1、能源与安全学院能源与安全学院 2011-4-5矿井瓦斯与矿尘防治技术矿井瓦斯与矿尘防治技术第一部分：矿井瓦斯防治技术第一部分：矿井瓦斯防治技术第二部分：矿尘防治技术第二部分：矿尘防治技术本课程参考书：本课程参考书：v瓦斯地质学瓦斯地质学-张子敏，中国矿业大学出版社v瓦斯灾害防治技术瓦斯灾害防治技术-中国煤炭工业劳动保护科学技术学会组织编著v矿井粉尘防治技术矿井粉尘防治技术-中国煤炭工业劳动保护科学技术学会组织编著v粉尘防治理论及技术粉尘防治理论及技术-杨胜强 中国矿业大学出版社v煤矿安全规程煤矿安全规程-煤炭工业出版社第一章：煤层瓦斯赋存与含量第一章：煤层瓦斯赋存与含量模块一：瓦斯地质基础模块
2、一：瓦斯地质基础模块二：瓦斯压力和瓦斯含量测模块二：瓦斯压力和瓦斯含量测定定第一部分第一部分矿井瓦斯防治技术矿井瓦斯防治技术模块一：瓦斯地质基础模块一：瓦斯地质基础1 1、矿井瓦斯及成因、矿井瓦斯及成因1.1 矿井瓦斯矿井瓦斯“瓦斯瓦斯”音译自日文音译自日文“（瓦斯）（瓦斯）”广义广义：井下涌向采矿空间的各种有毒、有害气体的总称。井下涌向采矿空间的各种有毒、有害气体的总称。狭义狭义：煤矿生产过程中从煤、岩内涌出的，以甲烷为主要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。成份的混合气体总称。如何理解？如何理解？、瓦斯成分复杂瓦斯成分复杂（CH4、CO2、N2、乙烷、丙烷、丁烷
3、、戊烷乙烷、丙烷、丁烷、戊烷、H2、CO、SO2、H2S）、一定深度后，主要成分为甲烷一定深度后，主要成分为甲烷煤矿术语中的瓦斯，通常是指煤矿术语中的瓦斯，通常是指甲烷。甲烷。瓦斯来源？瓦斯来源？p放射性元素蜕变过程生成（放射性元素蜕变过程生成（RnRn、HeHe等）等）1.1 矿井瓦斯矿井瓦斯矿井瓦斯来源矿井瓦斯来源煤（岩）层和地煤（岩）层和地下水释放出来的下水释放出来的化学及生物化化学及生物化学作用产生的学作用产生的煤炭生产过煤炭生产过程中产生的程中产生的（CO2、H2S、SO2）（CO2、NO2、H2）p 1.1.1 矿井瓦斯来源矿井瓦斯来源1.1 矿井瓦斯矿井瓦斯危害：危害：1.可造成
4、瓦斯窒息事故可造成瓦斯窒息事故(43%呼吸短促，呼吸短促，57%即刻昏迷即刻昏迷2.可酿成瓦斯燃烧事故可酿成瓦斯燃烧事故(16%存在火源存在火源)3.引起瓦斯爆炸事故引起瓦斯爆炸事故(5%-16%存在火源存在火源)4.产生煤与瓦斯突出事故产生煤与瓦斯突出事故5.污染环境污染环境p 1.1.2 矿井瓦斯的危害及用途矿井瓦斯的危害及用途用途：用途：1.用城镇煤气用城镇煤气2.用作锅炉和窑炉燃料用作锅炉和窑炉燃料3.瓦斯发电瓦斯发电4.作为机动车燃料作为机动车燃料5.用作化工原料和化工产品用作化工原料和化工产品1.2 矿井瓦斯的成因矿井瓦斯的成因 有机源气体有机源气体-腐植有机物（高等植物）成煤过程
5、。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煤层瓦斯是腐植型有机物（植物）在成煤过程中生成的生物化学阶段生物化学阶段特点特点：埋藏浅，覆盖层胶结不好，煤层保存气体少：埋藏浅，覆盖层胶结不好，煤层保存气体少特点特点：1）炭化过程生成大量气体。）炭化过程生成大量气体。2）覆盖层增厚，生成气体得以保存。但煤层瓦斯）覆盖层增厚，生成气体得以保存。但煤层瓦斯 含量远小于生产量。含量远小于生产量。1.2 矿井瓦斯的成因矿井瓦斯的成因煤化变质阶段煤化变质阶段煤层瓦斯主要成分：煤层瓦斯主要成分：CHCH4 4、COCO2 2、N N2 2。形成原因形成原因：当煤层直达地表
6、或直接为透气性较好的：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。带特征。瓦斯瓦斯空气空气-1000m-800m-600m-400m-200mCO2-N2N2N2-CH4CH41.3 煤层瓦斯赋存的垂直分带煤层瓦斯赋存的垂直分带在瓦斯压力在瓦斯压力和浓度差下和浓度差下 四带四带：COCO2 2-N-N2 2带、带、N N2 2带、带、N N2 2CHCH4 4带、带、CHCH4 4带。现场实带。现场实际过程中，将前
