【文章內(nèi)容簡介】 粉煤對(duì)甲烷的吸附量與塊煤相當(dāng)。瓦斯在煤層中以承壓狀態(tài)存在，對(duì)未受采動(dòng)影響的原始煤層來說，在甲烷帶內(nèi)，煤層瓦斯壓力隨深度增大而增大，這是在漫長的地質(zhì)年代里，煤層瓦斯由深部向地表流動(dòng)的結(jié)果。但這種瓦斯流動(dòng)是極其緩慢的，在研究中一般忽略這種緩慢的瓦斯流動(dòng)。通常認(rèn)為，在未受采動(dòng)影響的煤層中，瓦斯處于壓力平衡狀態(tài)；而在受采動(dòng)影響的煤層中，由于采動(dòng)破壞了原有的瓦斯壓力平衡狀態(tài)，引起了瓦斯流動(dòng)，形成了瓦斯流動(dòng)場。影響瓦斯流動(dòng)的因素很多，如煤層賦存條件、瓦斯地質(zhì)條件、煤層瓦斯壓力和含量、煤層透氣性大小以及采掘技術(shù)條件等都會(huì)影響到煤層中的瓦斯流動(dòng)，但歸結(jié)起來主要影響因素是瓦斯壓力和煤層透氣性，前者是瓦斯流動(dòng)的動(dòng)力，后者是瓦斯流動(dòng)的阻力。煤是多孔多裂隙介質(zhì)，每種存在有大小為cm的多種孔隙，還含有大量的原生和此生裂隙，而煤又是瓦斯的天然吸附劑，因此，煤中瓦斯流動(dòng)的性質(zhì)在不同空隙中是不同的，當(dāng)孔隙直徑為cm時(shí)，由于孔徑大于瓦斯的平均自由程，瓦斯流動(dòng)表現(xiàn)為自由擴(kuò)散或慢速的層流滲透；當(dāng)孔隙直徑為cm時(shí)，瓦斯流動(dòng)為層流滲透，符合達(dá)西定律；當(dāng)孔隙或可見裂隙寬度大于cm時(shí)，瓦斯流動(dòng)表現(xiàn)為層流滲透或?qū)恿髋c紊流的混合過渡流、當(dāng)孔隙直徑小于cm時(shí)，瓦斯流動(dòng)屬于分子擴(kuò)散。根據(jù)達(dá)西定律表達(dá)式： （）式中，Q——單位時(shí)間滲流量；F——過水?dāng)嗝妫籋——總水頭損失；L——滲流路徑長度；I=h/L——水力坡度；K——滲流系數(shù)。其中，根據(jù)水力學(xué)已知，通過某一斷面的流量Q等于流速v與過水?dāng)嗝鍲的乘積，即Q＝Fv?；?，據(jù)此，達(dá)西定律可以表示為： （）式中，v——滲流速度上式表明：滲流速度與水力坡度一次方成正比。說明水力坡度與滲流速度呈線性關(guān)系。這個(gè)定律說明水通過多孔介質(zhì)的速度同水力梯度的大小及介質(zhì)的滲透性能成正比。在層流中，滲流速度一般每年不超過30m。瓦斯在煤層中流動(dòng)時(shí)的雷諾數(shù)由下式確定[9]： （）式中，——瓦斯在煤層中流動(dòng)的雷諾數(shù)； ——瓦斯的流動(dòng)運(yùn)動(dòng)粘度，m2/s； m——煤層孔隙率，m3/m3； ——煤層透氣性系數(shù)，； v——流動(dòng)速度，m/s。 （）式中，——鉆孔瓦斯流量，m3/s； ——鉆孔直徑，m； ——鉆孔見煤長度，m。，鉆孔瓦斯流量=，煤層透氣性系數(shù)取，在溫度瓦斯的運(yùn)動(dòng)粘度=m2/s，帶入上式求得流動(dòng)速度v為；v= =最終求得雷諾數(shù)為；==而層流雷諾數(shù)的最高臨界值是12，以上設(shè)定值為我國實(shí)測量的數(shù)倍到數(shù)十倍，仍小于層流雷諾數(shù)的最高臨界值12，可以看出煤層中的瓦斯流動(dòng)是符合線性規(guī)律的層流，只有在發(fā)生瓦斯異常涌出如瓦斯噴出或煤與瓦斯突出時(shí)，才會(huì)出現(xiàn)紊流狀態(tài)。