矿井瓦斯预测与控制技术研究学士学位论文

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1、山东科技大学学士学位论文 摘要 矿井瓦斯预测与控制技术研究摘 要矿井瓦斯事故是煤矿重大安全事故之一，而煤层瓦斯分布存在着不平衡性，一方面，不仅高瓦斯矿井需要对矿井瓦斯进行预测和控制，低瓦斯矿井同样要对矿井瓦斯异常涌出区进行检测控制，另一方面，也决定了低瓦斯矿井瓦斯防治工作不能套用高瓦斯矿井的相关措施，必须找到适应其情况的措施。本文首先对矿井瓦斯基本性质的进行了介绍，分析了矿井瓦斯的组分和来源以及其形成的影响因素，在此基础上对瓦斯涌出规律进行了初步研究，介绍了煤层瓦斯涌出及作用形式；其次，对矿井瓦斯预测方法进行了介绍，主要介绍了煤层瓦斯含量预测和煤层瓦斯突出预测的方法，并将预测结论与南屯煤矿的实

2、际测算量进行了对比；然后结合南屯煤矿实际情况，探讨了符合低瓦斯矿井实际情况的瓦斯综合防治及管理措施，提出了针对南屯煤矿局部瓦斯异常区的治理以及管理措施。关键词： 低瓦斯 瓦斯爆炸 瓦斯预测 综合防治 局部瓦斯异常区ABSTRACTCoal mine gas accident is one of the coal mines major accidents. Since the gass distribution in coal seams is imbalance ,on the one hand, not only high gas mine needs to take measures t

3、o forecast and control the gas in the mine, low gas also need to prevent gas accidents ,on the other hand, gas prevention measures in low gas coal should not follow that of the high gas coal. So its important to fund forecasting and controlling measures about the mine gas which adapt to low gas coal

4、s.This thesis first preliminarily introduces the research on the prediction of gas emission rules and methods which based on the basic nature of the gas, including the source and component of mine gas, the coal beds gas emission and function forms. Then, it introduces the mine gas forecast methods,

5、which include the measure of coal seam gas content prediction and outburst prediction. Combined with the actual situation of the Nantun mine coal, it explores the gas control and manage measures which can adapt to the low gas mines actual situation. At last, this paper puts forward gas control and m

6、anage measures in allusion to the local gas anomaly area of the Nantun mine coal, by which way, we hope to achieve the goal of eliminating low gas mines gas accidents.Keyword： Low gas mine coal Gas explosion Gas prediction Integrated control Local gas anomaly area2山东科技大学学士学位论文 目录目 录1绪论11.1本课题的研究目的和意

7、义11.2国内外研究现状21.2.1我国高产高效工作面瓦斯涌出的特点31.2.2我国高产高效工作面瓦斯防治技术31.2.3充州矿区瓦斯综合治理技术现状41.3研究的思路和主要内容61.3.1研究思路61.3.2研究主要内容62 矿井瓦斯概述82.1矿井瓦斯组分和来源82.1.1矿井瓦斯的组成82.1.2矿井有毒有害气体的分类82.2煤层瓦斯的形成103瓦斯赋存与运移123.1煤层瓦斯的赋存123.1.1煤层瓦斯沿深度的带状分布123.1.2煤层瓦斯含量的影响因素133.1.3煤层瓦斯吸附理论153.2矿井瓦斯流动193.2.1煤层瓦斯流动状态193.2.2瓦斯流动场213.2.3煤层瓦斯压力及

8、测定234煤层瓦斯预测理论264.1煤层瓦斯含量预测264.1.1分源预测法264.1.2矿山统计法284.1.3做图法314.2煤层瓦斯突出预测理论374.2.1 概述374.2.2 煤层突出危险性预测方法375 矿井瓦斯灾害及防治415.1瓦斯爆炸及防治415.1.1瓦斯爆炸原因分析415.1.2引起瓦斯爆炸的条件415.1.3 预防瓦斯爆炸的措施435.2瓦斯局部异常涌出防治445.2.1 掘进煤巷的防治措施455.2.2 巷道冒落空洞中局部积聚的瓦斯处理措施465.2.3采煤工作面上隅角局部积聚的瓦斯处理措施486 瓦斯预测与综合防治技术的应用516.1南屯煤矿简介516.2南屯煤矿3

9、煤层瓦斯含量测定516.2.1采掘区瓦斯含量主要地质影响因素516.2.2测定方法和测点布置526.2.3瓦斯来源分析546.2.4确定有无高瓦斯区556.3瓦斯异常涌出危险区域防治措施566.3.1矿井瓦斯异常涌出危险区划分566.3.2南屯煤矿局部瓦斯异常区域瓦斯治理治理技术576.4矿井瓦斯检查与管理制度616.4.1独头巷道瓦斯管理制度616.4.2盲巷瓦斯管理制度646.4.3瓦斯重点管理区的管理制度647总 结67参考文献68致 谢70附 录71山东科技大学学士学位论文 绪论1绪论1.1本课题的研究目的和意义我国是煤矿事故频发的国家之一，特别是随着我国煤炭产量逐年提高，煤矿事故更是

10、出现多发的态势，而在各类煤矿事故中，瓦斯事故占据了较大的比重，在全国历年煤矿事故中，瓦斯事故是除了顶板事故以外，造成死亡人数最多的事故。2008年全国各类煤矿事故死亡人数比重分布见下图。图1-1 2008年我国各类煤矿事故死亡人数比重分布在我国高瓦斯煤矿中，瓦斯爆炸危险普遍存在，且危害严重，也是造成社会影响最大的重特大事故。随着煤炭需求增长、煤矿开采延深，高瓦斯矿井、煤与瓦斯突出矿井增多，煤矿瓦斯防治工作面临的任务更为艰巨和复杂。据统计，2001年至2005年，煤矿瓦斯事故平均每年死亡2173人；2006年至2008年，分别降至1319人、1084人和778人。与2007年相比，2008年全国