7、三带总称为际过程中，将前三带总称为瓦斯风化带瓦斯风化带。1.3 煤层瓦斯赋存的垂直分带煤层瓦斯赋存的垂直分带名称名称气带成因气带成因CO2N2CH4（按体积）（按体积）%（按体积）（按体积）%（按体积）（按体积）%CO2-N2空气空气生化成因生化成因20802080010N2空气成因空气成因02080100020N2-CH4变质成因变质成因02020802080CH4变质成因变质成因01002080100煤层垂向各带气体组份表煤层垂向各带气体组份表瓦斯赋存的垂直分带性划分的意义？瓦斯赋存的垂直分带性划分的意义？掌握本煤田煤层瓦斯垂直分带的特征，是搞好矿井瓦掌握本煤田煤层瓦斯垂直分带的特征，是搞
8、好矿井瓦斯涌出量预测和日常瓦斯管理工作的基础。斯涌出量预测和日常瓦斯管理工作的基础。规律规律：瓦斯风化带内涌出量与深度之间无规律性。瓦斯风化带内涌出量与深度之间无规律性。瓦斯风化带内，无突出危险性。瓦斯风化带内，无突出危险性。在在CH4CH4带内，带内，tmqCH/3234HXCH4HqCH41.3 煤层瓦斯赋存的垂直分带煤层瓦斯赋存的垂直分带瓦斯风化带瓦斯风化带下部边界确定下部边界确定煤层内的瓦斯压力为煤层内的瓦斯压力为0.10.15MPa在瓦斯风化带开采煤层时，煤层的相对在瓦斯风化带开采煤层时，煤层的相对瓦斯涌出量达到瓦斯涌出量达到2m3/t煤的瓦斯含量达到煤的瓦斯含量达到23 m3/t（
9、烟煤）（烟煤）和和57 m3/t（无烟煤）（无烟煤）煤层内的瓦斯组分中甲烷组分含量达到煤层内的瓦斯组分中甲烷组分含量达到80%（体积比）（体积比）p 瓦斯风化带下部边界的确定瓦斯风化带下部边界的确定1.3 煤层瓦斯赋存的垂直分带煤层瓦斯赋存的垂直分带p影响瓦斯风化带的深度的因素：影响瓦斯风化带的深度的因素：v含煤地层排放瓦斯时间越长，瓦斯风化带越探；含煤地层排放瓦斯时间越长，瓦斯风化带越探；v地质错动程度越高，煤层排放瓦斯的不均匀性和排放地质错动程度越高，煤层排放瓦斯的不均匀性和排放深度就越大；深度就越大；v剥蚀过程使含煤地层无瓦斯风化的范围减小或局部消剥蚀过程使含煤地层无瓦斯风化的范围减小或
10、局部消失失v煤层之上的覆盖层阻碍瓦斯风化带的进一步扩大煤层之上的覆盖层阻碍瓦斯风化带的进一步扩大1.3 煤层瓦斯赋存的垂直分带煤层瓦斯赋存的垂直分带p 煤的孔隙特征煤的孔隙特征 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。不同直径的孔隙和裂隙。形成庞大的自由空间和表面。煤是一种孔隙煤是一种孔隙-裂隙性介质，它决定煤裂隙性介质，它决定煤-CH-CH4 4体系体系的许多特性。的许多特性。集气性集气性-CH4-CH4的存在形态、含量的存在形态、含量;渗透性渗透性-流态、流出形式、涌出量；流态、流出形式、涌出量
11、；力学特性力学特性-强度、弹性、脆性。强度、弹性、脆性。1.4 煤的特征煤的特征煤中孔隙分类煤中孔隙分类微孔：直径微孔：直径 10-5mm小孔：直径小孔：直径 10-510-4mm中孔：直径中孔：直径 10-410-3mm大孔：直径大孔：直径 10-310-1mm可见孔及裂隙：直径可见孔及裂隙：直径 10-1mm 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：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：煤中的微孔煤中的微孔 80%80%瓦斯的存在形态瓦斯的存在形态p 煤的孔隙特征煤的孔隙特征吸附和吸收吸附和吸收吸收和吸收和游离游离表面吸附和游离表面吸附和游离游离游离 孔隙率（
12、孔隙率（f f）-单位体积固体具有的孔隙容积。单位体积固体具有的孔隙容积。表示式：表示式：f-f-孔隙率，孔隙率，%；V-V-固体（含孔隙）的体积，固体（含孔隙）的体积，cm3；V0-实体（不含孔隙）的体积，实体（不含孔隙）的体积，cm3。假设假设 M-M-固体质量，固体质量，g;g;-固体假密度，固体假密度，g/cmg/cm3 3;o o-固体真密度，固体真密度，g/cmg/cm3 3;则有：则有：1000VVVf%100)1(100)11(100000MMMfp 孔隙特性的参数孔隙特性的参数 通过实验确定。或利用经验公式计算。通过实验确定。或利用经验公式计算。当当 孔容（比孔容）孔容（比孔
