1瓦斯来源与危害

有的气体既是可燃可爆气体，又是有毒性气体和窒息性气体。上述气 体统称为有毒有害气体。
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一、矿井瓦斯的概念与性质
2. 甲烷的性质
无色、无味、无嗅的气体。 甲 烷 的 性 质 CH4：0% 窒息性气体： CH4：43% CH4：57%
O2：21%
N2：79%
O2：12%
N2：45% 呼吸困难
O2：9%
矿井瓦斯煤尘灾害救灾技术
主讲：陈向军 副教授、博士、总工程师
河南理工大学瓦斯防治技术及装备研究所
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第1节 矿井瓦斯来源与危害
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一、矿井瓦斯的概念与性质
1. 矿井瓦斯的概念
瓦斯，又称甲烷，或沼气，CH4，Gas
瓦斯概念 广义： 矿井有毒有害气体的总称。 狭义： 专指甲烷。 煤层、围岩瓦斯能涌出到矿井的部分：CH4、CO2等 瓦 斯 来 源 生产过程中生成的气体：炮烟、内燃机尾气、充电氢气 化学、生物反应生成的气体：煤自燃（CO）、矿物质氧化（SO2、 H2S）、坑木等腐烂
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四、煤层瓦斯压力
4. 煤层瓦斯压力测定概述
（1）测定方法
分为直接测定法和间接测定法。
直接测定法：通过在煤层内打钻、封孔、压力恢复测定煤层瓦斯压 力的方法。 间接测定法：利用已知的煤层瓦斯含量、吸附常数、煤质参数等进 行计算的方法。
abP 100 Aad M ad 1 10P X 1 bP 100 1 0.31M ad
六枝
1.32-1.98 焦作 0.74-1.43 抚顺 0.80-4.61
鸡西
3.70-5.00 平顶山 1.40-2.07 鹤岗 0.50-4.50 23
四、煤层瓦斯压力
3. 煤层瓦斯压力随深度的变化规律
甲烷带内，同一煤层同一地质单元内瓦斯压力随深度加深而增大，多 数呈线性规律。
p p C ( H H ) p p0 C ( H H 0 )
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二、煤层瓦斯的生成
1. 煤是怎样形成的？
煤是腐植型有机物在经受长期的地层高温、高压作用，并经过漫长的 变质作用形成的。
植物遗体→泥炭 成 煤 过 程 成 气 时 期
生物化学成气时期
泥炭→褐煤 →烟煤(长焰、气、肥、焦、贫、瘦) →无烟煤
煤化变质作用成气时期
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二、煤层瓦斯的生成
2. 煤层中的瓦斯是怎样形成的？
褐煤 无烟煤
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二、煤层瓦斯的生成
2. 煤层中的瓦斯是怎样形成的？
煤化变质作用成气时期：
变质中后期：在瓦斯产出的同时，芳核进一步缩合，碳元素进一步集中在碳
网中。随着煤化变质作用的加深，基本结构单元中的缩聚芳核 的数目不断增加，到无烟煤时，主要由缩聚芳核组成。
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二、煤层瓦斯的生成
3. 不同成煤期的瓦斯生成量
38-68*
0.55
1.61
* 引用国外文献数据。表中数据：阶段产气量/累计产气量/(m3/t)
三、煤层瓦斯赋存的垂向分带
1. 煤层甲烷赋存
游离瓦斯
吸着状态 吸附瓦斯
吸收状态
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三、煤层瓦斯赋存的垂向分带
1. 煤层甲烷赋存
煤中瓦斯的赋存状态一般有吸附状态和游离状态2种。
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％；游离瓦斯以自由气体形式存在 在吸附瓦斯量中又以煤体表面吸着的瓦斯量占多数。
式中: p——甲烷带内埋深为H处的煤层瓦斯压力，MPa； p´——甲烷带内埋深为H´处的煤层瓦斯压力，MPa； p0——风化带深度H0处的瓦斯压力， MPa； C——瓦斯压力梯度，MPa/m。
注意：甲烷带内；同一地质单元内；同一煤层。
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四、煤层瓦斯压力
3. 煤层瓦斯压力随深度的变化规律
p p C ( H H ) p p0 C ( H H 0 )
放射性物质蜕变过程中生成的气体：Rn（氡）、He（氦）
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一、矿井瓦斯的概念与性质
