矿井瓦斯防治考试总结

1、瓦斯的定义、广义和狭义瓦斯的概念

广义的矿井瓦斯是指井下以甲烷为主的有毒、有害气体的总称；

狭义的矿井瓦斯是指甲烷；

2、瓦斯在煤层中的赋存状态

甲烷在煤中呈两种状态存在：

在渗透空间的甲烷主要呈自由气态，称为游离瓦斯。这种状态的瓦斯以自由气体状态存在于煤层孔隙或围岩的孔洞之中，其分子可自由运动，呈现出压力并服从自有气体定律。游离瓦斯量的多少与贮存空间的容积和瓦斯压力成正比，与瓦斯温度成反比；

另一种在微孔内主要呈吸附状态存在于微孔表面上和在煤的粒子内部占据着煤分子结构的空穴或煤分子之间的空间（后两者中的瓦斯可称为固溶体，包括在吸附态中）。在300~1200m采深、中等变质煤中，游离瓦斯仅占5~12%，其余为吸附瓦斯。

3、吸附常数a，b值的定义、意义以及煤的吸附性能影响因素

在等温情况下，吸附量与瓦斯压力的关系曲线为：

式中，a——吸附常数，表示在给定温度下，单位质量固体的表面饱和吸附气体时，吸附的气体体积，m3/t，一般为15~55m3/t；

b——吸附常数，MPa-1；

p——吸附平衡时的瓦斯压力，MPa。

在瓦斯压力低时，分母中的bp相对于1可忽略不计，此时x与p成正比；

在压力很高时，分母中的1相对于bp可忽略不计，此时x≈a，吸附达到了饱和。

吸附性能的影响因素：

每克煤吸附的气体量叫做吸附量，与气体的性质、固体表面性质、温度、压力及煤中水分有关。

①瓦斯压力的影响：在给定温度下，吸附瓦斯含量与瓦斯压力的关系呈双曲线变化；

②温度的影响：温度每升高1℃，吸附瓦斯的能力降低约8%；

③瓦斯性质的影响：对于指定的煤，在给定的温度与瓦斯压力下，CO2的吸附量比CH4高，而CH4的吸附量又比N2高；

④煤化变质程度的影响：煤的煤化程度反映其比表面积大小与化学组成，一般讲从挥发分为20%~26%的煤到无烟煤，吸附量呈快速地增加；

⑤煤中水分的影响：水分的增加使煤的吸附能力降低。

4、煤层瓦斯压力的定义及压力梯度

煤层瓦斯压力是煤层孔隙内气体分子自由热运动撞击所产生的作用力，它在某一点上各向大小相等，方向与孔隙壁垂直。它是测定煤层瓦斯含量、瓦斯涌出速率及瓦斯动力现象的一个最重要参数。

在甲烷带内，煤层的瓦斯压力随深度的增加而增加，多数煤层呈线性增加，但瓦斯压力梯度随地质条件而异，相同深度的同一煤层具有大体相同的瓦斯压力，可以按下式预测深部煤层的瓦斯压力：

式中，p——甲烷带内深度为H(m)煤层瓦斯压力，MPa；

P’——甲烷带内深度为H’(m)已知的煤层瓦斯压力，MPa；

C——瓦斯压力梯度，MPa/m，一般变化范围为0.01±0.005。

5、煤层瓦斯压力的测定原理及如何加快瓦斯压力的平衡

①原理

煤层瓦斯压力的测量，通常是从围岩巷道向煤层打一孔径为50~75mm的钻孔，钻孔中放置测压管，将孔封闭后用压力表直接测定孔内气体的压力。

其原理是：用钻头钻进煤层，形成一个体积较小压力降低的封闭气室，当周围煤层中的瓦斯在压力差的作用下，向封闭气室这个狭小空间渗流时，封闭气室的瓦斯压力逐渐接近煤层的原始瓦斯压力，由连接气室上的压力表可以读取稳定后的煤层瓦斯压力。

②加快瓦斯压力平衡

加大打孔直径，增大煤孔瓦斯渗流移动；快速地封堵岩石裂隙；可靠、快速的密封方式；封孔装置能够自由控制封孔深度。

6、瓦斯的垂向分带及产生的原因

当煤层具有露头或在冲积层之下有含煤盆地时，在煤层内存在两个不同方向的气体运移，即煤层生成的瓦斯由深部向上运移；而地面空气、表土中的生物化学反应生成的气体向煤层深部渗透扩散，从而使赋存在煤层内的瓦斯表现出垂向分带特征。

煤层瓦斯的带状分布是煤层瓦斯含量及蜕变矿井瓦斯涌出量预测的基础，也是搞好瓦斯管理的依据。

煤层瓦斯沿垂向一般可分为两个带：瓦斯风化带、甲烷带。

7、煤的孔隙特征

为研究瓦斯的赋存与流动，煤中的孔隙分为：

微微孔——其直径<10-6mm；微孔——其直径<10-6~10-5mm；小孔——其直径＝10-5~10-4mm；中孔——其直径＝10-4~10-3mm；大孔——其直径＝10-3~10-1mm；可见孔及裂隙——其直径>10-1mm，它决定了煤的宏观（硬和中硬煤）破坏面。

一般，把小孔以下孔隙之和称为吸附容积；小孔至可见孔的孔隙体积之和称为渗透容积；把吸附容积与渗透容积之和称为总孔隙体积，煤的总孔隙体积占相应煤的体积的百分比称为煤的孔隙率，以％表示。

煤是孔隙体，其中含有大量的表面积，微微孔和微孔孔隙体积还不到微微孔至中孔孔隙体积的55％，而其孔隙表面积却占整个表面积的97％以上。微孔发育的煤，尽管其孔隙率可能不高，可是却有相当可观的表面积。随着挥发分的减小即煤化程度的增加，煤的比表面积大大增加。

影响煤孔隙率大小的主要原因：

①孔隙率与煤化程度的关系

从长焰煤开始，随着煤化程度的加深（挥发分减小）煤的总孔隙体积逐渐减小，到焦、瘦煤的时候达到最低值，而后随煤化程度的加深，总孔隙体积又逐渐增加，至无烟煤时达到最大值。然而，煤中的微孔体积随着煤化程度加深而增长。

②孔隙率与煤的破坏程度的关系

大孔决定于强烈的地质构造破坏煤的破坏面，因此煤的破坏越严重，其渗透容积越高，即孔隙率越大。

③孔隙率与地应力的关系

压性的地应力（压应力）可使渗透容积缩小，压应力越高，渗透容积缩小越多，即孔隙率减小越多；

张性的地应力（张应力）可使裂隙张开，使渗透容积增大，张应力越高，渗透容积增长越多，即孔隙率增加越多；

卸压（地应力减小）作用可使煤（岩）的渗透容积增大，即孔隙率增高；

增压（地应力增高）作用可使煤（岩）受到压缩，渗透容积减小，即孔隙率降低。

试验表明，地应力并不减小煤的吸附体积，或减少的不多（因大孔及可见孔的表面积减少），因此地应力对煤的吸附性影响很小。

8、煤层瓦斯含量的计算

①煤的游离瓦斯含量