破坏的煤体失去传导压力的能力而使气态瓦斯处于承压（被压缩）状态，产生高势能瓦斯与碎煤体混合的瓦斯富积区。突出危险源存在是煤与瓦斯突出能够发动的先决条件，突出危险源积聚的势能大小决定突出发动时的突出强度。 3.3.2 影响突出危险的形成的要素影响突出危险源的形成要素, 大致可分为：一是煤体的瓦斯含量的大小；二是煤层煤体的结构强度的高低；三是煤体的受力状态和作用在煤体上压力的大小及压力作用的时间；四是游离瓦斯积聚的条件（承压瓦斯区周围的围岩封闭程度）是否具备。突出危险源的分布主要受到煤体强度和围岩压力分布的控制。一般来讲，在原生煤体结构强度低或煤体结构受到地质运动的破坏而强度降低的区域内容易形成突出危险源；在地应力（原始地应力和地质构造残存应力）大的区域容易形成突出危险源；在工程活动引起的支撑压力集中区及其附近容易形成突出危险源。4、 总结本文先对瓦斯的有关理论进行了分析，通过理论分析，进行了瓦斯综合抽放技术研究，为提高瓦斯抽放效率和抽放浓度，合理的选择了瓦斯抽放方法和工艺参数，探索瓦斯综合治理的有效途径提供了基础数据和科学依据最后地煤矿的安全生产提出了自己的建议。全论文主要研究内容和结论如下：1、分析了国内煤矿安全生产的现状，分析结果表明我国的煤矿安全生产现状依然非常严峻，需要进一步的加强。2、对引起瓦斯事故的危险因素，如：瓦斯超限、瓦斯燃烧与爆炸、瓦斯突出等进行了简单的分析。3、对瓦斯赋存及流动规律进行了理论分析与研究。目前我国煤矿煤与瓦斯突出事故频繁发生，死亡人数多，严重影响煤矿安全生产，而瓦斯流动规律对于预防煤与瓦斯突出，改善煤层瓦斯抽放率和煤层气开发利用具有重要意义，所以煤层瓦斯流动理论有待继续深入研究。3、对抽放方法的分类，开采煤层，瓦斯抽放新方法，抽放方法的选择的原则进行了理论分析，为合理确定工作面瓦斯抽放方法提供了理论依据。在煤层群高瓦斯条件下，仅采用单一的瓦斯抽放、风排等措施治理难以解决工作面瓦斯超限问题，必须采取多种抽放方法、合理配风、辅助保障并举的综合治理措施。工作面采用多种抽放发放时，不宜采用混合抽放并网的方式。瓦斯事故的发生，对井下安全生产及人员安全造成了严重的威胁，是矿井生产的重大灾害之一。本文结合瓦斯事故的地质影响因素探讨，从瓦斯安全管理机制、火源安全管理机制和矿工不安全行为控制给出了瓦斯事故的防治措施，对矿山安全生产和可持续发展具有重要的现实意义。参考文献1 王省生 矿井灾害防治理论与技术 中国矿业大学出版社，1991年2 曾广冬 多孔介质溶质运移理论研究及盐淡水界面的数值模拟 天津大学,2002年3 林柏泉，张建国 矿井瓦斯抽放理论与技术 中国矿业大学出版社，1998年4 林柏泉，崔恒信 矿井瓦斯防治理论与技术 中国矿业大学出版社，1998年5 张铁岗 矿井瓦斯综合治理技术 煤炭工业出版社，2001年6 俞启香 矿井瓦斯防治 中国矿业大学出版社，2008年7 付建华 矿井瓦斯灾害防治理论研究与工程实践 中国矿业大学出版社，2005年8国家煤矿安全监察局 煤矿安全规程 煤炭工业出版社，2004年- 10 -