（安全技术及工程专业论文）李雅庄煤矿瓦斯涌出量预测及瓦斯涌出影响因素的研究.pdf

太原理工大学硕士研究生学位论文 最后，运用该方法对李雅庄煤矿回采工作面进行了瓦斯涌出量预测，结 果与现场实测数据基本吻合。该方法能较好反映煤层瓦斯原始含量变化导 致的瓦斯涌出量的变化，较适合复杂地质条件矿井，一般矿井也能适用。 根据李雅庄煤矿的生产实际，探讨回采工作面瓦斯涌出规律、瓦斯浓度 分布规律，对瓦斯涌出影响因素进行分析，研究瓦斯涌出量与产量、风量、 进尺及喷雾洒水等开采因素之间的关系，并针对李雅庄煤矿小断层众多的 实际情况，重点分析小断层对瓦斯涌出的影响。对李雅庄煤矿防治矿井瓦 斯灾害，确保煤矿安全生产具有重要意义。 关键词：回采工作面，涌出规律，瓦斯涌出量，影响因素 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 t h es t u d yo ft h ep r e d i c t i o n0 ft h ea m o u n to ft h e g a se m i s s l 0 na n di t sd 、f l u e n c i n gf a c t o r si n l i y a z h u a n gc o a lm i n e a b s t r a c t t h eg a si st h em i x t u r eo ft h eh a r m f u lg a s e sw h i c hr e l e a s e di nc o a ls e a m ， r o c ks t r a t u m ，a n dg o a li nt h ep r o c e s so fc o a lm i n i n ga m o n gi t ，c h 4i st h em a i n c o m p o n e n t , s oi ti sn a r r o w l yd e f m e dt og a s g a su s u a l l yc o m e sf r o mc o a ls e a m a n di ti st h ec h i e fh a z a r dt oc o a lm i n i n g t h eh a z a r d so ft h eg a st om i n es a f e t y n o r m a l l yd i s p l a yo f t h r e ef o r m s ：b u r s t 、e x p l o s i o na n da s p h y x i a a m o n gt h e mg a s e x p l o s i o na n dg a sb u r s ta r et h em o s ts e r i o u s l y , w h i c hd og r e a th a r m f u lt om i n i n g w o r k e r sa n dm i n ef a c i l i t y g a se m i s s i o nq u a n t i t yi sa ni m p o r t a n tf a c t o ra f f e c t e dm i n es a f e t y i nt h e c o a lm i n i n g ，t h eg a se m i s s i o nf r o ms t o p ef a c ea c c o u n tf o r5 0 8 0 o ft h e w h o l eg a se m i s s i o n i ti st h ec h i e fh e a d s t r e a mo ft h eg a se m i s s i o ni nc o a lm i n e t h eg a se m i s s i o no ft h ew o r k i n gf a c ec h a n g e sal o tb e c a u s eo ft h ev a r i a t i o no f t h ec o a lm i n ep r e s s u r e ，th eg a s - b e a t i n gc a p a c i t y ，t h ed i f f e r e n c eo ft h er o o f c o n t r o la n dp r o d u c t i o nt e c h n o l o g y s oi ti ss i g n i f i c a n tt ow o r ks a f e t yo fc o a l m i n ei nc h i n ab ym e a n si m p r o v i n gt h ep r e d i c t e dm e t h o do fs t o p ef a c e g a s e m i s s i o n ，r e s e a r c h i n gi n f l u e n c i n gf a c t o ro ft h eg a se m i s s i o na n dd i s c o v e r yg a s e m i s s i o nr e g u l a ro f t h es