高瓦斯综采工作面瓦斯运移规律研究.docx

论文题目:高瓦斯综采工作面瓦斯运移规律研究作者姓名:胡海永指导教师:陈 刚2014年6月3号摘要本文较详细的论述了高瓦斯综采工作面瓦斯运移规律及其特点,并将其应用到实践中去解决煤矿安全生产的实际问题。文中分析了瓦斯在正常井巷风流中的主要运移扩散方式,并运用了分段测定法,对高瓦斯综采工作面的瓦斯涌出情况及浓度分布进行了测定,运用埋管测定法对采空区瓦斯涌出及浓度分布进行了测定,运用网格法对工作面上隅角的瓦斯浓度分布进行了测定。对影响高瓦斯综采工作面瓦斯涌出的主要因素,如煤层及围岩特征、煤层瓦斯吸附特征、煤层及其变质程度、煤层埋藏深度、煤层倾角、地质构造等瓦斯地质条件和风量、风压、推进速度及通风系统等开采技术条件进行了全面的分析。通过对高瓦斯综采工作面空隙介质特点进行分析,运用流体力学理论,建立综采工作面瓦斯运移的数学模型,为利用计算机对具体的工作面进行模拟分析,打下了良好的基础。对工作面瓦斯涌出量较大的综采工作面面提出了运用下行通风、瓦斯抽放、均压技术及合理通风系统相结合的综合治理方法。在实际应用中,结合现场的存在的瓦斯治理问题,对杏花煤矿的高产高效综采工作面进行了综合瓦斯治理工作。关键词: 高瓦斯综采工作面 上隅角 瓦斯运移 瓦斯防治 综合治理目 录摘要i第1章 绪论11.1 课题的提出11.2 国内外综采工作面瓦斯治理现状21.3 主要研究内容和研究方法31.3.1 主要研究内容31.3.2 主要研究方法31.4 本章小结3第2章 影响高瓦斯综采工作面瓦斯涌出的因素42.1 杏花煤矿井概况42.1.1 煤层赋存概况52.1.2 矿井瓦斯状况72.1.3 课题研究中涉及的相关综采工作面概况72.2 影响工作面瓦斯涌出的煤层赋存条件112.3 影响工作面瓦斯涌出的开采技术条件162.3.1 配风量与瓦斯涌出量之间的关系162.3.2工作面推进速度(产量)对瓦斯涌出最的影响162.3.3 工作面和采空区间压差对瓦斯涌出的的影响172.4 本章小结18第3章 高瓦斯综采工作面瓦斯运移规律研究203.1 瓦斯运移的基本形式分析203.1.1 正常通风瓦斯在井巷空气中扩散运动的主要形式203.1.2 正常通风主风流瓦斯运移过程分析213.2 高瓦斯综采工作面瓦斯分布测定233.2.1 分段测定法测定工作面瓦斯涌出的原理233.2.2 分段测定法测定工作面瓦斯涌出的步骤243.3 高瓦斯综采工作面瓦斯分布规律分析253.3.1 测定点的布置253.3.2 采煤工作面瓦斯浓度分布规律263.3.4 采面瓦斯涌出的不均衡性283.4 本章小结29第4章 高瓦斯综采工作面瓦斯运移规律的应用304.1 回采过程中存在的瓦斯治理问题304.2 高瓦斯综采工作面瓦斯综合治理方法304.2.1 下行通风治理综采工作面瓦斯超限304.2.2 采空区高位钻孔瓦斯抽放技术的应用324.2.3 均压通风技术的应用344.2.4 局部改变通风系统354.4 本章小结36第5章 主要结论37致谢40参考文献41iii第1章 绪论1.1 课题的提出我国是一个以煤为主要能源的国家,在一次能源的总资源量中,煤炭资源约占90%,在一次能源的生产和消费构成中,煤炭所占比例长期保持在75%左右,尽管20世纪90年代大力进行了能源结构的调整,2000年煤炭生产和消费在一次能源中所占比重仍分别达67.2%和67%。从我国拥有及可能利用的能源资源类别来看,以煤为主的能源格局长期内不会有根本的改变,煤矿开采的规模还会很大。因此,要保证国民经济和煤炭工业持续、稳定、健康发展,建设高产高效矿井,提高采掘机械水平,是我国煤矿发展的必由之路。综合机械化采煤在条件适宜时,具有高产高效、成本低、经济效益显著的特点。近年来,随着煤炭科学技术的发展,高产高效矿井数量大大增加,部分矿井经技术改造,通过进行综合机械化装备,矿井的年产量有了很大的提高。但由于综合机械化采煤开采强度大、生产集中、推进速度快,使采煤工作面瓦斯涌出表现出了强度高、数量大和极不均衡等特点,同时综采工作面由于采高较大,走向长度较长,推进速度较快,因而往往形成较大面积的采空区,在顶板周期来压时,常造成工作面及其回风流瓦斯超限,对安全生产构成了极大威胁。煤壁、落煤和采空区是工作面瓦斯涌出的三个部分,其中采空区瓦斯涌出在工作面瓦斯涌出中占有较大的比例。由于综采面多为长壁式回采工作面,而一般长壁工作面采空区的瓦斯涌出量占工作面总瓦斯涌出量的30-40%以上,多者达70-80%,采空区瓦斯的大量涌出往往导致工作面瓦斯超限频繁和被迫停产,甚者酿成重大恶性事故,造成人员伤亡和巨大经济损失。为了保证较高的产量,必须保证一定的割煤速度,因此工作面煤壁、落煤瓦斯涌出难以有效控制,同时,由于采空区瓦斯涌出受多种因素影响,涌出空间也比较大,所以通过对工作面及其采空区瓦斯运移规律的研究,可以有的放矢地采取有效措施,对综采工作面进行瓦斯治理,从而消除制约综采工作面高产高效的这一重要因素,使综采工作面充分发挥其优势,实现真正意义上的高产高效。