13、容）-f-f -单位质量固体具有的孔隙容积。单位质量固体具有的孔隙容积。表示式：表示式：同上，可推得：同上，可推得：所以：所以：0、%20dAdrAV0065.0)(53.106.0%20dAdrAV0065.0005.042.1drrAVV01.0665.0778.00MVVf0cm3/g011f ff 比表面比表面 -固体单位质量或单位体积具有的孔隙总表面积。固体单位质量或单位体积具有的孔隙总表面积。孔隙结构孔隙结构 -各类孔隙在总孔隙中所占百分比。各类孔隙在总孔隙中所占百分比。微孔所占比例大，且比表面积也大。微孔所占比例大，且比表面积也大。分类分类孔隙体积百分比孔隙体积百分比/%孔隙表面
14、积百分比孔隙表面积百分比/%微微孔微微孔12.562.2微孔微孔42.235.1小孔小孔28.12.5中孔中孔17.20.2 各类煤岩的孔隙率差别很大，不同的煤需具体测定。各类煤岩的孔隙率差别很大，不同的煤需具体测定。矿矿 井井挥发份挥发份/%孔隙率孔隙率/%抚顺老虎台矿抚顺老虎台矿45.7614.05鹤岗鹤岗大陆大陆31.8610.6开滦马家沟开滦马家沟12煤煤26.86.59本溪田师付本溪田师付8煤煤13.716.7阳泉三矿阳泉三矿3 煤煤6.6614.1焦作王封大煤焦作王封大煤5.8218.5我国一些矿井煤的孔隙率我国一些矿井煤的孔隙率p 煤岩孔隙的基本特点煤岩孔隙的基本特点 煤的孔隙率
15、与碳化程度的关系煤的孔隙率与碳化程度的关系v长焰煤长焰煤开始开始V Vr r f f 到焦瘦煤达到最小到焦瘦煤达到最小 ；而后而后 V Vr r f f 到无烟煤达到最大。到无烟煤达到最大。但微孔，则但微孔，则 V Vr r 而始终而始终Vr/%f/%焦煤焦煤 瘦煤瘦煤长长无无 煤的孔隙率与煤的破坏程度的关系煤的孔隙率与煤的破坏程度的关系未受构造应力破坏的煤未受构造应力破坏的煤 微孔达微孔达 80%80%90%90%，大孔很少，无外生裂隙。煤，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，涌层瓦斯含量大，但瓦斯涌出量不大，涌出速度慢，涌出时间长。出时间长。破坏型煤破坏型煤
16、 各种孔均存在，随着煤的破坏程度增大而增加。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。游离瓦斯含量高，易涌出，衰减快，可能发生突出。构造煤构造煤 在地应力作用下，煤破碎成在地应力作用下，煤破碎成0.1mm0.1mm的煤粒，再被的煤粒，再被压成煤砖状。压成煤砖状。各类孔均存在，瓦斯含量高，卸压后，各类孔均存在，瓦斯含量高，卸压后，f f ，瓦，瓦斯涌出量斯涌出量 ，易突出。，易突出。孔隙率与外加压力（地应力）关系孔隙率与外加压力（地应力）关系式中：式中：f-f-受压状态下的孔隙率；受压状态下的孔隙率；f0-未受压状态孔隙率；未受压状态孔隙率；-压应力
17、；压应力；-压缩系数。压缩系数。一般地，微孔不压缩。一般地，微孔不压缩。Exp:17MPaExp:17MPa时，时，f f 减少减少20%20%，因为微孔不变，大中孔减少因为微孔不变，大中孔减少40 40 50%50%备注：备注：（1 1）H f H f （2 2）卸压后（受采动影响）卸压后（受采动影响）f f （3 3）对煤的吸附性影响很小。对煤的吸附性影响很小。)exp(0ff f吸附瓦斯吸附瓦斯 游离瓦斯游离瓦斯吸收状态吸收状态吸着状态吸着状态p 煤层的吸附性煤层的吸附性类似于溶质溶解于溶剂中类似于溶质溶解于溶剂中瓦斯在煤层瓦斯在煤层中赋存状态中赋存状态A）物理吸附物理吸附特点特点：、作