t o p ef a c e t h ep a p e r s y s t e m a t i c a l l y d i s c u s s e st h eg a sr e s e r v o i rs t a t e ，t h ec o a l a b s o r p t i o nt ot h eg a sa n dt h et h e o r yo ft h eg a sm i g r a t i o ni nc o a ls e a m a n a l y z i n go ft h ec h a r a c t e r i s t i co ft h ew o r k i n gf a c e ，f o u rs o u r c e sa r eg i v e n ：w a l l m e t h a n ee m i s s i o n ，f a l l e nc o a lm e t h a n ee m i s s i o n 、g o a f m e t h a n ee m i s s i o na n dt h e c l o s es e a m sm e t h a n ee m i s s i o n 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 t h ep a p e rs u m m a r i z e st h er u l eo fg a se m i s s i o no fc o a lr i ba n df a l l e nc o a l a c c o r d i n gt oc o l l e c t i n g ，s o r t i n ga n da n a l y z i n gal o to fm e a s u r e m e n td a t af r o m s i t et e s t i n ga n dt h e o r e t i c a lw o r k b ya n a l y z i n ga n ds u m m a r i z i n gt h ee x i s t e n t p r o b l e m so ft h ep r e d i c t i n gm e t h o do ft h eg a se m i s s i o nq u a n t i t yo f t h ew o r k i n g f a c e ，t h et h e o r yo fg a sf l o wi nc o a ls e a m ，t h er e g u l a ro fg a se m i s s i o n ，a l ls o u r c e s o fg a se m i s s i o ni ns t o p ef a c ea r es e p a r a t e l yp r e d i c t b a s i so fp r e d i c t i n gm e t h o d o fs e p a r a t e l y , t h ec a l c u l a t i n gf o r m u l ao ft h eg a se m i s s i o no ns t o p ef a c eb e i n g s u i ta b l et h ec o a lm i n ew h i c hg a s - b e a r i n gc a p a c i t yi sc h a n g i n gb e c a u s eo f c o m p l e xg e o l o g i c a ls t r u c t u r e i s g i v e na n dt h em e a s u r e m e n tm e t h o do ft h e n e e d e dp a r a m e t e r sa r eg i v e n f i n a l l y , t h em e t h o di sa p p l i e dt op r e d i c tt h es t o p eg a se m i s s i o no ft h e l i y a z h u a n gc o a lm i n e ，t h er e s u l tc o i n c i d e sw i t ht h e a c t u a lm e a s u r e m e n t a p p r o x i m a t e l y t h em e t h o dc a r lr e p r e s e n tt h ec h a n g eo f t h eg a se m i s s i o n b e c a u s eo ft h ec h a n g eo ft h eg a s b e a r i n gc a p a c i t y i ti ss u i t a b l et ot h ec o m p l e x g e o l o g i c a ls t r u c t u r ec o a lm i n ei n c l u d i n gt h ec o n n n o n c o a lm i n e a c c o r d i n gt