1、综采工作面的瓦斯涌出规律及瓦斯涌出量的预测摘要：瓦斯是危害矿井安全生产的重要因素之一。瓦斯灾害是煤矿中最严重的灾害之一。采场范围内涌出瓦斯的地点称为瓦斯源，瓦斯涌出源的多少，各源涌出瓦斯量的大小直接影响着采场的瓦斯涌出量。瓦斯灾害治理的好坏已成为矿井特别是高瓦斯矿井兴衰存亡的关键因素之一。本文较系统的论述了煤层瓦斯的赋存状态与煤对瓦斯的吸附作用以及煤层瓦斯运移的基本规律。通过对综采工作面的采煤特点分析，确定了综采工作面瓦斯涌出的四个来源:煤壁(围岩)瓦斯涌出、落煤瓦斯涌出、采空区(残煤)瓦斯涌出及上下邻近层(未采分层)瓦斯涌出。本文通过资料的收集、整理和分析，总结了综采工作面瓦斯浓度分布、采空
2、区瓦斯流动及其浓度分布规律。本文结合综采工作面各瓦斯涌出源的涌出特征，运用瓦斯在煤层中作单向流动和球向流动的基本理论体系及其计算方法，推导出了综采工作面煤壁和采落煤的瓦斯涌出规律，并通过实测数据对其进行了分析验证。本文通过对现有回采工作面瓦斯涌出量预测计算方法存在问题的分析总结，以煤层瓦斯流动理论为基础，根据瓦斯涌出规律结合综合采煤机的采煤特点，分别对各瓦斯涌出源的瓦斯涌出量进行预测，进而建立了一种适应性范围广且准确率高的综采工作面瓦斯涌出量预测模型，并给出了该预测方法所需基础参数的测定方法。关键词：综采工作面，涌出规律，涌出量，预测0 引言瓦斯是危害矿井安全生产的重要因素之一。瓦斯灾害是煤矿
3、中最严重的灾害之一。瓦斯对矿井安全的威胁主要有爆炸、突出、窒息等三种形式，其中瓦斯煤尘爆炸和煤与瓦斯突出给煤炭矿山企业带来的危害极大，它严重威胁着井下人员的生命和矿井设施的安全，并迫使矿井停产，投入大量的人力物力进行抢险救灾。瓦斯爆炸不仅造成大量人员伤亡，而且严重摧毁井巷设施、中断生产，有时还会引起煤尘爆炸、矿井火灾、井巷垮塌等二次灾害。井下一次死亡人数多的重大事故主要是瓦斯爆炸事故和瓦斯突出事故。据有关部门统计，中国的煤矿事故百万吨死亡率是美国的100倍、南非的30倍。从2001年到2005年，全国煤矿共发生一次死亡10人以上的特大事故188起，平均.74天一起;其中一次死亡30人以上的特别
4、重大事故28起，平均50天一起，平均一星期死亡10人。近年来，随着采矿技术装备的飞跃发展，我国涌现出了一大批以综合机械化采煤为特征的高产高效集约化矿井。集约化生产是我国煤炭生产方式的一大飞跃，具有高产高效、成本低、经济效益显著的特点。但由于开采强度大、生产集中、推进速度快，造成采面瓦斯涌出集中、涌出不均衡等特点，对安全生产构成了极大威胁，严重制约了高产高效工作面优势的发挥。在我国拥有高产高效工作面的51个矿井中，有17个属于高瓦斯或煤与瓦斯突出矿井，占总数的33%，有68%的高产高效工作面存在严重或较严重的瓦斯超限问题，在瓦斯含量仅为5一sm/st的低瓦斯矿井，高产高效工作面由于瓦斯超限而影响
5、生产的时间约为正常时间的1/8一1/12，而在高瓦斯矿井或突出矿井，则高达1/3一1/4。重大恶性瓦斯事故在我国也连续不断的出现，给煤矿安全生产造成极大危害。为防治瓦斯灾害事故，原煤炭工业部每年投入安全技术措施费用近1亿元(大部分用于防治瓦斯灾害)，矿井进入成本的瓦斯灾害防治费用平均达到每吨10元，有的矿井高达30元。粗略估算，从各种途径投入瓦斯灾害的防治费用每年高达20亿元以上，给煤矿生产带来沉重的经济负担。瓦斯灾害的威胁极大地限制了矿井生产能力的发挥，采掘工作面因难以将瓦斯浓度控制在安全限度以内而不得不减慢采、掘速度，因消除煤层的突出危险性而不得不占用更多的采掘时间去强化消除突出的防突措施
