煤层瓦斯生成赋存涌出及预测.ppt

1、煤层瓦斯生成、赋存、 涌出及其预测,俞启香教授、博士生导师,中 国 矿 业 大 学 煤矿瓦斯治理国家工程研究中心,主要内容,1.煤层瓦斯的生成 2.煤层瓦斯的赋存 3.矿井瓦斯涌出及其预测 4. 矿井瓦斯涌出构成,1 煤层瓦斯的生成,1.1 煤层瓦斯的生成 煤层瓦斯又称煤层气,它是腐植型有机物在成煤过程中生成的。在煤化作用的全过程中，即从泥炭到不同煤化程度的煤的生成，都有煤层瓦斯生成。煤的原始母质腐植质沉积以后，一般经历两个性质完全不同的成气时期（过程）：生物化学成气时期和煤化作用成气时期。,1.1.1生物化学成因瓦斯的生成,生物化学成气时期是从腐植型有机物沉积在沼泽相和三角洲相环境中开始的，

2、在温度不超过65oC的还原条件下，腐植型有机物经厌氧微生物（甲烷生成菌）的化学降解作用生成甲烷、二氧化碳和水，其模式： 4C6H10O5 7CH4+8CO2+C9H6O+3H2O （纤维素） 微生物作用 （类烟煤）,表1.1.1 生物化学甲烷产量模拟试验汇总表 （据陈安定等，1989）,1.1.2煤化成因瓦斯的生成,随着褐煤层下沉、压力与温度增加，煤的热催化变质作用加剧，煤层便进入煤化作用成气时期。一般在埋深大于2000-3000m的压力和温度条件下，煤层就会产生较强烈的煤化成气作用。在压力和温度的作用下，煤大分子的侧链和官能团不断发生断裂、结合和脱落，生成CO2、CH4、H2O等气体，其模式

3、：,4C16H18O5C57H56O10+4CO2+3CH4+2H2O （泥炭） （褐煤） C57H56O10C54H42O5+2CH4+CO2+3H2O （褐煤） （烟煤） C15H14OC13H4+2CH4+H2O （烟煤） （无烟煤） 从上述模式中可看出，生成的气态烃组分中以甲烷为主。从褐煤到无烟煤，煤的变质程度越高，生成的瓦斯量越多。,表1.1.2我国部分煤的热成因模拟试验瓦斯发生率数据表(据张新民等,1991),为综合数据； * 为引用国外文献数据。,表1.2.1 国内外部分煤层瓦斯组分数据表,1.3 天然气（甲烷）水合物,世界储量约11万亿吨（是地球全部化石燃料-煤、石油和天然气之

4、和的两倍，人类未来动力的希望）。,1.4 甲烷及其同系物的性质,甲烷的化学分子式为CH4 。它是无色、无味、无嗅、可以燃烧或爆炸的气体，对人呼吸的影响同氮气相似，可使人窒息。 假如，甲烷涌入空气中，冲淡了空气中氧气浓度，当甲烷浓度为43%时，相应的氧气浓度被冲淡到12%，人即刻处于昏迷状态，出现死亡危险。,甲烷分子的直径为0.41nm，其密度为0.716kg/m3(标准状况下),为空气密度的0.5547倍(0 OC)。它与空气混合形成气团时，该气团较周围气体的密度轻，它将边上浮边扩散。甲烷扩散速度是空气的1.34倍,故它会很快地扩散到巷道各角落，由于它在空气中表现出强扩散性，所以它一经与空气均

5、匀混合，就不会因其比重较空气轻而分离上浮、积聚。,当巷道无瓦斯涌出、风速较大呈紊流状态时，巷道内的甲烷浓度呈均匀分布；当有瓦斯涌出、风速较低呈层流状态时，甲烷浓度则呈不均匀分布，涌出处的瓦斯浓度最高，可形成瓦斯积聚云层。巷道顶板的裂隙因卸压而张开，其卸压瓦斯从中涌出，所以经常见到在巷道的顶部瓦斯浓度比较高。,甲烷微溶于水，在101.3kPa条件下、当温度20 OC时，100L水可溶解3.31L甲烷。甲烷是温室气体的一种，一个甲烷分子的增强温室效应大约是一个二氧化碳分子的7.5倍,它在大气中因与羟基(OH)反应而消失的平均寿命约为11年,比CO2的寿命要短得多。,在煤层瓦斯中，还含有甲烷同系物重

