天池煤矿首采面瓦斯涌出规律与综合治理研究.doc

山西和顺天池能源有限责任公司首采工作面瓦斯涌出规律与综合治理研究完成单位： 天 池 公 司 协作单位：中国科学技术大学 安徽建筑工业学院日 期： 2007 年 7 月目 录第1章 矿井概况11.1矿井概况11.2可采煤层21.3井田开拓31.3.1开拓方式31.3.2开拓水平31.3.3采区划分31.4矿井通风31.5 101首采工作面概况4第2章 101首采面煤层瓦斯赋存参数测定52.1地质瓦斯资料52.2煤层瓦斯压力测定62.2.1瓦斯压力测定方法62.2.2 本次煤层瓦斯压力测定方法92.3煤层透气性系数测定112.3.1方法介绍122.3.2 测定结果142.4煤层瓦斯含量测定152.4.1煤的工业性分析152.4.2煤样吸附常数a、b值的测定152.4.3、瓦斯含量的测算结果17第3章 101综放面瓦斯涌出量预测193.1矿山统计法193.2瓦斯含量法203.3 预测结果223.4 结论22第4章 101首采面瓦斯综合治理技术234.1 强化矿井通风，加大风排瓦斯量234.2 顶板高位抽放卸压瓦斯244.2.1高瓦斯综放工作面瓦斯治理技术研究现状244.2.2顶板覆岩卸压瓦斯抽放244.3 试验偏Y型通风方式，降低采空区瓦斯涌出量28第5章 101首采面回采期瓦斯涌出规律与治理效果305.1 101面综放开采期间瓦斯涌出情况305.2初次来压和周期来压综放面瓦斯异常涌出分析325.3高抽巷抽放瓦斯效果与合理抽放区域分析335.4尾巷排放瓦斯效果与合理布置分析345.5 101首采面瓦斯综合治理效果36第6章 主要结论与建议386.1初步结论386.2建议39101首采面瓦斯涌出规律与综合治理研究第1章 矿井概况1.1矿井概况天池公司位于和顺县城南17km的喂马乡古窑村（矿区的南部），南距左权县城28km，东距邢台市150km。(具体参见图1-1-1)。交通便利，207国道由南向北通过矿区，北与石太高速公路相接，天池煤矿东距207国道3km；榆邢二级公路由东向西穿过县城，往东约129km通至邢台市，往西北约136km可达晋中市。县级公路范圪线（范庄-昔阳圪塔店）和松白线（松烟-邢台白岸）属于出省公路，县乡公路、矿区公路四通八达。矿区通往河北省的出省公路一主两辅有三条：榆邢线、范圪线、松白线，年运输能力为400500万t。阳涉铁路由南向北穿过矿区，2002年10月已全线贯通，具有1700万t/a的运输能力，往北约80km在阳泉与石太线接轨，往南约110km在涉县与邯长铁路相接。可以通过石太线、邯济线、兖新线向东部以及京广线、京九线、京沪线向南北方向运输，煤炭可以销售到山东、河北、河南、江苏、湖北及湖南等省市。天池煤矿东北距阳涉铁路会里站16km，南距左权县寒王发煤站5km。图1-1-1 天池煤矿交通位置图天池煤矿改扩建设计生产能力确定为1.20Mt/a，矿井服务年限49.7年，根据本矿主采煤层情况，适合综采、综放开采，实现一矿一面，集中生产，改扩建后1.20Mt/a的生产能力能够充分发挥综采、综放装备和现有生产系统的能力，有利于实现矿井规模化生产，提高矿井的生产效率和经济效益。由于存在瓦斯、陷落柱构造等不利因素制约了生产能力，特别是瓦斯涌出量大，对生产能力影响较大。在矿井生产建设中应加强矿井瓦斯防治技术研究和安全管理工作，不断探索适合本矿的瓦斯综合防治技术。1.2可采煤层矿井可采和局部可采煤层共两层，即3号煤层和15号煤层。3号煤位于山西组中部，为本组唯一可采煤层，厚度0.292.39m，平均1.03m，该煤层在矿区内层位沉积稳定，大部可采，在东北角发育一层夹矸，并使煤层明显增厚，314号孔最厚2.39m。该煤层厚度变化规律明显，由东北向西南逐渐变薄，至408、409、410号孔连线以南变为不可采煤层。矿区东南角403、402、412、401号孔该煤层被剥蚀掉。变异系数为54%，可采性指数0.52。顶板岩性为砂质泥岩、泥岩、节理、裂隙发育，据调查在开采过程中有时发生冒顶现象，底板多中细粒砂岩。该煤层为大部可采的较稳定煤层。15号煤层位于太原组的底部，为本组的主要可采煤层，也是该矿区的主要可采煤层，厚度0.457.60m，平均4.56m，该煤层在矿区内沉积稳定，基本全井田可采，仅中南部的409号孔不可采，厚度0.45m。该煤层含夹矸04层，厚度变化规律性较明显，最厚点为东北部的303号孔7.60m，最薄点为中南部的409号孔0.45m，由东北向西南逐渐变薄，变异系数36%，可采性指数0.96。顶板岩性多为泥岩，节理、裂隙发育，局部为炭质泥岩、中粒砂岩。底板岩性多为灰色铝质泥岩，质软、节理较发育。该煤层为基本全区可采的稳定煤层。