【精品】矿井瓦斯灾害防治理论与技术

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3.3 瓦斯涌出不均系数 在正常生产过程中，矿井绝对瓦斯涌出量
受各种因素的影响，其数值在一段时间内围绕 平均值上下波动，我们把其峰值与平均值的比 值称为瓦斯涌出不均系数。在确定矿井总风量 选取风量备用系数时，要考虑矿井瓦斯涌出不 均系数。
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矿井瓦斯涌出不均系数表示为：
k g Qmax / Qa
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2 、煤层瓦斯垂向分带： 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，使煤层瓦斯呈现出垂直分带特征:
瓦斯风化带： “CO2－N2”、“N2”、“N2CH4”三带统称瓦斯风化带。瓦斯风化带内的井、 区为低瓦斯井、区。
甲烷带：位于瓦斯风化带下边界以下的瓦斯带。
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4) 通风压力与通风系统
抽出式通风负压增加时，瓦斯涌出量增大。 U型通风系统的回采工作面，其上隅角容易聚积瓦斯。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。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。
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3.4 矿井瓦斯等级
1、矿井瓦斯等级划分
《规程》规定：一个矿井中，只要有一个 煤(岩)层中发现过瓦斯，该矿井即定为瓦斯矿 井，并依照矿井瓦斯等级的工作制度进行管理， 矿井瓦斯等级按照日产吨煤涌出瓦斯量和瓦斯 涌出形式分为：
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（一）低瓦斯矿井：矿井相对瓦斯涌出量 小于或等于10m3/t且矿井绝对瓦斯涌出量小于 或等于40m3/min。
ξ——瓦斯的压缩系数
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煤的吸附瓦斯含量
煤的表面积是很大的，每克煤有数十至二百 m2，其中微孔表面积占绝大多数，吸附瓦斯量主 要取决于微孔隙表面积、瓦斯压力与温度。煤的吸 附瓦斯服从朗缪尔吸附方程。按朗缪尔方程计算并
考虑煤中水分、可燃物的百分比，温度的影响：
Xx
abp en(t0 t)
1
1 bp
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1)鉴定时间和基本条件
矿井瓦斯等级的鉴定工作应在正常生产的 条件下进行。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)，分三个班(或四个班)进行测定工 作。所谓正常生产，即被鉴定的矿井、煤层、 一翼、水平或采区的回采产量应达到该地区设 计产量的60％。测定前必须做好组织分工和仪 表校正等准备工作。
2）按流场的稳定性分类：
定常流场：流场中任何一点的流速、流向和瓦斯压力 均不随时间变化。
非定常流场；流场中的流速、流向或瓦斯压力中至少 有一参数随时间变化。
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2 、扩散流与渗透流 瓦斯在孔隙－裂隙内的运移基本上可以分为两类： 1 ） 扩 散 流 动 ： 瓦 斯 在 小 孔 （ <1µm ） 和 微 孔 （<0.1µm）内的运移主要为扩散运动，瓦斯在 浓度梯度驱动下从高浓度向的浓度的方向运移， 可以用菲克定律描述：
n
0.02
0.993 0.07 p
煤层瓦斯含量等于吸附含量与游离含量之和：
X＝Xy＋Xx 实测表明，在目前开采深度(1000～2000m以内)煤层的 吸附瓦斯占70～95%，而游离瓦斯占5～30%。
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3.1 煤层瓦斯流动的基本规律 煤层与围岩属于孔隙－裂隙结构体，不同煤 层和岩层的孔隙、裂隙尺寸、结构形式以及 发育程度等的差别式很大，并且对地应力的 作用很敏感。
矿井瓦斯防治 理论与技术
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主要内容
1 概述 2 矿井瓦斯的生成及赋存 3 矿井瓦斯涌出 4 矿井瓦斯的喷出及预防 5 煤和瓦斯突出及其预防
6 矿井瓦斯爆炸及其预防
7 矿井瓦斯检测及监测
8 矿井瓦斯抽放
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1 概述
1.1 矿井瓦斯的概念
广义：井下有害气体的总称。 来源： (1)煤岩内赋存的气体 (2)生产过程中产生的气体 (3)井下空气与矿物及其他材料反应产生的气体 (4)放射性物质衰变产生惰性气体氡（放射性）和氦 狭义：由于煤层中的瓦斯一般以甲烷为主，所以在煤 矿中矿井瓦斯专指甲烷。
