煤层瓦斯的赋存、流动涌出与分布.doc

煤层瓦斯的赋存、流动涌出与分布 高建良 博士 教授 博导 河南理工大学 安全科学与工程学院 电 话139-0389-9150 0391-3987885 E 主要内容 1． 煤层瓦斯的赋存 1.1 煤的吸附理论 1.2 煤层瓦斯含量 1.3 影响煤层瓦斯赋存及含量的主要因素 2. 煤层瓦斯流动数值解析 2.1 煤层瓦斯流动的基本方程 2.2 煤层瓦斯流动的控制方程 2.3 初始条件和边界条件 2.4 求解数学模型的数值方法 2.5 掘进巷道煤层瓦斯压力分布状况及瓦斯涌出规律的模拟 3．矿井通风与瓦斯涌出 3.1地面大气压变化对瓦斯涌出的影响 3.2风量变化对瓦斯涌出的影响 3.3 通风方法对瓦斯涌出的影响 3.4采面通风系统对瓦斯涌出的影响 3.5 下行通风对瓦斯分布的影响 瓦斯以吸附和游离2种状态存在于煤层和煤系地层中，在地下深处的煤层中的瓦斯压力最大可达l0MPa以上。 当采掘工作破坏了地层中原有的气体压力平衡时，煤层中的高压瓦斯即会解吸并向低压处运移、并进入采矿空间；由于瓦斯在运移过程中不仅可发生煤与瓦斯突出动力现象，而且瓦斯进入采矿空间后．在条件具备时还会发生瓦斯爆炸，因而是煤矿中最严重的自然灾害之一。 1949年以前，中国在矿井瓦斯科学领域是一片空白；通过半个世纪的努力，目前已建成一门比较完整的学科，它包含有煤矿瓦斯地质、煤层瓦斯流动理论、煤与瓦斯突出防治以及瓦斯抽放措施等几个方面。 从事这方面研究工作的有煤炭科学研究院抚顺分院、重庆分院、中国矿业大学、河南理工大学等单位。 由于瓦斯是在成煤过程中伴生的，所以判断一个煤矿瓦斯问题是否严重首先要从宏观上观察它的瓦斯地质条件是否有利于保存瓦斯；其次要根据它的开采顺序和方法以及通风系统来分析计算瓦斯从开采煤层和邻近煤层向采空空间运移的规律以及在空间的分布状态。掌握瓦斯流动规律对判断矿井瓦斯问题的现状和未来、选择适宜的防治措施是至关重要的。 1 煤层瓦斯的赋存 煤体中赋存瓦斯的多少不仅对煤层瓦斯含量的大小有影响，而且还直接影响到煤层中瓦斯流动及其发生灾害危险性的大小。因此，研究煤层中瓦斯赋存状况是矿井瓦斯研究中的重要一环。 多年来，国内外学者对此进行了大量卓有成效的研究工作，取得了许多重要的成果，如通过引入固体表面吸附理论解释了煤体表面的瓦斯吸附现象、借助于朗格缪尔方程和气体状态方程分别求出了煤体吸附瓦斯量和游离瓦斯量等。 煤层瓦斯的赋存状态一般有吸附状态和游离状态两种。 固体表面的吸附作用可以分为物理吸附和化学吸附两种类型。 煤对瓦斯的吸附作用是物理吸附，是瓦斯分子与碳分子相互吸引的结果，如图1所示。 图1 煤体中瓦斯赋存状态 在被吸附瓦斯中，通常又将进入煤体内部的瓦斯称为吸收瓦斯，把附着在煤体表面的瓦斯称为吸着瓦斯，吸收瓦斯和吸着瓦斯统称为吸附瓦斯。 在煤层赋存的瓦斯量中，通常吸附瓦斯占80％－90％，游离瓦斯量占10％－20％。 在吸附瓦斯量中又以煤体表面吸着瓦斯量占多数。 在煤体中，吸附瓦斯和游离瓦斯在外界条件不变的条件下处于动态平衡状态，吸附瓦斯分子和游离瓦斯分子处于不断的交换之中；当外界的瓦斯压力和温度发生变化或给予冲击和振荡、影响分子的能量时，则会破坏其平衡，从而产生新的平衡状态。 由于瓦斯吸附分子和游离分子是在不断地交换之中，在瓦斯缓慢的流动过程中。不存在游离瓦斯易放散、吸附瓦斯不易放散的问题；但是，在突出过程的短暂时间内，游离瓦斯会首先放散，然后吸附瓦斯迅速加以补充。 近年来，随着分析测试技术的不断发展，有关学者采用X射线、衍射分析等技术对煤体进行观察分析后认为，煤体内瓦斯的赋存状态不仅有吸附和游离状态，而且还包含有瓦斯的液态和固溶体状态；但是，由于总的来说，吸附和游离瓦斯所占的比例在85％以上，在正常情况下，所表现出来的整体特征仍是吸附和游离状态的瓦斯特征；所以，与传统的观点并没有矛盾，只是分析测试再加深入而已。 1.1 煤的吸附理论 煤是一种多孔介质，煤体吸附瓦斯是煤的一种自然属性。 