1.2 国内外综采工作面瓦斯治理现状我国现有国有重点井工煤矿750多处,根据2002年矿井瓦斯鉴定,全国共有1130多个高瓦斯和突出矿井,占全国总矿井数的44%；国有重点煤矿的矿井瓦斯总涌出量由1993年的44.8亿m3,增至2003年的51.6亿m3。通过对1998-2004年全国煤矿重大事故的次数、伤亡情况、发生原因、事故性质进行的统计分析结果表明,由瓦斯因素造成的重大事故无论在次数或人员的伤亡方面都是第一位的。近年来,全国煤矿重大瓦斯事故占全部重大事故的比例,发生次数约占55-65%,死亡人数占55-75%。地方煤矿的瓦斯事故更为严重。因此说,瓦斯事故是我国煤矿最严重的事故之一。纵观我国煤矿历年事故统计资料,瓦斯爆炸事故伤亡人数在全部事故伤亡人数中所占比例呈上升趋势。在重特大事故中,瓦斯事故(含瓦斯爆炸、煤与瓦斯突出、瓦斯窒息)的死亡人数己经多年占据首位。由此充分说明了重视煤矿瓦斯防治的紧迫性和重要性。在综采工作面的瓦斯治理研究中,上隅角瓦斯积聚和处理的问题,是国内外技术人员努力攻关的焦点。法国煤矿采用压风引射器引排综采面上隅角的瓦斯,日本、前苏联、波兰和德国用小型气动风机吹散上隅角的积聚瓦斯,前苏联用抽放泵抽排上隅角的瓦斯。在我国,中国矿业大学俞启香教授等采用脉冲射流来对上隅角瓦斯积聚瓦斯进行治理研究。这些方法均取得了一定的效果,但不能达到治本的目的。在瓦斯治理上,国内外也很重视瓦斯抽放,并且采空区瓦斯抽放量在总抽放量中占有较大的比重,如德国等均达到30%左右,除保证安全生产外,采空区的瓦斯抽放还可满足矿井瓦斯利用的需要。我国国家“七五”科技攻关项目“采空区瓦斯抽放技术”、“九五”科技攻关项目“采空区瓦斯抽放工艺与自控装备的研究”都把采空区瓦斯治理作为重大课题来解决,可见国家对采空区瓦斯治理的重视程度。2002年,国家安全监察局提出“先抽后采、监测监控、以风定产”瓦斯治理十二字方针,也把瓦斯抽放工作当作重点来抓。为此,通过开展综采工作面瓦斯运移规律研究工作,在摸清工作面瓦斯运移规律的基础上,从多个方面入手,进行全方位地治理工作面瓦斯,并结合其它方面的瓦斯治理措施,从根本上解决综采工作面安全生产问题。1.3 主要研究内容和研究方法1.3.1 主要研究内容1)综采工作面瓦斯来源构成、瓦斯分布及运移规律的研究；2)影响高瓦斯综采工作面瓦斯涌出的主要地质条件及开采技术因素；3)高瓦斯综采工作面瓦斯运移的数学模型；4)根据高瓦斯综采工作面瓦斯运移规律对工作面瓦斯进行治理。1.3.2 主要研究方法采用理论分析和现场实测相结合的研究方法,对综采工作面瓦斯涌出及瓦斯浓度分布行定性定量分析,寻求综采工作面的瓦斯运移规律,根据研究得出的规律,再到现场瓦斯治理中进行检验,进一步修正和完善所得出的规律,进而制定出有效的瓦斯综合治理措施。1.4 本章小结本章首先论述了在高瓦斯综采工作面生产过程中存在的制约其高产高效的瓦斯治理问题,并通过对国内外在综采工作面瓦斯治理的现状进行分析,提出了进行该课题研究的必要性。最后提出了本课题所要研究的内容和预采用的研究方法。第2章 影响高瓦斯综采工作面瓦斯涌出的因素影响综采工作面采空区瓦斯涌出的因素很多,其中工作面的煤层赋存条件和开采技术条件的影响较大,煤层赋存条件包括煤层瓦斯含量、开采煤层厚度、邻近层个数及其距开采层距离、顶底板岩性、有无地质构造等,开采技术条件包括开采方式、巷道布置方式(通风系统)、工作面推进速度、工作面风压、工作面配风量、生产工序、采空区面积、回采率、有无采空区抽放等因素。对于不同区域、不同煤田或块段,影响瓦斯赋存的地质条件以及开采技术条件存在着差异,起主导作用的因素也有区别。本课题的研究是在龙煤集团杏花煤矿30#煤层为试验研究基地进行研究的。2.1 杏花煤矿井概况杏花矿位于鸡西煤田北部含煤条带的东部，距鸡西火车站11.5km。行政区划隶属于鸡西市鸡东县管辖。矿内有鸡密公路在井田中部通过，矿铁路专用线与鸡密铁路相连，交通方便。井田东西走向长8.2km，南北宽4.2km。北与正阳矿为邻、西与城子河矿毗连、东与东海矿接壤。井田东西走向长8.2km，南北宽4.2km。北与正阳矿为邻、西与城子河矿毗连、东与东海矿接壤。井田内地形大部分属丘陵地形，北部及中部为山岗地带，岗沟起伏不平。地表平均标高+210m，最高山+285m，南端（井田深部）为穆棱河床及河漫滩，地表标高为+177m左右。杏花井田内最大河流为穆棱河，由西向东呈蛇曲状流经矿井深部，其它河流尚有哈达河、杏花河分布井田的东部及中部，皆由西北向东南注入穆棱河。1965年哈达河最高洪水位标高190.6m、杏花河194.8m。穆棱河夏季水量较大，流量78.1 m3/s，最大流量3120 m3/s，1965年最高洪水位标高为180.4m。