1、煤層瓦斯生成、賦存、 涌出及其預測,俞啟香教授、博士生導師,中 國 礦 業(yè) 大 學 煤礦瓦斯治理國家工程研究中心,主要內容,1.煤層瓦斯的生成 2.煤層瓦斯的賦存 3.礦井瓦斯涌出及其預測 4. 礦井瓦斯涌出構成,1 煤層瓦斯的生成,1.1 煤層瓦斯的生成 煤層瓦斯又稱煤層氣,它是腐植型有機物在成煤過程中生成的。在煤化作用的全過程中，即從泥炭到不同煤化程度的煤的生成，都有煤層瓦斯生成。煤的原始母質腐植質沉積以后，一般經歷兩個性質完全不同的成氣時期（過程）：生物化學成氣時期和煤化作用成氣時期。,1.1.1生物化學成因瓦斯的生成,生物化學成氣時期是從腐植型有機物沉積在沼澤相和三角洲相環(huán)境中開始的，

2、在溫度不超過65oC的還原條件下，腐植型有機物經厭氧微生物（甲烷生成菌）的化學降解作用生成甲烷、二氧化碳和水，其模式： 4C6H10O5 7CH4+8CO2+C9H6O+3H2O （纖維素） 微生物作用 （類煙煤）,表1.1.1 生物化學甲烷產量模擬試驗匯總表 （據陳安定等，1989）,1.1.2煤化成因瓦斯的生成,隨著褐煤層下沉、壓力與溫度增加，煤的熱催化變質作用加劇，煤層便進入煤化作用成氣時期。一般在埋深大于2000-3000m的壓力和溫度條件下，煤層就會產生較強烈的煤化成氣作用。在壓力和溫度的作用下，煤大分子的側鏈和官能團不斷發(fā)生斷裂、結合和脫落，生成CO2、CH4、H2O等氣體，其模式

3、：,4C16H18O5C57H56O10+4CO2+3CH4+2H2O （泥炭） （褐煤） C57H56O10C54H42O5+2CH4+CO2+3H2O （褐煤） （煙煤） C15H14OC13H4+2CH4+H2O （煙煤） （無煙煤） 從上述模式中可看出，生成的氣態(tài)烴組分中以甲烷為主。從褐煤到無煙煤，煤的變質程度越高，生成的瓦斯量越多。,表1.1.2我國部分煤的熱成因模擬試驗瓦斯發(fā)生率數據表(據張新民等,1991),為綜合數據； * 為引用國外文獻數據。,表1.2.1 國內外部分煤層瓦斯組分數據表,1.3 天然氣（甲烷）水合物,世界儲量約11萬億噸（是地球全部化石燃料-煤、石油和天然氣之

4、和的兩倍，人類未來動力的希望）。,1.4 甲烷及其同系物的性質,甲烷的化學分子式為CH4 。它是無色、無味、無嗅、可以燃燒或爆炸的氣體，對人呼吸的影響同氮氣相似，可使人窒息。 假如，甲烷涌入空氣中，沖淡了空氣中氧氣濃度，當甲烷濃度為43%時，相應的氧氣濃度被沖淡到12%，人即刻處于昏迷狀態(tài)，出現死亡危險。,甲烷分子的直徑為0.41nm，其密度為0.716kg/m3(標準狀況下),為空氣密度的0.5547倍(0 OC)。它與空氣混合形成氣團時，該氣團較周圍氣體的密度輕，它將邊上浮邊擴散。甲烷擴散速度是空氣的1.34倍,故它會很快地擴散到巷道各角落，由于它在空氣中表現出強擴散性，所以它一經與空氣均

5、勻混合，就不會因其比重較空氣輕而分離上浮、積聚。,當巷道無瓦斯涌出、風速較大呈紊流狀態(tài)時，巷道內的甲烷濃度呈均勻分布；當有瓦斯涌出、風速較低呈層流狀態(tài)時，甲烷濃度則呈不均勻分布，涌出處的瓦斯?jié)舛茸罡?，可形成瓦斯積聚云層。巷道頂板的裂隙因卸壓而張開，其卸壓瓦斯從中涌出，所以經常見到在巷道的頂部瓦斯?jié)舛缺容^高。,甲烷微溶于水，在101.3kPa條件下、當溫度20 OC時，100L水可溶解3.31L甲烷。甲烷是溫室氣體的一種，一個甲烷分子的增強溫室效應大約是一個二氧化碳分子的7.5倍,它在大氣中因與羥基(OH)反應而消失的平均壽命約為11年,比CO2的壽命要短得多。,在煤層瓦斯中，還含有甲烷同系物重