ot h ep r o d u c t i o nf a c to f t h el i y a z h u a n gc o a lm i n e ，t h er u l eo f t h em o p eg a se m i s s i o na n dt h ei n f l u e n c i n gf a c t o ro ft h eg a se m i s s i o na r eg i v e n i nt h i sp a p e r ，t h er e l a t i o n s h i po fo u t p u t 、a i r q u a n t i t y 、f o o t a g ea n d w a t e rs p r a y a r ea l s os t u d i e d i ti sv e r yu s f u lt op r e v e n tt h eg a sd i s a s t e ra n de n s u r et h ec o a l m i n es a f e t yp r o d u c t i o n k e yw o r d s ：s t o p ef a c e ，e m i s s i o nr e g u l a r , g a se m i s s i o nq u a n t i t y , i n f l u e n c i n g f a c t o r s 4 声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名：毖士为日期：型望zc f 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定。其 中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印 件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； 学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的。 复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) o 签名：锤毖日期：型，2 1 ； 导师签名：童丝些焦! !日期：竺12 ：1 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 1 引言 第一章绪论 瓦斯是指在煤矿生产过程中，从煤层、岩层和采空区放出的各种有害气体的总称， 且具有不同的组成成分和性质。其中甲烷( c i - h ) 是瓦斯的主体成分，主要来自煤层， 它构成威胁煤矿开采的主要危险，所以狭义的矿并瓦斯一般是指甲烷。 瓦斯灾害时煤矿中最严重的灾害之一，对矿井安全的威胁主要有突出、爆炸、和窒 息三种形式，当瓦斯浓度达到4 3 时，人会感觉到呼吸短促，当瓦斯浓度达到5 7 时， 就可以使人窒息死亡。而且瓦斯气体分子直径【1 】只有0 4 1 r i m ，扩散速度是空气的1 3 4 倍，扩散性极强，因而能在巷道中以很短的时间扩散开来。在矿井生产中，最严重的瓦 斯灾害是瓦斯爆炸和瓦斯突出事故，它严重威胁着井下人员的生命和矿井设旌的安全， 甚至迫使矿井停产，投入大量的人力物力进行抢险救灾。井下一次死亡人数多的重大事 故主要是瓦斯爆炸事故和瓦斯突出事故。 据有关资料 2 - 3 1 统计，具有瓦斯灾害的突出矿井的建设投资要比无瓦斯灾害的矿井 增加2 5 3 0 ，吨煤成本增加1 5 - 2 0 倍，采煤效率降低2 5 2 8 ，工作面日生产量 减少4 0 6 眺。为预测和防治瓦斯事故，各产煤国都投入7 大量的人力，物力和财力， 并建立了专门的研究机构对其进行研究，特别是对高、突瓦斯矿井的研究。 矿井瓦斯涌出量预测是瓦斯防治技术中的不可缺少的重要环节。瓦斯涌出量预测， 就是以煤层瓦斯含量及其分布规律，或以煤层瓦斯涌出量变化规律，结合地质因素、开 采因素选取合适参数，以一定的方法预计瓦斯涌出量多少的工作过程。而掌握矿井煤层 瓦斯赋存和涌出规律，是治理井下瓦斯灾害的前提。但是，由于煤层瓦斯赋存和涌出受 众多因素的影响和控制，所以至今距离彻底弄清瓦斯赋存和涌出规律，以便根治瓦斯灾 害这一任务还有一段遥远的路程。因此，结合矿井生产实际，从理论上来系统的进行瓦 斯涌出量预测及瓦斯涌出规律的研究，仍是一项防治瓦斯灾害的基础的科研任务。 在矿井生产中，回采工作面瓦斯涌出量占全矿井涌出量的5 0 悯o ，是全矿井主要 的瓦斯涌出源，回采工作面瓦斯涌出主要来源于煤壁、采落煤和采空区。其中采空区瓦 斯又来源于开采煤层遗留到采空区的残煤瓦斯涌出和邻近层的瓦斯涌出。煤壁和采落煤 1 太原理工大学硕士研究生学位论文 涌出的瓦斯量由于采煤工艺的不同而变化很大。据统计【4 l ，与平均瓦斯涌出相比，一般 情况下，水枪采煤为它的2 4 倍，放炮采煤为它的1 4 - 2 0 倍，采煤机采煤为它的1 3 1 6 倍。此外，同一循环作业中，不同工序，瓦斯涌出量也不相同。而采空区瓦斯涌出则和 工作面顶板管理关系很大。全部垮落法比充填法瓦斯涌出量大2 倍。来自邻近层的瓦斯 量主要取决于这些层的原始瓦斯含量、它们距开采层的距离、开采层顶板管理方法和工 作面推进速度。