第4讲 煤层瓦斯流动及涌出规律

《矿井瓦斯防治》课程第四讲
第三部分 煤矿瓦斯涌出量预测方法
三、煤矿瓦斯涌出量预测方法
基本概念 瓦斯涌出量 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。
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，以上各因素总有一种或几种因素是主
三、煤矿瓦斯涌出量预测方法
基本概念
瓦斯涌出量的表达方法 绝对瓦斯涌出量，在单位时间内涌出的瓦斯量， 单位 m3/min或 m3/d； 相对瓦斯涌出量，平均日产一吨煤同期所涌出的瓦斯量， 单位 (m3/d)/t/d), 即 m3/t。
相对瓦斯涌出量
绝对瓦斯涌出量
Q q A
q—相对量，m3/t；Ｑ —绝对量，m3/d; A—日产量，t/d。
三、煤矿瓦斯涌出量预测方法
影响瓦斯涌出的因素
开采技术因素
绝对瓦斯涌出量基本随产量变化并在一个稳定 (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。 数值上下波动。相对瓦斯涌出量，若瓦斯涌出
甲烷带内，随着开采深度的增加，相对瓦斯涌出量增大。 ①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 绝对瓦斯涌出量随着开拓范围的扩大而 主要来源于采落煤炭，影响不大；若瓦斯主要
三、煤矿瓦斯涌出量预测方法
影响瓦斯涌出的因素
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1.58~1.73倍。
安全工程专业核心课程
第四讲
煤层瓦斯流动及涌出规律
程远平 教授 李 伟 博士
中 安 国 全 矿 工 业 程 大 学 学 院
2013年3月
《矿井瓦斯防治》课程第四讲
课程目标 一、掌握煤层瓦斯流动理论 二、掌握煤层瓦斯涌出量预测方法 三、掌握煤矿瓦斯等级鉴定方法
《矿井瓦斯防治》课程第四讲
章节提纲
一、煤层瓦斯流场分类 二、瓦斯流动理论 三、煤矿瓦斯涌出量预测方法 四、煤矿瓦斯等级鉴定
扩散分类
诺森数 Kn Kn≥10 菲克型扩散 分类 Kn≤0.1 诺森型扩散 0.1＜Kn＜10 过渡性扩散
二、瓦斯流动理论
对于含瓦斯煤体来说，一般Kn ≥10，由于孔隙直径远大于瓦斯气 体分子的平均自由程，因此扩散是由于瓦斯气体分子之间的无规 则运动引起的，可以用菲克扩散定律去描述。
菲克定律: J—瓦斯气体通过单位面积的扩散速度， kg/(s · m2)
达西定律: v—流速，m/s μ —瓦斯动力粘度系数，Pa ·s
K —煤层的渗透率，m2
dx —与流体流动方向一致的极小长度，m dp —在dx长度内的压差，Pa
二、瓦斯流动理论
瓦斯扩散理论
煤是一种典型的多孔介质，根据气体在多孔介质中的扩散机理的 研究，可以用表示孔隙直径和分子运动平均自由程相对大小的诺 森数Kn： d—孔隙平均直径，m λ —气体分子的平均自由程，m
开始为径向流动，抽采一段 时间后，转化为单向流动
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流场类型 单向流动
备注
开始为径向流动，排放一段 时间后，转化为单向流动
钻孔
一、煤层瓦斯流场分类
按流场的稳定性分类
分类 定义 特点
稳定流场
具有固定的瓦斯源； 在稳定流场中，任何一点的 出口和入口的瓦斯压力不随时 瓦斯流速、流向和压力均不 间而变化； 随时间而变化，故而称其中 煤层仅仅是瓦斯流过的通道， 的瓦斯流动为稳定性流动 所以流场各个点的瓦斯压力也不 变。 没有固定的瓦斯源，煤层既是 在非稳定性流场中，流场中 瓦斯的来源又是瓦斯流过的通道； 任何一点的瓦斯流速、流向 随着瓦斯的不断流出，煤层内 和压力都随时间而发生变化，瓦斯压力不断降低，流动场不断 其内的瓦斯流动为非稳定性 扩大； 流动 各点的瓦斯压力和压力梯度也 在改变。
煤矿常见的流场分类
上述三种流动是按照流场的空间流向分类的基本形式。在实际煤矿中， 由于煤层的非均质性、煤层顶底板岩性的多变性等自然条件的不同，实 际井巷和钻孔中的瓦斯流动是复杂的，有时可能是几种基本流动的综合。 工程分类 煤层中的位置 巷道高度< 煤层厚度 巷道 巷道高度≥煤层厚度 穿层钻孔（ 包括地面钻孔） 顺层钻孔 单向流动 径向流动 单向流动
三、煤矿瓦斯涌出量预测方法
影响瓦斯涌出的因素
开采技术因素
(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。
三、煤矿瓦斯涌出量预测方法
影响瓦斯涌出的因素
自然因素
(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。
一、煤层瓦斯流场分类
煤层瓦斯流动形态
单向流动示意图 1- 流线；2-等压线；3-巷道
一、煤层瓦斯流场分类
煤层瓦斯流动形态
径向流动示意图 1- 流线；2-等压线；3-钻孔
一、煤层瓦斯流场分类
煤层瓦斯流动形态