6、烴（乙烷、丙烷、等），它們的密度都比甲烷重，比空氣也重，都能燃燒和爆炸，它們的爆炸下限比甲烷低得多；其最低點火溫度與最小點燃能也都比甲烷低得多；而產生的最大爆炸壓力比甲烷高得多，因此它們的存在加重了瓦斯爆炸的危險。,2.煤層瓦斯的賦存,煤是天然的空隙裂隙體：空隙率一般為518%； 每克煤內空隙的表面積達20-200m2/g甚至更多。,氣相 吸附相 固相,豐城煤張扭裂隙，放大5400倍,雞西煤的孔隙，放大720倍,煤中瓦斯賦存物理化學模型,瓦斯呈2種狀態(tài)賦存于煤層中：一種為吸附狀態(tài)，即氣體分子濃集于煤的微孔表面或煤分子結構空間中，服從于朗格繆爾方程；另一種為游離狀態(tài)，即氣體分子自由地運動于煤的空

7、隙中，服從于氣體狀態(tài)方程。吸附瓦斯和游離瓦斯之間處于動平衡狀態(tài)，溫度與壓力條件變化，平衡隨著變化。在現代開采深度條件下，游離瓦斯約占瓦斯總量的5-12%，其余為吸附瓦斯。,2.1 煤層中瓦斯賦存的形態(tài),2.2 煤層瓦斯含量及對其影響的 地質因素,2.2.1煤層瓦斯含量 煤層瓦斯含量是指在天然條件下,單位質量或體積的煤體中所含的瓦斯量(m3/t煤或m3/m3煤)。煤層瓦斯含量是煤礦開采和煤礦安全生產中的一項重要基本參數，可用于礦井、采區(qū)和工作面瓦斯涌出量預測、確定礦井瓦斯等級、通風設計、產量配產、瓦斯儲量計算、瓦斯抽放和利用以及煤與瓦斯突出危險性鑒定等方面。,煤層瓦斯含量的大小決定于成煤過程中生

8、成的瓦斯量和煤層及圍巖保存瓦斯的條件。煤層瓦斯含量的確定方法有測定法和計算法。計算法如下: 煤層瓦斯含量（m3標/t煤）等于煤的吸附瓦斯量xx與游離瓦斯量xy之和。 X=xx+xy xx=en(t0-t)1/（1+0.31W）(100-A-W）/100 abp/（1+bp） xy=VT0p/Tp0,式中, t0、t分別為測定吸附常數時的實驗溫度和煤層瓦斯的溫度oC; n 為系數，按下式確定：n=0.02/(0.993+0.07p) ; W、A 分別為煤的水分和灰分,%; a、b為煤的吸附常數，其單位分別為m3/t，MPa-1; p、分別為煤層的瓦斯壓力(MPa)和瓦斯壓縮系數; V、T =27

9、3+t 分別為噸煤的孔隙容積(m3/t煤)和煤層瓦斯的溫度； T0、p0 分別為標準狀況下的絕對溫度(273K)和壓力(0.101325MPa),2.2.2 影響煤層瓦斯含量的地質因素,影響煤層瓦斯含量的主要地質因素有：煤層的賦存條件、地質構造、圍巖性質、煤化程度、地質史和水文地質等。,1）煤層的賦存條件,埋藏深度 在瓦斯風化帶以下的瓦斯帶內，隨著煤層的埋藏深度的增加，煤層瓦斯含量增高；如圖2.4.1a、b所示。,圖2.2.1a英國奧斯特煤瓦斯含量與深度的關系圖,1）煤層的賦存條件,瓦斯風化帶是由“CO2-N2”、“N2”、“N2-CH4”帶組成的，其氣體組成不同，而且瓦斯含量也不同。它是在長

10、期地質進程中地面空氣、地表生物氣體產物向下運動和煤層瓦斯向上運動的結果。地表剝蝕過程使瓦斯風化帶減小、長期風化、自由排放瓦斯時間越長，地層破壞程度越高，其深度越長。 它的下邊界可由下列條件確定： 甲烷及重烴濃度之和=80%； 瓦斯壓力=0.1-0.15MPa; 相對瓦斯涌出量=2-3m3/t； 瓦斯含量=1.0-1.5m3/t可燃物（長焰煤） = 1.5-2.0m3/t可燃物（氣煤） = 2.0-2.5m3/t可燃物（肥、焦煤） = 2.5-3.0m3/t可燃物（瘦煤） = 3.0-4.0m3/t可燃物（貧煤） = 5.0-7.0m3/t可燃物（無煙煤）,圖2.2.1b 渣渡礦區(qū)煤層瓦斯含量與