煤体表面吸附瓦斯量的多少，与煤体表面积的大小密切相关。 而煤体表面积的大小则和煤体孔隙特征有关。因此，煤体孔隙待征对吸附瓦斯具有重要作用。 1.1.1 煤的孔隙特征及其评价方式 如何准确评价煤的孔隙待征是研究煤的吸附理论的基础。从60年代初开始，中国矿大着手进行了煤的孔隙特征的研究工作，得出了有关孔隙率的计算公式和主要影响因素，奠定了进一步研究的基础。 煤是一种包含有机质的岩石，它的有机物成份很复杂。在电子显微镜下观察，煤的有机物质类似海绵体，具有一个庞大的微孔系统 微孔直径从零点几个纳米到几个纳米 微孔之间则由一些直径只有甲烷分子大小的微小毛细管所沟通，彼此交织，组成超细网状结构 具有很大的内表面积，有的高达200m2／g，形成了煤体特有的多孔结构。这种超细结构能够容纳瓦斯的分子，而又不破坏它的化学结构，为瓦斯在煤体中的赋存提供了极佳的场所。 通常用孔隙率n来衡量煤的多孔程度。 煤的孔隙率就是孔隙的总体积与煤的总体积的比，其计算公式为 式中n－煤的孔隙率，％； Vs－煤的总体积，包括其中孔隙体积，cm3； Vd－煤的实在体积，不包括其中孔隙体积，cm3； M－煤的质量，g； d－煤的真密度，g/cm3； －煤的假密度，g/cm3。 根据上述公式可得煤的孔隙率 煤的真密度和假密度可在实验室内测得。 孔隙率是决定煤的吸附、渗透和强度性能的重要因素。通过孔隙率和瓦斯压力的测定，可以计算出煤层中的游离瓦斯量。此外，煤中瓦斯流动情况与孔隙率的大小也有密切关系。 为了便于研究瓦斯在煤层中的赋存与流动规律，通常把煤中的孔隙分为微孔、小孔、中孔、大孔、可见孔及裂隙。 表1 煤的孔隙分类表 名称 孔直径mm 孔隙中瓦斯流动特性 微孔 10－1 构成层流及紊流混合渗透区域并决定了煤的宏观硬和中硬煤破坏面。 煤中孔隙作为连接吸附容积吸附瓦斯的贮存所与自由表面的运输通道，构成了复杂的吸附、扩散、渗透系统。 煤中微孔构成了吸附容积；煤中其余孔隙则构成了煤中复杂的渗透系统，在渗透系统中，几乎全部瓦斯都处于游离状态，并符合气体状态方程。 图2 煤总孔隙率 与变质程度的关系 对煤的孔隙率的研究表明对于烟煤，中等变质程度的煤的总孔隙率较小。变质程度较高和较低的煤总孔隙率较大（如图2所示）。这种状况对瓦斯在煤体的运移起了重要的作用。 目前，主要采用压汞法测定煤体孔隙大小。压汞法测定煤体孔隙大小的基本原理是 利用不同孔径的孔隙对压入汞的阻力不同这一特性，根据压入汞的重量和压力，计算出煤中孔隙体积和孔隙半径。 表2 我国一些矿井煤的孔隙率 煤种 煤的挥发分（） 孔隙率（） 开奕马家沟12煤 26.80 6.59 本溪田师傅3煤 13.71 6.70 阳泉三矿3煤 6.66 14.10 焦作王封大煤 5.82 18.50 表3 里王庙4号煤层 不同半径的孔隙在总孔隙体积中占的百分比 孔隙半径/nm 里王庙1号煤层5分层 里王庙4号煤层 7500-375 375-150 150-30 30-15 15-9.4 2.39 38.88 37.24 10.16 11.33 12.78 12.10 28.85 23.51 22.76 从表中可以看出，孔隙半径在400nm以下的微孔占总孔隙体积的90％左右。微孔越多，煤体表面积就越大。 1.1.2 影响煤的孔隙特征的主要因素 煤的孔隙特征与煤化变质程度、地质破坏程度和地应力大小等因素有关。由于这些因素的不同，各矿煤层的孔隙率可在较大的范围内变化，见表3。 影响煤体孔隙率大小的主要因素有． （1）煤的变质程度 孔隙率与煤化变质程度的关系见表4。从中可以看出从长焰煤开始，随着煤化程度的加深挥发分减小 煤的总孔隙体积逐渐减少，到焦煤、瘦煤时达最低值，而后又逐渐增加，至无烟煤时达最大。 然而，煤中微孔体积则是随着煤化变质程度的增加而一直增长。 