煤层厚度、结构、变异系数，可采指数及稳定性情况见表1-2-1。 表1-2-1 煤层厚度、结构、变异系数，可采指数及稳定性表地层煤层厚 度夹 石层 数变 异系 数可 采指 数稳定性最小最大平均山西组P1s30.29-2.391.030154%0.52较稳定煤层太原组C3t140.32-2.200.750151%0.46较稳定煤层151.58-7.604.560436%0.96稳定煤层15号煤层顶板多为泥岩，有时为砂岩或砂质泥岩，节理、裂隙发育。底板多为铝质泥岩、泥岩，质软、节理发育。力学性质测试结果为：顶板：单向抗压强度15.6MPa，单向抗拉强度为0.78MPa，抗剪强度为2.71MPa。底板：单向抗压强度34.2MPa，单向抗拉强度1.31MPa，抗剪强度2.71MPa。1.3井田开拓1.3.1开拓方式矿井布置四个井筒，副斜井利用原大粮沟提升斜井，担负3号煤层+1240m水平和15号煤层+1150m水平的矸石、设备、材料及人员的升降任务。主斜井利用原3号主斜井，担负两个水平的煤炭的提升。原3号回风斜井该改为15号煤层+1150m水平专用进风井（3号煤层开采由于风量较小，不利用该井筒），新建回风立井，担负全矿两水平回风，布置在101号钻孔南103m。矿井通风为“三进一回”，即专用进风、副斜井和主斜井进风，回风井担负全矿井回风。1.3.2开拓水平矿井布置两个开拓水平。第一水平为+1240m水平，沿3号煤层布置水平大巷，开采3号煤层。第二水平为+1150m水平，沿15号煤层布置水平大巷，开采15号煤层。1.3.3采区划分天池煤矿采区划分如下：+1150m水平（15号煤）采区划分：15号煤划分为一、二、三、四共四个采区。+1150m 水平以上为一、三两个采区，+1150m 水平以下为二、四两个采区，其中一、三、四采区为单翼采区，二采区为双翼采区。1.4矿井通风矿井的通风方式采用“三进一回”的独立进回风系统，抽出式通风。主要通风机的型号为BDK54-8-.26型轴流式通风机。矿井为高瓦斯矿井，天池煤矿为高瓦斯矿井，煤尘有爆炸危险性，15号煤层属不易自燃到易自燃煤层。原天池公司三号井曾经于1996年5月2日发生一起瓦斯爆炸事故，一号井于1996年底发生一次煤炭自然发火事故。瓦斯为矿井的主要灾害。综采放顶煤开采，矿井需风量大且相对集中，井下通风系统多为双进双回。在水平上，轨道大巷作为主进风，皮带大巷作为辅助进风；采区为轨道上（下）山和皮带上(下)山进风，回风上(下)山回风；采煤工作面为皮带顺槽进风，轨道顺槽和瓦斯尾巷回风。一采区的通风路线为副斜井、进风井、经1150轨道运输大巷、一采轨道上山和一采皮带上山、皮带顺槽至工作面，回风经轨道顺槽、一采回风上山、1150回风大巷至回风井排除地面。1.5 101首采工作面概况101工作面是一采区首采工作面，也是矿井改扩建后的首采工作面。北东为切眼，与尚未准备的301工作面为邻；南西为设计停采线，距一采区轨道上山约90米；北西侧为尚未准备的102工作面；南东为尚未准备的302工作面。工作面走向长920m，倾向长160m，工作面面积147605.7m2。回采煤层为太原组15号煤层，煤厚4.35-5.24m ，平均厚度4.74 m。工作面总体呈一向斜构造，轴向N60W，向西倾伏，向斜轴部即为工作面内的最低点。图1-5-1是101工作面煤层综合柱状图。老顶岩性为石灰岩，有时发育泥岩伪顶，坚硬性脆，致密均一，裂隙较为发育，具方解石脉充填，平均厚度7.31 m；直接顶岩性为泥岩，灰黑色，致密坚硬，局部含有砂质，节理裂隙较为发育，比较破碎，平均厚度9.37 m；伪顶为炭质泥岩，质软易碎，硬度小，平均厚度0.91 m。本煤层为不易自燃到自燃煤层，爆炸指数14% 。图 1-5-1 101工作面综合柱状图第2章 101首采面煤层瓦斯赋存参数测定煤层瓦斯是古生代植物遗体变质成煤过程中的伴生气体。成煤过程中产生的瓦斯是大量的，根据俄罗斯学者光茨洛夫的研究成果：古代植物每变质生产一吨褐煤可产生68m3瓦斯，长烟煤168 m3瓦斯，气煤212 m3瓦斯，肥煤229 m3瓦斯，焦煤270 m3瓦斯，直到无烟煤产生419 m3瓦斯。由于漫长的地质变中地层抬升与风化剥蚀，成煤产生的瓦斯大部分已通过渗透、扩散与溶解而逸散到围岩或大气中，现今仍留在煤层中的所有瓦斯仅为原始生成量的很小一部分。存留在煤层中的瓦斯含量大小，取决于煤层瓦斯的“生”、“储”、“盖”条件。“生”指的是煤层变质过程中的瓦斯生成能力。煤层作为瓦斯的生气源岩，其瓦斯生成量与煤的变质程度密切相关；变质程度越高，产生的瓦斯量越大。就天池煤矿井田而言，煤系地层中等变质属瘦煤贫煤，变质阶段。说明井田内煤层具有良好的瓦斯生成能力。“储”指的是煤层储存能力。