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1、矿井瓦斯基础理论及防治技术矿井瓦斯基础理论及防治技术 培训目的：培训目的：为配合公司的发展目标，提升人力绩效，提升为配合公司的发展目标，提升人力绩效，提升员工素质，增强员工对本职工作的能力与对企业文化的了解，员工素质，增强员工对本职工作的能力与对企业文化的了解，并有计划地充实其知识技能，发挥其潜在能力，建立良好的人并有计划地充实其知识技能，发挥其潜在能力，建立良好的人际关系，进而发扬公司的企业精神。际关系，进而发扬公司的企业精神。考核考核l对学员的评估，主要通过课后考核的方式检查学员的接受程对学员的评估，主要通过课后考核的方式检查学员的接受程度和效果。度和效果。l考核的形式以定量考核为主，定性
2、考核为辅。考核的形式以定量考核为主，定性考核为辅。l公司的考核评估旨在确立目标、评价个人表现、提高工作效公司的考核评估旨在确立目标、评价个人表现、提高工作效率、并且制定发展培训计划。以便根据员工的表现进行工资率、并且制定发展培训计划。以便根据员工的表现进行工资调整和晋升。对员工的培训考核结果将作为员工职位晋升、调整和晋升。对员工的培训考核结果将作为员工职位晋升、工资晋升、兑现奖励的依据，考核表进入个人年度考核档案。工资晋升、兑现奖励的依据，考核表进入个人年度考核档案。矿井瓦斯1 1、概述、概述2 2、煤层瓦斯赋存与含量、煤层瓦斯赋存与含量3 3、矿井瓦斯涌出、矿井瓦斯涌出4 4、瓦斯喷出、瓦斯
3、喷出5 5、煤、煤(岩岩)与瓦斯突出及其防治与瓦斯突出及其防治6 6、瓦斯爆炸及其预防、瓦斯爆炸及其预防7 7、矿井瓦斯抽放、矿井瓦斯抽放影响中国煤矿瓦斯灾害的主要技术因素影响中国煤矿瓦斯灾害的主要技术因素煤层瓦斯压力大、瓦斯含量高、煤质松软、透煤层瓦斯压力大、瓦斯含量高、煤质松软、透煤层瓦斯压力大、瓦斯含量高、煤质松软、透煤层瓦斯压力大、瓦斯含量高、煤质松软、透气性低，不易在采前抽采；开采过程过程中放气性低，不易在采前抽采；开采过程过程中放气性低，不易在采前抽采；开采过程过程中放气性低，不易在采前抽采；开采过程过程中放散速度快，易发生煤与瓦斯突出现象，并诱发散速度快，易发生煤与瓦斯突出现象，
4、并诱发散速度快，易发生煤与瓦斯突出现象，并诱发散速度快，易发生煤与瓦斯突出现象，并诱发瓦斯爆炸。瓦斯爆炸。瓦斯爆炸。瓦斯爆炸。中国煤矿地质构造条件复杂。中国煤矿地质构造条件复杂。中国煤矿地质构造条件复杂。中国煤矿地质构造条件复杂。中国煤矿开采深度大，华东地区平均开采深度中国煤矿开采深度大，华东地区平均开采深度中国煤矿开采深度大，华东地区平均开采深度中国煤矿开采深度大，华东地区平均开采深度达到达到达到达到650m650m，且每年以，且每年以，且每年以，且每年以202050m50m的速度下延。的速度下延。的速度下延。的速度下延。全国煤矿瓦斯灾害分布全国煤矿瓦斯灾害分布高瓦斯及煤高瓦斯及煤与瓦斯突出
5、与瓦斯突出低瓦斯低瓦斯国有煤矿高瓦斯及煤与瓦斯突出矿井约占国有煤矿高瓦斯及煤与瓦斯突出矿井约占国有煤矿高瓦斯及煤与瓦斯突出矿井约占国有煤矿高瓦斯及煤与瓦斯突出矿井约占5050中国煤层透气性与美国对比中国煤层透气性与美国对比45户重点监控国有煤矿企业户重点监控国有煤矿企业煤与瓦斯突出矿井情况汇总煤与瓦斯突出矿井情况汇总矿井类别矿井类别 数量数量/处处 产量产量/万万t t矿井数量矿井数量比例比例/%/%矿井产量矿井产量比例比例/%/%矿井产量占矿井产量占全国产量全国产量比例比例/%/%矿井总数矿井总数41550200 100 10027.5高瓦斯及煤高瓦斯及煤与瓦斯突出与瓦斯突出矿井矿井2345
6、6.4煤与瓦斯突煤与瓦斯突出矿井出矿井14215831 34.231.5 8.1特大型突出特大型突出矿井矿井341945 8.03.90.99特大型煤与瓦斯突出矿井数量分布特大型煤与瓦斯突出矿井数量分布 45 45户重点监控国有煤炭企业共户重点监控国有煤炭企业共3434对矿井发生过千吨级以上的特大型煤对矿井发生过千吨级以上的特大型煤与瓦斯突出，分布于与瓦斯突出，分布于1010个省市，最大个省市，最大突出煤岩量突出煤岩量12780t12780t，最大突出瓦斯量，最大突出瓦斯量350350万万m m3 3。要求：熟悉瓦斯性质、矿井瓦斯生成及赋存规律；理解矿井瓦斯涌出及影响因素；了解矿井瓦斯喷出以及