18、用力为范德华力，作用距离极小（作用力为范德华力，作用距离极小（1/r7）,仅仅限于界面附近；限于界面附近；、可逆的、可逆的-不稳定的动平衡。不稳定的动平衡。、吸附是一种放热反应，解吸，吸热。、吸附是一种放热反应，解吸，吸热。如：煤如：煤-CH4，吸附热：吸附热：0.51.2 Kj/molB）化学吸附化学吸附 作用力为离子键，不可逆。作用力为离子键，不可逆。P or tP or t吸吸附附u 吸附作用力分类吸附作用力分类p 瓦斯吸附与解吸瓦斯吸附与解吸(1)吸附瓦斯与游离瓦斯处于动平衡状态；吸附瓦斯与游离瓦斯处于动平衡状态；(2)外界压力、温度变化，原平衡破坏；外界压力、温度变化，原平衡破坏；(
19、3)这种瓦斯由吸附状态转化为游离状态的现象，称为解吸；这种瓦斯由吸附状态转化为游离状态的现象，称为解吸；(4)吸附态瓦斯无内能，游离态分子热运动具有内能；吸附态瓦斯无内能，游离态分子热运动具有内能；(5)煤的解吸瓦斯量：瓦斯压力从平衡状态下过渡到正常标准煤的解吸瓦斯量：瓦斯压力从平衡状态下过渡到正常标准大气压下，煤体释放的瓦斯量大气压下，煤体释放的瓦斯量。v瓦斯的另一种存在形式，瓦斯水化物晶体。即瓦斯和瓦斯的另一种存在形式，瓦斯水化物晶体。即瓦斯和水所形成的类冰状固态化合物。水所形成的类冰状固态化合物。v存在于海底或陆地冻土带内的瓦斯水化物，习惯被称存在于海底或陆地冻土带内的瓦斯水化物，习惯被
20、称为天然气水化物，白色，形似冰雪，可以像酒精一样为天然气水化物，白色，形似冰雪，可以像酒精一样直接被点燃。直接被点燃。瓦斯固溶态（瓦斯水化物）瓦斯固溶态（瓦斯水化物）v据新华社报道，据新华社报道，2007-6-172007-6-17，我国在南海北部成功钻获的我国在南海北部成功钻获的天然气水化物实物样品天然气水化物实物样品“可可燃冰燃冰”在广州亮相。在广州亮相。难以寻找难以寻找吸附量决定于吸附量决定于：吸附质性质（不同气体）；吸附质性质（不同气体）；吸附剂性质；吸附剂性质；吸附温度；吸附温度；吸附压力。吸附压力。(1)吸附线吸附线 -吸附剂和吸附质，在一定温度（吸附剂和吸附质，在一定温度（t t
21、）或一定或一定压力压力(P)(P)下，吸附量与下，吸附量与 P P 或或 t t 之间的关系曲线。之间的关系曲线。PXt=const等温吸附线等温吸附线tXP=const等等压吸附线压吸附线p 吸附线和吸附方程吸附线和吸附方程(2)吸附方程吸附方程A）Langmuir方程（方程（1916年）年）理论计算式：理论计算式：式中：式中：X-给定温度下的吸附量，给定温度下的吸附量，m3/t；a-吸附常数，极限吸附量，吸附常数，极限吸附量，m3/t；b-吸附常数，吸附常数，Mpa-1;P-吸附平衡时的气体压力，吸附平衡时的气体压力，Mpa。a、b通过实验室测定得出。通过实验室测定得出。实际算式：实际算式
22、：其中：其中：bPabPX1bPabPkX1100100)(exp(31.0110wAttnwkB)B)弗洛德里希方程（弗洛德里希方程（19061906）-适用于吸附中压部分适用于吸附中压部分 式中：式中：k k、n-n-系数；系数；P-P-气体压力。气体压力。C C）都必林方程都必林方程式中：式中：a a0 0-极限吸附瓦斯量，极限吸附瓦斯量，cm/gcm/g；E-E-吸附能，吸附能，j/molj/mol；P P0 0-极限吸附时的气体压力极限吸附时的气体压力,MpaMpa；P-P-吸附压力吸附压力,MpaMpa；T-T-吸附温度；吸附温度；n-n-吸附结构系数。吸附结构系数。nkPX/1n
23、EPPTaX)/ln(574.4exp00(1)瓦斯压力瓦斯压力 t=const,P X(2)温度温度 P=const t X 温度每升高温度每升高1，吸附瓦斯的能力降低约，吸附瓦斯的能力降低约8%。(3)瓦斯的性质瓦斯的性质 对于特定的煤，在对于特定的煤，在t、P一定时，一定时，CO2的吸附量的吸附量 CH4的吸附量的吸附量 N2的吸附量的吸附量(4)煤的变质程度煤的变质程度 变质程度反映了煤的表面积与化学组成。变质程度反映了煤的表面积与化学组成。变质程度越高（变质程度越高（Vr）X6）影响煤与瓦斯吸附量的主要因素）影响煤与瓦斯吸附量的主要因素(5)煤中的水份煤中的水份 水份的增加使煤的吸附