区内属寒温带大陆性气候，冬季与夏季平均气温相差40以上，最低气温-32左右，最高气温39左右。年平均大气降水量为540mm，最大降水量为776.5mm。开拓方式为立井多个水平分区式开拓。本井田划分三个水平（-300m以上；-300-650m；-650m以下），各个水平间由上向下逐次接替开采；水平内划分采区（第一水平内划分五个采区，均以较大断层为界：西一采区、西二采区、东一采区、东二采区和东三采区），采区间以采区前进的方式开采。采区内的开采顺序是：分层组上山同时开采或先采上部层。矿井于1982年正式开工建设，1986年10月竣工并投产，核定生产能力为120万t/a，服务年限81年。2.1.1 煤层赋存概况杏花矿井田内煤系地层为鸡西群城子河组（j3ch），厚度470550m，平均520m，含煤35层，其中可采煤层16层，可采煤层总厚度5.7015.25m，含煤系数2.9。煤系地层上段0260m可采煤层有22#、23#、25#三层；中段260360m可采煤层有：30#、31#、36#、27#、38#、39#、40#、41#等七层；下段360520m可采煤层有48#、52#、54#、55#等四层。煤层主要集中在煤系的中部。全区可采煤层主要为23#层。28#、30#、54#层为基本全区可采。局部可采煤层有四层：31#层（浅部、深部不可采，中间局部可采，22线以东不可采），38#层（1519线浅部部分可采，19线以东局部可采，28线以东不可采），40#层（1617线、1819线、2123线的浅部局部可采），41#层（仅1617线、1821线浅部局部可采）。其余8层煤（22#、25#、36#、37#、39#、48#、52#、55#）为部分可采煤层。从煤层可采性看井田内自西向东有由可采变为不可采的趋势，28线向东变为不可采的煤层就有22#、25#、37#、38#、52#、54#等6层，自29线和30线向东又变为不可采的煤层有：30#、36#、39#、48#等4层。所以井田西部煤层赋存比东部为好。可采煤层16层，除23#层为单一结构、中厚煤层外，其余15层均为复合结构煤层。层间距平均为690m，为近距离煤层群。各层赋存情况由上至下为：22#层：煤厚0.531.2m，平均0.85m。在30勘探线以西，走向线以北发育，单一结构，容重1.39t/m3顶板粉砂岩泥岩，有0.10m煤泥岩伪顶，底板泥岩夹煤或细砂岩。属于稳定的薄煤层。23#层：煤厚1.02.09m，平均1.58m全区发育。属于稳定的中厚煤层，其变化的规律是由西向东厚度逐渐增大，结构单一，容重1.33t/m3，顶板粉砂岩或泥岩。底板粉砂岩。25#层：煤层0.61.2m平均0.83m分布在21勘探线以西及2427线；走向线以南。1720勘探线发育最好，属不稳定煤层。浅部结构复杂，有三层夹石以上，底部有2m煤，煤泥岩互层，总厚3m以上。深部结构单一，仅一层或二层夹石，容重1.46t/m3。顶板为粉砂岩，底板为细砂岩，一般有0.20.3m煤泥或泥岩伪底。28#层：煤层0.642.12，平均1.31基本上是全区发育，北部厚、南部薄至不可采，结构也同时变得复杂，可走向线以北28勘探线以西发育最好。煤层上下两个分层组成，容重1.31t/m3。顶板泥岩，底板细砂岩，直接底板有0.15m泥岩伪底。30#层：煤层0.622.22m，平均1.51m。全区发育，1723勘探线中部发育最好。煤层结构极复杂，一般有3层泥岩夹石，总厚度3.5m，容量1.44t/m3，可采纯煤集中在上部。顶板为中细砂岩，并有0.2m泥岩伪顶。底板为煤泥岩或泥岩夹煤，直接底板为细砂岩。31#层：煤层0.61.15m，平均0.71m，21勘探线以西走向线以南基本可采，1822勘探线间发育最好，向深部变薄。煤层结构单一，夹0.050.15m煤泥岩，夹石一层、属较稳定煤层，容重1.46t/ m3。顶板细砂岩，伪顶为0.100.30m泥岩含煤，底板西部为细砂岩，东部为泥岩含煤，伪底有0.2m泥岩。36#层：煤层0.601.09m，平均0.85m。17勘探线到28勘探线间发育。属不稳定煤层，容重1.42t/m3。有部分为两个分层，底板为细砂岩。40#层：煤厚0.590.82m平均0.67m。分布在1926勘探线的走向线以北，为局部可采的不稳定煤层，煤层内夹有0.040.15m夹石两层，容重1.36t/m3。顶板细砂岩，直接顶为0.10.18m泥岩或煤泥岩，底板泥岩夹煤。41#层：煤厚0.620.84m，平均0.71m。发育在保合村附近和21勘探线西走向线河，属于局部可采稳定煤层，煤层内有12层煤泥岩或泥岩夹石，容重1.49t/m3。顶板粉砂岩，伪顶为0.10m泥岩，底板为0.70m泥岩夹煤。48#层：煤层0.81.45m，平均0.81m。