由此可见，回采工作面瓦斯涌出是非常复杂的。其涌出量还和煤层原始 瓦斯含量、煤层所处的地应力状态，煤壁前方瓦斯压力的大小、煤的透气性、采煤机截 深、切割速度( 炮眼深度、一次放炮个数) 等有关。 回采工作面瓦斯涌出量大、来源复杂、影响因素多并且作业区域内瓦斯分布不均匀， 容易造成回风巷和局部瓦斯积聚( 尤其是上隅角) ，限制工作面的生产。因此对工作面 瓦斯涌出量预测，特别是对瓦斯来源、瓦斯浓度分布规律、瓦斯涌出动态变化及瓦斯涌 出影响因素的研究是开展工作面瓦斯治理的基础。对于指导矿井安全生产和制定行之有 效的瓦斯治理措施、防止恶性瓦斯事故的发生具有重大的经济、社会效益和深远的现实 意义。这也是本论文选题的最终目的所在。 1 2 国内外研究现状 国外在瓦斯涌出量预测方面所作的工作，有以下特点，即预测技术的规范化；预测 方法动态化；预测内容多元化、综合化。如英国的艾黎( a i r e y ) 法、德国的文特( w i n t e r ) 法。相较而言，国内的预测技术尚有不足。 长期以来【5 羽，我国煤矿一直采用矿山统计法、分源预测法、瓦斯梯度法、煤层瓦 斯含量法和瓦斯地质模型法来预测矿井瓦斯涌出量。矿山统计法，依据矿井瓦斯涌出量 随开采深度变化的统计规律，外推到预测的新区，主要适用于地质条件简单的矿井；瓦 斯含量法以煤层瓦斯含量为基本预测参数，这种方法通过计算井下各涌出源的瓦斯涌出 量，得到矿井或某一预测范围的涌出量预测值。瓦斯地质数学模型法是以数量化理论为 基础，建立瓦斯涌出量数学模型，然而由于矿井瓦斯涌规律和涌出量因地而异，而且影 响瓦斯涌出的地质因素也很多，如地质构造、煤层厚度、煤体结构、埋藏深度等等，所 有这些因素之间的非线性关系错综复杂，难以控制，所以对矿井瓦斯涌出量预测存在着 较大的困难。 瓦斯涌出量预测是煤矿安全生产中十分重要的课题。国内许多专家学者结合煤矿的 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 实际情况，探讨了许多瓦斯涌出量预测方法。例如，付永水探讨了适合于低瓦斯煤层工 作面的瓦斯涌出量预测方法【7 】：该方法通过瓦斯地质规律研究得到了有关瓦斯涌出量的 变化规律和主要影响因素，在此基础上根据矿井己采区域的瓦斯涌出量实测数据和相关 的地质资料，综合考虑各种影响因素，采用一定的数学方法，建立预测瓦斯涌出量的多 变量数学模型，并对矿井未采区域的瓦斯涌出量进行预测。因此适合于低瓦斯煤层上作 面的瓦斯涌出量预测，该方法主要思想，就是利用瓦斯地质数学模型法建立的工作面瓦 斯涌出量数学模型来预测未采区域工作面瓦斯涌出量；曲方提出了基于煤壁瓦斯涌出初 速度的综掘工作面瓦斯涌出量预测方法【町：该方法根据综合机械化掘进上作面具有采、装 运连续作业的特点和瓦斯涌出的特点，以此为基础建立了综掘工作面瓦斯涌出量预测模 型：李曲将基因表达式程序设计方法应用于采煤工作面瓦斯涌出量预n v ：t 9 1 ，建立了采 煤上作面瓦斯涌出量的预测模型；袁东升将三维灰趋势面分析法应用于瓦斯涌出量预测 中【1o 】【1 1 】【1 2 1 ，因为瓦斯作为地质实体中的一部分。它的生成运移和赋存必然受到地质条 件的控制和支配。趋势面分析法是用数学方法研究地质变量的空间分布与瓦斯变量变化 规律闯相互关系的一种多元统计分析方法。在矿井瓦斯涌出量的预测中，可以从矿井己 采区域瓦斯涌出量调查中获得瓦斯涌出量这一变量随地质变量变化的空间分布规律。生 产现场表明，地质构造、煤厚变化等对瓦斯涌出量的影响，都有一个变化过程，故在一 个矿井范围内瓦斯涌出量沿煤层走向和倾向的变化趋势总是呈趋势性变化。因而，可以 通过分析己采区瓦斯涌出量沿煤层走向和倾向的变化趋势去预测未采区的瓦斯涌出量， 夏红春提出了基于最：j 、- - 乘法的矿井深部区域瓦斯涌出量预测方法【13 1 ，该方法运用最小 二乘法建立了工作面开采深度与相对瓦斯涌出量之间的一元线性回归方程，利用此方程 对深部区域的瓦斯涌出量进行预测。吕贵春提出瓦斯涌出量预测的灰色建模法【悼悯，根 据灰色理论，利用不同采深瓦斯涌出量的原始数据建立矿井瓦斯涌出量的动态g m ( i ，1 ) 模型，进行瓦斯涌出量预测。 国内学者还探讨了矿井瓦斯涌出量预测的分源预测法【1 6 1 。通过对地质构造带瓦斯赋 存规律、不同采煤方法的瓦斯涌出规律、煤的残存瓦斯量、围岩和采空区瓦斯涌出规律 及掘进巷道瓦斯涌出和瓦斯排放带宽度的研究，提出了地质构造单元分源预测矿井瓦斯 涌出量的思路：通过对我国煤层采掘条件分析来探讨影响矿井瓦斯涌出量的各种因素， 并从煤田地质、矿井开采条件、层位关系等诸多因素入手，分析矿井瓦斯涌出量与其实 质性联系，从而形成了适合于矿井瓦斯涌出量预测的规范。分源预测法预测矿井瓦斯涌 出量，是以煤层瓦斯含量、煤层开采技术条件为基础，根据各瓦斯涌出源的瓦斯涌出规 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 律，计算出回采工作面、掘进工作面、采区及矿井的瓦斯涌出量。分源预测法是目前我 国应用最普遍的一种预测方法，由于它是以瓦斯含量、瓦斯涌出规律为基础，所以，对 于不同矿井，特别是地质构造比较复杂，对瓦斯含量、瓦斯涌出规律影响比较大的矿井， 预测精度就会有所差别，因此，有必要在分源预测的基础上，探讨瓦斯含量的变化、瓦 斯涌出规律以及影响瓦斯涌出的各种因素，作为分源预测的补充。 