【正文】 22572001992—19932258001993—19942252001994—19953150001995—19961242001996—19972741001997—19981933001998—19991228001999—20001922002000—2001142050圖12 澳大利亞1991年—2001年礦山死亡人數(shù)及傷害次數(shù)由上面對(duì)澳大利亞煤礦安全生產(chǎn)現(xiàn)狀的介紹，我們了解到提高煤礦生產(chǎn)的技術(shù)水平也是有效控制煤礦生產(chǎn)死亡人數(shù)及傷害次數(shù)的一個(gè)非常有效的措施。煤是一種多孔的微裂隙發(fā)育的介質(zhì)，微裂隙間含有孔隙和大部分與微裂隙相連的毛細(xì)管通路，而孔隙和毛細(xì)管通路的數(shù)目是變化的，它們之間或多或少互有聯(lián)系，其直徑由幾，變化到幾不等。根據(jù)煤體中的孔隙分布和煤層中的聯(lián)系系統(tǒng)以及周世寧教授的研究表明：瓦斯在煤層中的流動(dòng)主要是層流滲透運(yùn)動(dòng)和擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，其中前者基本上服從Darcy滲透定律，且主要發(fā)生在煤體大孔和微裂隙中；后者則基本上服從擴(kuò)散定律，且主要發(fā)生在煤體微孔隙之中。 煤的吸附理論及煤層瓦斯含量 瓦斯賦存狀態(tài)煤中瓦斯的賦存狀態(tài)一般有吸附狀態(tài)和游離狀態(tài)兩種。在被吸附的瓦斯中，通常以將進(jìn)入煤體內(nèi)部的瓦斯稱為吸收瓦斯，把附著在煤體表面的瓦斯稱為吸著瓦斯，吸收瓦斯和吸著瓦斯統(tǒng)稱為吸附瓦斯。在煤體中，吸附瓦斯和游離瓦斯在外界條件不變的條件下處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，吸附狀態(tài)的瓦斯分子和游離狀態(tài)的瓦斯分子處于不斷的交換之中；當(dāng)外界的瓦斯壓力或溫度發(fā)生變化或給予沖擊和振蕩、影響了分子的能量時(shí)，則會(huì)破壞其動(dòng)態(tài)平衡，而產(chǎn)生新的平衡狀態(tài)[4]。因此，煤體孔隙特征對(duì)吸附瓦斯有重要的作用。由于煤對(duì)瓦斯的吸附是一種可逆現(xiàn)象，吸附瓦斯所處的環(huán)境條件就顯得尤為重要。(1)瓦斯壓力。(2)吸附溫度。其原因主要是：溫度的升高，使瓦斯分子活性增大，故而不易被煤體所吸附；同時(shí)，已被吸附的瓦斯分子又易獲得動(dòng)能，會(huì)產(chǎn)生脫附現(xiàn)象，使吸附瓦斯量降低。對(duì)于指定的煤，在給定的溫度與瓦斯壓力條件下，煤對(duì)二氧化碳的吸附量比甲烷的吸附量高，而對(duì)甲烷的吸附量又大于對(duì)氮?dú)獾奈搅?。煤的瓦斯生成量及煤的比表面積和煤的變質(zhì)程度有關(guān)。(5)煤中水分。目前可以采用俄羅斯煤化學(xué)家艾琴格爾的經(jīng)驗(yàn)公式[8]來確定煤的天然水分對(duì)甲烷吸附量的影響。 線性瓦斯流動(dòng)理論線性瓦斯?jié)B流理論認(rèn)為，煤層內(nèi)瓦斯運(yùn)移基本符合線性滲透定律—達(dá)西定律(Dracy’s law) ，1856年,法國(guó)水力學(xué)家Darcy 通過實(shí)驗(yàn)總結(jié)出了著名的Darcy 定律： （1）式中： v ———流速，m/s；μ———瓦斯動(dòng)力粘度系數(shù)，Pad) 。在直角坐標(biāo)系中，若以vx , vy , vz 表示三個(gè)坐標(biāo)方向上的滲流速度分量，就得到三維流動(dòng)下的Darcy 定律： （2）Darcy 定律有一定的適用范圍，超出這個(gè)范圍就不再符合Darcy 定律了。同樣，多孔介質(zhì)流體的雷諾數(shù)Re 為： （3）式中：d ———孔隙骨架的代表性長(zhǎng)度，m；v ———流體的滲流速度，m/s ；γ———流體的運(yùn)動(dòng)粘滯系數(shù)，m2/s。 瓦斯擴(kuò)散理論煤是一種典型的多孔介質(zhì)，根據(jù)氣體在多孔介質(zhì)中的擴(kuò)散機(jī)理的研究，可以用表示孔隙直徑和分子運(yùn)動(dòng)平均自由程相對(duì)大小的諾森數(shù) (4)式中：d ———孔隙平均直徑，m；λ———?dú)怏w分子的平均自由程，m。Kn ≥10 時(shí)，孔隙直徑遠(yuǎn)大于瓦斯氣體分子的平均自由程，這時(shí)瓦斯氣體分子的碰撞主要發(fā)生在自由瓦斯氣體分子之間，而分子和毛細(xì)管壁的碰撞機(jī)會(huì)相對(duì)較少,此類擴(kuò)散仍然遵循菲克定理，稱為菲克型擴(kuò)散。