矿井瓦斯防治教案.doc

中国煤矿安全生产网 安 徽 理 工 大 学教 案 课程名称 矿业瓦斯防治 任课教师 石必明 院(系、部)能源与安全学院 教 研 室 安全工程 第 1 次 课日期 周次 1 星期 2 学时第一部分 矿井瓦斯防治技术重点：瓦斯的概念及性质，瓦斯的成因，瓦斯赋存规律。难点：瓦斯赋存和运移规律。第1章 煤层瓦斯赋存与含量1.1 矿井瓦斯的概念与性质一、矿井瓦斯的含义广义：井下除正常空气的大气成份以外，涌向采矿空间的各种有毒、有害气体总称。狭义：煤矿生产过程中从煤、岩内涌出的，以甲烷为主要成份的混合气体总称。 矿井瓦斯成分很复杂，其主要成分是甲烷(CH4)，其次是二氧化碳(CO2)和氮气(N2)，还含有少量或微量的重烃类气体（乙烷、丙烷、丁烷、戊烷等）、氢（H2）、一氧化碳（CO）、二氧化硫(SO2)、硫化氢(H2S)等。 由于甲烷（俗称沼气）是矿井瓦斯的主要成分，因而人们习惯上所说的瓦斯，通常指甲烷而言。 来源： （1）煤、岩层涌出（烷烃、环烷烃、芳香烃）； （2）生产过程中产生（CO2、NO2、H2等） （3）井下化学、生物化学反应生成 （CO2、H2S、SO2）； （4） 放射性元素蜕变过程生成（Rn、He等）二、CH4的性质 无色、无味、无嗅的气体，可燃烧、爆炸； 分子量：16.049，分子直径：0.41nm， 密度：0.716Kg/m3（气态）、 424.5 Kg/m3（液态） 相对空气密度：0.554, 难溶入水:101.3 KPa , 20 , 3.31l/100lH2O三、 CH4的危害及其经济价值 1、危害性 （1） 燃烧、爆炸 （2）窒息 （3）喷出、突出2、重要能源 CH4 + 2O2 CO2 + 2H2O + Q 1m3CH4 37022.2kJ 相当于11.5Kg烟煤。 重要的化工原料。1.2 煤层瓦斯的成因 有机源气体-腐植有机物（高等植物）成煤过程。煤层瓦斯是腐植型有机物（植物）在成煤过程中生成的两个阶段： （1）生物化学阶段（从植物遗体到泥炭）隔绝空气 微生物 4C6H10O5 7CH4 + 8CO2 + C9H6O + 3H2O(纤维素)特点：埋藏浅，覆盖层胶结不好，煤层保存气体少。（2）变质阶段（从泥炭到烟煤） 泥炭 褐煤 烟煤 无烟煤如：4C16H18O5 C57H56O10 + 4CO2 + 3CH4 + 2H2O（褐煤） C57H56O10 C54H42O5 + CO2 + 2CH4 + 3H2O（烟煤）（褐煤） C54H42O5 C13H4 + 2CH4 + H2O（无烟煤）（烟煤）v 特点：（1）碳化过程生成的大量气体。初期：主要为CO2，CH4不多。随着碳化程度的提高，CO2减少，CH4增多，同时生成重烃。（2）碳化的同时，煤的物质分子式、结构发生变化；（3）因覆盖层增厚，生成的气体大多得以保存。但煤层瓦斯含量远小于生成量。 减少的原因:（1）地质构造运动； （2）运移到适于贮存地点，形成气藏； （3）溶解于水中（长久地质年代过程中）； （4）逸散于大气中（从煤层露头）。（3）其它主要气体 CO2成因： 变质生成。易逸散于大气中，溶解于水，生成碳酸盐，所以，深部煤层中很少含有CO2； 生物化学作用，浅部生物圈内（微生物生化作用）； 火山活动，岩浆接触变质，生成大量CO2。如：窑街、营城局； 煤氧化。特别是煤的低温氧化。 N2 来自大气。与氩的比例与空气一致。 He 放射性元素蜕变的产物。1.3 煤层瓦斯赋存的垂直分带性煤层瓦斯主要成分：CH4、CO2、N2。