煤礦瓦斯防治技術(shù)研究

煤礦瓦斯防治技術(shù)研究

0瓦斯概況及成因中國(guó)約一半的煤礦是高維斯煤礦。大中型煤礦中,高瓦斯礦井占20.3%,瓦斯突出礦井占19.8%。重慶市100%、貴州省91.7%、江西省50%、湖南省50%、河南省40%的大中型煤礦具有煤與瓦斯突出危險(xiǎn)。小型礦井中,高瓦斯礦井占15%左右。在國(guó)有重點(diǎn)煤礦的609個(gè)礦井中,高瓦斯礦占26.8%,煤與瓦斯突出礦井占17.6%,低瓦斯礦占55.6%。國(guó)有地方煤礦和鄉(xiāng)鎮(zhèn)煤礦中,高瓦斯礦井和煤與瓦斯突出礦井約占15%。到目前為止,我國(guó)相當(dāng)一部分煤礦已進(jìn)入深部開采(600~800m),東部地區(qū)已有4個(gè)煤礦礦井的開采深度超過(guò)1000m,最深已達(dá)1400m;并以每年10~15m的速度向深部延深。隨著開采深度的增加,巖層應(yīng)力增大,瓦斯活動(dòng)的范圍受到限制,且不易排出,給深部含瓦斯煤層開采、瓦斯治理增加了難度。瓦斯是煤礦的主要災(zāi)害之一,瓦斯爆炸,甚至瓦斯連續(xù)爆炸的事故屢見不鮮,每年仍造成許多人員傷亡和巨大的財(cái)產(chǎn)損失。其發(fā)生事故的突發(fā)性、意外性和高危害性的特點(diǎn)和理論與實(shí)踐的不完善,至今仍然是煤礦難以解決的問題。因此,研究瓦斯在煤層和巖層中的涌出、運(yùn)移機(jī)理與礦井通風(fēng)參數(shù)的關(guān)系,預(yù)防瓦斯災(zāi)害,提高防災(zāi)救災(zāi)水平,是值得研究的重要課題。1瓦斯在壓力和高向壓力低側(cè)流動(dòng)特性中表現(xiàn)為輻射受研究表明,瓦斯在煤體和圍巖中,以游離和吸著狀態(tài)存在,其儲(chǔ)存取決于儲(chǔ)存空間的體積、瓦斯壓力和溫度。各種狀態(tài)的瓦斯是處在不斷的動(dòng)平衡之中,在一定條件下又具有相對(duì)穩(wěn)定性,外界條件的變化使這種穩(wěn)定性遭到破壞。例如當(dāng)壓力升高溫度下降時(shí)部分瓦斯即由游離狀態(tài)轉(zhuǎn)化為吸著狀態(tài)(吸附)。如壓力下降溫度升高,又會(huì)有部分瓦斯由吸著狀態(tài)轉(zhuǎn)化為游離狀態(tài)(解吸)。瓦斯壓力高向壓力低側(cè)流動(dòng)大多表現(xiàn)為涌出,其量大小取決于瓦斯壓力、滲透系數(shù)、瓦斯含量的大小。這些因素與自然因素、開采技術(shù)等因素有關(guān)。對(duì)1個(gè)采煤工作面來(lái)說(shuō),主要取決于煤體和圍巖以及鄰近層的瓦斯含量、工作面產(chǎn)量、開采范圍、煤體破壞程度、破碎煤塊在工作面停留時(shí)間、老空區(qū)容積大小、通風(fēng)狀況、老空區(qū)內(nèi)丟煤多少等因素有關(guān)。1.1瓦斯自然產(chǎn)出規(guī)律按照區(qū)域可分為采區(qū)、開拓區(qū)、采空區(qū)涌出瓦斯。以來(lái)源可分為原生瓦斯與積聚瓦斯的涌出。原生瓦斯涌出又稱之為一次涌出或直接涌出。如采掘工作面煤壁、井巷周壁、被破碎的煤塊向空氣中涌出的瓦斯,老空區(qū)周圍煤柱及鄰近層涌向老空區(qū)的瓦斯。其涌出機(jī)理:瓦斯從煤層中向空氣中涌出時(shí),其滲流速度一般僅為幾mm/min,屬于層流運(yùn)動(dòng),符合達(dá)西定律。