7、防治措施；了解煤（岩）与瓦斯突出机理、一般规律以及防治技术；了解矿井瓦斯爆炸条件及预防技术；了解矿井瓦斯抽放条件与方法。第一节 概 述 矿井瓦斯概念 瓦斯的性质和危害 瓦斯利用返回一、矿井瓦斯概念矿井瓦斯是成煤过程中的一种伴生气体，地质学上称为瓦斯。1、广义概念矿井瓦斯是煤矿生产过程中，从煤层、围岩中涌入矿井内的各种气体的总称。主要成分为：CH4、CO2、N2少量成分：H2S、CO、H2、SO2、C2H6、C2H4等。甲烷是矿井瓦斯的主要成分，占瓦斯总量的8090%，在分析和研究矿井瓦斯时，又以甲烷CH4为主，其次是CO2。2、狭义概念矿井瓦斯就是指甲烷(CH4)。返回本节二、瓦斯的性质和危害
8、1、性质瓦斯是一种无色、无味、无嗅的气体。在标准状态下，瓦斯的密度为0.7168kg/m3，为空气密度为0.554倍。瓦斯分子直径0.41nm，瓦斯的扩散性很强，扩散速度是空气的1.34倍，会很快在空气中扩散。当无瓦斯涌出时，巷道断面内瓦斯的浓度是均匀分布的；当有瓦斯涌出时，瓦斯浓度呈不均匀分布，在有瓦斯涌出的侧壁附近瓦斯的浓度高。瓦斯的化学性质不活泼，微溶于水，在200C、101.325kPa的条件下，溶解度为3.5L/100L水。返回本节2、危害(1)污染环境，加剧大气“温室效应”它产生的温室效应是CO2的2530倍，且产生温室效应的时效长达100150年之久。(2)瓦斯积聚可使人窒息死亡
9、瓦斯本身无毒，其浓度57，能使空气中氧浓度10。通风不良或不通风的煤巷，往往积存大量瓦斯。案例：1961年10月28日，抚顺某矿-330m水平52采区3斜上掘进工作面临时停工，因水力引射器循环风造成巷道内瓦斯积聚，通风人员随即钉上栅栏并挂上“禁止入内”的警标。11月22日，采区3名技术员为准备复工，闯进栅栏检查，当走进44m(盲巷全长69m)处时，全部窒息死亡，直到第二天才被发现。现场取样分析表明：瓦斯浓度43.9%，二氧化碳浓度4.3%(正常0.04%)，氧气浓度0.9%，氮气浓度50.9%。(3)瓦斯可酿成燃烧和爆炸事故当矿井中瓦斯浓度低于5%或超过15%时，遇到火源，会酿成瓦斯燃烧；当瓦
10、斯浓度达到5%15%时，遇火源将会引起爆炸。(4)瓦斯喷出和突出现象发生瓦斯喷出或煤与瓦斯突出动力现象时，大量高浓度的瓦斯突然涌向采掘空间，特别是煤与瓦斯突出还伴有强大的冲击波，不仅会造成现场作业人员窒息死亡。还可能引起瓦斯爆炸重大事故。如我国最大突出是于1975年8月8日在天府矿务局三汇坝一矿主平硐(+280m)，震动性放炮揭穿6号煤层时发生的，突出煤岩量1.3万t、瓦斯140万m3。三、瓦斯利用根据美国环境保护总署1994年的数据，全世界地下煤矿排放瓦斯量2941109m3/年，其中2.3109m3作为燃料利用，其余被排放到大气中去。1990年估算，中国煤矿排放到大气层中的瓦斯量达1424
11、109m3，约占世界总排放量的1/3。可用作居民和矿山设备的燃料。可用于玻璃和塑料工业生产中的原料碳黑。可用于发电，1990年抚顺老虎台矿建立了中国第一家1200kW的瓦斯发电厂。2009年7月29日宁夏汝箕沟矿建成年利用瓦斯4000万m3、发电9000万kWh的瓦斯发电项目。返回本节变压吸附（变压吸附（Pressure Swing Pressure Swing AbsorptionAbsorption，简称，简称PSA)PSA)技术是利用吸附技术是利用吸附剂的平衡吸附量随组分分压升高而增加剂的平衡吸附量随组分分压升高而增加的特性，进行加压吸附、减压脱附。的特性，进行加压吸附、减压脱附。瓦斯的
12、提纯瓦斯的提纯（1 1）变压吸附技术）变压吸附技术（2 2）甲烷冰）甲烷冰合成甲烷冰照片合成甲烷冰照片 甲烷冰燃烧照片甲烷冰燃烧照片 利用低浓度瓦斯发电（利用低浓度瓦斯发电（5%以上）以上）山东胜动低浓度瓦斯发电机组 矿井乏风利用矿井乏风利用 矿井乏风的浓度很低，可以用于燃煤锅炉和燃气轮矿井乏风的浓度很低，可以用于燃煤锅炉和燃气轮机，作为混合燃料的一部分，可取代周围的空气用于内机，作为混合燃料的一部分，可取代周围的空气用于内燃机、燃气轮机作为助燃剂，这样可以节约部分燃料，燃机、燃气轮机作为助燃剂，这样可以节约部分燃料，减少瓦斯排放量。减少瓦斯排放量。矿井乏风的排放量大，一旦这方面的应用经济性得
