矿井瓦斯涌出参考精.ppt

矿井瓦斯涌出参考矿井瓦斯涌出参考第1页，本讲稿共62页B）径向流场）径向流场 在在x、y、z三维空间中，两个方向有流速。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：石门、竖井、钻孔垂直穿透煤层时。等压瓦斯线平行煤壁近似同心圆形。等压瓦斯线平行煤壁近似同心圆形。瓦斯流场等压瓦斯线第2页，本讲稿共62页C）球向流场）球向流场 在在x、y、z三维空间中，三个方向均有流速。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、流场稳定性分类-按流场在时间上有无变化按流场在时间上有无变化 稳定流场稳定流场-流场内任何一点的流速、流向、瓦斯压力均不随时间变流场内任何一点的流速、流向、瓦斯压力均不随时间变化。化。非稳定流场非稳定流场-反之。反之。第3页，本讲稿共62页二、煤层瓦斯流动的基本定律二、煤层瓦斯流动的基本定律 两类两类：扩散、渗流扩散、渗流1、瓦斯扩散运动、瓦斯扩散运动 瓦斯在小孔（瓦斯在小孔（1m）与微孔（）与微孔（0.1m）内运移主要是）内运移主要是扩散运动扩散运动，即瓦斯分子在其即瓦斯分子在其浓度梯度浓度梯度作用下由高浓度向低浓度方向运移。作用下由高浓度向低浓度方向运移。可用可用Fick定律描述，即：定律描述，即：式中：式中：D-扩散系数；扩散系数；-瓦斯浓度梯度；瓦斯浓度梯度；dt-时间增量；时间增量；dm-在在dt时间内通过单位面积的扩散量。时间内通过单位面积的扩散量。第4页，本讲稿共62页2、煤粒扩散运动方程、煤粒扩散运动方程 若煤层由服从若煤层由服从Fick定律的煤粒组成，根据定律的煤粒组成，根据Fick定律和质量守恒定律，定律和质量守恒定律，得煤粒扩散运动微分方程得煤粒扩散运动微分方程。式中：式中：X-煤粒瓦斯含量；煤粒瓦斯含量；r-煤粒内任一点半径煤粒内任一点半径。3、瓦斯渗透运动、瓦斯渗透运动 瓦斯在中孔（瓦斯在中孔（1m）以上的孔隙或裂隙内，由于）以上的孔隙或裂隙内，由于压差作用压差作用下而产下而产生的运动。生的运动。流态流态：层流层流，粘性力为主，粘性力为主，Re110。紊流紊流，惯性力为主，惯性力为主第5页，本讲稿共62页 线性层流渗透定律线性层流渗透定律-Darcy定律定律表述式表述式式中：式中：K-煤层的渗透率，煤层的渗透率，m2；-流体的绝对粘度，流体的绝对粘度，Pa.S;-流体的压力梯度，流体的压力梯度，Pa/m。Darecy定律适应范围讨论：定律适应范围讨论：a)低低Re区区，Re110，为线性流，符合，为线性流，符合Darecy定律；定律；b)中中Re区区，Re=10100，非线性渗流，不符合，非线性渗流，不符合Darecy定律；定律；c）高高Re区区，Re100，紊流区。，紊流区。大多数情况下，煤层的瓦斯流动表现为服从大多数情况下，煤层的瓦斯流动表现为服从Darecy定律。定律。VRe=10第6页，本讲稿共62页 非线性渗透定律非线性渗透定律-日本日本 式中式中 Vn-无因次流速；无因次流速；a-煤的瓦斯渗透性系数；煤的瓦斯渗透性系数；m-指数；指数；-无因次瓦斯压力梯度。无因次瓦斯压力梯度。渗透微分方程渗透微分方程 由由Darcy定律和质量守恒定律，可推导得：定律和质量守恒定律，可推导得：第7页，本讲稿共62页三、煤层透气性系数三、煤层透气性系数 是煤层瓦斯流动难易程度的标志是煤层瓦斯流动难易程度的标志。1、渗透系数（、渗透系数（k）Darecy定律，定律，k-渗透率，表示孔隙渗透率，表示孔隙裂隙介质特征的参数。裂隙介质特征的参数。注注：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。的性质和压力无关。2、透气系数（、透气系数（）利用等温气体状态方程（利用等温气体状态方程（pv=p0v0）对）对Darecy表达式进行变换得：表达式进行变换得：第8页，本讲稿共62页即：即：物理意义物理意义：断面为断面为1m3的煤体两侧，的煤体两侧，瓦斯压力平方梯度为瓦斯压力平方梯度为1MPa2/m时，时，流过的流量恰为流过的流量恰为1m3/d时的介质时的介质透气性。透气性。注意注意：表示给定气体在给定孔隙介质内的流动特性，表示给定气体在给定孔隙介质内的流动特性，对于其它气对于其它气体必须根据它们的绝对粘度进行换算。