球向流动示意图 1- 揭开煤层的掘进工作面；2-等压线；3-流线

一、煤层瓦斯流场分类
二、瓦斯流动理论
地物场效应的煤层瓦斯流动理论
随着煤层瓦斯流动机理研究的深化，许多学者 用流体—岩石相互作用机制认识煤层内瓦斯运移 过程，充分发展和考虑地应力场、地温场以及地 电场等地球物理场作用下的煤层瓦斯运移耦合模 型及数值方法，使理论模型更能反映客观事实， 以及进一步完善理论模型及测试技术和手段，成 为当今推动煤层瓦斯渗流力学向前发展的主流方 向。
《矿井瓦斯防治》课程第四讲
第一部分 煤层瓦斯流场分类
一、煤层瓦斯流场分类
煤层瓦斯流动
煤层瓦斯流动方式
孔隙直径为10-5～10-4，瓦斯流动表现为自由扩散或慢速的层流渗透 孔隙直径为10-4～2×10-4 cm，瓦斯流动为层流渗透 孔径大于 2×10-4 cm，瓦斯流动表现为层流渗透或层流与紊流的混合过渡流 孔隙直径小于10-5 cm，瓦斯流动属于分子扩散 孔径小于3×10-7cm，出现瓦斯表面扩散和固体中的扩散
三、煤矿瓦斯涌出量预测方法
煤层瓦斯涌出形式
瓦斯涌出的形式是指矿井瓦斯在时间、空间上的分布形式。
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。
特殊涌出
矿井生产过程中，在某些特定地点、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。
a.矿井达产之前 涌出量数值又会因产量低而偏大。
b.矿井达产后 c.开采工作逐渐收缩
三、煤矿瓦斯涌出量预测方法
影响瓦斯涌出的因素
开采技术因素
(2)开采顺序与回采方法 ①首先开采的煤层瓦斯涌出量大。 ②采空区丢失煤炭多，回采率低的采煤方法，瓦斯涌出量大。 ③顶板管理采用陷落法比充填法能造成顶板更大范围的破坏和卸压， 邻近层瓦斯涌出量就比较大。 ④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。
三、煤矿瓦斯涌出量预测方法
基本概念
矿井瓦斯涌出量 单位时间内从煤层以及采落的煤（岩）体涌入矿井中的气
体总量，矿井进行瓦斯抽放时包括抽放瓦斯量。
属于绝对瓦斯涌出量？相对瓦斯涌出量？ 矿井瓦斯涌出量预测 计算出矿井在一定生产时期、生产方式和配产条件下的瓦 斯涌出量，并绘制反映瓦斯涌出规律的涌出量等值线图。
(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
U型通风系统
带尾巷的U型通风系统
三、煤矿瓦斯涌出量预测方法
影响瓦斯涌出的因素
开采技术因素
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。
三、煤矿瓦斯涌出量预测方法
影响瓦斯涌出的因素
开采技术因素
三、煤矿瓦斯涌出量预测方法
影响瓦斯涌出的因素
开采技术因素
(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。
上隅角
1-回风巷 2-尾巷 3-顶板冒落区
增加，绝对瓦斯涌出量大致正比于产量。 来源于采空区和围岩，产量变化时，相对瓦斯 ②开拓与开采的范围越广，煤岩的暴露面就越大，因此，矿井瓦 绝对瓦斯涌出量又随产量的减少而减少， 涌出量有明显变化。 斯涌出量也就越大。 并最终稳定在某一数值，这时相对瓦斯
③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：
二、瓦斯流动理论
非线性瓦斯流动理论
低雷诺数区，Re<1~10，粘滞 力占优势，属于线性层流区域， 符合达西定律。 中雷诺数区， Re的上限为100， 为非线性层流区域，服从非线 性渗透定律。 高雷诺数区， Re>100 ，为紊 流，惯性力占优势，流动阻力 和流速的平方成正比。
多孔介质中流动状态及其规律的变化
非稳定流场
一、煤层瓦斯流场分类
按流场的稳定性分类
1－成面后几小时
2－成面后4d 3－成面后10d 4－成面后15d 5－面后55d 6－成面后150d （稳定）
《矿井瓦斯防治》课程第四讲
第二部分 瓦斯流动理论
二、瓦斯流动理论
非线性瓦斯流动理论
线性瓦斯渗流理论认为，煤层内瓦斯运移基本符合线性渗透定律—达 西定律（Darcy’s law）
δ C/δX—沿扩散方向的浓度梯度
Df —菲克扩散系数，m2/s C —瓦斯气体的浓度， kg/ m2 瓦斯气体分子在煤层内有效扩散系数：扩散路径因孔隙通道的曲 折而增长，孔截面收缩使扩散流动阻力增大，实际扩散通量减少。
J—瓦斯气体在煤层内的有效扩散系数，m2/s
θ —有效表面孔隙率 τ —曲折因子，为修正扩散路径变化而引入的。
二、瓦斯流动理论
瓦斯渗透-扩散理论
瓦斯渗透与扩散理论认为，煤层内瓦斯运动是包 含了渗透和扩散的混合流动过程。煤层中存在相互沟
通的裂隙网络，沿着这些裂隙网络，游离瓦斯流向低
压工作面，而煤体的渗透率与该裂隙网络密切相关。 与此同时，块煤内部的瓦斯解吸，向裂隙扩散，因此 煤层中瓦斯的渗透率和介质的扩散性共同决定了瓦斯 的流动状况。