形成原因：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，使煤层内的瓦斯呈现出垂直分带特征。瓦斯空气-1000m-800m-600m-400m-200m四带： CO2- N2带、N2带、N2CH4带、CH4带。现场实际过程中，将前三带总称为瓦斯风化带。CO2N2带N2带N2CH4带CH4带瓦斯风化带瓦斯垂直分带性煤层垂向各带气体组份表v 划分的意义：掌握本煤田煤层瓦斯垂直分带的特征，是搞好矿井瓦斯涌出量预测和日常瓦斯管理工作的基础。 规律： 瓦斯风化带内，涌出量与深度之间无规律性。 瓦斯风化带内，无突出危险性。 在CH4带内，瓦斯风化带下界深度确定依据： 根据下列指标中的任何一项确定： （1）煤层的相对瓦斯涌出量等于23m3/t处； （2）煤层内的瓦斯组分中甲烷及重烃浓度总和达到80%（体积比）； （3）煤层内的瓦斯压力为0.10.15MPa； （4）煤的瓦斯含量达到下列数值处：长焰煤1.01.5 m3/t（C.M.），气煤1.52.0m3/t（C.M.），肥煤与焦煤2.02.5m3/t(C.M)，瘦煤2.53.0m3/t(C.M.)，贫煤3.04.0m3/t(C.M.)，无烟煤5.07.0m3/t(C.M.)（此处的C.M.是指煤中可燃质既固定碳和挥发分）第 2 次 课日期 周次 1 星期 2 学时重点：煤的孔隙结构、成因及分布规律，煤的吸附特性，煤的孔隙率与煤的破坏程度的关系。难点：煤的吸附特性。1.4 煤的孔隙特征 煤是一种复杂的孔隙性介质，有着十分发达的各种不同直径的孔隙和裂隙。形成庞大的自由空间和表面。 煤是一种孔隙-裂隙性介质，它决定煤-CH4体系的许多特性。EX： 集气性 - CH4的存在形态、含量，etc; 渗透性 - 流态、流出形式、涌出量；力学特性-强度、弹性、脆性。一、孔隙分类为了研究瓦斯在煤层中的赋存与流动，将煤中孔隙分类如下：类别直径/mmCH4的存在形态微孔10-5吸附、吸收小孔10-5 10-4吸收、游离中孔10-4 10-3表面吸附、游离大孔10-3 10-1游离煤中的微孔 80%二、表示孔隙特性的参数1、孔隙率（f） - 单位体积固体具有的孔隙容积。表示式： f -孔隙率，%； V-固体（含孔隙）的体积，cm； V0-实体（不含孔隙）的体积，cm。假设 M为固体质量，g; -固体假密度，g/cm3; o-固体真密度，g/cm3;则有： 通过实验确定。或利用经验公式计算。 当 2、孔容（比孔容）-f -单位质量固体具有的孔隙容积。表示式： cm3/g同上，可推得： 所以：3、比表面 -固体单位质量或单位体积具有的孔隙总表面积。4、孔隙结构 -各类孔隙在总孔隙中所占百分比。分类孔隙体积百分比/%孔隙表面积百分比/%微微孔12.562.2微孔42.235.1小孔28.12.5中孔17.20.2 微孔所占比例大，且比表面积也大。三、煤、岩孔隙的基本特点1、各类煤岩的孔隙率差别很大，不同的煤需具体测定。 我国一些矿井煤的孔隙率矿 井挥发份/%孔隙率/%抚顺老虎台矿45.7614.05鹤岗大陆31.8610.6开滦马家沟12煤26.86.59本溪田师付8煤13.716.7阳泉三矿3 煤6.6614.1焦作王封大煤5.8218.52、煤的孔隙率与炭化程度的关系 长焰煤开始 Vr f 到焦瘦煤达到最小 Vr/%f /%焦煤 瘦煤长无 3、煤的孔隙率与煤的破坏程度的关系（1）未受构造应力破坏的煤 微孔达 80% 90%，大孔很少，无外生裂隙。煤层瓦斯含量大，但瓦斯涌出量不大，涌出速度慢，涌出时间长。（2）破坏型煤 各种孔均存在，随着煤的破坏程度增大而增加。