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矿 井 瓦 斯 防 治 培训讲义 二○二二年一月 第一章 煤层瓦斯的赋存与含量 1.1 矿井瓦斯的概念与性质 1 矿井瓦斯的概念 广义的矿井瓦斯是指井下有害气体的总称。狭义的矿井瓦斯是指甲烷。 一般矿井瓦斯包括三类来源⑴是在煤层与围岩内赋存并能涌入到矿井的气体；⑵矿井生产过程中生成的气体，例如放炮时产生的炮烟，内燃机运行时排放的废气，充电过程生成的氢气等；⑶井下空气与煤、岩、矿物、支架和其它材科之间的化学或生物化学反应生成的气体等。 2 甲烷的性质 甲烷是无色、无味、无嗅、可以燃烧或爆炸的气体。它对人呼吸的影响同氮相似，可使人窒息。 甲烷分子直径0.375810-9m，其扩散速度是空气的1.34倍，它会很快地扩散到巷道空间。甲烷的密度为0.716kg／ml标准状况下，比重为0.554倍。甲烷化学性质不活泼，微溶于水。 ⑴燃烧性. ⑵爆炸性. ⑶窒息性由于甲烷的存在冲淡了空气中的氧气，当甲烷浓度为43％时，空气中相应的氧浓度即降到12％，人感到呼吸非常短促；当甲烷浓度在空气中达57％时，相应的氧浓度被冲淡到9％，人即刻处于昏迷状态，有死亡危险。 3 矿井瓦斯的性质 ⑴燃烧性甲烷、重烃、氢气。 ⑵爆炸性甲烷、氢气。 ⑶窒息性甲烷、二氧化碳、氮气。由于甲烷的存在冲淡了空气中的氧气，当甲烷浓度为43％时，空气中相应的氧浓度即降到12％，人感到呼吸非常短促；当甲烷浓度在空气中达57％时，相应的氧浓度被冲淡到9％，人即刻处于昏迷状态，有死亡危险。 ⑷有毒性一氧化碳、硫化氢、二氧化硫、二氧化氮。 4 甲烷在巷道断面内的分布 甲烷在巷道断面内的分布取决于该巷有无瓦斯涌出源。在自然条件下，由于甲烷在空气中表现强扩散性，所以它一经与空气均匀混合，就不会因其比重较空气轻而上浮、聚积，所以当无瓦斯涌出时，巷道断面内甲烷的浓度是均匀分布的；当有瓦斯涌出时，甲烷浓度则呈不均匀分布。在有瓦斯涌出的侧壁附近甲烷的浓度高，有时见到在巷道顶板、冒落区顶部积存瓦斯，这并不是由于甲烷的密度比空气小，而是说明这里的顶部有瓦斯源在涌出。 作业题 1 什么是矿井瓦斯 2 试述瓦斯的主要物理及化学性质。了解这些性质对于预防处理瓦斯危害有何意义 1.2 煤层瓦斯的生成 煤矿井下的瓦斯来自煤层和煤系地层，它主要是腐植型有机物质在成煤过程中生成的。有机物质沉积以后，一般经历两个不同的造气时期从植物遗体到形成泥炭，属于生物化学造气时期；从褐煤、烟煤直到无烟煤属于煤化变质作用造气时期。瓦斯生成量的多少取决于原始母质的组成和煤化作用所处的阶段。 1生物化学作用时期瓦斯的生成 泥炭阶段的腐植体，处于生物化学作用时期。在温度不超过50℃低温条件下，经厌氧微生物作用发酵分解成瓦斯和二氧化碳。 在沼泽、三角洲等水下生成的瓦斯，能够比较顺利地扩散到古大气中去，或者溶于水中，然后被水带到地表。在泥炭时期，泥炭的埋深一般不大，其覆盖层的胶结固化也不好，生成的瓦斯通过渗滤和扩散容易排放到大气中，因此，生物化学作用产生的瓦斯一般不会保留在煤层内。 随着泥炭层的下沉，覆盖层的厚度越来越大，压力与温度随之增高，厌氧微生物的生存环境恶化，生物化学活动逐渐减弱直至停止。在稍高的压力与温度作用下，泥炭化的木质素与纤维素便转化成为褐煤。 2 煤化变质作用时期瓦斯的生成 褐煤层进一步沉降，压力与温度的影响随之加剧，煤化变质作用增强。一般认为温度在50～220℃和相应的压力下煤层处于烟煤－无烟煤热力变质造气时期。在这一时期，煤的变质程度越高，其生成的瓦斯量也就越多。苏联BA乌斯别斯基根据地球化学与煤化作用过程反应物与生成物平衡原理，计算出各煤化阶段的煤生成的甲烷量，如表1-1示。 表1-1 成煤过程中瓦斯生成量 煤 阶 褐 煤 长焰煤 气 煤 肥 煤 焦 煤 瘦 煤 贫 煤 无烟煤 生气量（m3/t） 68 168 212 229 270 287 333 419 阶段生气量（m3/t） 100 44 17 41 17 46 86 1.3 煤层瓦斯赋存的垂向分带 当煤层具有露头或在冲积层之下有含煤盆地时，由于煤层内的瓦斯向地表运移和地面空气向煤层深部渗透、扩散，其结果是煤层沿垂向一般会出现四个分带即“CO2－N2”、“N2”、“N2－CH4”、和“CH4”带。