煤层不但是瓦斯生成气，而且又是瓦斯的储集层。煤层作为一种复杂的多孔介质，拥有发达的孔隙体系和巨大的孔隙比表面积，是储集瓦斯的理想场所。煤层瓦斯90%以上是以吸附状态存储在煤的孔隙表面上；煤存储瓦斯能力用煤对瓦斯吸附常数表示，它取决于煤中孔隙比表面积、孔隙率及孔径分布。“盖”指的是煤系地层及上覆古地层圈闭与阻止瓦斯逸散的盖层条件。它与地层的厚度、岩性及地质构造发育程度有关。从天池煤矿井田煤层赋存条件来看，煤层的埋藏深度为1000m左右，上覆古地层厚度在600米左右。围岩组合类型为细砂岩-砂质泥岩型，而且断层、地质构造较少，具有较为理想的圈闭与阻止瓦斯逸散的围岩类型与盖层条件。综上所述，天池煤矿井田煤层瓦斯具有良好的“生”、“储”、“盖”条件，这既是今后开发利用煤层瓦斯资源的有利条件，也是矿井生产期间安全管理上的不利因素。2.1地质瓦斯资料勘探施工过程中，在303、305、308、314、404号孔中采取了15号煤层瓦斯样，现场解吸后送交山西省煤田地质研究所做了煤层瓦斯含量及成分鉴定，鉴定结果见表2-2-1。表2-2-1 煤层瓦斯含量及成份鉴定结果表测试项目煤层号CH4CO2C2 C3N2瓦斯含量（ml/g）153.326.520.160.2600.0771.813.585.260.210.0262.70瓦斯成分（%）粉前1550.3993.222.204.8000.663.2235.8181.123.520.2215.14粉后1536.0657.450.882.2501.2830.3261.6944.821.700.4353.062.2煤层瓦斯压力测定煤层瓦斯压力是煤层瓦斯流动和涌出的最基本的参数；因此，准确测定煤层瓦斯压力不仅对煤层瓦斯抽放具有重要意义；而且对于开采煤层瓦斯涌出量预测，合理制订高瓦斯采煤工作面瓦斯综合治理技术的制定等均具有十分重要的作用。2.2.1瓦斯压力测定方法目前，煤层瓦斯压力测定方法可分为两种，即：间接测定方法和直接测定方法。1) 间接测定法间接测定煤层瓦斯压力的方法(以下简称间接测压法)是根据煤层瓦斯流动的规律、煤层的渗透系数、瓦斯解吸规律、煤层瓦斯含量系数或瓦斯容量曲线，在测压地点附近测定煤层瓦斯涌出量或统计采掘中的涌出量等参数，根据所测的这些数据，进行计算推测出需要测定地点的瓦斯压力。因此，间接测压法一般用于难于使用直接测压的条件下，其具体的方法如下：(1) 根据煤层瓦斯涌出量间接推测瓦斯压力某一采区瓦斯来源系来自开采煤层本身，因此如能统计出从采区的掘进到回采结束的时间内涌出的总瓦斯量，和采区的煤炭储量以及煤的瓦斯含量系数或瓦斯容量曲线，则可求得该采区中煤层的平均瓦斯压力。(2) 根据煤层原始瓦斯含量测定瓦斯压力这一方法是利用特制的密闭钻头从煤体内部预定测量瓦斯压力的地点，采取煤样。然后将煤样中的瓦斯全部抽出，则可根据煤样的重量或体积和总的抽出瓦斯量求出单位重量或体积的瓦斯量，再按瓦斯容量曲线或瓦斯含量计算公式求出其瓦斯压力。(3) 按照测压地点的深度估计瓦斯压力根据已开采深度范围内瓦斯压力与开采深度之间的关系式，估计未知开采深度的瓦斯压力值，其关系式为 p=kH (2-2-1)式中：p 距地表H深度处的瓦斯压力，MPa； H 距地表垂深，m； K 参数，由统计分析或经验得出，应由具体矿井确定。这一估计方法和我国某些瓦斯矿井情况相符；但是，由于瓦斯压力和地质条件密切相关，因此也仅可作为参考。2) 直接测定煤层瓦斯压力的方法直接测定煤层瓦斯压力的方法(以下简称直接测压法)即是由岩层巷道或煤层巷道中向预定测量瓦斯压力的地点，用钻机打一钻孔，然后从钻孔中引出一个管子及测压装置，再将钻孔严密封闭堵塞，用压力表和引出的管子或测压装置相连，从而测出煤层中的瓦斯压力。如果在测定中能保证钻孔封闭得严密不漏气，则压力表显示的数值即为测点及其附近的实际瓦斯压力。因此直接测压法中关键在于封闭钻孔的质量。在直接测压法中，其测压的步骤分别按顺序叙述如下：(1) 钻孔利用钻机，在选定的测压地点进行打钻。在测压工作中为了便于堵塞钻孔，使其严密不漏气，因此要求钻孔的直径一般小一些较好，故一般钻孔直径在4560 mm之间，不大于75 mm为好。打眼的工具要求轻便、稳定、震动小，避免在打钻过程中破坏孔壁结构，而造成将来封孔时的漏气，在煤层中打钻应严格不允许使用压力水冲洗钻孔，否则必然使钻孔壁受到破坏，堵塞困难，造成漏气。所以在煤层中打眼不论使用任何型式的钻机都必须使用干式钻孔。在煤层中哪一点进行测压，这决定于测压的要求。然而，在巷道工作面上哪一点开钻，除了选择岩层稳定，尽量选择不受地质构造破坏地段外，其钻孔的布置还决定于巷道的几何形状和钻眼工具、钻机的位置。