張雙樓礦5.0Mta新井設(shè)計【含CAD圖紙+文檔】,含CAD圖紙+文檔,張雙樓礦,mta,設(shè)計,cad,圖紙,文檔 綜采工作面的瓦斯涌出規(guī)律及瓦斯涌出量的預(yù)測 摘要：瓦斯是危害礦井安全生產(chǎn)的重要因素之一。瓦斯災(zāi)害是煤礦中最嚴(yán)重的災(zāi)害之一。采場范圍內(nèi)涌出瓦斯的地點(diǎn)稱為瓦斯源，瓦斯涌出源的多少，各源涌出瓦斯量的大小直接影響著采場的瓦斯涌出量。瓦斯災(zāi)害治理的好壞已成為礦井特別是高瓦斯礦井興衰存亡的關(guān)鍵因素之一。本文較系統(tǒng)的論述了煤層瓦斯的賦存狀態(tài)與煤對瓦斯的吸附作用以及煤層瓦斯運(yùn)移的基本規(guī)律。通過對綜采工作面的采煤特點(diǎn)分析，確定了綜采工作面瓦斯涌出的四個來源:煤壁(圍巖)瓦斯涌出、落煤瓦斯涌出、采空區(qū)(殘煤)瓦斯涌出及上下鄰近層(未采分層)瓦斯涌出。本文通過資料的收集、整理和分析，總結(jié)了綜采工作面瓦斯?jié)舛确植?、采空區(qū)瓦斯流動及其濃度分布規(guī)律。本文結(jié)合綜采工作面各瓦斯涌出源的涌出特征，運(yùn)用瓦斯在煤層中作單向流動和球向流動的基本理論體系及其計算方法，推導(dǎo)出了綜采工作面煤壁和采落煤的瓦斯涌出規(guī)律，并通過實(shí)測數(shù)據(jù)對其進(jìn)行了分析驗(yàn)證。本文通過對現(xiàn)有回采工作面瓦斯涌出量預(yù)測計算方法存在問題的分析總結(jié)，以煤層瓦斯流動理論為基礎(chǔ)，根據(jù)瓦斯涌出規(guī)律結(jié)合綜合采煤機(jī)的采煤特點(diǎn)，分別對各瓦斯涌出源的瓦斯涌出量進(jìn)行預(yù)測，進(jìn)而建立了一種適應(yīng)性范圍廣且準(zhǔn)確率高的綜采工作面瓦斯涌出量預(yù)測模型，并給出了該預(yù)測方法所需基礎(chǔ)參數(shù)的測定方法。 關(guān)鍵詞：綜采工作面，涌出規(guī)律，涌出量，預(yù)測 0 引言 瓦斯是危害礦井安全生產(chǎn)的重要因素之一。瓦斯災(zāi)害是煤礦中最嚴(yán)重的災(zāi)害之一。瓦斯對礦井安全的威脅主要有爆炸、突出、窒息等三種形式，其中瓦斯煤塵爆炸和煤與瓦斯突出給煤炭礦山企業(yè)帶來的危害極大，它嚴(yán)重威脅著井下人員的生命和礦井設(shè)施的安全，并迫使礦井停產(chǎn)，投入大量的人力物力進(jìn)行搶險救災(zāi)。瓦斯爆炸不僅造成大量人員傷亡，而且嚴(yán)重摧毀井巷設(shè)施、中斷生產(chǎn)，有時還會引起煤塵爆炸、礦井火災(zāi)、井巷垮塌等二次災(zāi)害。井下一次死亡人數(shù)多的重大事故主要是瓦斯爆炸事故和瓦斯突出事故。據(jù)有關(guān)部門統(tǒng)計，中國的煤礦事故百萬噸死亡率是美國的100倍、南非的30倍。從2001年到2005年，全國煤礦共發(fā)生一次死亡10人以上的特大事故188起，平均.74天一起;其中一次死亡30人以上的特別重大事故28起，平均50天一起，平均一星期死亡10人。 近年來，隨著采礦技術(shù)裝備的飛躍發(fā)展，我國涌現(xiàn)出了一大批以綜合機(jī)械化采煤為特征的高產(chǎn)高效集約化礦井。集約化生產(chǎn)是我國煤炭生產(chǎn)方式的一大飛躍，具有高產(chǎn)高效、成本低、經(jīng)濟(jì)效益顯著的特點(diǎn)。但由于開采強(qiáng)度大、生產(chǎn)集中、推進(jìn)速度快，造成采面瓦斯涌出集中、涌出不均衡等特點(diǎn)，對安全生產(chǎn)構(gòu)成了極大威脅，嚴(yán)重制約了高產(chǎn)高效工作面優(yōu)勢的發(fā)揮。在我國擁有高產(chǎn)高效工作面的51個礦井中，有17個屬于高瓦斯或煤與瓦斯突出礦井，占總數(shù)的33%，有68%的高產(chǎn)高效工作面存在嚴(yán)重或較嚴(yán)重的瓦斯超限問題，在瓦斯含量僅為5一sm/st的低瓦斯礦井，高產(chǎn)高效工作面由于瓦斯超限而影響生產(chǎn)的時間約為正常時間的1/8一1/12，而在高瓦斯礦井或突出礦井，則高達(dá)1/3一1/4。重大惡性瓦斯事故在我國也連續(xù)不斷的出現(xiàn)，給煤礦安全生產(chǎn)造成極大危害。 為防治瓦斯災(zāi)害事故，原煤炭工業(yè)部每年投入安全技術(shù)措施費(fèi)用近1億元(大部分用于防治瓦斯災(zāi)害)，礦井進(jìn)入成本的瓦斯災(zāi)害防治費(fèi)用平均達(dá)到每噸10元，有的礦井高達(dá)30元。粗略估算，從各種途徑投入瓦斯災(zāi)害的防治費(fèi)用每年高達(dá)20億元以上，給煤礦生產(chǎn)帶來沉重的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。瓦斯災(zāi)害的威脅極大地限制了礦井生產(chǎn)能力的發(fā)揮，采掘工作面因難以將瓦斯?jié)舛瓤刂圃诎踩薅纫詢?nèi)而不得不減慢采、掘速度，因消除煤層的突出危險性而不得不占用更多的采掘時間去強(qiáng)化消除突出的防突措施，使許多礦井的生產(chǎn)能力不得不一減再減，浪費(fèi)了大量的生產(chǎn)投資，高產(chǎn)高效的采、掘、運(yùn)機(jī)械化裝備難以發(fā)揮效能，勞動生產(chǎn)率水平低下。據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計，現(xiàn)有130個國有重點(diǎn)突出礦井，年設(shè)計平均生產(chǎn)能力為.093Mt，核定生產(chǎn)能力為0.06Mt，是突出礦井生產(chǎn)能力的兩倍多，由于礦井生產(chǎn)能力的下降，產(chǎn)出減少，礦井經(jīng)濟(jì)效益顯著降低。由于礦井安全生產(chǎn)受到威脅，礦井經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)重，效益差，致使礦井人員穩(wěn)定困難，科技開發(fā)能力減弱，不少高瓦斯突出礦井步入惡性循環(huán)，最終導(dǎo)致礦井關(guān)閉。因此，在當(dāng)前市場經(jīng)濟(jì)條件下，瓦斯災(zāi)害治理的好壞已成為礦井特別是高瓦斯礦井興衰存亡的關(guān)鍵因素之一，而對瓦斯涌出量的預(yù)測是瓦斯防治技術(shù)中的主要方面之一。 長期的生產(chǎn)實(shí)踐亦證明，礦井瓦斯預(yù)測是瓦斯防治不可缺少的重要技術(shù)環(huán)節(jié)。由于綜合機(jī)械化采煤強(qiáng)度大、速度快，瓦斯涌出獨(dú)具特征，我國現(xiàn)有的礦井瓦斯涌出量預(yù)測技術(shù)己不能滿足綜采工作面瓦斯防治對預(yù)測精度的要求，為此進(jìn)行了“綜采工作面瓦斯預(yù)測技術(shù)的研究”的技術(shù)攻關(guān)，根據(jù)瓦斯流動理論和綜采機(jī)的采煤特點(diǎn)，建立適應(yīng)性范圍廣且準(zhǔn)確率高的綜采工作面瓦斯涌出量預(yù)測模型，這對于指導(dǎo)生產(chǎn)和制定行之有效的瓦斯治理措施、防止惡性瓦斯事故的發(fā)生、充分發(fā)揮綜合機(jī)械化采煤的優(yōu)勢具有重大的經(jīng)濟(jì)、社會效益和深遠(yuǎn)的現(xiàn)實(shí)意義。