礦井瓦斯防治技術Gas

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dust第一部分

礦井瓦斯防治技術第1章

煤層瓦斯賦存與含量§1.1§1.2§1.3§1.4§1.5§1.6§1.7§1.8礦井瓦斯的概念與性質煤層瓦斯的成因煤層瓦斯賦存的垂直分帶性煤的孔隙特征煤的吸附特性煤層瓦斯壓力煤層瓦斯含量影響煤層瓦斯含量的主要因素目錄第2章 礦井瓦斯涌出§2.1 煤層瓦斯流動的基本規(guī)律§2.2 煤層瓦斯涌出量及主要影響因素§2.3 礦井瓦斯等級及其鑒定§2.4 礦井瓦斯涌出量預測§2.5 礦井瓦斯涌出防治第3章 瓦斯噴出及其預防§3.1 瓦斯噴出的分類及其特點§3.2 瓦斯噴出的防治第4章 煤與瓦斯突出及其防治§4.1§4.2§4.3§4.4§4.5§4.6§4.7§4.8§4.9煤與瓦斯突出概況礦井瓦斯動力現(xiàn)象及分類采掘工作面瓦斯動力現(xiàn)象的特點煤與瓦斯突出機理煤與瓦斯突出的一般規(guī)律區(qū)域性防突措施采掘工作面防突措施

煤與瓦斯突出的預測

巖石與二氧化碳的預防第5章 礦井瓦斯爆炸及其預防§5.1礦井瓦斯爆炸及作用機理§5.2瓦斯爆炸的傳播及其后果§5.3煤礦爆炸性氣體的安全技術參數§5.4煤礦瓦斯爆炸原因分析§5.5預防瓦斯爆炸的技術措施第6章 煤礦瓦斯抽放技術§6.1煤礦瓦斯抽放可行性分析§6.2瓦斯抽放設計基礎§6.3抽放瓦斯方法及工藝參數§6.4抽放瓦斯設備及參數設計§6.5瓦斯利用第一部分 礦井瓦斯防治技術第1章

煤層瓦斯賦存與含量§1.1

礦井瓦斯的概念與性質一、礦井瓦斯的含義廣義：井下除正常空氣的大氣成份以外，涌向采礦空間的各種有毒、有害氣體總稱。狹義：煤礦生產過程中從煤、巖內涌出的，以甲烷為主要成份的混合氣體總稱。礦井瓦斯成分很復雜，其主要成分是甲烷(CH4)，其

次是二氧化碳(CO2)和氮氣(N2)，還含有少量或微量的重烴類氣體（乙烷、丙烷、丁烷、戊烷等）、氫（H2）、一氧化碳（CO）、二氧化硫(SO2)、硫化氫(H2S)等。由于甲烷（俗稱沼氣）是礦井瓦斯的主要成分，因而人們習慣上所說的瓦斯，通常指甲烷而言。來源：煤、巖層涌出（烷烴、環(huán)烷烴、芳香烴）；生產過程中產生（CO2、NO2、H2等）井下化學、生物化學反應生成（CO2、H2S、SO2）；放射性元素蛻變過程生成（Rn、He等）二、CH4的性質無色、無味、無嗅的氣體，可燃燒、爆炸；分子量：16.049，分子直徑：0.41nm，密度：0.716Kg/m3（氣態(tài)）、424.5

Kg/m3（液態(tài)）相對空氣密度：0.554,難溶入水:在101.3

KPa,20℃條件下,

3.31l/100lH2O三、CH4的危害及其經濟價值1、危害性燃燒、爆炸窒息噴出、突出2、重要能源

CH4

+2O2

1m3CH4CO2

+

2H2O

+

Q37022.2kJ相當于1~1.5Kg煙煤。重要的化工原料?！?.2煤層瓦斯的成因有機源氣體-----腐植有機物（高等植物）成煤過程。煤層瓦斯是腐植型有機物（植物）在成煤過程中生成的兩個階段：（1）生物化學階段（從植物遺體到泥炭）4C

H

O6

10

54

2

9

6

2特點：埋藏淺，覆蓋層膠結不好，煤層保存氣體少。隔絕空氣7CH+8CO+C

H

O+3H

O微生物（纖維素）（2）變質階段（從泥炭到煙煤）泥炭如：4C16H18O5（泥炭）C57H56O10（褐煤）C54H42O5P↑、t↑褐煤P↑、t↑煙煤P↑、t↑無煙煤C57H56O10

+

4CO2

+

3CH4

+

2H2O（褐煤）C54H42O5

+

CO2

+

2CH4

+

3H2O（煙煤）C13H4

+

2CH4

+

H2O（無煙煤）（煙煤）·

特點：碳化過程生成的大量氣體。初期：主要為CO2，CH4不多。隨著碳化程度的提高，CO2減少，CH4增多，同時生成重烴。碳化的同時，煤的物質分子式、結構發(fā)生變化；因覆蓋層增厚，生成的氣體大多得以保存。但煤層瓦斯含量遠小于生成量。減少的原因：地質構造運動；運移到適于貯存地點，形成氣藏；溶解于水中（長久地質年代過程中）；逸散于大氣中（從煤層露頭）。（3）其它主要氣體CO2成因：①變質生成。易逸散于大氣中，溶解于水，生成碳酸鹽，所以，深部煤層中很少含有CO2；②生物化學作用，淺部生物圈內（微生物生化作用）；③火山活動，巖漿接觸變質，生成大量CO2。如：窯街、營城局；④煤氧化。特別是煤的低溫氧化。N2來自大氣。與氬的比例與空氣一致。He放射性元素蛻變的產物。瓦斯-1000m-200m-400m-600m-800m§1.3煤層瓦斯賦存的垂直分帶性煤層瓦斯主要成分：CH4、CO2、N2。形成原因：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地面空氣向煤層中滲透，使煤層內的瓦斯呈現(xiàn)出垂直分帶特征?？諝釩O2-N2N2N2-CH4CH4四帶：CO2-N2帶、N2帶、

N2—CH4帶、CH4帶?，F(xiàn)場實際過程中，將前三帶總稱為瓦斯風化帶。CO2－N2帶N2帶N2－CH4帶CH4帶瓦斯風化帶瓦斯垂直分帶性· 劃分的意義：掌握本煤田煤層瓦斯垂直分帶的特征，是搞好礦井瓦斯涌出量預測和日常瓦斯管理工作的

基礎。規(guī)律：①

瓦斯風化帶內， 涌出量與深度之間無規(guī)律性。②瓦斯風化帶內，無突出危險性。③在CH4帶內，煤層垂向各帶氣體組份表瓦斯風化帶下界深度確定依據：根據下列指標中的任何一項確定：煤層的相對瓦斯涌出量等于2～3m3/t處；煤層內的瓦斯組分中甲烷及重烴濃度總和達到80%（體積比）；煤層內的瓦斯壓力為0.1～0.15MPa；煤的瓦斯含量達到下列數值處：長焰煤1.0～1.5

m3/t（C.M.），氣煤1.5～2.0m3/t（C.M.），肥煤與焦煤2.0～2.5m3/t(C.M)，瘦煤2.5～3.0m3/t(C.M)，貧煤3.0～4.0m3/t(C.M)，無煙煤5.0～7.0m3/t(C.M)（此處的C.M是指煤中可燃質既固定碳和揮發(fā)分）§1.4煤的孔隙特征煤是一種復雜的孔隙性介質，有著十分發(fā)達的各種不同直徑的孔隙和裂隙。形成龐大的自由空間和表面。煤是一種孔隙----裂隙性介質，它決定煤----CH4體系的許多特性。EX：集氣性----CH4的存在形態(tài)、含量，etc;滲透性----流態(tài)、流出形式、涌出量；力學特性----強度、彈性、脆性。一、孔隙分類為了研究瓦斯在煤層中的賦存與流動，將煤中孔隙分類如下：煤中的微孔≥80%類別直徑/mmCH4的存在形態(tài)微孔〈10-5吸附、吸收小孔10-5