11、煤矿瓦斯事故总量和死亡人数分别下降33.1、28.2。其中，重特大瓦斯事故（一次死亡10人以上）量和死亡人数分别下降18.2和23.5。虽然近年来中国煤矿瓦斯防治工作取得阶段性成效，但目前还没有从根本上遏制住重大瓦斯事故，形势依然严峻。南屯煤矿是充矿集团早期开发的现代化矿井之一，历年瓦斯鉴定结果均为低瓦斯矿井。但在我国，低瓦斯矿井发生重特大事故，同样屡见不鲜。统计显示，2000年2007年发生的二十四起一次死亡三十人以上的特别重大瓦斯和火灾事故中，发生在低瓦斯矿井的有七起，占三成。2005年发生的三十九起一次死亡十人以上的特大瓦斯事故中，低瓦斯矿井有18起，占特大瓦斯事故的46.2。随着煤炭生

12、产逐步向深部转移，开采地质条件将会发生较大的变化：地压大、煤层松软和大倾角。与缓倾斜煤层综放开采相比，目前采用的综放开采技术的通风安全保障技术措施需要做出相应的调整，以适应生产条件的变化。因此，南屯煤矿深部松软煤层的仰斜综放开采除对开采技术设备和工艺提出了新的要求以外，也增加了通风安全技术的难度。因此，根据“以风定产”原则，为保证矿井安全生产，针对综放开采在通风与瓦斯防治方面带来的新问题进行充分研究，防止通风和瓦斯事故的发生，开展南屯煤矿深部煤层综放开采的通风与瓦斯防治技术研究工作具有重要的意义。1.2国内外研究现状瓦斯灾害的威胁极大地限制了矿井生产能力的发挥，进而使矿井的经济效益显著降低，矿

13、井人员稳定困难，科研开发能力减弱，形成恶性循环。我国高产高效矿井瓦斯等级的分布如下：在114座高产高效矿井中低瓦斯矿井77座，占67.5；高瓦斯矿井31座，占27.2；煤与瓦斯突出矿井6座，占5.3。1.2.1我国高产高效工作面瓦斯涌出的特点1）绝对瓦斯涌出量差异悬殊工作面绝对瓦斯涌出量大的非常大，如最大的抚顺老虎台矿78001-1综放工作面达169.4m3/min。绝对瓦斯涌出量>7m3/min的工作面共有11个，占综放面总数的17，其中有8个抽放瓦斯，占7m3/min以上工作面总数的73，即这类工作面一般都需要抽放瓦斯才能保证安全生产1。2）相对瓦斯涌出量差异很大在64个综放面中，相

14、对涌出量<10m3/t有53个，占83；相对涌出量>10m3/t有11个占17，其中有9个采取了抽放瓦斯措施，占10m3/t以上工作面总数的82，表明这类工作面抽放瓦斯是安全生产的重要保证；最大的相对瓦斯涌出量达81m3/t。3）瓦斯涌出量大的地点分布广，瓦斯积聚时间延续长，瓦斯治理难度大。在64个综放面中，有56个存在局部瓦斯积聚问题，占88；因瓦斯涌出量大，除在上隅角存在瓦斯积聚外，在放煤口、支架顶、冒落放煤区、后部运输机道等处在生产日一般都存在长达数小时到十几小时的瓦斯积聚。在初次来压、周期来压期间，瓦斯涌出量突然增大，瓦斯积聚更加严重。1.2.2我国高产高效工作面瓦斯防治技

15、术瓦斯灾害防治技术主要从三个方面入手：防止瓦斯积聚，防止瓦斯突出，防止瓦斯煤尘爆炸。根据我国瓦斯涌出的特点，国家制定煤矿瓦斯灾害治理方针为：“先抽后采、监测监控、以风定产”。1）先抽后采的必要性这是安全生产的需要，是安全高效的需要，是开采两个资源的需要，是保护环境的需要，是可持续发展的需要。2）先抽后采的可行性我国的高瓦斯煤层一般都是低透气煤层，在自然条件下，很难抽出瓦斯；理论研究与生产实践都证明，在采动卸压下，被卸压煤层的透气性可增加千百倍，可高效地抽采其卸压瓦斯，由此，高瓦斯煤层，甚至瓦斯突出危险煤层都可变为低瓦斯煤层和无突出危险煤层，如此在这类煤层可以实施高产高效的采煤方法，实现煤与瓦斯

16、两种资源安全高效共采。1.2.3充州矿区瓦斯综合治理技术现状1）充州矿区3层煤瓦斯涌出规律采煤工作面瓦斯涌出量较低，一般绝对涌出量为0.4m3 /min左右。采煤工作面瓦斯来源主要是后部采空区。工作面瓦斯涌出不均衡性较明显，不均衡系数约为1.5。掘进工作面瓦斯涌出量一般都很小，煤层掘进巷道，回风流中瓦斯浓度多在0.1以下2。充州矿区瓦斯异常涌出是相对一般涌出规律而言的，即当采、掘工作面瓦斯涌出量明显高于一般值，甚至超限时，即视为异常涌出或有明显的瓦斯涌出现象，尽管风流中瓦斯浓度不高亦视为异常涌出。无煤柱开采、采场与采空区漏风联系较为复杂，除随工作面推进而迁移的漏风源和漏风汇外，其它漏风源和漏风

17、汇的位置与相邻采、掘面及提料斜巷、溜煤眼等有重要关系。与采空区漏风的复杂联系和局部地质构造导通是充州矿区瓦斯涌出异常的主要原因。统计资料和研究表明，瓦斯涌出异常规律如下：沿空掘进巷道和采空区的联系较为复杂，掘进工作面处于低负压区或由于通风系统的突然变化使得掘进工作面风压突然降低，导致采空区内瓦斯大量涌入掘进巷道，该掘进工作面则出现瓦斯涌出异常现象。掘进巷道初次和封闭性构造裂隙导通，使得构造内的游离瓦斯快速涌入掘进工作面，出现瓦斯涌出异常现象。孤岛采煤面，进、回风顺槽均沿空布置，与采空区漏风联系更为复杂，瓦斯涌出量比通常高出数倍。位于低风压区的采煤工作面，其漏风汇较多，瓦斯涌出量大。沿空掘进巷道