体必须根据它们的绝对粘度进行换算。说明说明：（1）煤层透气性系数相差很大。）煤层透气性系数相差很大。（2）与地压的关系。）与地压的关系。煤层瓦斯透气性系数，煤层瓦斯透气性系数，m2/MPa2.dMpa/mQ=1m3/dS=1m2第9页，本讲稿共62页4、煤层透气性系数的测定、煤层透气性系数的测定(自学自学)（1）中矿法）中矿法-钻孔流量法钻孔流量法（2）马可尼法）马可尼法-压力恢复法。压力恢复法。第10页，本讲稿共62页4.2 煤层瓦斯涌出量及主要影响因素一、瓦斯涌出的概念一、瓦斯涌出的概念 1、瓦斯涌出量的含义、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。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、瓦斯涌出量表示方法 A）绝对瓦斯涌出量绝对瓦斯涌出量 -单位时间涌出的瓦斯体积，单位为单位时间涌出的瓦斯体积，单位为m3/d或或m3/min：Qg=QC C/100/100 式中式中 Qg 绝对瓦斯涌出量，绝对瓦斯涌出量，m3/min；Q 风量，风量，m3/min；C 风流中的平均瓦斯浓度，。风流中的平均瓦斯浓度，。第11页，本讲稿共62页 B）相对瓦斯涌出量相对瓦斯涌出量 -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：式中：qg 相对瓦斯涌出量，相对瓦斯涌出量，m3/t；Qg 绝对瓦斯涌出量，绝对瓦斯涌出量，m3/d；A 日产量，日产量，t/d 说明说明：（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。的，其数值也是不相等的。（2）相对涌出量的单位：）相对涌出量的单位：m3/t，过去采用：，过去采用：m3/(t.d)是不正确的。是不正确的。第12页，本讲稿共62页3、瓦斯涌出强度、瓦斯涌出强度-比瓦斯涌出量比瓦斯涌出量 -单位时间（单位时间（min or d），单位暴露面积（），单位暴露面积（cm2 or m2）涌出的瓦斯体积。）涌出的瓦斯体积。单位单位：m3/(d.m2)，m3/(min.m2)，cm3/(min.cm2)。4、瓦斯涌出形式、瓦斯涌出形式 -指矿井瓦斯在时间、空间上的分布形式指矿井瓦斯在时间、空间上的分布形式。（1）普通涌出）普通涌出 -长时间地、均匀地从煤体中涌出瓦斯。长时间地、均匀地从煤体中涌出瓦斯。特点特点：时间上时间上：连续不断连续不断 空间上空间上：普遍存在普遍存在 涌出强度涌出强度：缓慢、均匀。缓慢、均匀。第13页，本讲稿共62页（2）特殊涌出）特殊涌出 -矿井生产过程中，在某些特定地点、突然地于一矿井生产过程中，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。段时间内大量涌出瓦斯的现象。特点特点：时间上时间上：突然地、间隔的：突然地、间隔的 空间上空间上：非普遍存在：非普遍存在 涌出强度涌出强度：产生动力破坏。：产生动力破坏。第14页，本讲稿共62页二、掘进巷道的瓦斯涌出二、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、煤巷掘进工作面瓦斯涌出的构成及变化（1）瓦斯涌出构成）瓦斯涌出构成 巷道壁、迎头煤壁、采落煤炭巷道壁、迎头煤壁、采落煤炭。瓦斯涌出强度随时间的涌出而降低。瓦斯涌出强度随时间的涌出而降低。掘进巷道tG工作面工作面采落煤炭采落煤炭巷道壁面巷道壁面第15页，本讲稿共62页（2）时空不均匀性）时空不均匀性机掘机掘：开机后，瓦斯涌出量开机后，瓦斯涌出量逐渐增大，达到极限稳定值。逐渐增大，达到极限稳定值。炮掘炮掘：放炮后（放炮后（69min），瓦斯），瓦斯涌出迅速增长（涌出迅速增长（520倍），然后倍），然后下降经过一段时间恢复到初始值。下降经过一段时间恢复到初始值。l时间与空间上存在瓦斯涌出与时间与空间上存在瓦斯涌出与浓度的不均匀性是种浓度的不均匀性是种潜在危险潜在危险。tQCH4机掘机掘tQCH4炮掘炮掘第16页，本讲稿共62页2、排瓦斯带深度、排瓦斯带深度 t G 当当 t 达到一定时间后，达到一定时间后，煤壁基本上不涌出瓦斯煤壁基本上不涌出瓦斯时的瓦斯影响深度。时的瓦斯影响深度。