安徽理工大学,第二章：矿井瓦斯涌出,模块一：煤层瓦斯流动的基本规律,模块二：煤层瓦斯涌出,第一部分,矿井瓦斯防治技术,模块三：矿井瓦斯等级鉴定,模块一：煤层瓦斯流动的基本规律,2.1 煤层瓦斯运移,2.1.1 瓦斯运移,保存在煤层中的瓦斯仅占形成瓦斯量的1/10。成煤过程中形成的瓦斯可分如下几个部分： (1)保存煤层中的瓦斯； (2)从煤层中运移出来，保存在围岩中的瓦斯； (3)从煤层中运移出来，溶解于地下水中瓦斯； (4)排放大气中瓦斯。,2.1 煤层瓦斯运移,2.1.2 煤层瓦斯流动,1、原始煤体： 瓦斯在煤层中以呈压缩状态，煤层瓦斯压力随深度增大而增大，是在漫长的地质年代里，煤层瓦斯由深部向地表流动的结果，但这种煤层瓦斯流动是极其缓慢的，在采矿工程中，研究煤层瓦斯流动时，一般忽略这种缓慢的瓦斯流动。通常认为，在采掘工作或钻孔未影响到的煤层，瓦斯处于平衡状态，不会发生瓦斯流动。,2、采掘影响区 由于采掘破坏了原有的瓦斯压力平衡状态，引起瓦斯流动，形成瓦斯流动场。应响影响煤层瓦斯流动的因素很多，诸如煤层赋存条件、瓦斯压力、含量、煤层透气性以及采掘技术条件等等，但主要影响因素为瓦斯压力和煤层透气性，前者是瓦斯流动的动力，后者是瓦斯流动的阻力。,2.1 煤层瓦斯运移,2.1.2 煤层瓦斯流动,瓦斯在煤层中由高压流向低压，在煤层中即形成一定 的流动范围瓦斯流动场。 从时间因素来看：流动类型可分为稳定流动和非稳定 流动两种类型，前者流动场不随时间而变化，后者流动场 随时间而改变。煤层瓦斯流动属非稳定流动类型。 从空间形态来看：瓦斯流动类型分为单向流动、径向 流动和球向流动三种类型。,2.1 煤层瓦斯运移,2.1.3 煤层瓦斯流动场,(1)单向流动 单向流动的特点是煤层瓦斯 沿单一方向流动，流线相互平行。 沿煤层开掘高度大于煤层厚 度的巷道后，巷道两侧煤层中的 瓦斯皆沿垂直于巷道的方向流动， 这种流动属单向流动。 如:薄及中厚煤层掘进面,采煤工 作面煤壁。,2.1 煤层瓦斯运移,2.1.3 煤层瓦斯流动场,(2)径向流动 径向流动是平面流动。径向流 动时，等瓦斯压力线为一组同心 圆，瓦斯流线沿圆的径向发展。 在煤矿井下，石门或钻孔垂 直揭穿煤层时，煤层中的瓦斯流 动就是径向流动。,2.1 煤层瓦斯运移,2.1.3 煤层瓦斯流动场,(2)球向流动 球向流动的特点是等瓦斯压力 线为一组同心球状，瓦斯流线沿球 的径向发展。在煤矿井下属球向流 动的情况很少见。 石门揭特厚煤层，特厚煤层中 的掘进面迎头和钻孔孔底以及煤块 的瓦斯放散等都可近似地视为球向 流动。,2.1 煤层瓦斯运移,2.1.3 煤层瓦斯流动场,2.2 煤层瓦斯流动的基本定律,1、渗流 瓦斯沿裂隙、构造破碎带的运移方式。 2、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。,2.2 煤层瓦斯流动的基本定律,3、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。 4、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。 Darcy定律适应范围讨论： a) 低Re区，Re110，为线性流，符合Darcy定律； b) 中Re区，Re=10100，非线性渗流，不符合Darcy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Darcy定律。,2.2 煤层瓦斯流动的基本定律,2.2 煤层瓦斯流动的基本定律, 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：,2.2 煤层瓦斯流动的基本定律,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Darcy表达式进行变换得：,2.2 煤层瓦斯流动的基本定律,即： 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。 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。,2.2 煤层瓦斯流动的基本定律,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 煤层瓦斯流动的基本定律,模块二：煤层瓦斯涌出,2.3 煤层瓦斯涌出量及主要影响因素,2.3.1 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 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，。,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。二者谁大？为什么？ （2）相对涌出量的单位： m3/t，过去采用： m3/(t.d)是不正确的。,2.3 煤层瓦斯涌出量及主要影响因素,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。,2.3 煤层瓦斯涌出量及主要影响因素,(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。,2.3 煤层瓦斯涌出量及主要影响因素,2.3.2 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) 瓦斯涌出构成 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。,工作面,采落煤炭,巷道壁面,2.3 煤层瓦斯涌出量及主要影响因素,(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。 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。,2.3 煤层瓦斯涌出量及主要影响因素,2) 瓦斯排放带深度 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。一般为6 12个月。,2.3 煤层瓦斯涌出量及主要影响因素,煤巷排瓦斯极限期测定： 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 (2) 得出拟合合公式， (3) 令q=0，即可解出Tj。 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，暴露时间最小者即为Tj。,2.3 煤层瓦斯涌出量及主要影响因素,4) 掘进巷道瓦斯涌出量计算 式中 QCH4-绝对瓦斯涌出量，m3/d； M-煤层厚度,m; V-巷道掘进速度，m/d； t-单巷掘进时间，d； b-单巷宽度，m； x0,x1-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。,2.3 煤层瓦斯涌出量及主要影响因素,瓦斯涌出特性系数的测定 测定方法： （1）在掘进巷道取三个断面； （2）同时测定三断面巷道风流 中瓦斯平均浓度和风量； （3）计算瓦斯涌出量； （4）联立方程计算C。 式中，t1，t2，t3分别为各测点的暴露时间。,2.3 煤层瓦斯涌出量及主要影响因素,2.3.3 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。,2.3 煤层瓦斯涌出量及主要影响因素,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。,2.3 煤层瓦斯涌出量及主要影响因素,D）沿走向方向瓦斯浓度分布 3) 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,2.3 煤层瓦斯涌出量及主要影响因素,B）瓦斯涌出规律计算 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： 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。,2.3 煤层瓦斯涌出量及主要影响因素,（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。 4）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。,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；,2.3 煤层瓦斯涌出量及主要影响因素,5）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。 （1） 自然因素 煤层和围岩的瓦斯含量 它是决定瓦斯涌出量多少的最重