矿井瓦斯涌出及瓦斯喷出

1第三讲矿井瓦斯涌出及瓦斯喷出内容提要一、煤层瓦斯流动基本规律二、瓦斯涌出量及其主要影响因素三、矿井瓦斯等级及其鉴定四、瓦斯涌出防治五、瓦斯喷出的分类及其特点六、瓦斯喷出的危害七、瓦斯喷出的防治3一、煤层瓦斯流动基本规律煤的结构：孔隙-裂隙系统连通裂隙：瓦斯运移主要通道非连通孔隙：瓦斯扩散主要通道煤层受地应力的作用，孔隙-裂隙系统尺寸和闭合程度会受到影响，透气性发生较大的变化。4一、煤层瓦斯流动基本规律1.煤层瓦斯流场分类煤层内瓦斯流动空间的范围称为流场。在流场内，瓦斯呈现流动状态，具有流向、流速与瓦斯压力梯度或浓度梯度。按空间瓦斯流动方向变化流场分类按流场在时间上的变化单向流动径向流动球向流动稳定流动非稳定流动5一、煤层瓦斯流动基本规律1.煤层瓦斯流场分类（1）单向流动在x、y、z三维空间内，只有一个力向有流速，其它两个方向流速为零。例如薄及中厚煤层中的煤巷与回来工作面煤壁内的瓦斯流动就属于单向流动。*厚煤层当巷道不能揭露整个煤厚时，在垂直方向上流速不为零，不是单向流动。6一、煤层瓦斯流动基本规律1.煤层瓦斯流场分类（2）径向流动在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形。7一、煤层瓦斯流动基本规律1.煤层瓦斯流场分类（3）球向流动在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涌出瓦斯的流动。8一、煤层瓦斯流动基本规律1.煤层瓦斯流场分类（4）非稳定流动稳定流场中任何一点的流速、流向和瓦斯压力不随时间而变化。例如经过长期排放(150天)的煤壁趋于稳定流场。（5）稳定流动非稳定流场中任何一点的流速、流向和瓦斯压力都随时间而变化。如煤层暴露初期的瓦斯流场都是非稳定流场。9一、煤层瓦斯流动基本规律2.瓦斯扩散运动及菲克定律（FickLaw）瓦斯在孔隙-裂隙系统内的运移可分为两类，一类是扩散运动，遵守菲克定律（Ficklaw），另一类是渗透运动，遵守达西定律（Dacylaw）。瓦斯在小孔(＜1μm)与微孔(＜0.1μm)内的运移主要为扩散运动，即瓦斯分子在其浓度(或密度)梯度的作用下由高浓度向低浓度方向运移。可用菲克(Fick)定律来描述。式中：dm——微单元上的瓦斯扩散量，m3/m2；dc/dl——瓦斯浓度梯度或密度梯度，（m3/m3）/m;D——扩散系数，m2/s。tlcDdmddd描述气体扩散现象的宏观规律，这是生理学家菲克（Fick）于1855年发现的。包括两个内容：（1）在单位时间内通过垂直于扩散方向的单位截面积的扩散物质流量（称为扩散通量Diffusionflux，用J表示）与该截面处的浓度梯度(Concentrationgradient)成正比，也就是说，浓度梯度越大，扩散通量越大。这就是菲克第一定律。（2）在非稳态扩散过程中，在距离x处，浓度随时间的变化率等于该处的扩散通量随距离变化率的负值。这是菲克第二定律，10一、煤层瓦斯流动基本规律3.瓦斯渗流运动及达西定律（DacyLaw）圆筒横断面积为A，其中充填均匀的砂粒，砂层厚度为l，由金属网支托。水由稳压水箱经水管A流入圆筒中，再经砂层渗滤后由出水管B流出。其流量由量筒C量测，在砂层上下两端装测压管以量测渗流的水头损失。在1856年，达西利用左图装置，通过了大量的试验研究，得到圆筒内的渗流量Q与圆筒横断面积A和水力坡度J成正比，并和沙粒的透水性能有关。达西总结得出渗流能量损失与渗流速度之间的关系：Q=kAJ11瓦斯在小孔(1μm)以上的孔隙或裂隙内的运移，可能有两种形式：层流与紊流，层流又分为线性渗透层流与非线性渗透层流，各服从不同的规律。一、煤层瓦斯流动基本规律3.瓦斯渗流运动及达西定律（DacyLaw）低雷诺区（Re1~10）线性层流：粘滞力占优势，符合达西定律。