一般采用垂直投影作图和水平投影作图来确定，在巷道中依照巷道的中心线和以底板为基准面，在巷道工作面上确定钻孔开口的位置。钻机位置的选择除了考虑钻机本身的操作要求外，另外还要考虑钻杆是否能一次从钻孔中抽出，以便于处理钻孔的故障和将来的堵孔工作的顺利进行。在确定钻孔开口位置后即可进行打眼，由于操作的原因和钻机位置在安装中不一定能符合设计要求；在钻孔完毕后仍需要测定钻机中心和开口位置的关系，以求得真正实际的测压地点。在打钻中如发现钻进速度不快，而排粉又困难的现象时，往往是由于煤体中含有水分所致，使煤粉湿润成团难于排出。在这种情况下应停止钻进，更换钻孔，否则如继续钻进，则极易引起卡钻事故。(2) 钻孔的封闭堵塞钻孔完毕后，需要进行封闭堵塞钻孔，其步骤如下： 清理钻孔：在某一钻孔打眼完毕后，为了节约时间可连续打第二个钻孔，也可即刻堵孔。在煤层中由于钻孔容易坍塌和变形，最好立即堵孔(也为了减少煤层内部瓦斯的排放量)，堵孔的步骤为：第一步应清除钻孔中残存的岩粉或煤粉，这是非常重要的。因为如不清理则在钻孔底部会造成一层粉末，容易引起漏气使测压失败。清孔的工具可用压缩空气吹出或用清孔小铲清除，小铲末端和堵孔用的堵棒相联并送入钻孔铲出煤粉，操作中要稳当，避免小铲破坏钻孔的完整性。 送入测压管或测压装置：在清孔后即可向钻孔中送入测压管或测压装置；测压管一端和压力表接头相连，另一端是开口的，开口处附近用锉锉出几个裂口，以便于透气，接受钻孔中瓦斯的压力。 钻孔的封闭：堵塞钻孔在放入测压管后开始，封孔的材料种类较多，一般可采用水泥砂浆、黄泥、石膏等。为了防止水泥凝结慢而收缩，在实际应用中，可添加少量水泥添加剂(如膨胀剂、速凝剂等)，以改善封孔材料本身的致密性，提高密封效果。黄泥材料一般质地致密，且具有较大的粘性，因而是一种较为理想的封孔材料，我国许多矿井都采用优质黄泥封孔，在封孔前需预先将黄泥或其他填料准备好，并准备一部分木楔。封孔材料采用黄泥时，黄泥内不应含有砂砾，黄泥质地应均匀；在堵孔前制成圆棒状，硬度略大一些，仅能用手捏动变形即可。倘若黄泥太软，则在封闭钻孔时往往容易和孔壁粘附，从而严重影响封孔工作的正常进行和封孔的质量，所以无论在石门透煤时或煤层测压时均需要硬度大一些，不能松软。由于煤层瓦斯是粘性很小的气体，其粘度系数=1.0810-6Pas，在高压作用下，可以说是无孔不入。钻孔孔壁内存在细微孔道，在高压瓦斯的作用下很可能连通起来，形成瓦斯泄漏的立体交叉通道。在具有煤与瓦斯突出危险的煤层中，一般地应力高，煤层透气系数小；因此测压时微量的漏气，就能导致所测压力值的很大降低。在松软的煤层中测压时，钻孔周围往往具有卸压圈和裂隙网，发生漏气是显而易见的。页岩、砂质页岩中也往往裂隙发育，所以在页岩、砂质页岩和煤层中测定瓦斯压力要取得可靠的结果较为困难。而煤系地层大多为页岩和砂质页岩，这就是测压结果误差较大的主要原因。实践表明，封堵孔壁裂隙用固体物显然是不行的，只能用粘性液体(或流体)，为了抵抗高压瓦斯的排斥，粘性液体压力应始终高于瓦斯压力，这是准确测压的关键，也是主动式封孔设计的基础。目前，主动式封孔测压法主要有：胶圈压力粘液封孔测定法、胶囊密封液封孔测定法和三相泡沫流体封孔测定法，其基本原理是采用液体为封孔物质，以解决固体物不能严密封闭孔周边裂隙孔道的困难，并且根据流体渗漏决定于压差的原理，使封孔液的压力在测定过程中始终略高于瓦斯压力，以堵绝瓦斯的泄漏。同时为了维持封孔液体的压力和防止液体向钻孔内的渗透，在封孔液体段的两端用胶圈或胶囊封闭钻孔，造成了用固体封液体，用液体封气体的封孔系统。该系统由于在封孔过程中保证了瓦斯不产生泄漏，从而使测出的瓦斯压力值等于煤层真实的瓦斯压力。根据上述主动式封孔方法的设计思想，在高压液体封孔段的两端，要求采用固体物作为液体的“闸门”。为了使整个封孔器能反复多次使用，决定采用胶圈作为封闭高压液体的密封端；高压液体在胶圈的密封段产生泄漏时，既有可能从外端的密封段向外泄漏，也有可能从内端的密封段向钻孔内部泄漏。一般情况下，液体在多孔介质中渗滤时，其流量与压差成正比，与液体的粘度成反比。显然液体经外密封段泄漏的可能性和数量要大于内密封段；为了减少封孔液体的泄漏量，以及被岩层或煤层大量吸收，在胶圈压力粘液封孔测压方法中决定采用高粘度的液体作为封孔液。经过实验证实，采用高压粘液封闭钻孔不仅可以充满测压管与钻孔壁的空间，而且可以渗入钻孔周围的天然裂隙和卸压圈的裂缝，可起到严密地封闭测压钻孔的作用，这样就形成了胶圈封粘液、粘液封瓦斯的主动式封孔方法。 这种封孔测压方法的一个基本要点，就是在整个测压过程中要保持密封液的压力始终大于钻孔的瓦斯压力。据不完全统计表明，目前我国煤矿的煤层瓦斯压力一般在4.05.0MPa以下。