瓦斯防治第1講

礦井瓦斯防治技術(shù)安全工程學(xué)院王亞年來全國煤礦瓦斯事故情況

2005年3月，國務(wù)院決定成立煤礦瓦斯防治部際協(xié)調(diào)領(lǐng)導(dǎo)小組。三年來，全國煤礦瓦斯事故總量和死亡人數(shù)均有較大幅度下降。

2005年，發(fā)生瓦斯事故414起、死亡2171人。2006年，發(fā)生瓦斯事故327起、死亡1319人。2007年，發(fā)生瓦斯事故272起、死亡1084人。2008年，發(fā)生瓦斯事故182起、死亡778人，

2008年共發(fā)生較大瓦斯事故63起、死亡290人，重特大瓦斯事故18起、死亡352人。

●瓦斯事故主要發(fā)生在低瓦斯礦井

“十一五”期間我國較大瓦斯事故礦井瓦斯等級分布情況

重大以上瓦斯事故：低瓦斯礦井占37.5%；高瓦斯礦井占23.9%；煤與瓦斯突出礦井占30.7%；未鑒定礦井占8%。煤礦安全生產(chǎn)存在的主要問題行業(yè)管理弱化對煤礦安全生產(chǎn)影響深遠

企業(yè)安全生產(chǎn)主體責任落實不到位煤礦安全投入不足、安全裝備水平低煤礦安全科技水平低，重大災(zāi)害預(yù)防與治理關(guān)鍵技術(shù)亟待解決煤礦專業(yè)技術(shù)人才匱乏，從業(yè)人員整體素質(zhì)偏低煤礦安全監(jiān)管監(jiān)察執(zhí)法環(huán)境有待改善

我國煤礦的自然條件平均每年增加10m，我國最大開采深度已超過1000m。平均開采深度410m；美國煤層平均埋深200~300m，500m以上只占17.5%；露天礦比重：中國3.4%美國66%印度73.8%澳大利亞69.6%南非40%

煤礦瓦斯大，煤與瓦斯突出越來越嚴重

在724處國有重點煤礦中，高瓦斯礦井152處，占21.0％；煤與瓦斯突出礦井154處，占21.3％；低瓦斯礦井418處，占57.7％。地方國有煤礦和鄉(xiāng)鎮(zhèn)煤礦中，高瓦斯和煤與瓦斯突出礦井占15％。隨著開采深度的增加，瓦斯涌出量的增大，高瓦斯和煤與瓦斯突出礦井的比例還會增加。

自然發(fā)火危險性嚴重，比例大、覆蓋面廣大中型煤礦中，自然發(fā)火危險程度嚴重或較嚴重(Ⅰ、II、III級)的煤礦占總數(shù)的72.86％。國有重點煤礦中，具有自然發(fā)火危險的礦井占47.3％。小煤礦中，煤層自然發(fā)火期不足6個月的煤礦占47.41％，煤層自然發(fā)火期為6～12個月的煤礦占47.85％由于煤層自燃，我國每年損失煤炭資源2億噸左右。我國煤礦的自然條件沖擊地壓危險性增大，個別煤礦十分嚴重我國910處大中型煤礦中具有沖擊地壓危險的煤礦47處,占5.16％。隨著開采深度的增加，現(xiàn)有沖擊地壓礦井的沖擊地壓頻率和強度在不斷增加，少數(shù)礦井頻繁發(fā)生礦震煤塵爆炸危險普遍存在，危害嚴重全國煤礦中，具有煤塵爆炸危險的礦井占煤礦總數(shù)的60％以上，煤塵爆炸指數(shù)在45％以上的煤礦占16.3％。國有重點煤礦中具有煤塵爆炸危險性的煤礦占87.37％，其中具有強爆炸性的占60％以上。我國煤礦的自然條件

水文地質(zhì)條件復(fù)雜，水害制約安全生產(chǎn)

我國大中型煤礦中，水文地質(zhì)條件屬于復(fù)雜或極復(fù)雜類型的煤礦占25.04%。煤礦熱害已成為礦井新的災(zāi)害

1999年，70處大中型生產(chǎn)井工煤礦的采掘工作面最高氣溫超過《煤礦安全規(guī)程》的要求，其中26處超過30℃，最高達到37℃。隨著開采深度的增加、圍巖溫度提高，礦井熱害問題越來越突出。職業(yè)危害嚴重