~

10-4吸收、游離中孔10-4

~

10-3表面吸附、游離大孔10-3

~

10-1游離二、表示孔隙特性的參數1、孔隙率（f）----單位體積固體具有的孔隙容積。表示式：f----孔隙率，%；V----固體（含孔隙）的體積，cm；V0----實體（不含孔隙）的體積，cm。假設M----固體質量，g;ρ----固體假密度，g/cm3;ρo----固體真密度，g/cm3;則有：通過實驗確定?；蚶媒涷灩接嬎?。當2、孔容（比孔容）----f’----單位質量固體具有的孔隙容積。表示式：cm3/g同上，可推得：所以：3、比表面----固體單位質量或單位體積具有的孔隙總表面積。4、孔隙結構----各類孔隙在總孔隙中所占百分比。微孔所占比例大，且比表面積也大。分類孔隙體積百分比/%孔隙表面積百分比/%微微孔12.562.2微孔42.235.1小孔28.12.5中孔17.20.2三、煤、巖孔隙的基本特點1、各類煤巖的孔隙率差別很大，不同的煤需具體測定。我國一些礦井煤的孔隙率礦

井揮發(fā)份/%孔隙率/%撫順老虎臺礦45.7614.05鶴崗大陸31.8610.6開灤馬家溝12煤26.86.59本溪田師付8煤13.716.7陽泉三礦3煤6.6614.1焦作王封大煤5.8218.52、煤的孔隙率與碳化程度的關系·

長焰煤開始f到焦瘦煤達到最??；Vr而后

Vrf到無煙煤達到最大。但微孔，則Vr而始終Vr/%f

/%長 焦煤

瘦煤

無3、煤的孔隙率與煤的破壞程度的關系未受構造應力破壞的煤微孔達80%~

90%，大孔很少，無外生裂隙。煤層瓦斯含量大，但瓦斯涌出量不大，涌出速度慢，涌出時間長。破壞型煤各種孔均存在，隨著煤的破壞程度增大而增加。游離瓦斯含量高，易涌出，衰減快，可能發(fā)生突出。構造煤在地應力作用下，煤破碎成〈0.1mm的煤粒，再被壓成煤磚狀。各類孔均存在，瓦斯含量高，卸壓后，f ，瓦斯涌出量 ，易突出。式中：f----受壓狀態(tài)下的孔隙率；f0----未受壓狀態(tài)孔隙率；σ----壓應力；α----壓縮系數。一般地，微孔不壓縮。Exp:17MPa時，f減少20%，因為微孔不變，大中孔減少40~50%備注：（1）H

f卸壓后（受采動影響）

fσ對煤的吸附性影響很小。σ4、孔隙率與外加壓力（地應力）關系f§1.5煤的吸附特性一、概述1、吸附現(xiàn)象----氣體分子與固體表面分子間相互作用，氣體分子暫時停留在固體表面上的現(xiàn)象。吸附劑----能吸附其它物質的介質，如：煤；吸附質----被吸附的物質，如CH4

。2、吸附分類①根據吸附方式分：表面吸附（吸著）----在吸附劑表面吸附一層或多層吸附質分子。容積吸附（吸收）----吸附質分子緊密地充滿于吸附劑的微小孔隙內，類似于溶質溶解于溶劑中。②根據吸附作用力分：A）物理吸附特點：Ⅰ、作用力為范德華力，作用距離極小（1/r7）,僅限于界面附近；Ⅱ、可逆的----不穩(wěn)定的動平衡。Ⅲ、吸附是一種放熱反應，解吸，吸熱。如：煤-------CH4，吸附熱：0.5~1.2

Kj/molB）化學吸附作用力為離子鍵，不可逆。P

or

tP

or

t解吸吸附二、吸附線和吸附方程吸附量決定于：①吸附質性質（不同氣體）；②吸附劑性質；③吸附溫度；④吸附壓力。1、吸附線----吸附劑和吸附質，在一定溫度（t）或一定壓力(P)下，吸附量與P或t之間的關系曲線。t=constP等溫吸附線XtXP=const等壓吸附線2、吸附方程A）Langmuir方程（1916年）理論計算式：式中：X----給定溫度下的吸附量，m3/t；a----吸附常數，極限吸附量，m3/t；b----吸附常數，MPa-1;P----吸附平衡時的氣體壓力，Mpa。a、b通過實驗室測定得出。實際算式：其中：B)弗洛德里希方程（1906）式中：k、n-----系數；P----氣體壓力。C）都必林方程式中：a0----極限吸附瓦斯量，cm/g；E----吸附能，j/mol；P0----極限吸附時的氣體壓力,Mpa；P----吸附壓力,Mpa；T----吸附溫度；n----吸附結構系數。三、影響煤與瓦斯吸附量的主要因素1、瓦斯壓力t=const,P

X2、溫度P

=

const

t

X溫度每升高1℃，吸附瓦斯的能力降低約8%。3、瓦斯的性質對于特定的煤，在t、P一定時，CO2的吸附量

＞

CH4的吸附量

＞

N2的吸附量4、煤的變質程度變質程度反映了煤的表面積與化學組成。變質程度越高（Vr

）

X5、煤中的水份水份的增加使煤的吸附能力降低。艾琴格爾經驗式：式中：Xch----含有水份時瓦斯吸附量；Xg----不含有水份時瓦斯吸附量；W----水份含量。6、煤中的灰份（Ac）灰份不吸附瓦斯，我國習慣于用可燃基作單位?！?.6 煤層瓦斯壓力一、瓦斯壓力的含義----煤層孔隙或裂隙內氣體分子自由運動撞擊所產生的作用力。特點：在某一點上各向大小相等，方向與孔隙壁面垂直。煤層瓦斯壓力是決定煤層瓦斯含量、瓦斯流動動力高低以及瓦斯動力現(xiàn)象的基本參數。二、煤層瓦斯壓力分布的一般規(guī)律

1、在未受采動影響煤層內（1）沿深度(沿煤層傾向)符合氣體狀態(tài)方程，即：P=f(v-1,t)，其中：v為孔容，t為煤溫?！逪

，V

，T

但不明顯∴

H

P未受采動影響的煤層內的瓦斯壓力，隨深度的增加而有規(guī)律地增加，可以大于、等于或小于靜水壓。存在：n----系數，通常取n=1。存在：2

2(H

,P

)(H,P)（H1,P1）H(m)gp----煤層瓦斯壓力梯度，Mpa/m。含義----單位深度增加煤層瓦斯壓力增加量。gp

說明什么?P(MPa)根據瓦斯壓力梯度可以預測深部煤層瓦斯壓力。預測計算式：式中：P—預測的甲烷帶內深H(m)處的瓦斯壓力，MPagp—瓦斯壓力梯度，MPa/m特例：式中：P0--甲烷帶上部邊界處瓦斯壓力，取0.2MPa

。H0---甲烷帶上部邊界深度，m。舉例：某礦瓦斯風化帶深度為100m，在200m處測得煤層瓦斯壓力為0.5MPa，預測300m處煤層瓦斯壓力。（2）沿走向在地質條件相近的塊段內，相同深度的同一煤層，具有大體相同的瓦斯壓力。條件：A）孔隙、裂隙互相連通，形成一個統(tǒng)一的體系；

B）等量的瓦斯處于孔隙容積相同的不同體系內。C）不等量的瓦斯處于孔隙容積按同比例的不同體系內。即：實際上，只能“大體相同”，而且可能差別。2、采動影響區(qū)煤層∵f,Xf

,∴P發(fā)生變化，十分復雜，一般隨深度增加瓦斯壓力逐漸增大。二、煤層瓦斯壓力測定瓦斯壓力測定：打鉆、封孔、測壓1、主要設備及儀表鉆機、測定管、壓力表。封孔材料：炮泥、水泥，木楔；封孔器。2、測壓步驟A）打鉆要求：測定地點無大裂隙，不位于破壞帶，含水小。一般由圍巖向煤層打穿層鉆孔，鉆孔直徑φ45~75mm。B）封孔鉆孔到位后，用壓氣清渣。封孔方法分為：·

固體材料封孔一般采黃泥作為固體材料。木楔>5m0.4m0.2m水泥固體材料導氣管（15~20m紫銅管或鐵管）擋盤導氣孔測壓室固體材料封孔測定瓦斯壓力示意圖3m測壓管檢查管注漿管·