各带的气体成分组成如表1-2示。“CO2－N2”、“N2”、“N2－CH4”三带统称为瓦斯风化带。 表1-2煤层瓦斯垂向分带各带气体组分 带名 （从上往下） 气带成因 CO2 N2 CH4 按体积 m3/t煤 按体积 m3/t煤 按体积 m3/t煤 CO2-N2 空气～ 生化成因 20～80 0.19～2.24 20～80 0.15～1.42 0～10 0～0.16 N2 空气成因 0～20 0～0.27 80～100 0.22～1.86 0～20 0～0.22 N2-CH4 变质成因 0～20 0～0.39 20～80 0.25～1.78 20～80 0.06～5.27 CH4 变质成因 0～10 0～0.37 0～20 0～1.93 80～100 0.61～10.5 1 瓦斯风化带 瓦斯风化带的深度视地质条件而异，我国一些矿井的瓦斯风化带深度见表2－2。“CH4”带称为瓦斯带，该带内气体组分的特点是，CH4的浓度超过80；瓦斯含量的赋存特点是，随埋深增加而有规律的增长，但是增长的梯度因地质条件而定。 瓦斯带的上界可按以下条件确定 瓦斯压力p0.1～0.15MPa; 瓦斯组分CH4≥80（体积百分数）； 相对瓦斯涌出量q2～3 m3/t煤。 煤层瓦斯含量（x）（煤芯中的甲烷含量） 长焰煤x1.0～1.5 m3/t可燃物 气煤；x1.5～2.0 m3/t可燃物 肥煤与焦煤x2.0～2.5 m3/t可燃物； 瘦煤x2.5～3.0 m3/t可燃物； 贫煤x3.0～4.0 m3/t可燃物 无烟煤x5.0～7.0 m3/t可燃物 2 甲烷带 位子瓦斯风化带下边界以下的甲烷带，煤层的瓦斯压力、瓦斯含量随埋藏深度的增加呈有规律的增长。增长的梯度，在不同煤质煤化程度、不同地质构造与赋存条件有所不同。相对瓦斯涌出量也随开采深度的增加而有规律地增加。从甲烷带内其一深度起，某些矿井除一般瓦斯涌出外还出现了特殊瓦斯涌出瓦斯喷出与煤和瓦斯突出。因此，在甲烷带内的矿井或区域，不仅在风量不足和停风时有窒息危险CH4及瓦斯爆炸危险，而且在正常通风条件下，当出现特殊瓦斯涌出现象时，也可能发生窒息、爆炸及煤流埋人等事故。因此，只有掌握矿井瓦斯的赋存与运动规律，采取相应的措施，才能预防－般和特殊瓦斯涌出。 1.4 煤的孔隙特征 1 煤中孔隙的分类 微孔直径 10-1 mm，层流和紊流混合渗透区间。并决定了煤的宏观硬和中硬煤破坏面。 一般，把小孔至可见孔的孔隙体积之和称为渗透容积，把吸附容积与渗透容积之和称为总孔隙体积；煤的总孔隙体积占相应煤的体积的百分比称为煤的孔隙率，以％表示。 2 煤孔隙与表面积 煤是孔隙体，其中含有大量的表面积，据苏联矿业研究所的资料各种直径的表面积同其容积有表l－5所示的关系。从中可知微微孔和微孔孔隙体积还不到微微孔至中孔孔隙体积的55％，而其孔隙表面积却占整个表面积的97％以上。 3 煤孔隙特性的主要影响因素 煤的孔隙特性与煤化程度、地质破坏程度和地应力性质及其大小等因素密切相关。 1孔隙率与煤化程度的关系随着煤化程度的加深，煤的总孔隙体积逐渐减少，到焦煤、瘦煤时达到最低值，而后随煤化程度的加深，总孔隙体积又逐渐增加，至无烟煤时达到最大值。然而，煤中的微孔隙积随着煤化程度的增加是一直增长的。 2孔隙率与煤的破坏程度的关系。煤的破坏越严重，其渗透容积越高，即孔隙率越大。 3孔隙率与地应力的关系压应力可使渗透容积缩小，压应力越高，渗透容积缩小越多，即孔隙率减小越多；张应力可使裂隙张开，使渗透容积增大，张应力越高，渗透容积增长越多，即孔隙率增加越多。卸压地应力减小作用可使煤岩的渗透容积增大，即孔隙率增高；增压地应力增高作用可使煤岩受到压缩，渗透容积减小，即孔隙率降低。 1.5 煤的吸附性能 由于气体分子与固体表面分子之间的相互作用，气体分子暂时停留在固体表面上的 现象称为气体分子在固体表面上的吸附。 