游离瓦斯含量高，易涌出，衰减快，可能发生突出。（3）构造煤 在地应力作用下，煤破碎成0.1mm的煤粒，再被压成煤砖状。 各类孔均存在，瓦斯含量高，卸压后，f ，瓦斯涌出量 ，易突出。4、孔隙率与外加压力（地应力）关系式中：f-受压状态下的孔隙率； f0-未受压状态孔隙率； -压应力； -压缩系数。 f 一般地，微孔不压缩。Exp: 17MPa时，f 减少20%，因为微孔不变，大中孔减少4050%备注： （1）H f （2）卸压后（受采动影响） f （3）对煤的吸附性影响很小。1.5 煤的吸附特性一、概述1、吸附现象 -气体分子与固体表面分子间相互作用，气体分子暂时停留在固体表面上的现象。 吸附剂-能吸附其它物质的介质，如：煤； 吸附质-被吸附的物质，如CH4 。2、吸附分类 根据吸附方式分： 表面吸附（吸着）-在吸附剂表面吸附一层或多层吸附质分子。 容积吸附（吸收）-吸附质分子紧密地充满于吸附剂的微小孔隙内，类似于溶质溶解于溶剂中。 根据吸附作用力分：A）物理吸附特点：、作用力为范德华力，作用距离极小（1/r7）,仅限于界面附近； 、可逆的-不稳定的动平衡。P or tP or t解吸吸附 、吸附是一种放热反应，解吸，吸热。 如：煤-CH4，吸附热：0.51.2 Kj/molB）化学吸附 作用力为离子键，不可逆。二、吸附线和吸附方程 吸附量决定于： 吸附质性质（不同气体）； 吸附剂性质； 吸附温度； 吸附压力。1、吸附线 - 吸附剂和吸附质，在一定温度（t）或一定压力(P)下，吸附量与 P 或 t 之间的关系曲线。t=consttP=constPX等温吸附线X等压吸附线2、吸附方程A）Langmuir方程（1916年） 理论计算式：式中：X-给定温度下的吸附量，m3/t； a-吸附常数，极限吸附量，m3/t； b-吸附常数，Mpa-1; P-吸附平衡时的气体压力，Mpa。 a、b通过实验室测定得出。实际算式：其中：B) 弗洛德里希方程（1906） 式中：k、n-系数； P-气体压力。C）都必林方程式中：a0-极限吸附瓦斯量，cm/g； E-吸附能，j/mol； P0-极限吸附时的气体压力,Mpa； P-吸附压力,Mpa； T-吸附温度； n-吸附结构系数。三、影响煤与瓦斯吸附量的主要因素1、瓦斯压力 t=const , P X 2、温度 P = const t X 温度每升高1，吸附瓦斯的能力降低约8%。3、瓦斯的性质 对于特定的煤，在t、P一定时， CO2的吸附量 CH4的吸附量 N2的吸附量 4、煤的变质程度 变质程度反映了煤的表面积与化学组成。 变质程度越高（Vr ） X 5、煤中的水份 水份的增加使煤的吸附能力降低。 艾琴格尔经验式：式中：Xch-含有水份时瓦斯吸附量； Xg-不含有水份时瓦斯吸附量； W-水份含量。6、煤中的灰份（Ac） 灰份不吸附瓦斯，我国习惯于用可燃基作单位。第 3 次 课日期 周次 1 星期 2 学时重点：煤层瓦斯压力概念、成因及分布规律，煤层瓦斯压力测定方法，煤层瓦斯含量及影响因素。难点：煤层瓦斯压力分布及煤层瓦斯含量。 1.6 煤层瓦斯压力一、瓦斯压力的含义 -煤层孔隙或裂隙内气体分子自由运动撞击所产生的作用力，它在某一点上各向大小相等，方向与孔隙壁垒垂直。 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。二、煤层瓦斯压力分布的一般规律1、在未受采动影响煤层内（1）沿深度(沿煤层倾向) 符合气体状态方程，即：P=f(v-1,t)， 其中：v为孔容，t为煤温。