瓦斯在煤層中由高壓流向低壓，在煤層中形成一定的流動(dòng)范圍，這一范圍稱為瓦斯流動(dòng)場。從時(shí)間因素看，流動(dòng)類型可分為穩(wěn)定流動(dòng)和非穩(wěn)定流動(dòng)兩種類型，前者不隨時(shí)間變化，后者流動(dòng)場隨時(shí)間而改變。在煤礦實(shí)際條件下，煤層瓦斯流動(dòng)的流動(dòng)場總是隨時(shí)間而變化的，可見，煤層瓦斯流動(dòng)屬于非穩(wěn)定流動(dòng)類型。從空間幾何形狀來看，在流動(dòng)場內(nèi)瓦斯的流動(dòng)類型可分為單向流動(dòng)、徑向流動(dòng)和球向流動(dòng)三種類型。（1）單向流動(dòng)單向流動(dòng)的特點(diǎn)是煤層瓦斯沿單一方向流動(dòng)，流線相互平行。沿煤層開掘高度大于煤層厚度的巷道，巷道兩側(cè)煤層中的瓦斯皆沿垂直于巷道的方向流動(dòng)，如圖31所示。圖31煤層瓦斯單向流動(dòng)（2）徑向流動(dòng)徑向流動(dòng)是平面流動(dòng)。徑向流動(dòng)時(shí)，等瓦斯壓力線是一組同心圓，瓦斯流線沿圓的徑向發(fā)展，在煤礦井下，石門或鉆孔垂直貫穿煤層全厚時(shí)，煤層中的瓦斯流動(dòng)就是徑向流動(dòng)，如圖32所示圖32 煤層瓦斯徑向流動(dòng)（3）球向流動(dòng)球向流動(dòng)的特點(diǎn)是等瓦斯壓力線為一組同心球體，瓦斯流線沿球的徑向發(fā)展。一般石門揭特厚煤層、特厚煤層中的掘進(jìn)迎頭和鉆孔孔底以及煤礦的瓦斯放散等都可近似視為球向流動(dòng)。1）煤層瓦斯壓力煤層瓦斯壓力是指煤孔隙中所含游離瓦斯的的氣體壓力，即氣體作用于孔隙壁的壓力。煤層瓦斯壓力是決定煤層瓦斯含量的一個(gè)重要因素，當(dāng)煤的吸附瓦斯能力相同時(shí)，煤層瓦斯壓力越高，煤中所含瓦斯量也就越大。在煤與瓦斯突出發(fā)生、發(fā)展過程中，瓦斯壓力都起著重大作用。煤層瓦斯壓力的大小取決于煤生成后，煤層瓦斯的排放條件。在漫長的地質(zhì)年代中，煤層瓦斯排放是一個(gè)極其復(fù)雜的問題，它除與覆蓋層厚度、透氣性能、地質(zhì)構(gòu)造條件有關(guān)外，還與覆蓋層的含水性有密切關(guān)系。當(dāng)覆蓋層中充滿水時(shí)，煤層瓦斯壓力最大，這時(shí)瓦斯壓力等于同水平的水靜壓力。當(dāng)煤層瓦斯壓力大于同水平靜水壓力時(shí)，在漫長地質(zhì)年代中，瓦斯將沖破水的阻力向地表逸散，當(dāng)覆蓋層未充滿水時(shí)，煤層瓦斯壓力將小于同水平的水靜壓力。國內(nèi)外實(shí)測表明，當(dāng)煤層的測壓低點(diǎn)處于采動(dòng)影響的集中應(yīng)力帶時(shí)，由于煤體中孔隙壓縮能明顯提高瓦斯壓力值，煤層瓦斯壓力實(shí)測值偏高。在煤層賦存條件和地質(zhì)構(gòu)造條件變化不大時(shí)，同一深度各煤層或同一煤層在同一深度的各個(gè)地點(diǎn)，煤層瓦斯壓力是相近的。在地質(zhì)條件不變的條件下，每層瓦斯壓力隨深度的變化規(guī)律，用下式描述： （）式中，——在深度H處的瓦斯壓力，Mpa； ——瓦斯風(fēng)化帶深度的瓦斯壓力，~； ——瓦斯風(fēng)化帶深度，m； ——距地表垂深，m； M——瓦斯壓力梯度，MPa/m。