72 表4 煤的孔隙体积马克耶大煤炭安全研究院 煤牌号 挥发分（） 孔隙体积/（m3/t） 总孔隙 小孔至大孔 微 孔 区间值 平均 区间值 平均 区间值 平均 长 焰 煤 气 煤 肥 煤 焦 煤 瘦 煤 贫 煤 半无烟煤 无 烟 煤 46-43 40-35 34-28 27-22 21-18 17-10 9-6 5-2 0.073-0.091 0.028-0.080 0.026-0.078 0.021-0.068 0.028-0.065 0.034-0.084 0.041-0.094 0.055-0.136 0.084 0.053 0.051 0.045 0.045 0.055 0.065 0.088 0.045-0.070 0.001-0.058 0.001-0.050 0.001-0.039 0.001-0.036 0.001-0.052 0.001-0.054 0.001-0.076 0.061 0.030 0.025 0.019 0.016 0.022 0.023 0.029 0.021-0.028 0.015-0.034 0.019-0.033 0.021-0.038 0.022-0.033 0.027-0.052 0.033-0.056 0.049-0.062 0.023 0.026 0.026 0.026 0.029 0.033 0.044 0.055 （2）煤的破坏程度 对于烟煤而言，煤的破坏程度越高，煤的渗透容积就越大。 煤的渗透容积主要由中孔和大孔组成。我们认为，煤的破坏程度对大孔和中孔有影响，但对微孔影响不大。 （3）地应力 压性的地应力压应力可使渗透容积缩小，压应力越高，煤体渗透容积缩小的就越多，即孔隙率减少的越多； 张性的应力张应力则可使裂隙张开，从而引起渗透容积增大，目前的研究表明张应力越高，渗透容积增长的就越多，即孔隙率增加越大。 卸压地应力减小作用往往可使煤岩的渗透容积增大，即使孔隙率增大．使瓦斯的排放量增加； 增压地应力增高作用可使煤岩受到压缩，导致渗透容积减小，即使孔隙率降低。 在现场工作中我们常常利用这种原理来达到增加瓦斯排放率的目的，如开采保护层。 目前的试验表明，地应力并不减少煤的吸附体积或减少得不多，因此地应力对煤的吸附性影响很小，但对渗透性有很大的影响。 1.1.3 煤体表面的吸附作用及煤的吸附模型 1煤体表面的吸附作用 煤的吸附性实际上是固体表面与气体或液体的一种表面作用，这种表面作用之所以能够发生，是由于煤体表面的分子存在剩余的自由力场，当瓦斯分子碰到煤体表面时，其中一部分将被吸附，并释放出吸附热。 在被吸附的瓦斯分子中，只有当其重新获得动能，并足以克服煤体表面引力场的束缚时，才能重新回到气相中形成游离状态的瓦斯。 一般情况下，瓦斯在煤体表面的吸附过程可分为如下几个步骤 ①瓦斯分子由气相扩散到煤体表面； ②扩散到煤体表面的瓦斯分子被煤体吸附， ③被吸附的瓦斯分子与煤体表面发生反应，生成被煤体所吸附的产物分子。 从表面物理化学可知，一种良好的固体吸附剂必须具有较大的比表面积和较强的吸附能力。 在一定的温度、压力条件下，煤体表面对不同气体的吸附量的大小和气体凝聚性有关，凝聚性越强的气体，被煤吸附的量就越大。 1916年，法国化学家朗格缪尔LangMuir在研究固体表面吸附特性时，得出了单分子层吸附的状态方程，即朗格缪尔方程。 随后，国内外瓦斯研究工作者经过实验和理论分析后发现，该方程同样适用于瓦斯在煤体表面的吸附；故而，目前采用该方程式来计算瓦斯吸附量。瓦斯吸附量和瓦斯压力间的关系式可表示为 式中a吸附常数，表示在给定的温度下，单位质量固体的极限吸附量，对煤体吸附瓦斯而言，该值一般为15-55m3/t； b吸附常数，一般为0.5-5.0MPa-1； P吸附平衡时的瓦斯压力，MPa。 a是一个只和煤体比表面积以及被吸附的气体有关的参数，不同煤样吸附量的差异，集中反映在a值的不同上。 b是一个和温度、被吸附气体有关的参数，温度变化引起的吸附量的变化集中反映在b值的不同上。 不同被吸附气体所引起的吸附量的变化则分别反映在a、b值的不同上。 fx在给定温度条件下，瓦斯压力为P时单位质量固体表面吸附的瓦斯量; V0标准状态下气体克分子体积。