13、到矿井乏风的排放量大，一旦这方面的应用经济性得到验证，则通风瓦斯的利用也有着十分广阔的前景。验证，则通风瓦斯的利用也有着十分广阔的前景。第二节 煤层瓦斯赋存与含量 瓦斯的成因与赋存 煤层瓦斯垂直分带 影响煤层瓦斯含量的因素 煤层内的瓦斯压力返回一、瓦斯的成因与赋存1、矿井瓦斯的生成煤层瓦斯是腐植型有机物在成煤过程中生成的，成气过程可分为两个阶段。(1)生物化学成气时期在植物沉积成煤初期的泥炭化过程中，有机物在隔绝外部氧气进入和温度不超过650C的条件下，被厌氧微生物分解为CH4、CO2和H2O。在这个阶段生成的泥炭层，埋深浅，生成的瓦斯易排放到古大气中去，一般不会保留在现有煤层内。随着泥炭层下
14、沉，上覆盖层变厚，温度和压力增高，生物化学作用逐渐减弱直至结束，在较高的压力与温度作用下泥炭转化成褐煤，并逐渐进入煤化变质作用阶段。返回本节(2)煤化变质作用成气时期褐煤进一步沉降，压力与温度作用加剧，便进入煤化变质作用造气阶段。有机物在高温、高压作用下，挥发分减少，固定碳增加，这时生成的气体主要为CH4和CO2。从褐煤到无烟煤，煤的变质程度越高，生成的瓦斯量也越多。2、煤层瓦斯赋存 煤是天然的空隙裂隙体：空隙率一般为518%；每克煤内空隙的表面积达20200m2/g甚至更多。丰城煤张扭裂隙，放大5400倍鸡西煤的孔隙，放大720倍 瓦斯在煤体内存在的状态 (1)游离状态(自由状态)瓦斯以自由
15、气体的状态存在于煤体的孔隙和裂隙中，呈现出压力，服从气体状态方程。游离瓦斯量的大小与贮存空间的容积和瓦斯压力成正比，与瓦斯温度成反比。1吸收瓦斯2游离瓦斯3吸着瓦斯(2)吸附状态吸着状态是在孔隙表面的固体分子引力作用下，气体分子被紧密地吸附于孔隙表面上，形成很薄的吸附层。吸收状态是瓦斯分子进入煤体胶粒结构与煤分子结合而呈现的一种状态，类似于气体溶解于液体的现象。煤层赋存的瓦斯量中，通常吸附瓦斯量占80%90%，游离瓦斯量占10%20%。1吸收瓦斯2游离瓦斯3吸着瓦斯(3)两种状态的关系在煤体中，吸附瓦斯和游离瓦斯在外界温度的压力不变的条件下处于动平衡状态。煤体中的瓦斯含量是一定的，但以游离状态
16、和吸附状态存在的瓦斯量是可以相互转化的。当压力升高或温度降低时，一部分瓦斯由游离状态转化为吸附状态，这种现象称为吸附。如果压力降低或温度升高时，一部分瓦斯就由吸附状态转化为游离状态，这种现象称为解吸。煤层受到采动影响后，形成的压力梯度使瓦斯流动，煤体内瓦斯压力的降低将促进解吸作用。二、煤层中瓦斯垂直分带形成原因：当煤层直达地表或直接为透气性较好的第四系冲积层覆盖时，由于煤层中瓦斯向上运移和地面空气向煤层中渗透，使煤层内的瓦斯呈现出垂直分带特征。瓦斯瓦斯空气空气-1000m-800m-600m-400m-200m返回本节煤层自上向下分为四个带：CO2-N2带、N2带、N2-CH4带、CH4带，前
17、三个带总称为瓦斯风化带，第四个带甲烷带。划分的意义：掌握本煤田煤层瓦斯垂直分带的特征，是搞好矿井瓦斯涌出量预测和日常瓦斯管理工作的基础。规律：瓦斯风化带内，瓦斯涌出量与深度之间无规律性。瓦斯风化带内，无突出危险性。在CH4带内，瓦斯含量和涌出量随着深度的增加而增大。在瓦斯风化带开采煤层时，相对瓦斯涌出量一般2m3/t，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。气带名称气带名称(从上往下从上往下)气带成因气带成因瓦斯成分瓦斯成分 N2CO2CH4I CO2N2 生物化学空气生物化学空气 2080 2080 80102020III N2-CH4变质成因变质成因20
18、80 1020 2080 IV CH4变质成因变质成因20 80 煤层瓦斯垂直分带及各带气体成分 瓦斯风化带的下部边界深度确定依据：根据下列指标中的任何一项确定：煤层的相对瓦斯涌出量等于23m3/t处；煤层内的瓦斯组分中甲烷及重烃浓度总和达到80%（体积比）；煤层内的瓦斯压力为0.10.15MPa；煤的瓦斯含量为23m3/t（烟煤）和57m3/t（无烟煤）。瓦斯风化带深度决定于煤层的具体条件，变化很大，即使在同一井田有时也相差很大，南桐鱼田堡矿的瓦斯风化带为30m，开滦赵各庄矿为467m。三、影响煤层瓦斯含量的因素 煤的瓦斯含量是指单位体积或重量的煤在自然状态下所含有的瓦斯量(标准状态下的瓦斯
19、体积)，单位为m3/m3或m3/t。煤层瓦斯原始含量：指未受采矿采动及抽采影响的煤体内的瓦斯含量。煤层瓦斯残余含量：指受采矿采动及抽采影响的煤体内现存的瓦斯含量。煤的瓦斯含量包括游离瓦斯和吸附瓦斯。返回本节影响煤层瓦斯含量的因素 1、煤的吸附特性 煤的吸附性能决定于煤化程度。煤的煤化程度越高，存储瓦斯的能力越强。因此，在其它条件相同时，高变质煤比低变质煤瓦斯含量大。2、煤层露头 煤层露头是瓦斯向地面排放的出口，露头存在时间越长，瓦斯排放越多；反之地表无露头的煤层，瓦斯含量较高。3、煤层的埋藏深度 煤层的埋藏深度的增加，有利于封存瓦斯。瓦斯风化带中瓦斯含量小，不会发生瓦斯突出。甲烷带内同，瓦斯含