根據(jù)我國各煤礦瓦斯壓力隨深度變化的實(shí)測數(shù)據(jù)，~，而瓦斯風(fēng)化帶深度則在幾米至數(shù)百米間變化。2）測定測定煤層瓦斯壓力時(shí)，通常是從圍巖巷道（石門或圍巖鉆場）向煤層打孔徑為50~75mm的鉆孔，測定地點(diǎn)的煤層應(yīng)為未受采動(dòng)影響的原始煤體。測壓封孔方法分填法和封孔器法。其中填料法是應(yīng)用最廣的一種測壓封孔方法，采用該法時(shí)，是在打完鉆孔后，先用水清洗鉆孔，再向孔內(nèi)放置測壓管，最后用充填材料封孔。圖33 人工充填法封孔示意圖1—測壓前端；2—擋料圓盤；3—充填材料；4—木楔；5—測壓管；6—壓力表；7—鉆孔為防止測壓管堵塞，再測壓管前端焊接一段直徑稍大于測壓管的篩管或直接在測壓管壁中打篩管。為防止充填材料堵塞測壓管前端，在測壓前端后部套焊一擋料圓盤，填料可用人工或風(fēng)壓送入鉆孔，人工封孔的封孔深度一般不超過5m，用壓氣封孔時(shí)，借助噴漿罐將水泥砂漿由孔底向孔口逐漸充滿，壓氣封孔深度可達(dá)10m以上。山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 煤層瓦斯預(yù)測理論4煤層瓦斯預(yù)測理論煤層瓦斯的生成、儲(chǔ)積和運(yùn)移受控于一定地質(zhì)條件，地質(zhì)條件的差異往往導(dǎo)致煤層瓦斯在縱向和橫向上的不均衡分布，造成不同礦區(qū)（或礦井）、不同煤層、不同區(qū)域瓦斯賦存的不均衡。高瓦斯礦井中存在低瓦斯區(qū)域，低瓦斯礦井中也存在瓦斯較高的區(qū)域。近年來，在一些低瓦斯礦井的瓦斯異常區(qū)發(fā)生了一些重大瓦斯事故。因此，通過研究礦井的瓦斯地質(zhì)規(guī)律，對(duì)未采區(qū)的瓦斯分布進(jìn)行預(yù)測評(píng)價(jià)，對(duì)于指導(dǎo)礦井的通風(fēng)設(shè)計(jì)和采掘部署，采取有針對(duì)性的瓦斯防治措施，有重要的理論意義和實(shí)際意義。煤層瓦斯含量預(yù)測，其目的就是通過對(duì)煤層瓦斯含量的分析，預(yù)先測算礦井瓦斯涌出量，進(jìn)而可以具有針對(duì)性的采取各項(xiàng)瓦斯防治措施。分源預(yù)測法是指通過研究瓦斯涌出的來源，對(duì)產(chǎn)生瓦斯的各個(gè)地點(diǎn)分別進(jìn)行瓦斯涌出量測定，求和即是礦井總瓦斯涌出量。1）礦井瓦斯涌出構(gòu)成關(guān)系礦井瓦斯涌出構(gòu)成關(guān)系如圖41所示。礦井瓦斯涌出生產(chǎn)采區(qū)瓦斯涌出出回采面瓦斯涌出已采采空區(qū)瓦斯涌出工作面采空區(qū)瓦斯涌出掘進(jìn)面瓦斯涌出其他開采層瓦斯涌出鄰近層瓦斯涌出煤壁瓦斯涌出落煤瓦斯涌出圖41礦井瓦斯涌出構(gòu)成關(guān)系圖2）回采工作面瓦斯涌出量回采工作面瓦斯涌出量預(yù)測用相對(duì)瓦斯涌出量表達(dá)，以24h為一個(gè)預(yù)測圓班，采用下式計(jì)算。 （）式中 q采——回采工作面相對(duì)瓦斯涌出量，m3/t；q1——開采層相對(duì)瓦斯涌出量，m3/t；q2——鄰近層相對(duì)瓦斯涌出量，m3/t。3）掘進(jìn)工作面瓦斯涌出量掘進(jìn)工作面瓦斯涌出量預(yù)測用絕對(duì)瓦斯涌出量表達(dá)，采用下式計(jì)算 （）式中 q掘——掘進(jìn)工作面絕對(duì)瓦斯涌出量，m3/min；q3——掘進(jìn)工作面巷道煤壁絕對(duì)瓦斯涌出量，m3/min；q4——掘進(jìn)工作面落煤絕對(duì)瓦斯涌出量，m3/min。