瓦斯基础理论及瓦斯治理技术课件

2015年11月瓦斯基础理论及瓦斯治理技术中煤科工集团院重庆研究院龙伍见研究员2015年11月瓦斯基础理论及瓦斯治理技术中煤科工集团院重庆内容提要瓦斯研究分院

致力安全科技提升生命保障矿井瓦斯的基本特征煤层瓦斯的生成及赋存煤层瓦斯基本参数及测定矿井瓦斯涌出及预测瓦斯防治概述通风瓦斯治理技术煤矿瓦斯抽采技术瓦斯综合防治方法内容提要瓦斯研究分院致力安全科技一、矿井瓦斯的基本特征瓦斯研究分院

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1.矿井瓦斯的定义广义的矿井瓦斯是指从煤（岩）涌入矿井巷道的自然瓦斯，采掘生产过程中形成的瓦斯，空气与有用矿物、围岩、支架和其它材料之间的化学反应、生物化学反应所形成的瓦斯的总称。各种类型的瓦斯具有不同的成因和性质，其中的一部分（甲烷及其同系物、H2、CO、H2S）是可燃的，与空气混合可形成爆炸混合物；另一部分（CO、NO、H2S、NH3、含硫的气体、乙醛、汽油蒸气、汞和砷的蒸气）是有毒的，对人体有危害；第三部分（CO2、N2、Ar及其同系物）属于惰性气体，只有当其浓度大大超过空气中的正常含量时才对人体有害。一、矿井瓦斯的基本特征瓦斯研究分院致一、瓦斯的基本特征瓦斯研究分院

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煤层瓦斯是储存在煤层内的气体，是构成矿井瓦斯的最主要部分。煤层瓦斯也是多种气体的混合物，其成分比较复杂。国内外对煤层瓦斯组分的大量测定表明，煤层瓦斯约有20种组分：甲烷及其同系烃类气体（乙烷、丙烷、丁烷、戊烷、己烷等）、二氧化碳、氮、二氧化硫、硫化氢、一氧化碳和稀有气体（氦、氖、氩、氪、氙）等。其中甲烷及其同系物和二氧化碳是成煤过程的主要产物。当煤层赋存深度大于瓦斯风化带深度时，煤层瓦斯的主要组分（＞80%）是甲烷。因此，习惯上提到的煤层瓦斯往往就是甲烷。狭义上讲，矿井瓦斯和煤层瓦斯都是仅指甲烷气体而言。一、瓦斯的基本特征瓦斯研究分院致力安一、矿井瓦斯的基本特征瓦斯研究分院

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2.瓦斯的基本性质化学式：CH4分子量：16.042kg/kmol

密度：0.7168kg/m3沸点：-161.7℃（0.1MPa）

液态密度：415kg/m3水中的溶解度：55.6l/m3发热量：8568大卡/m3分子直径：0.41×10-9m分子体积：22.36m3/kmol对空气的比重：0.5545溶点：-182.5℃扩散系数：0.196cm2/s空气中的爆炸下限：5%空气中的爆炸上限：15%一、矿井瓦斯的基本特征瓦斯研究分院致一、矿井瓦斯的基本特征瓦斯研究分院

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瓦斯的化学名称叫甲烷（CH4），是一种无色、无味、无毒、可燃的气体，比重比空气轻，溶解度很低，极难溶于水。

案列：湖南省嘉禾县何家山煤窑糊涂地认为，瓦斯大时能用鼻子闻出来，他们没有瓦斯检测设备，靠人闻瓦斯。1989年4月28日，该矿发生特大瓦斯爆炸事故，当场死亡17人。

瓦斯气体对煤矿而言既是一种有害气体，也是一种洁净能源和优质化工原料。一、矿井瓦斯的基本特征瓦斯研究分院致一、矿井瓦斯的基本特征瓦斯研究分院

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3.瓦斯的危害性（1）污染大气环境，加剧大气“温室效应”（2）可造成瓦斯窒息事故●瓦斯浓度≥43%时，呼吸短促●瓦斯浓度达≥57%时，即刻昏迷（3）可酿成瓦斯燃烧事故●瓦斯浓度低于≤5%或≥15%（4）引起瓦斯爆炸事故●瓦斯浓度在5～15%（5）产生煤与瓦斯突出事故一、矿井瓦斯的基本特征瓦斯研究分院致一、矿井瓦斯的基本特征瓦斯研究分院

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4.瓦斯的利用：

（1）能源

1）发电：煤发电厂热效率最高为40%，煤层气电厂可达56%，鼓励采用单机容量500千瓦及以上的煤矿瓦斯发电机组，以及大功率、高参数和高效率的煤矿瓦斯发电机组；

2）燃料：①工业燃料：锅炉燃料、金属冶炼、陶瓷玻璃工业；②民用燃料：煤制气热值低(14.6kJ/m3)，煤层气热值高(35.6kJ/m3)，天然气是21世纪中国城市民用燃气首选燃料；③汽车燃料，改善汽车尾气对大气的污染。④热电冷联供瓦斯发电余热制冷矿井降温。一、矿井瓦斯的基本特征瓦斯研究分院致一、瓦斯的基本特征瓦斯研究分院

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（

2）原料

1）煤层气制合成氨，世界合成氨的73.7%来自天然气，我国合成氨的18%来自天然气；

2）甲醇80%由天然气生产；

3）煤层气制乙炔，由天然气部分氧化法生产乙炔，由乙炔生产PVC制品；

4）煤层气制炭黑；

5）煤层气制甲醛；

6）煤层气制乙醇。

一、瓦斯的基本特征瓦斯研究分院致力安瓦斯研究分院

致力安全科技提升生命保障1、煤层瓦斯的生成煤层瓦斯是腐植型有机物在成煤过程中生成的，成气过程可分为两个阶段。

（1）生物化学成气时期在植物沉积成煤初期的泥炭化过程中，有机物在隔绝外部氧气进入和温度不超过650C的条件下，被厌氧微生物分解为CH4、CO2和H2O。在这个阶段生成的泥炭层，埋深浅，生成的瓦斯易排放到古大气中去，一般不会保留在现有煤层内。二、煤层瓦斯的生成及赋存瓦斯研究分院致力安全科技瓦斯研究分院