18、、孤岛采煤面、位于低风压区的采煤工作面，其瓦斯涌出受通风系统状态影响大，瓦斯涌出明显不均衡。2）矿区瓦斯综合防治技术低瓦斯矿井虽然正常状态下瓦斯涌出量较小，但存在瓦斯富集区，矿井内瓦斯的涌出主要受通风状态、气流场所、生产工艺、开采强度及地质构造的影响，且有一定的规律。只有掌握瓦斯赋存的特点和涌出的规律，采取有效的综合治理技术，才能控制和防止瓦斯事故。具体来说，综合防治技术主要有：调压技术。当瓦斯源为大范围采空区瓦斯通过裂隙漏入时，可选用不同的方法，提高掘进巷道风压，减小采空区携带瓦斯的漏风源汇间压差，甚至变源为汇，以减少甚至杜绝采空区瓦斯泄入沿空巷。分流技术。当瓦斯源为采空区瓦斯，调压有困难时

19、，可在适当位置开放与漏入沿空巷的漏风平行的漏风汇，使采空区部分瓦斯改变流向，采用此措施应注意防止引发自燃、爆炸。喷堵技术。当瓦斯涌出异常系沿空巷内明显的裂隙连通采空区、废弃巷道等瓦斯源时，可采用喷涂堵漏材料封堵裂隙的方法。充填技术。当瓦斯源体积不大，有条件时，可用沙浆、泥、煤等材料将空洞充填。用煤充填时应作阻化处理。通风排除。如果瓦斯浓度不高、瓦斯涌出量不大，可考虑适当加大风量、稀释瓦斯；对沿空巷内的瓦斯层、局部积聚现象，可用导风筒、喷射器等导风冲散。1.3研究的思路和主要内容1.3.1研究思路瓦斯事故是煤矿重大安全事故之一，瓦斯事故预防也是煤炭企业一项重要的工作，要预防瓦斯事故，就必须对瓦斯

20、的基本规律进行分析研究。在煤矿安全生产中，与瓦斯有关的事故可以分为瓦斯爆炸事故、煤与瓦斯突出、瓦斯窒息三类，通过对各类事故产生原因的分析，可以从源头上找到预防瓦斯事故的方法从瓦斯爆炸三角形图中我们可以知道，预防瓦斯爆炸事故的方法除了严禁明火火源及电火花外，还可以从控制瓦斯涌出及防止瓦斯积聚两方面入手，而通过对煤与瓦斯突出机理的研究也明确了，煤与瓦斯突出防治的一项重要措施是对瓦斯涌出进行控制。要解决瓦斯控制的技术问题，就必须先从研究瓦斯的涌出规律入手。本文旨在通过对瓦斯的涌出及运移规律进行探究，并在此基础上，结合南屯矿采取的实际技术措施，希望能找到一套比较系统的瓦斯防治技术措施。以达到预防瓦斯事

21、故的目的。1.3.2研究主要内容1）介绍了煤层瓦斯的基本性质，包括瓦斯的组成、物理化学性质、来源及赋存情况。2）引入了单分子层吸附理论（Langmuir）等温吸附方程及由其扩展的分子层吸附理论BET方程对瓦斯在煤层中的分布及吸附规律进行了初步研究。3）介绍了瓦斯赋存和运移规律，引入了瓦斯在煤层中的四带划分理论对瓦斯在煤层中的赋存状况进行了阐述。4）重点对煤层瓦斯预测理论进行了阐述，其中，依照矿井瓦斯涌出量预测方法AQ10182006对煤层瓦斯含量预测的各种方法进行了介绍，主要包括了分源预测法、矿山统计法、作图法和回归分析法等。据此对南屯煤矿的瓦斯含量进行了预测，并将结果与实测值进行了比较分析。

22、5）针对南屯煤矿属于低瓦斯矿井的情况，结合煤矿安全规程中对低瓦斯矿井瓦斯防治措施的要求，提出了南屯煤矿需要重点检测控制的区域，分析了南屯煤矿瓦斯异常区的分布情况，并结合煤矿制度，对瓦斯异常涌出区的检查管理提出了规范化建议。88山东科技大学学士学位论文 矿井瓦斯概述2 矿井瓦斯概述2.1矿井瓦斯组分和来源2.1.1矿井瓦斯的组成矿井瓦斯从广义上讲师井下有害气体的总称，从狭义上讲，矿井瓦斯专指甲烷，以下出现的矿井瓦斯，均指狭义上的矿井瓦斯。一般来说，在煤矿井下的空气，除含有井上空气基本组成气体外，还可能含有其他有毒有害气体。井下有毒有害气体主要成份有：甲烷，重烃，氢气，二氧化碳，一氧化碳，二氧化氮

23、，二氧化硫，硫化氢等，其一般物理性质见表2-1。表2-1 矿井常见气体的一般物理性质气体名称甲烷一氧化碳二氧化碳硫化氢二氧化硫二氧化氮色和味无色、无味、无臭无色、无味、无臭无色、略带酸臭味无色、微甜。有臭鸡蛋气味无色、有强烈硫磺味和酸味红褐色、有强烈刺激气味比重0.5540.971.521.192.271.57溶水性难溶微溶易溶易溶易溶极易溶爆炸性51612.575不爆炸4.345.5毒性无有无有有有2.1.2矿井有毒有害气体的分类矿井有毒有害气体按照来源可作如下分类：1）可燃气体甲烷。甲烷是煤及围岩中的有机物质煤化作用的主要产物，褐煤中甲烷含量较少，在采煤过程中甲烷主要来自开采煤层及顶底板临

24、近煤层。重烃。煤层中含有的重烃是煤变质过程中伴生的产物，其成分包括烷烃、芳香烃等达20余种，由于煤具有吸附性，对重烃的吸附能力较强，煤中重烃组分不易分解，当煤被粉碎或在高温下，重烃才会释放，因此在炮眼火药爆破瞬间及井下火区，有可能加速煤层重烃释放，给井下安全生产带来危害。氢气。氢气是在高温下煤热分解的产物，煤矿井下风流中的氢气则主要是电机车蓄电池充电时释放的。2）窒息性气体二氧化碳。矿井空气中的二氧化碳除从煤层及围岩中涌出之外，煤（岩）的氧化、火药爆破、坑木腐烂和人员呼吸也都会产生二氧化碳。煤层中的二氧化碳来自以下4个方面：成煤过程中伴生的二氧化碳，尤其是岩浆岩侵入区；地表生物圈内生物的化学氧

