矿井瓦斯与矿尘防治技术课件第1章-.ppt
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- 矿井 瓦斯 矿尘 防治 技术 课件
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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
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