6、烃（乙烷、丙烷、等），它们的密度都比甲烷重，比空气也重，都能燃烧和爆炸，它们的爆炸下限比甲烷低得多；其最低点火温度与最小点燃能也都比甲烷低得多；而产生的最大爆炸压力比甲烷高得多，因此它们的存在加重了瓦斯爆炸的危险。,2.煤层瓦斯的赋存,煤是天然的空隙裂隙体：空隙率一般为518%； 每克煤内空隙的表面积达20-200m2/g甚至更多。,气相 吸附相 固相,丰城煤张扭裂隙，放大5400倍,鸡西煤的孔隙，放大720倍,煤中瓦斯赋存物理化学模型,瓦斯呈2种状态赋存于煤层中：一种为吸附状态，即气体分子浓集于煤的微孔表面或煤分子结构空间中，服从于朗格缪尔方程；另一种为游离状态，即气体分子自由地运动于煤的空

7、隙中，服从于气体状态方程。吸附瓦斯和游离瓦斯之间处于动平衡状态，温度与压力条件变化，平衡随着变化。在现代开采深度条件下，游离瓦斯约占瓦斯总量的5-12%，其余为吸附瓦斯。,2.1 煤层中瓦斯赋存的形态,2.2 煤层瓦斯含量及对其影响的 地质因素,2.2.1煤层瓦斯含量 煤层瓦斯含量是指在天然条件下,单位质量或体积的煤体中所含的瓦斯量(m3/t煤或m3/m3煤)。煤层瓦斯含量是煤矿开采和煤矿安全生产中的一项重要基本参数，可用于矿井、采区和工作面瓦斯涌出量预测、确定矿井瓦斯等级、通风设计、产量配产、瓦斯储量计算、瓦斯抽放和利用以及煤与瓦斯突出危险性鉴定等方面。,煤层瓦斯含量的大小决定于成煤过程中生

8、成的瓦斯量和煤层及围岩保存瓦斯的条件。煤层瓦斯含量的确定方法有测定法和计算法。计算法如下: 煤层瓦斯含量（m3标/t煤）等于煤的吸附瓦斯量xx与游离瓦斯量xy之和。 X=xx+xy xx=en(t0-t)1/（1+0.31W）(100-A-W）/100 abp/（1+bp） xy=VT0p/Tp0,式中, t0、t分别为测定吸附常数时的实验温度和煤层瓦斯的温度oC; n 为系数，按下式确定：n=0.02/(0.993+0.07p) ; W、A 分别为煤的水分和灰分,%; a、b为煤的吸附常数，其单位分别为m3/t，MPa-1; p、分别为煤层的瓦斯压力(MPa)和瓦斯压缩系数; V、T =27

9、3+t 分别为吨煤的孔隙容积(m3/t煤)和煤层瓦斯的温度； T0、p0 分别为标准状况下的绝对温度(273K)和压力(0.101325MPa),2.2.2 影响煤层瓦斯含量的地质因素,影响煤层瓦斯含量的主要地质因素有：煤层的赋存条件、地质构造、围岩性质、煤化程度、地质史和水文地质等。,1）煤层的赋存条件,埋藏深度 在瓦斯风化带以下的瓦斯带内，随着煤层的埋藏深度的增加，煤层瓦斯含量增高；如图2.4.1a、b所示。,图2.2.1a英国奥斯特煤瓦斯含量与深度的关系图,1）煤层的赋存条件,瓦斯风化带是由“CO2-N2”、“N2”、“N2-CH4”带组成的，其气体组成不同，而且瓦斯含量也不同。它是在长

10、期地质进程中地面空气、地表生物气体产物向下运动和煤层瓦斯向上运动的结果。地表剥蚀过程使瓦斯风化带减小、长期风化、自由排放瓦斯时间越长，地层破坏程度越高，其深度越长。 它的下边界可由下列条件确定： 甲烷及重烃浓度之和=80%； 瓦斯压力=0.1-0.15MPa; 相对瓦斯涌出量=2-3m3/t； 瓦斯含量=1.0-1.5m3/t可燃物（长焰煤） = 1.5-2.0m3/t可燃物（气煤） = 2.0-2.5m3/t可燃物（肥、焦煤） = 2.5-3.0m3/t可燃物（瘦煤） = 3.0-4.0m3/t可燃物（贫煤） = 5.0-7.0m3/t可燃物（无烟煤）,图2.2.1b 渣渡矿区煤层瓦斯含量与