为了简化液体的加压设备，可采用液体CO2或N2瓶作为压力源(压力在8.0MPa左右)；粘液可用淀粉或化学浆糊调制，调制后加入少量的防腐剂即可应用，粘液的粘度可按需要调制。由于封孔器的内外管是分段联接的，因而封孔的深度和封孔段的长度均可按测压地点的地质条件来确定，以保证测压的可靠性。此外，如在钻孔打完后，立即封孔并向钻孔内注入压缩空气或高压氮气，用以补偿打钻和封孔前损失的瓦斯量，则一般在3天左右即可准确测定瓦斯压力值。2.2.2 本次煤层瓦斯压力测定方法为了解决封孔技术难题, 本次压力测定应用速凝发泡水泥封孔测定煤层瓦斯压力新技术。它的基本原理是：水泥浆直接封孔，通过水泥的膨胀渗入钻孔周边裂隙,杜绝了瓦斯的泄漏,从而使测出的瓦斯压力值等于真实的煤层瓦斯压力。这一方法，克服了传统的水泥砂浆封孔时，水泥凝固时收缩导致封孔水泥产生裂缝引起瓦斯气体泄漏这一不足,与目前其他封孔测定煤层瓦斯压力技术相比,具有可靠性高、操作简单且成本低廉等特点。1)膨胀水泥的作用机理及特性普通水泥砂浆封孔测压在凝固时存在收缩裂缝这一致命缺陷。通过在普通水泥中加入水泥膨胀药剂，不仅使注入测压孔中的水泥浆不收缩，而且能使其在一定程度上膨胀。正是通过这一特点使水泥渗入钻孔周围的裂隙中，将瓦斯压力测定孔严实密封。通过从瓦斯测压室内引出的瓦斯压力测定管，接压力表读取瓦斯压力参数（如图2-2-1所示）。图2-2-1 膨胀水泥瓦斯压力测定仪示意图2)封孔材料及工具 封孔管为直径1/4英寸铁管，为便于安装,取每根铁管长2米，根据现场实际情况用接箍联接成需要的长度,在封孔管适当位置固定1个挡盘；测压管根据需要一端位于测压室内,其露出钻孔一端接压力表；水泥200公斤、水200kg、水泥速凝剂10kg、水泥发泡剂3kg；注浆用快速接头一个；注浆泵一台；压力表1块；棉纱、铁丝若干。3)封孔测压工艺在不受断层影响和裂隙小的地区选择测压地点；选择合适的测压地点后,应尽量以不小于10度的倾角从岩层向煤层打钻,钻孔直径70-80毫米；同时由测压人员携带封孔材料及工具到井下准备封孔；钻孔打好以后，将铁管连接好与瓦斯测压管一起送入测压钻孔内；取两袋水泥倒于和浆桶内，搅拌均匀后加入水泥膨胀药剂；待水泥浆和好以后，用注浆泵迅速将泥浆注入测压孔内；注浆完毕，将引出孔外的测压管接上瓦斯压力表；封孔后,要定时观察和记录瓦斯压力即可。如瓦斯压力连续3d无变化,则可认为这个稳定的压力就是煤层原始瓦斯压力；测压结束后,可以回收压力表。为准确测定煤层瓦斯压力，使测出的瓦斯压力值能够代表煤层的原始瓦斯压力，要求测压地点应选在不受断层影响和裂隙小的地区。据此，结合天池煤矿的现场实际条件和巷道布置情况，在103进风顺槽沿煤层打钻孔封孔测压，钻孔参数见表，封孔深度30m。实测的煤层瓦斯压力上升曲线见图2-，实测的煤层瓦斯压力0.38Mpa。4）瓦斯测压钻孔参数瓦斯测验钻孔参数见表2-2-1表2-2-1 瓦斯测压钻孔参数汇总表测孔编号测定地点所测煤层钻孔方位（0）钻孔直径（mm）钻孔倾角（0）钻孔深度（m）封孔深度（m）开孔点标高（m）1#103进风顺槽1507554030+11705）钻孔瓦斯压力上升曲线钻孔瓦斯压力上升曲线见图2-2-3 图2-2-3 103进风顺槽测压孔15煤层瓦斯压力测定曲线2.3煤层透气性系数测定要准确地测定煤层的透气性必须要有两个条件：其一是测定方法的原理必须是正确的，其二是那些直接可测量的参数的测定是准确的。只有满足上述两个条件，才能准确测定煤层透气性。实际上，由于煤层透气性是一种间接可测定量，即通过某些可测定量的转换而得到；因此，对测定量的准确与否需要有一定的评价标准。在上述两个基本条件相同的基础上，一般来说，评价煤层透气性测定方法的正确与否有三个标准：(1) 在理论上的合理性，即看其理论推导是否合理，在理论推导过程中所做的假设是否符合客观实际。而理论上不合理的测定方法所测的东西当然就不能够反映客观真实情况。(2) 现场的实用性，即所需直接测定的参数在测定过程中不需要很高的要求，不用复杂的操作，方便易行。众所周知，在煤矿井下条件十分复杂，应尽量采用简单易行的方法，这不仅受现场工作者的欢迎，而且很有必要。否则，如果某一方法在理论上合理，但现场测量要求相当复杂，很难满足测定方法所需的条件，则该方法就很难加以推广应用，并且所测数据由于未能满足所要求的条件，也可能导致误差增大。(3) 测试结果的稳定性。一般认为，测试结果是否稳定也反映了该方法在理论上是否合理，在测定时是否准确。煤层透气性大小是煤层瓦斯流动难易程度的标志，在矿井煤层中的某一具体地点，当外部条件确定之后煤层的透气性值应当具有代表性。因此，同一测定方法在不同时间内测定的煤层透气性系数值应当是稳定的，且相差不大；否则，测定方法就可能有问题，即正确的测定方法，在外部煤层条件稳定后，所测定的结果应趋于稳定。