這也是本論文選題的最終目的所在。 1 煤層瓦斯賦存及其流動理論 1.1 煤層瓦斯的賦存 煤體中賦存瓦斯的多少不僅對煤層瓦斯含量大小有影響，而且還直接影響到煤層中瓦斯流動及其發(fā)生災(zāi)害的危險的大小;因此，研究煤層中瓦斯的賦存狀況是礦井瓦斯研究中的重要一環(huán)，也是基于瓦斯含量的瓦斯含量預(yù)測法預(yù)測礦井瓦斯涌出量的理論基礎(chǔ)。 1.1.1煤中瓦斯的賦存狀態(tài) 煤中瓦斯的賦存狀態(tài)一般有吸附狀態(tài)和游離狀態(tài)2種。固體表面的吸附作用可以分為物理吸附和化學(xué)吸附2種類型，煤對瓦斯的吸附作用是物理吸附，是瓦斯分子和碳分子間相互吸引的結(jié)果。在被吸附瓦斯中，通常又將進(jìn)入煤體內(nèi)部的瓦斯稱為吸收瓦斯，把附著在煤體表面的瓦斯稱為吸著瓦斯，吸收瓦斯和吸著瓦斯統(tǒng)稱為吸附瓦斯。在煤層賦存的瓦斯量中，通常吸附瓦斯量占80%~90%，游離瓦斯量占10%一20%;在吸附瓦斯量中又以煤體表面吸著的瓦斯量占多數(shù)。 在煤體中，吸附瓦斯和游離瓦斯在外界條件不變的條件下處于動平衡狀態(tài)，吸附狀態(tài)的瓦斯分子和游離狀態(tài)的瓦斯分子處于不斷的交換之中;當(dāng)外界的瓦斯壓力和溫度發(fā)生變化或給予沖擊和振蕩、影響了分子的能量時，則會破壞其動平衡，而產(chǎn)生新的平衡狀態(tài)。因此，我們認(rèn)為，由于瓦斯吸附分子和游離分子是在不斷地交換之中，在瓦斯緩慢的流動過程中，不存在游離瓦斯易放散、吸附瓦斯不易放散的問題;但是，在突出過程的較短時間內(nèi)，游離瓦斯會首先釋放，然后吸附瓦斯迅速加以補(bǔ)充。 近年來，隨著分析測試技術(shù)的不斷發(fā)展，有關(guān)學(xué)者采用X射線、衍射分析等技術(shù)對煤體進(jìn)行觀察分析后認(rèn)為，煤體內(nèi)瓦斯的賦存狀態(tài)不僅有吸附(固態(tài))和游離（氣態(tài)）狀態(tài)，而且還包含有瓦斯的液態(tài)和固溶體狀態(tài);但是，由于總的來說，吸附（固態(tài))和游離(氣態(tài))瓦斯所占的比例在85%以上，在正常情況下，整體所表現(xiàn)出來的特征仍是吸附和游離狀態(tài)的瓦斯特征;所以，其傳統(tǒng)的觀點(diǎn)并沒有矛盾，只是分析測試更加深入而己。 1.1.2煤的吸附理論 煤是一種包含微孔和大孔系統(tǒng)的雙重孔隙介質(zhì)，煤體吸附瓦斯是煤的一種自然屬性。微孔存在于煤基質(zhì)部分，大孔系統(tǒng)由包圍煤基質(zhì)被稱為割理系統(tǒng)的天然裂隙網(wǎng)絡(luò)組成。煤中有兩種割理，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層面。煤具有極其發(fā)育的微孔隙，有很大的比表面積，煤的天然孔隙率和裂隙率是煤的一個主要特征，它決定了煤的吸附容積和煤的儲存性能。 一、吸附理論 瓦斯以吸附形式存儲在煤中，其吸附量與多種因素有關(guān)，由于其復(fù)雜性，故存在不同的瓦斯吸附理論。 1）單分子層吸附理論(Lnagmuir)等溫吸附方程，該方程描述的是I型吸附等溫線，它是目前廣泛應(yīng)用于瓦斯吸附的狀態(tài)方程，其表達(dá)式為： （1-1） 式中：V——吸附量，cm3； pL——Lnagmuir壓力，Pa； p——壓力，Pa； VL——Lnagmuir體積，cm3。 2）Freundlieh方程，等溫吸附的表達(dá)式為： （1-2） 式中a，n為常數(shù)。該方程由于形式簡單，使用方便，而得到較多的應(yīng)用，但方程系純經(jīng)驗(yàn)方程，沒有明確的物理意義。 3）Polomyi吸附勢理論，認(rèn)為在固體吸附表面附近存在一個位勢場，鄰近的氣體分子在場的作用下發(fā)生吸附。吸附勢場的作用力大的足以在吸附劑表面形成許多吸附層，吸附層處于受壓狀態(tài)，內(nèi)層受壓最大，第二層次之；相應(yīng)地密度依次減小，直至下降到與周圍氣體密度相同。Polomyi吸附理論利用物理吸附的假說對極不均勻內(nèi)表面的吸附給出了定量的描述，但沒有給出表達(dá)吸附等溫線的方程式。 1.1.3影響煤層瓦斯含量的主要因素 礦井中的煤體從植物遺體到無煙煤的變質(zhì)過程中，每噸煤至少可生成100m3以上的瓦斯。但是，在目前的天然煤層中，最大的瓦斯含量不超過50m3/t。其原因則在于:一方面是因?yàn)槊簩颖旧砗咚沟哪芰λ?，另一方面則是由于瓦斯是以壓力氣體存在于煤層中，經(jīng)過漫長的地質(zhì)年代，放散了大部分，而目前儲存在煤體中的瓦斯僅是剩余的瓦斯量。因此，從某種意義上講，煤層瓦斯含量的多少主要取決于保存瓦斯的條件，而不是生成瓦斯量的多少;也就是說不僅取決于煤的變質(zhì)程度，而更主要的是取決于儲存瓦斯的地質(zhì)條件。根據(jù)目前的研究成果認(rèn)為，影響煤層瓦斯含量的主要因素有： 一、煤層的埋藏深度 眾所周知，埋深的增加不僅會因地應(yīng)力增高而使煤層及圍巖的透氣性變差，而且瓦斯向地表運(yùn)移的距離也增長，這二者都有利于封存瓦斯。根據(jù)近年來國內(nèi)外有關(guān)學(xué)者的研究表明，當(dāng)深度不太大時，煤層瓦斯含量隨埋深基本上成線性規(guī)律增加，當(dāng)深度達(dá)到一定值后，煤層瓦斯含量將趨于常量，并有可能會下降。例如，焦作煤田，煤層瓦斯含量在不受斷層與地質(zhì)構(gòu)造影響的地段，可用式X=6.58+0.038H(m3/t)表示(相關(guān)系數(shù)=r.096，埋深H>l50m(瓦斯風(fēng)化帶深))。原蘇聯(lián)的一些礦區(qū)實(shí)測瓦斯含量與深度之間的關(guān)系證實(shí)了上述分析。英國采礦研究院從地面打鉆，用直接法測量結(jié)果表明，在典型地層中，煤層瓦斯含量隨埋深增大而有規(guī)律增加；一般情況下，深度每增加100m，煤層甲烷含量可增加0.5～1.lm3/t。 二、煤層和圍巖的透氣性 目前認(rèn)為，煤系地層巖性組合及其透氣性對煤層瓦斯含量有重大影響。一般情況下，煤層及其圍巖的透氣性越大，瓦斯越易流失，煤層瓦斯含量就越小;反之，瓦斯易于保存，煤層的瓦斯含量就大。例如四川重慶、貴州六枝、湖南漣邵等地區(qū)，其煤系主要巖層均是泥巖、頁巖、砂頁巖、粉砂巖和致密的灰?guī)r，而且厚度大，橫向巖性變化小，圍巖的透氣性差，封閉瓦斯的條件好，所以煤層瓦斯壓力高，瓦斯含量大，這些地區(qū)的礦井往往是高瓦斯或有煤與瓦斯突出危險的礦井;反之，當(dāng)圍巖是由厚層中粗砂巖、礫巖或是裂隙溶洞發(fā)育的灰?guī)r組成時，煤層瓦斯含量往往較小。例如山西大同煤田、北京西部煤田、煤層頂?shù)装逯饕呛駥由皫r，透氣性好，故而煤層瓦斯含量較低。 三、煤層傾角 目前認(rèn)為，在同一埋深及條件相同情況下，煤層傾角越小，煤層的瓦斯含量就越高。例如芙蓉煤礦北翼煤層傾角陡(40°～80°)，相對瓦斯涌出量約20m3/t，無瓦斯突出現(xiàn)象；反之，南翼煤層傾角緩(6°～12°)，相對瓦斯涌出量則高達(dá)150m3/t，而且還有瓦斯突出現(xiàn)象。發(fā)生這種現(xiàn)象的原因主要在于，煤層滲透性一般大于圍巖，煤層傾角越小，在頂板巖性密封好的條件下，瓦斯越不容易通過煤層排放，煤體中產(chǎn)生的瓦斯容易得到貯存；故而煤層的瓦斯含量高，瓦斯涌出量大。 