瓦斯?jié)B流速度v(m/s):v=Ku??p?L(1)v=Κu??p?L(1)式中K——多孔介質(zhì)的滲流率,m2;u——流體的絕對(duì)粘度,Pa·s;瓦斯的絕對(duì)粘度為1.08×10-5Pa·s;?p/?L——壓力梯度,MPa/m;式(1)中K值表示介質(zhì)透過(guò)流體的難易程度,壓力梯度表示流體滲流時(shí)推力的大小,因此說(shuō)上式是滲流條件與動(dòng)力的關(guān)系式。如K和u值不變,則v值取決于壓力梯度的大小。我國(guó)煤層瓦斯壓力一般為0.6~4.8MPa,被破碎煤塊的殘余壓力為0.2~0.3MPa。礦井通風(fēng)壓力一般為1~3kPa,瓦斯壓力為礦井風(fēng)壓的幾百倍,可見風(fēng)壓變化對(duì)原生瓦斯自然涌出的影響是很微弱的。如將該因素從略,則原生瓦斯涌出方可以說(shuō)與風(fēng)壓無(wú)關(guān)。積聚瓦斯涌出又稱為間接涌出或二次涌出。如老空區(qū)、舊巷、高頂以及煤巖裂縫中聚集的瓦斯涌出。它的壓力與所處周圍巷中空氣的壓力相等,促使它向外涌出的能量主要靠氣體分子的內(nèi)能以及外界給予的能量,涌出量的大小取決于積存量和外界給予能量的大小。1.1.1氣體擴(kuò)散系數(shù)d瓦斯由高濃度向低濃度擴(kuò)散,是氣體分子內(nèi)能促使積存瓦斯涌出的形式之一。根據(jù)氣體分子擴(kuò)散方程:D=D0×1p(T273.15)2/3(2)D=D0×1p(Τ273.15)2/3(2)式中D——?dú)怏w擴(kuò)散系數(shù),m2/s;D0——當(dāng)p0=1MPa,T=273.15K時(shí)的氣體擴(kuò)散系數(shù),m2/s;CH4為1.96×10-5m2/s;p——大氣壓力,MPa;T——絕對(duì)溫度,K。從公式(2)中可知:①氣體擴(kuò)散系數(shù)D當(dāng)p=p0時(shí)與絕對(duì)溫度T成正比,如溫差10℃則D值±7%左右。②當(dāng)T0=T時(shí)則D值與氣壓p成反比。如主要通風(fēng)機(jī)風(fēng)壓為±1.334kPa,當(dāng)停止運(yùn)轉(zhuǎn)后則D變化在1.3%左右。1.1.2空氣膨脹、深燃地層當(dāng)積存瓦斯區(qū)附近井巷空氣壓力下降時(shí),積存瓦斯區(qū)的壓力也隨著下降到平衡為止,這個(gè)變化過(guò)程使積存瓦斯區(qū)的空氣發(fā)生膨脹,向周圍井巷中溢出,這是氣體分子內(nèi)能促使積存瓦斯涌出的形式之一。據(jù)氣體方程:p0V0T0=pVTp0V0Τ0=pVΤ當(dāng)T0=T時(shí),則V=p0V0p(3)V=p0V0p(3)公式(3)中,當(dāng)風(fēng)壓降低1.334kPa時(shí),使積存區(qū)氣體體積膨脹僅達(dá)1.3%,溫度升高10℃,引起膨脹也不過(guò)3.5%。1.1.3外擴(kuò)散需要達(dá)到20%的情況根據(jù)實(shí)驗(yàn),當(dāng)濃度為100%的瓦斯向外擴(kuò)散達(dá)到20%時(shí),需要1h。如果增加2倍,則時(shí)間要增加4倍,實(shí)驗(yàn)說(shuō)明,瓦斯由上向下擴(kuò)散是相當(dāng)緩慢的。1.2開采過(guò)程與礦山通風(fēng)參數(shù)之間的關(guān)系外界給予的能量是促使積存瓦斯涌出和運(yùn)移的主要形式。