3、煤巷排瓦斯极限期、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，瓦斯涌出时，瓦斯涌出接近零，此时间称为接近零，此时间称为排瓦斯极限期排瓦斯极限期。一般为。一般为6 12个月。个月。tG第17页，本讲稿共62页l煤巷排瓦斯极限期测定煤巷排瓦斯极限期测定：方法一：方法一：（1）实测煤壁暴露面瓦斯涌出比流量随暴露时间变化曲线；实测煤壁暴露面瓦斯涌出比流量随暴露时间变化曲线；（2）得出拟合合公式，）得出拟合合公式，；（3）令）令q=0，即可解出，即可解出Tj。方法二：方法二：（1）利用漏斗形铁皮罩盖在煤壁上，用黄泥堵严缝隙，从漏斗出口引出胶管取）利用漏斗形铁皮罩盖在煤壁上，用黄泥堵严缝隙，从漏斗出口引出胶管取气样；气样；（2）测定瓦斯浓度变化，在浓度几乎不增加的诸点中，暴露时间最小者即）测定瓦斯浓度变化，在浓度几乎不增加的诸点中，暴露时间最小者即为为Tj。第18页，本讲稿共62页4、掘进巷道瓦斯涌出量计算、掘进巷道瓦斯涌出量计算 式中式中 QCH4-绝对瓦斯涌出量，绝对瓦斯涌出量，m3/d；M-煤层厚度煤层厚度,m;V-巷道掘进速度，巷道掘进速度，m/d；t-单巷掘进时间，单巷掘进时间，d；b-单巷宽度，单巷宽度，m；x0,x1-分别为煤层的原始瓦斯含量和剩余瓦斯含量，分别为煤层的原始瓦斯含量和剩余瓦斯含量，m3/t；C1-瓦斯涌出特性系数。瓦斯涌出特性系数。暴露面暴露面采落煤炭采落煤炭第19页，本讲稿共62页l瓦斯涌出特性系数的测定瓦斯涌出特性系数的测定 直接从掘进巷道中测得。直接从掘进巷道中测得。测定方法：测定方法：（1）在掘进巷道取三个断面；）在掘进巷道取三个断面；（2）同时测定三断面巷道风流）同时测定三断面巷道风流中瓦斯平均浓度和风量；中瓦斯平均浓度和风量；（3）计算瓦斯涌出量；）计算瓦斯涌出量；（4）联立方程计算）联立方程计算C。式中，式中，t1，t2，t3分别为各测点的暴露时间。分别为各测点的暴露时间。第20页，本讲稿共62页三、回采工作面瓦斯涌出三、回采工作面瓦斯涌出1、瓦斯涌出来源、瓦斯涌出来源 本开采煤层本开采煤层：煤壁、采空区、采落煤炭；：煤壁、采空区、采落煤炭；厚煤层未采分层厚煤层未采分层；采动影响邻近层采动影响邻近层；围岩围岩。第21页，本讲稿共62页2、时空不均匀性、时空不均匀性A）落煤、放煤时与平均瓦斯涌出相比。）落煤、放煤时与平均瓦斯涌出相比。水采水采：24倍；倍；炮采炮采：1.42.0倍；倍；机采机采：1.3 1.6倍；倍；风镐风镐：1.1 1.3倍。倍。B）从切眼起逐渐增大，达到一定距离后稳定）从切眼起逐渐增大，达到一定距离后稳定（初次来压后初次来压后），），随老顶周期随老顶周期来压，瓦斯涌出呈周期性变化。来压，瓦斯涌出呈周期性变化。C）对上行通风，）对上行通风，从工作面下口至上口，瓦斯浓度逐渐增大，上隅角达从工作面下口至上口，瓦斯浓度逐渐增大，上隅角达到最大到最大。12C/%第22页，本讲稿共62页D）沿走向方向瓦斯浓度分布）沿走向方向瓦斯浓度分布4、回采工作面瓦斯涌出量计算、回采工作面瓦斯涌出量计算（1）开采层瓦斯涌出量）开采层瓦斯涌出量A）瓦斯含量法）瓦斯含量法X/mC/%有采空区瓦斯涌出X/mC/%无采空区瓦斯涌出l第23页，本讲稿共62页B）瓦斯涌出规律计算）瓦斯涌出规律计算l工作面煤壁瓦斯涌出：工作面煤壁瓦斯涌出：煤壁剩余瓦斯含量：煤壁剩余瓦斯含量：每每m3煤涌出瓦斯量：煤涌出瓦斯量：煤壁瓦斯涌出量：煤壁瓦斯涌出量：l采落煤炭瓦斯涌出采落煤炭瓦斯涌出：煤壁剩余瓦斯含量：煤壁剩余瓦斯含量：每每m3煤涌出瓦斯量：煤涌出瓦斯量：采落煤炭瓦斯涌出量采落煤炭瓦斯涌出量：开采层瓦斯涌出量：开采层瓦斯涌出量：第24页，本讲稿共62页（2）邻近层瓦斯涌出量）邻近层瓦斯涌出量 邻近层邻近层-受采动影响能向开采煤层涌出瓦斯的煤层。受采动影响能向开采煤层涌出瓦斯的煤层。式中：式中：Ql-上下邻近层瓦斯涌出量；上下邻近层瓦斯涌出量；V-工作面推进速度；工作面推进速度；l-工作面斜长；工作面斜长；X0i-第第I邻近层原始瓦斯含量；邻近层原始瓦斯含量；mi-第第I邻近层厚度邻近层厚度;i-第第I邻近层瓦斯涌出率；邻近层瓦斯涌出率；Xi-第第I邻近层残余瓦斯含量；邻近层残余瓦斯含量；a、c-系数，与工作面推进速度有关。系数，与工作面推进速度有关。第25页，本讲稿共62页（3）回采工作面瓦斯涌出量）回采工作面瓦斯涌出量式中：式中：Qb-本煤层瓦斯涌出量；本煤层瓦斯涌出量；Ql-邻近层瓦斯涌出量；邻近层瓦斯涌出量；Ct-取决于通风系统的系数。