25、化反应产生的二氧化碳溶解于地下水中，由地下水携带运移到煤系地层中；有些煤田二氧化碳的生成与岩浆活动有关；某些碳酸盐岩在火成岩高温作用下能分解产生二氧化碳。氮气。从煤、围岩和地下水样品中提取的瓦斯中，往往含有氮气，其成因有以下几个方面：空气成因；古空气存留氮；有机物分解。矿井空气中氮气增大的原因主要是有来自煤层及围岩的氮气。由于生物化学作用及表生作用（表生作用是指沉积岩抬升到近地表，在潜水面以下常温常压或低温低压的条件下，由于渗透水和浅部地下水的影响下所发生的变化。特点是PH值降低，使岩石产生氧化物，硅质矿物及硫酸盐矿物），接近煤层露头处级瓦斯风化带内会产生大量氮气。3）有毒气体 硫化氢。硫化氢

26、通常是由于地下水与黄铁矿发生化学反应产生，个别情况是由甲烷还原硫酸盐产生。 一氧化碳。矿井下出现的一氧化碳，主要是井下火区和瓦斯发生爆炸产生的。 二氧化硫。煤矿井下出现的二氧化碳，主要是富含硫化物的煤层自燃或煤尘发生爆炸时产生的。 二氧化氮。煤矿井下的二氧化氮的出现主要是火药爆破产生的。我国煤矿安全规程中对矿井有害气体的最高允许浓度规定见表2-2。表2-2 矿井有害气体最高允许浓度名称最高允许浓度一氧化碳0.0024氧化氮0.00025二氧化硫0.0005硫化氢0.00066氮气0.0042.2煤层瓦斯的形成如前文所述，瓦斯是煤及围岩中有机物质煤化作用的主要产物，在煤化过程中，瓦斯不断生成，到

27、无烟煤阶段瓦斯累计生成量可达400以上，成煤过程中生成的气体量，随煤阶的增加而增加，变质程度越高，生气量越大，成煤过程中瓦斯生成量见表2-3。表2-3 成煤过程中生气量 煤阶褐煤长烟煤气煤肥煤焦煤瘦煤贫煤长烟煤生气量68168212229270287333419阶段生气量100441741174686但是，由于煤层在煤化过程中的埋深并不大，大部分生成的瓦斯都散逸到大气中，最终存在于煤层中的瓦斯并不多，各煤化阶段最终残留气体量见表2-4。 表2-4 各煤化阶段最终残留气体量 瓦斯成分泥炭向褐煤褐煤向烟煤烟煤向无烟煤甲烷68.3161.6192.9二氧化碳167.3124.923.4由表2-4容易

28、看出，在煤化的初级阶段，即泥炭化阶段中，残留于煤层中的瓦斯含量较低，这是因为在此阶段，煤化程度不高，泥炭松软且受埋藏深度的影响，使得大部分生成的瓦斯得以逸散，而随着煤化过程的进行，煤体的结构开始初步形成，煤体内部的节理和孔隙大大发育，这种结构使得煤层中的瓦斯得以以吸附和游离状态存在于煤层中；进入煤化阶段的后期，即当煤炭开始由烟煤向无烟煤转化时，由于此时煤体内部的产气量已经很少，因而最终在此阶段生成并存留在煤层的瓦斯量不多。山东科技大学学士学位论文 瓦斯赋存与运移3瓦斯赋存与运移3.1煤层瓦斯的赋存3.1.1煤层瓦斯沿深度的带状分布煤田形成后，煤变质生成的瓦斯经煤层围岩裂隙和断层向地表运动，地表

29、的空气生物化学及化学作用生成的气体由地表向深部运动，由此形成了煤层中各种气体成分由浅到深有规律的逐渐变化，前苏联矿业研究院通过大量的井下煤层组分和含量测定，将煤层瓦斯按赋存深度不同自上而下分为4个瓦斯带：氮气-二氧化碳带；氮气带；氮气-甲烷带；甲烷带3，各带的煤层瓦斯组分含量见表3-13-1瓦斯带中各气体含量瓦斯带名称二氧化碳氮气甲烷m3/tm3/tm3/tN2-CO2带20801.192.2420800.151.4201000.16N2带02000.27801000.221.8602000.22N2-CH4带02000.3920800.251.7820800.065.27CH4带01000.

30、3702001.93801000.6110.5瓦斯带的前三带统称为瓦斯风化带，在瓦斯风化带开采煤层时，相对瓦斯涌出量不超过2，瓦斯对生产不构成主要威胁，我国大部分低瓦斯矿井都是在瓦斯风化带内进行生产的。图3-1 煤层各带瓦斯氮气甲烷含量图从图3-1中可以看出，随煤层加深，煤层气体起初是二氧化碳为主，然后逐渐过渡到以氮气为主，最后过渡到甲烷为主。3.1.2煤层瓦斯含量的影响因素如前文所述，虽然在煤化过程中，瓦斯生成量相当可观，但在煤化过程中，大部分瓦斯都散逸到空气中，可见，煤层瓦斯含量除与生成瓦斯量有关外，主要取决于煤生成后瓦斯运移条件和煤保存瓦斯的能力，综合分析可以得到影响煤层瓦斯含量的因素有

31、以下5个方面：1）煤田地质史从植物的堆积到煤炭的形成，经历了长期复杂的地质变化，煤层中瓦斯生成量、煤田范围内瓦斯含量的分布以及煤层向地表的运移，归根结底取决于煤田的地质史条件。成煤后地壳的上升将使剥蚀作用加强，从而给煤层瓦斯向地表运移提供了条件，当成煤后地表下沉时，煤田为新的覆盖物覆盖，从而缓解了煤层瓦斯的逸散。2）地质构造地质构造对煤层瓦斯含量的影响也很明显。如煤盆地中若含有大面积隔气层和储气构造，煤层中的瓦斯运移到储气构造中，会形成煤藏气。断层对煤层瓦斯含量可以有截然相反的两种影响。开放性断层是是煤层瓦斯排放的通道，在这类断层附近，煤层瓦斯含量减小；封闭断性断层本身透气性差，而且隔断了煤层