四、煤層露頭 煤層露頭是瓦斯向地面排放的出口，因此，毫無疑問，露頭存在時間越長，瓦斯排放就越多，例如福建、廣東地區(qū)的煤層多有露頭，故面瓦斯含量往往較低。反之，地表無露頭的煤層，瓦斯含量往往較高，例如四川中梁山煤田，煤層無露頭，而且為覆舟(背斜)狀構(gòu)造.所以煤層瓦斯含量大。 五、地質(zhì)構(gòu)造 眾所周知，地質(zhì)構(gòu)造是影響煤層瓦斯存貯的最重要的條件之一。目前一般認(rèn)為，封閉型地質(zhì)構(gòu)造有利于封存瓦斯，開放型地質(zhì)構(gòu)造有利于排放瓦斯。 1.2 瓦斯在煤層中運(yùn)移到基本規(guī)律 成煤過程中，在高溫高壓的作用下，煤中揮發(fā)分在由固體轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w而排出的過程中，煤中即形成了大量的相互溝通的微孔;而在漫長的地質(zhì)年代中，底層的運(yùn)動對煤體的破壞和搓揉又將煤層破壞成為若干煤粒和煤塊的集合體，因而煤層中存在著一個巨大的孔隙、裂隙網(wǎng)。當(dāng)采礦工作進(jìn)入煤層后，由于巷道空間的氣壓是一個大氣壓左右，而煤層瓦斯往往處于高壓狀態(tài)，因而瓦斯即從地層和煤層向巷道空間運(yùn)移，這種運(yùn)移在絕大多數(shù)情況下表現(xiàn)為瓦斯由煤層內(nèi)部向煤面的涌出。早在50年代末，我們在國內(nèi)首先開始了這方面的研究。研究的方法是理論和實(shí)驗(yàn)并重，首先用數(shù)學(xué)方法建立了瓦斯在煤層中流動的基本模型，并對瓦斯流動場進(jìn)行了分類；其次是在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行物理模擬試驗(yàn)，并在現(xiàn)場對巷道和鉆孔的瓦斯涌出規(guī)律進(jìn)行觀測;以后又花費(fèi)了大量時間對開采煤層、臨近煤層的瓦斯涌出和防治進(jìn)行了研究，從而為煤層瓦斯流動理論的建立奠定了良好的基礎(chǔ)，并為生產(chǎn)礦井防止瓦斯事故提供了理論依據(jù)。煤層瓦斯的運(yùn)移是一個復(fù)雜的運(yùn)動過程，它與煤層的結(jié)構(gòu)和煤層中瓦斯賦存狀態(tài)密切相關(guān)。 1.2.1 瓦斯在煤層中的運(yùn)移及流動 根據(jù)煤層瓦斯賦存及運(yùn)移的基本規(guī)律分析可知，瓦斯是賦存在煤層中的，而煤層中的瓦斯賦存狀態(tài)受多種因素影響，并且瓦斯在一定條件下會發(fā)生運(yùn)移，造成煤層中瓦斯含量的分布不均，由于對礦井生產(chǎn)有直接關(guān)系的礦井瓦斯涌出，煤層瓦斯突出以及煤層瓦斯抽放都涉及到煤層中瓦斯的運(yùn)移，因此從一定意義上來說，更有必要了解煤層中瓦斯的運(yùn)移。從目前的研究結(jié)果來看，瓦斯在煤層中的運(yùn)移是一個相當(dāng)復(fù)雜的過程，其復(fù)雜性主要表現(xiàn)在兩個方面:即一方面是煤體結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，另一方面是瓦斯在煤層中賦存狀態(tài)的復(fù)雜多變性。一般情況下，煤層大體上可以認(rèn)為是由孔隙介質(zhì)的煤塊和裂隙系統(tǒng)所組成的孔隙一裂隙結(jié)構(gòu);孔隙結(jié)構(gòu)一般居煤中揮發(fā)分在成煤過程中轉(zhuǎn)化為固定碳時，形成的許多微小氣孔所組成，這一點(diǎn)在煤塊的電子顯微鏡照片中可以看到。當(dāng)然，煤層中的孔隙結(jié)構(gòu)的形成還會有其它的因素；但是，從目前來看，無論煤層中的孔隙結(jié)構(gòu)是如何形成的，成煤過程中生成的微孔總是一部分是相互溝通，而另一部分則是封閉的，并且其中都含有瓦斯，這也導(dǎo)致了煤層瓦斯運(yùn)移的復(fù)雜化。 裂隙系統(tǒng)是煤層的層理、節(jié)理和裂隙所組成。它也是在成煤過程中形成的，特別是在地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動的過程中，煤層被強(qiáng)大的構(gòu)造應(yīng)力所擠壓、錯動而破碎，形成了裂隙系統(tǒng)。這是因?yàn)樵诘貙又?，煤層的?qiáng)度最低；當(dāng)?shù)貙又写嬖诓痪鶆虻臉?gòu)造應(yīng)力時，煤層的頂?shù)装遄钊菀桩a(chǎn)生相對移動，從而使煤層受到搓揉，形成構(gòu)造煤。從礦井中可以看到，某些軟煤層已看不出它的層理和節(jié)理，變成了象土壤一樣的顆粒結(jié)構(gòu)，在顆粒之間，則往往存在著細(xì)微的裂隙網(wǎng)。 此外，目前的深入研究還表明，在瓦斯分子與煤壁的接觸面上時常有滑動現(xiàn)象；一般情況下，當(dāng)瓦斯流速很低時，這種瓦斯分子滑流所占的比重就要增大。而且，目前認(rèn)為，在吸附表面上也有瓦斯分子從密度大的地方向密度小的地方移動的可能性。 因此，從總體上來說，目前認(rèn)為煤層是一種宏觀裂隙和微觀孔隙組成的多孔介質(zhì)；一般情況下，瓦斯在煤體中的運(yùn)移主要取決于煤體的滲透性能。根據(jù)實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場實(shí)踐表明，煤體的滲透性對應(yīng)力是非常敏感的；這是因?yàn)槊后w中的裂隙和孔隙在外力作用下發(fā)生了閉合，導(dǎo)致煤體滲透性的變化，其中尤以裂隙為甚。同時，煤體吸附瓦斯后，強(qiáng)度降低，塑性增加，更加劇了對應(yīng)力的敏感程度，表現(xiàn)為隨著氣體的吸附性的增強(qiáng)，煤體的應(yīng)力敏感度系數(shù)增大:隨著孔隙壓力的增大，煤體的應(yīng)力敏感度也有所增大。煤層或巖層在礦井生產(chǎn)采掘工程的影響下，采掘工作面周圍煤(巖)體中的應(yīng)力場會發(fā)生變化，形成卸壓(裂隙)帶和應(yīng)力集中帶，更加劇了煤(巖)體的非均質(zhì)性，對瓦斯的運(yùn)移具有重大的影響。 1.2.2 瓦斯在煤層中運(yùn)移的基本參數(shù) 煤層是孔隙介質(zhì)，其中充滿微笑的孔隙和裂隙，煤體是孔隙和裂隙的集合體。當(dāng)采礦空間進(jìn)入煤層以后，瓦斯從煤層內(nèi)部向巷道空間的運(yùn)移非常復(fù)雜，它不僅受天然煤層原始條件的影響，也受到采礦工作、地下應(yīng)力場和巖層移動的影響。為此我們從宏觀的角度來分析某一區(qū)域煤層中瓦斯的運(yùn)移規(guī)律。 1）煤層瓦斯壓力 煤層瓦斯壓力是指煤層中瓦斯所具有的氣體壓力，由游離瓦斯構(gòu)成。在煤礦礦井下瓦斯帶的上部邊界，瓦斯壓力約為0.15一.02MPa，以后隨著礦井垂深的增加而增大。我國北票、南桐、天府等瓦斯突出礦井的統(tǒng)計資料表明，每隔8一14m垂深，瓦斯壓力增加0.IMPa左右。在煤層正常賦存和地質(zhì)構(gòu)造破壞不大的條件下，同一煤層相同的深度上的各個地點(diǎn)的瓦斯壓力基本上保持相同的數(shù)值。 煤層瓦斯壓力與煤層所處位置承受的地應(yīng)力的大小有關(guān)。