礦井地質(zhì)學(xué)講義 第四章 煤礦安全地質(zhì)

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1、第四章煤礦安全地質(zhì)影響煤礦安全生產(chǎn)的主要因素有人的思想和技術(shù)素質(zhì)、安全設(shè)施和安全管理，以及地質(zhì)和水文地質(zhì)條件等。因此，要徹底改善煤礦的安全狀況，必須采取綜合治理的辦法。1986年以來，為推動礦井地質(zhì)為煤礦安全生產(chǎn)服務(wù)，在我國礦井地質(zhì)界提出了煤礦安全地質(zhì)這一核念。煤礦安全地質(zhì)或稱煤礦災(zāi)害地質(zhì)，它是研究與煤礦安全有關(guān)的各種地質(zhì)條件，著重從地質(zhì)角度研究災(zāi)害產(chǎn)生的原因和規(guī)律，影響因素和判別指標(biāo)，預(yù)測理論和方法等。其目的是為安全部門制定防治災(zāi)害措施，開展災(zāi)害預(yù)測預(yù)報(bào)，進(jìn)而變害為利提供地質(zhì)依據(jù)。眾所周知，涉及煤礦安全的地質(zhì)條件很多，如煤礦水、火、瓦斯和頂板災(zāi)害都不同程度地與地

2、質(zhì)條件有關(guān)。本章僅就瓦斯地質(zhì)、煤的自燃、煤塵爆炸等內(nèi)容分別予以介紹，重點(diǎn)是瓦斯地質(zhì)。第一節(jié)瓦斯地質(zhì)瓦斯地質(zhì)是從地質(zhì)角度研究煤層瓦斯和煤與瓦斯突出規(guī)律，為煤礦安全和能源開發(fā)服務(wù)的一門新興邊緣學(xué)科。它主要研究瓦斯的形成、瓦斯的賦存和煤與瓦斯突出的地質(zhì)條件、以及瓦斯危險(xiǎn)性預(yù)測等方面的內(nèi)容。據(jù)1981年統(tǒng)計(jì)，我國主要煤礦多局沼氣礦井，其中高沼氣礦井占29.5％，煤與瓦斯突出礦井占17％，低沼氣礦井占53.5%。隨著礦井的不斷延深，高沼氣和煤與瓦斯突出礦井的比例還會逐步提高，許多礦井實(shí)際上已變成“煤—瓦斯”礦井。因此開展瓦斯地質(zhì)研究，對于保證煤礦安全和有針對性地選用防突措施

3、，以及提高煤炭工業(yè)經(jīng)濟(jì)效益、充分利用瓦斯資源都具有重要意義。一、瓦斯概述(一)瓦斯的成分與性質(zhì)瓦斯是指在煤礦生產(chǎn)過程中，從煤層和圍巖中泄出的一種多成分的混合氣體。瓦斯中甲烷占絕大多數(shù)，其次為氮?dú)夂投趸?，其它成分的含量很少。?jù)蘇聯(lián)頓巴斯礦區(qū)的統(tǒng)計(jì)資料，按體積百分含量(即濃度)計(jì)算，瓦斯中甲烷占70～96％，氮?dú)?.5～3％，二氧化碳占0.3～2％，以及少量的重?zé)N和微量的惰性氣體。由于甲烷是礦井瓦斯的主要成分，因此一般礦井所說的瓦斯僅指甲烷而言。甲烷俗稱沼氣CH4，為無色、無嗅、無味、無毒，可以燃燒和爆炸的氣體。在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，1m3的甲烷重0.716kg。對空氣的