水泥砂漿封孔為了克服粘土封孔費工費時勞動強度較大的缺點，國內外不少礦井采用以壓縮空氣為動力，將水泥砂漿壓入鉆孔的封孔工藝。適用條件：封孔傾角超過45

、深度大于15m的鉆孔。水泥沙漿配比：500號水泥：砂石：水：鋁粉（或石膏）＝１：１：1~

0.5：0.0008·

膠圈粘液封孔測定瓦斯壓力原理：用膨脹著的膠圈封高壓粘液，再由高壓粘液封高壓瓦斯，由壓力表測定瓦斯壓力。測壓管膠圈注粘液3、注意事項測壓空間盡可能??；鉆孔打完后，立即封孔，尤其是低透氣性煤層；防止漏氣；足夠長的觀察時間；防止地下水的影響，盡可能不穿含水層，必須穿過含水層時，封孔應超過含水層?！?.7 煤層瓦斯含量一、瓦斯在煤層中的存在狀態(tài)煤體是一種復雜的多孔性固體，包括原生孔隙和運動形成的大量孔隙和裂隙，形成了很大的自由空間和孔隙表面。1、游離狀態(tài)主要存在于大、中孔、裂隙空間內，其間瓦斯分子作自由熱運動，顯示相應的瓦斯壓力。在現(xiàn)今采深下，占瓦斯總量的5

~

12%。2、吸附狀態(tài)主要存在于小孔和微孔空間內。分為表面吸附和吸收兩種狀態(tài)。占瓦斯總量的＞80%。P或t升高P或t降低游離狀態(tài)瓦斯吸附狀態(tài)瓦斯3、其它形態(tài)-----結晶水化物問題提出：結晶水化物的形式：形成條件：低溫、高壓。對CH4:對C2H6:對C3H8:t=0℃時，P≈2.0MPat=5℃時，P≈4.8MPat=10℃時，P≈8.0MPat=0℃時，P≈0.6MPat=5℃時，P≈1.3MPat=10℃時，P≈2.5MPat=0℃時，P≈0.1MPat=2.5℃時，P≈0.3MPa乙烷和丙烷生成水化物的條件比CH4低得多二、煤層瓦斯含量1、含義：單位質量或體積的煤中含有的瓦斯量。m3/m3，m3/t。煤層瓦斯包含：游離瓦斯量和吸附瓦斯量2、瓦斯含量計算（1）游離瓦斯量由氣體狀態(tài)方程：考慮到瓦斯氣體可壓縮性，則有：粗略計算，假設：則：式中：P----煤層瓦斯壓力，Mpa；V----煤的孔容。吸附瓦斯量--Xx一般采用朗格繆爾方程計算。其中：煤層瓦斯含量---XX

=

Xg

+

Xx

m3/t三、煤層瓦斯含量的測定1、直接測定法－－勘探鉆孔煤芯解吸法主要測定步驟：1）現(xiàn)場采樣與瓦斯解吸速度的測定－－v12、損失瓦斯量的計算－－v2t0－－裝罐前時間；t－－裝罐后時間；v－－解吸瓦斯體積。V/ml8006004002000200400600800３）煤樣剩余瓦斯解吸－－v3包括：I)煤樣粉碎前脫氣；ii)煤樣粉碎后脫氣總瓦斯量：V=V1+V2+V3經過狀態(tài)變換和計算可得煤層原始瓦斯含量。2、瓦斯含量系數法測定原理：煤層瓦斯含量與瓦斯壓力之間，大致存在如下關系：式中：α－－瓦斯含量系數，m3/(m3.MPa0.5)，通過實驗室測定得出；P－－煤層瓦斯壓力，Mpa；X－－煤層瓦斯含量，m3/m3§1.8 影響煤層瓦斯含量的主要因素的瓦斯量越多。相同的條件下，煤的變質程度越高，煤層瓦斯含量越大。煤層瓦斯含量主要取決于：?瓦斯生成量；?瓦斯運移條件；?煤層貯存瓦斯的性能。具體包括以下幾點：1、煤的碳化程度在碳化作用過程中，不斷地產生瓦斯，碳化程度越高，生成煤的平均甲烷含量與其變質程度的定量關系曲線2、煤層的賦存狀態(tài)（1）露頭成煤的地質年代中，若有露頭長時間與大氣相通，瓦斯沿煤層流動，煤層瓦斯往往沿煤層露頭排放，瓦斯含量大為減少。（2）煤層傾角∵∴煤層傾角愈大，煤層瓦斯含量愈低。Exp:芙蓉礦，北翼：40°~

80°,南翼：6°~

12°，（3）埋藏深度埋深增加，地應力增高，煤層的透氣性變差，瓦斯向地表運移距離增加，有利于封存瓦斯。在近代開采深度內，CH4帶，

，但是如果埋藏深度繼續(xù)增大，瓦斯含量增加的速度將要減慢而趨于常量。3、煤層和圍巖的透氣性煤層圍巖是指煤層直接頂、老頂和直接底板等在內的一定厚度范圍的層段。煤層圍巖對瓦斯賦存的影響，決定于它的隔氣、透氣性能。當煤層頂板巖性為致密完整的巖石，如頁巖、油母頁巖時，煤層中的瓦斯容易被保存下來；頂板為多孔隙或脆性裂隙發(fā)育的巖石，如礫巖、砂巖時，瓦斯容易逸散。exp:北京京西煤礦，不論是下侏羅統(tǒng)或是石炭二疊系

的煤層，盡管煤的牌號為無煙煤，由于煤層頂板為12～16m的厚層中粒砂巖，透氣性好，因此煤層瓦斯含量小，礦井瓦斯涌出量低。4、地質構造是影響煤層瓦斯含量的主要因素之一。表現(xiàn)：一方面是造成了瓦斯分布的不均衡，另一方面是形成了有利于瓦斯賦存或有利于瓦斯排放的條件。(1)褶皺構造褶皺的類型、封閉情況和復雜程度，對瓦斯賦存均有影響。當煤層頂板巖石透氣性差，且未遭構造破壞時，背斜有利于瓦斯的儲存，是良好的儲氣構造，背斜軸部的瓦斯會相對聚集，瓦斯含量增大。形成“氣頂”。在向斜盆地構造的礦區(qū)，頂板封閉條件良好時，瓦斯沿垂直地層方向運移是比較困難的，大部分瓦斯僅能沿兩翼流向地表。煤包、地壘、地塹都為高瓦斯區(qū)。（2）斷層斷層破壞了煤層的連續(xù)完整性，使煤層瓦斯運移條件發(fā)生變化。有的斷層有利于瓦斯排放，也有的斷層對瓦斯排放起阻擋作用，成為逸散的屏障。前者稱開放型斷層，后者稱封閉型斷層。斷層的開放與封閉性決定于下列條件：斷層的性質和力學性質。一般張性正斷層屬開放型，而壓性或壓扭性逆斷層封閉條件較好。斷層與地表或與沖積層的連通情況。規(guī)模大且與地表相通或與沖積層相連的斷層一般為開放型。斷層將煤層斷開后，煤層與斷層另一盤接觸的巖層性質。若透氣性好則利于瓦斯排放。斷層帶的特征。斷層帶的充填情況、緊閉程度、裂隙發(fā)育情況等都會影響到斷層的開放或封閉性。一般地，開放性斷層，不論其與地表是否連通，其附近，瓦斯含量低。封閉性斷層（受壓影響），可阻止CH4的排放。5．水文地質條件地下水與瓦斯共存于煤層及圍巖之中，其共性是均為流體，運移和賦存都與煤、巖層的孔隙、裂隙通道有關。由于地下水的運移，一方面驅動著裂隙和孔隙中瓦斯的運移，另一方面又帶動溶解于水中的瓦斯一起流動。瓦斯在水中的溶解度僅為1～4%。地下水和瓦斯占有的空間是互補的，這種相逆的關系，常表現(xiàn)為水大地帶瓦斯小，反之亦然。7．巖漿活動巖漿活動對瓦斯賦存的影響比較復雜。一方面，在巖漿熱變質和接觸變質的影響下，煤的變質程度升高，增大了瓦斯的生成量和對瓦斯的吸附能力。另一方面，在沒有隔氣蓋層、封閉條件不好的情況下，巖漿的高溫作用可以強化煤層瓦斯排放，使煤層瓦斯含量減小。所以說，巖漿活動對瓦斯賦存既有生成、保存瓦斯的作用，在某些條件下又有使瓦斯逸散的可能性。第二章

礦井瓦斯涌出包括：普通涌出和特殊涌出§2-1煤層瓦斯流動的基本規(guī)律一、煤層瓦斯流場的分類煤層內瓦斯流動空間的范圍稱為流場。流場內瓦斯呈現(xiàn)流動。有一定的：流向、流速、