致力安全科技提升生命保障二、煤层瓦斯的生成及赋存

（2）煤化变质作用成气时期

随着泥炭层下沉，上覆盖层变厚，温度和压力增高，生物化学作用逐渐减弱直至结束，在较高的压力与温度作用下泥炭转化成褐煤，并逐渐进入煤化变质作用阶段。

褐煤进一步沉降，压力与温度作用加剧，便进入煤化变质作用造气阶段。有机物在高温、高压作用下，挥发分减少，固定碳增加，这时生成的气体主要为CH4和CO2

。从褐煤到无烟煤，煤的变质程度越高，生成的瓦斯量也越多。瓦斯研究分院致力安全科技瓦斯研究分院

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二、煤层瓦斯的生成及赋存瓦斯研究分院致力安全科技瓦斯研究分院

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二、煤层瓦斯的生成及赋存2、煤层瓦斯赋存

煤是天然的空隙裂隙体：空隙率一般为5~18%；每克煤内空隙的表面积达20~200m2/g，甚至更多。

丰城煤张扭裂隙，放大5400倍鸡西煤的孔隙，放大720倍瓦斯研究分院致力安全科技瓦斯研究分院

致力安全科技提升生命保障二、煤层瓦斯的生成及赋存（1）瓦斯在煤体内存在的状态

a.游离状态(自由状态)瓦斯以自由气体的状态存在于煤体的孔隙和裂隙中，呈现出压力，服从气体状态方程。游离瓦斯量的大小与贮存空间的容积和瓦斯压力成正比，与瓦斯温度成反比。。1－吸收瓦斯2－游离瓦斯3－吸着瓦斯4－煤5－孔隙瓦斯研究分院致力安全科技瓦斯研究分院

致力安全科技提升生命保障二、煤层瓦斯的生成及赋存b.吸附状态

吸附状态又分为吸着状态和吸收状态两种：

吸着状态是在孔隙表面的固体分子引力作用下，气体分子被紧密地吸附于孔隙表面上，形成很薄的吸附层。

吸收状态是瓦斯分子进入煤体胶粒结构与煤分子结合而呈现的一种状态，类似于气体溶解于液体的现象。煤层赋存的瓦斯量中，通常吸附瓦斯量占80%~90%，游离瓦斯量占10%~20%。瓦斯研究分院致力安全科技瓦斯研究分院

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(2)两种赋存状态的关系在煤体中，吸附瓦斯和游离瓦斯在外界温度及压力不变的条件下处于动平衡状态。煤体中的瓦斯含量是一定的，但以游离状态和吸附状态存在的瓦斯量是可以相互转化的。当压力升高或温度降低时，一部分瓦斯由游离状态转化为吸附状态，这种现象称为吸附。当压力降低或温度升高时，一部分瓦斯就由吸附状态转化为游离状态，这种现象称为解吸。煤层受到采动影响后，形成的压力梯度使瓦斯流动，煤体内瓦斯压力的降低将促进瓦斯的解吸作用。二、煤层瓦斯的生成及赋存瓦斯研究分院致力安全科技瓦斯研究分院

致力安全科技提升生命保障二、煤层瓦斯的生成及赋存

3、煤层瓦斯的垂直分带（1）形成原因及分带划分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瓦斯研究分院致力安全科技瓦斯研究分院

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煤层自上向下分为四个带：CO2-N2带、N2带、N2-CH4带、CH4带，前三个带总称为瓦斯风化带，第四个带称为甲烷带。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：①瓦斯风化带内，瓦斯涌出量与深度之间无规律性。②瓦斯风化带内，无突出危险性。③在CH4带内，瓦斯含量和涌出量随着深度的增加而增大。在瓦斯风化带开采煤层时，相对瓦斯涌出量一般＜2m3/t，瓦斯对生产不构成主要威胁。我国大部分瓦斯矿井都是在瓦斯风化带内进行生产的。

二、煤层瓦斯的生成及赋存瓦斯研究分院致力安全科技瓦斯研究分院

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二、煤层瓦斯的生成及赋存

气带名称(从上往下)气带成因瓦斯成分％N2CO2CH4ICO2－N2

生物化学－空气20～8020～80<10IIN2空气成因>80<10~20<20IIIN2-CH4变质成因20~80<10~2020~80IVCH4变质成因<20<10>80煤层瓦斯垂直分带及各带气体成分深度瓦斯研究分院致力安全科技瓦斯研究分院

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（2）瓦斯风化带的下部边界深度确定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2～3m3/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0.1～0.15MPa；④煤的瓦斯含量为2~3m3/t（烟煤）和5~7m3/t（无烟煤）。瓦斯风化带深度决定于煤层的具体条件，变化很大，即使在同一井田有时也相差很大，南桐鱼田堡矿的瓦斯风化带为30m，开滦赵各庄矿为467m。二、煤层瓦斯的生成及赋存瓦斯研究分院致力安全科技瓦斯研究分院

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（一）煤层瓦斯含量及测定方法1、基本定义

煤的瓦斯含量是指单位体积或重量的煤在自然状态下所含有的瓦斯量(标准状态下的瓦斯体积)，单位为m3/m3或m3/t。

煤层瓦斯原始含量：指未受采矿采动及抽采影响的煤体内的瓦斯含量。

煤层瓦斯残余含量：指受采矿采动及抽采影响的煤体内现存的瓦斯含量。煤的瓦斯含量包括游离瓦斯和吸附瓦斯。三、煤层瓦斯基本参数及测定瓦斯研究分院致力安全科技瓦斯研究分院

致力安全科技提升生命保障三、煤层瓦斯基本参数及测定

2、影响煤层瓦斯含量的因素

(1)煤的吸附特性煤的吸附性能决定于煤化程度。煤的煤化程度越高，存储瓦斯的能力越强。因此，在其它条件相同时，高变质煤比低变质煤瓦斯含量大。

(2)煤层露头煤层露头是瓦斯向地面排放的出口，露头存在时间越长，瓦斯排放越多；反之地表无露头的煤层，瓦斯含量较高。

(3)煤层的埋藏深度煤层的埋藏深度的增加，有利于封存瓦斯。瓦斯风化带中瓦斯含量小，不会发生瓦斯突出。甲烷带内，瓦斯含量随深度的增加而增大。如：阳泉3号煤层为无烟煤，挥发分为7%，瓦斯压力1.3MPa，瓦斯含量为25m3/t；抚顺胜利矿为气煤，挥发分为45%，瓦斯压力1.7MPa，瓦斯含量仅7m3/t。瓦斯研究分院致力安全科技瓦斯研究分院