據(jù)衛(wèi)生部統(tǒng)計，2002年底，中國塵肺病累計病例達到萬人，其中仍然存活者44萬多人。2002年，全國共報塵肺病患者12448例，其中煤礦系統(tǒng)的塵肺病例占47.6%(僅為原國有重點煤礦病例數(shù)，不包括地方煤礦和鄉(xiāng)鎮(zhèn)煤礦)。每年塵肺病造成的直接經(jīng)濟損失達80億元人民幣。2003年，全國產(chǎn)煤17.4億噸，其中地方煤礦和鄉(xiāng)鎮(zhèn)煤礦占9億噸，占一半多。專家認為，全國估計有120多萬塵肺病患者，這意味著每1000個中國人中就有一個塵肺病患者。超能力、超強度開采

一些煤礦為了追求利潤，急功近利，不惜拚人力，搞人海戰(zhàn)術(shù)，無設(shè)計或不按設(shè)計施工作業(yè)，在局部區(qū)域內(nèi)布置很多采掘工作面，導(dǎo)致井下一個班作業(yè)人員高達數(shù)百人。由于生產(chǎn)組織集中，導(dǎo)致事故擴大，傷亡慘重。河北承德暖兒河煤礦在513工作面布置上、下2個回采工作面，在走向長和傾斜寬都不到70米的區(qū)域內(nèi)，采掘工作面和切眼多達9個，導(dǎo)致風流短路，致使513下采煤工作面瓦斯積聚發(fā)生爆炸事故，死亡50人。廣東梅州市大興煤礦井下布置46個采掘工作面，亂采亂挖，十分混亂。不少竟是文盲，不懂規(guī)程，難以實施有效管理。違法違規(guī)組織生產(chǎn)現(xiàn)象嚴重

一些煤礦礦主為追求高額利潤，無視國家法律法規(guī)，鋌而走險，抗拒執(zhí)法，無證或證照不全違法組織生產(chǎn)，超層越界開采。據(jù)統(tǒng)計，2005年58起特大事故中有8起是超層越界開采造成的。

1本課程內(nèi)容結(jié)構(gòu)及考核方式研究對象煤礦瓦斯瓦斯特性賦存介質(zhì)一般涌出特殊涌出災(zāi)害能源噴出突出防治不防治瓦斯災(zāi)害防治技術(shù)措施瓦斯爆炸瓦斯抽采瓦斯利用課程考核方式通風專業(yè)統(tǒng)招：平時30考試70%通風專業(yè)定向：平時20實驗10考試70%1瓦斯的概念概念：井下從煤巖中涌出的以甲烷（CH4）為主的有毒、有害氣體的總稱，有時單獨指甲烷。來源：主要來源于煤層及圍巖內(nèi)涌出到礦井中的氣體。此外，礦井生產(chǎn)中產(chǎn)生的氣體如放炮產(chǎn)生的炮煙等，井下空氣與煤、巖、礦用材料等反應(yīng)生成的氣體，井下人員呼吸生成的氣體也是礦井瓦斯重要來源。瓦斯賦存與含量

課題一：瓦斯基本知識瓦斯賦存與含量

課題一：瓦斯基本知識來源：

(1)煤巖內(nèi)賦存的氣體

(2)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的氣體

(3)井下空氣與礦物及其他材料反應(yīng)產(chǎn)生的氣體

(4)放射性物質(zhì)衰變產(chǎn)生惰性氣體氡（放射性）和氦2瓦斯的性質(zhì)瓦斯賦存與含量

課題一：瓦斯基本知識化學(xué)式：CH4分子量：16.042kg/kmol密度：0.7168kg/m3沸點：-161.7℃（0.1MPa下）液態(tài)密度：415kg/m3水中的溶解度：55.6l/m3發(fā)熱量：8568大卡/m3分子直徑：0.41×10-9m分子體積：22.36m3/kmol對空氣的比重：0.5545溶點：-182.5℃擴散系數(shù)：0.196cm2/s空氣中的爆炸下限：5%空氣中的爆炸上限：15%