取决于通风系统的系数。5、瓦斯涌出不均匀性、瓦斯涌出不均匀性 矿井瓦斯涌出在时、空上都是不均匀的。矿井瓦斯涌出在时、空上都是不均匀的。正常变化正常变化：在某一地区瓦斯涌出的周期性变化，在某一地区瓦斯涌出的周期性变化，变化幅度变化幅度 某一数值。某一数值。tQ/m3/minQaQmax第26页，本讲稿共62页 异常变化异常变化：特殊情况的变化（突出、喷出、大冒顶、大气压急剧变化）。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，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，应考虑一个系数应考虑一个系数 kg-瓦斯涌出不均系数。瓦斯涌出不均系数。l瓦斯涌出不均系数的含义：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量之比某一段时间内，周期性最大瓦斯涌出量与平均瓦斯涌出量之比。矿井瓦斯涌出不均系数表示为：矿井瓦斯涌出不均系数表示为：kg=Qmax/Qa 式中：式中：kg给定时间内瓦斯涌出不均系数，给定时间内瓦斯涌出不均系数，一般大于一般大于1；Qmax该时间内的最大瓦斯涌出量，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，该时间内的平均瓦斯涌出量，m3/min；第27页，本讲稿共62页6、影响瓦斯涌出量的主要因素、影响瓦斯涌出量的主要因素 决定于决定于自然因素自然因素和和开采技术因素开采技术因素的综合影响。的综合影响。（一）（一）自然因素自然因素1 1、煤层和围岩的瓦斯含量、煤层和围岩的瓦斯含量 它它是是决决定定瓦瓦斯斯涌涌出出量量多多少少的的最最重重要要因因素素。一一般般地地，煤煤层层的的瓦瓦斯斯含含量量越越高高，开采时的瓦斯涌出量也越大。开采时的瓦斯涌出量也越大。ExpExp：焦作中马村矿：焦作中马村矿,淮南谢二矿淮南谢二矿C C1313煤煤，2 2、地面大气压变化。、地面大气压变化。对对回回采采工工作作面面采采空空区区和和老老空空区区、塌塌陷陷区区、冒冒顶顶区区瓦瓦斯斯涌涌出出有有明明显显影影响响。美国：美国：19101910 19601960，1/21/2的爆炸发生在气压急剧变化时期。的爆炸发生在气压急剧变化时期。第28页，本讲稿共62页（二）开采技术因素（二）开采技术因素 1 1、开采规模、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。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。在甲烷带内，随着开采深度的增加，相对瓦斯涌出量增大。B、开开拓拓与与开开采采的的范范围围越越广广，煤煤岩岩的的暴暴露露面面就就越越大大，因因此此，矿矿井井瓦瓦斯斯涌涌出出量量也就越大。也就越大。C、矿矿井井产产量量与与矿矿井井瓦瓦斯斯涌涌出出量量间间的的关关系系比比较较复复杂杂，达达产产前前、达达产产后及产量收缩期。后及产量收缩期。第29页，本讲稿共62页2 2、开采顺序与回采方法、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；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。增加。3 3、生产工艺、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。所以系逐渐衰减。所以落煤时瓦斯涌出量总是大于其它工序落煤时瓦斯涌出量总是大于其它工序。第30页，本讲稿共62页4、风量变化风量变化 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。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增大单一煤层风量减少单一煤层风量减少采区风量增大采区风量增大采区风量减少采区风量减少第31页，本讲稿共62页5 5、采采区区通通风风系系统统 采采区区通通风风系系统统对对采采空空区区内内和和回回风风流流中中瓦瓦斯浓度分布有重要影响。斯浓度分布有重要影响。