4）生產(chǎn)采區(qū)瓦斯涌出量 （）式中 ——生產(chǎn)采區(qū)相對(duì)瓦斯涌出量，m3/t；——生產(chǎn)采區(qū)內(nèi)采空區(qū)瓦斯涌出系數(shù)，——第i個(gè)回采工作面相對(duì)瓦斯涌出量，m3/t；——第i個(gè)回采工作面的日產(chǎn)量，t；——第i個(gè)掘進(jìn)工作面絕對(duì)瓦斯涌出量，m3/min；——生產(chǎn)采區(qū)平均日產(chǎn)量，t。5）礦井瓦斯涌出量 （）式中，q井——礦井相對(duì)瓦斯涌出量，m3/t；qi——第i個(gè)生產(chǎn)采區(qū)相對(duì)瓦斯涌出量，m3/t；Aoi——第i個(gè)生產(chǎn)采區(qū)平均日產(chǎn)量，t；——已采采空區(qū)瓦斯涌出系數(shù)，6）瓦斯涌出不均衡性考慮各區(qū)域瓦斯涌出的不均衡性，利用分源預(yù)測法預(yù)測的各區(qū)域的瓦斯涌出量需乘以瓦斯涌出不均衡系數(shù)Kn。礦井瓦斯涌出量與開采強(qiáng)度、開采深度相關(guān)。開采強(qiáng)度越強(qiáng)，破裂的煤層體積越多，吸附瓦斯變?yōu)橛坞x瓦斯就越多，瓦斯涌出量就越大；開采深度越深，煤層瓦斯含量越大，煤層瓦斯壓力越大。即煤層開采深度，反映了煤層瓦斯含量與煤層瓦斯壓力兩項(xiàng)指標(biāo)。綜合而論，此種方法認(rèn)為，在煤層厚度一定的情況下，礦井瓦斯涌出量與開采強(qiáng)度相關(guān)，與煤層瓦斯含量相關(guān)，與瓦煤層瓦斯壓力相關(guān)。瓦斯統(tǒng)計(jì)法，客觀上反映了以上相關(guān)關(guān)系。統(tǒng)計(jì)法是根據(jù)生產(chǎn)礦井或生產(chǎn)水平，在以往生產(chǎn)過程中積累的大量不同深度相對(duì)瓦斯涌出量與深度的數(shù)據(jù)，通過整理分析找出相互之間變化關(guān)系的統(tǒng)計(jì)規(guī)律，推算出相鄰的新礦井或延深水平瓦斯涌出量的方法。如果預(yù)測地區(qū)的地質(zhì)、采礦因素沒有明顯的變化，那么預(yù)測結(jié)果可以滿足工程的需要。首先找出礦井開采深度與瓦斯涌出量的列表函數(shù)。表格如下表41礦井開采深度與瓦斯涌出量對(duì)應(yīng)表加權(quán)平均開采深度（m）相對(duì)瓦斯涌出量（m3/mint1）接著繪制瓦斯涌出量隨深度變化的曲線圖。以礦井加權(quán)平均開采深度為橫坐標(biāo)，相對(duì)瓦斯涌出量為縱坐標(biāo)，做出瓦斯涌出量隨開采深度變化的曲線圖。如圖42所示。將此曲線外延，即可預(yù)測出深部的瓦斯涌出量。圖42礦井相對(duì)瓦斯涌出量隨開采深度變化的關(guān)系圖加權(quán)平均開采深度可按下式計(jì)算： （）式中，—加權(quán)平均開采深度，m；—統(tǒng)計(jì)期內(nèi)，第i采煤區(qū)段的平均開采深度，m；統(tǒng)計(jì)期內(nèi)，第i采煤區(qū)段的產(chǎn)煤量，t。瓦斯涌出量梯度為 （）式中，——瓦斯涌出量梯度，m/ （m3/t）或t/ m2； 、——甲烷帶內(nèi)兩個(gè)已知開采深度，m；、——對(duì)應(yīng)于深度 、的相對(duì)瓦斯涌出量，m3/t；n——指數(shù)系數(shù)，大多數(shù)煤田在垂深1000 m以內(nèi)時(shí)n=1。