1 3 论文的主要工作 瓦斯涌出是影响煤矿安全生产的重要因素。加强瓦斯涌出量预测方法研究，对改善 我国煤矿安全生产状况具有积极的意义。本文的主要研究内容是瓦斯涌出量预测，并对 瓦斯涌出的影响因素进行分析。具体内容如下： 1 ) 根据煤层瓦斯赋存及流动理论，研究了瓦斯运移的基本规律； 2 ) 分析回采工作面瓦斯涌出源、各涌出源瓦斯涌出规律以及瓦斯浓度的分布规律； 3 ) 以分源预测为基础，结合矿井瓦斯涌出规律，提出了适合李雅庄煤矿特殊地质 条件下瓦斯涌出预测方法； 4 ) 对工作面影响瓦斯涌出的各种因素与瓦斯涌出量的关系讲行了细致研究； 5 ) 针对李雅庄煤矿小断层众多的实际情况，重点分析小断层对瓦斯涌出的影响。 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 第二章煤层瓦斯赋存及流动理论 2 1 煤层吸附理论及瓦斯含量 煤体中赋存瓦斯的多少不仅对煤层瓦斯含量大小有影响，而且还直接影响到煤层中 瓦斯流动及其发生灾害的危险的大小，因此研究煤层中瓦斯的赋存状况是矿井瓦斯研究 中的重要一环，也是基于瓦斯含量预测法预测矿井瓦斯涌出量的理论基础。 2 1 1 煤中瓦斯赋存状态 煤中瓦斯的赋存状态一般有吸附状态和游离状态两种。固体表面的吸附作用可以 分为物理吸附和化学吸附两种类型，煤对瓦斯的吸附作用是物理吸附，是瓦斯分子和碳 分子间相互吸引的结果。在被吸附瓦斯中通常又把进入煤体内部的瓦斯称为吸收瓦斯， 把附着在煤体表面的瓦斯称为吸着瓦斯，吸收瓦斯和吸着瓦斯统称为吸附瓦斯。在煤层 赋存的瓦斯量中，通常吸附瓦斯量占8 0 - 9 0 ，游离瓦斯量占1 0 - 2 0 ；在吸附瓦斯 量中又以煤体表面吸着的瓦斯量占多数。 在煤体中，吸附瓦斯和游离瓦斯在外界条件不变的条件下处于动态平衡状态，吸 附状态的瓦斯和游离状态的瓦斯处于不断的交换之中；当外界的瓦斯压力或温度发生变 化或给予冲击与震荡影响分子的能量时，则会破坏其平衡，面产生新的平衡状态。因此， 我们认为，由于瓦斯吸附分子和游离分子，是在不断的交换之中，在瓦斯缓慢的流动过 程中，不存在游离瓦斯易放散、吸附瓦斯不易放散的问题；但是，在突出过程的较短时 间内，游离瓦斯会首先释放，然后吸附瓦斯迅速加以补充。 近年来随着分析测试技术的不断发展，有关学者采用x 射线、衍射分析等技术对煤 体进行分析后认为，煤体内瓦斯的赋存状态不仅有吸附( 固态) 和游离( 气态) ，而且 还包含有瓦斯的液态和固溶体状态；但是，由于总的来说吸附( 固态) 和游离( 气态) 所占的比例在8 5 以上，在正常情况下，整体所表现出来的特征仍是吸附和游离的瓦斯 特征；所以其于传统的观点并不矛盾，只是分析测试更加深入而以。 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 1 2 煤的孔隙特征 煤是一种包含微孔和大孔系统的双重孑l 隙介质，煤体吸附瓦斯是煤的一种自然属 性。微孔存在于煤基质部分，大孔系统由包围煤基质被称为割理系统的天然裂隙网络组 成。煤中有两种割理，面割理和端割理，通常正交或近似正交，垂直或近似垂直于煤层 面。煤具有极其发育的微孔隙，有很大的比表面积，煤的天然孔隙率和裂隙率是煤的一 个主要特征，它决定了煤的吸附容积和煤的储存性能。 一、煤的孔隙特征 煤是一种包含有机质的岩石，煤的有机物质类似海绵体，具有一个庞大的微孔体系， 微孔直径从零点几个纳米到几个纳米，微孔之间则由一些直径只有甲烷分子大小的微小 毛细管所沟通，彼此交织，组成超细网状结构，具有很大的内表面积，有的高达2 0 0 m 2 g ，形成了煤体特有的多孔结构。 为了衡量煤的多孔程度，用孔隙率n 来表示。煤的孔隙率就是孔隙的总体积与煤的 总体积的比，其计算公式【1 刀为： 忙半m o o = ”砂o o 协。 e 、 7 = 了m 矿：_ m 式中：胛煤的孔隙率，； 屹煤的总体积，包括其中孔隙体积，c m 3 ； 圪煤的实在体积，不包括其中孔隙体积，c m 3 ； m 煤的质量，g ； d 煤的真密度，g c m 3 ； ，煤的假密度，g ，c m 3 ； 也即州1 - 了m 寺1 0 0 = ( 1 - 争x 1 0 。 煤的真密度和假密度可在实验室内测得。孔隙率是决定煤的吸附、渗透和强度性能 的重要因素。通过孔隙率和瓦斯压力的测定，可以计算出煤层中的游离瓦斯量；此外， 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 孔隙率的大小与煤中瓦斯流动情况也有密切关系。为了便于研究瓦斯在煤层中的赋存与 流动规律，通常把煤中的孔隙分为微孔、小孔、中孔、大孔、可见孔及裂隙。煤中孔隙 作为连接吸附容积( 吸附瓦斯的贮存所) 与自由表面的运输通道，构成了复杂的吸附、扩 散、渗透系统。煤中微孔构成了吸附容积；煤中其余孔隙构成了煤中复杂的渗透系统， 在渗透系统中，几乎全部瓦斯都处于游离状态，并符合气体状态方程。 