22.4升／克分子； 煤体的比表面积； N阿佛加德罗常数．6.021023个／mol； 一个吸附位的面积，nm2／位。 而式中的kt为根据气体运动论得出的参数，Zm为完全的单分子层中每平方厘米所吸附的气体分子数，为解吸活化能，为和表面垂直的吸附气体的振动频率，R为气体常数，T为煤体的温度。 （2）煤体表面的物理吸附模型 尽管煤的吸附实验是建立在朗格缪尔吸附理论基础上的，但是这还不能充分解释煤层的吸附性。煤不仅具有吸附烃组分、重烃组分的能力，而且在煤体表面还有液态烃，这已为实验所证实。 根据吸附位能理论，我们认为 煤体表面的吸附----固相、吸附相与气相构成的三相介质结构。 即在近煤表面为吸附相，其中包括重烃组分、液态烃等， 吸附相外层为游离气相，吸附相内层为煤体本身所组成的固相 因此，含瓦斯煤体实际上是一种具有气相、吸附相和固相存在的三相介质结构．如图3所示。 图3 煤的物理吸附模型 由于吸附相的存在，才使煤的表面张力下降、煤的表面能降低，使煤的固体骨架发生相对膨胀，导致煤的强度降低，使煤易于破碎。 煤体吸附瓦斯量越多，吸附相瓦斯所占比例越大，则煤体强度降低的就越多；而煤体解吸瓦斯后，强度能有所提高。煤的三相吸附模型对于煤体破碎、瓦斯运移和瓦斯抽放等方面的应用具有重要意义。 值得注意的是，以往我们在研究含瓦斯煤的力学性质时，多数情况下均把含瓦斯煤作为单相或两相介质来考虑，这是不充分的。 1.1.4煤的吸附性及其影响因素分析 煤之所以具有吸附性是由于煤结构中分子的不均匀分布和分子作用力的不同所致。 这种吸附性的大小主要取决于3个方面的因素 ①煤结构、煤的有机组成和煤的变质程度； ②被吸附物质的性质； ③煤体吸附所处的环境条件。 由于煤对瓦斯的吸附是一种可逆现象，吸附瓦斯所处的环境条件就显得尤为重要。煤中瓦斯吸附量的大小主要取决于煤化变质程度、煤中水分、瓦斯性质、瓦斯压力以及吸附平衡温度等。 图4 在给定吸附气体和温度条件下的等温吸附线 1瓦斯压力。实验研究表明在给定的温度下，吸附瓦斯量与瓦斯压力的关系呈双曲线变化。随着瓦斯压力的升高，煤体吸附瓦斯量增大。当瓦斯压力大于3.0MPa时，吸附的瓦斯量将趋于定值。 2吸附温度。温度每升高1℃，煤吸附瓦斯的能力将降低约8％。其原因主要是温度的升高，使瓦斯分子活性增大，故而不易被媒体所吸附；同时．已被吸附的瓦斯分子又易于获得动能，会产生脱附现象，使吸附瓦斯量降低。 3瓦斯性质。对于指定的煤，在给定的温度与瓦斯压力条件下，煤对二氧化碳的吸附量比甲烷的吸附量高，而对甲烷的吸附量又大于对氮气的吸附量。 4煤的变质程度。煤的瓦斯生成量及煤的比表面积和煤的变质程度有关。一般情况下，从中等变质程度的烟煤到无烟煤，相应的吸附量呈快速增加状态。 5煤中水分。水分的增加会使煤的吸附能力降低。目前可以来用俄罗斯煤化学家艾琴格尔的经验公式来确定煤的天然水分对甲烷吸附量的影响 式中 含有水分为W％的湿煤的甲烷吸附量，m3/t可燃物； 煤中的天然水分的质量含量，％； 不含水分干煤的甲烷吸附量,m3/t可燃物。 1.1.5煤对混合气体的吸附作用 矿井中的瓦斯实际上是一种以甲烷为主的气体混合物。煤对混合物的不同组分的吸附能力有强弱之分。 图5 混合气体的等温吸附曲线 从图5中可以看出； 煤对混合气体中各组分的吸附量比对该组分单独作为吸附质时的吸附量要小， 煤对混合气体的吸附不仅与其本身的性质有关，而且还与混合气体中各组分的类型有关。 煤对由CO2和CH4、CH4和N2组成的混合气体及CO2、CH4、N2的吸附性强弱的顺序依次为 CO2＞CO2CH4 ＞CH4＞CH4N2＞N2 1.2 煤层瓦斯含量 煤层瓦斯含量为游离瓦斯量和吸附瓦斯量之和。 1.2.1 游离瓦斯含量 煤的游离瓦斯含量按气体状态方程进行计算 式中Xy煤的游离瓦斯含量，m3/t； V单位质量煤的孔隙体积，m3； p瓦斯压力，Mpa； T0，p0标准状态下的绝对温度、压力 （273k、0.101325Mpa） T瓦斯绝对温度，K，T＝273＋t； 瓦斯压缩系数。