11、埋深關系圖,瓦斯含量(m3/t),圖2.2.2a 幾種常見的煤層瓦斯含量 增高構造示意圖,1-不透氣巖層 2-煤層瓦斯含量 增高區(qū)域 3-煤層,2） 地質構造,圖2.2.2b 傾覆背斜與向斜構造對煤層瓦斯 含量影響示意圖,1、瓦斯含量增大區(qū) 2、瓦斯含量正常區(qū) 3、瓦斯含量減小區(qū) 4、瓦斯含量等值線,斷層對煤層瓦斯含量有重要影響，開放性斷層是瓦斯排放的通道，其附近區(qū)域煤層瓦斯含量減??；封閉性斷層割斷了深部煤層瓦斯通向地面的通道，使瓦斯含量增大。,3）圍巖性質,圍巖致密完整、透氣性差時，煤層瓦斯易于保存，煤層瓦斯含量高；反之煤層瓦斯易于流失，瓦斯含量低。例如，大同和撫順兩煤田，因圍巖不同，瓦斯含

12、量截然不同。大同煤田煤（弱粘結煤）比撫順煤（長焰煤）的煤化程度高，大同煤在成煤過程中生成的瓦斯量和煤的吸附能力均較撫順煤大，但實際前者煤的瓦斯含量卻遠比后者小，。這是因為大同煤田的煤層頂板由空隙發(fā)育、透氣性良好的砂巖、礫巖和砂頁巖等組成，煤層生成的瓦斯已大量流失；而撫順煤田的煤層頂板是厚度達百m的致密、不透氣的油母頁巖和綠色頁巖，使豐富的煤層瓦斯得以封存。,圖2.2.3 紅陽煤田煤的煤化程度與煤層瓦斯含量的關系圖,4）煤化程度,5）煤田地質史,煤田地質史紀錄了煤層瓦斯的生成、排放和賦存演變過程與歷史，它對煤層瓦斯含量有重要影響。例如，煤系地層的上升，將使地表的剝蝕作用加強，不僅造成煤化條件的地

13、壓減小和地溫下降，使瓦斯的生成量減少，而且為煤層瓦斯向地表排放提供了條件，煤層瓦斯含量減??；反之，煤系地層的下降，將使煤系地層之上接受了更厚的覆蓋層，不僅造成煤化條件的地壓增加和地溫上升，使瓦斯的生成量增加，而且為煤層瓦斯儲存和封閉提供了條件，煤層瓦斯含量增大。,6）水文地質,水文地質條件是煤層瓦斯含量大小的影響因素之一。在地下水活躍地區(qū)，不僅水能溶解一定的瓦斯并將其帶走；而且水還能帶走可觀的可溶物，造成地層的天然卸壓，使煤層卸壓，透氣性增大，從而強化了煤層瓦斯的排放，使煤層瓦斯含量減小。例如，南桐直屬二井的煤與瓦斯突出煤層，在地下水活躍地區(qū)，不僅瓦斯含量小，而且突出危險消失。,2.3 煤層瓦

14、斯含量測定,目前，我國普遍采用的煤層瓦斯含量測定方法有三類：地勘解吸法，間接法和井下解吸法。現分述如下。,（1）地勘解吸法,這是一種煤田地質勘探和煤層瓦斯地面開發(fā)時最常用的煤層瓦斯含量測定方法。地勘解吸法在我國煤田地質勘探部門得到了廣泛的推廣應用，并一直沿用至今。,地勘解吸法測定煤層瓦斯含量的基本原理及依據為： 煤層原始瓦斯含量X0由取芯過程煤樣漏失瓦斯量V1、地面解吸瓦斯測定量V2和殘存瓦斯量V3構成,X0= V1+ V2+ V3； 在一定時間內，煤,圖2.3.1 瓦斯漏失量V1-計算圖,樣在地面的解吸瓦斯量與解吸時間之間遵循V2-（t0+t）0.5關系； 煤芯提至鉆孔深度的一半時開始解吸瓦

15、斯； 取芯過程中煤樣瓦斯漏失量可按V1- （t0+t）0.5推算，見圖2.3.1。,煤芯在地面的解吸瓦斯量V2由煤芯瓦斯解吸儀測得,圖 2.3.2 煤芯瓦斯解吸儀示意圖,圖2.3.3 真空脫氣測定裝置示意圖,13,15,14,12,11,10,9,8,7,6,5,4,2,3,1,16,17,18,19,超級恒溫器 密封罐 穿刺針頭 濾塵器 集水瓶 冷卻管 水銀真空計 隔水瓶 吸水管 排水瓶 吸氣瓶 真空瓶 大量管 小量管 取氣支管 水準瓶 干燥管 分隔球 真空泵 A 螺旋夾 B、C、D、E、F單向活塞 G、H、I、J、K三通活塞L、N120三通活塞,殘存瓦斯量V3由真空脫氣測定裝置（見圖2.3