6、，使许多矿井的生产能力不得不一减再减，浪费了大量的生产投资，高产高效的采、掘、运机械化装备难以发挥效能，劳动生产率水平低下。据有关资料统计，现有130个国有重点突出矿井，年设计平均生产能力为.093Mt，核定生产能力为0.06Mt，是突出矿井生产能力的两倍多，由于矿井生产能力的下降，产出减少，矿井经济效益显著降低。由于矿井安全生产受到威胁，矿井经济负担重，效益差，致使矿井人员稳定困难，科技开发能力减弱，不少高瓦斯突出矿井步入恶性循环，最终导致矿井关闭。因此，在当前市场经济条件下，瓦斯灾害治理的好坏已成为矿井特别是高瓦斯矿井兴衰存亡的关键因素之一，而对瓦斯涌出量的预测是瓦斯防治技术中的主要方面之
7、一。长期的生产实践亦证明，矿井瓦斯预测是瓦斯防治不可缺少的重要技术环节。由于综合机械化采煤强度大、速度快，瓦斯涌出独具特征，我国现有的矿井瓦斯涌出量预测技术己不能满足综采工作面瓦斯防治对预测精度的要求，为此进行了“综采工作面瓦斯预测技术的研究”的技术攻关，根据瓦斯流动理论和综采机的采煤特点，建立适应性范围广且准确率高的综采工作面瓦斯涌出量预测模型，这对于指导生产和制定行之有效的瓦斯治理措施、防止恶性瓦斯事故的发生、充分发挥综合机械化采煤的优势具有重大的经济、社会效益和深远的现实意义。这也是本论文选题的最终目的所在。1 煤层瓦斯赋存及其流动理论1.1 煤层瓦斯的赋存煤体中赋存瓦斯的多少不仅对煤层
8、瓦斯含量大小有影响，而且还直接影响到煤层中瓦斯流动及其发生灾害的危险的大小;因此，研究煤层中瓦斯的赋存状况是矿井瓦斯研究中的重要一环，也是基于瓦斯含量的瓦斯含量预测法预测矿井瓦斯涌出量的理论基础。1.1.1煤中瓦斯的赋存状态煤中瓦斯的赋存状态一般有吸附状态和游离状态2种。固体表面的吸附作用可以分为物理吸附和化学吸附2种类型，煤对瓦斯的吸附作用是物理吸附，是瓦斯分子和碳分子间相互吸引的结果。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，通常吸附瓦斯量占80%90%，游离瓦斯量占10%一20%;在
9、吸附瓦斯量中又以煤体表面吸着的瓦斯量占多数。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平衡状态，吸附状态的瓦斯分子和游离状态的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、影响了分子的能量时，则会破坏其动平衡，而产生新的平衡状态。因此，我们认为，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，在突出过程的较短时间内，游离瓦斯会首先释放，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
10、仅有吸附(固态)和游离（气态）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（固态)和游离(气态)瓦斯所占的比例在85%以上，在正常情况下，整体所表现出来的特征仍是吸附和游离状态的瓦斯特征;所以，其传统的观点并没有矛盾，只是分析测试更加深入而己。1.1.2煤的吸附理论煤是一种包含微孔和大孔系统的双重孔隙介质，煤体吸附瓦斯是煤的一种自然属性。微孔存在于煤基质部分，大孔系统由包围煤基质被称为割理系统的天然裂隙网络组成。煤中有两种割理，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层面。煤具有极其发育的微孔隙，有很大的比表面积，煤的天然孔隙率和裂隙率是煤的一个主要特征，它
11、决定了煤的吸附容积和煤的储存性能。一、吸附理论瓦斯以吸附形式存储在煤中，其吸附量与多种因素有关，由于其复杂性，故存在不同的瓦斯吸附理论。1）单分子层吸附理论(Lnagmuir)等温吸附方程，该方程描述的是I型吸附等温线，它是目前广泛应用于瓦斯吸附的状态方程，其表达式为： （1-1）式中：V吸附量，cm3； pLLnagmuir压力，Pa； p压力，Pa； VLLnagmuir体积，cm3。2）Freundlieh方程，等温吸附的表达式为： （1-2）式中a，n为常数。该方程由于形式简单，使用方便，而得到较多的应用，但方程系纯经验方程，没有明确的物理意义。3）Polomyi吸附势理论，认为在固体