甲烷的压缩系数见表5。 表5 甲烷气体压缩系数表 甲烷压力/Mpa 温 度 /C 0 10 20 30 40 50 0.1 1.1 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 1.00 0.97 0.95 0.92 0.90 0.87 0.85 0.83 1.04 1.02 1.00 0.97 0.95 0.93 0.90 0.88 1.08 1.06 1.04 1.02 1.00 0.98 0.95 0.93 1.12 1310 1.08 1.06 1.04 1.02 1.00 0.98 1.16 1.14 1.12 1.10 1.08 1.06 1.05 1.04 1.20 1.18 1.16 1.14 1.12 1.11 1.10 1.09 为了简化计算，在满足工程要求的前提下，可采用孔隙率和瓦斯压力来计算游离瓦斯含量，即 （8） 式中p瓦斯压力，Mpa； n煤的孔隙率； B系数，m3/tMpa,取值为1。 1.2.2 吸附瓦斯含量 一般按朗格缪尔Langmuir方程计算煤层吸附瓦斯含量，计算中同时考虑煤中的水分、可燃物百分比以及温度的影响，即 （9） 也可以简写成 （10） 式中Xx煤的吸附瓦斯含量，m3/t； t0实验室测定煤的吸附常数时的实验温度，℃； t煤层温度，℃；p煤层瓦斯压力，Mpa； a,b吸附常数，m3/t、Mpa－1； A,M煤中的灰分和水分，％、％； ft、fM、fA分别为温度、水分及灰分的修正系数。 经验系数，一般可按下式确定 （11） B系数，Mpa－1，取值为1； 我国部分矿井相应煤层煤样的吸附试验结果见表6。 矿井 煤层 水分（） 灰分（） 挥发分（） 密度（t/m3） 吸附试验结果 温度/C 瓦斯压力/Mpa 瓦斯含量/（m3/t） a （m3/t） b /（Mpa-1） 焦作李封矿 白沙红卫矿 阳泉矿区矿 白沙红卫矿 萍乡煤矿 鹤壁梁峪矿 北票台吉一坑 天府磨心坡矿 丰城坪湖矿 南桐煤矿 包头河滩沟矿 开滦赵各庄矿 淮北芦岭矿 抚顺龙凤矿 阜新平安二坑 淮南谢一矿 辽源西安矿 大煤 3 Ss 4 4 K9 B1 K2 8 4分层 B116 上煤 1.86 1.72 1.02 2.19 1.10 1.70 0.63 0.99 1.70 0.83 1.32 1.66 1.25 1.52 8.53 1.58 5.5 12.12 5.95 9.34 30.18 8.07 11.53 14.90 5.44 9.50 22.87 32.49 14.40 7.54 9.11 13.37 31.8 6.63 4.37 6.37 7.64 10.13 10.33 12.20 17.98 18.29 18.77 20.26 27.16 29.93 32.17 33.72 38.46 36.20 41.66 1.72 1.49 1.39 1.73 1.45 1.43 1.46 1.36 1.37 1.55 1.37 1.46 1.37 1.41 1.21 1.32 1.34 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 1.27 1.49 1.31 1.22 1.10 1.21 1.82 1.76 1.18 1.16 1.57 1.01 1.69 1.21 1.34 1.84 1.68 25.33 24.16 23.62 19.27 14.39 18.97 10.86 11.29 12.61 6.6 12.27 6.42 12.75 13.57 12.30 20.1 17.80 30.72 53.47 41.32 25.66 21.33 35.63 14.85 17.18 27.30 14.16 20.77 10.89 21.88 22.93 21.11 39.06 28.97 4.8 5.0 1.1 2.4 1.7 1.0 1.2 1.1 0.7 1.8 1.0 1.3 0.9 1.2 1.1 0.59 0.9 1.2.3 煤层总瓦斯含量 煤层瓦斯含量为游离瓦斯量和吸附瓦斯量之和 （12） 煤中瓦斯含量与温度和压力的关系见图6所示。 