中雷诺区（Re：10~100）高雷诺区（Re100）非线性层流：服从非线性渗流定律。紊流：惯性力占优势。12瓦斯在小孔(1μm)以上的孔隙或裂隙内流动的雷诺数Re1~10时，此时为线性层流，符合达西定律。式中：V——渗流流速，m/s；K——煤层渗流率，m2（达西，1达西=9.869×10-13m2）；μ——流体的绝对粘度，Pa·s；——瓦斯压力梯度，Pa/m。一、煤层瓦斯流动基本规律lpKV3.瓦斯渗流运动及达西定律（DacyLaw）lp/Dacy定律与孔隙特征和流体性质无关。是从不可压缩流体的均匀多孔介质中的一维流动中导出的。13瓦斯在小孔(1μm)以上的孔隙或裂隙内流动的雷诺数Re1~10时，此时为非线性层流，符合：式中：Vn——无因次流速；a——煤的瓦斯渗透性常数；m——指数，不同的矿井m值不同；——无因次瓦斯压力梯度。一、煤层瓦斯流动基本规律mnlpaVdd4.非线性渗流定律lpd/d14根据达西定律和质量守恒定律，瓦斯在煤层孔隙裂隙系统中进行单向非稳定线性渗透流动时：式中：x——煤层瓦斯含量，m3/m3；λ——煤层透气性系数，m2/(MPa2·d)；P——瓦斯压力的平方，P=p2，MPa2；l——单向流体长度，m。一、煤层瓦斯流动基本规律22lPtx5.单向非稳定渗流微分方程15煤层透气系数是煤层瓦斯流动难易程度的标志。式中：Vn——换算成标准状况下的流速，m/d；λ——煤层透气性系数，m2/(MPa2·d)。透气性系数的物理意义：在1m3煤体的两侧，瓦斯压力平方差为1MPa2时，通过1m长度的煤体，在1m2煤面上每日流过的瓦斯量(t℃，标准大气压力下)。单位换算1m2/(MPa2·d)=2.5x1017m2=0.025毫达西一、煤层瓦斯流动基本规律lPlPpKlpKppvppVlpKVVppVnnnnnndd-dd2dddd226.煤层的透气性系数16煤的孔隙-裂隙系统对地应力的作用非常数感，当压应力增高时，煤的透气系数下降；反之压应力减少(卸压)时，煤的透气系数则增加。一、煤层瓦斯流动基本规律6.煤层的透气性系数be0σ——加载应力，MPa；b——系数。17一、煤层瓦斯流动基本规律7.煤层的透气性系数测定方法概述目前煤层透气性系数的现场测定方法主要有：前苏联学者提出的雅罗伏依法、克里切夫斯基流量法和压力法、马可尼压力法以及钻孔流量法。中国矿业大学周世宁教授在总结已有煤层透气性系数测定方法的基础上，根据煤层瓦斯径向不稳定流量理论，提出了新的煤层透气性系数测定方法--周世宁法。18内容提要一、煤层瓦斯流动基本规律二、瓦斯涌出量及其主要影响因素三、矿井瓦斯等级及其鉴定四、瓦斯涌出防治五、瓦斯喷出的分类及其特点六、瓦斯喷出的危害七、瓦斯喷出的防治19（1）瓦斯涌出量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中涌出的瓦斯量。绝对瓦斯涌出量——在单位时间内涌出的瓦斯量，单位为m3/min或m3/d；相对瓦斯涌出量——平均日产一吨煤所涌出的瓦斯量，单位是(m3/t)。二、瓦斯涌出量及其主要影响因素1.瓦斯涌出量的概念AQqCHCH44*1440式中：qCH4——相对瓦斯涌出量，m3/t；QCH4——绝对瓦斯涌出量，m3/min；A——日产煤量，t。20（2）瓦斯涌出量的形式指瓦斯涌出在时间上与空间上的分布形式。普通涌出——在时间和空间上均匀、不间断涌出。如：煤壁瓦斯涌出、采空区不间断瓦斯涌出等。特殊涌出——不均匀间断涌出。包括老顶来压时采空区瓦斯突然涌出、落煤、片帮时的瓦斯突然涌出以及瓦斯喷出、瓦斯突出等。二、瓦斯涌出量及其主要影响因素1.瓦斯涌出量的概念21构成包括三部分：煤壁、迎头煤壁和采落煤的瓦斯涌出。煤壁——掘成并已支护的巷道煤壁瓦斯涌出，均匀涌出并逐渐衰减。迎头煤壁——掘进新暴露出来的煤壁，初始瓦斯涌出量大。采落煤——落煤时煤体破碎，煤中瓦斯迅速大量释放，随后在装运过程中逐渐释放。