16、.3）測得。,從地勘解吸法十年多來的應用情況統(tǒng)計分析結果看9，和早期采用的密閉罐法、集氣法相比，地勘解吸法煤層瓦斯含量測值成功率和可靠性都有較大幅度的提高，但測值仍有較大的誤差：孔深小于500m時，地勘瓦斯含量有約70%的測值偏低1525%，20%的測值偏高1015%，整體測值偏低約1015%；煤層埋深大于500m，特別是達到800m以上時，普遍具有測值偏低程度隨孔深增加而加大的趨勢，有85%以上的測值低3040%，最高達到50%以上，只有不足8%的測值偏高510%。,地勘解吸法含量測值普遍偏低的主要原因在于煤樣漏失瓦斯量估算不盡合理，具體表現在兩個方面： 其一，煤芯在泥漿介質中的瓦斯解吸與煤

17、層原始瓦斯壓力、上覆泥漿壓力有關，人為地將煤芯在鉆孔中開始解吸瓦斯的時間固定為煤芯提至鉆孔深度的一半，是不合理的； 其二，煤芯在鉆孔中的瓦斯解吸是在泥漿介質中完成的，而煤樣在地面的瓦斯解吸是在空氣介質中進行的，兩者的介質環(huán)境及介質壓力條件差異較大，用煤樣在地面的瓦斯解吸規(guī)律推算提鉆過程中的煤樣漏失瓦斯量缺乏充分的依據。這兩點我們已完成了改善研究。,泥漿介質中取芯過程煤的瓦斯解吸規(guī)律及應用研究（3）泥漿介質中取芯煤芯瓦斯解吸過程模擬（B）模擬裝置,1復合真空計2真空泵 3真空管系4真空硅管5玻璃三通閥6高純瓦斯瓶 7精密壓力表 8針形三通閥9充氣罐10煤樣罐 11水浴 12恒溫器 13泥漿(水)

18、罐 14注漿(水)孔15氮氣瓶 16解吸儀 17色譜儀 18紫銅管 19針形二通閥,（2）間接法,間接法主要用于生產礦井煤層瓦斯含量測定，偶爾用于地勘期間煤層瓦斯含量測定。該方法的理論基礎是單分子層吸附模型的朗格繆爾方程（Langmuir Equation），它確定煤層瓦斯含量的方式與步驟為：實測煤層瓦斯壓力；實驗測定煤樣可燃基的瓦斯吸附常數；用朗格繆爾方程計算煤的可燃基瓦斯含量，并通過水分、灰分、溫度、壓力等校正得到原煤的瓦斯含量。這一方法的計算基礎都是來自實測值，而計算模型又得到理論證明，故可信度較高，但測準煤層瓦斯壓力較難，工作量較大。,（3）井下解吸法,該方法是在地勘解吸法原理基礎上改

19、進、發(fā)展形成的直接在井下測定煤層瓦斯含量的方法，它在我國煤礦本煤層、鄰近層瓦斯含量測定中廣為采用。測定時，先在煤層打鉆孔，采集鉆（煤）屑（本煤層）或打穿層鉆孔采集煤芯（鄰近層），然后測定采集的煤屑樣在空氣介質中的瓦斯解吸規(guī)律，并據此推算鉆屑或煤芯在采集過程中試樣的漏失瓦斯量，最后根據漏失瓦斯量、解吸瓦斯量、殘存瓦斯量和煤樣重量計算煤層原始瓦斯含量。,井下解吸法采用如下方法推算試樣采集過程中的漏失瓦斯量： 試樣的瓦斯解吸從到達既定深度（本煤層）或穿透巖層見煤（鄰近層）時開始計時； 本煤層鉆屑采集過程中試樣的漏失瓦斯量一般按Q(t0+t)0.5規(guī)律推算，鄰近層穿層鉆孔煤芯采集過程試樣漏失瓦斯量也按

20、Q(t0+t)0.5規(guī)律推算。,2.4.1定義與影響因素 煤層瓦斯壓力是瓦斯在煤層中所呈現的壓強。它是游離瓦斯分子熱運動撞擊所產生的作用力,其方向垂直于孔隙壁,在某一點其大小相等。它也是單位體積中所含有的瓦斯壓力潛能。煤層未受采動影響區(qū)域的瓦斯壓力稱為原始瓦斯壓力；已排放瓦斯或已抽放瓦斯區(qū)域的煤層瓦斯壓力稱為殘存（殘余）瓦斯壓力。煤層瓦斯壓力是決定煤層瓦斯含量和煤層突出危險性大小的主要因素之一，是進行瓦斯管理等工作的基礎參數。當煤的煤化程度相同時，煤層瓦斯壓力越大，煤層瓦斯含量也越高。,2.4 煤層瓦斯壓力,煤層瓦斯壓力主要受煤層埋藏深度、煤層頂底板巖層的透氣性、地質構造、煤層賦存形態(tài)、地應力