一般情況下，淺部由于構(gòu)造應(yīng)力小，且受瓦斯風(fēng)化帶的影響，其瓦斯壓力往往小于或近似于靜水壓力，P/MPa=0.01H/m；而在礦井深部，由于地應(yīng)力(其中包括自重應(yīng)力、構(gòu)造應(yīng)力和溫度應(yīng)力)隨垂深成線性增加，瓦斯壓力可以超過靜水壓力，P/MPa值可達(dá)(0.013～0.015)H/m，且在個別構(gòu)造應(yīng)力和開采集中應(yīng)力很高的地帶，瓦斯壓力可以達(dá)到更高值。 大多數(shù)礦井瓦斯壓力隨垂深成線性增加；在煤層正常賦存條件下，處于同一深度的煤層各測點(diǎn)瓦斯壓力基本上趨于一致。 我們從國外的部分礦井的瓦斯壓力值中我們知道:隨著礦井開采深度的增加，瓦斯壓力大于地層靜水壓力(即p/H>0.01)的現(xiàn)象并不罕見。這也說明了隨著開采深度的加大，地應(yīng)力對瓦斯壓力的影響是不容忽視的。 2）煤層透氣性系數(shù) 煤層透氣系數(shù)是煤層瓦斯流動難易程度的標(biāo)志，和水在多孔介質(zhì)中流動時的滲透系數(shù)又一樣;但是瓦斯是氣體，它在流動過程中密度要降低、體積要膨脹，所以比水在砂層中的流動要復(fù)雜一些。原始煤層透氣數(shù)一般很低，瓦斯在煤層中的流速也很小，每日僅幾厘米到幾米，瓦斯的流動基本是在等溫條件下進(jìn)行的，其溫度等于煤層的溫度，它的流動基本符合達(dá)西定律： （1-3） 式中：K——煤層的滲透率，m2（1D=9.869×10-13m2）； u——瓦斯的流速，m/s； μ——瓦斯的絕對粘度，Pa·s； dp——在dn長度內(nèi)的壓差，Pa； dn——和瓦斯流動方向一致的某一極小長度，m。 故一晝夜單位面積上的瓦斯流量為： （1-4） 令A(yù)=1m2，則： （1-5） 式中：u——瓦斯的流速，m/s； A——瓦斯流光的面積，m2； qp——壓力為p、溫度為t℃時，1m2煤面上流過的瓦斯流量，m3/（m2·d）； q——比流量，1大氣壓、t℃時，1m2煤面上流過的瓦斯流量，m3/（m2·d）； pn——一個大氣壓； B——單位換算系數(shù)； p——在位置n處的瓦斯壓力（絕對壓力），MPa； P——瓦斯壓力平方，P=p2，MPa2。 令 則 （1-6） 式中：q——瓦斯流量，m3/（m2·d）； λ——煤層透氣系數(shù)，m3/（MPa2·d）； P——瓦斯壓力平方，P=p2，MPa2。 （1-6）式的形式和電介質(zhì)中電流運(yùn)動已經(jīng)物體導(dǎo)熱過程相仿，在這里瓦斯壓的力平方相當(dāng)于電壓或溫度，是一種線性關(guān)系，這樣就有利于我們把熱傳導(dǎo)理論應(yīng)用到瓦斯流動理論中來。 從(1-6)式也可以看出，透氣系數(shù)的物理意義是:在lm3煤體的兩側(cè)，當(dāng)其壓力的平方差是lam2或0.01MPa2時，通過lm2煤面，每日流過的瓦斯量。當(dāng)透氣系數(shù)的單位取m/(MPa2·d)、滲透率的單位取m2時，兩者的數(shù)值關(guān)系是前者為后者的2.5×10-17倍。 煤層透氣性的大小主要取決于煤層內(nèi)裂隙的大小及其分布。煤層中的裂隙一般包括兩部分；一部分則是由于煤體內(nèi)部作用而形成的裂隙，其中包含煤層層理和煤的膠粒結(jié)構(gòu)；另一份則是由于煤體受到外部作用而形成的裂隙，也就是地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力作用而產(chǎn)生的裂隙和由采掘工作引起的新裂隙。 由于煤層層理是有方向性的，沿層理和垂直層理方向的透氣性差別很大，相差達(dá)數(shù)倍乃至數(shù)十倍之多;地質(zhì)破壞造成的裂隙對透氣性有影響；加上煤質(zhì)不均一，軟硬變化不同和地應(yīng)力活動的不均勻，因而煤層的透氣系數(shù)在各點(diǎn)相差較大，只能采用綜合平均的數(shù)值代表某一區(qū)域煤層的透氣系數(shù)。 2綜采工作面瓦斯涌出基本規(guī)律的研究 2.1綜采工作面瓦斯來源分析 眾所周知，煤層的多孔隙，裂隙結(jié)構(gòu)構(gòu)成了氣體流通的通道。煤層開采前，原始的煤層、圍巖與瓦斯流體組成的系統(tǒng)處于均衡狀態(tài)，在開采過程中，周圍煤層中的瓦斯壓力平衡狀態(tài)不斷遭到破壞，瓦斯壓力重新分布，煤層透氣性系數(shù)增加而形成卸壓帶。開采后，隨著工作面向前推進(jìn)，工作面后方的煤層頂板不斷冒落下來，形成采空區(qū)，采空區(qū)上方煤層、巖層產(chǎn)生變形、下沉及斷裂等變化，形成裂隙、裂紋，采空區(qū)下方煤層在強(qiáng)大的地應(yīng)力作用下，開采層下方的地層即向采空空間鼓起，在層間形成大量的裂隙，從而改變了瓦斯原來的流動狀態(tài)和賦存狀態(tài)，瓦斯從煤層、上下鄰近層及圍巖中通過貫穿的空隙空間向著采空區(qū)和工作面流動，甚至大量的涌出。煤層內(nèi)部、圍巖及采空區(qū)內(nèi)瓦斯涌出的能量來源于濃度差(壓差)。由于煤層內(nèi)部、圍巖及采空區(qū)深部的瓦斯?jié)舛?壓力)高于采面瓦斯?jié)舛?壓力)，而氣體總就從濃度高的地方向濃度低的地方擴(kuò)散，直至壓力平衡。 研究表明，回采工作面瓦斯涌出關(guān)系如圖2-1所示。 圖2-1 綜采工作面瓦斯來源構(gòu)成示意圖 回采工作面的瓦斯涌出取決于煤層自然因素和礦山技術(shù)條件等諸多因素。一般情況下，回采工作面瓦斯涌出包括三部分，即落煤瓦斯涌出、煤壁瓦斯涌出及采空區(qū)瓦斯涌出。對于分層開采或一次不能采全高的工作，采空區(qū)瓦斯涌出又可分為四部分，即圍巖瓦斯涌出、未采分層瓦斯涌出、回采殘煤瓦斯涌出和鄰近層瓦斯涌出。這四部分瓦斯隨著采場內(nèi)煤層、巖層的變形或垮落而卸壓，按各自的規(guī)律涌入采空區(qū)，混合在一起。然后，在濃度差和通風(fēng)負(fù)壓的作用下涌向工作面，要想嚴(yán)格區(qū)分上述各部分涌出的瓦斯量，實(shí)際操作起來由于采場條件所限是很困難的，以往的研究是根據(jù)有關(guān)的瓦斯涌出資料進(jìn)行統(tǒng)計分析，確定各部分瓦斯涌出系數(shù)來計算采面各涌出源的瓦斯涌出量，例如撫順分院的國家重點(diǎn)科技攻關(guān)成果“分源預(yù)測法”，就是根據(jù)有關(guān)的瓦斯涌出資料進(jìn)行統(tǒng)計分析，確定各部分瓦斯涌出系數(shù)來計算采空區(qū)的各涌出源的瓦斯涌出量，其計算模型系數(shù)基本上是不變的，而且隨意性較大，當(dāng)系數(shù)選擇不合理時，誤差較大。因此，我們根據(jù)綜合機(jī)械采煤的特點(diǎn)和瓦斯流動理論，將瓦斯涌出源劃分為煤壁(圍巖)瓦斯涌出、落煤瓦斯涌出、采空區(qū)(殘煤)瓦斯涌出及上下鄰近層(未采分層)瓦斯涌出四個部分。由瓦斯基礎(chǔ)參數(shù)，瓦斯涌出規(guī)律及礦山的實(shí)際情況，建立一種適應(yīng)范圍廣、預(yù)測結(jié)果可靠的瓦斯涌出量的預(yù)測模型。 2.2 綜采工作面瓦斯?jié)舛确植家?guī)律 試驗(yàn)中沿工作面每隔40米建立一個測站，每個測站從煤壁至采空區(qū)均勻布置5個測點(diǎn)。共布置了25個測點(diǎn)，在進(jìn)、回風(fēng)巷距采面15米左右各布置一個測點(diǎn)，各測點(diǎn)布置見圖2-2。