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(4)围岩透气性围岩为致密完整的低透气性岩层，如泥岩，完整的石灰岩，煤层中的瓦斯就易于保存下来，瓦斯含量就大，瓦斯压力也大。围岩透气性大，如中粗砂岩、砾岩等，瓦斯越易流失，煤层瓦斯含量就小。

(5)煤层倾角埋藏深度相同时，煤层倾角越小，煤层的瓦斯含量就越高。如芙蓉煤矿北翼煤层倾角40~800，瓦斯涌出量约20m3/t，无瓦斯突出现象；南翼煤层倾角6~120，瓦斯涌出量高达150m3/t，具有发生瓦斯突出的危险性。这种现象的主要原因在于：煤层透气性一般大于围岩；煤层倾角越小，在顶板岩性密封好的条件下，瓦斯不易通过煤层排放，煤体中的瓦斯容易得到贮存。三、煤层瓦斯基本参数及测定瓦斯研究分院致力安全科技瓦斯研究分院

致力安全科技提升生命保障(

6)地质构造封闭型地质构造有利于封存瓦斯，开放型地质构造有利于瓦斯排放。

a.褶曲构造

①背斜构造瓦斯风化带以下，背斜顶板为致密岩层又未遭到破坏时，在背斜轴部的瓦斯容易积聚和保存下来，形成瓦斯含量较高的“气顶”，称为储瓦斯构造。当背斜轴部的顶部岩(煤)层因张力作用而形成有连通地表的裂隙时，背斜轴部的瓦斯就会流失掉，瓦斯含量就会降低。三、煤层瓦斯基本参数及测定1-不透气岩层2-煤层瓦斯含量增高区域3-煤层瓦斯研究分院致力安全科技瓦斯研究分院

致力安全科技提升生命保障三、煤层瓦斯基本参数及测定

②向斜构造

向斜构造一般轴部的瓦斯含量比翼部高，这是轴部岩层受到强力挤压，围岩的透气性会变得更低，则轴部封存较多瓦斯。1-不透气岩层2-煤层瓦斯含量增高区域3-煤层瓦斯研究分院致力安全科技瓦斯研究分院

致力安全科技提升生命保障三、煤层瓦斯基本参数及测定

b.断裂构造

开放性断层(张性、张扭性断层)，不论其与地表是否直接相通，都会因其有利于瓦斯的散放而使瓦斯含量降低，如图a、b。而封闭性断层(压性、压扭性断层)不利于瓦斯的排放，煤层瓦斯含量则较高，如图c。1-瓦斯丧失区域；2-瓦斯含量降低区；3-瓦斯含量异常增高区；4-瓦斯含量正常增高区瓦斯研究分院致力安全科技瓦斯研究分院

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三、煤层瓦斯基本参数及测定

(3)其他构造煤包储瓦斯构造

局部煤层突然变厚而形成的大“煤包”会出现瓦斯含量增高现象。因为煤包周围在构造挤压应力作用下，煤层被压薄，形成对大煤包封闭的条件，有利于瓦斯的封存。1-不透气岩层2-煤层瓦斯含量增高区域3-煤层瓦斯研究分院致力安全科技瓦斯研究分院

致力安全科技提升生命保障三、煤层瓦斯基本参数及测定

地垒地堑储瓦斯构造

由两条封闭断层与致密围岩圈闭而形成的“地垒”或“地堑”等构造，因为有着良好的圈闭条件，生成的瓦斯难于扩散或排放，其瓦斯含量较其他地点要高。1-不透气岩层2-煤层瓦斯含量增高区域3-煤层瓦斯研究分院致力安全科技瓦斯研究分院

致力安全科技提升生命保障(7)水文地质条件地下水活跃的地区，煤层瓦斯含量减小。其原因有二：一是瓦斯能溶于水，尽管其溶解度很小，但经过漫长的地质年代，可以从煤层中带走数量可观的被溶解的瓦斯；二是地下水溶蚀一部分矿物质，使地层得到卸压，地应力降低，导致煤岩层裂隙发育和透气性增加，从而增强了煤层瓦斯的流失。国内煤矿普遍存在凡是水大的矿井瓦斯小，水小的矿井瓦斯大的规律。以上是对这些因素的简要说明，在分析某一煤层瓦斯含量以及有无突出危险时，需要根据这些因素以及地应力等因素作综合的研究。找出影响本煤田、本矿井瓦斯含量的主要因素。三、煤层瓦斯基本参数及测定瓦斯研究分院致力安全科技瓦斯研究分院

致力安全科技提升生命保障3、瓦斯含量测定方法

（1）煤层瓦斯含量直接测定法（地勘钻孔解吸法）煤层瓦斯含量直接测定法通常用在地勘钻孔中测定煤层瓦斯含量，由于该方法是以测量煤中解吸瓦斯量和解吸特征为基础的一种方法，所以又称解吸法。瓦斯含量由实测的瓦斯解吸量、实测的瓦斯残存量和推算的瓦斯损失量三部分组成。为了准确测定煤层的原始瓦斯含量，必须使用专门的仪器在地勘钻孔中采样和测量，以保证采样过程中损失的瓦斯量最小，并通过测定和计算对损失的瓦斯量进行尽可能准确的补偿。三、煤层瓦斯基本参数及测定瓦斯研究分院致力安全科技瓦斯研究分院

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测定步骤如下：1）采样2）瓦斯解吸量测定3）瓦斯损失量推算4)瓦斯残存量实验室测定5)煤层瓦斯含量计算

三、煤层瓦斯基本参数及测定瓦斯研究分院致力安全科技瓦斯研究分院

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（2）井下快速测定煤层瓦斯含量法(解吸系数法)这是近年来基于煤样瓦斯解吸规律基础上研究的一种间接方法，可以在井下快速测定煤层瓦斯含量。煤样卸压后其瓦斯解吸过程随时间呈幂函数的规律变化，在卸压后的60min内瓦斯解吸速度的衰减系数（Kt）为常数，而在第一分钟时的解吸速度值（V1）则随吸附瓦斯压力大小而变化。