11、埋深关系图,瓦斯含量(m3/t),图2.2.2a 几种常见的煤层瓦斯含量 增高构造示意图,1-不透气岩层 2-煤层瓦斯含量 增高区域 3-煤层,2） 地质构造,图2.2.2b 倾覆背斜与向斜构造对煤层瓦斯 含量影响示意图,1、瓦斯含量增大区 2、瓦斯含量正常区 3、瓦斯含量减小区 4、瓦斯含量等值线,断层对煤层瓦斯含量有重要影响，开放性断层是瓦斯排放的通道，其附近区域煤层瓦斯含量减小；封闭性断层割断了深部煤层瓦斯通向地面的通道，使瓦斯含量增大。,3）围岩性质,围岩致密完整、透气性差时，煤层瓦斯易于保存，煤层瓦斯含量高；反之煤层瓦斯易于流失，瓦斯含量低。例如，大同和抚顺两煤田，因围岩不同，瓦斯含

12、量截然不同。大同煤田煤（弱粘结煤）比抚顺煤（长焰煤）的煤化程度高，大同煤在成煤过程中生成的瓦斯量和煤的吸附能力均较抚顺煤大，但实际前者煤的瓦斯含量却远比后者小，。这是因为大同煤田的煤层顶板由空隙发育、透气性良好的砂岩、砾岩和砂页岩等组成，煤层生成的瓦斯已大量流失；而抚顺煤田的煤层顶板是厚度达百m的致密、不透气的油母页岩和绿色页岩，使丰富的煤层瓦斯得以封存。,图2.2.3 红阳煤田煤的煤化程度与煤层瓦斯含量的关系图,4）煤化程度,5）煤田地质史,煤田地质史纪录了煤层瓦斯的生成、排放和赋存演变过程与历史，它对煤层瓦斯含量有重要影响。例如，煤系地层的上升，将使地表的剥蚀作用加强，不仅造成煤化条件的地

13、压减小和地温下降，使瓦斯的生成量减少，而且为煤层瓦斯向地表排放提供了条件，煤层瓦斯含量减小；反之，煤系地层的下降，将使煤系地层之上接受了更厚的覆盖层，不仅造成煤化条件的地压增加和地温上升，使瓦斯的生成量增加，而且为煤层瓦斯储存和封闭提供了条件，煤层瓦斯含量增大。,6）水文地质,水文地质条件是煤层瓦斯含量大小的影响因素之一。在地下水活跃地区，不仅水能溶解一定的瓦斯并将其带走；而且水还能带走可观的可溶物，造成地层的天然卸压，使煤层卸压，透气性增大，从而强化了煤层瓦斯的排放，使煤层瓦斯含量减小。例如，南桐直属二井的煤与瓦斯突出煤层，在地下水活跃地区，不仅瓦斯含量小，而且突出危险消失。,2.3 煤层瓦

14、斯含量测定,目前，我国普遍采用的煤层瓦斯含量测定方法有三类：地勘解吸法，间接法和井下解吸法。现分述如下。,（1）地勘解吸法,这是一种煤田地质勘探和煤层瓦斯地面开发时最常用的煤层瓦斯含量测定方法。地勘解吸法在我国煤田地质勘探部门得到了广泛的推广应用，并一直沿用至今。,地勘解吸法测定煤层瓦斯含量的基本原理及依据为： 煤层原始瓦斯含量X0由取芯过程煤样漏失瓦斯量V1、地面解吸瓦斯测定量V2和残存瓦斯量V3构成,X0= V1+ V2+ V3； 在一定时间内，煤,图2.3.1 瓦斯漏失量V1-计算图,样在地面的解吸瓦斯量与解吸时间之间遵循V2-（t0+t）0.5关系； 煤芯提至钻孔深度的一半时开始解吸瓦

15、斯； 取芯过程中煤样瓦斯漏失量可按V1- （t0+t）0.5推算，见图2.3.1。,煤芯在地面的解吸瓦斯量V2由煤芯瓦斯解吸仪测得,图 2.3.2 煤芯瓦斯解吸仪示意图,图2.3.3 真空脱气测定装置示意图,13,15,14,12,11,10,9,8,7,6,5,4,2,3,1,16,17,18,19,超级恒温器 密封罐 穿刺针头 滤尘器 集水瓶 冷却管 水银真空计 隔水瓶 吸水管 排水瓶 吸气瓶 真空瓶 大量管 小量管 取气支管 水准瓶 干燥管 分隔球 真空泵 A 螺旋夹 B、C、D、E、F单向活塞 G、H、I、J、K三通活塞L、N120三通活塞,残存瓦斯量V3由真空脱气测定装置（见图2.3