測量各測點(diǎn)在不同條件下的下瓦斯?jié)舛群惋L(fēng)量。然后根據(jù)實(shí)際所測數(shù)據(jù)，分析瓦斯涌出規(guī)律。連續(xù)測定5個原班，測量采面瓦斯?jié)舛确植紩r，測量時間分別選在采煤機(jī)割剛完一刀煤時(采煤機(jī)在進(jìn)風(fēng)口處)和檢修班進(jìn)行。此時，工作面不受割煤影響，相對穩(wěn)定。 圖2-2 工作面測點(diǎn)布置示意圖 2.2.1采面瓦斯?jié)舛妊貎A向長方向的分布 研究表明，采面瓦斯?jié)舛葟倪M(jìn)風(fēng)側(cè)至回風(fēng)側(cè)逐漸增大。進(jìn)風(fēng)到采面中部范圍內(nèi)瓦斯?jié)舛茸兓淮螅擅嬷胁康交仫L(fēng)上隅角瓦斯?jié)舛仍黾虞^快，尤其是靠近回風(fēng)側(cè)30m范圍內(nèi)瓦斯?jié)舛容^高。造成這種分布規(guī)律的原因是風(fēng)流從進(jìn)風(fēng)側(cè)經(jīng)過采場時，有一部分風(fēng)流至采面中部逐漸漏入采空區(qū)，漏入采空區(qū)的風(fēng)流從工作面的后半段又逐漸返回到工作面，同時將采空區(qū)的較高濃度瓦斯帶進(jìn)工作面，使工作面瓦斯?jié)舛戎饾u增高，理論和實(shí)踐表明，靠近回風(fēng)隅角從采空區(qū)返回的風(fēng)量最大，帶出的瓦斯量也大，致使上隅角附近瓦斯?jié)舛仍龈撸@就是上隅角瓦斯容易超限的原因。 2.2.2采面瓦斯?jié)舛妊刈呦蚍较虻姆植? 研究表明，從煤壁至采空區(qū)(支架尾)瓦斯?jié)舛瘸尸F(xiàn)高、較高、低、較高、高的分布趨勢，即在煤壁和采空區(qū)之間有一個瓦斯最低點(diǎn)，最低點(diǎn)的位置在采面的不同位置有所不同。在U型通風(fēng)情況下這種高、低、高的趨勢比較明顯，而U+L型通風(fēng)情況下趨勢不明顯。 可以認(rèn)為，高、低、高趨勢中的瓦斯?jié)舛茸畹忘c(diǎn)即是煤壁與采空區(qū)瓦斯涌出的分界點(diǎn)。在實(shí)驗(yàn)過程中，在靠近回風(fēng)側(cè)沿瓦斯?jié)舛茸畹忘c(diǎn)布設(shè)了一道長30m的風(fēng)簾，然后根據(jù)其風(fēng)簾兩側(cè)的瓦斯?jié)舛群惋L(fēng)量數(shù)據(jù)，粗略估算采空區(qū)瓦斯涌出所占的比例。觀測結(jié)果顯示，U+L型通風(fēng)情況下，采空區(qū)涌出到工作面的瓦斯涌出量比U型通風(fēng)時瓦斯涌出量小。其原因是采空區(qū)瓦斯涌出通過L巷進(jìn)行了分流，另外可以看出，上隅角附近是采面瓦斯?jié)舛容^高的區(qū)域，也是采空區(qū)瓦斯涌出到采面主要通道，因此防止上隅角瓦斯超限是工作面瓦斯治理的重點(diǎn)。 2.3采空區(qū)瓦斯?jié)舛确植家?guī)律 2.3.1沿采空區(qū)長度方向瓦斯?jié)舛茸兓?guī)律 采空區(qū)距工作面20~30m范圍內(nèi)，瓦斯?jié)舛茸兓幻黠@，濃度在10%上下波動;采空區(qū)距工作面30~50m之間時，瓦斯?jié)舛戎饾u增大;這對瓦斯的抽放、利用及尾巷的引排具有指導(dǎo)作用。距工作面30m范圍內(nèi)采空區(qū)瓦斯?jié)舛炔桓叩脑蚴?靠近工作面附近的采空區(qū)巖石處于初始冒落，再加上工作面的進(jìn)、回風(fēng)巷支護(hù)較好，頂板垮落不嚴(yán)重，形成5一15m的不垮落空間，大量的新鮮風(fēng)從進(jìn)風(fēng)巷漏入采空區(qū)，漏風(fēng)流對采空區(qū)內(nèi)的瓦斯稀釋、混合后，又在通風(fēng)負(fù)壓作用下，從工作面上隅角涌出，靠近工作面的區(qū)域風(fēng)速大，對瓦斯稀釋、運(yùn)移影響較大，是造成此范圍內(nèi)采空區(qū)的瓦斯?jié)舛容^低的直接原因。 2.3.2沿采空區(qū)垂直高度方向瓦斯?jié)舛鹊淖兓?guī)律 沿采空區(qū)垂直高度方向，頂板處瓦斯?jié)舛缺鹊装逄幫咚節(jié)舛雀摺Ｓ捎谕咚姑芏鹊陀诳諝饷芏?，因而瓦斯在巷道頂板或采空區(qū)內(nèi)有自然上浮的特性，在風(fēng)速較大時其上浮力作用非常微弱，鉛直方向上、下部瓦斯?jié)舛炔顒e的不明顯，采空區(qū)深部由于漏風(fēng)流風(fēng)速較小，瓦斯自然上浮的特性比較明顯，故垂直方向出現(xiàn)明顯的上部瓦斯?jié)舛雀哂谙虏康默F(xiàn)象。 2.3.3沿工作面寬度方向采空區(qū)瓦斯?jié)舛茸兓?guī)律 撫順分院等科研單位“七五”期間在松藻局51706E工作面進(jìn)行的測定結(jié)果也適用于綜采工作面，其結(jié)論為: 在距離工作面較近區(qū)域，由于采空區(qū)漏風(fēng)流流動對瓦斯的運(yùn)移作用，從進(jìn)風(fēng)側(cè)向回風(fēng)側(cè)方向，瓦斯?jié)舛戎饾u增大。距工作面較遠(yuǎn)的采空區(qū)深處，采空區(qū)風(fēng)流速度較小，對瓦斯運(yùn)移作用微弱，采空區(qū)的瓦斯?jié)舛仍趯挾确较蛏蟽蓚?cè)的差別不大。 由于采空區(qū)瓦斯涌出，致使工作面上隅角處瓦斯積聚嚴(yán)重(甚至10%以上)，故應(yīng)加強(qiáng)采空區(qū)瓦斯抽放或引排，以消除瓦斯隱患，確保安全生產(chǎn)。上隅角瓦斯?jié)舛雀叩脑蚴?隨著工作面的回采，采空區(qū)大面積垮落，其上、下部的煤、巖層卸壓。同時在回風(fēng)巷上幫未開采的煤體也隨著應(yīng)力的重新分布和頂、底板的卸壓，大幅度地改變了其原始的透氣性，使原來處于吸附狀態(tài)的瓦斯隨著煤體壓力的降低而解吸為游離瓦斯，這樣煤體本身、上下鄰近層和圍巖的瓦斯，都經(jīng)過回風(fēng)巷上幫的垮落煤體或底板的裂隙向工作面上隅角涌出，這時從采空區(qū)涌出并攜帶大量瓦斯的漏風(fēng)流，在流經(jīng)此處時，與該處的高濃度瓦斯匯合到一起，使漏風(fēng)流瓦斯?jié)舛仍黾印Ａ硪环矫嫔嫌缃怯捎诰C采支架的存在，使漏風(fēng)流流經(jīng)綜采支架的后上方，形成不良通風(fēng)空間，造成局部瓦斯層狀積聚。這是造成上隅角瓦斯?jié)舛容^高的直接原因。 研究表明，綜采工作面采空區(qū)為殘煤及上覆巖層垮落后形成的多孔介質(zhì)充填體，各處煤與研石壓實(shí)程度差異較大，各處的風(fēng)壓變化較大。因此，采空區(qū)各點(diǎn)的氣體流速相差很大。前蘇聯(lián)學(xué)者認(rèn)為，采空區(qū)大約20%的區(qū)域?yàn)閷恿鳎?0%的區(qū)域?yàn)槲闪鳎?0%的區(qū)域?yàn)檫^渡流，一般在采空區(qū)后部的壓實(shí)區(qū)為層流，在中部及靠近工作面處為紊流和過渡流。在礦井負(fù)壓的作用下，距采面較遠(yuǎn)處，采空區(qū)瓦斯由于受壓差的作用，一部分會向回風(fēng)中運(yùn)移，直到流入回風(fēng)巷隨風(fēng)流帶走。還有一部分瓦斯，特別是采空區(qū)深部的瓦斯，不足以克服摩擦阻力，因而不向回風(fēng)口運(yùn)移，或者運(yùn)移速度相當(dāng)慢，這就是造成采空區(qū)瓦斯分布的根本原因。 