1)利用煤样瓦斯解吸特征，求出测定煤层的瓦斯解吸特征指标V1值和Kt值；

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2)利用郎格缪尔方程式，在实验室计算不同吸附瓦斯压力下煤样的瓦斯含量，同时测出相应压力的V1值和Kt值；3)利用V1值确定煤层瓦斯含量的数学模型W=AV1+B式中：

W——煤样在一定吸附压力下的瓦斯含量，ml/g；V1——煤样暴露第一分钟时的瓦斯解吸速度，ml/g.min；A、B——回归系数。使用专门的仪器，通过井下煤层打钻采集1～3mm粒度的煤样，就能够在回采和掘进工作面上快速测定煤层瓦斯含量。三、煤层瓦斯基本参数及测定瓦斯研究分院致力安全科技瓦斯研究分院

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(3)实验室间接测定煤层瓦斯含量法煤层瓦斯含量由游离瓦斯和吸附瓦斯两部分组成。实验室间接测定法是在实验室测定煤样孔隙体积和吸附等温线的基础上，根据矿井实测的煤层瓦斯压力计算这两部分相应的瓦斯量。1)吸附瓦斯含量

X1=式中：X1——纯煤（可燃基）的吸附瓦斯含量，m3/tr；a——吸附常数，试验温度下纯煤的极限吸附量，m3/tr；

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b——吸附常数，MPa-1；P——瓦斯压力，MPa；

Mad——煤样水份，%。

2)游离瓦斯含量X2=10KP/γ

式中：X2——游离瓦斯含量，m3/tr；K——煤的孔隙率，m3/m3；

γ——煤的视密度，t/m3。

三、煤层瓦斯基本参数及测定瓦斯研究分院致力安全科技瓦斯研究分院

致力安全科技提升生命保障3)纯煤的瓦斯含量X=X1+X2

4)原煤的瓦斯含量Xo=X1+X2

式中：

Xo——原煤的瓦斯含量，m3/t；A——原煤灰份，%。

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(4)井下直接测定煤层可解吸瓦斯含量的方法

重庆分院近年来开发研究了井下直接测定煤层瓦斯含量的方法，井下直接测定煤层瓦斯含量方法所指的瓦斯含量是指单位质量的煤在20℃和大气压力下直接测定和计算出的煤层瓦斯解吸量（不包括瓦斯残存量），单位为m3/t，其表达基准为原煤基。采用保持或代表煤层实际情况的煤样，不考虑原始煤层中的水分和非煤物质的存在。瓦斯含量（Qm）的值等于瓦斯损失量（Q1）、煤芯瓦斯解吸量(Q2)、粉碎瓦斯解吸量（Q3）三者之和。三、煤层瓦斯基本参数及测定瓦斯研究分院致力安全科技瓦斯研究分院

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直接测定瓦斯含量的原理是通过取芯钻孔将煤芯从煤层深部取出，及时放入煤样筒中密封，然后测量煤样筒中煤芯的瓦斯解吸速度及解吸量,并以此来计算煤样装入煤样筒密封之前的瓦斯损失量Q1；把煤样筒带到实验室然后测量从煤样筒中释放出的瓦斯量,与井下测量的瓦斯解吸量一起计算煤芯瓦斯解吸量Q2；将煤样筒中的部分煤样装入密封的粉碎系统加以粉碎,测量在粉碎过程及粉碎后一段时间所解吸出的瓦斯量,并以此为基准计算全部煤样在粉碎后所能解吸出的瓦斯解吸量Q3；瓦斯损失量、煤芯瓦斯解吸量和粉碎后瓦斯解吸量之和就是瓦斯含量。三、煤层瓦斯基本参数及测定瓦斯研究分院致力安全科技瓦斯研究分院

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测定步骤及操作规范：

①下井前准备井下实验装置准备与检查：主要包括取芯管、煤样罐、连同箱体的量管(选择合适量程的量管，最好下井前在箱中装两根不同量程的量管，以便根据实际情况选用)、温度计、抽气筒、扳手、气样袋、取样筛子、气压计等。在实验点安装好钻机并保证正常工作，检查取芯管是否到位、钻杆是否能和取芯管联接，钻头（φ90和φ108两种）大小是否和取芯管外径配套、煤样罐和工具箱是否完好齐备。三、煤层瓦斯基本参数及测定瓦斯研究分院致力安全科技瓦斯研究分院

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②取样前准备检查煤样筒的气密性，确保井下容积装置完好并可随时使用，准备好记录用具。

③取样钻孔布置根据实际情况，可在掘进工作面选择如下两种布孔方式之一：a.煤壁两侧；b.工作面迎头。④取样取样钻孔的准备：根据取芯管尺寸先施工预定深度的钻孔，钻孔直径由取芯管外径确定，如采用普通取芯管（外径73mm）应施工直径为90mm的钻孔；采用双层取芯管（外径89mm）应施工直径为108mm的钻孔。三、煤层瓦斯基本参数及测定瓦斯研究分院致力安全科技瓦斯研究分院

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按照设计好的钻孔倾角（一般设计为仰角）、方位、深度和孔径施工完钻孔，尽量排尽孔内残粉后快速退出钻具，用钻杆带上取芯管快速下到孔底，要求下取芯管的同时打开压风到最大，以防下取芯管过程中装进残粉。取芯管下到孔底后，调整钻进参数，进行取样钻进，同时记录起钻时间；钻进至取芯管装满为止，记录钻进结束时间；快速退出取芯管，将所取煤样进行适当分选，装进煤样筒，记录煤样筒密封时间，取样工作结束。三、煤层瓦斯基本参数及测定瓦斯研究分院致力安全科技瓦斯研究分院

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⑤其它注意事项应尽可能地减少取样时间；如实记录打钻过程中的喷孔、顶钻、排粉等情况。

损失量补偿方法:煤芯瓦斯损失量无法直接测定，只有根据瓦斯解吸规律，通过测定初期瓦斯解吸速度，采用数据拟合计算而得出。为了测定和计算方便，将煤芯在不同时刻的瓦斯累计解吸量作为测定参数，根据暴露初期瓦斯累计解吸量与时间的函数关系，计算煤芯在暴露时间内的瓦斯损失量。三、煤层瓦斯基本参数及测定瓦斯研究分院致力安全科技瓦斯研究分院

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根据有关研究结果，煤芯在初始一段暴露时间内，累计瓦斯解吸量与煤样瓦斯解吸时间存在如下关系：