二、煤体表面吸附作用 煤的吸附实际上是固体表面与气体或液体的一种表面作用，这种表面作用所以能够 发生，是由于煤体表面的分子存在剩余的自由力场，当瓦斯分子碰撞煤体表面时，其中 一部分将被吸收，并释放出吸附热：在被吸附的瓦斯分子中，只有当其重新获得动能， 并足以克服煤体表面引力场的束缚时，才能重新回到气相中形成游离状态的瓦斯，一般 情况下，瓦斯在煤体表面的吸附过程可分为如下几个步骤： 瓦斯分子由气相扩散到煤体表面； 扩散到煤体表面的瓦斯分子被煤体吸收； 被吸附的瓦斯分子与煤体表面发生反应，生成被煤体所吸附的产物分子。 1 9 1 6 年，法国化学家朗格缪尔( t , a n g r n u i r ) 在研究固体表面吸附特性时，得出了单分 子层吸附的状态方程，即朗格缪尔方程，随后，国内外瓦斯研究工作者经过实验和理论 分析后发现，该方程同样适用于煤体表面的吸附。故而，目前采用该方程式来计算瓦斯 吸附量。在朗格缪尔方程中，瓦斯吸附量和瓦斯压力问的关系式可表示为： a b p x 5 l + 。b p ( 2 - 2 ) 式中：工在给定温度下，瓦斯压力为p 时单位质量固体表面吸附的气体体积，研3 t 。 口吸附常数，表示在给定温度下，单位质量固体表面饱和吸附气体时，吸附 的气体体积，肌3 t 。一般为1 5 5 5 m 3 t 。 b 吸附常数，m p a ，一般为o 5 5 o m p a 一。 p 吸附平衡时的瓦斯压力，m p a 。 2 1 3 煤的吸附性及其影响因素 煤之所以具有吸附性是由于煤结构中分子的不均匀分布和分子作用力的不同所致， 这种吸附性的大小主要取决于3 个方面的因素，即：煤结构、煤的有机组成和煤的变质 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 程度；被吸附物质的性质：煤体吸附所处的环境条件。由于煤对瓦斯的吸附是一种可逆 现象，吸附瓦斯所处的环境条件就显得尤为重要。煤的吸附能力不仅受煤岩自身的性质 所制约，还受许多外部因素的影响，如煤化变质程度、煤中水分、瓦斯性质、瓦斯压力 以及温度等。 1 ) 瓦斯压力f 瑚。实验研究表明：在给定的温度条件下，吸附瓦斯量与瓦斯压力的关 系呈双曲线变化。随着瓦斯压力的升高，煤体吸附瓦斯量增大，当瓦斯压力值大于 3 o m p a 时，吸附的瓦斯量趋于定值。 2 ) 温度【i9 1 。目前的实验研究表明，温度每升高1 摄氏度，煤吸附瓦斯的能力将降低 约8 。其原因主要是：温度的升高，使瓦斯分子活性增大，故而不易被煤体所吸附， 同时己被吸附的瓦斯分子又易获得动能，会产生脱附现象，使吸俯瓦斯量降低。 3 ) 气体成分。煤对不同气体的吸附量是不同的，不同气体在煤表面的吸附热不同。 物理吸附的力主要是范德华力，所以越容易液化的气体，越容易被煤微孔隙表面吸附 煤对二氧化碳的吸附能力高于甲烷，对甲烷的吸附能力高于氮气。 4 ) 煤的变质程度。煤的瓦斯生成量及煤的比表面积和煤的变质程度有关。一般情况 下，从中等变质程度的烟煤到无烟煤，相应的吸附量呈快速增加状态。 5 ) 水分9 1 。一般认为煤中水分增高，吸附能力将降低，由于水分子同时可以被煤吸 附，必定占据一定的表面积，致使甲烷的吸附量减少。但当水分高于一定值时将不再对 吸附能力产生影响。目前可以采用俄罗斯煤化学家艾琴格尔的经验公式来确定煤的天然 水分对甲烷吸附量的影响，其计算公式为： 1 x d - = x g 。i + 二0 3 1 w ( 2 - 3 ) 式中：l 含有水分为w ( ) 的湿煤的甲烷吸附量，n a t x 。不含水分干煤的甲烷吸附量，m 3 t ； 形煤中的天然水分的质量含量，。 2 1 4 煤层瓦斯含量及其影响因素 一、煤层瓦斯含量及其计算【2 0 】 1 ) 煤的吸附瓦斯含量 目前一般按朗格缪， g , ( l a n g m u i r ) 方程计算，在计算中同时考虑煤中水分、可燃物百 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 分比以及温度的影响，即： x ：生p ；( 一，) ! ( 2 4 ) x 1 + 印 l + 0 31 0 0 - l u a u - m 1 m 式中：x x 煤的吸附瓦斯含量，m 3 t ； “实验室测定煤的吸附常数时的实验温度，； r 煤层温度，； 二经验系数，一般可按下式确定； n2 口丽嚼而：斫i ( 2 - 5 ) 卜煤层瓦斯压力，m p a ； b 一系数，m p a - 1 ；取值为1 ； a 、b 一吸附常数，m 3 t 。m p a 1 ； a 、m 煤中的灰分与水分，、。 2 ) 煤的游离瓦斯含量 一般情况下，煤的游离瓦斯含量按气体状态方程进行计算，即： 小器 协6 ， 式中：x 厂谋的游离瓦斯含量，m 3 t ； v 单位质量煤的空隙容积，m 3 t ； p 一瓦斯压力，m p a ； t o ，p 广标准状态下的绝对温度、压力，2 7 3 k , o 1 0 1 3 2 5 m p a ； 卜瓦斯的绝对温度，k ，t = 2 7 3 + t ； 卜瓦斯的摄氏温度，； f 瓦斯压缩系数。 3 ) 煤的总瓦斯含量 煤层中的总瓦斯含量为游离瓦斯含量与吸附瓦斯含量之和。由( 2 4 ) 、( 2 6 ) 可得： x ：v p t + ! 垒巴一，) 。! 1 0 0 - a - m( 2 。