21、和地下水活動等因素影響。當煤層有露頭時，在瓦斯風化帶下邊界（甲烷帶上邊界）的煤層瓦斯壓力一般為0.15-0.25MPa,在地質構造簡單條件下, 煤層瓦斯壓力隨埋深增加而加大,;如果煤層連續(xù)、構造穩(wěn)定，相同埋深處同一煤層的瓦斯壓力相等。中梁山煤礦K1煤層在垂深378m水平，沿走向128m范圍內，測得的瓦斯壓力為2.75-2.8MPa。,2.4.2 煤層瓦斯壓力的測定方法,煤層瓦斯壓力的測定方法有直接測定法和間接測定法兩類。 1）間接測定法有: 根據煤層瓦斯含量推算煤層瓦斯壓力; 根據煤巷掘進或采煤瓦斯涌出量推算煤層瓦斯壓力; 根據煤層瓦斯壓力梯度求算煤層瓦斯壓力。這類方法精度比較低，僅在有限的條

22、件下使用。,2）直接測定法,直接測定法是直接在測定瓦斯壓力地點進行測定的方法，其工序有打鉆孔、封孔和測壓。典型的測定方法是在巖石巷道中向煤層打鉆孔，用不同的密封材料封堵鉆孔，在測壓導管上安設壓力表測壓。封孔方法有人工填料封孔、機械壓注填料封孔、封孔器封孔（膠圈封孔器、膠囊密封液封孔器和三相泡沫密封鉆孔器）等。測壓地點要選在沒有地質構造破壞和巖層密封性能好的地方，如巖層含水，應該用填料將鉆孔含水層段堵嚴隔離，以防水壓干擾瓦斯壓力測定結果。,圖2.4.1 填料法封孔示意圖,（1）人工填料封孔,（2) 機械壓注填料封孔,以壓縮空氣或泥漿泵為動力,將預先調制的膨脹性水泥漿或樹脂或聚胺脂壓入鉆孔進行封孔

23、。這一方法對傾角大的鉆孔封孔效果較好，對近水平鉆孔，由于鉆孔頂部不易充滿填料，易漏氣。,圖2.4.2 膠圈封孔器結構示意圖,（3）封孔器封孔,2.4.3 我國部分礦井的煤層瓦斯壓力實測值,我國部分礦井的煤層瓦斯壓力實測值 表2.4.1,2.5 煤層的透氣性,2.5.1定義和影響因素 煤層透氣性是煤層對瓦斯流動難易程度的屬性。它是煤層瓦斯流動規(guī)律考察、瓦斯抽放可行性分析、煤與瓦斯突出預測和防治研究的基礎性質。煤層的透氣性常用煤層透氣性系數或滲透率的大小來定量表達。煤層透氣性系數大，表明煤層透氣性好，瓦斯流動容易。煤層的透氣性主要取決于：煤體空隙結構分布及大??；煤層層理、節(jié)理、及裂隙發(fā)育程度；地應

24、力大小以及采動影響等，可以通過實際測定獲得煤層透氣性系數。,煤層透氣性系數是衡量煤層透氣性大小的指標。物理意義是在1m3煤體的兩側，壓力平方差為1MPa2時，通過1m長度的煤體，在1m2煤面積上每天流過的瓦斯量。煤層透氣性系數在不同地點相差很大。在集中應力帶，煤層透氣性可降低一半或更多；而在卸壓帶，則可增加幾十倍到幾萬倍。,2.5.2 測定與計算方法,煤層透氣性系數測定 單一鉆孔流量法： 打一個垂直穿透煤層鉆孔，封孔后，測出煤層真實的瓦斯壓力，壓力,值穩(wěn)定后，打開測壓孔排放瓦斯，記錄排放瓦斯的時間和流量以及煤層厚度、鉆孔直徑等參數，利用表2.2.1所列公式進行計算。,煤層透氣性測定示意圖,表2