1. 矿井瓦斯的概念
可燃可爆气体: 矿 井 气 体 的 分 类 烃类气体，如CH4、链烷烃（CnHn+2）、环烷烃 （CnH2n）、烯烃、炔烃、芳香烃等。 其他气体，H2、CO、H2S等 有毒性气体： 窒息性气体： 放射性气体： CO、H2S、SO2、NH3、NO2、NO等 N2、CH4、CO2、H2等 Rn
N2：34% 昏迷、死亡
正常呼吸空气 分子直径：0.41nm 扩散性：是空气的1.34倍
可燃可爆性气体：5%-15%，>15%燃烧
密度：0.716kg/m3（标况），是空气的0.554倍。 微溶于水：3.31L/100L（20℃），5.56L/100L（0℃）。 化学性质不活泼，稳定，不会自然分解、氧化或反应。
2. 煤层瓦斯的垂直分带特征
我国部分矿区的瓦斯风化带深度表 矿区 抚顺 北票（台吉） 南桐（鱼田堡） 涟邵（洪山殿） 煤质牌号 长焰煤、气煤 气煤 瘦煤 贫煤 煤层倾角(°) 80 60 30 30 瓦斯风化带深度(m) 180~205 115~150 70 130
红卫（里王庙）
郴州（三五矿） 焦作（焦西）
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三、煤层瓦斯赋存的垂向分带
4. 甲烷带的特征
（1）煤层瓦斯含量随埋深增加而增大；
（2）煤层瓦斯压力随埋深增加而增大；
（3）矿井相对瓦斯涌出量随埋深增大而增大； （4）随着埋深增加，有可能出现瓦斯异常涌出、瓦斯喷出、甚至 瓦斯突出的情况。
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四、煤层瓦斯压力
1. 煤层瓦斯压力的定义与意义
（1）定义 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，方向与孔团壁垂直。 （2）实质 煤层中的游离瓦斯（气态）所呈现出来的压力。吸附态瓦斯由于失去 了气态属性，对外不呈现压力。 （3）意义 煤层瓦斯压力是含量的决定因素，也是瓦斯流动的动力源，同时也是 瓦斯突出的重要能量来源之一。 （4）重要性 是瓦斯防治技术领域最重要的基础参数之一，研究瓦斯储量、瓦斯涌 出、瓦斯流动、瓦斯油放与瓦斯突出问题均需要该参数。
瘦 煤
无 烟 煤
前苏联B.A.乌斯别斯基根据地球化学与煤化作用 前苏联B．A．索科洛夫等人给出的 腐植煤在煤化变质各阶段成气的一般模式。 过程反应物与生成物平衡原理，计算的甲烷生成量。 10
二、煤层瓦斯的生成
3. 不同成煤期的瓦斯生成量
我国部分煤的热模拟实验产期结果
试验单位 煤炭科学研究总院 地质勘探分院 （1987年） 石油开发研究院 （1985年） 地质矿产部石油地 质研究所（1985 年，舒兰褐煤） 兰州地质研究所 （1986年，乌苏 褐煤） 未变质煤 褐煤 38-68* 低变质煤 长焰煤 3-25 41-93 4-31 42-99 1.06 2.49 4.10 气煤 10-54 48-122 7-58 45-126 4.25 22.92 24.53 肥煤 27-102 65-170 26-108 64-176 24.32 53.04 54.65 中变质煤 焦煤 55-170 93-238 48-176 86-244 55.9 113.57 115.18 瘦煤 108-246 146-413 86-230 124-298 94.77 高变质煤 贫煤 134-333 172-401 114-321 152-389 127.72 183.34 184.95 无烟煤 268-393 306-461 168-390 206-458 221.13 325.23 326.84 11
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二、煤层瓦斯的生成
2. 煤层中的瓦斯是怎样形成的？
煤化变质作用成气时期：
褐煤层进一步沉降，在高温及地层压力在下，便进入变质作用造气阶段。
变质初期：基本单元——侧链和官能团的缩合稠环芳烃体系。
4C16 H 18 O 5 C 57 H 58 O10 4CO 2 3CH 4 2H 2 O
煤层内的瓦斯压力为0.1～0.15MPa
煤的瓦斯含量达到2～3 m3/t（烟煤） 和5～7 m3/t（无烟煤）
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三、煤层瓦斯赋存的垂向分带
3. 瓦斯风化带的特征
我国确定瓦斯风化带下部边界时含量指标：
瓦斯含量（煤芯中的甲烷含量）X：
① 气煤 ② 肥煤与焦煤 ③ 瘦煤 ④ 贫煤 ⑤ 无烟煤 X=1.5～2.0m3/t； X=2.0～2.5m3/t可燃物； X=2.5～3.0m3/t可燃物； X=3.0～4.0m3/t可燃物； X=5.0～7.0m3/t。