16、.3）测得。,从地勘解吸法十年多来的应用情况统计分析结果看9，和早期采用的密闭罐法、集气法相比，地勘解吸法煤层瓦斯含量测值成功率和可靠性都有较大幅度的提高，但测值仍有较大的误差：孔深小于500m时，地勘瓦斯含量有约70%的测值偏低1525%，20%的测值偏高1015%，整体测值偏低约1015%；煤层埋深大于500m，特别是达到800m以上时，普遍具有测值偏低程度随孔深增加而加大的趋势，有85%以上的测值低3040%，最高达到50%以上，只有不足8%的测值偏高510%。,地勘解吸法含量测值普遍偏低的主要原因在于煤样漏失瓦斯量估算不尽合理，具体表现在两个方面： 其一，煤芯在泥浆介质中的瓦斯解吸与煤

17、层原始瓦斯压力、上覆泥浆压力有关，人为地将煤芯在钻孔中开始解吸瓦斯的时间固定为煤芯提至钻孔深度的一半，是不合理的； 其二，煤芯在钻孔中的瓦斯解吸是在泥浆介质中完成的，而煤样在地面的瓦斯解吸是在空气介质中进行的，两者的介质环境及介质压力条件差异较大，用煤样在地面的瓦斯解吸规律推算提钻过程中的煤样漏失瓦斯量缺乏充分的依据。这两点我们已完成了改善研究。,泥浆介质中取芯过程煤的瓦斯解吸规律及应用研究（3）泥浆介质中取芯煤芯瓦斯解吸过程模拟（B）模拟装置,1复合真空计2真空泵 3真空管系4真空硅管5玻璃三通阀6高纯瓦斯瓶 7精密压力表 8针形三通阀9充气罐10煤样罐 11水浴 12恒温器 13泥浆(水)

18、罐 14注浆(水)孔15氮气瓶 16解吸仪 17色谱仪 18紫铜管 19针形二通阀,（2）间接法,间接法主要用于生产矿井煤层瓦斯含量测定，偶尔用于地勘期间煤层瓦斯含量测定。该方法的理论基础是单分子层吸附模型的朗格缪尔方程（Langmuir Equation），它确定煤层瓦斯含量的方式与步骤为：实测煤层瓦斯压力；实验测定煤样可燃基的瓦斯吸附常数；用朗格缪尔方程计算煤的可燃基瓦斯含量，并通过水分、灰分、温度、压力等校正得到原煤的瓦斯含量。这一方法的计算基础都是来自实测值，而计算模型又得到理论证明，故可信度较高，但测准煤层瓦斯压力较难，工作量较大。,（3）井下解吸法,该方法是在地勘解吸法原理基础上改

19、进、发展形成的直接在井下测定煤层瓦斯含量的方法，它在我国煤矿本煤层、邻近层瓦斯含量测定中广为采用。测定时，先在煤层打钻孔，采集钻（煤）屑（本煤层）或打穿层钻孔采集煤芯（邻近层），然后测定采集的煤屑样在空气介质中的瓦斯解吸规律，并据此推算钻屑或煤芯在采集过程中试样的漏失瓦斯量，最后根据漏失瓦斯量、解吸瓦斯量、残存瓦斯量和煤样重量计算煤层原始瓦斯含量。,井下解吸法采用如下方法推算试样采集过程中的漏失瓦斯量： 试样的瓦斯解吸从到达既定深度（本煤层）或穿透岩层见煤（邻近层）时开始计时； 本煤层钻屑采集过程中试样的漏失瓦斯量一般按Q(t0+t)0.5规律推算，邻近层穿层钻孔煤芯采集过程试样漏失瓦斯量也按