2.4涌出源瓦斯涌出基本規(guī)律 2.4.1綜采工作面瓦斯涌出特征 1）與炮采工作面相比，綜采工作面絕對瓦斯涌出量增大。對于移動煤壁，其瓦斯涌出量與煤壁的移動速度有關(guān)。與炮采工藝相比，綜采工藝具有較快的推進(jìn)速度，煤壁的平均暴露時間大大縮短，其瓦斯涌出相對處于涌出的初始階段，涌出強(qiáng)度較大。 2）綜采工作面瓦斯涌出的不均勻性相對減小，并且瓦斯涌出的不均勻性和工藝過程密切相關(guān)。綜采工作面綜采工序有明顯的連續(xù)性，瓦斯涌出量盡管有波動，但與炮采工作面相比，不均勻性相對下降。這是由于在炮采工作面，爆破落煤是一次完成的，造成了瓦斯涌出量在短時間內(nèi)急劇增大，但隨著爆破落煤的完成，瓦斯涌出衰減很快，從而在炮采工作面表現(xiàn)出瓦斯涌出量大起大落的現(xiàn)象。而在綜采工作面，綜采機(jī)均勻地、連續(xù)不斷地將煤壁上的煤炭破碎采落，單位時間內(nèi)落煤量較炮采工藝均勻，因而瓦斯涌出也較炮采平穩(wěn)。 3）與炮采工作面相比，相對瓦斯涌出量減少。綜采工作面掘進(jìn)速度快，落煤與運(yùn)煤基本上是流水線，加之機(jī)械落煤的粒度分布均勻，賦存于煤層中的瓦斯其游離部分隨割下來落煤而釋放出來，而存在于落煤中的吸附瓦斯未待充分解吸則隨著運(yùn)輸機(jī)很快被運(yùn)出工作面，這樣綜采工藝與炮采工藝相比，落煤量增加的幅度要大于其瓦斯涌出量增大的幅度，因而其相對瓦斯涌出量反而降低。根據(jù)實(shí)際測定，當(dāng)煤產(chǎn)量增加了近1倍時，相對瓦斯涌出量僅增加0.6倍。 2.4.2煤壁瓦斯涌出特征及規(guī)律 瓦斯在煤層和圍巖中的流動是一個復(fù)雜的運(yùn)動過程，其流動不僅和煤層及圍巖中的瓦斯賦存狀態(tài)有關(guān)，而且和礦井中煤層及圍巖的采掘工作及空間狀態(tài)有關(guān)。瓦斯在煤層中的流動需要有2個條件:其一是要有一定的流動通道，即煤層有一定的透氣性;其二是煤體中的瓦斯必須具備一定的壓力。目前的研究認(rèn)為，在原始煤層的一定范圍內(nèi)，煤層中透氣性基本上可以認(rèn)為是一個定值:因此，可以認(rèn)為，原始煤層中瓦斯的流動狀態(tài)主要取決于煤體中瓦斯壓力的大小。 在礦井進(jìn)行采掘工作時，一般情況下將會破壞煤層中原始應(yīng)力的平衡狀態(tài)，導(dǎo)致煤體透氣性發(fā)生變化，并且使煤層中原有的瓦斯壓力平衡狀態(tài)受到破壞，形成瓦斯流場。在礦井中這種由高壓流向低壓的瓦斯流動狀態(tài)大多表現(xiàn)為礦井瓦斯涌出;在特殊情況下，則可以形成瓦斯噴出和突出。現(xiàn)場的實(shí)際測定表明，煤層的透氣性一般都很低，瓦斯在其中的流速也很小。在這種情況下，煤層中瓦斯流動狀態(tài)宏觀上基本屬于層流運(yùn)動，也就是瓦斯的流速和壓差成正比，與煤的滲透率成正比，符合線性滲透定律。實(shí)踐表明，只有在瓦斯流量相當(dāng)大的情況下，煤壁附近的煤體內(nèi)才可能出現(xiàn)紊流運(yùn)動。 在鉆孔壁、巷道煤幫、煤柱等固定表面上，單位面積上的瓦斯涌出量一般隨煤壁暴露時間的增長而逐漸減少。有時由于地壓的活動改變了煤層的透氣性，瓦斯涌出有起伏變化的現(xiàn)象。圖2-3為焦作王封礦測定的巷道煤壁瓦斯涌出特性曲線，從中可以看出這種變化的規(guī)律。 圖2-3 巷道煤壁的涌出特性 對于移動煤壁，如回采工作面，其瓦斯涌出量和煤壁的移動速度有關(guān)。由于工作面的推進(jìn)速度往往是不均勻的，所以瓦斯涌出量也是不斷變化的，一般隨煤壁的移動速度的增加而增大，如圖2-3所示。由于煤壁瓦斯涌出強(qiáng)度隨著時間呈衰減趨勢，即在煤壁暴露的初期，其瓦斯涌出最大。 2.5 瓦斯涌出量及其主要影響因素 2.5.1瓦斯涌出量概念 1、瓦斯涌出量定義 瓦斯涌出量是指在礦井建設(shè)和生產(chǎn)過程中從煤與巖石內(nèi)涌出的瓦斯量。其表達(dá)方法有兩種:絕對瓦斯涌出量—系指在單位時間內(nèi)涌出的瓦斯量，單位為m3/min或m3/d，相對(噸煤)瓦斯涌出量—系指平均日產(chǎn)一噸煤同期所涌出的瓦斯量，單位是(m3/d)/(t/d)即m3/t，兩者的關(guān)系是： (2-1) 式中：——相對瓦斯涌出量，m3/t； A——日產(chǎn)煤量，t/d； ——絕對瓦斯涌出量，m3/d。 2、瓦斯涌出形式 瓦斯涌出形式系指瓦斯涌出在時間上與空間上的分布形式，對此，可以分為普通(一般)涌出與特殊(異常)涌出。普通涌出是在時間與空間上比較均勻、普遍發(fā)生的不間斷涌出，它決定了礦井的瓦斯平衡與風(fēng)量分配；特殊瓦斯涌出量是在時間與空間上突然、集中發(fā)生，涌出量很不均勻的間斷涌出。 2.5.2影響瓦斯涌出的主要因素概述 一、自然因素 1）煤層和圍巖的瓦斯含量。它是影響瓦斯涌出量大小的決定性因素，煤的瓦斯含量與相對瓦斯涌出量雖然其表達(dá)單位相同，但是其物理意義卻不相同，而且在數(shù)量上也不相等，這是因?yàn)橥咚褂砍隽坎粌H包括來自于采出煤炭所涌出的瓦斯，而且還包括礦井內(nèi)一切煤層巖層涌出的瓦斯，盡管采出煤的殘余瓦斯含量隨煤運(yùn)至.地面而未涌入礦井，但是后一來源的量大，所以相對涌出量比開采層的瓦斯含量大?？梢?，煤層的瓦斯含量越高，其相對瓦斯涌出量也越大。 2）開采深度。在瓦斯風(fēng)化帶內(nèi)開采的礦井，相對瓦斯涌出量與深度無關(guān)；在甲烷帶內(nèi)開采的礦井，隨著開采深度的增加，相對瓦斯涌出量增高。值得注意的是，在深部開采時，鄰近層與圍巖所涌出的量比開采層增加得快。因此，深部開采礦井更應(yīng)注意鄰近層與圍巖瓦斯涌出。 3）地面大氣壓力變化。地面大氣壓力變化對礦井不同回風(fēng)流瓦斯?jié)舛扔绊懯潜容^顯著的，受地面大氣壓力下降影響，引起瓦斯涌出增加的是工作面后部采空區(qū)與老采區(qū)的瓦斯涌出，而掘進(jìn)巷道與掘進(jìn)區(qū)幾乎不受影響。影響程度可以按馬略特定律(等溫過程)來估計。每個礦井應(yīng)掌握本礦瓦斯涌出量隨大氣壓力變化的規(guī)律，以防瓦斯事故的發(fā)生。據(jù)報道美國1910一1960年50年間，有一半的瓦斯爆炸事故發(fā)生在大氣壓力急劇下降時。 二、開采技術(shù)因素、 1）開采順序與回采方法。首先開采的煤層(或分層)，其相對瓦斯涌出量增大，而后開采的煤層(或分層)，其涌出量減少?；厥章实偷幕夭煞椒?，相對瓦斯涌出量增大。陷落式頂板管理方法比充填式造成更大范圍的圍巖破壞與卸壓，鄰近層瓦斯涌出的分量增大。因此，前者的相對涌出量也比后者高。水采水運(yùn)的采煤方法，比旱采相對瓦斯涌出量降低，這是因?yàn)闈衩簹堄嗤咚购吭龃蟮木壒省? 2）回采速度與產(chǎn)量。當(dāng)回采速度不高時，絕對瓦斯涌出量與回采速度(日推進(jìn)速度)或產(chǎn)量成正比，即相對瓦斯涌出量保持常數(shù)，當(dāng)回采速度較高時，相對瓦斯涌出量中開采層涌出分量與鄰近層涌出分量都相對減小，即相對瓦斯涌出量有所降低，因此，絕對瓦斯涌出量隨回采速度或產(chǎn)量的增加而增高量低于線性增量。在高瓦斯綜采工作面的實(shí)測結(jié)果表明，快采必須快運(yùn)(為此在采煤機(jī)上安裝犁煤板，使采落煤炭及時運(yùn)出，減少其在工作面停留排放瓦斯時間)，可明顯地減少瓦斯涌出。 3）落煤工藝與老頂來壓步距。