第4章-矿井瓦斯涌出(参考)

第4章矿井瓦斯涌出包括：普通涌出和特殊涌出§4-1煤层瓦斯流动的基本规律一、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。流场内瓦斯呈现流动。有一定的：流向、流速、、。1、按流场的流向分类A）单向流动（一维）：在x、y、z三维空间中，只有一向有流速。如:薄及中厚煤层掘进面,采煤工作面煤壁。dldPdldC瓦斯流向瓦斯流向等压瓦斯线等压瓦斯线B）径向流场在x、y、z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。等压瓦斯线平行煤壁近似同心圆形。瓦斯流场等压瓦斯线C）球向流场在x、y、z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。2、流场稳定性分类----按流场在时间上有无变化稳定流场----流场内任何一点的流速、流向、瓦斯压力均不随时间变化。非稳定流场----反之。二、煤层瓦斯流动的基本定律两类：扩散、渗流1、瓦斯扩散运动瓦斯在小孔（＜1μm）与微孔（＜0.1μm）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。dtdldcDdmdldc2、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。3、瓦斯渗透运动瓦斯在中孔（＞1μm）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，Re＜1~10。紊流，惯性力为主rrXrXDtX222①线性层流渗透定律----Darcy定律表述式式中：K----煤层的渗透率，m2；μ----流体的绝对粘度，Pa.S;----流体的压力梯度，Pa/m。Darecy定律适应范围讨论：a)低Re区，Re＜1~10，为线性流，符合Darecy定律；b)中Re区，Re=10~100，非线性渗流，不符合Darecy定律；c）高Re区，Re＞100，紊流区。大多数情况下，煤层的瓦斯流动表现为服从Darecy定律。lPKVlPVlPRe=10②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。③渗透微分方程由Darcy定律和质量守恒定律，可推导得：mndldPaVdldP4/324)()(PPPPtP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（λ）利用等温气体状态方程（pv=p0v0）对Darecy表达式进行变换得：lPKVdldPdldppkdlPdKV202即：物理意义：断面为1m3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：λ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。02pk煤层瓦斯透气性系数，m2/MPa2.dMpa/mQ=1m3/dS=1m2be04、煤层透气性系数的测定(自学)（1）中矿法----钻孔流量法（2）马可尼法----压力恢复法。§4.2煤层瓦斯涌出量及主要影响因素一、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A）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=Q×C/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，％。B）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。（2）相对涌出量的单位：m3/t，过去采用：m3/(t.d)是不正确的。3、瓦斯涌出强度----比瓦斯涌出量----单位时间（minord），单位暴露面积（cm2orm2）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）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。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（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。掘进巷道tG工作面采落煤炭巷道壁面（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（6~9min），瓦斯涌出迅速增长（5~20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。tQCH4机掘tQCH4炮掘2、排瓦斯带深度tG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。tG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。ntkq)1(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----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。)(4105.014xxbMVtMVCQCH暴露面采落煤炭瓦斯涌出特性系数的测定直接从掘进巷道中测得。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。①②③)(421,4,4ttMVC②Q①QCHCH)(432,4,4ttMVCQQ③CH②CH三、回采工作面瓦斯涌出1、瓦斯涌出来源①本开采煤层：煤壁、采空区、采落煤炭；②厚煤层未采分层；③采动影响邻近层；④围岩。2、时空不均匀性A）落煤、放煤时与平均瓦斯涌出相比。水采：2~4倍；炮采：1.4~2.0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。12C/%D）沿走向方向瓦斯浓度分布4、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X/mC/%有采空区瓦斯涌出X/mC/%无采空区瓦斯涌出min/6024)()(310mllmvxxQhblhl21B）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：6024)()1(01hbtbllmVeXQ)1(000'0btbteXeXXXXXbteXX0'nttXX)1(2'0'nbtntteXtXXXX)1(1))1(1('202'0'016024)()1(1202hnbtbllmVteXQ21bbbQQQ（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;ηi----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，与工作面推进速度有关。niiiiclmmXlVaVQ130min/6024（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。5、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。ltbQCQQtQ/m3/minQaQmax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量之比。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；6、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。（一）自然因素1、煤层和围岩的瓦斯含量它是决定瓦斯涌出量多少的最重要因素。一般地，煤层的瓦斯含量越高，开采时的瓦斯涌出量也越大。Exp：焦作中马村矿,淮南谢二矿C13煤，2、地面大气压变化。对回采工作面采空区和老空区、塌陷区、冒顶区瓦斯涌出有明显影响。美国：1910~1960，1/2的爆炸发生在气压急剧变化时期。XqCH4XqCH)76.1~22.1(4XqCH)73.1~58.1(4（二）开采技术因素1、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。A、在甲烷带内，随着开采深度的增加，相对瓦斯涌出量增大。B、开拓与开采的范围越广，煤岩的暴露面就越大，因此，矿井瓦斯涌出量也就越大。C、矿井产量与矿井瓦斯涌出量间的关系比较复杂，达产前、达产后及产量收缩期。2、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；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。3、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。所以落煤时瓦斯涌出量总是大于其它工序。4、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减少采区风量增大采区风量减少5、采区通风系统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。全部进入进回皆煤部分进入进回皆空小部分进入进煤回空大全部进入进空回煤6、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60～70%），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