20、Q(t0+t)0.5规律推算。,2.4.1定义与影响因素 煤层瓦斯压力是瓦斯在煤层中所呈现的压强。它是游离瓦斯分子热运动撞击所产生的作用力,其方向垂直于孔隙壁,在某一点其大小相等。它也是单位体积中所含有的瓦斯压力潜能。煤层未受采动影响区域的瓦斯压力称为原始瓦斯压力；已排放瓦斯或已抽放瓦斯区域的煤层瓦斯压力称为残存（残余）瓦斯压力。煤层瓦斯压力是决定煤层瓦斯含量和煤层突出危险性大小的主要因素之一，是进行瓦斯管理等工作的基础参数。当煤的煤化程度相同时，煤层瓦斯压力越大，煤层瓦斯含量也越高。,2.4 煤层瓦斯压力,煤层瓦斯压力主要受煤层埋藏深度、煤层顶底板岩层的透气性、地质构造、煤层赋存形态、地应力

21、和地下水活动等因素影响。当煤层有露头时，在瓦斯风化带下边界（甲烷带上边界）的煤层瓦斯压力一般为0.15-0.25MPa,在地质构造简单条件下, 煤层瓦斯压力随埋深增加而加大,;如果煤层连续、构造稳定，相同埋深处同一煤层的瓦斯压力相等。中梁山煤矿K1煤层在垂深378m水平，沿走向128m范围内，测得的瓦斯压力为2.75-2.8MPa。,2.4.2 煤层瓦斯压力的测定方法,煤层瓦斯压力的测定方法有直接测定法和间接测定法两类。 1）间接测定法有: 根据煤层瓦斯含量推算煤层瓦斯压力; 根据煤巷掘进或采煤瓦斯涌出量推算煤层瓦斯压力; 根据煤层瓦斯压力梯度求算煤层瓦斯压力。这类方法精度比较低，仅在有限的条

22、件下使用。,2）直接测定法,直接测定法是直接在测定瓦斯压力地点进行测定的方法，其工序有打钻孔、封孔和测压。典型的测定方法是在岩石巷道中向煤层打钻孔，用不同的密封材料封堵钻孔，在测压导管上安设压力表测压。封孔方法有人工填料封孔、机械压注填料封孔、封孔器封孔（胶圈封孔器、胶囊密封液封孔器和三相泡沫密封钻孔器）等。测压地点要选在没有地质构造破坏和岩层密封性能好的地方，如岩层含水，应该用填料将钻孔含水层段堵严隔离，以防水压干扰瓦斯压力测定结果。,图2.4.1 填料法封孔示意图,（1）人工填料封孔,（2) 机械压注填料封孔,以压缩空气或泥浆泵为动力,将预先调制的膨胀性水泥浆或树脂或聚胺脂压入钻孔进行封孔

23、。这一方法对倾角大的钻孔封孔效果较好，对近水平钻孔，由于钻孔顶部不易充满填料，易漏气。,图2.4.2 胶圈封孔器结构示意图,（3）封孔器封孔,2.4.3 我国部分矿井的煤层瓦斯压力实测值,我国部分矿井的煤层瓦斯压力实测值 表2.4.1,2.5 煤层的透气性,2.5.1定义和影响因素 煤层透气性是煤层对瓦斯流动难易程度的属性。它是煤层瓦斯流动规律考察、瓦斯抽放可行性分析、煤与瓦斯突出预测和防治研究的基础性质。煤层的透气性常用煤层透气性系数或渗透率的大小来定量表达。煤层透气性系数大，表明煤层透气性好，瓦斯流动容易。煤层的透气性主要取决于：煤体空隙结构分布及大小；煤层层理、节理、及裂隙发育程度；地应

24、力大小以及采动影响等，可以通过实际测定获得煤层透气性系数。,煤层透气性系数是衡量煤层透气性大小的指标。物理意义是在1m3煤体的两侧，压力平方差为1MPa2时，通过1m长度的煤体，在1m2煤面积上每天流过的瓦斯量。煤层透气性系数在不同地点相差很大。在集中应力带，煤层透气性可降低一半或更多；而在卸压带，则可增加几十倍到几万倍。,2.5.2 测定与计算方法,煤层透气性系数测定 单一钻孔流量法： 打一个垂直穿透煤层钻孔，封孔后，测出煤层真实的瓦斯压力，压力,值稳定后，打开测压孔排放瓦斯，记录排放瓦斯的时间和流量以及煤层厚度、钻孔直径等参数，利用表2.2.1所列公式进行计算。,煤层透气性测定示意图,表2