25、.5.1 煤層透氣性系數的計算公式表,在這些公式的7個參數中，只有是未知數，故可計算出。,注：p0為煤層原始瓦斯壓力，MPa；p1為排瓦斯時鉆孔內瓦斯壓力，MPa；為煤層透氣系數，m2/（MPa2.d）;r為鉆孔半徑,m; 為煤層瓦斯含量系數,m3/(m3.MPa1/2)。=X/p1/2；X為煤層瓦斯含量，m3/m3；p為確定煤層瓦斯含量時的瓦斯壓力，MPa；q為比流量（鉆孔煤壁單位面積的瓦斯流量），m3/（m2.d）;t為測定瓦斯流量q時的排瓦斯時間,d;F0 為時間準數。,表2.5.2 我國部分礦區(qū)煤層透氣系數實測值,3.礦井瓦斯涌出及其預測,3.1 煤層瓦斯涌出形式及影響涌出量的主要因素

26、 3.1.1 煤層瓦斯涌出形式 煤層瓦斯涌出形式系指瓦斯涌出在時間上與空間上的分布形式，可分為正常式瓦斯涌出和異常式瓦斯涌出。 正常式瓦斯涌出是指在時間上與空間上比較均勻、普遍發(fā)生的不間斷涌出，它決定著礦井的瓦斯涌出平衡、瓦斯管理和風量分配。,異常式瓦斯涌出是在時間上與空間上突然、集中于局部發(fā)生的、涌出量很不均勻的間斷涌出，它又分為瓦斯噴出和煤（巖石）與瓦斯突出。由于異常式瓦斯涌出的突然性、暴發(fā)性和高峰（值）性，危害嚴重，甚至危及整個礦井安全，防治難度大，因此是防治工作的重中之重。,它是指從可見的煤、巖裂縫或空洞中瓦斯以快速形式噴射并延續(xù)時間一般不太長的涌出現象，這一現象通常都伴有聲響，如吱吱

27、聲、哨聲、水泡沖擊聲、吹風聲等，這是煤層和巖石瓦斯涌出的異常形式、特殊形式。其特點是 噴出發(fā)生具有突然性； 噴出初期瓦斯流量大； 拋出物通常只有氣體沒有固體。,瓦斯噴出,瓦斯噴出必須要有一定壓力的游離瓦斯源，按其形成過程可分為 地質過程游離瓦斯源； 采動卸壓過程游離瓦斯源； 頂板沖擊采空區(qū)積存瓦斯源等三種。,（1）地質過程游離瓦斯源是指游離瓦斯源來源于地質過程，大量的承壓游離瓦斯積存在地質構裂隙和空洞內，當采礦工程揭露或接近這些構造時，就會發(fā)生瓦斯噴出。,例如，陽泉、中梁山等礦區(qū)發(fā)生的頂底板石灰?guī)r溶洞裂隙的瓦斯噴出就屬于地質過程游離瓦斯源。 陽泉一礦12#煤層三下山底板，當鉆孔穿k3石灰?guī)r層時

28、，曾從裂隙中噴出瓦斯1132萬m3(在1年時間內)。 中梁山南礦+390m水平北茅口石灰?guī)r大巷掘進距斷層破壞帶40m時，放炮與石灰?guī)r溶洞裂縫（兩條各寬10100mm）貫通，隨炮聲一轟鳴聲，頓時霧氣彌漫，噴出的瓦斯充滿整個回風巷，2h后測得瓦斯流量486m3/min ,瓦斯噴出持續(xù)兩周，共噴出瓦斯36萬m3。,（2）采動卸壓過程游離瓦斯源是指游離瓦斯源來源于采動卸壓過程引起煤層吸附瓦斯大量解吸，變成卸壓游離瓦斯源。南桐礦區(qū)開采近距離保護層時在其采、掘工作面曾發(fā)生過這種瓦斯噴出。,噴出地特點： 1 層間距小于6m； 2 距向斜軸60、100m； 3 地壓大H大于300m， 瓦斯壓力高P大于3MPa

29、； 4 突發(fā)卸壓面積大， 掘進底臌面積120m2； 回采底臌面積346m2； 5 顯現來壓與瓦斯噴 出預兆,圖3.1.1 南桐一井0307大巷與回采面瓦斯噴出位置圖,（3）頂板沖擊下采空區(qū)積存瓦斯源 在采空區(qū)因斷層等留煤柱而處于相對封閉狀態(tài)條件下，其內會有高濃度游離瓦斯積存，當采空區(qū)煤柱發(fā)生地壓沖擊，懸空頂板發(fā)生一定面積的垮落時，積存瓦斯將受到其沖擊而壓縮產生瓦斯噴出。,圖3.1.2 蘆嶺礦1048風巷毗鄰采空區(qū)積存 瓦斯噴出的孔洞照片,3.1.2影響瓦斯涌出量的主要因素,瓦斯涌出量是指在礦井建設和生產過程中，從煤與巖石中涌出的瓦斯量。其表達方法有兩種： 絕對瓦斯涌出量在單位時間內涌出的瓦斯量