二、瓦斯涌出量及其主要影响因素2.掘进巷道的瓦斯涌出22变化特点：由于掘进落煤、运煤、支护、打眼放炮（炮掘）的等作业是循环进行的，因此瓦斯涌出就表现出周期性的波动涌出。放炮及炮后1~2h涌出量最大，随后趋于正常。二、瓦斯涌出量及其主要影响因素2.掘进巷道的瓦斯涌出23瓦斯积聚层：由于瓦斯比空气轻，具有上浮的特点，加之顶煤瓦斯涌出，当顶板不平滑且风量不足时，巷道顶部可能形成高浓度瓦斯的层状积聚。二、瓦斯涌出量及其主要影响因素3.巷道瓦斯积聚层V=0.5m/sQCH4=5.6L/s0m15m30m40%30%20%19%5%1%24瓦斯积聚层：由于瓦斯比空气轻，具有上浮的特点，加之顶煤瓦斯涌出，当顶板不平滑且风量不足时，巷道顶部可能形成高浓度瓦斯的层状积聚。二、瓦斯涌出量及其主要影响因素3.巷道瓦斯积聚层V=0.5m/sQCH4=5.6L/s0m15m30m40%30%20%19%5%1%5%1%0.5%0.2%V=2.2m/s25回采工作面瓦斯涌出构成：本煤层、邻近层、采空区的瓦斯。二、瓦斯涌出量及其主要影响因素4.回采工作面的瓦斯涌出26（1）自然因素①煤层和围岩的瓦斯含量二、瓦斯涌出量及其主要影响因素5.影响瓦斯涌出的主要因素煤层瓦斯含量：W（m3/t）煤层中包含的游离瓦斯和吸附瓦斯总量。相对瓦斯涌出量：q（m3/t）开采煤层的瓦斯涌出量。q=（W0-Wc）W0邻近煤层的瓦斯涌出量。q=ηm0/m（W0-Wc）围岩的瓦斯涌出量。单一煤层开采时，qW；煤层群（含瓦斯围岩）开采时，qW，或q=W，或qW。27（1）自然因素②开采深度二、瓦斯涌出量及其主要影响因素5.影响瓦斯涌出的主要因素瓦斯风化带内，矿井瓦斯涌出量与深度无关；甲烷带内，矿井瓦斯涌出量随深度增加而增大；甲烷带深部，邻近层和围岩的瓦斯涌出量比例随深度增加而增加。开采深度（m）采区涌出量（m3/t）涌出量（m3/t）占全区比例（%）开采层邻近层、围岩开采层邻近层、围岩52013583862600188104555870225172377102031427138728（1）自然因素③地面大气压变化二、瓦斯涌出量及其主要影响因素5.影响瓦斯涌出的主要因素大气压只影响封闭空间内的瓦斯涌出，如工作面采空区、已封闭的老空区，P1V1=P2V2；大气压变化影响采空区就像呼吸一样；大气压对煤壁、落煤瓦斯涌出几乎无影响。大气压采区(含采空区)采区(含采空区)回采面(含采空区)回采面(含采空区)掘进面(无采空区)29（2）开采技术因素①开采顺序与回采方法二、瓦斯涌出量及其主要影响因素5.影响瓦斯涌出的主要因素分层开采：首采分层瓦斯涌出量大；回采率：回采率低的工作面瓦斯涌出量大；采空区顶板管理方法：自然垮落法邻近层、围岩卸压大，其瓦斯涌出分量大。采煤方法：旱采比水采瓦斯涌出量大，因为水对瓦斯涌出有抑制作用。30（2）开采技术因素②回采速度与产量二、瓦斯涌出量及其主要影响因素5.影响瓦斯涌出的主要因素回采速度：回采速度较小时，邻近层和围岩的相对瓦斯涌出量较大；产量：产量越大，绝对瓦斯涌出量越大，但相对瓦斯涌出量却有可能减小；运输：采落煤快速集中运输时，落煤运输过程中的瓦斯涌出量减小。31（2）开采技术因素③落煤工艺及老顶来压步距二、瓦斯涌出量及其主要影响因素5.影响瓦斯涌出的主要因素瓦斯涌出不均衡系数：炮采、机采、综采对瓦斯涌出的不均衡系数影响很大，浅割煤、小来压步距可降低不均衡系数。32（2）开采技术因素④通风压力和采空区封闭质量二、瓦斯涌出量及其主要影响因素5.影响瓦斯涌出的主要因素通风压力：高负压通风使采空区内的瓦斯更易涌出到工作面；采空区封闭质量：采空区封闭质量不好，易导致其内部的瓦斯向外涌出；通风压力过大时，也对采空区瓦斯涌出有促进作用。33（2）开采技术因素⑤回采工作面通风系统二、瓦斯涌出量及其主要影响因素5.影响瓦斯涌出的主要因素沿空留巷：巷道直接与邻近采空区沟通，邻近采空