25、.5.1 煤层透气性系数的计算公式表,在这些公式的7个参数中，只有是未知数，故可计算出。,注：p0为煤层原始瓦斯压力，MPa；p1为排瓦斯时钻孔内瓦斯压力，MPa；为煤层透气系数，m2/（MPa2.d）;r为钻孔半径,m; 为煤层瓦斯含量系数,m3/(m3.MPa1/2)。=X/p1/2；X为煤层瓦斯含量，m3/m3；p为确定煤层瓦斯含量时的瓦斯压力，MPa；q为比流量（钻孔煤壁单位面积的瓦斯流量），m3/（m2.d）;t为测定瓦斯流量q时的排瓦斯时间,d;F0 为时间准数。,表2.5.2 我国部分矿区煤层透气系数实测值,3.矿井瓦斯涌出及其预测,3.1 煤层瓦斯涌出形式及影响涌出量的主要因素

26、 3.1.1 煤层瓦斯涌出形式 煤层瓦斯涌出形式系指瓦斯涌出在时间上与空间上的分布形式，可分为正常式瓦斯涌出和异常式瓦斯涌出。 正常式瓦斯涌出是指在时间上与空间上比较均匀、普遍发生的不间断涌出，它决定着矿井的瓦斯涌出平衡、瓦斯管理和风量分配。,异常式瓦斯涌出是在时间上与空间上突然、集中于局部发生的、涌出量很不均匀的间断涌出，它又分为瓦斯喷出和煤（岩石）与瓦斯突出。由于异常式瓦斯涌出的突然性、暴发性和高峰（值）性，危害严重，甚至危及整个矿井安全，防治难度大，因此是防治工作的重中之重。,它是指从可见的煤、岩裂缝或空洞中瓦斯以快速形式喷射并延续时间一般不太长的涌出现象，这一现象通常都伴有声响，如吱吱

27、声、哨声、水泡冲击声、吹风声等，这是煤层和岩石瓦斯涌出的异常形式、特殊形式。其特点是 喷出发生具有突然性； 喷出初期瓦斯流量大； 抛出物通常只有气体没有固体。,瓦斯喷出,瓦斯喷出必须要有一定压力的游离瓦斯源，按其形成过程可分为 地质过程游离瓦斯源； 采动卸压过程游离瓦斯源； 顶板冲击采空区积存瓦斯源等三种。,（1）地质过程游离瓦斯源是指游离瓦斯源来源于地质过程，大量的承压游离瓦斯积存在地质构裂隙和空洞内，当采矿工程揭露或接近这些构造时，就会发生瓦斯喷出。,例如，阳泉、中梁山等矿区发生的顶底板石灰岩溶洞裂隙的瓦斯喷出就属于地质过程游离瓦斯源。 阳泉一矿12#煤层三下山底板，当钻孔穿k3石灰岩层时

28、，曾从裂隙中喷出瓦斯1132万m3(在1年时间内)。 中梁山南矿+390m水平北茅口石灰岩大巷掘进距断层破坏带40m时，放炮与石灰岩溶洞裂缝（两条各宽10100mm）贯通，随炮声一轰鸣声，顿时雾气弥漫，喷出的瓦斯充满整个回风巷，2h后测得瓦斯流量486m3/min ,瓦斯喷出持续两周，共喷出瓦斯36万m3。,（2）采动卸压过程游离瓦斯源是指游离瓦斯源来源于采动卸压过程引起煤层吸附瓦斯大量解吸，变成卸压游离瓦斯源。南桐矿区开采近距离保护层时在其采、掘工作面曾发生过这种瓦斯喷出。,喷出地特点： 1 层间距小于6m； 2 距向斜轴60、100m； 3 地压大H大于300m， 瓦斯压力高P大于3MPa

29、； 4 突发卸压面积大， 掘进底臌面积120m2； 回采底臌面积346m2； 5 显现来压与瓦斯喷 出预兆,图3.1.1 南桐一井0307大巷与回采面瓦斯喷出位置图,（3）顶板冲击下采空区积存瓦斯源 在采空区因断层等留煤柱而处于相对封闭状态条件下，其内会有高浓度游离瓦斯积存，当采空区煤柱发生地压冲击，悬空顶板发生一定面积的垮落时，积存瓦斯将受到其冲击而压缩产生瓦斯喷出。,图3.1.2 芦岭矿1048风巷毗邻采空区积存 瓦斯喷出的孔洞照片,3.1.2影响瓦斯涌出量的主要因素,瓦斯涌出量是指在矿井建设和生产过程中，从煤与岩石中涌出的瓦斯量。其表达方法有两种： 绝对瓦斯涌出量在单位时间内涌出的瓦斯量