30、，單位為m3/min,m3/d; 相對（噸煤）瓦斯涌出量在統(tǒng)計期內平均每產一噸煤所涌出的瓦斯量，單位為(m3/d)/(t/d)即m3/t。,影響瓦斯涌出量的主要因素有自然因素和開采技術因素兩大類。自然因素主要有煤層和圍巖的瓦斯含量和開采深度等。開采技術因素主要有開采方法、頂板管理方法、開采順序、采掘工藝、掘進速度、回采速度與產量、礦井與采區(qū)通風系統(tǒng)與方法等。,3.2 掘進工作面瓦斯涌出,3.2.1 掘進工作面瓦斯涌出構成及規(guī)律 掘進工作面瓦斯涌出由三部分組成：迎頭新掘露煤壁、巷道已掘煤壁和采落煤（巖）的瓦斯涌出，三者一般都遵循相似的規(guī)律，如圖3.2.1所示,用公式表達為: qt=q0(1+t)

31、- （3.2.1） 或 qt=q0e-t (3.2.2),式中qt瓦斯涌出時間為t時煤巖暴露面的比流量（也稱為涌出強度或涌出速度），m3/（m2d）； q0瓦斯涌出初始(t=0)時，煤巖新暴露面的比流量，m3/（m2d）； 、瓦斯涌出衰減系數，取決于煤巖體的瓦斯流動特征。,圖3.2.1 煤壁暴露面和采落碎煤比瓦斯涌出量與涌出時間關系曲線 a 采煤工作面煤壁瓦斯涌出曲線 b 采落碎煤瓦斯涌出曲線,3.2.2 掘進巷道瓦斯涌出量計算,1）掘進巷道瓦斯涌出量Qj 計算如下： Qj =Q1+Q2+Q3 (3.2.3) 式中 Q1掘進工作面采落碎煤、巖的瓦斯涌出量，m3/min； Q2 迎頭新掘露煤壁的

32、瓦斯涌出量，m3/min，（ Q1 + Q2）占1035% Qj ； Q3巷道已掘煤壁的瓦斯涌出量，m3/minQ3占6590% Qj 。,2）掘進工作面采落碎煤、 巖的瓦斯涌出量計算,勻速掘進工作面采落碎煤、巖瓦斯涌出量Q1的計算公式為： Q1=mbv(X-Xc)/2460 (3.2.4) 式中 m巷道高度，對于薄及中厚煤層m取煤層厚度，m； b巷道寬度，m； v巷道掘進速度m/d 煤的密度t/m3 X、Xc分別為煤層的瓦斯含量和采落碎煤的殘存含量，m3/t。,3）掘進迎頭新掘露煤壁的 瓦斯涌出量計算,掘進工作面迎頭新掘露煤壁的瓦斯涌出量Q2系指掘進當天新掘出的新鮮煤壁暴露面的瓦斯涌出量（m

33、3/min），其計算公式如下： Q2 =（Uv +mb）q0 (3.2.5) 式中 U巷道煤暴露周邊長度，m； q0瓦斯涌出初始(t=0)時，煤巖新暴露 面的比流量，m3/（m2d），可實測得到, 陽泉礦區(qū)得出： q0=0.59X/2460 (3.2.6),4）巷道已掘煤壁的瓦斯 涌出量Q3計算,Q3=Uvq0(1+t)1-t -/(1-) （3.2.7) 或 Q3=Uvq0(1+-e-t)/Uvq0(1-e-t)/(3.2.8) 由式（3.2.10）或式（3.2.11）可知，巷道掘進的瓦斯涌出量大小決定于煤層瓦斯涌出特性參數q0、，此外還與巷道的掘進速度、煤體暴露周邊長度以及暴露時間或巷道長

34、度成正比。,由于煤壁瓦斯涌出比流量隨暴露時間的延長而快速衰減,當暴露時間t等于瓦斯涌出極限期tji時,煤壁因瓦斯源枯竭而終止涌出。與瓦斯涌出極限期tji相對應，巷道存在瓦斯涌出極限長度Lji，當巷道長度L等于這個長度Lji時，巷道瓦斯涌出量達到極限值Q3ji，以后，巷道掘進長度再增加，瓦斯涌出量也不再增加。式（3.2.11）的瓦斯涌出量極限值為: Q3ji= Uvq0/ (3.2.9) Lji = 3v/ (3.2.10),3.2.3 巷道已掘煤壁瓦斯涌出規(guī)律 的測定方法,由前述可知，計算與了解巷道瓦斯涌出量大小的關鍵在于掌握煤壁瓦斯涌出隨暴露時間的變化規(guī)律，為此，需要掌握測定煤壁瓦斯涌出（比