2.3.1方法介绍煤层透气性系数是反映煤层瓦斯流动难易程度的标志，且煤层本身又是非均质各向异性介质；因此，煤层的透气性系数必须通过实际测定才能确定。几十年来，国内外有关学者对此也进行了许多研究，提出了各种各样的煤层透气性系数测定及计算方法，这些测定及计算方法归纳起来可分为两类，即实验室测定方法和现场实际测定方法。根据我们的研究认为，由于煤层是非均质且各向异性介质，在目前的实验室条件下很难模拟井下的实际情况，故而实验室只能进行定性的、规律性的研究；要准确得知煤矿井下煤层的透气性系数，需进行现场实际测定。在现场实际测定过程中可采用的方法有：单向流量法、径向流量法和球向流量法。a）单向流量法单向流量法测定煤层透气性系数是以瓦斯在煤层中的单向流动理论为基础而得出煤层透气性系数测定方法，其基本假设为： 煤层均质，且各向同性。 瓦斯在煤层中的流动服从达西定律。 煤层顶底板不含瓦斯也不渗透瓦斯。 瓦斯在煤层中的流动为等温过程。（2-3-1）在上述假设的基础上，可得煤层巷道单向流动时的微分方程为： 式中 P=p2为煤层中任一点的瓦斯压力的平方值，MPa2；t时间变量， d；X煤层中距暴露面的距离，m；1=4P1.5/煤层透气性系数，m2/(MPa2d)；煤层瓦斯含量系数，m3/(m3MPa0.5)。通过拉普拉斯变换，可得煤层透气性系数的计算公式为：=（4p01.5q2t）/(p02-pat2) （2-3-2）式中q 单位面积煤面上的瓦斯涌出量，m3/(m2d)；p0煤层原始瓦斯压力，MPa；pat巷道中的大气压力，MPa。通过测定式(2-3-2)中的参数，则可计算出煤层透气性系数值。该测定方法一般是在巷道中进行，且是在紧接巷道掘进后进行。在煤层掘进时，记下图上几个点的放炮时间，作为煤面的暴露时间。其次，用封孔测压仪在煤巷中顺煤层打钻测出煤层原始瓦斯压力值。第三，当掘进头距这几个测点有一定距离时，在这几个测点的巷道断面上测出风流流量和瓦斯含量，求出两点之间的瓦斯量之差，即为这两点之间煤壁上的瓦斯涌出量。第四，将所测各量代入式(2-2)，即可求算出煤层透气性系数值。巷道单向流量法由于必须满足瓦斯流场是单向流动，因此，所测巷道其掘进头需向前推进一定距离后才能够进行。众所周知，在煤层巷道周围，煤层透气性的分布并非均质。当巷道向前掘进时，两帮的应力将发生变化，形成集中应力；使得两帮靠近煤壁处的煤体发生屈服变形，使应力向煤体深部转移，导致在两帮煤层中形成卸压带，应力集中带和常压带。由于这三带的存在，使煤层的透气性发生了很大的变化。据原苏联有关人员的现场实测表明：在靠近巷道附近煤层的透气性要比深部大几十倍，甚至几百倍，并向煤层深部逐渐减小。巷道单向流量法的优点在于它能使流动场扩展很大，虽然在推导计算公式中，均质性的假设与事实有差别；但是，当流动场扩散到足够大时，以致使扰动带的影响可以忽略不计，这时，由均质性假设所带来的误差就基本上可以忽略不计。在巷道单向流量法测定煤层透气性系数的过程中，首先必须测准煤层原始瓦斯压力，胶囊密封液封孔测压仪在煤巷中测定瓦斯压力的成功，为此奠定了基础。其次在测定各点的风速和瓦斯含量时需要比较灵敏的风速计与浓度测定仪，最好采用动态的仪器测定。流量的测定也应当达到稳定为止。b）径向流量法径向流量法测定煤层透气性系数是以瓦斯在煤层中径向流动理论为基础而得出的煤层透气性系数测定和计算方法，其基本假设为： 在钻孔瓦斯流动范围内，煤层均质且各向同性。 钻孔垂直煤层(至少偏斜角不超过30)贯穿煤层，在瓦斯流动场内煤厚不变。 煤层顶底板不漏气且不含有瓦斯。 打开钻孔之前，钻孔内瓦斯压力为原始瓦斯压力，打开后则始终保持大气压力。 瓦斯在煤层中的流动为等温过程，且温度等于煤层温度。 瓦斯在煤层中的流动服从达西定律。（2-3-2）在上述假设基础上， 可得钻孔径向不稳定流动时的微分方程为：式中： r煤层中距钻孔中心处的半径，m，其余符号同前。经过拉氏变换，并采用相似理论进行整理可得其计算式为： Y=aF0b （2-3-3）式中 Y 流量准数，无因次； F0 时间准数，无因次； 表2-3-1 径向不稳定流动参数计算公式表 流量准则数Y时间准则数F0=B系 数a指 数b煤层透气系数常 数 A常 数 BY=aFb=A/10-211-0.38=A1.61B0.61A=qr/(p02-p12)B=4tp01.5/(r2)1101-0.28=A1.39B0.391101020.93-0.20=1.1A1.25B0.2511021030.588-0.12=1.83A1.14B0.141031050.512-0.10=2.1A1.11B0.111051070.344-0.065=3.14A1.07B0.07钻孔径向流量法测定煤层透气性系数的具体做法是：首先垂直煤层打一贯穿煤层的钻孔，密封钻孔并测出煤层原始瓦斯压力。