H ，V ，T 但不明显H P 未受采动影响的煤层内 的瓦斯压力，随深度的增加而有规律地增加，可以大于、等于或小于静水压。存在：n-系数，通常取n=1。存在： （H1,P1）(H2,P2)(H,P)H(m)P(MPa)gp-煤层瓦斯压力梯度，Mpa/m。根据瓦斯压力梯度可以预测深部煤层瓦斯压力。预测计算式：式中： P预测的甲烷带内深H(m)处的瓦斯压力，MPa gp瓦斯压力梯度，MPa/m特例：式中：P0-甲烷带上部边界处瓦斯压力，取0.2MPa 。 H0-甲烷带上部边界深度，m。 举例：某矿瓦斯风化带深度为100m，在200m处测得煤层瓦斯压力为0.5MPa，预测300m处煤层瓦斯压力。（2）沿走向 在地质条件相近的块段内，相同深度的同一煤层，具有大体相同的瓦斯压力。 条件： A）孔隙、裂隙互相连通，形成一个统一的体系； B）等量的瓦斯处于孔隙容积相同的不同体系内。 C）不等量的瓦斯处于孔隙容积按同比例的不同体系内。 即： 实际上，只能“大体相同”，而且可能差别。2、采动影响区煤层 f , Xf , P发生变化，十分复杂，一般随深度增加瓦斯压力逐渐增大。二、煤层瓦斯压力测定 瓦斯压力测定：打钻、封孔、测压 1、主要设备及仪表 钻机、测定管、压力表。 2、测压步骤A）打钻 要求：测定地点无大裂隙，不位于破坏带，含水小。 一般由围岩向煤层打穿层钻孔，钻孔直径 4575mm。 B）封孔 钻孔到位后，用压气清渣。 封孔方法分为：v 固体材料封孔 一般采黄泥作为固体材料。封孔材料：炮泥、水泥，木楔；封孔器。 5m0.4m0.2m水泥固体材料挡盘导气孔测压室固体材料封孔测定瓦斯压力示意图木楔导气管（1520m紫铜管或铁管）v 水泥砂浆封孔 为了克服粘土封孔费工费时劳动强度较大的缺点，国内外不少矿井采用以压缩空气为动力，将水泥砂浆压入钻孔的封孔工艺。 适用条件：封孔倾角超过45、深度大于15m的钻孔。 水泥沙浆配比：500号水泥：砂石：水：铝粉（或石膏）：10.5：0.00083m测压管检查管注浆管v 胶圈粘液封孔测定瓦斯压力 原理：用膨胀着的胶圈封高压粘液，再由高压粘液封高压瓦斯，由压力表测定瓦斯压力。测压管胶圈注粘液3、注意事项（1）测压空间尽可能小；（2）钻孔打完后，立即封孔，尤其是低透气性煤层；（3）防止漏气；（4）足够长的观察时间；（5）防止地下水的影响，尽可能不穿含水层，必须穿过含水层时，封孔应超过含水层。1.7 煤层瓦斯含量一、瓦斯在煤层中的存在状态 煤体是一种复杂的多孔性固体，包括原生孔隙和运动形成的大量孔隙和裂隙，形成了很大的自由空间和孔隙表面。1、游离状态 主要存在于大、中孔、裂隙空间内，其间瓦斯分子作自由热运动，显示相应的瓦斯压力。 在现今采深下，占瓦斯总量的 5 12%。2、吸附状态 主要存在于小孔和微孔空间内。分为表面吸附和吸收两种状态。占瓦斯总量的 80%。P或t升高P或t降低游离状态瓦斯游离状态瓦斯吸附状态瓦斯3、其它形态-结晶水化物 问题提出： 结晶水化物的形式： 形成条件：低温、高压。对CH4: t=0时，P2.0MPa t=5时，P4.8MPa t=10时，P8.0MPa 对C2H6: t=0时，P0.6MPat=5时，P1.3MPat=10时，P2.5MPa对C3H8: t=0时， P0.1MPat=2.5时，P0.3MPa乙烷和丙烷生成水化物的条件比CH4低得多 二、煤层瓦斯含量1、含义：单位质量或体积的煤中含有的瓦斯量。m3/m3，m3/t。 煤层瓦斯包含： 游离瓦斯量 和 吸附瓦斯量2、瓦斯含量计算 （1）游离瓦斯量 由气体状态方程：考虑到瓦斯气体可压缩性，则有：粗略计算，假设：则：式中：P-煤层瓦斯压力，Mpa； V-煤的孔容。