煤是一种天然的吸附剂，具有良好的吸附件能。 煤对瓦斯的吸附属于物理吸附，即瓦斯分子煤分子之间的作用力是范德华引力。当与体分子碰到煤表面时，其中一部分就被吸附，并释放出吸附热；在被吸附的分子中，当其热运动的动能足以克服吸附引力场的位垒时可重新回到气相，这时要吸收解吸热，这一现象称为解吸，吸附与解吸是可逆的。 1 影响吸附量的主要因素 气体在每克煤中的吸附量主要取决于气体的性质、表面性质比表面积与化学组成、 吸附平衡的温度及共瓦斯压力和煤中水分等。 ①瓦斯压力的影响在结给定温度下，吸附瓦斯含量与瓦斯压力的关系呈双曲线变化。 ②温度的影响温度每升高l℃，吸附瓦斯的能力降低约8％。 ③瓦斯性质的影响对于指定的煤，在给定的温度与瓦斯压力下，CO2的吸附量比CH4高，而CH4的吸附量又比N2高。 ④煤化变质程度的影响煤的煤化程度反映其比表面积大小与化学组成，一般讲，从挥发分为20一26％之间的煤到无烟煤，相应的吸附量呈快速地增加。 ⑤煤中水分的影响水分的增加使煤的吸附能力降低，可用艾琴格尔的经验式来确 定煤内水分对其甲烷吸附量的影响。 2 朗格缪儿方程 1916年朗格缪儿导出了单分子层吸附固体表面上吸附的气体只有一分子直径的厚度状态方程，一般说来，气体在临界温度以上，在非反应的固体表面上常常发生单分子层吸附。 1.6 煤层内的瓦斯压力 1 瓦斯压力的定义与意义 煤层瓦斯压力是煤层孔隙内气体分子自由热运动撞击所产生的作用力，它在某一点上各向大小相等，方向与孔隙壁垂直。 煤层瓦斯压力是决定煤层瓦斯含量多少、瓦斯流动动力高低以及瓦斯动力现象的潜能大小的基本参数。 2 煤层瓦斯压力分布的一般规律 根据国内外在瓦斯煤层大量的测定结果，在甲烷带内，煤层的瓦斯压力随深度的增加而增加，多数煤层呈线性增加，瓦斯压力梯度随地质条件而异，在地质条件相近的块段内相同深度的同一煤层具有大体相同的瓦斯压力，如此，可以按下式预测深部煤层的瓦斯压力。 式中P－－预测的甲烷带内深H（m）处的瓦斯压力，MPa， gp－－瓦斯压力梯度，MPa/m； P1、P2－－甲烷带内深度为Hl、H2（m）处的瓦斯压力，Mpa； P0－－甲烷带上部边界处瓦斯压力,取0.2MPa； H0－－甲烷带上部边界深度，m。 1.7 煤层瓦斯含量 1 煤层瓦斯含量 煤层瓦斯含量是单位质量煤中所含的瓦斯体积换算为标准状态量，单位是m3/t或mL／g。煤层瓦斯含量也可用单位质量纯煤去掉煤中水分和灰分的瓦斯体积表示，单位是m3／t燃。 煤层未受采动影响时的瓦斯含量称为原始或天然瓦斯含量，如煤层受采动影响，已部分排放瓦斯，则剩余在煤层中的瓦斯量称为残存瓦斯含量。 煤层围岩中有时也含有瓦斯，单位质量或体积岩石中所含的瓦斯体积称为岩层瓦斯含量。 煤的瓦斯容量指在一定瓦斯压力、温度、水分和孔隙率条件下，煤中所含有的瓦斯量。煤的瓦斯容量是根据试验室测出的煤的吸附瓦斯等温线和孔隙率，计算确定的。如瓦斯压力、温度和水分等试验条件与煤层相同，则计算得出的瓦斯容量即为煤层的瓦斯含量。 式中x－－煤层瓦斯含量，m3/t； a－－吸附常数，试验温度下的极限吸附量，m3／t； b－－吸附常数，MPa-1； p－－煤层瓦斯压力，MPa； Aad－煤的灰分，％； Mad－－煤的水份，％； k－－煤的孔隙体积，m3／m3； r－－煤的密度，t／m3。 2 影响煤层瓦斯含量的因素 在成煤过程中每形成1t煤所生成的瓦斯量理论上约为100－400 m3，但国内外大量实测资料表明，现今的煤层原始瓦斯含量一般最大不超过30－40 m3/t，这就说明成煤过程中生成的瓦斯绝大部分已逸散到地表，或在地质条件适合时，如煤盆地地层中有大面积隔气层和储气构造，煤层中的瓦斯运移到储气构造中，形成煤层气，因此，，煤层瓦斯含量除与生成瓦斯量有关外，主要取决于煤生成后瓦斯运移条件和煤保存瓦斯的能力（吸附性、孔隙率等），即主要受如下因素控制 ① 煤田地质史 从植物的堆积一直到煤炭的形成，经历了长期复杂的地质变化，这些变化对煤中瓦斯的生成和排放都起着一定的作用。