发育在1722勘探线深部较好，为不稳定可采煤层，全层结构复杂，一般夹两层煤泥岩或泥岩含煤，容重1.43t/m3。煤层顶板细砂岩，南部有0.20.5m泥岩伪顶，底板为煤泥岩或泥岩夹煤。52#层：煤层0.630.83m，平均0.72m。发育在1827勘探线，走向线以北的范围内。煤层夹0.09m煤泥岩或泥岩夹石一层，是次要稳定可采煤层，容重1.37t/m3。顶板黑色泥岩，底板细砂岩，一般有0.100.20m煤泥岩或泥岩含煤伪底。2.1.2 矿井瓦斯状况根据杏花矿2007至2009年瓦斯鉴定情况，杏花矿鉴定等级为高瓦斯矿井。各煤层瓦斯的涌出量随着开采深度的不断延深，瓦斯涌出量呈逐渐增大的趋势。表2-1 杏花矿井历年瓦斯涌出量鉴定等级汇总表年度矿 井一水平二水平涌 出 量等级涌 出 量等级涌 出 量等级相对m3/t绝对m3/min相对m3/t绝对m3/min相对m3/t绝对m3/min200713.0457.25高13.0457.25200823.492.26高23.492.26200922.987.47高22.987.47201025.37101.15高201122.52108.81高2.1.3 课题研究中涉及的相关综采工作面概况1. 30#煤层综采工作面概况杏花矿30#煤厚0.622.22m，平均1.51m，全区发育，在1723线中深部发育最好，共可采面积有28km2。煤层结构极其复杂，在可采纯煤部分一般有3层煤泥岩夹石，灰分高35左右，总厚度3.5m，可采纯煤集中在上部及薄层凝灰砂岩以上，其下大都为煤泥岩夹煤或泥岩含煤。由西至东，由南至北煤厚逐渐变薄，底板为煤泥岩或泥岩夹煤。其底为细砂岩；顶板为中细砂岩，并有0.20m泥岩伪顶。30#煤层其顶底板岩石渗透性差，阻碍了煤层中甲烷的逸散，瓦斯保存良好；与其上、下煤层层间距较大，工作面瓦斯受邻近层影响较小。因此，在矿井生产中回采放顶后，瓦斯无明显增大现象。通过收集、整理大量的瓦斯通风数据，我们汇总了30#煤层采煤工作面和各掘进工作面的有代表性的一些数据，见表2-2。从各测点瓦斯涌出量数据和回采作面部分年份的瓦斯鉴定资料可以看出，杏花矿西二采区瓦斯涌出量较大、东采和东三采区较小。表2-2 杏花矿回采工作面瓦斯涌出量统计表位置日期年/月/旬ch4浓度 %风量 m3/min抽采量 m3/min绝对瓦斯涌出量 m3/min相对瓦斯涌出量 m3/t东采30#右一回采工作面2009.07 下0.39496.69.814.12009.07 中0.310296.79.82009.07 上0.310296.79.82009.06 下0.310293.76.86.752009.06 中0.310291.04.12009.06 上0.310291.04.12009.05 下0.310291.04.14.22009.05 中0.38102.552009.05 上0.37802.552009.04 下0.37802.552.22009.04 中0.27803.659.22009.04 上0.27034.662009.03 下0.37741.343.72009.03 中0.37583.76.12009.03 上0.37504.26.52009.02 下0.48042.86.14.72009.02 中0.48356.7102009.02 上0.38123.05.4东三30#2009.03.中0.27252.94.4条带1回采工作面2009.03上0.27252.94.42009.02.下0.27252.94.42.92009.02.中0.28802.54.32009.02.上0.28802.54.32009.01.下0.210402.954.82009.01.中0.210402.952009.01.上0.210402.952008.12.下0.210402.954.42008.12.中0.212002.95.32008.12.上0.2990352008.11.下0.2990354.22008.11.中0.2989352008.11.上0.29892.74.72008.10.下0.213262.75.352.72008.10.中0.213402.72008.10.上0.214002.82008.9.下0.310803.25.8西二三区30#右0回采工作面2008.04.中0.251023.427.5930.21.23642008.04.上0.361023.227.570.92822008.03.下0.587429.2140.0035.31.54282008.03.中0.492439.1250.021.54802008.03.上0.594031.2854.971.65622008.02.下0.59465454.1835.61.55822008.02.中0.48585358.411.98372008.02.上0.48275249.70.98342008.01.