图6 瓦斯含量和温度、压力的关系 图7 煤层瓦斯含量和瓦斯压力的 关系曲线 （ 图7给出了煤的吸附瓦斯量和游离瓦斯量以及总瓦斯量之间的关系。在瓦斯压力比较低时，吸附瓦斯量占绝大部分；随着瓦斯压力的增大，吸附瓦斯量渐趋饱和，而游离瓦斯所占的比例则逐渐提高。在深部地层中，当瓦斯压力较高时，煤层和岩层孔隙中所含有的游离瓦斯量往往可以达到相当大的数值。 上述煤层瓦斯含量的计算式在实际应用时，显得极为不便；为此，根据实测煤层瓦斯含量曲线的变化规律，并考虑工程实际应用中允许的误差范围，工程应用中还用到抛物线近似取代煤层瓦斯含量方程，即 （13） 式中Xy煤的吸附瓦斯含量，m3/t； p煤层瓦斯压力，Mpa； 煤层瓦斯含量系数，m3/ tMpa1/2。 利用上述式子，在研究煤层瓦斯流动、计算煤层瓦斯含量时十分便利。表7为测定的部分矿井值。 矿井 煤层 挥发分（） 水分（） 灰分（） 瓦斯含量系数/（m3/t.Mpa1/2） 抚顺龙凤矿 北票台吉一井 包头白狐沟矿 天府南井 阳泉一矿 焦作李封矿 本层 4号 JU 9号 3号 大媒 43.41 42.36 23.87 19.55 7.38 7.50 0.85 2.70 0.23 1.49 2.43 9.45 20.50 12.89 22.16 10.22 15.40 1.14 1.14 1.58 1.32 2.88 2.53 目前，煤层瓦斯含量的测定方法主要有直接测定方法和间接测定方法。 直接测定方法由于实际操作难度大、测定工艺要求高、需要有可靠的密封装置等方面的原因，目前多限于勘探部门应用。 实际上，多数矿井中采用的是间接测定法，即通过现场取样，依据实验室对现场所取样品的吸附参数及孔隙体积或者瓦斯含量系数等的测定结果，以及现场测定的煤层瓦斯压力，采取上述公式加以计算。 在实际应用时，由于在矿井中各煤层的煤质一般变化不大；因此，可先在实验室中测定出各个煤层煤样在不同瓦斯压力和温度条件下的瓦斯含量曲线，然后再根据采掘工作地点测出的煤层温度和瓦斯压力从该煤样的瓦斯含量曲线中求得该地点的煤层瓦斯含量。 我国的瓦斯矿井中以四川天府矿务局磨心坡矿测得的瓦斯压力最高，达13MPa，其余各矿的瓦斯压力一般在5.0MPa以下。在这个瓦斯压力范围内，根据目前的测定表明烟煤矿井中煤层的瓦斯含量未超过35m3/t，无烟煤矿井中煤层的瓦斯含量未超过45m3/t。 1.3影响煤层瓦斯赋存及含量的主要因素 煤体在从植物遗体到无烟煤的变质过程中，每生成1t煤至少可以伴生l00m3以上的瓦斯；但是，在目前的天然煤层中，最大的瓦斯含量不超过50 m3／t。 究其原因，我们认为，一方面是由于煤层本身含瓦斯的能力所限；另一方面是因为瓦斯是以压力气体存在于煤层中的，经过漫长的地质年代，放散了大部分，目前贮藏在煤体中的瓦斯仅是剩余的瓦斯量。 影响煤层瓦斯含量的主要因素有煤层储气条件、区域地质构造和采矿工作。 1.3.1 煤层的储气条件 煤层储气条件对于煤层瓦斯赋存及含量具有重要作用。储气条件主要包括煤层的埋藏深度、煤层和围岩的透气性、煤层倾角、煤层露头以及煤的变质程度等。 1煤层的埋藏深度 煤层埋藏深度的增加不仅会因地应力增高而使煤层和围岩的透气性降低，而且瓦斯向地表运移的距离也增大，这两者的变化均朝着有利于封存瓦斯、而不利于放散瓦斯方向发展。 研究表明当深度不大时，煤层瓦斯含量随埋深的增大基本上成线性规律增加；当埋深达到一定值后，煤层瓦斯含量将会趋于常量，并有可能下降。 2煤层和围岩的透气性 煤系地层岩性组合及其透气性对煤层瓦斯含量有重大影响。煤层及其围岩的透气性越大，瓦斯越易流失，煤层瓦斯含量就越小；反之．瓦斯易于保存，煤层的瓦斯含量就高。 