已知瓦斯涌出量梯度和瓦斯風(fēng)化帶下界深度時(shí)，就可以用下式預(yù)測相對(duì)瓦斯涌出量。 （）或 （）式中：——預(yù)測深（m）處的相對(duì)瓦斯涌出量，m3/t；——瓦斯風(fēng)化帶下界開采深度，m；——瓦斯涌出量增深率，tm/ m3；——瓦斯風(fēng)化帶下界處的相對(duì)瓦斯涌出量，=2 m3/t?！A(yù)測相對(duì)瓦斯涌出量的埋藏深度，m；、瓦斯風(fēng)化帶下界或H1處的相對(duì)瓦斯涌出量，=2 m3/t。此處，瓦斯涌出量預(yù)測是針對(duì)礦井而言，涌出量是指相對(duì)量。其實(shí)，也可針對(duì)絕對(duì)瓦斯涌出量預(yù)測。也可按采煤工作面或按掘進(jìn)工作面進(jìn)行瓦斯涌出量的預(yù)測。統(tǒng)計(jì)法預(yù)測瓦斯涌出量時(shí)，必須注意以下兩點(diǎn)：其一，此法只適用于瓦斯帶以下已回采了1～2個(gè)水平的礦井，而且外推深度不得超過100～200m，煤層傾角越小和瓦斯涌出量梯度值越小，外推深度也應(yīng)越小。否則，誤差可能增大。其二，積累的瓦斯涌出量資料，至少要有一年以上，而且積累的資料越多，精度愈高，已采水平（或區(qū)域）的瓦斯地質(zhì)情況和開采技術(shù)條件與新設(shè)計(jì)水平（或區(qū)域）愈相似，預(yù)測的可靠性也愈高。否則，應(yīng)根據(jù)有關(guān)資料進(jìn)行相應(yīng)的修正，或按相似程度進(jìn)行分區(qū)預(yù)測。某些緩傾斜煤層和礦井的深部，瓦斯涌出量梯度不是常數(shù)，即礦井的相對(duì)瓦斯涌出量與深度間的關(guān)系是非線性的。 在此情況下，可以采用做圖法，外推找出預(yù)測深度處的相對(duì)瓦斯涌出量，比較方便。如圖43所示。圖43礦井相對(duì)瓦斯涌出量圖為了把井田空間上的相對(duì)瓦斯涌出量變化規(guī)律直觀地表達(dá)出來，以便比較可靠地預(yù)測瓦斯涌出量，最好在礦井開采層面圖上，及時(shí)標(biāo)出各個(gè)已采區(qū)的相對(duì)瓦斯涌出量。并把瓦斯涌出量相同的點(diǎn)連成曲線（如同底板等高線一樣），做為外推預(yù)測的依據(jù)，如圖43所示。這種瓦斯涌出量等值線圖能夠清晰地反映煤層走向和傾斜的瓦斯涌出量變化情況，對(duì)于預(yù)測不同地區(qū)的瓦斯涌出量十分方便?；貧w分析法是分析和處理變量之間相關(guān)關(guān)系的一種數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法。它能幫助我們確定幾個(gè)特定的變量之間是否存在相關(guān)關(guān)系，找出它們之間合適的相關(guān)關(guān)系方程表達(dá)式，以及如何利用所得到的經(jīng)驗(yàn)公式去達(dá)到預(yù)測、控制等目的。礦井瓦斯涌出量與煤層瓦斯含量相關(guān)，與煤層瓦斯壓力相關(guān)，與采煤方法和工藝相關(guān)，與產(chǎn)量水平相關(guān)，與地質(zhì)構(gòu)造相關(guān)，與煤層含水程度相關(guān)，總之與多種因素相關(guān)。我們應(yīng)用回歸分析法，就是要找出相關(guān)因素，找出瓦斯涌出量與相關(guān)因素的函數(shù)表達(dá)式，進(jìn)而應(yīng)用函數(shù)表達(dá)式預(yù)測礦井瓦斯涌出量，并且將瓦斯涌出