污染環(huán)境，加劇大氣“溫室效應(yīng)”：21倍/7倍可造成瓦斯窒息事故●瓦斯?jié)舛取?3%時，呼吸短促●瓦斯?jié)舛冗_≥57%時，即刻昏迷可釀成瓦斯燃燒事故●瓦斯?jié)舛鹊陀凇?%或≥15%

引起瓦斯爆炸事故●瓦斯?jié)舛仍?～15%

產(chǎn)生煤與瓦斯突出事故3瓦斯研究背景

之一：瓦斯的危害性

瓦斯利用可以獲得直接效益出售減排碳指標抽采利用財政補貼和稅收減免減排減少的污染罰款促進抽采帶來的安全和煤炭開采效益3瓦斯研究背景

之二：瓦斯利用的效益中國煤礦瓦斯對空直接排放量約135億m3直排低濃度瓦斯中約含15億m3的純甲烷，相當于180萬t標準煤，如將其用來發(fā)電，每年可發(fā)電4億kWh，節(jié)約電費20億元。中國煤礦瓦斯對空排放量占全部工業(yè)生產(chǎn)排放甲烷量的1/3，占中國年總溫室氣體排放量的近5%。5%~25%的低濃度瓦斯極容易爆炸,如果及時抽采用于利用，將很大程度地消除這一煤礦安全生產(chǎn)隱患。瓦斯利用節(jié)約能源環(huán)境保護安全生產(chǎn)3瓦斯利用技術(shù)研究背景

之三：我國瓦斯利用現(xiàn)狀低濃度煤礦瓦斯直接利用技術(shù)低濃度瓦斯氧化技術(shù)民用/工業(yè)燃氣CNG清潔能源汽車LNG瓦斯液化技術(shù)低濃度瓦斯發(fā)電技術(shù)高濃度煤礦瓦斯直接利用技術(shù)GH瓦斯固化技術(shù)PSA技術(shù)LNG技術(shù)GH技術(shù)4瓦斯直接利用技術(shù)

之一：低濃度瓦斯發(fā)電技術(shù)瓦斯發(fā)電原理：井下抽采瓦斯與空氣混合后，在發(fā)電機燃燒室(汽缸)內(nèi)發(fā)生爆燃，推動活塞往復(fù)運動做功，將爆燃熱能轉(zhuǎn)換為機械能；發(fā)動機與發(fā)電機通過彈性連軸器連接,將動力傳給發(fā)電機，將機械能轉(zhuǎn)化為電能。低濃度瓦斯發(fā)電(瓦斯?jié)舛?%~25%)低濃度瓦斯輸送工藝流程是：瓦斯經(jīng)水位自控水封阻火器和瓦斯專用干式阻火器，進入細水霧變送管道與細水霧混合輸送。4瓦斯直接利用技術(shù)

之二：低濃度瓦斯氧化技術(shù)

流向變換催化燃燒技術(shù)將預(yù)熱、反應(yīng)和熱量回收三個部分集成在一個設(shè)備內(nèi)，將低濃度瓦斯或礦井通風氣（甲烷濃度0.5~6.0vol%）中甲烷的燃燒熱安全、高效地轉(zhuǎn)化為中壓蒸汽或進一步用于發(fā)電，一方面回收了巨量低濃度甲烷的化學(xué)能，另一方面減少了溫室氣體甲烷的排放，可用于清潔發(fā)展機制的碳交易產(chǎn)生經(jīng)濟效益。

國內(nèi)，北京化工大學(xué)對流向變換催化反應(yīng)技術(shù)進行了十多年的系統(tǒng)研究，近年在小型中試規(guī)模（催化劑裝填量1升）上開展了0.5~6.0vol%低濃度甲烷流向變換催化燃燒的研究，效果非常顯著；在甲烷濃度1.0%的條件下，反應(yīng)混合物最高溫度即可達750度，完全可以作為中壓廢熱鍋爐的熱源利用。這項技術(shù)的研究我國走在前列，通過專利授權(quán)搜索，未發(fā)現(xiàn)國際專利。4瓦斯直接利用技術(shù)