24、能力降低。水份的增加使煤的吸附能力降低。艾琴格尔经验式：艾琴格尔经验式：式中：式中：Xch-含有水份时瓦斯吸附量；含有水份时瓦斯吸附量；Xg-不含有水份时瓦斯吸附量；不含有水份时瓦斯吸附量；W-水份含量。水份含量。(6)煤中的灰份（煤中的灰份（Ac）灰份不吸附瓦斯，我国习惯于用可燃基作单位。灰份不吸附瓦斯，我国习惯于用可燃基作单位。WXXgch31.0111001000wAXX模块二：瓦斯压力和瓦斯含量及测定模块二：瓦斯压力和瓦斯含量及测定2.1 煤层瓦斯压力及测定方法煤层瓦斯压力及测定方法2.1.1 有关煤层瓦斯压力的几个概念有关煤层瓦斯压力的几个概念v 瓦斯压力瓦斯压力v 煤层原始瓦斯压力
25、煤层原始瓦斯压力v 煤层残存瓦斯压力煤层残存瓦斯压力瓦斯压力瓦斯压力 -煤层孔隙或裂隙内气体分子自由运动撞击所产生的作用力，煤层孔隙或裂隙内气体分子自由运动撞击所产生的作用力，它在某一点上各向大小相等，方向与孔隙壁垒垂直。它在某一点上各向大小相等，方向与孔隙壁垒垂直。是决定是决定煤层瓦斯含量煤层瓦斯含量、瓦斯流动动力高低瓦斯流动动力高低以及以及瓦斯动力现瓦斯动力现象象的基本参数。的基本参数。煤层原始瓦斯压力煤层原始瓦斯压力 当煤层未受采动影响而处于原始赋存状态时，煤中平衡瓦斯当煤层未受采动影响而处于原始赋存状态时，煤中平衡瓦斯压力称之为煤层原始瓦斯压力，其物理单位为压力称之为煤层原始瓦斯压力，
26、其物理单位为MPaMPa。煤层残存瓦斯压力煤层残存瓦斯压力 当煤层受采动影响涌出一部分瓦斯后，此时煤层中残留瓦当煤层受采动影响涌出一部分瓦斯后，此时煤层中残留瓦斯的压力大小称之为煤层残存瓦斯压力，单位为斯的压力大小称之为煤层残存瓦斯压力，单位为MPaMPa。煤层的残。煤层的残存瓦斯压力总小于原始瓦斯压力。存瓦斯压力总小于原始瓦斯压力。2.1.1 有关煤层瓦斯压力的几个概念有关煤层瓦斯压力的几个概念2.1.2 煤层瓦斯压力分布的一般规律煤层瓦斯压力分布的一般规律p沿深度沿深度(沿煤层倾向沿煤层倾向)未受采动影响的煤层内的瓦斯压未受采动影响的煤层内的瓦斯压力，随深度的增加而有规律地增加力，随深度的
27、增加而有规律地增加存在：存在：nHHPP)()(12121）在未受采动影响煤层内）在未受采动影响煤层内n-系数常取系数常取1。故存在：故存在：gp-煤层瓦斯压力梯度，煤层瓦斯压力梯度，Mpa/m1212HHPPgp（H1,P1）(H2,P2)(H,P)H(m)P(MPa)2.1.2 煤层瓦斯压力分布的一般规律煤层瓦斯压力分布的一般规律根据瓦斯压力梯度可以预测深部煤层瓦斯压力。根据瓦斯压力梯度可以预测深部煤层瓦斯压力。预测计算式：预测计算式：式中：式中：P预测的甲烷带内深预测的甲烷带内深H(m)处的瓦斯压力，处的瓦斯压力，MPa gp瓦斯压力梯度，瓦斯压力梯度，MPa/m特例特例：式中：式中：P
28、0-甲烷带上部边界处瓦斯压力，取甲烷带上部边界处瓦斯压力，取0.2MPa。H0-甲烷带上部边界深度，甲烷带上部边界深度，m。举例：举例：某矿瓦斯风化带深度为某矿瓦斯风化带深度为100m，在，在200m处测得处测得煤层瓦斯压力为煤层瓦斯压力为0.5MPa，预测，预测300m处煤层瓦斯压力处煤层瓦斯压力。11)(PHHgPp00)(PHHgPpp沿走向沿走向 在地质条件相近的块段内，相同深度的同一煤层，具在地质条件相近的块段内，相同深度的同一煤层，具有大体相同的瓦斯压力。有大体相同的瓦斯压力。条件：条件：A A）孔隙、裂隙互相连通，形成一个统一的体系；）孔隙、裂隙互相连通，形成一个统一的体系；B
29、B）等量的瓦斯处于）等量的瓦斯处于孔隙容积相同孔隙容积相同的不同体系内。的不同体系内。C C）不等量的瓦斯处于）不等量的瓦斯处于孔隙容积按同比例孔隙容积按同比例的不同体系内的不同体系内 实际上，只能实际上，只能“大体相同大体相同”，而且可能差别。，而且可能差别。2.1.2 煤层瓦斯压力分布的一般规律煤层瓦斯压力分布的一般规律2）采动影响煤层）采动影响煤层 孔隙、含量发生变化，所以瓦斯压力发生变化，十分孔隙、含量发生变化，所以瓦斯压力发生变化，十分复杂，一般随深度增加瓦斯压力逐渐增大。复杂，一般随深度增加瓦斯压力逐渐增大。2.1.2 煤层瓦斯压力的测定煤层瓦斯压力的测定p 瓦斯压力测定步骤：瓦斯