20、量随深度的增加而增大。如：阳泉3号煤层为无烟煤，挥发分为7%，瓦斯压力1.3MPa，瓦斯含量为25m3/t；抚顺胜利矿为气煤，发分为45%，瓦斯压力1.7MPa，瓦斯含量仅7m3/t。4、围岩透气性 围岩为致密完整的低透气性岩层，如泥岩，完整的石灰岩，煤层中的瓦斯就易于保存下来，瓦斯含量就大，瓦斯压力也大。围岩透气性大，如中粗砂岩、砾岩等，瓦斯越易流失，煤层瓦斯含量就小。5、煤层倾角 埋藏深度相同时，煤层倾角越小，煤层的瓦斯含量就越高。如芙蓉煤矿北翼煤层倾角40800，瓦斯涌出量约20m3/t，无瓦斯突出现象；南翼煤层倾角6120，瓦斯涌出量高达150m3/t，具有发生瓦斯突出的危险性。这种现
21、象的主要原因在于：煤层透气性一般大于围岩；煤层倾角越小，在顶板岩性密封好的条件下，瓦斯不易通过煤层排放，煤体中的瓦斯容易得到贮存。6、地质构造 封闭型地质构造有利于封存瓦斯，开放型地质构造有利于瓦斯排放。(1)褶曲构造背斜构造瓦斯风化带以下，背斜顶板为致密岩层又未遭到破坏时，在背斜轴部的瓦斯容易积聚和保存下来，形成瓦斯含量较高的“气顶”，称为储瓦斯构造。当背斜轴部的顶部岩(煤)层因张力作用而形成有连通地表的裂隙时，背斜轴部的瓦斯就会流失掉，瓦斯含量就会降低。1-不透气岩层2-煤层瓦斯含量增高区域3-煤层向斜构造向斜构造一般轴部的瓦斯含量比翼部高，这是轴部岩层受到强力挤压，围岩的透气性会变得更低
22、，则轴部封存较多瓦斯。1-不透气岩层不透气岩层2-煤层瓦斯含量增高区域煤层瓦斯含量增高区域3-煤层煤层(2)断裂构造开放性断层(张性、张扭性断层)，不论其与地表是否直接相通，都会因其有利于瓦斯的散放而使瓦斯含量降低，如图a、b。而封闭性断层(压性、压扭性断层)不利于瓦斯的排放，煤层瓦斯含量则较高，如图c。1-瓦斯丧失区域；2-瓦斯含量降低区；3-瓦斯含量异常增高区；4-瓦斯含量正常增高区(3)其他构造煤包储瓦斯构造局部煤层突然变厚而形成的大“煤包”会出现瓦斯含量增高现象。因为煤包周围在构造挤压应力作用下，煤层被压薄，形成对大煤包封闭的条件，有利于瓦斯的封存。1-不透气岩层2-煤层瓦斯含量增高区
23、域3-煤层地垒地堑储瓦斯构造由两条封闭断层与致密围岩圈闭而形成的“地垒”或“地堑”等构造，因为有着良好的圈闭条件，生成的瓦斯难于扩散或排放，其瓦斯含量较其他地点要高。另外，火成岩侵入体的附近，煤的变质程度较高，瓦斯含量也会增大。1-不透气岩层2-煤层瓦斯含量增高区域3-煤层7、水文地质条件地下水活跃的地区，煤层瓦斯含量减小。其原因有二：一是瓦斯能溶于水，尽管其溶解度很小，但经过漫长的地质年代，可以从煤层中带走数量可观的被溶解的瓦斯；二是地下水溶蚀一部分矿物质，使地层得到卸压，地应力降低，导致煤岩层裂隙发育和透气性的增加，从而增强了煤层瓦斯的流失。国内煤矿普遍存在凡是不大的矿井瓦斯小，水小的矿井
24、瓦斯大的规律。以上是对这些因素的简要说明，在分析某一煤层瓦斯含量以及有无突出危险时，需要根据这些因素以及地应力等因素作综合的研究。找出影响本煤田、本矿井瓦斯含量的主要因素。四、煤层内的瓦斯压力1、瓦斯压力的定义煤层瓦斯压力是煤层裂隙和孔隙内由于气体分子热运动撞击所产生的作用力。煤层瓦斯原始压力：指未受采矿采动影响及抽采影响的煤体内的瓦斯压力。煤层瓦斯残存压力：指受采矿采动及抽采影响的煤体内现存的瓦斯压力。意义：煤层瓦斯压力是决定煤层瓦斯含量、瓦斯流动动力高低以及瓦斯动力现象的潜能大小的基本参数。瓦斯压力是造成突出的重要动力，如1MPa的压力作用在1m2的面积上能产生980kN的推力，这样大的力
25、量足以将几十吨的煤炭抛出。返回本节2、煤层瓦斯压力分布的规律根据国内外在瓦斯煤层大量的测定结果，在甲烷带内，煤层的瓦斯压力随深度的增加而增加，多数煤层呈线性增加。存在：p2p1H2H1式中p1、p2甲烷带内深度为H1、H2(m)处的瓦斯压力，MPa。单位下降的深度瓦斯压力的增加值即为瓦斯压力梯度gp。gp(p2p1)/(H2H1)MPa/m 则甲烷带内某一深度 H 预测的瓦斯压力 p 为 pgp(HH1)p1 MPa 3、煤层瓦斯压力测定 测量原理：打一穿透待测煤层的钻孔，插入一根测压管后再把钻孔封堵好，在测压管的外端接上压力表，待压力稳定后就可以读取瓦斯压力值。测压步骤打钻要求：测定地点无大