、

。1、按流場的流向分類A）單向流動（一維）：在x、y、z三維空間中，只有一向有流速。如:薄及中厚煤層掘進面,采煤工作面煤壁。瓦斯流向瓦斯流向等壓瓦斯線等壓瓦斯線B）徑向流場在x、y、z三維空間中，兩個方向有流速。Exp：石門、豎井、鉆孔垂直穿透煤層時。等壓瓦斯線平行煤壁近似同心圓形。瓦斯流場等壓瓦斯線C）球向流場在x、y、z三維空間中，三個方向均有流速。Exp:厚煤層中煤巷掘進工作面煤壁內、鉆孔或石門進入煤層等。2、流場穩(wěn)定性分類----按流場在時間上有無變化穩(wěn)定流場----流場內任何一點的流速、流向、瓦斯壓力均不隨時間變化。非穩(wěn)定流場----反之。二、煤層瓦斯流動的基本定律兩類：擴散、滲流1、瓦斯擴散運動瓦斯在小孔（＜1μm）與微孔（＜0.1μm

）內運移主要是擴散運動，即瓦斯分子在其濃度梯度作用下由高濃度向低濃度方向運移。可用Fick定律描述，即：式中：D----擴散系數；----瓦斯?jié)舛忍荻?；dt----時間增量；dm----在dt時間內通過單位面積的擴散量。2、煤粒擴散運動方程若煤層由服從Fick定律的煤粒組成，根據Fick定律和質量守恒定律，得煤粒擴散運動微分方程。式中：X----煤粒瓦斯含量；r----煤粒內任一點半徑。

3、瓦斯?jié)B透運動瓦斯在中孔（＞1μm）以上的孔隙或裂隙內，由于壓差作用下而產生的運動。流態(tài)：層流，粘性力為主，Re＜1~10。紊流，慣性力為主①線性層流滲透定律----Darcy定律表述式式中：K----煤層的滲透率，m2；μ----流體的絕對粘度，Pa.S;----流體的壓力梯度，Pa/m。VDarecy定律適應范圍討論：低Re區(qū)，Re＜1~10，為線性流，符合Darecy定律；中Re區(qū)，Re=10~100，非線性滲流，不符合Darecy定律；

c）高Re區(qū)，Re＞100，紊流區(qū)。大多數情況下，煤層的瓦斯流動表現(xiàn)為服從Darecy定律。Re=10②非線性滲透定律----日本式中Vn----無因次流速；a------煤的瓦斯?jié)B透性系數；

m----指數；----無因次瓦斯壓力梯度。③滲透微分方程由Darcy定律和質量守恒定律，可推導得：三、煤層透氣性系數是煤層瓦斯流動難易程度的標志。1、滲透系數（k）Darecy定律，k----滲透率，表示孔隙—裂隙介質特征的參數。注：只與孔隙介質的孔隙多少、大小、形態(tài)、連通狀況等有關，與流體的性質和壓力無關。2、透氣系數（λ）利用等溫氣體狀態(tài)方程（pv=p0v0）對Darecy表達式進行變換得：即：物理意義：斷面為1m3的煤體兩側，瓦斯壓力平方梯度為1MPa2/m時，流過的流量恰為1m3/d時的介質透氣性。S=1m2注意：λ表示給定氣體在給定孔隙介質內的流動特性，對于其它氣體必須根據它們的絕對粘度進行換算。說明：（1）煤層透氣性系數相差很大。（2）與地壓的關系。煤層瓦斯透氣性系數，m2/MPa2.dMpa/mQ=1m3/d4、煤層透氣性系數的測定(自學)中礦法----鉆孔流量法馬可尼法----壓力恢復法。§2.2煤層瓦斯涌出量及主要影響因素一、瓦斯涌出的概念1、瓦斯涌出量的含義----指在礦井建設和生產過程中從煤與巖石內涌出的瓦斯量。它是確定礦井瓦斯等級、進行礦井通風計算等方面的依據。2、瓦斯涌出量表示方法A）絕對瓦斯涌出量—--單位時間涌出的瓦斯體積，單位為m3/d或m3/min：Qg=Q×C/100式中Qg－絕對瓦斯涌出量，m3/min；Q－風量，m3/min；C－風流中的平均瓦斯?jié)舛?，％。B）相對瓦斯涌出量----礦井正常生產條件下，平均日產一噸煤所涌出的瓦斯體積。qg=Qg/A式中：qg

－相對瓦斯涌出量，m3/t；Qg

－絕對瓦斯涌出量，m3/d；A－日產量，t/d說明：相對瓦斯涌出量單位的表達式雖然與瓦斯含量的相同，但兩者的物理含義是不同的，其數值也是不相等的。相對涌出量的單位：m3/t，過去采用：m3/(t.d)是不正確的。3、瓦斯涌出強度----比瓦斯涌出量----單位時間（min

or

d），單位暴露面積（cm2

or

m2）涌出的瓦斯體積。單位：m3/(d.m2)，m3/(min.m2)，cm3/(min.cm2)。

4、瓦斯涌出形式----指礦井瓦斯在時間、空間上的分布形式。（1）普通涌出----長時間地、均勻地從煤體中涌出瓦斯。特點：時間上：連續(xù)不斷空間上：普遍存在涌出強度：緩慢、均勻。（2）特殊涌出----礦井生產過程中，在某些特定地點、突然地于一段時間內大量涌出瓦斯的現(xiàn)象。特點：時間上：突然地、間隔的空間上：非普遍存在涌出強度：產生動力破壞。二、掘進巷道的瓦斯涌出t1、煤巷掘進工作面瓦斯涌出的構成及變化（1）瓦斯涌出構成巷道壁、迎頭煤壁、采落煤炭。瓦斯涌出強度隨時間的涌出而降低。G掘進巷道工作面采落煤炭巷道壁面（2）時空不均勻性機掘：開機后，瓦斯涌出量逐漸增大，達到極限穩(wěn)定值。炮掘：放炮后（6~9min），瓦斯涌出迅速增長（5~20倍），然后下降經過一段時間恢復到初始值。時間與空間上存在瓦斯涌出與濃度的不均勻性是種潛在危險。tQCH4機掘tQCH4炮掘2、排瓦斯帶深度t

Gt當t達到一定時間后，煤壁基本上不涌出瓦斯

時的瓦斯影響深度。3、煤巷排瓦斯極限期----Tj煤壁涌出瓦斯隨著暴露時間的延長而逐漸減小，當達到Tj時，瓦斯涌出接近零，此時間稱為排瓦斯極限期。一般為6

~

12個月。G·煤巷排瓦斯極限期測定：方法一：（1）實測煤壁暴露面瓦斯涌出比流量隨暴露時間變化曲線；得出擬合合公式，令q=0，即可解出Tj。方法二：；利用漏斗形鐵皮罩蓋在煤壁上，用黃泥堵嚴縫隙，從漏斗出口引出膠管取氣樣；測定瓦斯?jié)舛茸兓?，在濃度幾乎不增加的諸點中，暴露時間最小者即為Tj。4、掘進巷道瓦斯涌出量計算式中QCH4----絕對瓦斯涌出量，m3/d；M----煤層厚度,m;V----巷道掘進速度，m/d；t----單巷掘進時間，d；b----單巷寬度，m；x0,x1----分別為煤層的原始瓦斯含量和剩余瓦斯含量，

m3/t；C1----瓦斯涌出特性系數。暴露面采落煤炭·瓦斯涌出特性系數的測定直接從掘進巷道中測得。測定方法：在掘進巷道取三個斷面；同時測定三斷面巷道風流中瓦斯平均濃度和風量；計算瓦斯涌出量；聯(lián)立方程計算C。式中，t1，t2，t3分別為各測點的暴露時間。①②③三、回采工作面瓦斯涌出1、瓦斯涌出來源①本開采煤層：煤壁、采空區(qū)、采落煤炭；②厚煤層未采分層；③采動影響鄰近層；④圍巖。2、時空不均勻性落煤、放煤時與平均瓦斯涌出相比。水采：2~4倍；炮采：1.4~2.0倍；機采：1.3

~

1.6倍；風鎬：1.1

~

1.3倍。從切眼起逐漸增大，達到一定距離后穩(wěn)定（初次來壓后），隨老頂周期來壓，瓦斯涌出呈周期性變化。對上行通風，從工作面下口至上口，瓦斯?jié)舛戎饾u增大，上隅角達到最大。2C/%1D）沿走向方向瓦斯?jié)舛确植?、回采工作面瓦斯涌出量計算（1）開采層瓦斯涌出量