全部进入全部进入进进回回皆皆煤煤部分进入部分进入进进回回皆皆空空小部分进入小部分进入进进煤煤回回空空大全部进入大全部进入进进空空回回煤煤第32页，本讲稿共62页 6 6、采空区的密闭质量、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（可达采空区内往往积存着大量高浓度的瓦斯（可达6070%），如果），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。成采空区大量漏风，使矿井的瓦斯涌出增大。低负压可以减少矿井瓦斯涌出。低负压可以减少矿井瓦斯涌出。矿井通风负压矿井通风负压PaPa1668166816191619147214721373137312751275瓦斯涌出量瓦斯涌出量mm3 3/min/min22.622.621.921.921.621.620.920.919.619.6测定月份测定月份1 1月月2 2月月3 3月月4 4月月5 5月月太信一井矿井负压与瓦斯涌出量关系表第33页，本讲稿共62页四、瓦斯积聚层四、瓦斯积聚层 瓦斯积聚瓦斯积聚：瓦斯浓度超过瓦斯浓度超过2%，其体积超过，其体积超过0.5m3的现象。的现象。瓦斯积聚层瓦斯积聚层：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。斯层。原因原因：1）巷道周壁不断涌出瓦斯（点或面涌出）；）巷道周壁不断涌出瓦斯（点或面涌出）；2）巷道风流含有瓦斯；）巷道风流含有瓦斯；3）巷道风速低，不能造成瓦斯与空气紊流混合。）巷道风速低，不能造成瓦斯与空气紊流混合。层厚层厚：几几cm 几十几十cm,层长：几层长：几m 几十几十m 层内瓦斯浓度由下至上逐渐升高。层内瓦斯浓度由下至上逐渐升高。点涌出面涌出风流中含有CH4CH4CH4第34页，本讲稿共62页4.3 矿井瓦斯等级及其鉴定矿井瓦斯等级及其鉴定一、矿井瓦斯等级划分一、矿井瓦斯等级划分 原则原则：按矿井瓦斯：按矿井瓦斯涌出量的大小涌出量的大小和和瓦斯涌出形式瓦斯涌出形式。意义意义：便于进行分级管理，使矿井瓦斯管理趋于科学化。：便于进行分级管理，使矿井瓦斯管理趋于科学化。瓦斯矿井：瓦斯矿井：一个矿井中只要有一个煤（岩）层发现瓦斯，该矿井即为一个矿井中只要有一个煤（岩）层发现瓦斯，该矿井即为瓦斯矿瓦斯矿井井。（第。（第133133条）条）突出突出矿矿井：井：矿矿井在采掘井在采掘过过程中，只要程中，只要发发生生过过1 1次煤（岩）与瓦斯突出（次煤（岩）与瓦斯突出（简简称突称突出，下同），出，下同），该矿该矿井即井即为为突出突出矿矿井井。突出煤突出煤层层：发发生突出的煤生突出的煤层层即即为为突出煤突出煤层层。第35页，本讲稿共62页 根根据据矿矿井井相相对对瓦瓦斯斯涌涌出出量量、矿矿井井绝绝对对瓦瓦斯斯涌涌出出量量和和瓦瓦斯斯涌涌出出形形式式划划分分为为：（一一）低低瓦瓦斯斯矿矿井井：矿矿井井相相对对瓦瓦斯斯涌涌出出量量小小于于或或等等于于10m10m3 3/t/t且且矿矿井井绝绝对对瓦瓦斯斯涌涌出量出量小于或等于小于或等于40m40m3 3/min/min。（二二）高高瓦瓦斯斯矿矿井井：矿矿井井相相对对瓦瓦斯斯涌涌出出量量大大于于10m10m3 3/t/t或或矿矿井井绝绝对对瓦瓦斯斯涌涌出出量量大大于于40m40m3 3/min/min。（三）（三）煤（岩）与瓦斯（二氧化碳）突出煤（岩）与瓦斯（二氧化碳）突出矿矿井井。二、矿井瓦斯等级鉴定二、矿井瓦斯等级鉴定 每年必每年必须对矿须对矿井井进进行瓦斯等行瓦斯等级级和二氧化碳涌出量的和二氧化碳涌出量的鉴鉴定工作，定工作，报报省（自治区、直省（自治区、直辖辖市）市）负责负责煤炭行煤炭行业业管理的部管理的部门审门审批，并批，并报报省省级级煤煤矿矿安全安全监监察机构察机构备备案。案。1 1、鉴定时的生产条件、鉴定时的生产条件 正常生产，产量不低该地区总产量的正常生产，产量不低该地区总产量的60%60%。第36页，本讲稿共62页2、鉴定时间鉴定时间 根据矿井生产和气候变化规律，选在瓦斯涌出量较大的一个月份。根据矿井生产和气候变化规律，选在瓦斯涌出量较大的一个月份。3 3、鉴定工作内容及要求、鉴定工作内容及要求 （1 1）一月上、中、下旬某一天分三班进行。在矿井、煤层、一翼、）一月上、中、下旬某一天分三班进行。在矿井、煤层、一翼、水平和采区回风道中，分别测定风量和瓦斯浓度。