26、裂隙，没有地质构造带，含水小。一般由围岩向煤层打穿层钻孔，钻孔直径为4575mm。封孔钻孔到位后，用压气清渣。封孔材料：黄泥、水泥、木楔。返回第三节 矿井瓦斯涌出煤层瓦斯流动的基本规律瓦斯涌出形式与涌出量影响瓦斯涌出的因素矿井瓦斯涌出来源的分析与分源治理瓦斯涌出不均系数矿井瓦斯等级矿井瓦斯涌出量预测1-瓦斯流向2-等瓦斯压力线一、煤层瓦斯流动的基本规律1、煤层瓦斯流场分类概念：煤层内瓦斯流动的空间称为煤层瓦斯流场，在流场内瓦斯具有流向、流速和压力梯度和浓度梯度。(1)按流场空间流向分类 单向流动在直角坐标x、y、z三维空间内，只有一个方向有流速，其余两个方向流速为零的流动。返回本节径向流动在直
27、角坐标x、y、z三维空间内，在两个方向上有分速度，第三个方向的分速度为零的流动。如石门、竖井、钻孔垂直穿透煤层时，在煤壁内的瓦斯流动就属于这一类，其瓦斯压力线平行煤壁呈近似同心圆。1-瓦斯流向2-等瓦斯压力线球向流动在直角坐标x、y、z三维空间内，在三个方向都有分速度的流动如厚煤层中的掘进工作面、钻孔或石门刚进入煤层时的煤壁内的瓦斯流动，以及采落煤块中涌出的瓦斯的流动。1-流向2-揭露煤层的井巷3-等瓦斯压力线(2)按流场的稳定性分类稳定流场稳定流场中，任何一点的运动要素即瓦斯流速、流向和压力均不随时间而变化。只有在某一巨大瓦斯源附近，瓦斯通过煤层或裂隙稳定地流到巷道空间时，才能出现这一情况。
28、非稳定流场非稳定流场中，任何一点的瓦斯流速、流向和压力都随时间而发生变化。其特点是没有固定的瓦斯源，煤层既是瓦斯的来源又是瓦斯流过的通道，随着瓦斯的不断流出，煤层内瓦斯压力不断降低，流动场不断扩大，所以它的流动场是变化的，而且各点的瓦斯压力梯度也在改变。从上式可知，扩散量与扩散系数成正比，浓度梯度越高，扩散量也就越大。负号表示流动方向沿着瓦斯浓度降低的方向进行。2、煤层瓦斯的运动规律瓦斯在煤层中的运动，根据煤孔隙和裂隙的大小，可分为扩散运动和渗透运动。(1)扩散运动瓦斯在小孔(1m)与微孔(0.1m)内运移主要是扩散运动，瓦斯分子在其浓度梯度的作用下由高浓度向低浓度方向运移。单向扩散的瓦斯量d
29、m符合费克(Fick)定律，即式中 dm瓦斯扩散量，m3/m2；D瓦斯扩散系数，m2/s；dc/dl瓦斯浓度梯度，(m3/m3)/m；dt时间，s。(2)渗透运动瓦斯在中孔(1m)以上的孔隙或裂隙内，由于压差作用下而产生的运动。线性渗透运动达西定律瓦斯的流速与煤层中的瓦斯压力梯度成正比，呈线性规律，符合达西(Darcy)定律，即式中K煤层渗透率，m2；流体的绝对粘度，Pas；p/l流体的压力梯度，Pa/m；v流速，m/s瓦斯在煤体中的流动可分为三个区域：a.低雷诺数区雷诺数Re110，瓦斯的粘滞力占优势，属于线性层流区域，符合达西定律；b.中雷诺数区雷诺数Re=10100，为非线性层流区域，不
30、服从达西定律，服从非线性渗透定律；c.高雷诺数区Re100，为紊流，惯性力占优势，流动阻力和流速平方成正比。可以认为瓦斯在煤层中的流动是扩散-渗透；或者是低渗透-渗透规律。从简化计算和工程实用性出发，采用达西定律来计算煤层的流动是完全可以的。3、煤层透气系数煤层透气系数是煤层对于瓦斯流动的难易程度的标志。由于瓦斯是可压缩性流体，考虑流速换算成标准压力下的值，并按等温过程则达西定律式有式中 q比流量，在1大气压，温度为t时，1m2煤面上每日流过 的瓦斯流量，m3/(m2d)；P瓦斯压力p的平方，P=p2，MPa2；煤层透气系数，m2/(MPa2d)。透气系数的物理意义在1m2煤体两侧，瓦斯压力平
31、方差为1MPa2时，通过1m长度的煤体，在1m2煤面上每日流过的瓦斯量。1m2/(MPa2d)相当于该煤层的渗透率为2.510-17m2。煤层透气性的大小主要取决于煤层内裂隙的大小及其分布。煤层的裂隙一部分是由于煤体内部作用形成的裂隙，另一部分由是由于煤体受到外部作用而形成的裂隙，也就是地质构造应力作用和采掘工作产生的裂隙。煤层透气系数的变化范围很大，如抚顺龙凤矿140150 m2/(MPa2d)，而北票台吉煤矿5号煤层为0.00 6m2/(MPa2d)。采掘工作能使煤层透气系数发生很大变化。在集中应力带，煤层的透气系数可降低50%，甚至更多；而在卸压带可增大数倍甚至数千倍。卸压作用可增大煤层