下0.58465652.0326.51.26672008.01.下0.592539.8055.861.29532008.01.下0.5135118.5032.911.2638西二三区30#右一回采工作面2008.10.下0.7147043.46229.723702008.10.中0.7138443.26224462008.10.上0.7138045.16324422008.09.下0.7137043.36222.624502008.09.中0.6159642.85923122008.09.上0.6118241.65522892008.08.下0.6117041.454.215.522872008.08.中0.6124817.527.51.12282008.08.上0.6114517.628.71.33262008.07.下0.6114012.723.916.51.33382008.07.中0.4112413.121.313682008.07.上0.4114611.8421.71.63322008.06.下0.3113410.7816.914.00.83402008.06.中0.68662.310.8313342.2 影响工作面瓦斯涌出的煤层赋存条件瓦斯的形成和保存、运移与富集同煤层赋存的地质条件密切相关,并受到地质条件的制约。影响瓦斯赋存的地质条件主要有:含煤岩系的沉积环境；岩性组合特征；煤层顶、底板岩性及其透气、隔气性能；煤的变质程度；区域地质构造特征；水文地质条件；岩浆作用以及煤层埋藏深度等等。1)煤层及围岩特征煤层围岩主要指煤层直接顶、老顶和直接底板在内一定厚度范围的岩层。煤层围岩对瓦斯赋存的影响决定于它的隔气、透气性能。与瓦斯保存或逸散有关的围岩特征主要是渗透性；与瓦斯保存或逸散有关的煤层特征主要是孔隙性和渗透性(表2.3)。2)煤层瓦斯吸附特征煤与瓦斯有着极强烈地亲和作用,瓦斯在煤中的赋存状态通常认为有三种形式:游离态、吸附态和吸收态(溶解态)。其中保存在煤中的瓦斯有80-90%以上呈吸附态存在,因此对吸附瓦斯的研究非常重要。目前最常用的描述吸附态瓦斯的理论是单分子层理论,即ch4分子在煤体表面的吸附以单分子层排列, 并处于动态吸附平衡状态。表2-3 煤层及围岩特征与瓦斯赋存的关系介质类型特征描述参数与瓦斯赋存的关系围岩渗透性透气性系数大时有利于瓦斯逸散；小时有利与瓦斯保存。煤层孔隙性有效孔隙率（比表面积）有效孔隙率大,瓦斯吸附比表面积大,吸附瓦斯量多；有效孔隙率小,瓦斯吸附比表面积小,吸附瓦斯量少。渗透性透气性系数大时有利于瓦斯逸散；小时有利与瓦斯保存。3)煤层及其变质程度煤层瓦斯成因学说很多,但目前多数都认为,煤层中赋存的瓦斯主要是在煤化作用过程中形成的。在由泥炭、褐煤逐渐转化为烟煤、无烟煤的过程中,煤的挥发分减少,固定炭增加。其中,挥发分在变质过程中部分转变为甲烷,目前煤中所含瓦斯主要是在这一阶段形成的。当其它条件相同时,甲烷带内煤化程度不同的煤的瓦斯含量不仅不同,而且随着深度增加其瓦斯含量增加的幅度也不尽相同。即随着煤化程度的提高,在相同深度下,不仅瓦斯含量高而且瓦斯含量梯度也明显增大。4)煤层埋藏深度随着煤层埋深的增加,不仅因地应力增高而使煤层及围岩的透气性变差,而且瓦斯向地表运移的距离也不断增加,二者都有利于对瓦斯的封存。根据对甲烷带内瓦斯压力随深度成线性增高的统计规律和基于朗格缪尔方程的瓦斯含量计算式,当前大多数学者都认为:当埋深不太大时,煤层瓦斯含量随埋深呈线性增加；当深度增加到一定程度时,鉴于瓦斯吸附渐至饱和状态,瓦斯含量将趋于常量。5)煤层倾角在同一埋深条件下,煤层倾角越小,瓦斯不易沿纵向向地表运移而逸散掉；当煤层倾角较大时,则为瓦斯的运移和逸散提供了便利条件。所以,煤层倾角也是影响和制约瓦斯赋存的一个重要因素。6)地质构造不同形态类型的构造形迹,地质构造的不同部位,不同的力学性质和封闭情况,形成了有利于瓦斯赋存或排放的不同条件。封闭性地质构造有利于赋存瓦斯,开放性地质构造有利于排放瓦斯。 褶皱构造与瓦斯赋存的关系闭合而完整的背斜或弯隆构造并且覆盖不透气的地层是良好的储存瓦斯构造。在其轴部煤层内往往积存高压瓦斯,形成“气顶”(见图2.1a,h)。在倾伏背斜的轴部,通常比在倾伏背斜的轴部,通常比相同埋深的翼部瓦斯含量高,但是当背斜轴的顶部岩层为透气岩层或因张力形成连通地面的裂隙时，瓦斯会大量流失，轴部含量反而比翼部少。向斜构造一般轴部的瓦斯含量比两翼高,这是因为轴部岩层受到强力挤压,围岩的透气性会变得更低,因此有利于在向斜的轴部地区封存较多的瓦斯(图2.lf)。但在开采高透气性煤层时,在向斜轴部相对瓦斯涌出量反而比翼部低,这是因为开采越接近向斜轴部,瓦斯补给区域越来越窄小,补给瓦斯量越接近轴部越枯竭,以及向斜轴部裂隙较发育,煤岩透气性好,有利于轴部瓦斯的流失的缘故。