水平和采区回风道中，分别测定风量和瓦斯浓度。（2 2）抽放瓦斯矿井，鉴定期间的抽放量应计算。）抽放瓦斯矿井，鉴定期间的抽放量应计算。（3 3）计算瓦斯涌出量。）计算瓦斯涌出量。（4 4）编写鉴定报告。）编写鉴定报告。第37页，本讲稿共62页4.4 矿井瓦斯涌出量预测矿井瓦斯涌出量预测 -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出矿井或局部区域瓦斯涌出量的工作。一、一、矿山统计法矿山统计法 矿山统计法又可分为两种方法：矿山统计法又可分为两种方法：1、瓦斯梯度法、瓦斯梯度法 瓦斯梯度瓦斯梯度是指相对瓦斯涌出量每增加是指相对瓦斯涌出量每增加1m3/t时时,深度增加的米数。计算深度增加的米数。计算式：式：（q1,H1）(q2,H2)(q,H)q(m3/t)H(m)（q0,H0）第38页，本讲稿共62页式中：式中：H H1 1、H H2 2瓦斯风化带以下两次测定涌出量的深度，瓦斯风化带以下两次测定涌出量的深度，m m，H H2 2H H1 1；q q1 1、q q2 2对应于对应于H H1 1、H H2 2的相对瓦斯涌出量，的相对瓦斯涌出量，m m3 3/t/t。注：注：a大说明瓦斯涌出量随深度增加慢。大说明瓦斯涌出量随深度增加慢。第39页，本讲稿共62页 利用求得的瓦斯梯度，可对深部的瓦斯涌出量进行预测：利用求得的瓦斯梯度，可对深部的瓦斯涌出量进行预测：式中式中 q待求深度的相对瓦斯涌出量，待求深度的相对瓦斯涌出量，m3/t；H对用于对用于q的深度，的深度，m。适用条件与注意事项：适用条件与注意事项：地质采矿条件相似的地区；地质采矿条件相似的地区；生产正常的矿井，瓦斯风化带以下生产正常的矿井，瓦斯风化带以下1 1 2 2个阶段；个阶段；足够的瓦斯涌出量数据；足够的瓦斯涌出量数据；适用于甲烷带内，外推深度适用于甲烷带内，外推深度100100 200m200m。第40页，本讲稿共62页 2 2、一元回归法一元回归法 如果在已采区域测定有多个点的瓦斯涌出量，那么利用回归分析方法可得如果在已采区域测定有多个点的瓦斯涌出量，那么利用回归分析方法可得到更高的预测精度。到更高的预测精度。假定某矿已采区的瓦斯涌出量实测数据如表假定某矿已采区的瓦斯涌出量实测数据如表2-12-1所示，根据已知数据作所示，根据已知数据作出的散点图如图出的散点图如图2-12-1所示。所示。表2-1 瓦斯涌出量实测数据 单单元元开采深度开采深度H（m）相对瓦斯涌出量相对瓦斯涌出量q(m3/t)11805.823208.6n42011.9第41页，本讲稿共62页l拟合方程回归拟合方程回归-利用利用最小二乘法最小二乘法回归方程：回归方程：式中：式中：H/mq/m3/t。图图2-1 一元回归法一元回归法第42页，本讲稿共62页二、二、瓦斯含量法瓦斯含量法 瓦斯含量法又称瓦斯含量法又称分源预测法分源预测法。这种方法这种方法以煤层瓦斯含量为矿井瓦斯涌出量以煤层瓦斯含量为矿井瓦斯涌出量预测的主要依据预测的主要依据，故称瓦斯含量法，故称瓦斯含量法。世界上一些主要产煤国家如英国、前西德、法国、波兰、前苏联等，世界上一些主要产煤国家如英国、前西德、法国、波兰、前苏联等，开始进行煤层瓦斯含量法预测矿井瓦斯涌出量的研究，提出了各自的计开始进行煤层瓦斯含量法预测矿井瓦斯涌出量的研究，提出了各自的计算公式。算公式。原理原理：采区相对瓦斯涌出量等于平均每采一吨煤各瓦斯涌出分量之和。采区相对瓦斯涌出量等于平均每采一吨煤各瓦斯涌出分量之和。每一分涌出量为：每一分涌出量为：式中：式中：m mi i/m/m1 1-瓦斯涌出源所在煤层厚度与采高之比；瓦斯涌出源所在煤层厚度与采高之比；x x0 0-瓦斯涌出源所在煤层原始瓦斯含量；瓦斯涌出源所在煤层原始瓦斯含量；x x1 1-运到地面煤的残余瓦斯含量；运到地面煤的残余瓦斯含量；C Ci i-i-i个瓦斯涌出源的瓦斯涌出率。个瓦斯涌出源的瓦斯涌出率。第43页，本讲稿共62页矿井瓦斯涌出来源矿井瓦斯涌出来源：矿井瓦斯涌出可分为七个基本涌出源（图矿井瓦斯涌出可分为七个基本涌出源（图2-22-2）。）。