兩者對瓦斯涌出量的峰值與波動即瓦斯涌出不均勻系數(shù)有顯著影響，不僅影響絕對瓦斯涌出量，而且在一定程度上影響相對瓦斯涌出量。采用淺截深的連續(xù)落煤工藝和縮短老頂來壓步距都能顯著減少瓦斯涌出不均勻系數(shù)。據(jù)統(tǒng)計同正常平均瓦斯涌出相比，風(fēng)鎬落煤時瓦斯涌出增大到1.1～1.3倍;放炮時為1.4～2.0倍;采煤機(jī)采煤時為1.3～1.6倍;水槍落煤時為2～4倍。 4）通風(fēng)壓力與采空區(qū)封閉質(zhì)量。通風(fēng)壓力與采空區(qū)密閉質(zhì)量都對老采區(qū)的瓦斯涌出有一定影響。通風(fēng)壓力小，采空區(qū)密閉質(zhì)量好，可減小老采區(qū)瓦斯涌出不均勻系數(shù)及涌出量，這對老礦井具有很大意義。 5）采場通風(fēng)系統(tǒng)。根據(jù)進(jìn)、回風(fēng)巷是在煤體內(nèi)還是在采空區(qū)內(nèi)維護(hù)，可把采場通風(fēng)系統(tǒng)劃分為四種基本類型:“進(jìn)回皆煤”型、“進(jìn)回皆空”型，“進(jìn)煤回空”型與“進(jìn)空回煤”型。不論哪種類型，從開采層涌出的瓦斯幾乎都是進(jìn)入采場的，而鄰近層與圍巖涌出的瓦斯可能是一部分進(jìn)入采場，也可能是全部進(jìn)入采場。此外由于采空區(qū)瓦斯被風(fēng)流帶走的難易程度的不同，四種類型的瓦斯涌出量會有很大差別，當(dāng)鄰近層瓦斯涌出量大時尤甚。 3綜采工作面瓦斯涌出量預(yù)測方法 3.1傳統(tǒng)的瓦斯涌出量預(yù)測方法 瓦斯涌出量的預(yù)測由于其影響因素較多，要準(zhǔn)確預(yù)測幾乎是不可能的，目前瓦斯涌出量的預(yù)測主要有礦山統(tǒng)計法、瓦斯含量法和分源計算法。 3.1.1 統(tǒng)計預(yù)測法 統(tǒng)計預(yù)測法是國內(nèi)外有關(guān)礦井長期以來普遍采用的礦井瓦斯涌出量預(yù)測方法，該方法的基本原理是:根據(jù)礦井己采區(qū)域歷年測定的相對瓦斯涌出量及相應(yīng)的開采深度，采用數(shù)理統(tǒng)計方法建立二者之間的線性或非線性回歸方程，并經(jīng)過檢驗(yàn)，確認(rèn)回歸方程有意義后，用于對深部(或條件相同礦井)未采區(qū)域的瓦斯涌出量作出預(yù)測。而通常采用的瓦斯涌出量梯度實(shí)際上是瓦斯涌出量對開采深度的回歸方程的回歸系數(shù)。 一般情況下，統(tǒng)計預(yù)測法主要用于生產(chǎn)礦井深部水平或開采技術(shù)條件、地質(zhì)條件相同或類似的鄰近礦井的瓦斯涌出量預(yù)測。此外，也可根據(jù)己采工作面的相對瓦斯涌出量及相應(yīng)的開采深度之間的統(tǒng)計規(guī)律，進(jìn)行瓦斯涌出量預(yù)測外；近年來，國內(nèi)外有些研究人員還通過建立瓦斯涌出量與煤層瓦斯含量之間的回歸關(guān)系式，預(yù)測新區(qū)的瓦斯涌出量，還有一些研究人員采用多元統(tǒng)計分析中的數(shù)量化理論，建立預(yù)測瓦斯涌出量的多變量數(shù)學(xué)模型，預(yù)測未采區(qū)的瓦斯涌出量，以期提高瓦斯涌出量的預(yù)測精度。但是，目前在瓦斯礦井中，最常用、最簡單的預(yù)測方法還是線性回歸法。 3.1.2 煤層瓦斯含量法 煤層瓦斯含量法即按照煤層瓦斯含量與采后煤炭的殘余瓦斯含量計算相對瓦斯含量涌出。 （1）單一煤層開采時相對瓦斯涌出量： （3-1） 式中：qe——回采相對瓦斯涌出量，m3/t； n——圍巖涌出瓦斯量與回采煤層瓦斯涌出量的比例系數(shù)，無實(shí)測數(shù)據(jù)時，對于全部垮落法管理頂板可取.02，局部填充法可取0.15，全部填充法可取0.1； m1、m——?dú)堄喾謱雍突夭煞謱拥暮穸?，m； γ1、γ——?dú)堄喾謱雍突夭煞謱用旱娜葜?，t/m3； Z——煤柱煤量占回采煤量的比例系數(shù)； K——采空區(qū)殘留浮煤占回采煤量的比例系數(shù)； X——開采層原始瓦斯含量，m3/t； X1——運(yùn)出采區(qū)的煤中殘留瓦斯含量，m3/t； X2——煤柱殘留瓦斯含量，m3/t； X3——采空區(qū)殘留浮煤的殘余瓦斯含量，m3/t。 （2）開采有鄰近層的煤層時相對瓦斯涌出量： （3-2） 式中：n’——向開采層采空區(qū)涌出瓦斯的鄰近層數(shù)目，m3/t； qei——第i鄰近層向開采層采空區(qū)涌出的相對瓦斯量，m3/t，當(dāng)鄰近層瓦斯含量與開采層相同時，qe，由下式計算： （3-3） 式中：mi——第i鄰近層的厚度，m； hi——第i鄰近層距開采層的發(fā)向距離，m； hj——鄰近層向開采層采空區(qū)涌出瓦斯的極限距離，與層間巖石性 質(zhì)、頂板管理方法、煤層厚度、傾角等有關(guān)，m。 瓦斯含量法是以煤的瓦斯含量作為計算基礎(chǔ)，它在計算上則上和分源法計算原則基本相同。這類預(yù)測方法較多，它們之間的基本區(qū)別，在于確定各涌出源瓦斯涌出率的數(shù)學(xué)模型不同。 3.1.3 分源預(yù)測法 分源預(yù)測法預(yù)測礦井瓦斯量的實(shí)質(zhì)是以煤層瓦斯含量、煤層地質(zhì)與采技術(shù)條件為基礎(chǔ)，根據(jù)各基本瓦斯源(開采層、鄰近層、圍巖)的瓦斯涌出規(guī)律，將回采工作面分為開采層和鄰近層兩部分。 在有鄰近層開采條件下，受開采層采動影響的煤層將向開采層工作面和采空區(qū)涌出瓦斯。根據(jù)鄰近層與開采層的位置關(guān)系，可分為上臨近層和下鄰近層。鄰近層瓦斯涌出量大小取決于鄰近層瓦斯含量、鄰近層厚度和層數(shù)、開采層采高及鄰近層瓦斯排放率。 3.2 預(yù)測基礎(chǔ)參數(shù)的測定方 3.2.1 煤壁瓦斯涌出量預(yù)測參數(shù)的測定方法 煤壁瓦斯涌出衰減系數(shù)和瓦斯涌出強(qiáng)度是預(yù)測綜采工作面瓦斯涌出量的基礎(chǔ)參數(shù)，一般采用壁罩測定法和巷道測定法。 1)壁罩測定法 煤壁測定裝置由專門研制的煤壁罩和檢測裝置組成，測定裝置如圖3-1所示，在剛切割后的巷道新暴露的煤壁上立即安裝壁罩，用黃泥密封后，開動氣泵，并測定不同時一間內(nèi)的氣泵流量、氣泵氣流出口中瓦斯?jié)舛群凸ぷ髅骘L(fēng)流中瓦斯?jié)舛?，每隔一段時間做同樣的測定，直到氣泵氣流出口中瓦斯?jié)舛然舅p平緩為止。 圖4-1 罩壁測定裝置示意圖 煤壁瓦斯涌出強(qiáng)度由下式計算： （3-4） 式中：Q——?dú)獗昧髁?，L/min； C1——工作面風(fēng)流瓦斯?jié)舛龋?； C2——?dú)獗昧黧w中的瓦斯?jié)舛龋?； S——罩壁底面積，m2。 因C1值較小，在%1之下，故式（3-4）可簡化為： 該方法測定時，準(zhǔn)備工作較多，需要搬運(yùn)測定裝置，在現(xiàn)場實(shí)施比較麻煩，有困難。故一般采用巷道測定法。 2)巷道測定法 巷道測定法應(yīng)用較多，其特點(diǎn)是簡單易行，而且測定不影響生產(chǎn)。但要求測定較多的數(shù)據(jù)，否則易產(chǎn)生誤差。具體做法是在正常條件下連續(xù)掘進(jìn)的煤巷中，沿巷道長度每隔一定的距離設(shè)置測點(diǎn)。