（2）吸附瓦斯量-Xx 一般采用朗格缪尔方程计算。 其中： （3）煤层瓦斯含量-X X = Xg + Xx m3/t三、煤层瓦斯含量的测定1、直接测定法勘探钻孔煤芯解吸法主要测定步骤： 1）现场采样与瓦斯解吸速度的测定v12、损失瓦斯量的计算v2 t0装罐前时间； t装罐后时间； v解吸瓦斯体积。 0200400600800200400600800V/ml ）煤样剩余瓦斯解吸v3 包括：I) 煤样粉碎前脱气； ii) 煤样粉碎后脱气 总瓦斯量：V=V1+V2+V3 经过状态变换和计算可得煤层原始瓦斯含量。2、瓦斯含量系数法 测定原理：煤层瓦斯含量与瓦斯压力之间，大致存在如下关系： 式中： 瓦斯含量系数，m3/(m3.MPa0.5)，通过实验室测定得出； P煤层瓦斯压力，Mpa； X煤层瓦斯含量，m3/m31.8 影响煤层瓦斯含量的主要因素 煤层瓦斯含量主要取决于： 瓦斯向煤层运移条件； 煤层贮存瓦斯的性能。具体包括以下几点： 1、煤的碳化程度 在煤化作用过程中，不断地产生瓦斯，煤化程度越高，生成的瓦斯量越多。因此，在其它因素相同的条件下，煤的变质程度越高，煤层瓦斯含量越大。 2、煤层的赋存状态（1）露头 成煤的地质年代中，若有露头长时间与大气相通，瓦斯沿煤层流动，煤层瓦斯往往沿煤层露头排放，瓦斯含量大为减少。（2）煤层倾角 煤层倾角愈大，煤层瓦斯含量愈低。Exp:芙蓉矿，北翼：40 80 , 南翼：6 12 ，（3）埋藏深度 在近代开采深度内，CH4带内， ，但是如果埋藏深度继续增大，瓦斯含量增加的速度将要减慢。 3、煤层和围岩的透气性 煤层围岩是指煤层直接顶、老顶和直接底板等在内的一定厚度范围的层段。煤层围岩对瓦斯赋存的影响，决定于它的隔气、透气性能。 当煤层顶板岩性为致密完整的岩石，如页岩、油母页岩时，煤层中的瓦斯容易被保存下来； 顶板为多孔隙或脆性裂隙发育的岩石，如砾岩、砂岩时，瓦斯容易逸散。 exp:北京京西煤矿，不论是下侏罗统或是石炭二叠系的煤层，尽管煤的牌号为无烟煤，由于煤层顶板为1216m的厚层中粒砂岩，透气性好，因此煤层瓦斯含量小，矿井瓦斯涌出量低。 4、地质构造 是影响煤层瓦斯含量的主要因素之一。 表现：一方面是造成了瓦斯分布的不均衡，另一方面是形成了有利于瓦斯赋存或有利于瓦斯排放的条件。(1) 褶皱构造褶皱的类型、封闭情况和复杂程度，对瓦斯赋存均有影响。当煤层顶板岩石透气性差 ，且未遭构造破坏时，背斜有利于瓦斯的储存，是良好的储气构造，背斜轴部的瓦斯会相对聚集，瓦斯含量增大。形成“气顶”。 在向斜盆地构造的矿区，顶板封闭条件良好时，瓦斯沿垂直地层方向运移是大部分瓦斯仅能沿两翼流向地表。 煤包、地 垒、地堑都为高瓦斯区。（2）断层 断层破坏了煤层的连续完整性，使煤层瓦斯运移条件发生变化。有的断层有利于瓦斯排放，也有的断层对瓦斯排放起阻挡作用，成为逸散的屏障。前者称开放型断层，后者称封闭型断层。 断层的开放与封闭性决定于下列条件： a. 断层的性质和力学性质。一般张性正断层属开放型，而压性或压扭性逆断层封闭条件较好。 b. 断层与地表或与冲积层的连通情况。规模大且与地表相通或与冲积层相连的断层一般为开放型。 c. 断层将煤层断开后，煤层与断层另一盘接触的岩层性质。若透气性好则利于瓦斯排放。 d. 断层带的特征。断层带的充填情况、紧闭程度、裂隙发育情况等都会影响到断层的开放或封闭性。一般地，开放性断层，不论其与地表是否连通，其附近，瓦斯含量低。 封闭性断层（受压影响），可阻止CH4的排放。 