30、，单位为m3/min,m3/d; 相对（吨煤）瓦斯涌出量在统计期内平均每产一吨煤所涌出的瓦斯量，单位为(m3/d)/(t/d)即m3/t。,影响瓦斯涌出量的主要因素有自然因素和开采技术因素两大类。自然因素主要有煤层和围岩的瓦斯含量和开采深度等。开采技术因素主要有开采方法、顶板管理方法、开采顺序、采掘工艺、掘进速度、回采速度与产量、矿井与采区通风系统与方法等。,3.2 掘进工作面瓦斯涌出,3.2.1 掘进工作面瓦斯涌出构成及规律 掘进工作面瓦斯涌出由三部分组成：迎头新掘露煤壁、巷道已掘煤壁和采落煤（岩）的瓦斯涌出，三者一般都遵循相似的规律，如图3.2.1所示,用公式表达为: qt=q0(1+t)

31、- （3.2.1） 或 qt=q0e-t (3.2.2),式中qt瓦斯涌出时间为t时煤岩暴露面的比流量（也称为涌出强度或涌出速度），m3/（m2d）； q0瓦斯涌出初始(t=0)时，煤岩新暴露面的比流量，m3/（m2d）； 、瓦斯涌出衰减系数，取决于煤岩体的瓦斯流动特征。,图3.2.1 煤壁暴露面和采落碎煤比瓦斯涌出量与涌出时间关系曲线 a 采煤工作面煤壁瓦斯涌出曲线 b 采落碎煤瓦斯涌出曲线,3.2.2 掘进巷道瓦斯涌出量计算,1）掘进巷道瓦斯涌出量Qj 计算如下： Qj =Q1+Q2+Q3 (3.2.3) 式中 Q1掘进工作面采落碎煤、岩的瓦斯涌出量，m3/min； Q2 迎头新掘露煤壁的

32、瓦斯涌出量，m3/min，（ Q1 + Q2）占1035% Qj ； Q3巷道已掘煤壁的瓦斯涌出量，m3/minQ3占6590% Qj 。,2）掘进工作面采落碎煤、 岩的瓦斯涌出量计算,匀速掘进工作面采落碎煤、岩瓦斯涌出量Q1的计算公式为： Q1=mbv(X-Xc)/2460 (3.2.4) 式中 m巷道高度，对于薄及中厚煤层m取煤层厚度，m； b巷道宽度，m； v巷道掘进速度m/d 煤的密度t/m3 X、Xc分别为煤层的瓦斯含量和采落碎煤的残存含量，m3/t。,3）掘进迎头新掘露煤壁的 瓦斯涌出量计算,掘进工作面迎头新掘露煤壁的瓦斯涌出量Q2系指掘进当天新掘出的新鲜煤壁暴露面的瓦斯涌出量（m

33、3/min），其计算公式如下： Q2 =（Uv +mb）q0 (3.2.5) 式中 U巷道煤暴露周边长度，m； q0瓦斯涌出初始(t=0)时，煤岩新暴露 面的比流量，m3/（m2d），可实测得到, 阳泉矿区得出： q0=0.59X/2460 (3.2.6),4）巷道已掘煤壁的瓦斯 涌出量Q3计算,Q3=Uvq0(1+t)1-t -/(1-) （3.2.7) 或 Q3=Uvq0(1+-e-t)/Uvq0(1-e-t)/(3.2.8) 由式（3.2.10）或式（3.2.11）可知，巷道掘进的瓦斯涌出量大小决定于煤层瓦斯涌出特性参数q0、，此外还与巷道的掘进速度、煤体暴露周边长度以及暴露时间或巷道长

34、度成正比。,由于煤壁瓦斯涌出比流量随暴露时间的延长而快速衰减,当暴露时间t等于瓦斯涌出极限期tji时,煤壁因瓦斯源枯竭而终止涌出。与瓦斯涌出极限期tji相对应，巷道存在瓦斯涌出极限长度Lji，当巷道长度L等于这个长度Lji时，巷道瓦斯涌出量达到极限值Q3ji，以后，巷道掘进长度再增加，瓦斯涌出量也不再增加。式（3.2.11）的瓦斯涌出量极限值为: Q3ji= Uvq0/ (3.2.9) Lji = 3v/ (3.2.10),3.2.3 巷道已掘煤壁瓦斯涌出规律 的测定方法,由前述可知，计算与了解巷道瓦斯涌出量大小的关键在于掌握煤壁瓦斯涌出随暴露时间的变化规律，为此，需要掌握测定煤壁瓦斯涌出（比

