瓦斯与矿尘防治技术

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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：
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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。
下，吸附量与 P 或 t 之间的关系曲线。
•X
•X
•P=const
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•t=const •P
•等温吸附线
•t •等压吸附线
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2、吸附方程 A）Langmuir方程（1916年） 理论计算式：
特征。
•空气
•CO2-N2 •N2
•N2-CH4
•-200m •-400m
•CH4
•-600m •-800m
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•瓦斯
•-1000m
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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。
•CO2－N2带 •N2带
•N2－CH4带 •CH4带
§1.8 影响煤层瓦斯含量的主要因素
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第2章 矿井瓦斯涌出
§2.1 煤层瓦斯流动的基本规律 §2.2 煤层瓦斯涌出量及主要影响因素 §2.3 矿井瓦斯等级及其鉴定 §2.4 矿井瓦斯涌出量预测 §2.5 矿井瓦斯涌出防治
第3章 瓦斯喷出及其预防
§3.1 瓦斯喷出的分类及其特点 §3.2 瓦斯喷出的防治
各种孔均存在，随着煤的破坏程度增大而增加。游 离瓦斯含量高，易涌出，衰减快，可能发生突出。
（3）构造煤
在地应力作用下，煤破碎成〈0.1mm的煤粒，再 被压成煤砖状。
各类孔均存在，瓦斯含量高，卸压后，f ，瓦斯 涌出量 ，易突出。
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4、孔隙率与外加压力（地应力）关系
•f
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➢ 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：
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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。
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•瓦
•斯
•瓦斯风化带
•垂
•直
•分
•带
•性
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•煤层垂向各带气体组份表
v
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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，
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）
来源：
（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）
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二、CH4的性质 无色、无味、无嗅的气体，可燃烧、爆炸；
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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三、煤、岩孔隙的基本特点 1、各类煤岩的孔隙率差别很大，不同的煤需具体测定。
•我国一些矿井煤的孔隙率
矿井 抚顺老虎台矿
无烟煤
如：4C16H18O5
•（泥炭）
C57H56O10
•（褐煤）
C54H42O5
•（烟煤）
C57H56O10 + 4CO2 + 3CH4 + 2H2O
•（褐煤）
C54H42O5 + CO2 + 2CH4 + 3H2O
•（烟煤）
C13H4 + 2CH4 + H2O
•（无烟煤）
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第一部分 矿井瓦斯防治技术
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。
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容积吸附（吸收）----吸附质分子紧密地充满于吸附剂 的微小孔隙内，类似于溶质溶解于溶剂中。
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② 根据吸附作用力分： A）物理吸附 特点：Ⅰ、作用力为范德华力，作用距离极小（1/r7）,仅
限于界面附近； Ⅱ、可逆的----不稳定的动平衡。
•解 •P or t •吸 •吸 •P or t •附
（1）生物化学阶段（从植物遗体到泥炭）
•隔绝空气
4C6H10O5
•（纤维素）
•微生物
7CH4 + 8CO2 + C9H6O + 3H2O
特点：埋藏浅，覆盖层胶结不好，煤层保存气体少。
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（2）变质阶段（从泥炭到烟煤）
•P↑ 、t↑
•P↑ 、t↑
•P↑ 、t↑
泥炭
褐煤
烟煤