测完压力后，打开阀门，使钻孔内压力降至大气压力，测出各个时刻钻孔自然瓦斯排放量，代入上述有关公式，求出值。在实际测定中，钻孔径向流量法的测定要求在降压排瓦斯后的几天内进行，尽量延长测定时间，使流动场扩大，测出来的值逐渐稳定，最后取其稳定值作为测定地点煤层的透气性值。2.3.2 测定结果根据上述计算公式，在各测试点测定过程中取得的参数分别代入相应公式进行计算，可得出煤层透气性系数，计算结果如表2-3-2所示。 表2-3-2 煤层透气性系数测定结果表孔号测定地点所测煤层p0(MPa)L(m)T(d)Q(m3/d)m2/(MPa2.d)1#103进风顺槽150.38102.3152.360.88262.4煤层瓦斯含量测定煤层瓦斯含量是计算瓦斯储量与瓦斯涌出量的基础，准确测定煤层瓦斯含量是很重要的。煤层瓦斯含量的测定方法较多，主要有勘探钻孔煤芯解吸法、工作面钻孔煤屑解吸法、瓦斯含量系数法以及高压吸附法。其中高压吸附法是常用的实验室测定方法之一。高压吸附法的原理是，把从井下采集的新鲜煤样破碎，取0.20.25mm煤样80g，装入测定罐。先在70oC条件下，抽真空脱气2天，然后在0.10.5MPa压力与30oC恒温条件下吸附甲烷，测量吸附或解吸的瓦斯量，并换算成标准状态下每吨可燃物吸附的瓦斯量以及吸附常数a、b，并绘制30oC等温吸附线。煤层瓦斯含量的测算可通过采集新鲜煤样，先进行工业性分析；然后进行瓦斯含量的测定与计算等步骤来完成。2.4.1煤的工业性分析煤的工业成份直接影响着煤层瓦斯含量的计算。因此，在预测煤层瓦斯含量时，应对煤的组分进行工业性分析。本次对103回风巷煤样的工业组分进行了测定，结果如表2-4-1所示。表2-4-1 天池煤矿煤样工业分析结果样品名称分析基水分Mad（%）分析基灰分Aad（%）分析基挥发分Vad（%）103回风巷1.0715.1013.092.4.2煤样吸附常数a、b值的测定煤的甲烷吸附常数的测定是在煤科院抚顺分院研制的等温吸附仪上进行的。该实验采用压力法进行测定。实验时煤样经过粉碎后，用6080目的筛子筛取粒度为0.20.25mm的煤样，真空干燥后，在恒温30下，放入吸附缸中真空脱气，向吸附缸中充入一定体积甲烷，使吸附缸内压力达到平衡，部分气体被吸附，部分气体仍以游离态处于死体积中，已知充入的甲烷体积，扣除死空间的游离体积，即为吸附体体积。重复这样的测定，得到各压力段平衡压力与吸附体积量，连接起来即为吸附等温线，从而求得吸附常数a、b值。103进风巷煤样吸附试验结果见表2-4-2表2-4-2 103进风巷煤样吸附实验结果压力（MPa）吸附量（ml/g）0.386.051.577.862.538.563.388.824.198.944.978.94由Langmuir方程得出 （2-4-1）式中 P吸附平衡压力，MPa；a，b Langmuir吸附常数，a饱和吸附量或极限吸附量，ml/g或(m3/t)；b吸附常数，MPa-1以P/Q对P作图求出直线斜率及截距，即为1/a和1/ab。拟合结果如图2-4-1 所示。 图2-4-1 P/Q与P关系图图2-4-1 中：1/a=0.1063，1/ab=0.0262； 可得a=9.4073ml/g， b=4.0573MPa-1天池煤矿103进风巷煤样等温吸附曲线如图2-4-2 所示。图2-4-2 103进风巷煤样等温吸附曲线2.4.3、瓦斯含量的测算结果利用吸附常数a、b值、工业分析结果和煤层瓦斯压力值就可计算煤层瓦斯含量。煤层瓦斯含量包括游离瓦斯含量和吸附瓦斯含量。煤的游离瓦斯含量，按气体状态方程求得： （2-4-2）式中 V单位重量煤的孔隙容积，m3/t； P瓦斯压力，MPa； T0、P0标准状况下绝对温度（273K）与压力（0.101325MPa）； T瓦斯绝对温度（K）； 瓦斯压缩系数； Xy煤的游离瓦斯含量，m3（标准状态下）/t（煤）。煤的吸附瓦斯含量，按朗格谬尔方程计算并考虑煤中水份、可燃物百分比、温度影响系数，由此，煤的吸附瓦斯量为：式中 a、b吸附常数； p煤层瓦斯压力，MPa； t0实验室测定煤的吸附常数时的实验温度，； t煤层温度，； n系数，按下式计算：； A、W煤中得灰分和水分，%； Xx煤的吸附瓦斯含量，m3（标准状态下）/t（煤）。煤的瓦斯含量，等于游离瓦斯与吸附瓦斯含量之和： X=Xx+Xy （2-4-3）利用以上公式计算天池煤矿103回风巷标高位置煤层瓦斯含量。结果见表2-4-3。