煤层中瓦斯生成量、煤田范围内瓦斯含量的分布以及煤层瓦斯向地表的运移，归根到底都有取决于煤田的地质史。成煤后地壳的上升将使剥蚀作用加强，从而给煤层瓦斯向地表运移提供了条件；当成煤后地表下沉时，煤田为新的覆盖物覆盖，从而减缓了煤层瓦斯的逸散。如开平煤田东欢坨区，石炭二叠系煤层直接由厚150－600m的第四系冲积层覆盖，该区在第四系冲积层沉积前，煤层瓦斯已经过漫长地质年代的排放，实测表明，在距地表680－700m深处，煤层的瓦斯含量仅1.4－2.2 m3/t﹒燃。 ② 地质构造 断层对煤层瓦斯含量可以有性质上截然不同的两种影响，开放性断层是煤层瓦斯排放的通道，在这类断层附近，煤层瓦斯含量减小，封闭性断层本身透气性差，而且截断了煤层与地表的联系，往往使封闭区段的煤层瓦斯含量增大。淮南谢家集二井的F18号断层上盘的煤与地表毗连，处于瓦斯风化带，而断层下盘的煤层由于被断层封闭，煤层瓦斯含量增大，处于断层下盘的一水平北部区，其相对瓦斯涌出量一直保持在10－20 m3/t；而处于断层上盘的南部区，虽然开采深度与北部区相同，但相对瓦斯涌出量却小于5 m3/t。 在被基岩覆盖的闭合和半闭合背斜转折区，由于煤层运移路线加长和瓦斯排出口不断缩小，增大了瓦斯运移的阻力，因此，在同一开采深度下比构造两翼瓦斯含量大；而在向斜转折处则恰恰相反，煤层瓦斯含量减小，这是由于供应瓦斯区域逐渐减小，而瓦斯向地表运移的通道逐渐扩大的结果。 ③ 煤层的赋存条件 煤层有无露头对煤层瓦斯含量有一定影响。煤层有露头时，瓦斯易于排放；无露头时，煤层瓦斯易于保存。例如，中梁山煤田煤层呈覆舟状，地表无露头，煤层瓦斯不仅含量大而且有煤与瓦斯突出危险。 煤层埋藏深度是决定煤层瓦斯含量大小的重要因素。对同一煤田或煤层，在瓦斯风化带以下，煤层瓦斯压力随深度加大呈线性增大趋势，故煤层瓦斯含量随深度增大而增大，它反映了煤层瓦斯由深部向地表运移的总规律，该规律已被大量生产和科研实践所证实。 由于煤层的透气性一般比围岩大得多，而倾角越小瓦斯运移的途径越长，因此在其它条件大致相同的情况下，在同一开采深度上，煤层倾角越小，煤层所含瓦斯越大。 ④ 煤层围岩性质 围岩致密完整、不透气时，煤层瓦斯易于保存；反之，煤层瓦斯易于逸散。大同和抚顺两煤田瓦斯的对比可作为围岩性质对煤层瓦斯含量影响的典型例子。大同煤田煤的变质程度高（无烟煤），其成煤过程生成瓦斯量和煤的吸附能力均较抚顺煤田的煤层为大，但大同煤田的煤层瓦斯含量却远比抚顺煤田为小，这是因为大同煤田煤层的顶板由孔隙发育、透气良好的砂岩、砾岩和砂页岩组成，煤层中的瓦斯绝大部分已逸散；而抚顺煤田煤层的顶板则为厚达百米的致密的油母页岩和绿色页岩，大量瓦斯得以保存。 ⑤煤的变质程度 由表3-2可以看出，煤的变质程度越高，生成的瓦斯量越大，因此，在其它条件相同的条件下，煤的变质程度越高，煤层瓦斯含量就越大。在同一煤田，煤吸附瓦斯的能力随煤的变质程度的提高而增大，故在同一瓦斯压力和温度条件下，变质程度高的煤层往往能保存更多的瓦斯。但应指出，当由无烟煤向超级无烟煤过渡时，煤的吸附能力急剧减小，煤层瓦斯含量大为减低。 ⑥ 岩浆活动 岩浆活动对煤层瓦斯含量的影响较为复杂。在岩浆接触变质和热力变质的影响下，煤能够再一次生成瓦斯，并由于煤变质程度的提高而增大了吸附能力，因而岩浆活动影响区域煤层的瓦斯含量增大。但在无隔气层的情况下，由于岩浆的高温作用强化了煤层排放瓦斯，从而煤层瓦斯含量减小。故对不同煤田，岩浆活动对煤层瓦斯含量的影响可能是各不相同的。在北票煤田，火成岩侵入区域煤层瓦斯含量较大,且煤与瓦斯突出严重。 ⑦ 水文地质条件 尽管瓦斯在水中的溶解度仅1－4，但在地下水交换活跃地区，水却能从煤层中带走大量瓦斯，从而使煤层瓦斯含量明显减少。例如，南桐直属二井的突出煤层，在地下水活跃区域的煤层瓦斯含量很小，且无煤与瓦斯突出危险。 作业题 1 瓦斯是如何生成的，而煤内实际含有的瓦斯量是否等于生成量 2 怎样确定瓦斯风化带的深度确定瓦斯风化带深度有何实际意义 3 测定煤层瓦斯压力有何意义 4 影响煤层瓦斯含量的因素有哪些 第二章 矿井瓦斯涌出 2．