（孔径大于10nm）内；吸附瓦斯分为吸着状态与吸收状态；
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三、煤层瓦斯赋存的垂向分带
1. 煤层甲烷赋存 煤是一种天然的吸附剂，具有良好的吸附性能。 煤对瓦斯的吸附属于物理吸附，即瓦斯分子煤分子之间的作 用力是剩余的表面自由力（范德华引力）。在一定条件下， 瓦斯还可以从煤中解吸出来，吸附与解吸是可逆的。 P or t
瓦斯成分 % 名 称 气 带 成 因 N2 20～80 ＞80 ～80 20 CO2 20～80 10～20 10～20 10 CH4 10 20 ～80 ＞80
CO2— N2 带 生物化学—空气 N2 带 N2—CH4 带 CH4 带 空气 空气—变质 变质
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三、煤层瓦斯赋存的垂向分带
Aad——煤的通风干燥基灰分，%；
π——煤的孔隙率，%；
Mad——煤的通风干燥基水分，%；
南桐
1.55-6.0 水城 1.10-2.40 阳泉 0.05-2.45
中梁山
2.0-4.47 白沙 0.87-0.95 开滦 2.08-2.65
松藻
1.60-1.95 涟邵 1.46-2.40 铁法 3.69-4.10
天府
1.2-8.0 乐平 1.53-2.10 阜新 1.30-1.90
芙蓉
1.95-3.2 淮南 0.76-5.85 北票 2.10-8.25
无烟煤
无烟煤 无烟煤
25-30
60 12
<15
<15 180
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不同矿区瓦斯带深度变化很大
三、煤层瓦斯赋存的垂向分带
3. 瓦斯风化带的特征
我国确定瓦斯风化带下部边界时主要 采用如下指标：
在瓦斯风化带开采煤层时，煤层的相对 瓦斯涌出量达到2m3/t 煤层内的瓦斯组分中甲烷组分含量达到 80%（体积比） 瓦斯风化带 下部边界确定
泥炭 羟基（-OH） 褐煤
） C H O 2CH CO 3H O C 57 H 58甲基（ O10 -CH3 34 42 5 4 2 2
褐煤羧基（-COOH） 烟煤
键力弱 不稳定 易断裂 易脱落
键力强 稳定
-O-） C H 2CH H O C15 H 14醚基（ O 13 4 4 2
游离状态瓦斯
P or t
吸附状态瓦斯
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三、煤层瓦斯赋存的垂向分带
2. 煤层甲烷垂向分带
形成原因：当 煤层直达地表 或直接为透气
N2 O 2
瓦斯风化带 CH4 甲烷带 CH4 CH4 CH4 CH4
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。
煤化 阶段 成气阶段（期）
500
褐 煤
连续生成
CH4
甲烷生成量(m3 /t)
419
400
长 焰 煤 气 煤 肥煤 焦煤 瘦 煤 贫煤 半无 烟煤 无烟 煤
I
CO2+CO
339
300
重烃
270 212 168 229
287
200
II
不连续生成
100
68
ຫໍສະໝຸດ Baidu
0
III
泥 煤
褐 煤
长 焰 煤
气 煤
肥 煤
焦 煤
贫 煤
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四、煤层瓦斯压力
2. 国内外煤层瓦斯压力概况
迄今为止，我国测定最大瓦斯压力：8.25MPa，北票台吉矿-550水平， 埋深729m； 世界实测最大瓦斯压力：13.6MPa，乌克兰顿巴斯彼得罗夫深矿， 1425m。 国内主要矿区煤层瓦斯压力实测结果
矿区
瓦斯压力（MPa） 矿区 瓦斯压力（MPa） 矿区 瓦斯压力（MPa）
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三、煤层瓦斯赋存的垂向分带
2. 煤层瓦斯的垂直分带特征
CO2-N2带
CO2
CO2
瓦 斯
N2带 N2-CH4带 CH4带
N2
N2
风 化 带
CH4
CH4
甲 烷 带
0 0.5 1.0 1.5 2.0 ml/g
瓦斯含量
0 20 40 60 %
瓦斯浓度
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三、煤层瓦斯赋存的垂向分带
2. 煤层瓦斯的垂直分带特征
煤层瓦斯是腐植型有机物在成煤过程中形成的。 生物化学成气时期： 植物在厌氧、潮湿，温度小于65℃的条件下产生瓦斯。 沼泽、三角洲
65℃ 4C6 H10 O5 隔绝空气， 7CH 4 8CO 2 C9 H 6 O 3H 2 O （纤维素） 微生物 （类烟煤）
特点：成煤物质埋藏浅、固结性差、透气性好，生成的瓦斯难以保存。