1.2.1回風(fēng)側(cè)瓦斯溢出量預(yù)測(cè)根據(jù)礦井不同通風(fēng)方式,在不同地點(diǎn)分別測(cè)定礦井風(fēng)量、風(fēng)壓和絕對(duì)瓦斯涌出量。具體數(shù)據(jù)分別見表1和表2。從表1、表2中可知,瓦斯絕對(duì)涌出量隨風(fēng)量的增減而增減,而通風(fēng)方式及風(fēng)壓對(duì)瓦斯絕對(duì)涌出量的影響是微小的。一般計(jì)算采煤工作面的瓦斯涌出量q,m3/min,q=q工+q煤+q老(4)式中q工——工作面及入回風(fēng)道煤幫、頂、底板的絕對(duì)瓦斯涌出量,m3/min;q煤——工作面破碎煤塊的絕對(duì)瓦斯涌出量,q煤=qCH×T,T為出煤量,t/min,qCH為破碎煤塊的瓦斯涌出量,m3/t;q老——老空區(qū)及鄰近層涌向回風(fēng)中的絕對(duì)瓦斯涌出量。在公式(4)中,當(dāng)火災(zāi)停產(chǎn),風(fēng)量不變的情況下,q煤=0,則q=q工+q老,據(jù)停產(chǎn)后實(shí)測(cè)資料表明q也隨風(fēng)量減少而下降,當(dāng)風(fēng)量在200m3/min以上時(shí),則q與風(fēng)量Q的變化接近正比關(guān)系。當(dāng)風(fēng)量顯著大量減少后,q也突然下降,實(shí)質(zhì)是老空區(qū)內(nèi)積存瓦斯量顯著上升的結(jié)果,這并不是工作面瓦斯涌出量減少了,而是排出量減少了,表3就能說(shuō)明問題。這里q工是屬于原生瓦斯的涌出量,風(fēng)壓變化影響甚弱,可以說(shuō)是個(gè)定值。受通風(fēng)影響的是積存瓦斯,準(zhǔn)確的說(shuō)法應(yīng)該是在風(fēng)量變化后一定時(shí)間內(nèi)是如此。風(fēng)量降低到最低限度,回風(fēng)側(cè)瓦斯涌出量預(yù)測(cè)按(5)式計(jì)算,計(jì)算法一般大于實(shí)測(cè)法,對(duì)安全是有利的。q2=q1Q2Q1(5)q2=q1Q2Q1(5)式中q1,Q1——為正常通風(fēng)時(shí)的瓦斯絕對(duì)涌出量與風(fēng)量;q2,Q2——為停風(fēng)后,短時(shí)間內(nèi)的瓦斯絕對(duì)涌出量與風(fēng)量。1.2.2正常通風(fēng)情況下采區(qū)瓦斯儲(chǔ)存及排放特征根據(jù)實(shí)測(cè):①平巷中風(fēng)流速度<0.7m/s,則巷道頂部出現(xiàn)分層現(xiàn)象;②風(fēng)速<0.5m/s時(shí),底板涌出的瓦斯向上方擴(kuò)散到頂板后沿頂板順風(fēng)移動(dòng);③沿頂板移動(dòng)的瓦斯經(jīng)高頂處介質(zhì)浮力作用向高頂內(nèi)部集中;④由于擴(kuò)散作用,當(dāng)瓦斯與空氣一旦均勻混合后,不會(huì)因?yàn)橥咚贡戎剌p而上浮,瓦斯分層的出現(xiàn)是瓦斯尚未與空氣均勻混合以前的現(xiàn)象;⑤國(guó)際報(bào)導(dǎo)中,正常通風(fēng)狀態(tài)下,因?yàn)橥咚狗謱蛹皽u流而發(fā)生過(guò)瓦斯燃燒事故。事實(shí)證明瓦斯積存或分層與風(fēng)速有密切關(guān)系。