l 煤层瓦斯流动的基本规律 1 煤层瓦斯流场的分类 煤层内瓦斯流动空间的范围称为流场。 1流场的流向分类 按空间内瓦斯流动方向来划分，基本上有三种单向流动、径向流动和球向流动。 ①单向流动 在x、y、z三维空间内，只有一个方向有流速，其它两个方向流速为零。例如薄及中厚煤层中的煤巷与回采工作面煤壁内的瓦斯流动就属于单向流动。 ②径向流场 在x、y、z三维空间内，在两个方向有分速度，第三个方向的分速度为零。例如石门、竖井、钻孔垂直穿透煤层时，在煤壁内的瓦斯流动就属于这一类；其等瓦斯压力线平行煤壁呈近似同心圆。 ③球向流场 在x、y、z三维空间内，在三个方向都有分速度。例如在厚煤层中煤巷的掘进工作面煤壁内、钻孔或石门进入煤层时以及采落的煤块从其中用出瓦斯的流动部属于这一类。 上述三种流场时典型的基本形式，实际井巷煤壁内的瓦斯流场是复杂的，是几种流场的综合。例如半煤岩巷道，在掘进工作面的迎头煤壁内近似于径向流场，而后部则为单向流场。 2.2 瓦斯涌出量及其主要影响因素 1）瓦斯涌出量概念 1 瓦斯涌出的定义 瓦斯涌出量是指在矿井建设和生产过程中从煤与岩石内涌出的瓦斯量。其表达方法 有两种 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。 式中 Qj－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，％。 相对瓦斯涌出量平均日产一吨煤同期所涌出的瓦斯量，单位是m3/t。 式中 qx－－相对瓦斯涌出量，m3/t；Qj－－绝对瓦斯涌出量，m3/d， Ad－－日产量，t/d。 瓦斯涌出量中除开采煤层涌出的瓦斯外，还有来自邻近层和围岩的瓦斯，所以相对瓦斯涌出量一般要比瓦斯含量大。 2 瓦斯涌出形式 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，对此，可以分为普通一般涌出与特殊异常涌出。普通涌出是在时间与空间上比较均匀、普遍发生的不间断涌出，它决定了矿井的瓦斯平衡与风量分配；特殊瓦斯涌出是在时间与空间上突然、集中发生，涌出量很不均匀的间断涌出，后者包括瓦斯喷出与煤和瓦斯突出。 瓦斯（CO2）喷出从煤体或岩体裂隙、孔洞或炮眼中大量瓦斯（CO2）异常涌出的现象。在20m巷道范围内，涌出瓦斯量≥1.0m3/min，且持续时间在8h以上时，该采掘区即定为瓦斯（CO）喷出危险区域。 3 影响矿井瓦斯涌出量的因素 整个矿井的瓦斯涌出量称为矿井瓦斯涌出量；对个别煤层、水平、采区或工作面而言，则分别称为煤层、水平、采区或工作面的瓦斯涌出量。瓦斯涌出量的大小主要取决于下列自然因素和开采技术因素。 ①煤层和围岩的瓦斯含量 煤层（包括可采层和邻近层）和围岩的瓦斯含量是瓦斯涌出量大小的决定因素，它们的瓦斯含量越高，矿井瓦斯涌出量就越大。当前矿井的瓦斯涌出量预测把煤层瓦斯含量作为主要依据。 ②开采深度 随着开采深度的增大，煤层的瓦斯含量将增大，因而矿井瓦斯涌出量也会相应地增大。 ③开采规模 开采规模是指开拓、开采范围以及矿井的产量而言。对某一矿井来说，开采规模越大，矿井的绝对瓦斯涌出量也就越大；但就矿井的相对瓦斯涌出量来说，情况比较复杂。如果矿井是靠改进采煤工艺，提高工作面单产来增大产量的，则相对瓦斯涌出量会有明显的减少，原因为第一，与采面无关的瓦斯源的瓦斯涌出量在产量提高时无明显增大；二是随着开采速度加快，邻近层及采落煤的残存瓦斯量将增大。如果矿井仅是靠扩大开采规模来增大产量的，则矿井相对瓦斯涌出量或增大或保持不变。 ④开采顺序与开采方法 在开采煤层群中的首采煤层时，由于其涌出的瓦斯不仅来源于开采层本身，而且还来源于上、下邻近层，因此，开采首采煤层时的瓦斯涌出量往往比开采其它各层时大好几倍。为了使矿井瓦斯涌出量不发生大的波动，在开采煤层群时，应搭配好首采煤层和其他各层的比例。 在厚煤层分层开采时，不同分层的瓦斯涌出量也有很大的差别。一般情况是，第一分层瓦斯涌出量最大，最后一个分层瓦斯涌出量最小。 