煤层与岩层的透气性可在非常宽的范围内变化。 表8列出了甲烷对煤层及岩石的透气系数。 矿井 煤层 透气系数/（m2/Mpa2.d） 岩石种类 透气系数/（m2/Mpa2.d） 抚顺龙凤矿 包头河滩沟矿 鹤壁六矿 焦作朱村矿 红卫坦家冲矿 涟沼蛇行山矿 六枝池宗矿 中梁山矿 北票冠山矿 天府磨心坡矿 淮南谢一矿 淮北芦岭矿 阳泉北头嘴矿 本层 大煤 6 4 7 K1 9 B116 8 3 150 11.2-17.2 1.2-1.8 0.4-3.6 0.24-0.72 0.2-1.08 0.5 0.32-1.16 0.008-0.228 0.004-0.04 0.228 0.028 0.016 砂岩[美] 砂岩[苏] 灰岩、白云岩[苏] 泥岩[苏] 砾岩[日] 砂岩[日] 砂页岩[日] 页岩[日] 20-92000 0.02-56000 0.028-92000 4-3600 1206.8 0 0 可见孔隙与裂缝发育的砂岩、砾岩和灰岩的透气系数非常大，它比致密而裂隙不发育的岩石如砂页岩、页岩、泥质页岩等的透气系数高成千上万倍。 现场实践表明煤层顶底板透气性低的岩层如泥岩、充填致密的细碎屑岩、裂隙不发育的灰岩等越厚，它们在煤系地层中所占的比例越大，则往往煤层的瓦斯含量越高。例如重庆、贵州六枝、湖南涟邵等地区。由于其煤系主要岩层均是泥岩、页岩、砂页岩、粉砂岩和致密的灰岩。而且厚度大、横向岩性变化小，围岩的透气性差，封闭瓦斯的条件好，所以煤层瓦斯压力高、瓦斯含量大，这些地区的矿井往往是高瓦斯或有煤与瓦斯突出危险的矿井； 反之，当围岩是由厚层中粗砂岩、砾岩或是裂隙溶洞发育的灰岩组成时，煤层瓦斯含量往往较小。例如山西大同煤田、北京西部煤田，由于煤层顶底板主要是厚层砂岩，透气性好，故而煤层瓦斯含量较低。 （3） 煤层倾角 在同一埋深及条件相同情况下，煤层倾角越小，煤层的瓦斯含量就越高。例如芙蓉煤矿北翼煤层倾角大400-800，相对瓦斯涌出量约20m3／t，无瓦斯突出现象；反之，南翼煤层倾角小60-120，相对瓦斯涌出量则高达150m3／t，而且具有发生瓦斯突出的危险。 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。 （4）煤层露头 煤层露头是瓦斯问地面排放的出口，因此，露头存在时间越长，瓦斯排放就越多，例如福建、广东地区的煤层多有露头，瓦斯含量往往较低；反之，地表无露头的煤层，瓦斯含量住住较高，例如中梁山煤田，由于煤层无露头，而且为背斜构造，所以煤层瓦斯含量. （5）煤的变质程度 煤的煤化程度越高，其存贮瓦斯的能力就越强。 一般情况下，在瓦斯带内，倘若其它因素相同，煤化变质程度不同的煤，其瓦斯含量不仅有所不同，而且随深度增加其瓦斯含量增加的量也有所不同。但是，根据研究，对于高变质无烟煤，其瓦斯含量不符合上述规律。这是因为，高变质无烟煤的结构发生了质的变化，孔除率和表面积大大减少，其瓦斯含量低，一般小于等于23m3／t，而且与埋深无关。例如我国湖南梅田矿区的文化村矿，煤变质已接近石墨状态，挥发份仅为3.14％左右，瓦斯含量很低。 （6）煤系地层的地质史 成煤有机物沉积以后，直到现今煤化阶段，经历了漫长的地质年代，其间地层多次下降或上升、覆盖层会加厚或遭受剥蚀、陆相海相会交替变化、可能会遭受地质构造运动破坏等等，所有这些地质过程及其延续时间的长短都对煤层瓦斯含量的大小有巨大的影响。从沉积环境上看，海陆交替相含煤系聚煤古地理环境属于滨海平原，往往岩性与岩相在横向上比较稳定，沉积物粒度细，这时形成的煤系地层的透气性往往较差；如果其上又遭受长期海浸，并被泥岩、灰岩等致密地层覆盖，这种煤层的瓦斯含量有可能很高。反之，对于陆相沉积，由于内陆环境横向岩性岩相变化大且覆盖层多为粗粉碎屑岩，这种煤系地层往往不利于瓦斯的封存，煤层的瓦斯含量般都较低。因此，煤系地层的地质史对煤层瓦斯含量的大小有很大的影响。 1.3.2 区域地质构造 地质构造是影响煤层瓦斯赋存及含量的最重要条件之一。