5水文地质条件 地下水与瓦斯共存于煤层及围岩之中，其共性是均为流体，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，一方面驱动着裂隙和孔隙中瓦斯的运移，另一方面又带动溶解于水中的瓦斯一起流动。 瓦斯在水中的溶解度仅为14%。地下水和瓦斯占有的空间是互补的，这种相逆的关系，常表现为水大地带瓦斯小，反之亦然。6岩浆活动 岩浆活动对瓦斯赋存的影响比较复杂。一方面，在岩浆热变质和接触变质的影响下，煤的变质程度升高，增大了瓦斯的生成量和对瓦斯的吸附能力。另一方面，在没有隔气盖层、封闭条件不好的情况下，岩浆的高温作用可以强化煤层瓦斯排放，使煤层瓦斯含量减小。 所以说，岩浆活动对瓦斯赋存既有生成、保存瓦斯的作用，在某些条件下又有使瓦斯逸散的可能性。 第 4 次 课日期 周次 2 星期 2 学时重点：煤层瓦斯流动规律，煤层瓦斯涌出量及主要影响因素。难点：煤层瓦斯涌出量。第二章 矿井瓦斯涌出包括：普通涌出和特殊涌出2-1 煤层瓦斯流动的基本规律一、煤层瓦斯流场的分类 煤层内瓦斯流动空间的范围称为流场。流场内瓦斯呈现流动。有一定的：流向、流速、 、 。1、按流场的流向分类A）单向流动（一维）：在x、y、z三维空间中，只有一向有流速。如:薄及中厚煤层 掘进面,采煤工作面煤壁。瓦斯流向瓦斯流向等压瓦斯线等压瓦斯线B）径向流场 在x、y、z三维空间中，两个方向有流速。Exp：石门、竖井、钻孔垂直穿透煤层时。 等腰三角形压瓦斯线平行煤壁近似同心圆形。瓦斯流场等压瓦斯线C）球向流场 在x、y、z三维空间中，三个方向均有流速。 Exp:厚煤层中煤巷掘进工作面煤壁内、钻孔或石门进入煤层等。2、流场稳定性分类-按流场在时间上有无变化 稳定流场-流场内任何一点的流速、流向、瓦斯压力均不随时间变化。 非稳定流场-反之。二、煤层瓦斯流动的基本定律 两类：扩散、渗流1、瓦斯扩散运动 瓦斯在小孔（1m）与微孔（ 0.1m ）内运移主要是扩散运动，即瓦斯分子在其浓度梯度作用下由高浓度向低浓度方向运移。可用Fick定律描述，即：式中：D-扩散系数； -瓦斯浓度梯度； dt-时间增量； dm-在dt时间内通过单位面积的扩散量。2、煤粒扩散运动方程 若煤层由服从Fick定律的煤粒组成，根据Fick定律和质量守恒定律，得煤粒扩散运动微分方程。 式中：X-煤粒瓦斯含量； r-煤粒内任一点半径。3、瓦斯渗透运动 瓦斯在中孔（1m）以上的孔隙或裂隙内，由于压差作用下而产生的运动。 流态：层流，粘性力为主，Re110. 紊流，惯性力为主 线性层流渗透定律-Darcy定律表述式 式中：K-煤层的渗透率，m2；-流体的绝对粘度，Pa.S; -流体的压力梯度,Pa/m。 VRe=10 Darecy定律适应范围讨论： a) 低Re区，Re110，为线性流，符合Darecy定律； b) 中Re区，Re=10100，非线性渗流，不符合Darecy定律； c）高Re区， Re100，紊流区。大多数情况下，煤层的瓦斯流动表现为服从Darecy定律。 非线性渗透定律-日本 式中 Vn-无因次流速； a-煤的瓦斯渗透性系数； m-指数； -无因次瓦斯压力梯度。 渗透微分方程 由Darcy定律和质量守恒定律，可推导得： 三、煤层透气性系数 是煤层瓦斯流动难易程度的标志。1、渗透系数（k） Darecy定律， k-渗透率，表示孔隙裂隙介质特征的参数。 注：只与孔隙介质的孔隙多少、大小、形态、连通状况等有关，与流体的性质和压力无关。