對(duì)采區(qū)來(lái)說(shuō),積存瓦斯的地點(diǎn)在老塘內(nèi),正常通風(fēng)情況下,當(dāng)生產(chǎn)停止時(shí),瓦斯絕對(duì)涌出量隨風(fēng)量增加而增加,是由于老空區(qū)內(nèi)漏風(fēng)(風(fēng)流擴(kuò)散以及老塘與連通舊巷的封閉不良產(chǎn)生漏風(fēng))增多,介質(zhì)漏風(fēng)風(fēng)流的空吸與粘滯力的摩擦作用把老空區(qū)內(nèi)的瓦斯大量帶入回風(fēng)流中的結(jié)果。風(fēng)量減少向老空區(qū)內(nèi)的漏風(fēng)也減少,攜帶和空吸作用也算比較明顯,停止送風(fēng)時(shí)這種作用就沒有了。從現(xiàn)象上理解,采區(qū)瓦斯涌出量減少了,實(shí)質(zhì)是老空區(qū)內(nèi)瓦斯積存量增多了。即回風(fēng)q停=q-q老=q工,根據(jù)高瓦斯礦井7個(gè)長(zhǎng)壁全部陷落采煤工作面瓦斯來(lái)源調(diào)查表明:老空區(qū)瓦斯涌出量占采區(qū)總涌出量的34.5%~72.6%。實(shí)測(cè)研究表明,當(dāng)停風(fēng)后恢復(fù)通風(fēng)初期,絕對(duì)瓦斯涌出量出現(xiàn)駝峰現(xiàn)象,隨后逐漸穩(wěn)定,也可以證明此點(diǎn)。一般封閉前大量向火區(qū)內(nèi)逆風(fēng)排出積存瓦斯以達(dá)到推遲爆炸時(shí)間的目的,就是據(jù)此采取的。無(wú)風(fēng)流的情況下瓦斯擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)仍在進(jìn)行,只有混合均一之后才能停止,但擴(kuò)散速度不僅受壓力、溫度所影響,同時(shí),也受所處環(huán)境影響。1.2.3采動(dòng)瓦斯?jié)舛鹊挠?jì)算方法該瓦斯運(yùn)移主要克服巷道周壁和支架的摩擦阻力以及空氣粘力,根據(jù)緩斜井巷瓦斯自由流動(dòng)理論,瓦斯流速v,m/s;v=3g×△ρρ×QmW×sinαCw????????????????√(6)v=3g×△ρρ×QmW×sinαCw(6)式中g(shù)——9.81;ρ——瓦斯與空氣密度差(0.577kg/m3);ρ——干空氣的密度(1.293kg/m3);Qm——絕對(duì)瓦斯涌出量,m3/min;W——巷道寬度,m;α——頂板坡度,(°);Cw——摩擦阻力系數(shù)。例如Qm=0.5m3/min,α=70°,W=4m,Cw=0.01,代入(6)式中計(jì)算得到v=2.132m/s。瓦斯在無(wú)風(fēng)的情況下運(yùn)移速度也是很快的。瓦斯運(yùn)移過(guò)程也是向空氣中擴(kuò)散的過(guò)程,采區(qū)內(nèi)的瓦斯涌出是全面的、連續(xù)的,擴(kuò)散也是連續(xù)的,所以停風(fēng)后回風(fēng)道的瓦斯?jié)舛染褪枪ぷ髅娴耐咚節(jié)舛?。根?jù)實(shí)測(cè)也證明了這一點(diǎn),具體見表4所示。2風(fēng)速和風(fēng)力對(duì)瓦斯絕對(duì)溢出量的影響(1)原生瓦斯涌出量與礦井通風(fēng)風(fēng)壓的改變無(wú)關(guān)。(2)積存瓦斯涌出在正常通風(fēng)情況下,隨著風(fēng)量的增減而增減,為正變關(guān)系,接近正變關(guān)系。(3)瓦斯的絕對(duì)涌出量隨風(fēng)量的增減而增減,而通風(fēng)方式及風(fēng)壓對(duì)瓦斯絕對(duì)涌出量的影響是微小的。(4