受构造影响形成煤层局部变厚的大煤包(图2.1c,d,e)也会出现瓦斯含量增高的现象。这是因为煤包周围在构造挤压应力的作用下,煤层被压薄,形成对大煤包封闭的条件,有利于瓦斯的封存。同理,由两条封闭性断层与致密岩层封闭的地垒或地堑构造也能为瓦斯含量增高区(图2.1g,h),特别是地垒构造由于往往有深部供气来源,瓦斯含量会明显增大。断裂构造与瓦斯赋存分布的关系断层对瓦斯含量的影响比较复杂,一方面要看断层(带)的封闭性,另一方面还要看与煤层接触的对盘岩层的透气性。开放性断层(一般是张性、张扭性或导水断层)不论其与地表是否直接相通,都会引起断层附近的煤层瓦斯含量降低,当与煤层接触的对盘岩层透气性大时,瓦斯含量降低的幅度更大(如图2.2a,b)。封闭性断层(一般是压性、压扭性、不导水,现在仍受挤压处于封闭状态的断层)并且与煤层接触的对盘岩层透气性低时,可以阻止煤层瓦斯的排放,在这种条件下,煤层具有较高的瓦斯含盘。如果断层的规模很大,断距很长时,一般与煤层接触的对盘岩层属致密不透气的概率会减少,所以大断层往往会出现一定宽度的瓦斯排放带在这个带内瓦斯含量会降低(图2.2c,d)。由于断层集中应力带的影响,距断层一定距离的岩层与煤层的透气性因受挤压而降低,故出现瓦斯含量增高区。图2.2d表示煤层被两条封闭性逆断层分割成三个段块时瓦斯含量分部的情况,段块i煤层有露头直通地面,下方无深部瓦斯补给,煤层的瓦斯含量低；段块上下被封闭性断层圈闭,其上方流失瓦斯不多,下部无深部瓦斯补给, 所以煤层的瓦斯含量较高；段块上部被断层封闭,下部有深部瓦斯补给,和其它段块同一标高处的瓦斯含量相比最。7)其它影响瓦斯赋存的地质条件地质条件是影响瓦斯赋存的主要因素。除上述具有普遍性影响的因素之外,还有一些地质条件在井田局部的煤层内表现较为明显,它们对瓦斯赋存也有一定影响。地下水活动地下水与瓦斯共存于含煤岩系及围岩之中,由于它们均呈流体状态,因此,其运移和赋存都与煤(岩)层的孔隙!裂隙通道有关。由于地下水的运移,一方面驱动着孔隙和裂隙中的瓦斯运移,另一方面又带动了溶解于水中瓦斯的一起流动。因此,地下水的活动有利于瓦斯的逸散。同时,由于水吸附在裂隙和孔隙的表面,在一定程度还减弱了煤对瓦斯的吸附能力。地下水和瓦斯占有的空间是互补的,这种相逆的关系表现为水大瓦斯小、水小瓦斯大的规律。所以,水与瓦斯的运移特征也可以在探讨瓦斯赋存的瓦斯地质规律时来加以应用。 岩浆侵入煤层岩浆侵入含煤岩系和煤层后,使煤、岩层产生张裂及压缩；岩浆的烘烤能够造成煤的变质程度升高(瓦斯生成量增加)；另外,岩浆岩体有时又可使煤层局部被覆盖或封闭；但也可能在岩脉蚀变带使裂隙增加,造成风化作用加强,逐渐形成裂隙通道。所以说,岩浆侵入煤层对瓦斯赋存既有形成、保存瓦斯的作用,在某些条件下也有促进瓦斯逸散的可能。2.3 影响工作面瓦斯涌出的开采技术条件对于给定的工作面,在赋存条件确定的情况下,工作面开采技术条件的不同会影响工作面及其采空区的瓦斯涌出。2.3.1 配风量与瓦斯涌出量之间的关系随着综采面日产量的增大,绝对瓦斯涌出量也增大。为了使采面瓦斯不超限,我们通常加大配风量来稀释瓦斯,但在条件允许的条件下,是否配风量越大越好呢?我们对综采工作面进行了多次风量调整。通过实际考察,研究配风量与工作面瓦斯涌出量之间的关系。测定表明,随着风量的增加,采煤工作面总瓦斯涌出量增加,采空区瓦斯涌出量也增加,而采煤工作面切眼瓦斯涌出量相对稳定,说明配风量大造成采面瓦斯涌出量大的原因是采空区漏风量大。可见合理配风对控制采空区瓦斯涌出具有很重要的作用。风量过小,上隅角及回风流易超限,但配风量过大,造成采空区瓦斯涌出量大,同样易造成上隅角瓦斯超限。2.3.2工作面推进速度(产量)对瓦斯涌出最的影响在产量较低的机采或炮采工作面,绝对瓦斯涌出量随产量的增加而增加,并较好地符合近似直线关系。而对高产的综采工作面,当采面产量持续增加时,工作面绝对瓦斯涌出量增长速度减慢,即瓦斯涌出量与产量(推进速度)之间不再是直线关系,而呈一种比较复杂的曲线关系。图2.3为统计的杏花煤矿煤层综采工作面瓦斯涌出量与工作面推进速度的关系。观测结果表明,随着工作面推进速度的加快,采空区的绝对瓦斯涌出量增大,而采空区的相对瓦斯涌出量随着推进速度的增加减小。经分析认为,造成这种情况的原因,是工作面推进速度的快慢直接影响到围岩的移动和变形,推进速度慢时,变形和冒落充分,导致邻近层、围岩、下分层卸压充分,使采空区的相对瓦斯涌出量增加,反之,当推进速度快时,围岩变形相对减小,相应地减少了邻近层、围岩、下分层的相对瓦斯涌出量。2.3.3 工作面和采空区间压差对瓦斯涌出的的影响1. 采面进、回风两侧间的压差对瓦斯涌出的影响采空区漏风主要由于采面进、回两侧存在压差造成的,对于综采工作面也指机头与机尾间的压差,当采面有风流通过时,采面进、回风两端的通风压力造成的压差为:p=rq2式中: p-采面进、回风两侧的压力差；r-采面风阻；q-采面风量。