A）瓦斯含量法X/mC/%有采空區(qū)瓦斯涌出X/mC/%無采空區(qū)瓦斯涌出l瓦斯涌出規(guī)律計算工作面煤壁瓦斯涌出：煤壁剩余瓦斯含量：每m3煤涌出瓦斯量：煤壁瓦斯涌出量：采落煤炭瓦斯涌出：煤壁剩余瓦斯含量：每m3煤涌出瓦斯量：采落煤炭瓦斯涌出量：∴開采層瓦斯涌出量：（2）鄰近層瓦斯涌出量鄰近層----受采動影響能向開采煤層涌出瓦斯的煤層。式中：Ql----上下鄰近層瓦斯涌出量；V----工作面推進速度；l----工作面斜長；X0i

----第I鄰近層原始瓦斯含量；

mi

----第I鄰近層厚度;ηi

----第I鄰近層瓦斯涌出率；Xi

----第I鄰近層殘余瓦斯含量；a、c----系數，與工作面推進速度有關。（3）回采工作面瓦斯涌出量t式中：Qb----本煤層瓦斯涌出量；Ql

----鄰近層瓦斯涌出量；Ct----取決于通風系統(tǒng)的系數。5、瓦斯涌出不均勻性礦井瓦斯涌出在時、空上都是不均勻的。正常變化：在某一地區(qū)瓦斯涌出的周期性變化，變化幅度≯某一數值。Q/m3/minQmaxQa異常變化：特殊情況的變化（突出、噴出、大冒頂、大氣壓急劇變化）。礦井風量計算時一般取平均瓦斯涌出量，為滿足周期變化的需要，應考慮一個系數kg-----瓦斯涌出不均系數?！?/p>

瓦斯涌出不均系數的含義：----某一段時間內，周期性最大瓦斯涌出量與平均瓦斯涌出量之比。礦井瓦斯涌出不均系數表示為：kg=Qmax/Qa式中：kg－給定時間內瓦斯涌出不均系數，一般大于1；Qmax－該時間內的最大瓦斯涌出量，m3/min；Qa－該時間內的平均瓦斯涌出量，m3/min；6、影響瓦斯涌出量的主要因素決定于自然因素和開采技術因素的綜合影響。（一）自然因素1、煤層和圍巖的瓦斯含量它是決定瓦斯涌出量多少的最重要因素。一般地，煤層的瓦斯含量越高，開采時的瓦斯涌出量也越大。Exp：焦作中馬村礦,

淮南謝二礦C13煤，2、地面大氣壓變化。對回采工作面采空區(qū)和老空區(qū)、塌陷區(qū)、冒頂區(qū)瓦斯涌出有明顯影響。美國：1910~1960，1/2的爆炸發(fā)生在氣壓急劇變化時期。（二）開采技術因素1、開采規(guī)模開采規(guī)模指開采深度，開拓與開采范圍和礦井產量。A、在甲烷帶內，隨著開采深度的增加，相對瓦斯涌出量增大。B、開拓與開采的范圍越廣，煤巖的暴露面就越大，因此，礦井瓦斯涌出量也就越大。C、礦井產量與礦井瓦斯涌出量間的關系比較復雜，達產前、達產后及產量收縮期。2、開采順序與回采方法首先開采的煤層（或分層）瓦斯涌出量大；采空區(qū)丟失煤炭多，回采率低的采煤方法，采區(qū)瓦斯涌出量大。頂板管理采用陷落法比充填法能造成頂板更大范圍的破壞和卸壓，臨近層瓦斯涌出量就比較大?；夭晒ぷ髅嬷芷趤韷簳r，瓦斯涌出量也會大大增加。3、生產工藝瓦斯從煤層暴露面（煤壁和鉆孔）和采落的煤炭內涌出的特點是，初期瓦斯涌出的強度大，然后大致按指數函數的關系逐漸衰減。所以落煤時瓦斯涌出量總是大于其它工序。4、風量變化礦井風量變化時，瓦斯涌出量和風流中的瓦斯?jié)舛萾會發(fā)生擾動，但很快就會轉變?yōu)榱硪环€(wěn)定狀態(tài)。C/%

C/%tC/%tC/%t單一煤層風量減少單一煤層風量增大采區(qū)風量增大采區(qū)風量減少5、采區(qū)通風系統(tǒng)

采區(qū)通風系統(tǒng)對采空區(qū)內和回風流中瓦斯?jié)舛确植加兄匾绊?。全部進入部分進入進煤回空進空回煤進回皆煤進回皆空小部分進入大全部進入6、采空區(qū)的密閉質量采空區(qū)內往往積存著大量高濃度的瓦斯（可達60～70%），如果封閉的密閉墻質量不好，或進、回風側的通風壓差較大，就會造成采空區(qū)大量漏風，使礦井的瓦斯涌出增大。低負壓可以減少礦井瓦斯涌出。太信一井礦井負壓與瓦斯涌出量關系表礦井通風負壓Pa16681619147213731275瓦斯涌出量m3/min22.621.921.620.919.6測定月份1月2月3月4月5月四、瓦斯積聚層瓦斯積聚：瓦斯?jié)舛瘸^2%，其體積超過0.5m3的現(xiàn)象。瓦斯積聚層：瓦斯在其自身浮力作用下上升，積聚于巷道頂板形成穩(wěn)定的瓦斯層。原因：1）巷道周壁不斷涌出瓦斯（點或面涌出）；2）巷道風流含有瓦斯；3）巷道風速低，不能造成瓦斯與空氣紊流混合。層厚：幾cm

~幾十cm,層長：幾m

~幾十m層內瓦斯?jié)舛扔上轮辽现饾u升高。點涌出面涌出風流中含有CH4CH4CH4§2.3礦井瓦斯等級及其鑒定一、礦井瓦斯等級劃分原則：按礦井瓦斯涌出量的大小和瓦斯涌出形式。意義：便于進行分級管理，使礦井瓦斯管理趨于科學化。瓦斯礦井：一個礦井中只要有一個煤（巖）層發(fā)現(xiàn)瓦斯，該礦井即為瓦斯礦井。（第133條）突出礦井：礦井在采掘過程中，只要發(fā)生過1次煤（巖）與瓦斯突出（簡稱突出，下同），該礦井即為突出礦井。突出煤層：發(fā)生突出的煤層即為突出煤層。根據礦井相對瓦斯涌出量、礦井絕對瓦斯涌出量和瓦斯涌出形式劃分為：（一）低瓦斯礦井：礦井相對瓦斯涌出量小于或等于10m3/t且礦井絕對瓦斯涌出量小于或等于40m3/min。（二）高瓦斯礦井：礦井相對瓦斯涌出量大于10m3/t或礦井絕對瓦斯涌出量大于40m3/min。（三）煤（巖）與瓦斯（二氧化碳）突出礦井。二、礦井瓦斯等級鑒定每年必須對礦井進行瓦斯等級和二氧化碳涌出量的鑒定工作，報?。ㄗ灾螀^(qū)、直轄市）負責煤炭行業(yè)管理的部門審批，并報省級煤礦安全監(jiān)察機構備案。1、鑒定時的生產條件正常生產，產量不低該地區(qū)總產量的60%。2、鑒定時間根據礦井生產和氣候變化規(guī)律，選在瓦斯涌出量較大的一個月份。3、鑒定工作內容及要求一月上、中、下旬某一天分三班進行。在礦井、煤層、一翼、水平和采區(qū)回風道中，分別測定風量和瓦斯?jié)舛?。抽放瓦斯礦井，鑒定期間的抽放量應計算。計算瓦斯涌出量。編寫鑒定報告。§2.4礦井瓦斯涌出量預測------指根據某些已知相關數據，按照一定的方法和規(guī)律，預先估算出礦井或局部區(qū)域瓦斯涌出量的工作。一、礦山統(tǒng)計法礦山統(tǒng)計法又可分為兩種方法：1、瓦斯梯度法瓦斯梯度是指相對瓦斯涌出量每增加1m3/t時,深度增加的米數。計算式：(q,H)q(m3/t)H(m)(q2,H2)（q1,H1）（q0,H0）式中：