表2-4-3 103进风巷标高位置煤层瓦斯含量测算结果表取样地点瓦斯压力(MPa)吸附量(m3/t)游离量(m3/t)总含量(m3/t)103进风巷0.385.92920.12396.0531第3章 101综放面瓦斯涌出量预测矿井瓦斯涌出量的预测是矿井通风设计、瓦斯抽放设计和瓦斯管理的前提，瓦斯涌出量的预测方法很多，目前运用主要有两大类，一是分源法，另一是矿山统计预测法。3.1矿山统计法矿山统计法实质是根据生产矿井积累的实测瓦斯资料，经过统计分析，把得出的矿井瓦斯涌出量随开采深度变化规律，用来推算新水平、新采区或邻近矿井的瓦斯涌出规律。根据原天池煤矿15号煤层生产时的（开采15号煤层）瓦斯鉴定情况进行预测。表3-1-1 原天池煤矿和开元公司瓦斯和二氧化碳鉴定结果表矿井名称年度瓦斯涌出量绝对 相对(m3/min) (m3/t)瓦斯等级鉴定CO2涌出量绝对 相对(m3/min) (m3/t)CO2等级鉴定天池公司一号井19992.389.13低2.348.9820001.939.4低1.447.1低20011.568.6低1.47.7天池公司三号井19994.5919.15高3.6715.3220006.224.1高3.614.0高20015.321.1高3.0912.320026.7926.1高2.710.4高天池公司大粮沟井20025.326.9高1.095.53低开元公司20010.222.29低0.504.5120020.3121.05低0.5751.93天池公司20033.41高1.620045.96低2.21表3-1-1是原天池煤矿和开元公司瓦斯和二氧化碳鉴定结果表。天池煤矿三号井开采15号煤层，目前开采的深度与改扩建前上山采区深度基本相同，具有相同的瓦斯涌出量梯度。从表3-1-1中可知，三号井1999年至2002年矿井相对瓦斯涌出量平均为22.6m3/t，改扩建后由于采煤方法由房柱式变为综采放顶煤开采，全部陷落法管理顶板，邻层瓦斯涌出量增加，但是综采放顶煤比房柱式开采回收率提高，又使工作面相对瓦斯涌出量减小，综采推进速度快，使本层和邻层相对瓦斯涌出量有所降低，与原开采工艺相比，瓦斯有涌出量有增加的因素，有减少的因素，但总体来说，相对瓦斯涌出量预计有所减小。由于没有采面相对瓦斯涌出量数据，无法用统计法计算101综采放顶煤工作面绝对瓦斯涌出量。3.2瓦斯含量法煤层瓦斯含量法，即按照煤层瓦斯含量与采后煤炭的残余瓦斯含量计算相对瓦斯涌出量。瓦斯含量法在我国是一种较新的预测方法，经过近一二十年不断地研究发展，目前已基本上达到实用化阶段。这种方法既考虑了决定瓦斯涌出量大小的基本因素煤层瓦斯含量，还考虑了一些相关的地质因素和开采因素。如在地质因素方面，国内外不同学者提出的预测公式中都包括有开采煤层厚度、邻近煤层厚度、邻近层至开采层的层间距、煤层倾角等。在开采因素方面，多数方法都用到了煤层的开采厚度和顶板控制方法，有些还考虑了回采率、分层开采的层数和顺序等对瓦斯涌出的影响。根据近年来阳泉矿区采煤工作面瓦斯涌出情况分析，对采煤工作面瓦斯涌出源进行详细分类，新增考虑存在因素包括：采面通风方式、采面瓦斯抽放方式、邻近层瓦斯残余含量。对原经验公式进行修定，建议新的采煤工作面瓦斯计算公式为： (3-1-1) (3-1-2) (3-1-3)式中： 回采工作面相对瓦斯涌出量，m3/t； 本煤层相对瓦斯涌出量，m3/t； 邻近煤层相对瓦斯涌出量，m3/t； 围岩瓦斯涌出系数，全部垮落法取值为1.2； 工作面残煤瓦斯涌出系数，取值=1工作面回采率；按回采率90%计算，=1.1；k3掘进工作面预排瓦斯影响系数， 取值k3=（Lxb）/L,式中为工作面长度，为巷道宽度，为预排系数，=34；工作面斜长为180m，巷道宽度按4m算（因为巷道断面按设计值为13.2m2），预排系数为3，所以值为：0.93；不同通风方式的瓦斯涌出系数，U型通风取值为1.0，偏Y型通风取值为1.11.2；Y型通风取值为1.31.5，101工作面取值k4=1.15；本煤层抽采瓦斯影响系数，取值为1.11.3；具体：顺层孔抽采取值1.051.1，老塘埋管取值1.21.3，顶板或穿层钻孔取值1.21.3，巷道抽采取值1.21.4，综合抽采取值1.31.5；本首采面因主要采用综合抽采， k5=1.4；本煤层的每层厚度与回采高度(m）；分别取4.8m，4.5m； 本煤层的原始、残存瓦斯含量（m3/t），一般=1.52.0 m3/t；邻近煤层抽采瓦斯影响系数，取值=1.01.4；第邻近煤层的瓦斯排放率(%)；第上邻近煤层的瓦斯排放率(%)； 第上邻近煤层距回采煤层的距离(m)，的有效取值范围为20120m，(75m)；第下邻近煤层的瓦斯排放率(%)；第下邻近煤层距回采煤层的距离(m)，的有效取值范围为550；(下邻近层间距一般大于50