落煤时瓦斯涌出量与煤的瓦斯含量、落煤速度、 煤的粉碎程度等有关。风镐落煤时，瓦斯涌出量可 增大1.1～1.3倍，打眼放炮时1.4～2.0倍，采煤机采 煤时，1.3～1.6倍，水枪落煤时，2～4倍等，其增 加的倍数与工作面瓦斯来源的构成有关。开采单一 中厚煤层，落煤时增加的倍数比开采有邻近层的煤 层要大些。
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
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1）按流场的流向分类：
单向流场：在x、y、z三维空间中，只有一个方向有流 速；
径向流场：在x、y、z三维空间中，在两个方向有分速 度，可以用柱坐标系描述；
球向流场：在x、y、z三维空间中，三个方向都有分速 度，可以用球坐标系描述。
区间
渗透容积：小孔至可见孔的孔隙体积之和
煤的孔隙率：吸附容积与渗透容积之和称为总 孔隙体 积，总孔隙体积占煤的体积的百分比成 为煤的孔隙率
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4、煤层瓦斯压力
概念：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
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基本参数
测量原理：打一穿透待测煤层(或直接打在煤层 中)的钻孔，插入一根测压管(5mm～12mm的铜管 或10mm～13mm的镀锌铁管)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。
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5 、 煤层瓦斯含量 1）概念：单位体积或重量的煤在自然状 态下所含有的瓦 斯量(标准状态下的瓦斯体积)， 包括游离瓦斯和吸附瓦斯两部分
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2)测点选择和测定内容及要求 确定矿井瓦斯等级时，是按每一自然矿井、煤 层、一翼、水平和各采区分别计算相对瓦斯涌出量， 并取其中最大值(而不是全矿井的平均值)。所以测 点应布置在每一通风系统的主要通风机的风峒、各 水平、各煤层和各采区的回风道测风站内。如无测 风站，可选取断面规整并无杂物堆积的一段平直巷 道做测点。
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达西定律：流体的流速与其压力梯度成 正比，即
u k p
x
u＝瓦斯流速（m/s） k＝渗透率（m2） μ＝动态粘滞度（Pa·m） p / x＝气压梯度（Pa/m）
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3.2 瓦斯涌出量及主要影响因素
矿井瓦斯涌出量是指在矿井生产建设过 程中涌进巷道或管道的瓦斯量。其表达的方 法有两种：
绝对瓦斯涌出量——单位时间内涌入巷道 的瓦斯量，以体积表示，单位为m3/min 或 m3/d ；
2）影响因素
煤岩结构(如透气性)和物理化学特性(如吸附性能) 成煤后的地质运动和地质构造 煤层的赋存条件
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3） 煤的瓦斯含量确定
煤内游离瓦斯含量Xy (m3/t煤)
Xy
VPT0
TP0
式中 V——煤的渗透容积，m3/t煤； P——瓦斯压力，kPa； T0——标准状况下的绝对温度(273K)； T——瓦斯的绝对温度； P0——标准状况下的压力，等于101.3kPa；
相对瓦斯涌出量——每采一吨煤平均涌出 的瓦斯量，单位是m3/t。
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绝对瓦斯涌出量与相对瓦斯涌出量之间的关系为：
qe
qa A
qe——相对瓦斯涌出量，m3/t；
qa——绝对瓦斯涌出量，m3/d；
A——单位时间内采掘地区的产煤量，
t/d。
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影响瓦斯涌出量的因素主要有： 1) 煤层和围岩的瓦斯含量 在甲烷带内，开采越深、规模越大，绝对、相
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2 矿井瓦斯的生成及赋存
2.1 煤层瓦斯的生成 煤层瓦斯是腐植型有机物在成煤过程中生
成的 ，主要可以划分为两个生成阶段
第一阶段：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65℃的条件下， 被厌氧微生物分解为CH4、CO2和H2O。
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第二阶段：煤化变质作用时期
u D c x
ux＝在x方向上的扩散流的速度（m/s） D＝扩散系数（m2/s但更多用的是cm2/s） c＝特定气体的浓度（m3/m3煤）