30、压力测定步骤：打孔打孔-封孔封孔-测压测压u打孔打孔 要求：要求：测定地点无大裂隙，不位于破坏带，含水小。测定地点无大裂隙，不位于破坏带，含水小。注意：注意：钻孔到位后，用压气清渣钻孔到位后，用压气清渣1 1）直接测定法）直接测定法被动测压法被动测压法主动测压法主动测压法上行孔上行孔下行孔下行孔水平孔水平孔v固体材料封孔（固体材料封孔（19801980年以前）年以前）一般采黄泥作为固体材料一般采黄泥作为固体材料2.1.2 煤层瓦斯压力的测定煤层瓦斯压力的测定木楔木楔导气管（导气管（1520m紫铜管或铁管紫铜管或铁管）5m0.4m0.2m水泥水泥固体材料挡盘挡盘导气孔导气孔测压室测压室p 注意事
31、项注意事项（1 1）测压空间尽可能小；）测压空间尽可能小；（2 2）钻孔打完后，立即封孔，尤其是低透气性煤层；）钻孔打完后，立即封孔，尤其是低透气性煤层；（3 3）防止漏气；）防止漏气；（4 4）足够长的观察时间；）足够长的观察时间；（5 5）防止地下水的影响，尽可能不穿含水层，必须穿过）防止地下水的影响，尽可能不穿含水层，必须穿过含水层时，封孔应超过含水层。含水层时，封孔应超过含水层。2.1.2 煤层瓦斯压力的测定煤层瓦斯压力的测定2.2.1 有关煤层瓦斯含量的几个概念有关煤层瓦斯含量的几个概念v瓦斯含量瓦斯含量v煤层原始瓦斯含量煤层原始瓦斯含量v煤层残存瓦斯含量煤层残存瓦斯含量2.2 煤层
32、瓦斯含量及测定方法煤层瓦斯含量及测定方法瓦斯含量：瓦斯含量：单位质量或体积的煤中含有的瓦斯量。单位质量或体积的煤中含有的瓦斯量。m3/m3，m3/t煤层原始瓦斯含量：煤层原始瓦斯含量：当煤层未受采动影响而处于原始赋存状态时，单位重当煤层未受采动影响而处于原始赋存状态时，单位重量煤中所含有的换算成标准状态下（量煤中所含有的换算成标准状态下（0，0.1MPa）的瓦）的瓦斯体积称之为煤层原始瓦斯含量，它常用斯体积称之为煤层原始瓦斯含量，它常用m3/t和和cm3/g作作计量单位。计量单位。煤层残存瓦斯含量：煤层残存瓦斯含量：当煤层受采动影响而涌出一部分瓦斯后，单位重量煤当煤层受采动影响而涌出一部分瓦斯
33、后，单位重量煤中所含有的换算成标准状态下的瓦斯体积称之为煤层残中所含有的换算成标准状态下的瓦斯体积称之为煤层残存瓦斯含量。存瓦斯含量。2.2.1 有关煤层瓦斯含量的几个概念有关煤层瓦斯含量的几个概念2.2.2 煤层瓦斯含量测定煤层瓦斯含量测定1 1）直接测定法）直接测定法勘探钻孔煤芯解吸法勘探钻孔煤芯解吸法2.2.2 煤层瓦斯含量测定煤层瓦斯含量测定2.2.2 煤层瓦斯含量测定煤层瓦斯含量测定2.2.2 煤层瓦斯含量测定煤层瓦斯含量测定2.2.2 煤层瓦斯含量测定煤层瓦斯含量测定0.02()0.993 0.07110011 0.31100sttpabpA WXebpWTPVPTVXg000)(
34、11.000TTMPaP2 2）间接测定计算法）间接测定计算法p 游离态瓦斯游离态瓦斯粗略计算，假设：粗略计算，假设：PVXg10式中：式中：P-煤层瓦斯压力，煤层瓦斯压力，Mpa；V-煤的孔容。煤的孔容。则：则：p 吸附态瓦斯吸附态瓦斯p 煤层瓦斯含量煤层瓦斯含量X=Xg+X m3/t（马略特定律（马略特定律+朗格缪尔方程）朗格缪尔方程）2.2.2 煤层瓦斯含量测定煤层瓦斯含量测定2.2.2 煤层瓦斯含量测定煤层瓦斯含量测定中国矿业大学周世宁提出：中国矿业大学周世宁提出：式中：式中：X 煤层瓦斯含量，煤层瓦斯含量，m3/t；p 煤层瓦斯压力，煤层瓦斯压力，MPa；煤的瓦斯含量系数，煤的瓦斯含
35、量系数，m3/(m3.MPa1/2)2 2）间接测定计算法）间接测定计算法（含量系数法）（含量系数法）pX2.2.2 煤层瓦斯含量测定煤层瓦斯含量测定2.2.3 影响煤层瓦斯含量的因素影响煤层瓦斯含量的因素 煤层瓦斯含量主要取决于：煤层瓦斯含量主要取决于：瓦斯生成量；瓦斯生成量；瓦斯向煤层运移条件；瓦斯向煤层运移条件；煤层贮存瓦斯的性能。煤层贮存瓦斯的性能。影响因素影响因素地质构造地质构造水文地质水文地质条件条件煤层变质煤层变质程度程度煤层赋存煤层赋存条件条件煤层围岩煤层围岩性质性质p煤的变质程度煤的变质程度 在煤化作用过程中，不在煤化作用过程中，不断地产生瓦斯，煤化程度越断地产生瓦斯，煤化程