矿井瓦斯涌出矿井瓦斯涌出生产采区瓦斯涌出生产采区瓦斯涌出已采采区采空区瓦斯涌出已采采区采空区瓦斯涌出回采工作面瓦斯涌出回采工作面瓦斯涌出生产采区采空区瓦斯涌出生产采区采空区瓦斯涌出掘进巷道瓦斯涌出掘进巷道瓦斯涌出开采煤层瓦斯涌出开采煤层瓦斯涌出邻近煤层瓦斯涌出邻近煤层瓦斯涌出围岩瓦斯涌出围岩瓦斯涌出巷道煤壁瓦斯涌出巷道煤壁瓦斯涌出掘进落煤瓦斯涌出掘进落煤瓦斯涌出图图2-2 矿井瓦斯涌出来源矿井瓦斯涌出来源第44页，本讲稿共62页1、前苏联提出的预测公式前苏联提出的预测公式 (1)开采煤层（包括围岩）相对瓦斯涌出量开采煤层（包括围岩）相对瓦斯涌出量式中：式中：q qk k开采煤层（包括围岩）相对瓦斯涌出量，开采煤层（包括围岩）相对瓦斯涌出量，m m3 3/t/t；k k1 1围围岩岩瓦瓦斯斯涌涌出出系系数数。全全部部陷陷落落法法管管理理顶顶板板，取取1.251.25，局局部部充充填填法，取法，取1.201.20；全部充填法，全部充填法，取取1.101.10；m m0 0煤层厚度，煤层厚度，m m；m m煤层采高，煤层采高，m m；k k2 2掘进巷道瓦斯排放系数；掘进巷道瓦斯排放系数；k2=(L-2h)/L。前进式开采时，如上部相邻工。前进式开采时，如上部相邻工作面已采，作面已采，k21；如上部相邻工作面未采，；如上部相邻工作面未采，k2=(L+2h+2b)/(L+2b)b-b-掘进巷道平均宽度，掘进巷道平均宽度，m m；第45页，本讲稿共62页 k k3 3煤柱瓦斯涌出系数煤柱瓦斯涌出系数 ，k k3 3=l/Ll/L；l l煤柱沿倾斜方向的宽度，煤柱沿倾斜方向的宽度，m m；x x0 0煤层原始瓦斯含量，煤层原始瓦斯含量，m m3 3/t/t；x x1 1煤的剩余瓦斯含量，煤的剩余瓦斯含量，m m3 3/t/t。不同变质程度煤的残存瓦斯含量见不同变质程度煤的残存瓦斯含量见下表。下表。煤的挥发分煤的挥发分Vr(%)残存瓦斯含量残存瓦斯含量x1(m3/t可燃质可燃质)2812881287121876182665263554354243425032第46页，本讲稿共62页(2)邻近煤层相对瓦斯涌出量邻近煤层相对瓦斯涌出量式中式中 ql邻近煤层相对瓦斯涌出量，邻近煤层相对瓦斯涌出量，m3/t；n邻近层数目；邻近层数目；mi第第i邻近层厚度，邻近层厚度，m；m开采层采高，开采层采高，m；x0i第第i邻近层瓦斯含量，邻近层瓦斯含量，m3/t；x1i第第i邻近层残存瓦斯含量，邻近层残存瓦斯含量，m3/t；hi第第i邻近层与开采层的层间距，邻近层与开采层的层间距，m；hp采动后煤层顶底板岩石受到影响的范围，采动后煤层顶底板岩石受到影响的范围，m。hi第47页，本讲稿共62页l顶板的影响范围按下式计算：顶板的影响范围按下式计算：hp=Zkm(1.2+cos)式中式中 煤层倾角，度；煤层倾角，度；mm开采层采高，开采层采高，m m；Z Zk k与与顶顶板板管管理理方方法法有有关关的的系系数数。采采高高2.5m2.5m，全全部部陷陷落落法法管理顶板时，管理顶板时，Z Zk k=60=60；局部充填法，；局部充填法，Z Zk k=45=45；全部充填法；全部充填法:Z:Zk k=25=25。l底板的影响范围：底板的影响范围：hp=35mhp=35m；急倾斜煤层，急倾斜煤层，hp=Zkm(1.2-cos)hp=Zkm(1.2-cos)。第48页，本讲稿共62页（3 3）掘进巷道煤壁绝对瓦斯涌出量）掘进巷道煤壁绝对瓦斯涌出量 式中式中 Q1掘进巷道煤壁绝对瓦斯涌出量，掘进巷道煤壁绝对瓦斯涌出量，m3/min；Q0煤壁瓦斯涌出初始强度，煤壁瓦斯涌出初始强度，可用经验公式推算：，可用经验公式推算：L巷道长度，巷道长度，m;n煤壁暴露面数；煤壁暴露面数；m0巷道中的煤层厚度，巷道中的煤层厚度，m；第49页，本讲稿共62页(4)(4)掘进落煤绝对瓦斯涌出量掘进落煤绝对瓦斯涌出量式中式中 Q Q2 2 掘进落煤绝对瓦斯涌出量，掘进落煤绝对瓦斯涌出量，m m3 3/min/min；m m0 0 巷道中的煤层厚度，巷道中的煤层厚度，m m；b b 巷道宽度，巷道宽度，m m；V V 掘进速度，掘进速度，m/minm/min；d d 煤的容重，煤的容重，t/mt/m3 3。