采煤方法的回采率越低，瓦斯涌出量就越大，因为丢煤中所含瓦斯的绝大部分仍要涌入巷道。在开采煤层群时，由于采用陷落法管理顶板比采用填法管理顶板时能造成顶板更大范围的破坏与松动，因而采用陷落法管理顶板的工作面的瓦斯涌出量比采用充填法管理顶板的工作面的瓦斯涌出量大。 ⑤生产工艺 落煤时瓦斯涌出量增大风镐落煤时，瓦斯涌出量可增大1.1－1.3倍；放炮时增大1.4－2.0倍；采煤机工作时，增大1.4－1.6倍；水采工作面水枪开动时，增大2－4倍。 ⑥采空区的密闭质量 采空区密闭墙质量不好，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。 ⑦采区通风系统及风量变化采区通风系统对采空区内和回风流中瓦斯浓度分布有重要影响。 ⑧地面大气压力的变化 地面大气压力的变化，会引起井下空气压力的变化。根据测定，地面大气压力在一年内的变化量可达5～810－3MPa，一天内的最大变化量可达2～410－3MPa，但与煤层瓦斯压力相比，地面大气压的变化量是很微小的。地面大气压的变化对煤层暴露面的瓦斯涌出量没有多大影响，但对采空区瓦斯涌出有较大的影响。在生产规模较大，采空区瓦斯涌出量占很大比重的矿井，当气压突然下降时，采空区积存的瓦斯会更多地涌入风流中，使矿井瓦斯涌出量增大；当气压变大时，矿井瓦斯涌出量会明显减小。例如，峰峰局羊渠河矿当气压由0.09976MPa增至0.1013MPa时，矿井瓦斯涌出量由11.61m3/min降至8.06m3/min。 2.3 矿井瓦斯等级及鉴定 1）矿井瓦斯等级划分 规程第133条矿井瓦斯等级，根据矿井相对瓦斯涌出量、矿井绝对瓦斯涌出量和瓦斯涌出形式划分为 （1）低瓦斯矿井矿井相对瓦斯涌出量小于或等于10m3/t，且矿井绝对瓦斯涌出量小于或等于40m3/min。 （2）高瓦斯矿井矿井相对瓦斯涌出量大于10m3/t或矿井绝对瓦斯涌出量大于40 m3/min。 （3）煤（岩）与瓦斯（二氧化碳）突出矿井。 矿井在采掘过程中，只要发生过煤层定为突出煤层。 2）矿井瓦斯等级鉴定 新矿井没计前，地质勘探部门根据各煤层的瓦斯含量资料，预测矿井瓦斯等级，作为计算风量的依据。生产矿井每年必须进行矿井瓦斯等级的鉴定工作，同时还应进行矿井二氧化碳涌出量的测定，作为核定和调整风量的依据。 1 鉴定时间和基本条件 一般在七月或八月。在鉴定月的上、中、下旬中各取一天（间隔10天），分三个班（或四个班）进行测定工作。被鉴定的矿井、煤层、一翼、水平或采区的回采产量应达到该地区设计产量的60％。 2 测点选择和测定内容及要求 主要通风机的风硐、各水平、各煤层和各采区的回风道测风站内。如无测风站，可选取断面规整并无杂物堆积的－段平直巷道做测点。 测定内容为风量和风流中瓦斯浓度。 3矿井瓦斯等级的确定以瓦斯涌出量和有、无煤与瓦斯突出，按分级标准确定。 4工作班沼气涌出量的计算。各工作班沼气涌出量＝风量沼气浓度（单位m3／min。计算煤层、一翼、水平或采区的沼气或二氧化碳涌出量时，注意应扣去相应的进风 流中的沼气或二氧化碳量。计算结果应填表。 5鉴定报告表。鉴定结果填入矿井沼气等级鉴定报告表。在鉴定月的 上、中、下三旬进行测定的三天中，选取沼气涌出量最大的一天作为计算产煤一吨沼气涌出量的数据。 各矿务局应根据鉴定结果并结合产量水平、采掘比重、生产区域和地质构造等因素提出确定矿井沼气等级的意见，连同有关资料报省区煤炭局审批。 6报批的资料，应包括下列内容 ① 沼气和二氧化碳测定基础表； ② 矿井沼气等级鉴定报告表； ③ 矿井通风系统图，并标明鉴定工作的观测地点； ④ 煤尘爆炸指数表； ⑤ 上年度矿井内、外因火灾记录表； ⑥ 上年度沼气二氧化碳喷出、煤岩与沼气二氧化碳突出记录表； ⑦其它说明－－鉴定月生产是否正常和矿井沼气来源分析等资料。 7有关瓦斯喷出、煤和瓦斯突出矿井问题 煤与沼气突出矿井，在矿井沼气等级鉴定期间，也必须按矿井沼气等级和二氧化碳的鉴定工作内容进行测定工作。矿井在采掘过程中，只要发个过一次煤岩与二氧化碳突出，该矿井及定为煤岩与二氧化碳突出矿井。 