在非生產(chǎn)班時，定期測定各測點(diǎn)的風(fēng)量和瓦斯?jié)舛?，計算出各段巷道單位時間內(nèi)經(jīng)過各測點(diǎn)的瓦斯涌出量，然后根據(jù)各段巷道煤壁暴露面積來計算煤壁瓦斯涌出強(qiáng)度，并按巷道掘進(jìn)速度求出對應(yīng)各段的平均暴露時間。 （3-5） 式中：Vt——經(jīng)過1+t時間后，煤壁瓦斯涌出強(qiáng)度，m3/（m2·min）； Q1、Q2——1、2測點(diǎn)處巷道風(fēng)量，m3/min； C1、C2——1、2測點(diǎn)處巷道瓦斯?jié)舛龋?； L——1、2測點(diǎn)距離，m； h——1、2測點(diǎn)平均煤厚，m。 用上述方法對所需測定礦井的巷道煤壁瓦斯涌出強(qiáng)度與暴露時間進(jìn)實(shí)測，且煤壁瓦斯涌出強(qiáng)度與暴露時間的關(guān)系呈雙曲線函數(shù)關(guān)系，其形式為： （3-6） 式中：Vt——煤壁暴露t時刻時，單位面積煤壁上的瓦斯涌出強(qiáng)度，m3/（m2·min）； V0——煤壁剛暴露時，單位面積上的瓦斯涌出強(qiáng)度，m3/（m2·min）； β——煤壁瓦斯涌出衰減系數(shù)，min-1； t——煤壁暴露時間，min。 將式（3-6）化成線性方程為： （3-7） 式中，V0、β為待定系數(shù)，Vt、t為每個測點(diǎn)的測定值。經(jīng)數(shù)據(jù)處理后得V-t曲線得出n對測定值，代入(3-6)式中，得到n個測定方程組： 將方程組聯(lián)立解，即可求出V0及刀值。同時運(yùn)用最小二乘法，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分別代入線性回歸、負(fù)指數(shù)回歸和雙曲線回歸等三種形式，然后求出衡量各回歸相關(guān)系數(shù)大小的標(biāo)準(zhǔn)差，驗(yàn)證所確定的經(jīng)驗(yàn)公式形式。 3.2.2落煤瓦斯涌出量預(yù)測參數(shù)的測定方法 綜掘工作面的另一部分瓦斯來源是從落煤中涌出的，不同粒度煤的瓦斯放散速度是不同的，粒度越小，瓦斯放散速度越快;粒度越大，瓦斯放散速度越慢。在具體條件下，機(jī)械落煤的粒度要比炮掘落煤小而均勻，提高了煤的瓦斯解吸強(qiáng)度。與煤壁瓦斯涌出一樣，塊粒煤瓦斯解吸強(qiáng)度也隨著時間的增加而減少。 1）瓦斯解析儀測定方法 為了考察綜采落煤瓦斯涌出的變化規(guī)律，確定機(jī)械落煤瓦斯解析強(qiáng)度與時間的關(guān)系，在測定過程中可以采用撫順分院研制的瓦斯解吸儀。測定方法是：從綜采面落煤時直接采集剛破碎下來的塊粒煤裝入煤樣罐內(nèi)，封閉后連接解吸儀，一記錄不同時間瓦斯解吸儀中測定的瓦斯解吸量，直至瓦斯涌出強(qiáng)度基本衰減平緩為止。 綜采落煤塊粒狀瓦斯解吸強(qiáng)度采用公式（3-8）進(jìn)行計算： （3-8） 式中：V2——某一粒度范圍內(nèi)落煤瓦斯解析強(qiáng)度，m3/(t·min)； t1、t2——測定時間，min； Q1、Q2——t1、t2時間下的瓦斯解析總量，m3； G——煤樣重量，t。 由實(shí)測數(shù)據(jù)，經(jīng)回歸分析，根據(jù)綜采落煤的瓦斯解析強(qiáng)度與時間關(guān)系式得出采落煤的瓦斯涌出初速度和衰減系數(shù)。采落煤的瓦斯涌出初速度和衰減系數(shù)值與綜采落煤的塊粒度、采落前瓦斯含量、掘進(jìn)速度、煤的孔隙結(jié)構(gòu)等諸多因素有關(guān)，其中最為重要的影響因素是粒度和瓦斯含量。 2)巷道測定法 為了真實(shí)地反映采落塊煤在運(yùn)輸過程中的瓦斯解吸和放散特征，落煤瓦斯涌出基礎(chǔ)參數(shù)亦可以采用和煤壁瓦斯涌出基礎(chǔ)參數(shù)類似的測定方法。即在掘進(jìn)工作面正常生產(chǎn)和運(yùn)輸系統(tǒng)正常工作情況下測定瓦斯涌出強(qiáng)度(它實(shí)際上是煤壁瓦斯涌出和落煤瓦斯涌出之和)，然后利用己測出煤壁瓦斯涌出參數(shù)并根據(jù)(3-9)計算出對應(yīng)段的煤壁瓦斯涌出強(qiáng)度，可得落煤的瓦斯涌出強(qiáng)度，且落煤的瓦斯涌出強(qiáng)度與暴露時間的關(guān)系呈負(fù)指數(shù)函數(shù)關(guān)系，其形式為： （3-9） 式中:V2——采落煤炭在工作面停留t時刻后的瓦斯涌出強(qiáng)度，m3/(t·min); V1——采落煤炭的初始瓦斯涌出強(qiáng)度，m3/(t·min); n——采落煤瓦斯涌出衰減系數(shù)，min-1； t——采落煤在掘進(jìn)巷道的停留時間，min。 將處理以后的n對數(shù)據(jù)應(yīng)用煤壁瓦斯涌出基礎(chǔ)參數(shù)的計算方法既可求得采落煤的瓦斯涌出初速度和衰減系數(shù)。 4 結(jié)論 (1) 通過對現(xiàn)有回采工作面瓦斯涌出量預(yù)測計算方法存在問題的分析和瓦斯流動理論，確定了綜采工作面瓦斯涌出的四個來源:煤壁(圍巖)瓦斯涌出、落煤瓦斯涌出、采空區(qū)(殘煤)瓦斯涌出及上下鄰近層(未采分層)瓦斯涌出。 (2) 通過現(xiàn)場實(shí)際考察和歷史資料統(tǒng)計，分析總結(jié)了綜采工作面及采空區(qū)瓦斯?jié)舛鹊姆植家?guī)律。 (3) 根據(jù)煤體瓦斯流動理論和實(shí)際測定結(jié)果分析，綜采工作面單位面積煤壁的瓦斯涌出強(qiáng)度隨時間的變化關(guān)系，即瓦斯涌出特性符合下述規(guī)律： 煤壁瓦斯涌出初始強(qiáng)度和涌出衰減系數(shù)是反映煤壁瓦斯涌出的特征參數(shù)，是建立煤壁瓦斯涌出量預(yù)測的基礎(chǔ)。 （4）根據(jù)瓦斯流動理論，采落煤的瓦斯涌出隨時間的變化規(guī)律為： 綜采工作面采落煤炭的瓦斯涌出量取決于煤質(zhì)、塊煤的粒度以及在運(yùn)輸系統(tǒng)中的停留時間，塊煤瓦斯涌出衰減系數(shù)和初始瓦斯涌出強(qiáng)度則反映了塊煤的瓦斯放散特征。煤壁的瓦斯涌出和采落煤瓦斯涌出具有不同的機(jī)理。其中煤壁瓦斯涌出是由瓦斯的解吸一擴(kuò)散一滲流構(gòu)成的復(fù)雜流動過程，而采落煤瓦斯涌出主要是分子擴(kuò)散過程。 參考文獻(xiàn) [1]曲方、劉克功、趙洪亮等，基于煤壁瓦斯涌出初速度的綜掘工作面瓦斯涌出量預(yù)測[J]，煤礦安全，2004，35(8):1-4。 [2]陳大力，綜掘工作面瓦斯預(yù)測技術(shù)的研究[J]，煤礦安全，2001(8):4-7。 [3]曹鑫林，綜掘工作面瓦斯預(yù)測技術(shù)在平頂山礦區(qū)的應(yīng)用研究，北京，煤炭科學(xué)研究總院，2003年。 [4]陳大力、秦永洋、趙俊峰等，綜采工作面瓦斯涌出規(guī)律及影響因素分析[J]，煤礦安全，2003，34(12):7-10。 [5]俞啟香、王凱、楊勝強(qiáng)，中國采煤工作面瓦斯涌出規(guī)律及其控制研究[J]，中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報，2000，29(l):9-14。 [6]徐金平，綜放工作面瓦斯涌出規(guī)律分析及防治對策[J]，中州煤炭，1999(5):36-37。