4、比重為0.554，比空氣輕，聚積在巷道上部?；瘜W(xué)性穩(wěn)定，微溶于水，易于擴(kuò)散，滲透巖體的能力為空氣的1.6倍。當(dāng)空氣中混有5～l6％的沼氣時(shí)，遇高溫能引起爆炸?？赡墚a(chǎn)生爆炸的沼氣的最低濃度稱為爆炸下限；最高濃度稱為爆炸上限。《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定：在礦井總回風(fēng)流中，沼氣濃度應(yīng)小于0.75％，在采掘工作面回風(fēng)流中，沼氣濃度應(yīng)小于1％。瓦斯是一種能源，1m3的瓦斯大約有3724.79kJ(889.65kcal)的發(fā)熱量。二氧化碳CO2為無色、無嗅、略帶酸味、有一定毒性的氣體。對空氣的比重為1.52，比空氣重，停積在巷道下部。大量二氧化碳可使人窒息?！睹旱V安全規(guī)程》規(guī)定：在

5、礦井總回風(fēng)流中二氧化碳濃度應(yīng)小于0.75%；在采掘工作面回風(fēng)流中應(yīng)小于1％。(三)瓦斯的賦存狀態(tài)煤內(nèi)瓦斯賦存狀態(tài)主要有游離和吸附兩種。以氣體分子自由運(yùn)動于煤層孔隙和裂隙中的瓦斯，稱為游離狀態(tài)(自由狀態(tài))瓦斯；受分子引力，呈薄膜吸附于煤層孔隙或裂隙表面的瓦斯，稱為吸附狀態(tài)瓦斯。由于煤內(nèi)直徑僅有0.5～2nm的微孔隙相當(dāng)發(fā)育，1g無煙煤的表面積可達(dá)200m2。因此，煤內(nèi)瓦斯以吸附狀態(tài)為主，游離狀態(tài)為輔。實(shí)測表明，在開采深度l000～1200m以內(nèi)，煤層中沼氣的吸附量占70～95％，而游離沼氣量只占5～30％。上述兩種狀態(tài)的瓦斯，在一定的壓力和溫度條件下，處于動平衡狀態(tài)

6、。當(dāng)壓力增高、溫度降低時(shí)，部分游離狀態(tài)瓦斯可轉(zhuǎn)變?yōu)槲綘顟B(tài)，這一過程稱為吸附過程。為放熱效應(yīng)；反之，當(dāng)壓力降低、溫度增高時(shí)，部分吸附狀態(tài)瓦斯又可轉(zhuǎn)化為游離狀態(tài)，這一過程稱為解吸過程，為吸熱效應(yīng)。瓦斯的兩種賦存狀態(tài)如圖4-1所示。圖4-1瓦斯在煤體中的賦存狀態(tài)1—煤體；2—裂隙；3—游離瓦斯；4—吸附瓦斯(三)瓦斯的成因瓦斯屬天然氣范疇。自然界天然氣的類型很多，但基本上可劃分為煤型氣和油型氣兩類。生腐植型有機(jī)物的主要演化產(chǎn)物為煤和煤型氣；腐泥型有機(jī)物的主要演化產(chǎn)物為石油和油型氣。煤型氣是腐植型有機(jī)物在成煤過程中，主要是煤化作用階段，形成并保存在煤層和巖層中的全部氣體

7、。它是煤礦瓦斯的主要來源。成煤有機(jī)物質(zhì)的產(chǎn)氣性能與煤的演化階段和煤巖組分有著密切的關(guān)系。隨著煤的演化階段不同，煤的產(chǎn)氣性能也有差異。泥炭化階段已能生成甲烷，但因接近地皮，缺乏必要的保存條件，絕大部分已自然逸散。低變質(zhì)階段大量生成二氧化碳，甲烷生成較少。中變質(zhì)階段大量生成甲烷，甲烷生成量已超過三氧化碳，并生成少量液態(tài)烴和重?zé)N氣。高變質(zhì)階段甲烷生成量仍占主要地位，重?zé)N氣趨于絕跡。向超級無煙煤發(fā)展，產(chǎn)氣能力愈益降低，直至完全停止(圖4-2)?？傊S著煤的變質(zhì)程度增高，噸煤總產(chǎn)氣量也增大(表4-1)。圖4-2Ⅱ型干酪根熱解生烴模式圖1—甲烷；2—重?zé)N；3—液態(tài)烴；4—非

8、烴（據(jù)《中