32、与地表的联系，往往使封闭区段瓦斯含量增大。在闭合和半闭合背斜转折区，由于煤层运移路线加长和瓦斯排出口不断缩小，增大了瓦斯运移的阻力，因此在同一开采深度下比构造两翼瓦斯含量大，在向斜转折处则相反，煤层瓦斯含量减小，这是由于供应瓦斯区域逐渐减小，瓦斯向地表运移的通道逐渐扩大的结果。3）煤层的赋存条件煤层有无露头对煤层瓦斯含量有一定影响。煤层有露头时，瓦斯有利于排放；无露头时，瓦斯易于保存。此外，煤层埋藏深度是决定煤层瓦斯含量的重要因素，对同一煤田或煤层，在瓦斯风化带以下，煤层瓦斯压力随深度呈线性增大，这反映了煤层瓦斯由深部向地表运移的总规律。4）煤层围岩性质围岩致密完整、不透气时，煤层瓦斯易于保存

33、，反之则容易使瓦斯逸散。5）煤的变质程度由表2-4可以看出，煤的变质程度越高，生成的瓦斯量越大，因此在其他条件相同的情况下，煤的变质程度越高，煤层的瓦斯含量越大，在同一煤田，煤吸附瓦斯的能力随煤的变质程度的提高而增大，但作为例外的是，当从无烟煤向超级无烟煤过渡时，煤的吸附能力急剧下降，因而瓦斯的含量大大降低。（6）岩浆活动岩浆活动对煤层瓦斯含量的影响较为复杂。在岩浆接触变质和热力变质的影响下，煤能够再一次生成瓦斯，并由于煤变质程度的提高而增大了吸附性；但在无隔气层的情况下，由于岩浆的高温作用强化了煤层排放瓦斯，从这方面看又会使煤层瓦斯含量减少，因此，对不同煤田，岩浆活动对煤层瓦斯含量的影响可能

34、是不同的，需要分别对各煤田的具体情况加以分析。（7）水文地质条件尽管瓦斯在水中的溶解度仅14，但在地下水活跃的地区，水对瓦斯的释放作用不可忽视。长期处于地下水的影响下，煤层的瓦斯能被水大量带走而使得含量大大减少。3.1.3煤层瓦斯吸附理论上节讨论到煤层瓦斯含量的影响因素主要受到煤层保存瓦斯能力影响，下面主要研究煤层对瓦斯吸附能力。（1）煤层瓦斯吸附方程煤是一种包含微孔和大孔系统的双重孔隙介质。微孔存在于煤基质部分，大孔系统由包围煤基质被称为割理系统的天然裂隙网络组成。煤中有两种割理：面割理和端割理，通常正交或近似正交，垂直或近似垂直于煤层面。煤具有极其发育的微孔隙，有很大的比表面积，煤的天然孔

35、隙率和裂隙率是煤的一个主要特征，它决定了煤的吸附容积和煤的储存性能。瓦斯以吸附形式存储在煤中，其吸附量与多种因素有关，由于其复杂性，故存在不同的瓦斯吸附理论。1）单分子层吸附理论（Langmuir）等温吸附方程，该方程是目前广泛应用于瓦斯吸附的状态方程4，其表达式为： （3.1）式中，吸附量，； Langmuir压力，Pa； P压力，Pa； Langmuir体积，。2） Freundlich方程5，等温吸附的表达式为： （3.2）式中，a、n常数，该式由于形式简单，使用方便而得到较多的应用，但方程系纯经验方程，没有明确的物理意义。3）分子层吸附理论BET方程6，是Langmuir单分子层吸附理

36、论的扩展，该理论将Langmuir对单分子层假定的动态平衡状态，用于各不连续的分子层，另外假设第一层中的吸附是靠固体分子与气体分子间的范德华力，而第二层以外的吸附是靠气体分子间的范德华力。吸附是多分子层的，每一层都是不连续的。其表达式为： （3.3）x=p/p0式中，蒸汽压力，Pa； 饱和蒸汽压力，Pa； 与气体吸附和凝结有关的常数。4）Polomyi 吸附势理论，认为在固体吸附表面附近存在一个位势场，邻近的气体分子在场的作用下发生吸附。吸附势场的作用力大的足以在吸附剂表面形成许多吸附层，吸附层处于受压状态，内层受压最大，第二层次之；相应地密度依次减小，直至下降到与周围气体密度相同。Polom

37、yi吸附理论利用物理吸附的假说对极不均匀内表面的吸附给出了定量的描述，但没有给出表达吸附等温线的方程式。5）微孔填充理论，认为对有些微孔介质（如煤、活性炭等），其孔径尺寸与被吸附分子的大小相当吸附则可能发生在吸附剂的内部空间，即吸附是对微孔容积的填充而不是表面覆盖。根据微孔填充理论，在吸附膜上任意点的吸附力可用吸附势函数A来衡量。A为一个分子从气相到达吸附膜上那一点作的功，它是吸附量Q的函数，并可由气液平衡状态求得。其数学表达式D-A（Dubinin-Astakhov）方程7为： （3.4） （3.5）式中，饱和吸附容量（相当于微孔容积），； 吸附特征能，； n吸附失去的自由度； 饱和蒸汽压。

38、瓦斯的吸附能力由以上吸附理论之一决定。通常用单分子层吸附理论（Langmuir）等温方程和微孔填充理论对煤吸附能力进行描述。（2）煤吸附能力的影响因素煤的吸附能力不仅受煤岩自身的性质所制约，还受许多外部因素的影响，如温度、湿度、气体成分、粒度等。1）物质组成。煤的物质组成包括有机显微组分和矿物质，对煤的吸附能力起主控作用。煤中矿物质含量越高，其吸附能力越低。光亮型煤比暗淡型吸附能力强，所有显微组分中镜质组的吸附能力最强，稳定组分和惰性组分较低。2）煤阶。研究表明，随煤阶增高煤的吸附能力增强。即在同等温度条件下，煤阶越高吸附能力越强，随Rmax的增加，煤的总孔隙率增加，特别是小的孔隙。这样煤的孔