36、度越高，生成的瓦斯量越多。因高，生成的瓦斯量越多。因此，在其它因素相同的条件此，在其它因素相同的条件下，下，煤的变质程度越高，煤煤的变质程度越高，煤层瓦斯含量越大层瓦斯含量越大。煤的变质程度不仅影响煤的变质程度不仅影响瓦斯的生成量，还在很大程瓦斯的生成量，还在很大程度上决定着煤对瓦斯的吸附度上决定着煤对瓦斯的吸附能力。能力。2.2.3 影响煤层瓦斯含量的因素影响煤层瓦斯含量的因素p煤层的赋存条件煤层的赋存条件（1 1）露头）露头 成煤的地质年代中，若有露头长时间与大气相通，瓦成煤的地质年代中，若有露头长时间与大气相通，瓦斯沿煤层流动，煤层瓦斯往往沿煤层露头排放，瓦斯含斯沿煤层流动，煤层瓦斯往往
37、沿煤层露头排放，瓦斯含量大为减少。量大为减少。（2 2）煤层倾角）煤层倾角 煤层倾角愈大，煤层瓦斯含量愈低。煤层倾角愈大，煤层瓦斯含量愈低。Exp:芙蓉矿，北翼：芙蓉矿，北翼：40 80,南翼：南翼：6 12，2.2.3 影响煤层瓦斯含量的因素影响煤层瓦斯含量的因素平行垂直KKtmqCH/2034tmqCH/15034（3 3）埋藏深度）埋藏深度 在瓦斯风化带以下，煤层瓦斯含量、瓦斯压力和瓦斯在瓦斯风化带以下，煤层瓦斯含量、瓦斯压力和瓦斯涌出量都与深度的增加有一定的比例关系。涌出量都与深度的增加有一定的比例关系。一般情况下，煤层中的瓦斯压力随着埋藏深度的增加一般情况下，煤层中的瓦斯压力随着埋藏
38、深度的增加而增大。随着瓦斯压力的增加，煤与岩石中游离瓦斯量所而增大。随着瓦斯压力的增加，煤与岩石中游离瓦斯量所占的比例增大，同时煤中的吸附瓦斯逐渐趋于饱和。因此占的比例增大，同时煤中的吸附瓦斯逐渐趋于饱和。因此从理论上分析，从理论上分析，在一定深度范围内，煤层瓦斯含量亦随埋在一定深度范围内，煤层瓦斯含量亦随埋藏深度的增大而增加。但是如果埋藏深度继续增大，瓦斯藏深度的增大而增加。但是如果埋藏深度继续增大，瓦斯含量增加的速度将要减慢。含量增加的速度将要减慢。下表是前苏联学者黎金作的一下表是前苏联学者黎金作的一个计算实例。个计算实例。2.2.3 影响煤层瓦斯含量的因素影响煤层瓦斯含量的因素2.2.3
39、 影响煤层瓦斯含量的因素影响煤层瓦斯含量的因素2.2.3 影响煤层瓦斯含量的因素影响煤层瓦斯含量的因素p煤层围岩性质煤层围岩性质 煤层围岩煤层围岩是指煤层直接顶、老顶和直接底板等在内的是指煤层直接顶、老顶和直接底板等在内的一定厚度范围的层段。煤层围岩对瓦斯赋存的影响，决定一定厚度范围的层段。煤层围岩对瓦斯赋存的影响，决定于它的隔气、透气性能。于它的隔气、透气性能。当煤层顶板岩性为致密完整的岩石，如页岩、油母页当煤层顶板岩性为致密完整的岩石，如页岩、油母页岩时，煤层中的瓦斯容易被保存下来；岩时，煤层中的瓦斯容易被保存下来；顶板为多孔隙或脆性裂隙发育的岩石，如砾岩、砂岩顶板为多孔隙或脆性裂隙发育的
40、岩石，如砾岩、砂岩时，瓦斯容易逸散。时，瓦斯容易逸散。exp:exp:北京京西煤矿，不论是下侏罗统或是石炭二叠系北京京西煤矿，不论是下侏罗统或是石炭二叠系的煤层，尽管煤的牌号为无烟煤，由于煤层顶板为的煤层，尽管煤的牌号为无烟煤，由于煤层顶板为121216m16m的厚层中粒砂岩，透气性好，因此煤层瓦斯含量小，的厚层中粒砂岩，透气性好，因此煤层瓦斯含量小，矿井瓦斯涌出量低。矿井瓦斯涌出量低。2.2.3 影响煤层瓦斯含量的因素影响煤层瓦斯含量的因素p 地质构造地质构造 -是影响煤层瓦斯含量的主要因素之一。是影响煤层瓦斯含量的主要因素之一。表现表现：一方面是造成了瓦斯分布的不均衡，另一方面：一方面是造
41、成了瓦斯分布的不均衡，另一方面是形成了有利于瓦斯赋存或有利于瓦斯排放的条件。是形成了有利于瓦斯赋存或有利于瓦斯排放的条件。(1)(1)褶皱构造褶皱构造 褶皱的类型、封闭情况和复杂程度，对瓦斯赋存均褶皱的类型、封闭情况和复杂程度，对瓦斯赋存均有影响。有影响。当煤层顶板岩石透气性差，当煤层顶板岩石透气性差，且未遭构造破坏时，且未遭构造破坏时，背斜有利背斜有利于瓦斯的储存于瓦斯的储存，是良好的储气，是良好的储气构造，背斜轴部的瓦斯会相对构造，背斜轴部的瓦斯会相对聚集，瓦斯含量增大。聚集，瓦斯含量增大。形成形成“气顶气顶”。2.2.3 影响煤层瓦斯含量的因素影响煤层瓦斯含量的因素 在向斜盆地构造的矿区