V=k(t0+t)α式中：V—煤芯自取芯开始时至t0+t时刻总的瓦斯解吸量，mL；t0—测定煤芯解吸速度前的暴露时间，min；

t0=t1+t2

t1—钻进取样开始到打钻结束的时间，min；

t2—打钻结束至将煤芯装入煤芯筒开始测定的时间，min；

t—解吸测定时间，min；

k—比例常数；

α—解吸特征参数，根据取芯煤样的完整性取值，为0.3～0.5之间，完整煤芯取0.5。

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（二）煤层瓦斯压力及测定方法1.煤层瓦斯压力的一般规律煤层瓦斯压力是指煤孔隙中所含游离瓦斯的气体压力，即气体作用于孔隙壁的压力。煤层瓦斯压力是决定煤层瓦斯含量的一个主要因素，当煤的吸附瓦斯能力相同时，煤层瓦斯压力越高，煤中所含瓦斯量也就越大。在煤与瓦斯突出发生、发展过程中，瓦斯压力起着重大的作用。为了预测深部煤层瓦斯涌出量、确定煤层的突出危险性，在我国许多突出和高瓦斯矿井中开展了较为广泛的煤层瓦斯压力测定工作。研究表明，在距地表同一垂深上，不同矿区煤层的瓦斯压力值可能有很大的差别，但同一矿区中煤层瓦斯压力随深度的增加而增大，这一特点反映了煤层瓦斯由地层深处向地表流动的总规律。

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煤层瓦斯压力的大小取决于煤生成后，煤层瓦斯的排放条件。在漫长的地质年代中，煤层瓦斯排放是一个极其复杂的问题，它除与覆盖层厚度、透气性能、地质构造条件有关外，还与覆盖层的含水性密切有关。当覆盖层中充满水时，煤层瓦斯压力最大，这时瓦斯压力等于同水平的静水压力。当煤层瓦斯压力大于同水平静水压力时，在漫长的地质年代中，瓦斯将冲破水的阻力向地表逸散；当覆盖层未充满水时，煤层瓦斯压力将小于同水平的静水压力。因此绝大多数煤层的瓦斯压力小于或等于同水平静水压力。

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致力安全科技提升生命保障三、煤层瓦斯基本参数测定煤层瓦斯压力与埋深的关系瓦斯研究分院致力安全科技瓦斯研究分院

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在地质条件不变的情况下，煤层瓦斯压力随深度增加成正比例增加，通常用下式描述：P=P0+m(H－H0)式中：P—在深度H处的瓦斯压力，MPa；P0—瓦斯风化带下部边界深度H0的瓦斯压力，取为0.15～0.2MPa；H0—瓦斯风化带深度，m；H—距地表垂深，m；m—瓦斯压力梯度，MPa/m。

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2.煤层瓦斯压力的测定方法测定煤层瓦斯压力时，通常是从围岩巷道（石门或岩巷）向煤层打孔径为50～70mm的钻孔，孔中安放测压管，将钻孔密封后，用压力表直接进行测定。为了测定煤层的原始瓦斯压力，测压地点的煤层应为未受采动影响的原始煤体。测压封孔方法分填料法和封孔器法两类。根据封孔器的结构特点，封孔器分为胶圈、胶囊和胶圈--粘液等几种类型。

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致力安全科技提升生命保障(1)填料封孔法

①人工填料封孔填料法是应用最广泛的一种测压封孔方法。采用该方法时，在打完钻孔后，先用水清洗钻孔再向孔内放置测压管，最后用充填材料封孔。

人工充填法封孔示意图

1－测压前端；2－挡料圈盘；3－充填材料；4－木楔；5－测压管；6－压力表；7－钻孔

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致力安全科技提升生命保障为了防止测压管堵塞，在测压管前端焊接一段直径稍大于测压管的筛状管或直接在测压管壁打筛孔。为了防止充填材料堵塞测压管前端，在测压管前端后部套焊一挡料圆盘。测压管为紫铜管或细钢管，充填材料用水泥和砂子或粘土。填料可用人工或压风送入钻孔。充填时每充填1m左右，送入一段木楔，并用堵棒捣固。人工封孔的封孔深度一般不超过5m；为了提高填充密封效果，可使用膨胀水泥。填料法封孔的优点是不需特殊装置，简单易行；缺点是人工封孔长度短，且封孔后需等水泥基本凝固后，才能上压力表测压。

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②注浆泵填料封孔测压钻孔直径一般为Φ65～75mm，钻孔长度可达15m～70m。封孔步骤为：将测压管安装至预定的（测压）深度，在孔口用木楔封住，并安装好注浆管；根据封孔深度确定膨胀不收缩水泥的使用量，按一定比例配好封孔水泥浆，用压气注浆器或泥浆泵一次连续将封孔水泥浆注入钻孔内；注浆48h后，通过测压管用（手摇）注液泵将粘液注入钻孔内；撤下（手摇）注液泵，在孔口安装三通及压力表。

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致力安全科技提升生命保障三、煤层瓦斯基本参数及测定注浆封孔示意图1－注液泵，2－三通；3－压力表；4－木楔；5－测压管；6－煤层7－粘液；8－水泥；9－注浆管；10－注浆泵瓦斯研究分院致力安全科技瓦斯研究分院

致力安全科技提升生命保障（2)封孔器封孔

①胶圈封孔器。胶圈封孔是一种简便的封孔方法，它适用于岩柱完整致密的条件。封孔器由内外套管、挡圈和胶圈组成，内套管即为测压管。封直径为50mm的钻孔时，胶圈外径为49mm，内径21mm，长度为78mm，测压管上焊有环形固定挡圈，当拧紧压紧螺帽时，外套管移动压缩胶圈，即达到封孔目的。北票矿务局台吉煤矿–550m水平西5石门用胶圈封孔器实测的10层煤瓦斯压力高达8.1MPa。