32、透气系数、加速煤层中瓦斯的流动。煤的孔隙裂隙系统对地应力的作用非常敏感，当地应力增高时，煤的透气系数下降；反之地应力减少时，煤的透气系数则增大。当压应力在40MPa以内时，煤样透气性与压应力的关系可用以下经验式。式中承压煤样的透气系数，m2/(MPa2d)；0未承压煤样的透气系数，m2/(MPa2d)；煤样承受的压应力，MPa；b系数，MPa-1。二、瓦斯涌出形式与涌出量1、瓦斯涌出形式瓦斯涌出的形式是指矿井瓦斯在时间、空间上的分布形式。(1)普通涌出 长时间地、均匀地从煤体中涌出瓦斯。特点：时间上：连续不断 空间上：普遍存在 涌出强度：缓慢、均匀。(2)特殊涌出矿井生产过程中，在某些特定地点
33、、突然地于一段时间内大量涌出瓦斯的现象。特点：时间上：突然地、不均匀的间断涌出 空间上：非普遍存在 涌出强度：产生动力破坏。特殊涌出分为瓦斯喷出和煤与瓦斯突出。返回本节2、瓦斯涌出量(1)瓦斯涌出量的含义指在矿井建设和生产过程中从煤与岩石内涌出的瓦斯量。它是确定矿井瓦斯等级、进行矿井通风计算等方面的依据。对应于整个矿井的叫矿井瓦斯涌出量，对应于翼、采区或工作面的，叫翼、采区或工作面的瓦斯涌出量。(2)瓦斯涌出量表示方法绝对瓦斯涌出量 指单位时间涌出的瓦斯体积，单位为m3/d或m3/min。Qg=QC/100 式中 Qg绝对瓦斯涌出量，m3/min；Q风量，m3/min；C风流中的平均瓦斯浓度，
34、。若一个采区、一个工作面测出其风量以及进回流中的瓦斯浓度，绝对瓦斯涌出量为QgQ2C2/100Q1C1/100式中Q1、Q2采区或工作面的进、回风量，m3/min；C1、C2采区或工作面的进、回风流中瓦斯浓度，%。相对瓦斯涌出量 矿井正常生产条件下，平均日产一吨煤所涌出的瓦斯量。qg=Qg/A 式中：qg相对瓦斯涌出量，m3/t；Qg绝对瓦斯涌出量，m3/d；A平均日产量，t/d，等于月产量/月工作日数。说明：相对瓦斯涌出量单位的表达式虽然与瓦斯含量的相同，但两者的物理含义是不同的，其数值也是不相等的。例：某矿井总排风量为22000m3/min，总排风流中的瓦斯浓度为0.25%，平均日产煤24
35、75t，求该矿井的绝对瓦斯涌出量和相对瓦斯涌出量。解：绝对瓦斯涌出量为Qg=QC/100 220000.25/10055m3/min相对瓦斯涌出量为qg=Qg/A552460/247532m3/t三、影响瓦斯涌出的因素1、自然因素(1)煤层和围岩的瓦斯含量 煤层瓦斯含量越高，瓦斯涌出量也越大。单一的薄煤层和中厚煤层开采时，瓦斯主要来自煤层暴露面和采落的煤炭。对于煤层群或单一煤层附近有瓦斯含量较大的岩层，受采动的影响，除了开采煤层涌出外，还有邻近层的瓦斯通过裂隙涌出。在这种情况下，瓦斯涌出量会大于煤层瓦斯含量。例如淮南谢二、谢三两个矿井，开采13号煤层，采区相对瓦斯涌出量是该煤层瓦斯含量的1.5
36、81.73倍。返回本节(2)地面大气压变化地面大气压变化引起井下大气压的相应变化，对于从煤层暴露面涌出的瓦斯量影响甚微，但对采空区或冒落处瓦斯涌出的影响比较显著。当地面大气压突然下降时，井巷空气绝对压力减小，采空区瓦斯积存区的气体压力不变，使得采空区与井巷的气体压力差增加，瓦斯会更多地涌入风流中，使矿井的瓦斯涌出量增大。反之，矿井的瓦斯涌出量将减少。2、开采技术因素 (1)开采规模 开采规模指开采深度、开拓与开采范围和矿井产量。在瓦斯风化带内开采的矿井，相对瓦斯涌出量与深度无关。在甲烷带内，随着开采深度的增加，相对瓦斯涌出量增大。开拓与开采的范围越广，煤岩的暴露面就越大，因此，矿井瓦斯涌出量也
37、就越大。矿井产量与矿井瓦斯涌出量间的关系比较复杂，一般情况下：a.矿井达产之前 b.矿井达产后 c.开采工作逐渐收缩绝对瓦斯涌出量随着开拓范围的扩大而增加，绝对瓦斯涌出量大致正比于产量。绝对瓦斯涌出量基本随产量变化并在一个稳定数值上下波动。相对瓦斯涌出量，若瓦斯涌出主要来源于采落煤炭，影响不大；若瓦斯主要来源于采空区和围岩，产量变化时，相对瓦斯涌出量有明显变化。绝对瓦斯涌出量又随产量的减少而减少，并最终稳定在某一数值，这时相对瓦斯涌出量数值又会因产量低而偏大。(2)开采顺序与回采方法首先开采的煤层瓦斯涌出量大。采空区丢失煤炭多，回采率低的采煤方法，瓦斯涌出量大。顶板管理采用陷落法比充填法能造成