7 ) 砜善1 + 印 1 + 0 3 m1 0 0 上述煤层瓦斯含量的计算式( 2 7 ) 在实际应用、特别是在研究煤层瓦斯流动需要考虑 煤层瓦斯含量时，显得极为不便；为此，根据实测煤层瓦斯含量曲线的变化规律，并考 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 虑工程实际应用中允许的误差范围，一般采用抛物线方程近似取代煤层瓦斯含量。即： x = a 4 p ( 2 8 ) 式中：x 煤层瓦斯含量，m 3 t ； a 一煤层瓦斯含量系数，m 3 ( t m p a t a ) ； p - 煤层瓦斯压力，m p a 。 二、影响煤层瓦斯含量主要因素 矿井中的煤体从植物遗体到无烟煤的变质过程中，每吨煤至少可生成1 0 0 m 3 以上的 瓦斯。但是，在目前的天然煤层中，最大的瓦斯含量不超过5 0 m 3 t 。其原因则在于：一 方面是因为煤层本身含瓦斯的能力所限，另一方面则是由于瓦斯是以压力气体存在于煤 层中，经过漫长的地质年代，放散了大部分，而目前储存在煤体中的瓦斯仅是剩余的瓦 斯量。因此，从某种意义上讲，煤层瓦斯含量的多少主要取决于保存瓦斯的条件，而不 是生成瓦斯量的多少；也就是说不仅取决于煤的变质程度，而更主要的是取决于储存瓦 斯的地质条件，如煤的结构和物理化学特性，成煤后的地质运动和地质构造，煤层的赋 存条件，围岩性质等等。根据目前的研究成果认为，影响煤层瓦斯含量的主要因素有： 1 、煤层的埋藏深度 众所周知，埋深的增加不仅会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增长，二者都有利于封存瓦斯。根据近年来国内外有关学者的研 究表明，当深度不太大时，煤层瓦斯含量随埋深基本上成线性规律增加，当深度达到一 定值后，煤层瓦斯含量将趋于常量，并有可能会下降。例如焦作煤田，煤层瓦斯含量在 不受断层与地质构造影响的地段。可用式x = 6 5 8 + 0 0 3 8 h ( m 3 ，t ) 表示( 相关系数r - - 0 9 6 埋 深h 1 5 0 m ( n 斯风化带深) ) 。原苏联的一些矿区实测瓦斯含量与深度之间的关系证实了 上述分析。英国采矿研究院从地面打钻，用直接法测量结果表明，在典型地层中。煤层 瓦斯含量随埋深增大而有规律增加；一般情况下，深度每增加1 0 0 m ，煤层甲烷含量可 增加0 5 1 1m 3 t 。 2 、煤层和围岩的透气性 目前认为，煤系地层岩性组合及其透气性对煤层瓦斯含量有重大影响。一般情况下， 煤层及其围岩的透气性越大，瓦斯越易流失，煤层瓦斯含量就越小；反之，瓦斯易于保 存，煤层的瓦斯含量就大。根据目前的研究表明，煤层与岩层的透气性可在非常宽的范 围内变化，表2 1 列出了我国部分矿井甲烷对煤层及岩石的渗透性系数，从中可以看出： 可见孔隙与裂缝发育的砂岩、砾岩和灰岩的透气性系数可能非常大，它比致密而裂隙不 】o 太原理工大学硕士研究生学位论文 发育的岩石( 如砂页岩、页岩等) 的透气性系数高成千上万倍。现场实践表明：煤层顶底 板透气性低的岩层( 如泥岩，充填致密的细碎屑岩，裂障不发育的灰岩等) 越厚，它们在 煤系地层中所占的比例越大，则往往煤层的瓦斯含量越高。例如四川i 重庆、贵、h i 六枝、 湖南涟邵等地区，其煤系主要岩层均是泥岩、页岩、砂页岩、粉砂岩和毁密的灰岩，而 且厚度大，横向岩性变化小，围岩的透气性差，封闭瓦斯的条件好，所以煤层瓦斯压力 高，瓦斯含量大，这些地区的矿井往往是高瓦斯或有煤与瓦斯突出危险的矿井；反之， 当围岩是由厚层中粗砂岩、砾岩或是裂隙溶洞发育的灰岩组成时，煤层瓦斯含量往往较 小。例如山西大同煤田、北京西部煤田、煤层顶底板主要是厚层砂岩，透气性好，故而 煤层瓦斯含量较低。 表2 - 1 甲烷对煤层及岩石的透气性系数表【2 0 】 t a b l e2 - 1a i rp e r m e a l i l i t yp a r a m e t e rf r o mm g t h a nt oc o a ls e a n la n dr o c k 透气系数透气系数 矿井 煤层岩石种类 i ( m 2 ( m p a 2 d ) )( m 2i ( m p a 2 砌 抚顺龙凤本层1 5 0砂岩( 美)2 m 母2 0 0 0 包头河滩沟1 1 2 1 7 2砂岩( 苏)o 0 2 5 6 0 0 0 鹤壁六矿1 2 1 8灰岩、白云岩( 苏)o 0 2 8 9 2 0 0 0 焦作朱村大煤o 4 3 6泥岩4 3 6 0 0 红卫坦家冲60 2 4 , - - 0 7 2砾岩( 日)1 2 0 6 8 涟邵蛇形山 4 0 2 1 0 8砂岩( 日)钆3 2 0 六枝地宗7o 5砂页岩( 日)o 中梁山 k 1 o 3 2 i 1 6页岩( 日)o 北票冠山 0 0 0 8 - - , 0 2 2 8 天府磨心坡 9 0 0 0 4 - - - 0 0 4 淮南谢一b 1 l b0 2 2 8 淮北芦岭8o 0 2 8 阳泉北头咀3o 1 6 3 、煤层倾角 目前认为，在同一埋深及条件相同情况下，煤层倾角越小，煤层的瓦斯含量就越高。 1 1 太原理工大学硕士研究生学位论文 例如芙蓉煤矿北翼煤层倾角陡( 4 0 。8 0 。1 ，相对瓦斯涌出量约2 0 m 3 t ，无瓦斯突出现象； 反之，南翼煤层倾角缓( 6 。1 2 。) ，相对瓦斯涌出量则高达1 5 0 m 3 t ，而且还有瓦斯突出 现象。