该方法的主要优点是简单易行，封孔器可重复使用；缺点是封孔深度小，且要求封孔段岩石必须致密、完整。

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致力安全科技提升生命保障三、煤层瓦斯基本参数及测定

胶圈封孔器结构示意图1－测压管；2－外套管；3－压紧螺帽；4－活动挡圈；5－固定挡圈；6－胶圈；7－压力表；8－钻孔瓦斯研究分院致力安全科技瓦斯研究分院

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②胶圈—压力粘液封孔器胶圈—压力粘液封孔器与胶圈封孔器的主要区别是在两组封孔胶圈之间，充入带压的粘液。这是中国矿业大学研制成功的一种的封孔方法。该封孔器由胶圈封孔系统和粘液加压系统组成。为了缩短测压时间，本封孔器带有预充气口，预充气压力略小于预计的煤层瓦斯压力。与其它封孔器相比，这种封孔器的主要优点：一是增大了封孔段的长度；二是压力粘液可渗入封孔段岩（煤）体裂隙，增大该段的密封效果。胶圈-压力粘液封孔器在阳泉、焦作和鹤壁等矿务局的试验证明，该封孔器能满足在煤巷直接测定煤层瓦斯压力的要求。

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致力安全科技提升生命保障三、煤层瓦斯基本参数及测定1－补充气体入口；2－固定把；3－加压手把；4－推力轴承；5－胶圈；6－粘液压力表；7－胶圈；8－高压胶管；9－阀门；10－二氧化碳瓶；11－粘液；12－粘液罐胶圈-压力粘液封孔器结构图瓦斯研究分院致力安全科技瓦斯研究分院

致力安全科技提升生命保障该封孔器的主要技术参数如下：钻孔直径

(mm)62封孔深度（m）

11～20封孔粘液段长度（m）

3.6～5.4煤层坚固性系数

(f)≥0.5封孔器重量（长15m）（kg）

120

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（三）煤层透气性系数及测定方法

1、煤层透气性系数的定义煤是一种多孔介质，在一定压力梯度下，气体和液体可以在煤体内流动。煤层透气性是煤层对于瓦斯流动的阻力，通常用透气性系数表示。透气性系数越大，瓦斯在煤层中流动越容易。煤层透气性系数在我国普遍使用的单位是

m2/(MPa2.d)，其物理意义是在1m长煤体上，当压力平方差为1MPa2时，通过1m2煤层断面，每日流过的瓦斯立方米数。

1m2/(MPa2.d)相当于0.025mD（毫达西）。

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致力安全科技提升生命保障2、煤层透气性系数的测定方法煤层透气性系数的测定在我国广泛采用中国矿业大学提出的方法。这一方法是在煤层瓦斯向钻孔流动的状态属径向不稳定流动的基础上建立的。采用该法时按下列步骤进行。(1)打钻孔测定煤层瓦斯压力由石门或其他围岩巷道向煤层打测压钻孔，钻孔与煤层交角应尽量接近90度，钻孔要打穿煤层全厚，孔径不限。钻孔打完后，清洗钻孔，封孔测瓦斯压力。封孔用的测压管一般用直径8-10mm的紫铜管；当钻孔瓦斯流量大时，测压管应选内径不小于15mm的钢管。为便于卸压，在压力表外端设卸压阀门。当压力表读数上升至稳定的最高位时，即为煤层原始瓦斯压力值。

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致力安全科技提升生命保障三、煤层瓦斯基本参数及测定1—钻孔；2—测压管；3—压力表；4—阀门；5—流量计；6—封孔器；7—煤层煤层透气性测定方法示意图瓦斯研究分院致力安全科技瓦斯研究分院

致力安全科技提升生命保障(2)卸压测定钻孔瓦斯流量打开卸压阀门,卸除瓦斯压力，记下卸压时间，开始排放瓦斯。测定钻孔瓦斯流量的时间，应在卸压1d以后进行，此时测量计算出的透气性系数是流动场煤层透气性系数的平均值。(3)测定煤的瓦斯含量系数煤层的瓦斯含量系数一般是在试验室通过吸附试验确定的。也可在井下用专门的装置直接测定。

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致力安全科技提升生命保障(4)透气性系数的计算方法钻孔瓦斯流动是径向不稳定流动，求出其流动方程的解析解是困难的。通过在实验室用相似模型试验的方法进行试验，并以相似准数表达其试验的结果。径向不稳定流动的计算公式为：

式中：

Y——流量准数,无因次；F0——时间准数,无因次；a、b——无因次系数。

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致力安全科技提升生命保障三、煤层瓦斯基本参数及测定式中：P0——煤层原始绝对瓦斯压力,MPa；P1——钻孔中的瓦斯压力,一般为0.1MPa；

λ——煤层透气性系数,m2/(MPa2·d)；r——钻孔半径,m；

q——在排放时间为t时,钻孔煤壁单位面积的瓦斯流量,m3/(m2·d)；瓦斯研究分院致力安全科技瓦斯研究分院

致力安全科技提升生命保障三、煤层瓦斯基本参数及测定q——在时间为t时测出的钻孔流量,m3/d；L——钻孔见煤长度,一般为煤层厚度,m；t——从钻孔卸压到测定钻孔瓦斯流量的时间,d；

α——煤层瓦斯含量系数,m3/(m3·(MPa)1/2)；

X——煤的瓦斯含量,m3/m3；P——确定煤瓦斯含量时的瓦斯压力,MPa。瓦斯研究分院致力安全科技瓦斯研究分院

致力安全科技提升生命保障为了简化计算，根据上述三个公式，导出如下计算透气性系数的公式：

三、煤层瓦斯基本参数及测定F0=10-2～1λ＝A1.61·B1/1.64

F0=1～10λ＝A1.39·B1/2.56

F0=10～102λ＝1.11·A1.25·B1/4

F0=102～103λ＝1.83·A1.14·B1/7.3

F0=103～105λ＝2.1·A1.11·B1/9

F0=105～107λ＝3.14·A1.07·B1/14.4

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致力安全科技提升生命保障由于计算透气性系数公式的式子较多，需采用试算法来确定选取的计算式，即先选用其中任一个式子计算出λ值，然后将算出的λ值代入时间准数公式，校验F0值是否在选用公式的适用范围内。如在适用范围，则选式正确，算出的值即为煤层透气性系数；如不在适用范围，则需重新选公式计算λ值，重新校验F0值是否在选用公式的适用范围内。