目前总的认为，封闭型地质构造有利于存储瓦斯，开放型地质构造有利于瓦斯排放。 1.3.3 采矿工作 煤矿井下采矿工作会使煤层所受应力重新分布，造成次生透气性结构；同时，矿山压力可以使煤体透气性增高或降低，其表现为在卸压区内透气性增高，集中应力带内透气性降低。 因而采矿工作会使煤层瓦斯赋存状态发生变化，具体表现为在采掘空间中瓦斯涌出量的忽大忽小。 如开采上、下保护层时，地层应力重新分布，在保护范围内，煤岩体透气性增大，煤体中的瓦斯大量释放，导致瓦斯赋存状态发生很大的变化；表现为保护层本身的开采过程中，瓦斯涌出量的增大，而使邻近被保护层中的瓦斯得到释放。在厚煤层分层开采中，也会有类似的现象。 工作面回采时，不仅会使暴露面积和围岩移动大为增加．而且还会形成沿工作面长度分布的最大值不断变化的应力集中带，使得近工作面带的煤层透气性增加，而集中应力带的煤层透气性降低。 回采给煤层瓦斯赋存状态带来的变化十分复杂，往往表现出工作面瓦斯涌出量变化不定，个别情况下还容易引起煤与瓦斯突出。 2 煤层瓦斯流动数值解析 煤层中存在着一个巨大的孔隙、裂隙网。当采矿工作进入煤层后，由于巷道空间的气压是一个大气压左右，而煤层瓦斯往往处于高压状态，因而瓦斯即从地层和煤层向巷道空间运移，这种运移在绝大多数情况下表现为瓦斯由煤层内部向煤面的涌出。 但是瓦斯在煤层中是如何运移的 瓦斯运移具有哪些基本规律 这些则不为人们所认识。为此，早在50年代末，周世宁教授在国内首先开始了这方面的研究。研究的方法是理论和实验并重，首先用数学方法建立了瓦斯在煤层中流动的基本模型，并对瓦斯流动场进行了分类；其次是在实验室进行物理模拟试验，并在现场对巷道和钻孔的瓦斯涌出规律进行观测；以后又花费了大量时间对开采煤层、邻近煤层的瓦斯涌出和防治进行了研究，从而为煤层瓦斯流动理论的建立奠定了良好的基础，并为生产矿井防治瓦斯事故提供了理论依据。 2.1 煤层瓦斯流动的基本方程 煤层瓦斯渗流的数学模型，是通过描述煤层瓦斯流动的四个基本方程来建立的。 这四个基本方程是煤层瓦斯流动的连续性方程、煤层瓦斯运动方程、瓦斯气体的状态方程和瓦斯含量方程。 在建立煤层瓦斯渗流数学模型时，为了使模型得到简化，并与工程实际相符，将瓦斯在煤层中的流动状态作如下假设 ① 同一水平，煤层中原始瓦斯压力、温度和瓦斯含量相同； ② 煤层顶底板岩层视为不透气且不含瓦斯 ③ 瓦斯可视为理想气体，瓦斯在煤层中的流动符合达西定律 ④ 煤层中的吸附瓦斯量符合朗格缪尔公式； ⑤ 瓦斯的吸附、解吸是动态平衡，吸附、解吸是瞬间完成的。 在上述假设前提下，建立煤层瓦斯流动数学模型的控制方程。 （1）煤层瓦斯流动的连续性方程 微分单元体各面上进出流量如图8所示。 x z y 图8 微分单元体各面上进出流量示意图 dt时间内六面体在x，y，z三个方向流入流出的质量流量为 在dt时间内六面体流入流出的总质量流量差为 （14） 经过六面体流入流出的质量之所以不同，是因为六面体内固体和流体弹性能的作用下释放或储存一部分质量的结果。 六面体内的流体的质量为 单位时间内流体质量的变化为 dt时间内流体质量总的变化为 根据质量守恒定律，dt时间内六面体总的质量变化应等于同一时间内流入流出的质量差，即 （15） 上式也可以写为 （16） 式16即为瓦斯在煤中渗流流动的质量守恒方程，即连续性方程。 式14至16中ρ瓦斯压力为p时的密度，kg/m3； 瓦斯运移速度，m/s； 孔隙率，％。 （2）煤层瓦斯的运动方程 煤层瓦斯流动符合达西定律，即 （17） 式中U煤层瓦斯流动速度，m/s； 一煤层透气性系数，m2/ Mpa2d； p煤层中的瓦斯压力，Mpa； pn一为标准状态下的瓦斯压力，Mpa； k一为煤层的渗透率，m2； 一为瓦斯的动力粘度，Pas；对于甲烷气体，取1.08 X 10-6 Pas。 （3）煤层瓦斯状态方程 煤层瓦斯视为理想气体，所以有 （18） 式中ρ－ 瓦斯压力为p时的密度，kg/m3； ρn－瓦斯压力为一个大气压（pn）的密