35、流量）規(guī)律的方法，下面介紹兩種實測方法。,圖3.2.5紅衛(wèi)煤礦煤層和陽泉一礦3#煤層煤壁瓦斯涌出比流量 與巷道瓦斯涌出量變化曲線圖,（1）圓罩式測定法,圖3.2.3圓罩式測定煤壁瓦斯涌出規(guī)律方法示意圖,qt=Q(cc-cr)/s*100 (3.2.11) 式中 qt 煤壁暴露時間為t天時，圓盤內煤面的 瓦斯涌出比流量， m3/minm2; Q流量計測得的從被密封圓罩內抽出的風 量，m3/min ； cc、cr 分別為進入與流出圓罩的瓦斯?jié)?度，%； s圓罩內煤壁面積，s=d2/4,m2; d圓罩直徑，m 。,（2） 淺鉆孔測定法,圖3.2.4 淺鉆孔測定煤壁瓦斯涌出規(guī)律的測定方法示意圖,qt=

36、Q(cc-cr)/（100dL） (3.2.12) 式中 qt 煤壁暴露時間為t天時，煤面的瓦斯涌出比流量， m3/minm2; Q流量計測得的從鉆孔內抽出的風量，m3/min ； cc、cr 分別為進入與流出鉆孔的瓦斯?jié)舛龋?； d、L分別為鉆孔直徑和長度m。,3.3 采煤工作面瓦斯涌出預測技術,3.3.1 瓦斯涌出量主要預測技術方法、適應性及展望,3.3 采煤工作面瓦斯涌出預測技術,礦井瓦斯涌出量預測技術框架圖,3.3.1、瓦斯涌出量主要預測技術方法、適應性及展望,8種,3.3 采煤工作面瓦斯涌出預測技術,3.3.1、瓦斯涌出量主要預測技術方法、適應性及展望,方法評價 分源預測法和礦山統(tǒng)計

37、法已經達到實用階段，并且于2006年發(fā)布了安全生產行業(yè)標準礦井瓦斯涌出量預測方法（AQ1018-2006）。 含量法主要是國外的幾種方法,在我國分源預測法建立之前應用較多，現在在現場的基本不再應用； 類比法由于簡單可行，現場應用也較多。 灰色系統(tǒng)預測法、神經網絡預測法由于計算過程復雜，必須借助計算機的編程，所以很少有現場采用，且目前還在探索階段； 瓦斯地質數學模型法是一種可以同時處理定性變量和定量變量的多元統(tǒng)計分析方法，現場有一定的應用。 速度預測法是以現場實測的瓦斯涌出初速度V0與衰減系數為基礎，只在相關文獻上報告過，現場沒有應用。 篩選結果 最后篩選出礦井瓦斯涌出量預測技術為礦山統(tǒng)計法、分

38、源預測法、類比法及瓦斯地質數學模型法。,3.3 采煤工作面瓦斯涌出預測技術,3.3.1、瓦斯涌出量主要預測技術方法、適應性及展望,展望 進一步完善分源預測法 分源預測法計算公式中,部分參數的取值具有隨意性,預測結果有不確定的成份，所以此種方法還需進一完善，尤其是預測公式中各種參數的取值更應科學合理，以提高預測精度及適用范圍。 逐漸發(fā)展、完善并推廣動態(tài)預測技術 礦井實現動態(tài)預測可以真實反映具有動態(tài)行為的采掘工作面生產過程中的瓦斯涌出實際情形，使預測更具有針對性、時效性、可靠性，以適應現代礦井高產高效建設的需要，這一技術也是今后發(fā)展的重點方向。,3.3 采煤工作面瓦斯涌出預測技術,3.3.2 采煤工作面瓦斯涌出計算的分類 采煤工作面的瓦斯涌出量Qcm的計算通常有兩種： 第一種是按涌出的地域（分域法）計算； 第二種是按涌出的來源（分源法）計算?，F將應用較多的第二種介紹如下：,按涌出來源計算：,qcm =qB+qL (3.3.1) 式中，qB來自開采煤層本層的瓦斯涌出量，m3/t; qL來自鄰近煤層的瓦斯涌出量，m3/t； qcm采煤工作面的相對瓦斯涌出量m3/t。,3.3.3 開采煤層本層的瓦斯涌出量,開采煤層本身的相對瓦斯涌出量qB 可以根據本開采層的原始瓦斯含量X0 按下式求得： qB=k1k2k3k4(X0 - X1) (3.3.2) 式中，