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测定透气性系数时应注意如下事项：

①打测压钻孔时要注意有无喷孔，如有喷孔，应测定喷出煤量，然后折合计算孔径；

②测定钻孔瓦斯流量时，可在不同时间多测几个瓦斯流量值，以便分析距钻孔不同距离煤体透气性的变化规律；

③卸压后到测定流量时间长时，钻孔见煤长度可不取实测值（如钻孔与煤层面斜交），而取等于煤厚；如时间短，则L值可取为钻孔见煤长度。

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测定透气性系数时应注意如下事项：

①打测压钻孔时要注意有无喷孔，如有喷孔，应测定喷出煤量，然后折合计算孔径；

②测定钻孔瓦斯流量时，可在不同时间多测几个瓦斯流量值，以便分析距钻孔不同距离煤体透气性的变化规律；

③卸压后到测定流量时间长时，钻孔见煤长度可不取实测值（如钻孔与煤层面斜交），而取等于煤厚；如时间短，则L值可取为钻孔见煤长度。

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致力安全科技提升生命保障瓦斯能够长时间地、持续地从煤体中释放出来，这是瓦斯涌出的基本形式，又叫瓦斯的普通涌出。与其对应的瓦斯特殊涌出是指在时间上突然，在空间上集中、大量的瓦斯涌出，称为特殊涌出，主要有瓦斯喷出和煤与瓦斯突出。（一）瓦斯涌出量1、定义：矿井建设或生产过程中从煤与岩石内涌出的瓦斯量。分为矿井瓦斯涌出量、采区瓦斯涌出量和工作面瓦斯涌出量。2、瓦斯涌出量表示方法绝对瓦斯涌出量--

单位时间涌出的瓦斯体积，单位为m3/min；相对瓦斯涌出量--平均日产一吨煤同期所涌出的瓦斯量，单位是m3/t。

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致力安全科技提升生命保障注意：相对瓦斯涌出量与瓦斯含量的大小不相等！因为瓦斯涌出量中除开采煤层涌出的瓦斯外，还有来自邻近层和围岩的瓦斯，所以相对瓦斯涌出量一般要比瓦斯含量大。矿井瓦斯涌出量是决定矿井瓦斯等级和计算风量的依据。由于绝对瓦斯涌出量不能反映出矿井瓦斯涌出的严重程度。煤炭生产中通常采用相对瓦斯涌出量。

煤矿井巷和工作面的瓦斯主要有四个来源：（1）从采落煤炭中放出的瓦斯：（2）从采掘工作面煤壁内放出的瓦斯；（3）从煤巷两帮及顶底板放出的瓦斯，（4）从采空区及邻近煤层中放出的瓦斯。

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致力安全科技提升生命保障（二）影响瓦斯涌出的因素决定于自然因素和开采技术因素的综合影响。

1.自然因素（1）煤层和围岩的瓦斯含量。瓦斯含量越高，瓦斯涌出量越大。当前矿井的瓦斯涌出量预测把煤层瓦斯含量作为主要因素。（2）地面大气压变化。当地面大气压突然下降时，瓦斯积存区的气体压力将高于风流的压力，瓦斯就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。

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2.开采技术因素（1）开采规模—产量与瓦斯涌出量的关系复杂，开采深度、开拓与开采范围和矿井产量大，矿井瓦斯涌出量也就越大。（2）开采顺序与回采方法

---先开采，大；回采率低，大；顶板管理（3）生产工艺---初期大，呈指数下降；落煤时瓦斯涌出量大。（4）风量变化---单一煤层，随风量减少而增大；煤层群随风量增加而增大。（5）采区通风系统---上隅角瓦斯大。（6）采空区的密闭质量---采空区积存着大量高浓度的瓦斯（可达60％～70％）。

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致力安全科技提升生命保障（三）矿井瓦斯涌出来源的分析与分源治理为了有效地治理瓦斯，每一个矿井都要掌握影响瓦斯涌出的主要因素和各涌出来源在总量中所占的比重，这是矿井风量分配和日常瓦斯治理工作的基础。按划分目的不同，对矿井瓦斯来源有三种划分方式：按水平、翼、采区来进行划分，作为风量分配的依据之一；按掘进区、回采区和已采区来划分，它是日常治理瓦斯工作的基础；按开采层、邻近层划分，它是采煤工作面治理瓦斯工作的基础一般是将全矿（或冀、水平）的瓦斯来源分为回采区（包括回采工作面的采空区）、掘进区和已采区三部分。其测定方法是同时测定全矿井、各回采区和各掘进区的绝对瓦斯涌出量。

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致力安全科技提升生命保障（四）瓦斯涌出不均衡系数正常生产过程中，矿井绝对瓦斯涌出量受各种因素的影响其数值是经常变化的，但在一段时间内只在一个平均值上下波动，峰值与平均值的比值称为瓦斯涌出不均衡系数。矿井瓦斯涌出不均衡系数表示为：

kg=Qmax/Qa

方法：确定区域、进回风量、瓦斯浓度。

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（五）矿井瓦斯等级1.矿井瓦斯等级划分根据国家煤监总局2011年发布的关于《煤矿瓦斯等级鉴定暂行办法》第五条规定，矿井瓦斯等级鉴定应当以独立生产系统的自然井为单位。矿井瓦斯等级，应当依据实际测定的瓦斯涌出量、瓦斯涌出形式以及实际发生的瓦斯动力现象、实际测定的突出危险参数等确定。

矿井瓦斯等级划分为：（1）煤（岩）与瓦斯（二氧化碳）突出矿井。（2）高瓦斯矿井。（3）瓦斯矿井。

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致力安全科技提升生命保障突出矿井的条件（具备下列情形之一）：

（1）发生过煤（岩）与瓦斯（二氧化碳）突出的；（2）经鉴定具有煤（岩）与瓦斯（二氧化碳）突出煤（岩）层的；（3）依照有关规定有按照突出管理的煤层，但在规定期限内未完成突出危险性鉴定的。四、矿井瓦斯涌出及预测瓦斯研究分院致力安全科技瓦斯研究分院