39、隙比表面积就随之增加，这样煤的吸附容积增大，煤对甲烷的吸附能力增强。3）温度。吸附能力严格受温度和压力的影响，压力增高，吸附量增加；温度增高，吸附量减低。4）水分。一般认为煤中水分增高，吸附能力将降低，由于水分子同时可以被煤吸附，必定占据一定的表面积，致使甲烷的吸附量减少。但当水分高于一定值不再对吸附能力产生影响，该值称临界水分值（wc）。煤样在达到临界水分值（wc）以前，随水分的增加，值变小，值增大；当达到或超过临界水分值（wc）时，水分只是覆盖在煤的颗粒外表面，和的值均不再随水分的增加而变化8。5）气体成分。煤对不同气体的吸附量是不同的，不同气体在煤表面的吸附热不同。物理吸附的力主要是范德

40、华力，所以越容易液化的气体，越容易被煤微孔隙表面吸附。煤对二氧化碳的吸附能力高于甲烷，对甲烷的吸附能力高于氮气。6）粒度。对煤来讲，粒度越小，比表面积将增加，吸附能力增强，但研究表明，由块煤粉碎到6325目的粉煤，总表面积增加量很小，粉煤对甲烷的吸附量与块煤相当。3.2矿井瓦斯流动3.2.1煤层瓦斯流动状态瓦斯在煤层中以承压状态存在，对未受采动影响的原始煤层来说，在甲烷带内，煤层瓦斯压力随深度增大而增大，这是在漫长的地质年代里，煤层瓦斯由深部向地表流动的结果。但这种瓦斯流动是极其缓慢的，在研究中一般忽略这种缓慢的瓦斯流动。通常认为，在未受采动影响的煤层中，瓦斯处于压力平衡状态；而在受采动影响的

41、煤层中，由于采动破坏了原有的瓦斯压力平衡状态，引起了瓦斯流动，形成了瓦斯流动场。影响瓦斯流动的因素很多，如煤层赋存条件、瓦斯地质条件、煤层瓦斯压力和含量、煤层透气性大小以及采掘技术条件等都会影响到煤层中的瓦斯流动，但归结起来主要影响因素是瓦斯压力和煤层透气性，前者是瓦斯流动的动力，后者是瓦斯流动的阻力。煤是多孔多裂隙介质，每种存在有大小为cm的多种孔隙，还含有大量的原生和此生裂隙，而煤又是瓦斯的天然吸附剂，因此，煤中瓦斯流动的性质在不同空隙中是不同的，当孔隙直径为cm时，由于孔径大于瓦斯的平均自由程，瓦斯流动表现为自由扩散或慢速的层流渗透；当孔隙直径为cm时，瓦斯流动为层流渗透，符合达西定律；

42、当孔隙或可见裂隙宽度大于cm时，瓦斯流动表现为层流渗透或层流与紊流的混合过渡流、当孔隙直径小于cm时，瓦斯流动属于分子扩散。根据达西定律表达式： （3.6）式中，Q单位时间渗流量；F过水断面；H总水头损失；L渗流路径长度；I=h/L水力坡度；K渗流系数。其中，根据水力学已知，通过某一断面的流量Q等于流速v与过水断面F的乘积，即QFv。或，据此，达西定律可以表示为： （3.7）式中，v渗流速度上式表明：渗流速度与水力坡度一次方成正比。说明水力坡度与渗流速度呈线性关系。这个定律说明水通过多孔介质的速度同水力梯度的大小及介质的渗透性能成正比。在层流中，渗流速度一般每年不超过30m。瓦斯在煤层中流动时

43、的雷诺数由下式确定9： （3.8）式中，瓦斯在煤层中流动的雷诺数； 瓦斯的流动运动粘度，m2/s； m煤层孔隙率，m3/m3； 煤层透气性系数，； v流动速度，m/s。 （3.9）式中，钻孔瓦斯流量，m3/s； 钻孔直径，m； 钻孔见煤长度，m。取孔径0.075m，钻孔瓦斯流量=3.333，煤层透气性系数取，m取0.03，在温度20、压力为0.1Mpa时，瓦斯的运动粘度=m2/s，带入上式求得流动速度v为；v= =0.0071m/s最终求得雷诺数为；=1.4而层流雷诺数的最高临界值是12，以上设定值为我国实测量的数倍到数十倍，仍小于层流雷诺数的最高临界值12，可以看出煤层中的瓦斯流动是符合线性

44、规律的层流，只有在发生瓦斯异常涌出如瓦斯喷出或煤与瓦斯突出时，才会出现紊流状态。3.2.2瓦斯流动场瓦斯在煤层中由高压流向低压，在煤层中形成一定的流动范围，这一范围称为瓦斯流动场。从时间因素看，流动类型可分为稳定流动和非稳定流动两种类型，前者不随时间变化，后者流动场随时间而改变。在煤矿实际条件下，煤层瓦斯流动的流动场总是随时间而变化的，可见，煤层瓦斯流动属于非稳定流动类型。从空间几何形状来看，在流动场内瓦斯的流动类型可分为单向流动、径向流动和球向流动三种类型。（1）单向流动单向流动的特点是煤层瓦斯沿单一方向流动，流线相互平行。沿煤层开掘高度大于煤层厚度的巷道，巷道两侧煤层中的瓦斯皆沿垂直于巷道

45、的方向流动，如图3-1所示。图3-1煤层瓦斯单向流动（2）径向流动径向流动是平面流动。径向流动时，等瓦斯压力线是一组同心圆，瓦斯流线沿圆的径向发展，在煤矿井下，石门或钻孔垂直贯穿煤层全厚时，煤层中的瓦斯流动就是径向流动，如图3-2所示图3-2 煤层瓦斯径向流动（3）球向流动球向流动的特点是等瓦斯压力线为一组同心球体，瓦斯流线沿球的径向发展。一般石门揭特厚煤层、特厚煤层中的掘进迎头和钻孔孔底以及煤矿的瓦斯放散等都可近似视为球向流动。3.2.3煤层瓦斯压力及测定1）煤层瓦斯压力煤层瓦斯压力是指煤孔隙中所含游离瓦斯的的气体压力，即气体作用于孔隙壁的压力。煤层瓦斯压力是决定煤层瓦斯含量的一个重要因素，