2、透气系数（） 利用气体状态方程对Darecy表达式进行变换得：即： 煤层瓦斯透气性系数，m2/MPa2.d物理意义：断面为1m2的煤体两侧，瓦斯压力平方梯度为1MPa2/m时，流过的流量恰为1m3/d时的介质透气性。透Mpa/mQ=1m3/dS=1m2 注意：表示给定气体在给定孔隙介质内的流动特性， 对于其它气体必须根据它们的绝对粘度进行换算。 说明：（1）煤层透气性系数相差很大。 （2）与地压的关系。 4、煤层透气性系数的测定（1）中矿法-钻孔流量法（2）马可尼法-压力恢复法。2.2 煤层瓦斯涌出量及主要影响因素一、瓦斯涌出的概念 1、瓦斯涌出量的含义 -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。 2、瓦斯涌出量表示方法 A）绝对瓦斯涌出量 -单位时间涌出的瓦斯体积，单位为m3/d或m3/min： Qg=QC/100 式中 Qg绝对瓦斯涌出量， m3/min； Q风量， m3/min； C风流中的平均瓦斯浓度，。 B）相对瓦斯涌出量 - 矿井正常生产条件下，平均日产一吨煤所涌出的瓦斯体积 。 qg=Qg/A 式中：qg 相对瓦斯涌出量，m3/t； Qg 绝对瓦斯涌出量，m3/d； A 日产量，t/d 说明： （1）相对瓦斯涌出量单位的表达式虽然与瓦斯含量的相同，但两者的物理含义是不同的，其数值也是不相等的。 （2）相对涌出量的单位： m3/t，过去采用： m3/(t.d)是不正确的。 3、瓦斯涌出强度-比瓦斯涌出量 - 单位时间（min or d），单位暴露面积（cm2 or m2）涌出的瓦斯体积。 单位：m3/(d.m2)，m3/(min.m2)，cm3/(min.cm2)。4、瓦斯涌出形式 - 指矿井瓦斯在时间、空间上的分布形式。（1）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。（2）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、间隔的 空间上：非普遍存在 涌出强度：产生动力破坏。二、掘进巷道的瓦斯涌出1、煤巷掘进工作面瓦斯涌出的构成及变化（1）构成 巷道壁、迎头煤壁、采落煤炭。 瓦斯涌出强度随时间 的涌出而降低。掘进巷道tGtQCH4机掘（2）时空不均匀性机掘：开机后，瓦斯涌出量逐渐增大，达到极限稳定值。炮掘：放炮后（69min），瓦斯涌出迅速增长（520倍），然后下降经过一段时间恢复到初始值。tQCH4炮掘 时间与空间上存在瓦斯涌出与浓度的不均匀性是种潜在危险。tG2、排瓦斯带深度 t G 当 t 达到一定时间后， 煤壁基本上不涌出瓦斯 时的瓦斯影响深度。 3、煤巷排瓦斯极限期-Tj 煤壁涌出瓦斯随着暴露时间的延长而逐渐减小，当达到Tj时，瓦斯涌出接近零，此时间称为排瓦斯极限期。4、掘进巷道瓦斯涌出量计算暴露面采落煤炭 三、回采工作面瓦斯涌出1、瓦斯涌出来源 本开采煤层：煤壁、采空区、采落煤炭； 厚煤层未采分层； 采动影响邻近层； 围岩。2、时空不均匀性A）落煤、放煤时与平均瓦斯涌出相比。 水采：24倍；炮采：1.42.0倍；机采：1.3 1.6倍；风镐：1.1 1.3倍。B）从切眼起逐渐增大，达到一定距离后稳定（初次来压后），随老顶周期来压，瓦斯涌出呈周期性变化。C）对上行通风，从工作面下口至上口，瓦斯浓度逐渐增大，上隅角达到最大。12C/%C）沿走向方向瓦斯浓度分布X/mC/%有采空区瓦斯涌出X/mC/%无采空区瓦斯涌出4、回采工作面瓦斯涌出量计算（1）开采层瓦斯涌出量A）瓦斯含量法 lB）瓦斯涌出规律计算v 工作面煤壁瓦斯涌出：煤壁剩余瓦斯含量：每m3煤涌出瓦斯量：煤壁瓦斯涌出量：v 采落煤炭瓦斯涌出：煤壁剩余瓦斯含量：每m3煤涌出瓦斯量：采落煤炭瓦斯涌出量：开采层瓦斯涌出量：（2）邻近层瓦斯涌出量 邻近层-受采动影响能向开采煤层涌出瓦斯的煤层。