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2）渗透流动 瓦斯在中孔（ >1µm ）以上的孔隙或裂隙中的
运移，可能有两种形式：层流和紊流 层流：层流又可以分为线性层流和非线性层流 线性层流：Re<1~10 ，粘滞力占优势，符 合达西定律 非线性层流： Re<10~100，服从非线性 渗透定律 紊流：Re >100，惯性力占优势，流动阻力与 流速的平方成正比。
1 0.31W
100 A W 100
, m3
t
式中 p——瓦斯压力，MPa； a——在该温度下，极限吸附量，m3/t可燃物； b——取决于温度和煤的吸附性能常数，k%； t0——实测室测定吸附常数时的实验温度℃ t——煤层温度，℃ n——系数，无因次，按下式确定
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1.2 甲烷的性质 无色、无味，微溶于水，标准状况下100L水
可溶解5.56L甲烷；可燃性、爆炸性、窒息性；
密度为0.716kg/m3 ，为空气密度的0.554倍； 分子直径0.41nm，扩散速度是空气的1.34倍； 高热值：55.67MJ/kg； 低热值：50.17 MJ/kg 热导率：0.0306W/m℃（在20℃时0.0328 W/m·℃）； 动力粘度：（10.26+0.0305t）×10.6Pa·s（温度 t＝0～100°C）；
煤的孔隙分类：
微孔：直径<0.01µm，构成煤中的吸附容积 小孔：直径＝0.01µm～0.1µm，构成毛细管凝结和瓦斯扩
散空间 中孔：直径＝0.1µm～1.0µm，构成缓慢的层流渗透区间 大孔：直径＝1.0µm～100µm，构成强烈的层流渗透区间 可见孔及裂隙：直径>100µm，构成层流及紊流混合渗透的
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表1 煤层瓦斯垂直分带及各带气体成分
气带名称 （从上往下） 气带成因
瓦斯成分％
N2
CO2
CH4
CO2－N2
生物化学 －空气
20～80
20～80
<10
N2
空气成因 >80 <10~20 <20
N2-CH4
变质成因 20~80 <10~20 20~80
CH4
变质成因 <20
<10
>80
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3、煤的孔隙特征
（二）高瓦斯矿井：矿井相对瓦斯涌出量 大于10m3/t或矿井绝对瓦斯涌出量大于 40m3/min。
（三）煤（岩）与瓦斯（二氧化碳）突出 矿井。
煤与瓦斯突出矿井: 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 出矿井煤层定为突出煤层。
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2、 矿井瓦斯等级鉴定
新矿井设计前，地质勘探部门根据各煤层 的瓦斯含量资料，预测矿井瓦斯等级，作为算 风量的依据。生产矿井每年必须进行矿井瓦斯 等级的鉴定工作，同时还应进行矿井二氧化碳 涌出量的测定，作为核定和调整风量的依据。
kg——给定时间内瓦斯涌出不均系数； 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。 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。
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测定内容为风量和风流中瓦斯浓度。如果 进风流中含有瓦斯时，还应在进风流中测风量 和瓦斯浓度。进、回风流的瓦斯涌出量之差， 就是鉴定地区的瓦斯涌出量。抽放瓦斯的矿井， 在鉴定月内应在相应的地区测定抽出的瓦斯量， 矿井瓦斯等级划分时，必须包括抽放的瓦斯量。 每一测定班的测定时间应选在生产正常时刻， 并尽可能在同一时刻进行测定工作。
随着煤系地层的沉降及所处压力和温度 的增加，泥炭转化为褐煤并进人变质作用时 期，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 。
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2.2 煤层瓦斯赋存
1、瓦斯在煤体内存在的状态
游离瓦斯：以自由气体形式存在； 吸附瓦斯：分为吸着状态与吸收状态； 在现今开采深度内，煤层内的瓦斯主要是以吸附状态 存在，游离状态的瓦斯只占总量的10％左右。
对瓦斯涌出量越高。 2) 开采顺序与回采方法 先开采的煤层或分层，其相对瓦斯涌出量大，
后开采的瓦斯涌出量小。瓦斯工作面开始回采初期 瓦斯涌出量小，当顶板第一次冒落以后，由于围岩 及邻近层的瓦斯涌入开采层，所以涌出量增加。
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3)生产工艺过程
从暴露面采落煤炭和钻孔涌出的瓦斯量， 一般都是随着时间的增长而逐渐下降。所以， 落煤时瓦斯涌出量总是大于其它工序，老顶 来压冒落时涌出量高于其它时期。