H1、H2——瓦斯風化帶以下兩次測定涌出量的深度，m，H2＞H1；q1、q2——對應于H1、H2的相對瓦斯涌出量，m3/t。注：a大說明瓦斯涌出量隨深度增加慢。利用求得的瓦斯梯度，可對深部的瓦斯涌出量進行預測：式中q——待求深度的相對瓦斯涌出量，m3/t；H——對用于q的深度，m。適用條件與注意事項：①地質采礦條件相似的地區(qū)；②生產正常的礦井，瓦斯風化帶以下1~2個階段；③足夠的瓦斯涌出量數據；④適用于甲烷帶內，外推深度≯100~200m。2、一元回歸法如果在已采區(qū)域測定有多個點的瓦斯涌出量，那么利用回歸分析方法可得到更高的預測精度。假定某礦已采區(qū)的瓦斯涌出量實測數據如表2-1所示，根據已知數據作出的散點圖如圖2-1所示。表2-1瓦斯涌出量實測數據單元開采深度H（m）相對瓦斯涌出量q(m3/t)11805.823208.6………n42011.9·擬合方程回歸----利用最小二乘法回歸方程：式中：q/m3/t。。。。。。。。。H/m圖2-1一元回歸法二、瓦斯含量法瓦斯含量法又稱分源預測法。這種方法以煤層瓦斯含量為礦井瓦斯涌出量預測的主要依據，故稱瓦斯含量法。世界上一些主要產煤國家如英國、前西德、法國、波蘭、前蘇聯(lián)等，開始進行煤層瓦斯含量法預測礦井瓦斯涌出量的研究，提出了各自的計算公式。原理：采區(qū)相對瓦斯涌出量等于平均每采一噸煤各瓦斯涌出分量之和。每一分涌出量為：式中：mi/m1----瓦斯涌出源所在煤層厚度與采高之比；x0----瓦斯涌出源所在煤層原始瓦斯含量；x1----運到地面煤的殘余瓦斯含量；Ci----i個瓦斯涌出源的瓦斯涌出率。礦井瓦斯涌出來源：礦井瓦斯涌出可分為七個基本涌出源（圖2-2）。礦井瓦斯涌出生產采區(qū)瓦斯涌出已采采區(qū)采空區(qū)瓦斯涌出回采工作面瓦斯涌出生產采區(qū)采空區(qū)瓦斯涌出掘進巷道瓦斯涌出開采煤層瓦斯涌出鄰近煤層瓦斯涌出圍巖瓦斯涌出巷道煤壁瓦斯涌出掘進落煤瓦斯涌出圖2-2礦井瓦斯涌出來源1、前蘇聯(lián)提出的預測公式(1)開采煤層（包括圍巖）相對瓦斯涌出量式中：

qk——開采煤層（包括圍巖）相對瓦斯涌出量，m3/t；k1——圍巖瓦斯涌出系數。全部陷落法管理頂板，取1.25，局部充填法，取1.20；全部充填法，取1.10；m0——煤層厚度，m；m——煤層采高，m；k2——掘進巷道瓦斯排放系數；k2=(L-2h)/L。前進式開采時，如上部相鄰工作面已采，k2＝1；如上部相鄰工作面未采，k2=(L+2h+2b)/(L+2b)b---掘進巷道平均寬度，m；k3——煤柱瓦斯涌出系數，k3=∑l/L；∑l——煤柱沿傾斜方向的寬度，m；x0——煤層原始瓦斯含量，m3/t；x1——煤的剩余瓦斯含量，m3/t。不同變質程度煤的殘存瓦斯含量見下表。煤的揮發(fā)分Vr(%)殘存瓦斯含量x1’(m3/t可燃質)2~812~88~128~712~187~618~266~526~355~435~424~342~503~2(2)鄰近煤層相對瓦斯涌出量式中ql——鄰近煤層相對瓦斯涌出量，m3/t；n——鄰近層數目；mi——第i鄰近層厚度，m；m——開采層采高，m；x0i——第i鄰近層瓦斯含量，m3/t；

x1i——第i鄰近層殘存瓦斯含量，m3/t；hi——第i鄰近層與開采層的層間距，m；hp——采動后煤層頂底板巖石受到影響的范圍，m。hi·

頂板的影響范圍按下式計算：hp=Zkm(1.2+cosα)式中

α——煤層傾角，度；m——開采層采高，m；Zk——與頂板管理方法有關的系數。采高2.5m，全部陷落法管理頂板時，Zk=60；局部充填法，Zk=45；全部充填法:Zk=25?！?/p>

底板的影響范圍：hp=35m；急傾斜煤層，hp=Zkm(1.2-cosα)。（3）掘進巷道煤壁絕對瓦斯涌出量式中

Q1——掘進巷道煤壁絕對瓦斯涌出量，m3/min；Q0——煤壁瓦斯涌出初始強度， ，可用經驗公式推算：L——巷道長度，m;n——煤壁暴露面數；m0——巷道中的煤層厚度，m；(4)

掘進落煤絕對瓦斯涌出量式中

Q2

——

掘進落煤絕對瓦斯涌出量，m3/min；m0

——

巷道中的煤層厚度，m；b

——

巷道寬度，m；V

——

掘進速度，m/min；d

——

煤的容重，t/m3。（5）礦井相對瓦斯涌出量式中q礦——礦井相對瓦斯涌出量，m3/t；K——采空區(qū)瓦斯涌出系數，1.15~1.25；

n——礦井內采煤區(qū)個數；qki——第i采煤區(qū)開采層相對瓦斯涌出量，m3/t；qli——第i采煤區(qū)鄰近層相對瓦斯涌出量，m3/t；Ai——第i采煤區(qū)平均日產煤量，t；m——礦井內掘進巷道條數；Q1j——第j掘進巷道煤壁絕對瓦斯涌出量，m3/min；Q2j——第j掘進巷道落煤絕對瓦斯涌出量，m3/min；A——礦井平均日產煤量，t。2、溫特爾法3、英國采礦研究所法開采層瓦斯涌出鄰近層瓦斯涌出開采層瓦斯涌出鄰近層瓦斯涌出對現(xiàn)有預測方法的討論：瓦斯含量法在我國是一種較新的預測方法，已基本上達到實用化階段。這種方法既考慮了決定瓦斯涌出量大小的基本因素——煤層瓦斯含量，還考慮了一些相關的地質因素和開采因素。瓦斯含量法還沒有形成統(tǒng)一、公認的預測公式。各種方法在確定各涌出源的瓦斯涌出率時所考慮的影響因素不同，

或采用的物理模型不一樣，因而形成了不同的計算公式。

對同一礦井采用不同的瓦斯含量法，其預測結果相差較大。瓦斯含量法以煤層瓦斯含量作為預測的基礎依據，因而對煤層瓦斯含量測定值的可靠性和含量點的分布及密度有較高的要求。礦山統(tǒng)計法是我國目前應用較為廣泛的預測方法。由于礦山統(tǒng)計法僅考慮瓦斯涌出量與開采深度一個因素之間的關系，故其適用范圍受到一定的限制。§2.5礦井瓦斯涌出治理一、礦井瓦斯平衡----礦井各種瓦斯涌出來源在礦井瓦斯涌出總量中所所占的比重。意義：取決于礦井自然因素和開采技術因素。是礦井風量分配和日常瓦斯治理工作的基礎。1、瓦斯平衡的分類按水平、翼、采區(qū)進行：是礦井風量分配的依據之一。按采區(qū)、回采區(qū)、老空區(qū)進行：是礦井日常治理瓦斯工作的基礎。按開采煤層、鄰近層進行：是采煤工作面治理瓦斯工作的基礎。2、影響礦井瓦斯平衡的主要因素礦井不同生產時期建井和投產初期：主要來源于掘進過程。生產中期：主要來源于回采區(qū)。生產后期：主要來源于老空區(qū)。瓦

斯來

源遼源礦務局(%)陽泉四礦建井期達產期生產后期1959.81963.5掘進＞6530~6510~3031.28.0回采0~2020~3520~3541.722.6老空區(qū)9~1510~3010~3018.861.0其它8.38.4（2）采深不同，平衡表不同隨著深度的增加，不僅瓦斯涌出量增大，由于來自開采煤層圍巖的瓦斯涌出增高，采空區(qū)的瓦斯威脅越嚴重。開