46、当煤的吸附瓦斯能力相同时，煤层瓦斯压力越高，煤中所含瓦斯量也就越大。在煤与瓦斯突出发生、发展过程中，瓦斯压力都起着重大作用。煤层瓦斯压力的大小取决于煤生成后，煤层瓦斯的排放条件。在漫长的地质年代中，煤层瓦斯排放是一个极其复杂的问题，它除与覆盖层厚度、透气性能、地质构造条件有关外，还与覆盖层的含水性有密切关系。当覆盖层中充满水时，煤层瓦斯压力最大，这时瓦斯压力等于同水平的水静压力。当煤层瓦斯压力大于同水平静水压力时，在漫长地质年代中，瓦斯将冲破水的阻力向地表逸散，当覆盖层未充满水时，煤层瓦斯压力将小于同水平的水静压力。国内外实测表明，当煤层的测压低点处于采动影响的集中应力带时，由于煤体中孔隙压缩

47、能明显提高瓦斯压力值，煤层瓦斯压力实测值偏高。在煤层赋存条件和地质构造条件变化不大时，同一深度各煤层或同一煤层在同一深度的各个地点，煤层瓦斯压力是相近的。在地质条件不变的条件下，每层瓦斯压力随深度的变化规律，用下式描述： （3.10）式中，在深度H处的瓦斯压力，Mpa； 瓦斯风化带深度的瓦斯压力，取为0.150.2Mpa； 瓦斯风化带深度，m； 距地表垂深，m； M瓦斯压力梯度，MPa/m。根据我国各煤矿瓦斯压力随深度变化的实测数据，瓦斯压力梯度m一般在0.0070.012MPa变化，而瓦斯风化带深度则在几米至数百米间变化。2）测定测定煤层瓦斯压力时，通常是从围岩巷道（石门或围岩钻场）向煤层打

48、孔径为5075mm的钻孔，测定地点的煤层应为未受采动影响的原始煤体。测压封孔方法分填法和封孔器法。其中填料法是应用最广的一种测压封孔方法，采用该法时，是在打完钻孔后，先用水清洗钻孔，再向孔内放置测压管，最后用充填材料封孔。图3-3 人工充填法封孔示意图1测压前端；2挡料圆盘；3充填材料；4木楔；5测压管；6压力表；7钻孔为防止测压管堵塞，再测压管前端焊接一段直径稍大于测压管的筛管或直接在测压管壁中打筛管。为防止充填材料堵塞测压管前端，在测压前端后部套焊一挡料圆盘，填料可用人工或风压送入钻孔，人工封孔的封孔深度一般不超过5m，用压气封孔时，借助喷浆罐将水泥砂浆由孔底向孔口逐渐充满，压气封孔深度可

49、达10m以上。山东科技大学学士学位论文 煤层瓦斯预测理论4煤层瓦斯预测理论煤层瓦斯的生成、储积和运移受控于一定地质条件，地质条件的差异往往导致煤层瓦斯在纵向和横向上的不均衡分布，造成不同矿区（或矿井）、不同煤层、不同区域瓦斯赋存的不均衡。高瓦斯矿井中存在低瓦斯区域，低瓦斯矿井中也存在瓦斯较高的区域。近年来，在一些低瓦斯矿井的瓦斯异常区发生了一些重大瓦斯事故。因此，通过研究矿井的瓦斯地质规律，对未采区的瓦斯分布进行预测评价，对于指导矿井的通风设计和采掘部署，采取有针对性的瓦斯防治措施，有重要的理论意义和实际意义。4.1煤层瓦斯含量预测煤层瓦斯含量预测，其目的就是通过对煤层瓦斯含量的分析，预先测算

50、矿井瓦斯涌出量，进而可以具有针对性的采取各项瓦斯防治措施。4.1.1分源预测法分源预测法是指通过研究瓦斯涌出的来源，对产生瓦斯的各个地点分别进行瓦斯涌出量测定，求和即是矿井总瓦斯涌出量。1）矿井瓦斯涌出构成关系矿井瓦斯涌出构成关系如图4-1所示。矿井瓦斯涌出生产采区瓦斯涌出出回采面瓦斯涌出已采采空区瓦斯涌出工作面采空区瓦斯涌出掘进面瓦斯涌出其他开采层瓦斯涌出邻近层瓦斯涌出煤壁瓦斯涌出落煤瓦斯涌出图4-1矿井瓦斯涌出构成关系图2）回采工作面瓦斯涌出量回采工作面瓦斯涌出量预测用相对瓦斯涌出量表达，以24h为一个预测圆班，采用下式计算。 （4.1）式中 q采回采工作面相对瓦斯涌出量，m3/t；q1开

51、采层相对瓦斯涌出量，m3/t；q2邻近层相对瓦斯涌出量，m3/t。3）掘进工作面瓦斯涌出量掘进工作面瓦斯涌出量预测用绝对瓦斯涌出量表达，采用下式计算 （4.2）式中 q掘掘进工作面绝对瓦斯涌出量，m3/min；q3掘进工作面巷道煤壁绝对瓦斯涌出量，m3/min；q4掘进工作面落煤绝对瓦斯涌出量，m3/min。4）生产采区瓦斯涌出量 （4.3）式中 生产采区相对瓦斯涌出量，m3/t；生产采区内采空区瓦斯涌出系数，第i个回采工作面相对瓦斯涌出量，m3/t；第i个回采工作面的日产量，t；第i个掘进工作面绝对瓦斯涌出量，m3/min；生产采区平均日产量，t。5）矿井瓦斯涌出量 （4.4）式中，q井矿井