38、顶板更大范围的破坏和卸压，邻近层瓦斯涌出量就比较大。回采工作面周期来压时，瓦斯涌出量也会大大增加。(3)生产工艺瓦斯从煤层暴露面(煤壁和钻孔)和采落的煤炭内涌出的特点是，初期瓦斯涌出的强度大，然后大致按指数函数的关系逐渐衰减;落煤时瓦斯涌出量大于其它工序。综合机械化工作面推进度快，产量高，在瓦斯含量大的煤层内工作时，瓦斯涌出量很大。(4)风量变化矿井风量变化时，瓦斯涌出量和风流中的瓦斯浓度会发生扰动，但很快就会转变为另一稳定状态。单一煤层回采时，瓦斯主要来自煤壁和采落的煤炭，采空区积存的瓦斯量不大时，回风流中的瓦斯浓度随风量减少而增加或随风量增加而减少，绝对瓦斯涌出量变化不大。煤层群开采，采空
39、区积存大量瓦斯，风量增加时，因负压和采空区漏风的加大，绝对瓦斯涌出量迅速增加，回风流中的瓦斯浓度可能急剧上升。然后，经过一段时间，绝对瓦斯涌出量恢复到或接近原有值，回风流中的瓦斯浓度才能降低到原值以下。风量减少时，情况相反。所以采区风量调节时，特别是增加风量时，应注意风流中瓦斯的浓度。为了降低风量调节时回风流中瓦斯浓度的峰值，可以采取分次增加风量的方法。(5)采区通风系统采区通风系统对采空区内和回风流中瓦斯浓度分布有重要影响。U型通风系统的回采工作面，其上隅角容易聚集瓦斯。采用U型加尾巷的通风系统，瓦斯聚积点移至采空区内的尾巷入风口，提高工作面的安全性。U型通风系统 带尾巷的U型通风系统1-回
40、风巷2-尾巷3-顶板冒落区 Y形与W型通风系统由于采空区内有漏风通道，采空区与邻近层涌出的瓦斯很少会涌入工作面，加之进风多了一条风路，工作面的瓦斯浓度较低，适用于高瓦斯高产要求。(6)采空区的密闭质量 采空区内往往积存着大量高浓度的瓦斯，如果封闭的密闭墙质量不好，或进、回风侧的通风压差较大，就会造成采空区大量漏风，使矿井的瓦斯涌出增大。综合以上所述，影响瓦斯涌出量的因素是多方面的，因各矿的条件不同，涉及各种因素的影响程度也不同，并非以上所说的各因素对每一矿井来说都是符合的。例如平顶山一矿由压入式改为抽出式通风时，无论是瓦斯浓度，还是绝对瓦斯涌出量都影响不大。但是对于某一具体矿山来说，以上各因素
41、总有一种或几种因素是主要的，应找出主要影响因素的规律性，对加强通风和瓦斯管理是很有必要的。四、矿井瓦斯涌出来源的分析与分源治理1、矿井瓦斯来源分析(1)瓦斯来源区划分现场对矿井瓦斯来源一般分为回采区(%)掘进区(%)已采区(%)(2)测定的方法在矿井、采区和掘进区的进、回风流中，测定瓦斯浓度和通风量，并计算绝对瓦斯涌出量QgQ2C2/100Q1C1/100式中Q1、Q2矿分源井、采区或工作面的进、回风量，m3/min；C1、C2矿井、采区或工作面的进、回风流中瓦斯浓度，%。(3)计算比重以全矿井的绝对瓦斯涌出量为100%，分别计算采区、掘进区和已采区的绝对瓦斯涌出量各占矿井的绝对瓦斯涌出量的百
42、分比。返回本节2、分源治理分源治理瓦斯是针对瓦斯来源特征，采取相适应的治理措施，即通过方案的技术经济比较，选取效果、经济和安全等方面最优的治理方法。例如：采空区瓦斯涌出量大通风冲淡密闭抽放采空区瓦斯以上几种方法的综合 通过方案比较选取最优方案。又如对掘进区瓦斯来源比重大，可采取预先抽放煤层瓦斯、边掘边抽放瓦斯和通风冲淡等多种方案，从中选优。对于回采区瓦斯涌出量大，可采取抽放本煤层瓦斯、邻近层瓦斯、采空区瓦斯；选择工作面通风系统应从U型、U型-尾巷、Y型、W型等方案中选优。五、瓦斯涌出不均系数瓦斯最大涌出量与平均涌出量的比值称为瓦斯涌出不均系数。矿井瓦斯涌出不均系数式中kg给定时间内瓦斯涌出不均
43、系数；Qmax该时间内的最大瓦斯涌出量，m3/min；Qa该时间内的平均瓦斯涌出量，m3/min。返回本节 确定瓦斯涌出不均系数的方法根据需要，在确定地区(工作面、采区、翼或全矿)的进、回风流中连续测定一段时间(一个生产循环、一个工作班、一天、一月或一年)的风量和瓦斯浓度，一般以测定结果中的最大一次瓦斯涌出量和各次测定的算术平均值代人上式，即该地区在该时间间隔内的瓦斯涌出不均系数。任何矿井的瓦斯涌出在时间上与空间上都是不均匀的。在生产过程中要有针对性地采取措施，使瓦斯涌出比较均匀稳定。例如尽可能均衡生产，错开相邻工作面的落煤、放顶时间等。六、矿井瓦斯等级煤矿安全规程第133条规定：一个矿井中，
44、只要有一个煤（岩）层发现瓦斯，该矿即为瓦斯矿井。瓦斯矿井必须依照矿井瓦斯等级进行管理。1、矿井瓦斯等级划分(1)低瓦斯矿井矿井相对瓦斯涌出量小于或等于10 m3/t且绝对瓦斯涌出量小于或等于40 m3/min；(2)高瓦斯矿井矿井相对瓦斯涌出量大于10m3/t，或绝对瓦斯涌出量大于40 m3/min；(3)煤(岩)与瓦斯(二氧化碳)突出矿井矿井在采掘过程中，只要发生过一次煤与瓦斯突出，该矿井即为突出矿井，发生突出的煤层定为突出煤层。返回本节2、矿井瓦斯等级鉴定 规程规定：每年必须对矿井进行瓦斯等级和二氧化碳涌出量的鉴定工作，报省(自治区、直辖市)负责煤炭行业的部门审批，并报省级煤矿安全监察机构