采深度(m)平均相對瓦斯涌出量礦井名稱采

區(qū)（m3/t)回采工作面采空區(qū)（m3/t)（占采區(qū)%）（m3/t)（占采區(qū)%）6009667333頓巴斯82037164321578704319462456990471736306452013538862A.ф.札夏柯礦6001884510558702252317771020314132787（3）地質條件不同，平衡表不同單一煤層，瓦斯涌出以本層為主要來源，開采煤層群礦井，鄰近瓦斯涌出為主要來源。礦

井地質條件瓦斯涌出重(%)掘進區(qū)回采區(qū)老空區(qū)撫順龍鳳單一特厚煤層65.230.14.7鶴壁粱峪單一煤層403030.0天府磨心坡煤層群18.627.553.9雞西滴道四井煤層群20.524.055.5二、礦井瓦斯治理原則治理原則：分源治理按瓦斯危險程度進行分級和分類治理綜合治理

1、分源治理針對瓦斯來源的數量及其變化規(guī)律等特征采取相應措施進行治理。（1）掘進瓦斯涌出的治理主要方法：掘前預抽、邊掘邊抽、濕潤煤體與灑水、減少一次爆破量和掘進深度、雙巷掘進、加強通風管理等。（2）回采瓦斯涌出治理主要方法：本煤層采前預抽、工作面煤壁淺孔注水、采落煤炭灑水、減小一次開采量、抽放上下鄰近層瓦斯、抽放采空區(qū)瓦斯等。1上隅角治理：采空區(qū)抽放、尾巷排瓦斯、風障、通風負壓引排等。上隅角2（3）老空區(qū)瓦斯涌出治理及時封閉老空區(qū)，保證密閉質量，進行老空區(qū)抽放。老空區(qū)采空區(qū)（4）獨頭巷道排放積存瓦斯方法局部風機直接排放風筒增阻排放法（CH4積存較大，C%≯規(guī)定值）逐段通風排放法（巷道較長or獨頭巷道啟封）鉆孔排放法（巷道獨頭貫通前排放積存瓦斯）調風裝置排放法獨頭巷道CH42、分級分類治理按瓦斯危險程度進行分級，并按危險類別進行治理。3、綜合治理以消除瓦斯危險為方向，確保生產中人身安全為目標。包括：瓦斯涌出形式和涌出量預測、綜合措施編制、措施效果檢查等。第3章

瓦斯噴出及其預防§3.1瓦斯噴出的分類及其特點----大量承壓狀態(tài)的瓦斯從煤、巖裂隙中迅速噴出的現(xiàn)象。特點：時間突然，空間上集中，動力效應。危害：造成局部地區(qū)、采區(qū)、一翼充滿高濃度瓦斯；窒息、遇火燃能引起瓦斯爆炸、火災。根據瓦斯噴出裂隙呈現(xiàn)原因不同分：地質來源；采掘地壓形成。一、瓦斯沿原生地質構造洞縫噴出發(fā)生地點：地質破壞帶、石灰溶洞裂隙區(qū)、背斜or向斜軸部儲瓦斯區(qū)、斷層、斷裂區(qū)。特點：瓦斯流量大，持續(xù)時間長，無明顯地壓呈現(xiàn)預兆。二、瓦斯沿采掘地壓生成的裂縫噴出發(fā)生地點：往往與地質構造有關，在地質破壞區(qū)，原來處于封閉狀態(tài)的構造裂隙容易被利用，即在采掘地壓和瓦斯壓力聯(lián)合作用下會突然張開，成為瓦斯噴出通道。特點：噴出時有地壓顯現(xiàn)，有顯著的預兆（工作面來壓、支架響、掉碴、支架折斷），持續(xù)時間較短?！?.2瓦斯噴出的防治一、第一類瓦斯噴出的防治1、加強地質工作采取打前探鉆孔查明采掘區(qū)域前方地質構造、溶洞裂縫的位置分布及其瓦斯儲量。2、根據瓦斯壓力、瓦斯量和地質采掘條件制訂防治瓦斯噴出的設計與安全措施。3、利用封堵縫口（瓦斯量小，裂縫不時），引排瓦斯、加強通風等綜合措施治理噴出瓦斯。二、第二類瓦斯噴出的防治1、加強地質工作掌握層間巖性與厚度變化，鄰近層的瓦斯壓力與瓦斯含量，地壓大小，頂底板的活動規(guī)律。2、根據初期卸壓面積估算卸壓瓦斯量，以確定抽放卸壓鉆孔的數量及孔位。3、加強工作面維護4、加強通風管理。第4章

煤與瓦斯突出及其防治§4.1煤與瓦斯突出概況煤與瓦斯突出是礦井開采中危險性最大的災害，是世界各主要產煤國突出礦井共同面臨的技術難題。Exp:1834年3月22日，法國魯阿煤田，伊薩克礦井（世界上第一次有記錄的突出）。1950年，遼源富國西二井（我國第一次有記錄的突出）。最大的突出：前蘇聯(lián)（1969.7.19）：加加林礦，石門揭煤，1400t,250萬m3瓦斯。中國（1975.8.8）：三匯壩一井，12780t,140萬m3瓦斯。危害：1、產生的高壓瓦斯流，能摧毀巷道，造成風流逆轉、破壞礦井通風系統(tǒng)。2、井巷充滿瓦斯，造成人員窒息，引起瓦斯燃燒或爆炸。3、噴出的煤巖，造成煤流埋人。4、猛烈的動力效應可能導致冒頂和火災事故的發(fā)生。到1992年底全國已有282個突出礦井，截止1995年共發(fā)生了16000多次突出。定義：在很短時間內（數分鐘），從煤（巖）壁內部向采掘工作面空間突然噴出煤（巖）和瓦斯的現(xiàn)象。特點：伴有聲響和猛烈的力能效應（摧毀井巷設施、破壞礦井通風系統(tǒng)），窒息、煤流埋人，可能引起瓦斯燃燒和爆炸?！?.2礦井瓦斯動力現(xiàn)象及分類一、按力學特征分類1、煤（巖）與瓦斯突然噴出----突出主要特點：突出物的搬運特征：形成固體與氣體兩相混合流，可以流動到很遠處。突出物的堆積特征：分選、沉積輪回，堆積角α＜安息角（35°~40°）突出物的破碎特征：產生大量手捻無顆粒的微塵。瓦斯量：突出瓦斯量（m3/t煤）≥瓦斯含量；噴孔孔形狀：口小內大的犁形，倒并形（與應力分布一致）作用力：地應力（彈性變形能）瓦斯壓力（瓦斯?jié)撃埽┲亓Α?、煤（巖）突然壓出并涌出大量瓦斯----壓出主要特點：突出物的搬運特征：煤呈整體外移，碎體拋出一定距離?！?/p>

突出物的堆積特征：就地堆積（or很近距離）、無分選性、無沉積輪回，α＜安息角（35°~40°）突出物的破碎特征：大小不同的塊體與碎末混雜。瓦斯量：瓦斯量（m3/t煤）≥瓦斯含量；噴孔孔形狀：口大內小、外寬內窄、楔形作用力：地應力（圍巖彈性位能突然釋放）、3、煤（巖）突然傾出并涌出大量瓦斯----傾出主要特點：突出物的搬運特征：煤沿傾斜下落，碎體拋出不遠距離；突出物的堆積特征：就地堆積（or很近距離）、無分選性、無沉積輪回，α＜安息角（35°~40°）突出物的破碎特征：大小不同的塊體與碎末混雜。瓦斯量：瓦斯量（m3/t煤）≈瓦斯含量；噴孔孔形狀：口小內大、舌形作用力：地應力（圍巖彈性變形能）、重力。多發(fā)生于急傾斜煤層，低強度時，易與冒落和突出混淆。三類動力現(xiàn)象的發(fā)生都以地應力為主，所以它們的預兆相似，但三者的基本能源不同。人們習慣上將三類現(xiàn)象統(tǒng)稱為煤與瓦斯突出。二、按強度分類強度----每次動力現(xiàn)象拋出的煤（巖）數量（t