42、，顶在向斜盆地构造的矿区，顶板封闭条件良好时，瓦斯沿垂直板封闭条件良好时，瓦斯沿垂直地层方向运移是比较困难的，大地层方向运移是比较困难的，大部分瓦斯仅能沿两翼流向地表。部分瓦斯仅能沿两翼流向地表。地质构造作用煤包、地地质构造作用煤包、地 垒、垒、地堑都为高瓦斯区。地堑都为高瓦斯区。（2 2）断层）断层 断层破坏了煤层的连续完整性，使煤层瓦斯运移断层破坏了煤层的连续完整性，使煤层瓦斯运移条件发生变化。有的断层有利于瓦斯排放，也有的断条件发生变化。有的断层有利于瓦斯排放，也有的断层对瓦斯排放起阻挡作用，成为逸散的屏障。前者称层对瓦斯排放起阻挡作用，成为逸散的屏障。前者称开放型断层开放型断层，后者称
43、，后者称封闭型断层封闭型断层。2.2.3 影响煤层瓦斯含量的因素影响煤层瓦斯含量的因素N22630CH4（m3/min）（c）（a）20423小马村矿中马村矿演马村矿O2O2O2李庄断层45大煤九里山断层426大煤凤凰岭断层p水文地质条件水文地质条件 地下水与瓦斯共存于煤层及围岩之中，其共性是均为地下水与瓦斯共存于煤层及围岩之中，其共性是均为流体，运移和赋存都与煤、岩层的孔隙、裂隙通道有关。流体，运移和赋存都与煤、岩层的孔隙、裂隙通道有关。由于地下水的运移，由于地下水的运移，一方面驱动着裂隙和孔隙中瓦斯的运一方面驱动着裂隙和孔隙中瓦斯的运移；另一方面又带动溶解于水中的瓦斯一起流动。移；另一方面
44、又带动溶解于水中的瓦斯一起流动。尽管瓦尽管瓦斯在水中的溶解度仅为斯在水中的溶解度仅为1 14%4%，但在地下水交换活跃的地，但在地下水交换活跃的地区，水能从煤层中带走大量的瓦斯，使煤层瓦斯含量明显区，水能从煤层中带走大量的瓦斯，使煤层瓦斯含量明显减少。同时，水吸附在裂隙和孔隙的表面，还减弱了煤对减少。同时，水吸附在裂隙和孔隙的表面，还减弱了煤对瓦斯的吸附能力。因此，地下水的活动有利于瓦斯的逸散。瓦斯的吸附能力。因此，地下水的活动有利于瓦斯的逸散。地下水和瓦斯占有的空间是互补的，这种相逆的关系，常地下水和瓦斯占有的空间是互补的，这种相逆的关系，常表现为水大地带瓦斯小，反之亦然。表现为水大地带瓦斯
45、小，反之亦然。2.2.3 影响煤层瓦斯含量的因素影响煤层瓦斯含量的因素p岩浆活动岩浆活动 岩浆活动对瓦斯赋存的影响比较复杂。岩浆侵入含煤岩岩浆活动对瓦斯赋存的影响比较复杂。岩浆侵入含煤岩系或煤层，在岩浆热变质和接触变质的影响下，煤的变质程系或煤层，在岩浆热变质和接触变质的影响下，煤的变质程度升高，增大了瓦斯的生成量和对瓦斯的吸附能力。度升高，增大了瓦斯的生成量和对瓦斯的吸附能力。(1)(1)在无隔气盖层、封闭条件不好的情况下，岩浆的高温作在无隔气盖层、封闭条件不好的情况下，岩浆的高温作用可以强化煤层瓦斯排放，使煤层瓦斯含量减小。用可以强化煤层瓦斯排放，使煤层瓦斯含量减小。(2)(2)岩浆岩体有
46、时使煤层局部被覆盖或封闭，成为隔气盖岩浆岩体有时使煤层局部被覆盖或封闭，成为隔气盖层。但在有些情况下，由于岩脉蚀变带裂隙增加，造成风化层。但在有些情况下，由于岩脉蚀变带裂隙增加，造成风化作用加强，可逐渐形成裂隙通道，而有利于瓦斯的排放。作用加强，可逐渐形成裂隙通道，而有利于瓦斯的排放。岩浆活动对瓦斯赋存既有生成、保存瓦斯的作用，在某岩浆活动对瓦斯赋存既有生成、保存瓦斯的作用，在某些条件下又有使瓦斯逸散的可能性。些条件下又有使瓦斯逸散的可能性。2.2.3 影响煤层瓦斯含量的因素影响煤层瓦斯含量的因素课后习题：课后习题：v模块一模块一 瓦斯地质瓦斯地质一填空题一填空题1 1、煤层瓦斯是（、煤层瓦斯是（）作用的产物，是在（）作用的产物，是在（）过程中形成的。）过程中形成的。2 2在成煤过程，大致可划分为（在成煤过程，大致可划分为（）和（）和（）两个成气时期。）两个成气时期。3 3、瓦斯在煤中呈两种状态存在，即（、瓦斯在煤中呈两种状态存在，即（）和（）和（）。主要是（）。主要是（）状）状态存在。态存在。4 4、游离瓦斯量的大小与瓦斯压力成（、游离瓦斯量的大小与瓦斯压力成（），与瓦斯温度成（），与瓦斯温度成（）。）。本章结束本章结束