52、相对瓦斯涌出量，m3/t；qi第i个生产采区相对瓦斯涌出量，m3/t；Aoi第i个生产采区平均日产量，t；已采采空区瓦斯涌出系数，6）瓦斯涌出不均衡性考虑各区域瓦斯涌出的不均衡性，利用分源预测法预测的各区域的瓦斯涌出量需乘以瓦斯涌出不均衡系数Kn。4.1.2矿山统计法矿井瓦斯涌出量与开采强度、开采深度相关。开采强度越强，破裂的煤层体积越多，吸附瓦斯变为游离瓦斯就越多，瓦斯涌出量就越大；开采深度越深，煤层瓦斯含量越大，煤层瓦斯压力越大。即煤层开采深度，反映了煤层瓦斯含量与煤层瓦斯压力两项指标。综合而论，此种方法认为，在煤层厚度一定的情况下，矿井瓦斯涌出量与开采强度相关，与煤层瓦斯含量相关，与瓦煤

53、层瓦斯压力相关。瓦斯统计法，客观上反映了以上相关关系。统计法是根据生产矿井或生产水平，在以往生产过程中积累的大量不同深度相对瓦斯涌出量与深度的数据，通过整理分析找出相互之间变化关系的统计规律，推算出相邻的新矿井或延深水平瓦斯涌出量的方法。如果预测地区的地质、采矿因素没有明显的变化，那么预测结果可以满足工程的需要。首先找出矿井开采深度与瓦斯涌出量的列表函数。表格如下表4-1矿井开采深度与瓦斯涌出量对应表加权平均开采深度（m）相对瓦斯涌出量（m3/min·t-1）接着绘制瓦斯涌出量随深度变化的曲线图。以矿井加权平均开采深度为横坐标，相对瓦斯涌出量为纵坐标，做出瓦斯涌出量随开采深度变化的曲

54、线图。如图4-2所示。将此曲线外延，即可预测出深部的瓦斯涌出量。图4-2矿井相对瓦斯涌出量随开采深度变化的关系图加权平均开采深度可按下式计算： （4.5）式中，加权平均开采深度，m；统计期内，第i采煤区段的平均开采深度，m；-统计期内，第i采煤区段的产煤量，t。瓦斯涌出量梯度为 （4.6）式中，瓦斯涌出量梯度，m/ （m3/t）或t/ m2； 、甲烷带内两个已知开采深度，m；、对应于深度 、的相对瓦斯涌出量，m3/t；n指数系数，大多数煤田在垂深1000 m以内时n=1。已知瓦斯涌出量梯度和瓦斯风化带下界深度时，就可以用下式预测相对瓦斯涌出量。 （4.7）或 （4.8）式中：预测深（m）处的相

55、对瓦斯涌出量，m3/t；瓦斯风化带下界开采深度，m；瓦斯涌出量增深率，t·m/ m3；瓦斯风化带下界处的相对瓦斯涌出量，=2 m3/t。要预测相对瓦斯涌出量的埋藏深度，m；、瓦斯风化带下界或H1处的相对瓦斯涌出量，=2 m3/t。此处，瓦斯涌出量预测是针对矿井而言，涌出量是指相对量。其实，也可针对绝对瓦斯涌出量预测。也可按采煤工作面或按掘进工作面进行瓦斯涌出量的预测。统计法预测瓦斯涌出量时，必须注意以下两点：其一，此法只适用于瓦斯带以下已回采了12个水平的矿井，而且外推深度不得超过100200m，煤层倾角越小和瓦斯涌出量梯度值越小，外推深度也应越小。否则，误差可能增大。其二，积累的瓦

56、斯涌出量资料，至少要有一年以上，而且积累的资料越多，精度愈高，已采水平（或区域）的瓦斯地质情况和开采技术条件与新设计水平（或区域）愈相似，预测的可靠性也愈高。否则，应根据有关资料进行相应的修正，或按相似程度进行分区预测。4.1.3做图法某些缓倾斜煤层和矿井的深部，瓦斯涌出量梯度不是常数，即矿井的相对瓦斯涌出量与深度间的关系是非线性的。 在此情况下，可以采用做图法，外推找出预测深度处的相对瓦斯涌出量，比较方便。如图4-3所示。图4-3矿井相对瓦斯涌出量图为了把井田空间上的相对瓦斯涌出量变化规律直观地表达出来，以便比较可靠地预测瓦斯涌出量，最好在矿井开采层面图上，及时标出各个已采区的相对瓦斯涌出量

57、。并把瓦斯涌出量相同的点连成曲线（如同底板等高线一样），做为外推预测的依据，如图4-3所示。这种瓦斯涌出量等值线图能够清晰地反映煤层走向和倾斜的瓦斯涌出量变化情况，对于预测不同地区的瓦斯涌出量十分方便。4.1.4回归分析法回归分析法是分析和处理变量之间相关关系的一种数理统计方法。它能帮助我们确定几个特定的变量之间是否存在相关关系，找出它们之间合适的相关关系方程表达式，以及如何利用所得到的经验公式去达到预测、控制等目的。矿井瓦斯涌出量与煤层瓦斯含量相关，与煤层瓦斯压力相关，与采煤方法和工艺相关，与产量水平相关，与地质构造相关，与煤层含水程度相关，总之与多种因素相关。我们应用回归分析法，就是要找出

58、相关因素，找出瓦斯涌出量与相关因素的函数表达式，进而应用函数表达式预测矿井瓦斯涌出量，并且将瓦斯涌出量预测精度控制在一定的范围内。观察因变量与自变量在直角坐标中的分布形状，若为直线状态分布，则定为直线关系。1）回归直线的确定设回归直线方程为 （4.9）根据统计资料确定常数a、b，则回归直线即确定。2）回归直线的简化计算当观测资料的数字比较大时，可以将上述方法简化，将原来的资料加减一个常数或乘除一个常数，在计算x、y、和时再进行修正10。用简化后的方法进行计算，工作量可大减轻，在实际工作中常常采用.3）相关系数其含义是指观测数据与回归直线的吻合程度.其取值范围为：-1<r<1 r越接近1，X与Y的关系就越密切，反之，就越不密切。图4-4 相关系数的不同取值反映结果4）相关系数的显著性检验相关系数的显著性检验即样本相关系数与总体相关系数的差异检验。图4-5相关系数的显著性检验表4-2相关系数的显著性检验表 n-200050001 n-20.0050.00110.9971.000210.4130.52620.9500.990220.4040.51930.8780.959230.3960.50540.8110.917240.3880