35、流量）规律的方法，下面介绍两种实测方法。,图3.2.5红卫煤矿煤层和阳泉一矿3#煤层煤壁瓦斯涌出比流量 与巷道瓦斯涌出量变化曲线图,（1）圆罩式测定法,图3.2.3圆罩式测定煤壁瓦斯涌出规律方法示意图,qt=Q(cc-cr)/s*100 (3.2.11) 式中 qt 煤壁暴露时间为t天时，圆盘内煤面的 瓦斯涌出比流量， m3/minm2; Q流量计测得的从被密封圆罩内抽出的风 量，m3/min ； cc、cr 分别为进入与流出圆罩的瓦斯浓 度，%； s圆罩内煤壁面积，s=d2/4,m2; d圆罩直径，m 。,（2） 浅钻孔测定法,图3.2.4 浅钻孔测定煤壁瓦斯涌出规律的测定方法示意图,qt=

36、Q(cc-cr)/（100dL） (3.2.12) 式中 qt 煤壁暴露时间为t天时，煤面的瓦斯涌出比流量， m3/minm2; Q流量计测得的从钻孔内抽出的风量，m3/min ； cc、cr 分别为进入与流出钻孔的瓦斯浓度，%； d、L分别为钻孔直径和长度m。,3.3 采煤工作面瓦斯涌出预测技术,3.3.1 瓦斯涌出量主要预测技术方法、适应性及展望,3.3 采煤工作面瓦斯涌出预测技术,矿井瓦斯涌出量预测技术框架图,3.3.1、瓦斯涌出量主要预测技术方法、适应性及展望,8种,3.3 采煤工作面瓦斯涌出预测技术,3.3.1、瓦斯涌出量主要预测技术方法、适应性及展望,方法评价 分源预测法和矿山统计

37、法已经达到实用阶段，并且于2006年发布了安全生产行业标准矿井瓦斯涌出量预测方法（AQ1018-2006）。 含量法主要是国外的几种方法,在我国分源预测法建立之前应用较多，现在在现场的基本不再应用； 类比法由于简单可行，现场应用也较多。 灰色系统预测法、神经网络预测法由于计算过程复杂，必须借助计算机的编程，所以很少有现场采用，且目前还在探索阶段； 瓦斯地质数学模型法是一种可以同时处理定性变量和定量变量的多元统计分析方法，现场有一定的应用。 速度预测法是以现场实测的瓦斯涌出初速度V0与衰减系数为基础，只在相关文献上报告过，现场没有应用。 筛选结果 最后筛选出矿井瓦斯涌出量预测技术为矿山统计法、分

38、源预测法、类比法及瓦斯地质数学模型法。,3.3 采煤工作面瓦斯涌出预测技术,3.3.1、瓦斯涌出量主要预测技术方法、适应性及展望,展望 进一步完善分源预测法 分源预测法计算公式中,部分参数的取值具有随意性,预测结果有不确定的成份，所以此种方法还需进一完善，尤其是预测公式中各种参数的取值更应科学合理，以提高预测精度及适用范围。 逐渐发展、完善并推广动态预测技术 矿井实现动态预测可以真实反映具有动态行为的采掘工作面生产过程中的瓦斯涌出实际情形，使预测更具有针对性、时效性、可靠性，以适应现代矿井高产高效建设的需要，这一技术也是今后发展的重点方向。,3.3 采煤工作面瓦斯涌出预测技术,3.3.2 采煤工作面瓦斯涌出计算的分类 采煤工作面的瓦斯涌出量Qcm的计算通常有两种： 第一种是按涌出的地域（分域法）计算； 第二种是按涌出的来源（分源法）计算。现将应用较多的第二种介绍如下：,按涌出来源计算：,qcm =qB+qL (3.3.1) 式中，qB来自开采煤层本层的瓦斯涌出量，m3/t; qL来自邻近煤层的瓦斯涌出量，m3/t； qcm采煤工作面的相对瓦斯涌出量m3/t。,3.3.3 开采煤层本层的瓦斯涌出量,开采煤层本身的相对瓦斯涌出量qB 可以根据本开采层的原始瓦斯含量X0 按下式求得： qB=k1k2k3k4(X0 - X1) (3.3.2) 式中，