之三：民用/工業(yè)燃氣→以晉煤集團為例2008年，已形成瓦斯井1400口，產(chǎn)氣能力6億立方米；投入運行339口，單井日產(chǎn)近2500立方米，日總產(chǎn)氣量80萬立方米。利用量抽采量地面鉆井2007年：地面利用量1.06億立方米2007年：地面抽采量2.1億立方米2007年，達到880口晉煤集團瓦斯項目寺河礦地面本煤層預(yù)抽采泵站的抽采能力為2億m3/a，井下采空區(qū)抽采泵站抽采能力為1億m3/a。地面泵站安裝了6臺CBF710型水環(huán)式真空泵。井下泵站安裝了5臺2BE1-705水環(huán)式真空泵。豐城合作區(qū)兩淮煤田沁水盆地河?xùn)|合作區(qū)準格爾合作區(qū)準南煤田瓦斯輸送途徑之一：管道灌裝壓縮煤層瓦斯氣的運輸槽車

瓦斯壓縮機車間瓦斯輸送途徑之二：壓縮車載利用瓦斯的回轉(zhuǎn)窯居民燃氣燃氣鍋爐燃用瓦斯生產(chǎn)陶瓷4瓦斯直接利用技術(shù)

之四：CNG清潔能源汽車

被稱為綠色汽車，在環(huán)保方面具有顯著效益。與使用汽油作為動力相比較，汽車尾氣中的CO可減少97%，碳氫化合物減少72%，二氧化硫減少90%，噪聲減少40%，導(dǎo)致人體呼吸道疾病及癌癥的苯、鉛粉塵等減少100%。汽車燃“氣”與燃“油”相比，一、每年可節(jié)約40%至50%的費用；二、可大幅減少CO等污染物的排放。CNG技術(shù)是利用氣體的可壓縮性，將15～25MPa高壓瓦斯作為一種理想的車用替代能源。

CNG加氣站的主要設(shè)備包括壓縮機、儲罐、控制系統(tǒng)及加氣機等。瓦斯經(jīng)壓縮機從供氣管路抽氣并直接通過加氣機的軟管送入加氣汽車的CNG鋼瓶之中。4瓦斯直接利用技術(shù)

之五：LNG瓦斯液化技術(shù)

低溫液化后的煤層氣體積縮小625倍，一臺35立方米的標準液化氣槽車可運輸21000標方煤層氣，相當于8個標準氣井的全部日產(chǎn)量。液化槽車是“高速公路上的天然氣管道”，“通公路的地方就通液化天然氣”，“液化技術(shù)為煤層氣裝上了輪子”。液化后便于進行經(jīng)濟可靠的運輸。儲存效率高、占地少、投資省。建成1MPa的6座l000m3的天然氣球罐的投資，要比建成1座儲氣量相當?shù)?.5MPa的100m3LNG儲罐的投資高出80倍之多。有利于城市負荷的平衡調(diào)節(jié)。目前，在美國、日本、歐洲已建成投產(chǎn)100多座LNG調(diào)峰裝置。LNG可作為優(yōu)質(zhì)的車用燃料。瓦斯成因生物化學(xué)成氣時期煤化變質(zhì)作用時期1瓦斯的生成煤礦瓦斯--殺手.wmv從圖中可以看出，CH4的生成是個連續(xù)相，即在整個變質(zhì)階段的各個時期都不斷地有CH4生成，只是各階段生成的數(shù)量有較大的波動而已；但是，重烴的生成則是個不連續(xù)相。實踐表明，這個以人工熱演化產(chǎn)生瓦斯為基礎(chǔ)的模型與實測的結(jié)果在趨勢上是一致的。瓦斯生成的影響因素及其分折1煤巖組分煤的有機顯微組分可以分為鏡質(zhì)組(鏡質(zhì)體)、惰質(zhì)組（絲質(zhì)體）和殼質(zhì)組（角質(zhì)體）。這些組分產(chǎn)烴的能力大小次序是殼質(zhì)組＞鏡質(zhì)組＞惰質(zhì)組，其結(jié)果見表1-1-2。