第50页，本讲稿共62页（5）矿井相对瓦斯涌出量矿井相对瓦斯涌出量式中式中 q矿矿矿井相对瓦斯涌出量，矿井相对瓦斯涌出量，m3/t；K采空区瓦斯涌出系数，采空区瓦斯涌出系数，1.151.25；n 矿井内采煤区个数；矿井内采煤区个数；qki第第i采煤区开采层相对瓦斯涌出量，采煤区开采层相对瓦斯涌出量，m3/t；qli第第i采煤区邻近层相对瓦斯涌出量，采煤区邻近层相对瓦斯涌出量，m3/t；Ai第第i采煤区平均日产煤量，采煤区平均日产煤量，t；m矿井内掘进巷道条数；矿井内掘进巷道条数；Q1j第第j掘进巷道煤壁绝对瓦斯涌出量，掘进巷道煤壁绝对瓦斯涌出量，m3/min；Q2j第第j掘进巷道落煤绝对瓦斯涌出量，掘进巷道落煤绝对瓦斯涌出量，m3/min；A矿井平均日产煤量，矿井平均日产煤量，t。第51页，本讲稿共62页2、温特尔法、温特尔法3、英国采矿研究所法、英国采矿研究所法开采层瓦斯涌出开采层瓦斯涌出邻近层瓦斯涌出邻近层瓦斯涌出开采层瓦斯涌出开采层瓦斯涌出邻近层瓦斯涌出邻近层瓦斯涌出第52页，本讲稿共62页l对现有预测方法的讨论对现有预测方法的讨论：瓦斯含量法在我国是一种较新的预测方法，已基本上达到实用化阶段。这瓦斯含量法在我国是一种较新的预测方法，已基本上达到实用化阶段。这种方法既考虑了决定瓦斯涌出量大小的基本因素种方法既考虑了决定瓦斯涌出量大小的基本因素煤层瓦斯含量，还煤层瓦斯含量，还考虑了一些相关的地质因素和开采因素。考虑了一些相关的地质因素和开采因素。瓦斯含量法还没有形成统一、公认的预测公式。各种方法在确定各涌瓦斯含量法还没有形成统一、公认的预测公式。各种方法在确定各涌出源的瓦斯涌出率时所考虑的影响因素不同，或采用的物理模型不一出源的瓦斯涌出率时所考虑的影响因素不同，或采用的物理模型不一样，因而形成了不同的计算公式。对同一矿井采用不同的瓦斯含量法，样，因而形成了不同的计算公式。对同一矿井采用不同的瓦斯含量法，其预测结果相差较大。其预测结果相差较大。瓦斯含量法以煤层瓦斯含量作为预测的基础依据，因而对煤层瓦斯含量测瓦斯含量法以煤层瓦斯含量作为预测的基础依据，因而对煤层瓦斯含量测定值的可靠性和含量点的分布及密度有较高的要求。定值的可靠性和含量点的分布及密度有较高的要求。矿山统计法是我国目前应用较为广泛的预测方法。由于矿山统计法仅矿山统计法是我国目前应用较为广泛的预测方法。由于矿山统计法仅考虑瓦斯涌出量与开采深度一个因素之间的关系，故其适用范围受到考虑瓦斯涌出量与开采深度一个因素之间的关系，故其适用范围受到一定的限制。一定的限制。第53页，本讲稿共62页4.5 矿井瓦斯涌出治理矿井瓦斯涌出治理一、矿井瓦斯平衡一、矿井瓦斯平衡 -矿井各种瓦斯涌出来源在矿井瓦斯涌出总量中所所占的比重。矿井各种瓦斯涌出来源在矿井瓦斯涌出总量中所所占的比重。意义：取决于矿井自然因素和开采技术因素。是矿井风量分配和日常瓦斯治理工作意义：取决于矿井自然因素和开采技术因素。是矿井风量分配和日常瓦斯治理工作的基础。的基础。1、瓦斯平衡的分类、瓦斯平衡的分类 （1）按水平、翼、采区进行：是矿井风量分配的依据之一。）按水平、翼、采区进行：是矿井风量分配的依据之一。（2）按采区、回采区、老空区进行：是矿井日常治理瓦斯工作的基础。）按采区、回采区、老空区进行：是矿井日常治理瓦斯工作的基础。（3）按开采煤层、邻近层进行：是采煤工作面治理瓦斯工作的基础。）按开采煤层、邻近层进行：是采煤工作面治理瓦斯工作的基础。第54页，本讲稿共62页2、影响矿井瓦斯平衡的主要因素、影响矿井瓦斯平衡的主要因素（1）矿井不同生产时期）矿井不同生产时期l建井和投产初期：主要来源于掘进过程。建井和投产初期：主要来源于掘进过程。l生产中期：主要来源于回采区。生产中期：主要来源于回采区。l生产后期：主要来源于老空区。生产后期：主要来源于老空区。瓦瓦 斯斯来来 源源辽源矿务局辽源矿务局(%)阳泉四矿阳泉四矿建井期建井期达产期达产期生产后期生产后期1959.81963.5掘进掘进653065103031.28.0回采回采0202035203541.722.6老空区老空区9151030103018.861.0其它其它8.38.4第55页，本讲稿共62页（2）采深不同，平衡表不同）采深不同，平衡表不同 随着深度的增加，不仅瓦斯涌出量增大，由于来自开采煤层围岩的瓦斯涌随着深度的增加，不仅瓦斯涌出量增大，由于来自开采煤层围岩的瓦斯涌出增高，采空区的瓦斯威胁越严重。出增高，采空区的瓦斯威胁越严重。开开 采采深深 度度(m)平均相对瓦斯涌出量平均相对瓦斯涌出量矿矿 井井名名 称称采采 区区（m3/t)回采工作面回采工作面采空区采空区（m3/t)（占采区（占采区%）（m3/t)（占采区（占采区%）6009667333顿巴斯顿巴斯82037164321578704