发生这种现象的原因主要在于，煤层渗透性一般大于围岩，煤层倾角越小，在顶 板岩性密封好的条件下，瓦斯越不容易通过煤层排放，煤体中产生的瓦斯容易得到贮存； 故而煤层的瓦斯含量高，瓦斯涌出量大。 4 、煤层露头 煤层露头是瓦斯向地面排放的出1 ：3 ，因此，毫无疑问，露头存在时间越长，瓦斯排 放就越多，例如福建、广东地区的煤层多有露头，故面瓦斯含量往往较低。反之，地表 无露头的煤层，瓦斯含量往往较高，例如四川中梁山煤田，煤层无露头，而且为覆舟( 背 斜) 状构造，所以煤层瓦斯含量大。 5 、煤化程度 煤是天然的吸附体，煤层的煤化程度越高，其存储瓦斯的能力就越强。目前认为， 一般情况下，在瓦斯带内，倘若其它因素相同，则煤化变质程度不同的煤，其瓦斯含量 不仅有所不同，而且随深度增加，其瓦斯含量增加的量也有所不同。 以苏联两个矿区实测值为例，随着煤化程度的提高，在相同深度下，不仅瓦斯含量高而 且对于相同深度的瓦斯含量梯度也大。 对于高变质无烟煤( 挥发分低于1 2 0 r a l g ) ，其瓦斯含量不服扶上述规律。这是因 为，这种煤的结构发生了质的变化，孔隙率和表面积大大减少，其瓦斯含量往往很低( 一 般不超过2 - 3 m 3 0 ，而且与埋深无关。 6 、煤系地层的地质史 成煤有机物沉积以后直到现今煤化阶段经历了漫长的地质年代，其间地层多次下降 或上升，覆盖层加厚或遭受剥蚀，陆相与海相交替变化，遭受地质构造运动破坏等等。 所有这些地质过程及其延续时间的长短都对煤层瓦斯含量的大小产生巨大的影响。一般 情况下，从沉积环境上看，海陆交替相含煤系，聚煤古地理环境属于滨海平原，往往岩 性与岩相在横向上比较稳定，沉积物粒度细，这时形成的煤系地层的透气性往往较差， 如果其上又遭受长期海侵，并被泥岩、灰岩等致密地层覆盖，这种煤层的瓦斯含量有可 能很高。反之，对于陆相沉积，内陆环境，横向岩性岩相变化大且覆盖层多为租粒碎屑 岩，这种煤系地层往往不利于瓦斯的封存，故而煤层的瓦斯含量般都较低。 7 、水文地质条件 地下水活跃的地区，通常煤层的瓦斯含量较小，这不仅是因为这里的天然裂隙比较 1 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 发育，而且处于开放状态，是瓦斯排放的直接通路；同时，水被吸附在裂隙和孔隙的表 面后还降低了煤对瓦斯的吸附能力、并增大了瓦斯排放能力；此外，尽管瓦斯溶于水的 程度不高，但地下水在漫长的地质年代往往可以带走数量可观的瓦斯。另一个不可忽视 的事实是，由于地下水的溶蚀作用，还会带走大量的矿物质，导致煤系地层的天然卸压， 地应力降低，而地应力的降低，则会引起煤层及围岩透气性增大，从而加强了煤层瓦斯 的流失。因此，目前许多矿井所谓的“水大瓦斯小，水小瓦斯大”就是这个原因。 8 、地质构造 煤形成以后经历了漫长的地质历史时期，后期的构造活动对它们普遍进行了不同程 度约改造，由于成煤时期先后有别，构造运动因她而异，因而瓦斯在煤田分布状况，形 态特征、赋存条件等方面均表现出很大的差别。 区域构造【5 】从规模上看主要是指煤田的主体构造和控制井田划分的主要构。不同形 态类型的地质构造，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口n ，开放性地质构造有利 于排放瓦斯。 一、褶皱构造 闭合而完整的背斜或弯窿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 1 ab ) 。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小。 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( 见图2 1 f ) 。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 1 cde ) 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 - l f g ) ，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。 1 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 添t谣 0j 3 ( 1 。) ( f ) ( 9 ) 图2 1 几种常见的瓦斯储存结构1 2 0 】 f i g 2 一ls e v e r a lf a m i l i a rs t o r a g es t r u c t u r e so f g a s 1 一一不透气性岩层；2 - - - - 瓦斯含量增高部位；3 一一煤层 二、断裂构造 断层对瓦斯含量的影响比较复杂，一方面要看断层( 带) ；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瓶含量降低，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 - 2 ab ) 。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) 而且与煤层接触的对盘岩层透气性低时，可以 阻止煤层