實際資料證實：煤巖組分與瓦斯吸附量之間存在著十分清楚的依附關(guān)系，即甲烷吸附量隨著煤不同的煤化作用階段而發(fā)生變化(如圖1-2-1所示)。

從圖中可以看出，鏡質(zhì)組在肥煤階段甲烷吸附量最小，肥煤以后吸附量迅速增加，并在焦煤、瘦煤階段以后超過惰質(zhì)組。因此，肥煤階段是鏡質(zhì)組甲烷吸附量的一個轉(zhuǎn)折點；惰質(zhì)組的甲烷吸附量是隨著煤化作用程度的提高而呈直線型緩慢增長。2煤化作用程度及其變質(zhì)分帶

◆第一，煤層瓦斯的伴生量直接依賴于煤化作用程度；

◆第二，隨著煤化作用程度的加深，煤的氣體滲透率下降，煤的儲氣能力提高，氣體沿煤層向地表運移能力減弱；

◆第三，煤化作用程度越高，煤中微孔隙和超微孔隙所占比例提高，煤的吸附能力增強。

在成煤初期，褐煤的結(jié)構(gòu)疏松，孔隙率大、瓦斯分子能滲入煤體內(nèi)部，但是，由于該階段瓦斯生成量較少且不易保存，煤中實際所含瓦斯量并不大。在變質(zhì)作用過程中，由于地應(yīng)力的作用，煤的孔隙率減少，煤質(zhì)漸趨致密，如長焰煤，其孔隙和表面積都比較小，所以吸附瓦斯的能力并不大。

隨著變質(zhì)作用程度提高，在高溫、高壓作用下，煤體內(nèi)部因干餾作用而生成許多微孔隙，使煤的表面積到無煙煤時為最大；因此，無煙煤吸附瓦斯的能力最強。以后，煤體內(nèi)部的微孔又收縮、減少，到石墨時變?yōu)榱悖瑥亩鴮?dǎo)致吸附瓦斯能力消失(如圖1-2-1所示)。

變質(zhì)作用總的規(guī)律表現(xiàn)為：

◆晚古生代以中、高煤化煤占較大比例，尚未發(fā)現(xiàn)低煤化煤如褐煤；

◆中生代雖有褐煤，但以中、低煤化煤為主，并伴隨有高煤化煙煤以至無煙煤；

◆第三紀則不僅有褐煤，而且也有低煤化煙煤。因此，目前的研究結(jié)果基本上反映出成煤時期越久，經(jīng)歷的地質(zhì)歷史越長，煤化作用程度就越高的趨勢。

◆從地區(qū)上看，大致在北緯38°以北，包括東北地區(qū)和西北大部分地區(qū)，基本上是以褐煤和低、中煤化作用煙煤為主；

◆而北緯38°以南的華北地區(qū)則具有各種變質(zhì)作用程度的煙煤和無煙煤；

◆西南地區(qū)主要是中、高煤化煙煤賦存的地區(qū)，而東南地區(qū)則以高煤化煙煤和無煙煤占優(yōu)勢。這種分布規(guī)律與煤礦瓦斯分布有一定的吻合性，其具體表現(xiàn)在西北地區(qū)為低、中瓦斯區(qū)，華北地區(qū)為中瓦斯區(qū)，而華南地區(qū)則為高瓦斯區(qū)?！鲆陨鲜聦嵄砻鳎夯饔梅謳г谝欢ǔ潭壬嫌绊懼簩油咚沟纳膳c賦存。1.1瓦斯在煤體內(nèi)賦存狀態(tài)瓦斯在煤體內(nèi)存在狀態(tài)吸附瓦斯游離瓦斯吸收狀態(tài)吸著狀態(tài)以自由氣體分子存在于煤體或圍巖的較大裂隙、孔隙和空洞之中。在與顆粒固體在分子之間引力作用下，被吸著在煤體孔隙的內(nèi)表面上。瓦斯分子進入煤體顆粒結(jié)構(gòu)內(nèi)部，與煤體固體分子相結(jié)合。1瓦斯的生成及賦存1.2、煤層瓦斯垂向分帶：當煤層直達地表或直接為透氣性較好的第四系沖積層覆蓋時，由于煤層中瓦斯向上運移和