矿井内发生了沼气或二氧化碳喷出的地点，在其影响范围内应按防治喷出的有关规定管理。在下一年度矿井沼气等级鉴定时，该地点的沼气或二氧化碳喷出现象已经消失，该地点可以不再按防治喷出的有关规定管理。 在矿井沼气等级鉴定的同时，还必须测定矿井和各地区二氧化碳涌出情况，并填表。 8 基本建设矿井 在矿井沼气等级鉴定期间，正在建设的矿井也应进行沼气涌出量的测定。如果测定结果，特别是在揭开煤层后实际沼气涌出量超出原设计确定的矿井沼气等级时，应做出修改矿井招气等级的专门报告，报原设计审批单位批准。 2.4 矿井瓦斯涌出量预测 1 矿井瓦斯涌出量预测的目的与任务 矿井瓦斯涌出量预测的任务是确定新矿井、新水平、新采区、新工作面投产前瓦斯涌出量的大小，为矿井、采区和工作面通风提供瓦斯涌出方面的基础数据，它是矿井通风设计、瓦斯抽放和瓦斯管理必不可少的基础参数。 2 矿井瓦斯涌出量预测方法分类 现有矿井瓦斯涌出量预测方法可概括为两大类矿山统计法和分源预测法。 2.4.1 矿山统计法 矿山统计法的实质是根据对本矿井或邻近矿井实际瓦斯涌出量资料的统计分析，得出矿井瓦斯涌出量随开采深度变化的规律，来推算新井或延深水平的瓦斯涌出量。 该方法适用于以下几种情况生产矿井的延深水平，生产矿井开采水平的新区，与生产矿井邻近的新矿井。在应用中，必须保证预测区的开采技术条件（煤层开采顺序、采煤方法、顶板管理等）和地质条件（地质构造、煤层赋存条件、煤质等）与生产区相同或类似。应用统计预测法时的外推范围一般沿垂深不超过100－200m，沿煤层倾斜方向不超过600m。 1基本公式 煤矿开采实践表明，在一定深度范围内，矿井相对瓦斯涌出量与开采深度呈如下线性关系 1 式中 q－－矿井相对瓦斯涌出量，m3/t； H－－开采深度，m； H0－－瓦斯风化带深度，m； a－－开采深度与相对瓦斯涌出量的比例常数，t/m2。 瓦斯风化带即为相对瓦斯涌出量为2m3/t时的开采深度。开采深度与相对瓦斯涌出量的比例常数a是指在瓦斯风化带以下、相对瓦斯涌出量每增加1m3/t时的开采下延深度。H0和a值根据统计资料确定，因此，至少要有瓦斯风化带以下两个水平的实际相对瓦斯涌出量资料。有了这些资料后，可按下式计算a值 2 式中 H1、H2－－分别为瓦斯带内1和2水平的开采垂深，m； q1、q2－－分别为在H1和H2深度开采时的相对瓦斯涌出量，m3/t。 a值确定后，瓦斯风化带深度可由下式求得 3 瓦斯风化带深度也可以根据地勘阶段实测的煤层瓦斯成份来确定。 a值的大小取决于煤层倾角、煤层和围岩的透气性等因素。当有较多水平的相对瓦斯涌出量资料时，可用图解法或最小二乘法按下式确定平均的a值 4 式中 Hi、qi－－第I个水平的开采深度和相对瓦斯涌出量，m、m3/t； n－－统计的开采水平个数。 对于某些矿井而言，相对瓦斯涌出量与开采深度之间并不呈线性关系，即a值不是常数，此时，应首先根据实际资料确定a值随开采深度的变化规律，然后才能进行深部区域瓦斯预测。 2生产水平矿井瓦斯涌出量和平均开采深度的确定 应用矿山统计法预测矿井瓦斯涌出量，必需首先知道至少两个开采水平的瓦斯涌出量资料。在统计确定某一水平矿井瓦斯涌出量时，瓦斯日报、通风旬报、矿井瓦斯等级鉴定以及专门进行的瓦斯涌出量测定资料均可加以利用；此外，还应掌握在统计期间的矿井开采的地质情况。对全矿井而言，可以统计某一生产时期的绝对瓦斯涌出量和采煤量，并用加权平均方法求出该时期的平均开采深度和平均相对瓦斯涌出量。 确定全矿井相对瓦斯涌出量时，可采用矿井总回风的瓦斯鉴定资料。根据鉴定月份井下各采区的煤炭产量和采深，按下式计算鉴定月份全矿井的加权平均开采深度 5 式中 Hc－－全矿井加权平均开采深度，m； Hi、Ai－－鉴定月份第I采区的采深和产量，m、t。 根据历年的矿井相对瓦斯涌出量和加权平均深度，可用图解法或计算法找出相对瓦斯涌出量与采深间的关系。 2.4.2 分源预测法 1分源预测法的基本原理 含瓦斯煤层在开采时，受采掘作业的影响，煤层及围岩中的瓦斯赋存平衡状态即遭到破坏，破坏区内煤层、围岩中的瓦斯将涌入井下巷道。 