12、吸附表面附近存在一个位势场，邻近的气体分子在场的作用下发生吸附。吸附势场的作用力大的足以在吸附剂表面形成许多吸附层，吸附层处于受压状态，内层受压最大，第二层次之；相应地密度依次减小，直至下降到与周围气体密度相同。Polomyi吸附理论利用物理吸附的假说对极不均匀内表面的吸附给出了定量的描述，但没有给出表达吸附等温线的方程式。1.1.3影响煤层瓦斯含量的主要因素矿井中的煤体从植物遗体到无烟煤的变质过程中，每吨煤至少可生成100m3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50m3/t。其原因则在于:一方面是因为煤层本身含瓦斯的能力所限，另一方面则是由于瓦斯是以压力气体存在于煤层中
13、，经过漫长的地质年代，放散了大部分，而目前储存在煤体中的瓦斯仅是剩余的瓦斯量。因此，从某种意义上讲，煤层瓦斯含量的多少主要取决于保存瓦斯的条件，而不是生成瓦斯量的多少;也就是说不仅取决于煤的变质程度，而更主要的是取决于储存瓦斯的地质条件。根据目前的研究成果认为，影响煤层瓦斯含量的主要因素有：一、煤层的埋藏深度众所周知，埋深的增加不仅会因地应力增高而使煤层及围岩的透气性变差，而且瓦斯向地表运移的距离也增长，这二者都有利于封存瓦斯。根据近年来国内外有关学者的研究表明，当深度不太大时，煤层瓦斯含量随埋深基本上成线性规律增加，当深度达到一定值后，煤层瓦斯含量将趋于常量，并有可能会下降。例如，焦作煤田，
14、煤层瓦斯含量在不受断层与地质构造影响的地段，可用式X=6.58+0.038H(m3/t)表示(相关系数=r.096，埋深Hl50m(瓦斯风化带深)。原苏联的一些矿区实测瓦斯含量与深度之间的关系证实了上述分析。英国采矿研究院从地面打钻，用直接法测量结果表明，在典型地层中，煤层瓦斯含量随埋深增大而有规律增加；一般情况下，深度每增加100m，煤层甲烷含量可增加0.51.lm3/t。二、煤层和围岩的透气性目前认为，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。一般情况下，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，煤层的瓦斯含量就大。例如四川重庆、贵州六枝、湖
15、南涟邵等地区，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、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。三、煤层倾角目前认为，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陡(4080)，相对瓦斯涌出量约20m3/t，无瓦斯突出现象；反之，南翼煤层倾角缓(612)，
16、相对瓦斯涌出量则高达150m3/t，而且还有瓦斯突出现象。发生这种现象的原因主要在于，煤层渗透性一般大于围岩，煤层倾角越小，在顶板岩性密封好的条件下，瓦斯越不容易通过煤层排放，煤体中产生的瓦斯容易得到贮存；故而煤层的瓦斯含量高，瓦斯涌出量大。四、煤层露头煤层露头是瓦斯向地面排放的出口，因此，毫无疑问，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，故面瓦斯含量往往较低。反之，地表无露头的煤层，瓦斯含量往往较高，例如四川中梁山煤田，煤层无露头，而且为覆舟(背斜)状构造.所以煤层瓦斯含量大。五、地质构造众所周知，地质构造是影响煤层瓦斯存贮的最重要的条件之一。目前一般认为，封闭型地质构造有利于封存瓦斯，