自然风压为:pn=lsin-采面气体重率；l-采面长,m；-煤层倾角。当采取上行通风方式时,采面进、回风两侧的压力差为p+pn,当采取下行通风时,采面进、回风侧的压差为p -pn,由此可见,上行通风时采面进、回风两侧的压差比下行通风时大,即上行风时工作面向采空区的漏风量比下行风时大,采用下行通风可以在一定程度上减少采空区涌风,采用下行通风对治理上隅角瓦斯有一定效果。2. 采空区内部与采面间的压差对瓦斯涌出的影响气体总是由压力高处向压力低处流动,采空区深部瓦斯浓度较高,所以瓦斯由采空区深部不断向采面运移,从支架后涌入工作面,甚至造成采面或上隅角瓦斯超限。控制采空区内瓦斯或有毒气体涌出,一般采用均压法,即增加工作面的绝对压力,使工作面和采空区间的压力达到平衡,这样把将涌入到工作面的瓦斯或有害气体“顶”回去,均压在防灭火方面有较广泛的应用,但均压技术在控制采空区瓦斯涌出及均压抽放采空区瓦斯等方面也同样适用。2.4 本章小结本章先介绍了杏花煤矿的基本情况,然后从瓦斯地质和开采技术条件两个方面研究论述了影响瓦斯涌出及运移规律的主要因素。通过对影响瓦斯赋存的地质条件的分析,得出了对于不同区域、不同煤田或块段,影响瓦斯赋存的地质条件存在着差异,起主导作用的因素也有区别的结论。同时根据对影响瓦斯运移规律的开采技术进行研究,得到了如下重要结论:1)综采工作面合理配风对控制采空区瓦斯涌出具有很重要的作用。风量过小,上隅角及回风易超限,但配风量过大,造成采空区瓦斯涌出量大,同样易造成上隅角瓦斯超限。2)随着工作面推进速度的加快,采空区的绝对瓦斯涌出量增大,而采空区的相对瓦斯涌出量随着推进速度的增加减小。3)均压技术在控制采空区瓦斯涌出及均压抽放采空区瓦斯等方面是适用的。第3章 高瓦斯综采工作面瓦斯运移规律研究3.1 瓦斯运移的基本形式分析来自煤(岩)层、采空区或其他地点的瓦斯涌入井巷(工作面可视为一段井巷)后,与空气混合,在与空气混合和运动过程中不断扩散运移。瓦斯运移过程是指瓦斯在矿井风流中的运动过程。3.1.1 正常通风瓦斯在井巷空气中扩散运动的主要形式在正常通风条件下,瓦斯在井巷空气中扩散运动主要有以下几种形式:1)瓦斯分子扩散。来自煤(岩)层或其他地点的瓦斯涌入井巷后,无论在井巷空气处于静止或流动条件下,瓦斯分子均做无规则的热运动。只要在巷道风流中存在瓦斯浓度的分布不均匀状态,即存在瓦斯浓度梯度,瓦斯分子的不规则运动,宏观上表现为瓦斯微团从高浓度区向低浓度区扩散。因此,无论是在静止的矿井大气中,还是在运动的风流中,所存在的瓦斯分子的不规则热运动即为瓦斯的分子扩散,分子扩散服从fike扩散定律。2)瓦斯对流运移。当巷道中存在风流时,风流中的空气微团对分布在其中的瓦斯微团产生作用力,即瓦斯微团与空气微团间存在的摩擦力,在该力地作用下,瓦斯微团随风流一起运动,这就是瓦斯的对流运移。这种运移的主要特征是瓦斯运移的方向与空气的流动方向一致,而瓦斯与空气流动的速度相等。因此,瓦斯流动的方向与瓦斯的浓度变化无关,即瓦斯浓度的大小可能变化,但瓦斯流动的方向不变,如果风流的风速增大,对流的强度也随之增强。当风流处于紊流状态下,风流对瓦斯的对流运移过程以时均运动方式“带走”而实现。3)空气无规则紊流脉动引起瓦斯的紊流扩散。紊流流动状态是矿井内风流的一个十分普遍的流动状态。资料表明,一般紊流是一种随机地、非稳定地有旋运动,其流动结构由各种尺寸的涡组成。且一般紊流的无规则脉动为相对于时均值的随机运动,类似于分子运动那样,一般矿井巷道紊流空气涡团的随机脉动,将引起附加的瓦斯质量传递。无规则地紊流脉动扩散也如同分子扩散一样, 其扩散地方向为高瓦斯浓度区向低瓦斯浓度区；当浓度相同时,则停止扩散。当两点间的瓦斯浓度差较大时,其扩散速率也大。实际测定,一般无规则地紊流脉动扩散比分子扩散速率大100-1000倍。对于分子扩散,当各个方向的浓度差相等时,其各个方向的分子扩散速率就相等,但对一般矿井巷道紊流,在同一断面上即使在相同的瓦斯浓度差条件下,由于断面上各点的风流速度不相同,各点无规则紊流脉动扩散的速率也不相同。4)瓦斯弥散。在一维巷道中,瓦斯在巷道断面上,由于断面上的风流速度分布不均所引起的瓦斯扩散,即为瓦斯弥散。在矿井井巷中,中心段风速大,空气流动快,边界流速较慢,从而使t0时刻的空气段瓦斯微团到t1时刻就发生可由于速度梯度差所造成的扩散。这种扩散较分子扩散和无规则的紊流脉动扩散要大一些。5)瓦斯的驱替运移。当巷道某区域有瓦斯涌出时,瓦斯对充满该区域含瓦斯的矿井大气进行排挤,产生瓦斯的驱替运移。它由瓦斯微团本身具有速度而引起的。当瓦斯涌出量较大时,特别是当巷道壁有瓦斯集中涌出时,瓦斯驱替运移的影响不可忽略。因此,在描述瓦斯运移过程的边界条件时,应该考虑瓦斯的驱替作用。