45、备案。(1)鉴定时的生产条件 在正常生产条件下进行，产量不低该地区总产量的60%。(2)鉴定时间根据当地气候条件，选择矿井绝对瓦斯涌出量较大的月份进行，一般在七月或八月。在鉴定月的上、中、下旬中各取一天(间隔10天)，每天早、中、晚三班，每班分班初、班中和班末进行测定工作。(3)鉴定工作内容及要求在矿井、煤层、一翼、水平和采区的回风巷道中，分别测定风量和瓦斯浓度。测定地点布置在主通风机的风硐内、煤层、一翼、水平、采区的进、回风道的测风站内。如无测风站，可选在巷道断面规整并无杂物堆积的一段平直巷道为测风站。抽放瓦斯矿井，在鉴定日应测定瓦斯抽放量。测定前必须做好组织分工和仪表校正等准备工作。鉴定月
46、中，记录地面和井下气温、气压和湿度，以备参考。(4)测定记录整理与计算将测定的数据填入标准表格。绝对瓦斯涌出量每一测定地点有上、中、下三旬(三天)，每天三班，每班始、中、末三次，则每天共有9组风量和瓦斯浓度的测定结果。一天中一个测点的CH4(CO2)的绝对涌出量m3/d式中Qi1-9次中各次测得的风量，m3/min；Ci1-9次中各次测得的风量所对应的风流中瓦斯浓度，%。对于某一煤层、一翼、水平、采区的绝对瓦斯涌出量应等于回风流中的绝对涌出量减去进风流中绝对涌出量。相对瓦斯涌出量选取鉴定月上、中、下旬三天中绝对瓦斯涌出量最大的一天，按下式计算式中Qgmax鉴定月上、中、下旬三天中绝对瓦斯涌出量
47、最大一天的值，m3/d；n鉴定月工作天数，d/month；T鉴定月产量，t/month。m3/t(5)矿井瓦斯等级确定 一月上、中、下旬某一天分三班进行。在矿井、煤层、一翼、水平和采区回风道中，分别测定风量和瓦斯浓度。抽放瓦斯矿井，鉴定期间的抽放量应计算。计算瓦斯涌出量。编写鉴定报告。确定矿井瓦斯等级时，是按每一自然矿井、煤层、一翼、水平和采区分别计算绝对瓦斯涌出量和相对瓦斯涌出量，并取其中最大值。对照瓦斯等级划分标准确定矿井瓦斯等级，有、无煤与瓦斯突出，附上文字说明材料，报省级负责煤炭行业管理部门审批，并报省级煤矿安全监察机构备案。七、矿井瓦斯涌出量预测是指根据某些已知相关数据，按照一定的方
48、法和规律，预先估算出矿井或局部区域瓦斯涌出量的工作。新建矿井、生产矿井的新水平或新采区，需要预测瓦斯涌出量，以便作为矿井设计和通风瓦斯管理的依据。统计法是根据已往矿井生产中历年积累的相对瓦斯涌出量与开采深度的数据，外推未来深部水平相对瓦斯涌出量的预测方法。方法步骤先将矿井历年生产过程中积累的qg与深度，计算出瓦斯涌出量梯度gg，然后根据gg计算出深部开采的qg。返回本节(1)根据矿井历年积累的qg与相应的深度按表9-3-6(P194)进行整理。开采深度取加权平均式中Hw加权平均开采深度，m；Hi统计期内，第i采煤区段的开采深度，m；Ai统计期内，第i采煤区段的产煤量，t。计算瓦斯涌出量梯度gg
49、瓦斯涌出量梯度是指深度与相对瓦斯涌出量的比值。物理意义为相对瓦斯涌出量每增加1m3/t时深度所增加的米数。瓦斯涌出量梯度为m/m3/t式中H1、H2甲烷带内两个已采深度，m；q1、q2对应于H1、H2深度的相对瓦斯涌出量，m3/t；n指数，在垂深1000mm内，n1。则在开采深度1000m内(2)根据瓦斯涌出量梯度gg，计算H深度的相对瓦斯涌出量qmm3/t或式中 H0瓦斯风化带下限深度，m；q0瓦斯风化带下界相对瓦斯涌出量，q02m3/t。使用统计法注意：此法只适用于甲烷带内，且外推深度100200m。要有充足的瓦斯涌出量数据，数据越多，精度越高。第四节 瓦斯喷出瓦斯喷出的分类和特点瓦斯喷出
50、的规律瓦斯喷出的预防返回瓦斯喷出是指大量的承压瓦斯从煤、岩裂缝中快速喷出的现象(大量瓦斯在压力状态下，从煤、岩裂缝中喷出的现象)。它是瓦斯特殊涌出的一种形式。特点：突然性，涌出量大，动力效应，喷出的物质为气相。危害性：造成喷出地点人员窒息、遇火燃能引起瓦斯爆炸和火灾、强大喷出产生动力效应并导致破坏作用。一、瓦斯喷出的分类和特点瓦斯喷出具备的两个条件：一是存在承压状态的瓦斯；二是存在瓦斯喷出的通道，即周围煤岩裂隙的存在。根据喷瓦斯裂缝出呈现原因的不同，可把瓦斯喷出分成地质构造和采掘地压形成的两大类。1、地质构造形成高压瓦斯沿原始地质构造孔洞或裂缝喷出。发生地点发生地点：地质破坏带、断层带、石灰溶