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: 在101.3 KPa , 20℃条件下 , 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
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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 微孔 小孔 中孔
直径/mm 〈10-5
10-5 ~ 10-4 10-4 ~ 10-3
CH4的存在形态 吸附、吸收 吸收、游离
表面吸附、游离
Fra Baidu bibliotek
大孔
10-3 ~ 10-1
游离
煤中的微孔 ≥ 80%
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（3）其它主要气体
❖ 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。
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第4章 煤与瓦斯突出及其防治
§4.1 煤与瓦斯突出概况 §4.2 矿井瓦斯动力现象及分类 §4.3 采掘工作面瓦斯动力现象的特点 §4.4 煤与瓦斯突出机理 §4.5 煤与瓦斯突出的一般规律 §4.6 区域性防突措施 §4.7 采掘工作面防突措施 §4.8 煤与瓦斯突出的预测 §4.9 岩石与二氧化碳的预防
式中：f----受压状态下的孔隙率；
f0----未受压状态孔隙率；
σ----压应力；
•σ
α----压缩系数。
一般地，微孔不压缩。Exp: 17MPa时，f 减少 20%，因为微孔不变，大中孔减少40~50%
备注：（1）H
f
（2）卸压后（受采动影响） f
（3）σ对煤的吸附性影响很小。
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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----固体质量，g; ρ----固体假密度，g/cm3; ρo----固体真密度，g/cm3; 则有：
§1.5 煤的吸附特性
一、概述
1、吸附现象 ----气体分子与固体表面分子间相互作用，气体分子 暂时停留在固体表面上的现象。
吸附剂----能吸附其它物质的介质，如：煤； 吸附质----被吸附的物质，如CH4 。 2、吸附分类 ① 根据吸附方式分：
表面吸附（吸着）----在吸附剂表面吸附一层或多层吸 附质分子。
而后
Vr f 到无烟煤达到最大。
•Vr/% 但微孔，则
•长 •焦煤 瘦煤 •无
Vr
而始终
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3、煤的孔隙率与煤的破坏程度的关系 （1）未受构造应力破坏的煤
微孔达 80% ~ 90%，大孔很少，无外生裂隙。煤 层瓦斯含量大，但瓦斯涌出量不大，涌出速度慢，涌 出时间长。
（2）破坏型煤
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第5章 矿井瓦斯爆炸及其预防
§5.1 矿井瓦斯爆炸及作用机理 §5.2 瓦斯爆炸的传播及其后果 §5.3 煤矿爆炸性气体的安全技术参数 §5.4 煤矿瓦斯爆炸原因分析 §5.5 预防瓦斯爆炸的技术措施
第6章 煤矿瓦斯抽放技术
§6.1 煤矿瓦斯抽放可行性分析 §6.2 瓦斯抽放设计基础 §6.3 抽放瓦斯方法及工艺参数 §6.4 抽放瓦斯设备及参数设计 §6.5 瓦斯利用
Ⅲ、吸附是一种放热反应，解吸，吸热。 如：煤-------CH4，吸附热：0.5~1.2 Kj/mol B）化学吸附 作用力为离子键，不可逆。
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二、吸附线和吸附方程 吸附量决定于： ① 吸附质性质（不同气体）； ② 吸附剂性质； ③ 吸附温度； ④ 吸附压力。
1、吸附线 ---- 吸附剂和吸附质，在一定温度（t）或一定压力(P)
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§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。
（3）喷出、突出
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2、重要能源
CH4 + 2O2 CO2 + 2H2O + Q
1m3CH4
37022.2kJ 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：
❖ N2 来自大气。与氩的比例与空气一致。
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➢ 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
鹤岗大陆 开滦马家沟12煤 本溪田师付8煤
阳泉三矿3 煤 焦作王封大煤
挥发份/% 45.76 31.86 26.8 13.71 6.66 5.82
孔隙率/% 14.05 10.6 6.59 6.7 14.1 18.5
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2、煤的孔隙率与碳化程度的关系
❖ 长焰煤开始
Vr f 到焦瘦煤达到最小 ；
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）。
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2020/11/24
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目
录
第一部分 矿井瓦斯防治技术
第1章 煤层瓦斯赋存与含量
§1.1 矿井瓦斯的概念与性质
§1.2 煤层瓦斯的成因
§1.3 煤层瓦斯赋存的垂直分带性
§1.4 煤的孔隙特征
§1.5 煤的吸附特性
§1.6 煤层瓦斯压力
§1.7 煤层瓦斯含量