3.1.2 正常通风主风流瓦斯运移过程分析正常通风巷道主风流基本稳定,可以认为是粗糙壁面管内粘性不可压缩定常紊流。其风流结构分为4个区域,如图3.1所示。近壁底层区域1速度为零,空气不流动,瓦斯在该区域一般只以分子扩散方式运移。若巷道壁涌出瓦斯,则以瓦斯驱替运移为主；近壁层流区2速度极小,在该区域有分子扩散,也有对流扩散；过渡流动区3速度仍相对较小,在该区域主要是对流扩散和无规则地紊流脉动扩散；在主流区4,时均风速和无规则地脉动速度都有相对地较大值,该区域瓦斯对流运移和紊流脉动扩散运移占绝对优势,分子扩散可忽略,沿速度方向主要是对流作用,垂直速度方向主要是紊流脉动扩散作用。因此,从暴露的煤体或围岩中释放出来的瓦斯,首先是以分子扩散jm1,和驱替运移jp1在近壁底层扩散；然后,在近壁层流区以分子扩散jm2和对流扩散jp2的方式进行扩散；进入过渡流动区的瓦斯又以分子扩散jm3对流扩散jk3和紊流脉动扩散方式jp3运移扩散；最后进入主流区,在对流扩散jk4和紊流脉动扩散jp4的作用下运移。如果通风状态良好,每个瓦斯扩散运移环节不出现阻碍,瓦斯就能顺利地随风流排出。如果某地点某环节风流不畅,通风不良,瓦斯则在某地点某个瓦斯扩散运移环节受阻,将出现瓦斯积聚。一般情况下,分子扩散能力最弱,对流运移能力最强。因此,当巷道壁不断涌出瓦斯时,以分子扩散为主的近壁区域,由于瓦斯来不及与巷道主风流发生混合,瓦斯容易在该区域运移环节形成积聚,使得该区域瓦斯浓度较高,成为巷道壁或采空区涌出瓦斯在主风流中进行扩散运移各环节的“瓶颈”在正常通风条件下,增加风流速度只能使近壁底层区相对变薄,若近壁底层区厚度中够大,如巷道高冒处等,则极易形成瓦斯积聚。从理论上讲,解决这个问题的有效途径有两个:一是用充填物充填或隔积聚空间；二是提高近壁底层区的瓦斯扩散系数或强度。3.2 高瓦斯综采工作面瓦斯分布测定3.2.1 分段测定法测定工作面瓦斯涌出的原理沿综采工作面(指支架到煤壁之间的空间)倾斜方向将工作面划分为若干个区段,如图3.2中所示为其中一个区段,测定每个区段的瓦斯涌出量大小和进出断面瓦斯浓度,然后进行累加合成分析即可得出整个工作面的不同瓦斯涌出源的瓦斯涌出量大小和工作面的瓦斯浓度分布。这就是工作面分段测定瓦斯法。在每一区段内,从煤壁至采空区均匀布置若干个(根据实际情况而定)测点,如图3.3所示,测定每一个测点的瓦斯浓度c1, c2 ,c3, c4,同时测定该区段的进出风量qin和qout。根据每个区段所应遵循的瓦斯平衡方程、风量平衡方程:qinqgoaf-qout =0qgoaf=qgoafcgoafqface=qoutcout-qincin-qgoaf式中: qin-流入区段的风量,m3/min；qout-出区段的风量,m3/min； qgoaf-从采空区流入本区段的风流,m3/min；qgoaf-从采空区涌出本区段的瓦斯量,m3/min； qface-本区段内煤壁、顶底板及采落煤炭的瓦斯涌出量,m3/min；cgoaf-采空区漏风流中的瓦斯浓度,%；cin-流入本区段风流中的瓦斯浓度,%；cout-流出本区段风流中的瓦斯浓,%。由上式可计算出每个区段中的采空区的漏风量和采空区的瓦斯涌出量以及煤壁、顶底板和采落煤炭的瓦斯涌出量。3.2.2 分段测定法测定工作面瓦斯涌出的步骤根据分段测定法原理,在对工作面瓦斯分布情况进行测定时,可采取如下步骤:1)按照工作面的倾斜长度,将工作面沿倾斜方向划分为8-12个区段,使用目前煤矿上常用的安全仪器进行瓦斯浓度和风速的测定。2)测定出每个区段的进风量和出风量大小。3)测定每个区段进风断面和回风断面由煤壁至采空区各测点的瓦斯浓度。4)根据瓦斯平衡方程、风量平衡方程,计算每个区段的采空区漏风量、采空区瓦斯涌出量、煤壁及采落煤炭的瓦斯涌出量。3.3 高瓦斯综采工作面瓦斯分布规律分析3.3.1 测定点的布置为了掌握综采工作面瓦斯涌出及分布规律,使测定结果具有科学性和代表性,能真实反映工作面风流中瓦斯实际情况,我们在杏花煤矿30#煤层西二采区工作面进行了测定工作。测定时,沿工作面倾向每隔20米设一个区段,自工作面进风巷侧至工作面回风巷侧分别记作一、二、三八区段。每个区段从煤壁至采空区均匀布置5个测点,共布置了40个测点,在进、回风巷距采面15米左右各布置一个测点,各测点布置见图3.4。3.3.2 采煤工作面瓦斯浓度分布规律1. 数据测定情况测量各测点在不同条件下的瓦斯浓度和风量。然后根据实际所测数据,分析瓦斯涌出规律。测量采面瓦斯浓度分布时,测量时间分别选在采煤机下行刚割完一刀煤时(采煤机在进风口处)进行。此时,工作面不受割煤影响,相对稳定。经测定3个原班后,对分段测定法实测的数据进行处理,得出工作面各测点的瓦斯浓度情况如表3.1所示。根据分段测定法测定综采工作面瓦斯浓度分布的实测数据,可得出综采工作面瓦斯浓度的分布规律。2. 垂直煤壁方向瓦斯浓度分布规律将分