or

m3為單位）和瓦斯量(m3)。1、小型突出：強度＜50t/次（突出后，幾十min，瓦斯?jié)舛然謴驼＃?、中型突出：50~99

t/次（突出后，幾小時，瓦斯?jié)舛然謴驼＃?、次大型突出：100~499

t/次（突出后，一天，瓦斯?jié)舛然謴驼＃?、大型突出：500~999

t/次（突出后，幾天，瓦斯?jié)舛然謴驼＃?、特大型突出：＞1000

t/次（突出后，很長時間，瓦斯?jié)舛然謴驼＃Ｈ?、突出危險程度劃分1、突出礦井和突出煤層：礦井在采掘過程中，只要發(fā)生過1次煤（巖）與瓦斯突出（簡稱突出，下同），該礦井即為突出礦井，發(fā)生突出的煤層即為突出煤層。2、突出危險區(qū)和突出威脅區(qū)：突出煤層經區(qū)域預測可劃分為突出危險區(qū)和突出威脅區(qū)。3、突出危險工作面和突出威脅工作面：突出危險區(qū)進行工作面煤與瓦斯突出預測。四、防突措施的規(guī)定在突出危險區(qū)工作前，應采取防突措施，采取措施之后應進行檢驗，有效后方可進行作業(yè)；在突出威脅區(qū)，每推進一個工作面預測循環(huán)，都必須進行工作面預測，根據預測結果采取措施。§4.3采掘工作面瓦斯動力現(xiàn)象的特點采掘面的類型對突出諸因素的邊界條件及在煤內空間與時間上的分布產生重大影響，因此各類工作面的動力現(xiàn)象具有不同的特點。Exp:石門突出：突出危險性最大，突出強度大，概率高，典型突出次數最多。一、石門突出類型：（1）放炮揭開煤層時的突出；過煤門時的突出；自行沖破巖柱的突出。其中，放炮揭開煤層時的突出所占的比例最大。1、揭煤與過煤門時的突出exp1：exp2：原因：采掘應力疊加。石門2、自行沖破巖柱的突出原因：一般都存在于有利的地質構造條件。例如：斷層、褶曲、扭轉等地質構造處。

3、延期突出突出過程：準備、發(fā)動、發(fā)展、終止。延期時間：幾十分鐘~幾十小時延期突出的實質：

放炮后，突出的準備階段沿未結束，在此期間煤層內發(fā)生不穩(wěn)定的蠕變，新暴露面附近煤內產生能量積累。

新暴露煤壁支承能力較大，能承受爆破時已升高的載荷和瓦斯壓力作用，并繼續(xù)積蓄彈性能。

當震動放炮不規(guī)范時，煤壁的穩(wěn)定性降低，使地應力大大升高，直至處于過載應力狀態(tài)。

煤體突然破碎，瓦斯壓力的推力也因煤體破碎裂隙增加而成倍增加，導致突出的發(fā)生。二、平巷突出（煤巷掘進面）與石門突出相比，突出平均強度低。原因：地應力方面：缺少像石門那樣硬巖約束條件，即無能量積累的過程條件。限制了合成σ和瓦斯方面：工作面前方煤體的CH4和平增大。遠低于石門工作面前方煤體。因為瓦斯排放時間長。三、上山突出傾出所占比例增多。煤的自重在動力現(xiàn)象中起作用。四、下山突出主要是突出和壓出。煤的自重在動力現(xiàn)象中起阻力作用。五、采煤工作面突出煤層傾角越小，突出危險性越大。采煤工作面突出表現(xiàn)出明呈的區(qū)域性，在地質構造上有如下幾種類型：向斜軸部附近；地質構造交匯處；主向斜軸部的局部隆起區(qū)域；小斷層群及頂底板凹陷或凸起群區(qū)域；煤厚及傾角突然變化區(qū)。§4.4煤與瓦斯突出機理一、突出原因假說怎樣發(fā)生？原因何在？過程如何？1、瓦斯作用說認為煤內存在高壓瓦斯是突出中起主要作用的因素。“瓦斯包”：“多聚甲烷”：CH4在煤中形成不穩(wěn)定的多聚甲烷（（

CH4

）n）或結晶水合物（ ），當煤層揭開后， 促使它們急劇分解，從而放出大量瓦斯并夾帶大量煤炭而噴出。2、地應力作用說突出主要是高地應力作用結果。3、綜合作用說突出主要是地應力、瓦斯、煤的力學性質等因素綜合作用結果。1）能量說前蘇聯(lián)B.B.霍多特提出，突出是煤的變形能（w）和瓦斯內能突然釋放引起工作面煤體的高速破碎。激發(fā)突出的第一條件對于回采對于掘進對于石門揭煤式中W----煤的變形能；Э----頂板巖石動能；Q----煤內游離瓦斯所含的內能；F----煤向巷道移動功；U----煤的破碎功。激發(fā)突出的第二條件式中Vp----煤的破碎速度；Vx----煤裂隙中瓦斯壓力下降速度。激發(fā)突出的第三條件式中P----瓦斯壓力；s----煤破碎區(qū)段的橫斷面積；f----煤沿某一表面移動時，該面的摩擦系數；α----煤沿某一表面移動時，該面與水平面所成傾角；g----重力加速度；m----煤的質量；a----為了將煤拋出必須給煤的加速度；+，-----煤移動方向，向上拋出取“+”，反之取“-”。在瓦斯礦井，激發(fā)突出的第二與三條件實際上總是可以滿足，因此，第一條件便成為發(fā)生突出的主要而必需條件。2）地應力分布不均說前蘇聯(lián)馬可耶夫研究所巴甫洛夫等人提出。突出機理（原因）：√

突出煤層的圍巖具有增高的和不均勻的應力分布；√

產生圍巖的不均勻位移；√

頂底板接近的“停滯”和“塞子”的形成，產生一種脆弱的平衡；√

靠近工作面的破碎帶的尺寸降低，同時在近工作面范圍內部保持著較高的瓦斯壓力?！?/p>

采掘工作破壞圍巖脆弱平衡時，造成急劇的位移和搓揉，產生沖擊和煤的破碎，發(fā)生突出。發(fā)生突出的條件：a、突出煤層具有不同的地質構造與煤的結構；b、突出煤與非突出煤層的特性不同；c、突出區(qū)：瓦斯壓力大，煤層透氣性低，煤質松軟，地質構造復雜。d、突出煤層，地應力處于緊張狀態(tài)；e、突出主要發(fā)生在地質構造帶內；f、圍巖地應力不均是突出危險性的一種標志。因此，圍巖的應力狀態(tài)變化和能量的釋放是造成突出的首要原因，瓦斯是突出的基本能源之一，瓦斯壓力決定了突出的強度。二、力能計算1、地應力煤體內存在著地應力（自重應力、地質構造力和采動集中應力）、瓦斯壓力和煤的自重重力。自重應力：鉛垂方向水平方向地質構造應力：水平方向采動集中應力：鉛垂方向煤的自重力：鉛垂方向一般地，通常地應力在數值上為瓦斯壓力的幾倍到幾十倍，突出過程中破碎煤體的主導力是地應力，特別是存在地質構造應力時，尤其如此。2、煤體彈性潛能單向應力狀態(tài)：三向應力狀態(tài)：式中

wt----煤的彈性變形潛能，mj/m3；σ----煤的平均應力,Mpa；σ1

、σ2、σ3----分別為三個方向的主應力，Mpa；μ、E----分別為煤的泊松比和彈性模量。3、瓦斯內能作用：破碎煤體；搬運突出物；使突出不斷向煤體深部擴展。熱力學變化過程：突出瞬間，膨脹瓦斯屬于等溫過程；破碎煤脫離煤體后，屬于多變過程；最后接近絕熱過程。根據熱力學，可推得一噸煤瓦斯膨脹內能計算式為：式中v1----噸煤瓦斯涌出量；P0、P1----突出前后，煤層瓦斯壓力；n----過程指數。三、突出過程及特點1、突出發(fā)生過程（1）準備階段----能量積蓄由于地質、采礦原因，煤體內的能量積聚逐漸發(fā)展到臨界破壞，或過載的脆弱平衡狀態(tài)。，呈現(xiàn)出多種有特點：工作面煤壁內形成高σ

和

聲或無聲的預兆。時間有長，有短。（2）激發(fā)階段特點：地應力狀態(tài)突然改變。表現(xiàn)為：極限應力狀態(tài)的部分煤體突然破壞；發(fā)生巨響和沖擊；向巷道方向作用的瓦斯壓力的推力由于煤體的破裂，大大增加；膨脹瓦斯流形成，大量瓦斯解吸。引發(fā)原因：落煤、打鉆、修整工作面等。（3）發(fā)展階段特點：a）突出從激發(fā)點起向內部連續(xù)剝離并破碎煤。（由地應力和瓦斯壓力共同作用）b）破碎的煤在不斷膨脹的承壓瓦斯風暴中邊運送，邊粉碎，此過程主要是