井下涌出瓦斯的地点即为瓦斯涌出源。瓦斯涌出源的多少、各涌出源涌出瓦斯量的大小直接决定着矿井瓦斯涌出量的大小。根据抚顺分院的研究，矿井瓦斯涌出的源、汇关系如图2-1所示。 应用分源预测法预测矿井瓦斯涌出量，是以煤层瓦斯含量、煤层开采技术条件为基础，根据各基本瓦斯涌出源的瓦斯涌出规律，计算回采工作面、掘进工作面、采区及矿井瓦斯涌出量。 汇矿井瓦斯涌出 生产采区瓦斯涌出 源已采采区采空区瓦斯涌出 回采工作面瓦斯涌出 源开采层瓦斯涌出 源生产采区采空区瓦斯涌出 掘进工作面瓦斯涌出 源邻近层瓦斯涌出出 源煤壁瓦斯涌出 源落煤瓦斯涌出 图2-1 矿井瓦斯涌出源、汇关系 2 预测所需的原始资料 应用分源预测法预测瓦斯涌出量时，需要准备如下的原始资料 （1）各煤层瓦斯含量测定资料、瓦斯风化带深度以及瓦斯含量等值线图； （2）地层剖面和柱状图，图上应标明各煤层和煤夹层的厚度、层间距离和岩性； （3）煤的工业分析指标（灰分、水分、挥发分和密度）和煤质牌号； （4）开拓和开采系统图，应有煤层开采顺序、采煤方法、通风方式等。 3 计算方法 1开采煤层（包括围岩）瓦斯涌出量 ①薄及中厚煤层不分层开采时按下式计算 （1） 式中 q1－－开采煤层（包括围岩）相对瓦斯涌出量，m3/t； k1－－围岩瓦斯涌出系数。其值取决于回采工作面顶板管理方法； k2－－工作面丢煤瓦斯涌出系数，其值为工作面回采率的倒数； k3－－准备巷道预排瓦斯对工作面煤体瓦斯涌出影响系数； m0－－煤层厚度（夹矸层按层厚1/2计算），m； X0－－煤层原始瓦斯含量，m3/t； X1－－煤的残存瓦斯含量，m3/t，与煤质和原始瓦斯含量有关，需实测；如无实测数据，可参考表3-4取值。 表3-4 运至地表时煤在残存瓦斯含量 煤的挥发份含量Vdaf（） 6－8 8－12 12－8 18－26 26－35 35－42 42－50 纯煤残存瓦斯含量X1’（m3/t） 9－6 6－4 4－3 3－2 2 2 2 采用长壁后退式回采时，系数k3按下式确定 （2） 式中 L－－回采工作面长度，m； h－－巷道瓦斯预排等值宽度，m；不同透气性的煤层其值可能不同，需实测；无实测值时，其值可按表3-5参考选取。 表3-5 巷道预排瓦斯等值宽度h 巷道煤壁暴露时间（d） 不同煤种巷道预排瓦斯等值宽度（m） 无烟煤 瘦 煤 焦 煤 肥 煤 气 煤 长焰煤 25 6.5 9.0 9.0 11.5 11.5 11.5 50 7.4 10.5 10.5 13.0 13.0 13.0 100 9.0 12.4 12.4 16.0 16.0 16.0 160 10.5 14.2 14.2 18.0 18.0 18.0 200 11.0 15.4 15.4 19.7 19.7 19.7 250 12.0 16.9 16.9 21.5 21.5 21.5 300 13.0 18.0 18.0 23.0 23.0 23.0 采用长壁前进式方法回采时，如上部相邻工作面已采，则k31；如上部相邻工作面未采，则可按下式计算k3值 （3） 式中 b－－巷道宽度，m。 表3-4中残存瓦斯含量的单位为每一吨煤（即无灰干燥煤）的瓦斯体积，在应用式（1）时，应按下式换算为原煤残存瓦斯含量 （4） 式中 X′1－－表3-4中查出的纯煤残存瓦斯含量，m3/t; Aad－－原煤中灰份含量，； Mad－－原煤中水份含量，。 ②厚煤层分层开采时按下式计算 （5） 式中 kfi－－取决于煤层分层数量和顺序的分层开采瓦斯涌出系数，kfi可按下表选取。 表3-6 厚煤层分层开采瓦斯涌出系数kf 两分层开采 三分层开采 kf1 kf2 kf1 kf2 kf3 1.504 0.496 1.820 0.692 0.488 （2）邻近层瓦斯涌出量 （6） 式中 q2－－邻近层相对瓦斯涌出量，m3/t mi－－第i个邻近层厚度，m; m1－－开采层的开采厚度，m; X0i－－第i邻近层
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