式中：Ql-上下邻近层瓦斯涌出量； V-工作面推进速度； l-工作面斜长； X0i-第I邻近层原始瓦斯含量； mi-第I邻近层厚度; i-第I邻近层瓦斯涌出率； Xi-第I邻近层残余瓦斯含量； a、c-系数。（3）回采工作面瓦斯涌出量式中：Qb-本煤层瓦斯涌出量； Ql -邻近层瓦斯涌出量； Ct-取决于通风系统的系数。5、瓦斯涌出不均匀性 矿井瓦斯涌出在时、空上都是不均匀的。正常变化：在某一地区瓦斯涌出的周期性变化， 变化幅度某一数值。异常变化：特殊情况的变化（突出、喷出、大冒顶、大气压急剧变化）。 矿井风量计算时一般取平均瓦斯涌出量，为满足周期变化的需要，应考虑一个系数 kg-瓦斯涌出不均系数。v 瓦斯涌出不均系数的含义： -某一段时间内，周期性最大瓦斯涌出量与平均瓦斯涌出之比。 矿井瓦斯涌出不均系数表示为： kg=Qmax/Qa 式中：kg给定时间内瓦斯涌出不均系数，一般大于1； 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；tQ/m3/minQaQmax6、影响瓦斯涌出量的主要因素 决定于自然因素和开采技术因素的综合影响。 （一） 自然因素 1、煤层和围岩的瓦斯含量 它是决定瓦斯涌出量多少的最重要因素。一般地，煤层的瓦斯含量越高，开采时的瓦斯涌出量也越大。 Exp：焦作中马村矿, 淮南谢二矿C13煤，2、地面大气压变化。 对回采工作面采空区和老空区、塌陷区、冒顶区瓦斯涌出有明显影响。美国：19101960，1/2的爆炸发生在气压急剧变化时期。（二）开采技术因素 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。 A、在甲烷带内，随着开采深度的增加，相对瓦斯涌出量增大。 B、开拓与开采的范围越广，煤岩的暴露面就越大，因此，矿井瓦斯涌出量也就越大。 C、矿井产量与矿井瓦斯涌出量间的关系比较复杂，达产前、达产后及产量收缩期。 2、开采顺序与回采方法 首先开采的煤层（或分层）瓦斯涌出量大；采空区丢失煤炭多，回采率低的采煤方法，采区瓦斯涌出量大。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，临近层瓦斯涌出量就比较大。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。所以落煤时瓦斯涌出量总是大于其它工序。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。tC/%tC/%tC/%tC/%单一煤层风量增大单一煤层风量减少采区风量增大采区风量减少 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。全部进入进回皆煤部分进入进回皆空小部分进入进煤回空大全部进入进空回煤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（可达6070%），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。四、瓦斯积聚层 瓦斯积聚：瓦斯浓度超过2%，其体积超过0.5m3的现象。 瓦斯积聚层：瓦斯在其自身浮力作用下上升，积聚于巷道顶板形成稳定的瓦斯层。 原因：1）巷道周壁不断涌出瓦斯（