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高瓦斯矿井的条件（具备下列情形之一者）：

（1）矿井相对瓦斯涌出量大于10m3/t；

（2）矿井绝对瓦斯涌出量大于40m3/min；

（3）矿井任一掘进工作面绝对瓦斯涌出量大于3m3/min；

（4）矿井任一采煤工作面据对瓦斯涌出量大于5m3/min。

瓦斯矿井的条件（下列条件同时满足）：

（1）矿井相对瓦斯涌出量小于或等于10m3/t；

（2）矿井绝对瓦斯涌出量小于或等于40m3/min；

（3）矿井各掘进工作面绝对瓦斯涌出量均小于或等于3m3/min；

（4）矿井各采煤工作面绝对瓦斯涌出量均小于或等于5m3/min。四、矿井瓦斯涌出及预测瓦斯研究分院致力安全科技瓦斯研究分院

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瓦斯矿井每两年进行一次瓦斯等级鉴定，高瓦斯矿井和突出矿井不再进行周期性的瓦斯等级鉴定工作，但应每年测定和计算矿井、采区、工作面瓦斯涌出量。

2、瓦斯矿井和高瓦斯矿井瓦斯等级鉴定

（1）鉴定时间和基本条件：矿井瓦斯等级的鉴定工作应在正常生产的条件下进行，选择矿井瓦斯绝对涌出量较大的月份，一般在七、八月份。

（2）参数测定工作应当在鉴定月的上、中、下旬各取1天（间隔不少于7天），每天分3个班（或4个班）、每班3次进行。

（3）鉴定工作应当准确测定风量、瓦斯浓度、二氧化碳浓度及温度、气压等参数，统计井下瓦斯抽采量、月产煤量，全面收集煤层瓦斯压力、动力现象及预兆、瓦斯喷出、邻近矿井瓦斯等级等资料。

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鉴定实测数据与最近6个月以来矿井安全监控系统的监测数据、通风报表和产量报表数据相差超过10%的，应当分析原因，必要时应当重新测定。

（4）所有测点应布置在每一通风系统的主要通风机的风硐、各水平、各煤层和各采区的回风道测风站内。如无测风站，则选取断面规整且无杂物堆积的一段平直巷道作测点。每一测定班应当在同一时间段的正常生产时间进行。

（5）绝对瓦斯涌出量按矿井、采区和采掘工作面等分别计算，相对瓦斯涌出量按矿井、采区或采煤工作面计算。

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（六）矿井瓦斯涌出量预测

1、瓦斯涌出量的预测：指根据某些已知相关数据，按照一定的方法和规律，预先估算出矿井或局部区域瓦斯涌出量的工作。瓦斯涌出量的预测的方法：从目前的研究现状来看：瓦斯涌出量预测方法主要可分为两类：

其一是建立在数理统计规律基础上的统计预测法，该方法是依据矿井瓦斯涌出量与开采深度等参数之间的统计规律，外推到预测区域的瓦斯涌出量，主要用于生产矿井。

其二是以煤层瓦斯含量为基本参数的分源预测法，通过计算井下各瓦斯涌出源的涌出量，得到矿井或某一预测区域的相对瓦斯涌出量，主要用于新建矿井，以煤层瓦斯含量为基础进行计算。

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统计预测法是国内外有关矿井长期以来普遍采用的矿井瓦斯涌出量预测方法。该方法的基本原理是：根据矿井已采区域历年测定的相对瓦斯涌出量及相应的开采深度，采用数理统计方法建立二者之间的线性或非线性回归方程，用于对深部(或条件相同矿井)未采区域的瓦斯涌出量作出预测。目前在瓦斯矿井中，最常用、最简单的预测方法还是线性回归法。

2．简易统计法预测步骤及计算方法使用这种预测方法时，一般分为两步：即首先需将矿井历年生产过程中积累的实际测定的相对瓦斯涌出量，计算出相对瓦斯涌出量梯度；其次，根据计算出的瓦斯涌出量梯度，外推至预测深部区域，计算出深部待采煤层的相对瓦斯。

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3．注意事项使用这种方法预测时，应注意如下几个方面：（1）该方法只适用于甲烷带，外推(预测)的深度不宜超过200m。煤层倾角越小，外推的深度也应越小，否则可能会有较大的误差。（2）预测工作的精度决定于原始统计资料的精度和预测区同已采区的采矿及地质条件的相似程度。因此，要求已采水平和设计水平的开采条件(包括煤层开采顺序、采煤方法、顶板管理方法等)以及地质构造条件(包括煤层的地层顺序、构造等)应该相似。

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3．注意事项使用这种方法预测时，应注意如下几个方面：（1）该方法只适用于甲烷带，外推(预测)的深度不宜超过200m。煤层倾角越小，外推的深度也应越小，否则可能会有较大的误差。（2）预测工作的精度决定于原始统计资料的精度和预测区同已采区的采矿及地质条件的相似程度。因此，要求已采水平和设计水平的开采条件(包括煤层开采顺序、采煤方法、顶板管理方法等)以及地质构造条件(包括煤层的地层顺序、构造等)应该相似。

四、矿井瓦斯涌出及预测瓦斯研究分院致力安全科技五、瓦斯防治概述瓦斯研究分院

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1.瓦斯治理的基本方针煤矿瓦斯灾害是一种对煤矿安全生产有重大影响的自然灾害，瓦斯事故时刻威胁煤矿安全和职工的人生安全，所以对瓦斯灾害的防治一直是煤矿安全工作的重中之重。在技术管理上，始终坚持“安全第一，预防为主，综合治理”的原则，先后提出了瓦斯治理的“十二字”治理方针、“十六字”治理体系和“十六字”治理原则。五、瓦斯防治概述瓦斯研究分院致力安全五、瓦斯防治概述瓦斯研究分院

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瓦斯治理方针：先抽后采、以风定产、监测监控

“先抽后采”是瓦斯防治的基础，是从源头上治理瓦斯的治本之策和关键之举。

“以风定产”是防治瓦斯的基本生产管理措施；也是防治瓦斯积聚的先决条件。

“监测监控”是防治瓦斯事故的重要防线和保障措施。五、瓦斯防治概述瓦斯研究分院致力安全五、瓦斯防治概述瓦斯研究分院

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瓦斯治理体系：通风可靠、抽采达标、监控有效、管理到位。

通风可靠：系统合理、风量充足、风流稳定、设施完好。

抽采达标：多措并举、应抽尽抽、抽采平衡、效果达标。

监控有效：装备齐全、数据准确、处置迅速、断电可靠。

管理到位：责任明确、制度完善、执行有力、监督严格。

瓦斯治理原则：先抽后采、应抽尽抽、以抽保安、以用促抽。五、瓦斯防治概述瓦斯研究分院致力安全五、瓦斯防治概述瓦斯研究分院

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2、树立瓦斯防治的新理念