當(dāng)0. 1 Kn 10 時(shí)，孔隙直徑與瓦斯氣體分子的平均自由程相似，分子之間的碰撞和分子與面的碰撞同樣重要，因此此時(shí)的擴(kuò)散是介于菲克型擴(kuò)散與諾森擴(kuò)散之間的過渡型擴(kuò)散。對(duì)吸附性極強(qiáng)的煤來說，表面擴(kuò)散占有很大比重。菲克型擴(kuò)散當(dāng)Kn ≥10 時(shí)，由于孔隙直徑遠(yuǎn)大于瓦斯氣體分子的平均自由程，因此擴(kuò)散是由于瓦斯氣體分子之間的無規(guī)則運(yùn)動(dòng)引起的，可以用菲克擴(kuò)散定律去描述，即 （5）式中：　J ———瓦斯氣體通過單位面積的擴(kuò)散速度，kgP(s等式中由于擴(kuò)散是沿著濃度減少的方向進(jìn)行的，而擴(kuò)散系數(shù)總是正的，故式中要加一個(gè)負(fù)號(hào)?？紤]以上因素，瓦斯氣體分子在煤層內(nèi)有效擴(kuò)散系數(shù)可定義為： （6）式中：Dfe ———瓦斯氣體在煤層內(nèi)的有效Fick 擴(kuò)散系數(shù)，m2/s ；θ———有效表面孔隙率；τ———曲折因子，為修正擴(kuò)散路徑變化而引入的。諾森型擴(kuò)散當(dāng)Kn ≤0. 1 時(shí),瓦斯氣體在煤層中的擴(kuò)散屬于諾森型擴(kuò)散，根據(jù)分子運(yùn)動(dòng)論，在半徑為r 的孔隙內(nèi)，由于壁面的散射而引起的瓦斯分子擴(kuò)散系數(shù)為： （7）式中：Dk ———諾森擴(kuò)散系數(shù)；r ———孔隙平均半徑，m；R ———普適氣體常數(shù)；T ———絕對(duì)溫度，K；M ———瓦斯氣體分子量?！　纳鲜街锌梢钥闯?諾森擴(kuò)散系數(shù)與煤的結(jié)構(gòu)和煤層的溫度等有關(guān)。圖23 　瓦斯氣體在煤表面上的表面擴(kuò)散表面擴(kuò)散經(jīng)常同普通的菲克型擴(kuò)散在煤層較大孔隙中同時(shí)進(jìn)行，使擴(kuò)散的總通量增大；另一種情況是當(dāng)瓦斯氣體被煤表面強(qiáng)烈吸附時(shí)，吸附層增厚使得瓦斯氣體擴(kuò)散通量減少。由煤大分子結(jié)構(gòu)可知，煤是由周邊聯(lián)結(jié)有多種原子基團(tuán)的縮聚芳香稠環(huán)、氫化芳香稠環(huán)通過各種橋鍵和交聯(lián)鍵合邊聯(lián)結(jié)而成，在其中含有各種缺陷、位錯(cuò)或空位。當(dāng)孔隙半徑與瓦斯氣體分子大小相差不大，且壓力足夠大時(shí)，瓦斯氣體分子可以進(jìn)入到煤微孔隙中以固溶體(取代式固溶體、填隙式固溶體) 形式存在，且不易脫附。由于瓦斯氣體在煤層中以固溶體形式賦存的量較少，一般在晶體的芳香層缺陷內(nèi)的瓦斯量為1 %～5 % ，在芳香碳晶體內(nèi)瓦斯量為5 %～12 %，所以只有當(dāng)瓦斯壓力很高時(shí)，擴(kuò)散才會(huì)較為明顯[6]。煤層中存在相互溝通的裂隙網(wǎng)絡(luò)，沿著這些裂隙網(wǎng)絡(luò)，游離瓦斯流向低壓工作面，而煤體的透氣率與該裂隙網(wǎng)絡(luò)密切相關(guān)。 非線性瓦斯流動(dòng)理論達(dá)西定律偏離的原因?yàn)椋孩倭髁窟^大；②分子效應(yīng)；③離子效應(yīng)； ④流體本身的非牛頓態(tài)勢(shì)。從通過變化壓差測(cè)定煤樣瓦斯?jié)B透率看，達(dá)西定律不太符合瓦斯流動(dòng)規(guī)律[8]。 （12）式中：qx ———在x點(diǎn)的比流量，m3/P(m2　　　 m ———滲透指數(shù)， m = 1～2。 地物場(chǎng)效應(yīng)的煤層瓦斯流動(dòng)理論該理論認(rèn)為地應(yīng)力場(chǎng)、地溫場(chǎng)及地電場(chǎng)[9]，應(yīng)力史對(duì)瓦斯流動(dòng)場(chǎng)也有重要影響，應(yīng)該考慮進(jìn)去，修正達(dá)西定律和冪定律[10]。但由于此問題的復(fù)雜性，均未從煤層瓦斯越流的角度去抽象出其普遍規(guī)律并創(chuàng)建多煤層系統(tǒng)瓦斯越流理論，因此,應(yīng)用流體—巖石的相互作用的觀點(diǎn)創(chuàng)建和發(fā)展煤層瓦斯耦合模型及數(shù)值方法，豐富和完善煤層瓦斯?jié)B流力學(xué)，這是當(dāng)今該學(xué)科理論研究的前沿課題。但是，由于煤層內(nèi)瓦斯流動(dòng)是一個(gè)非常復(fù)雜的過程，這不僅與煤的結(jié)構(gòu)有關(guān)，而且受到眾多因素的影響。第三章 煤礦瓦斯抽放方法以及引起事故危險(xiǎn)因素的分析 瓦斯抽放方法的分析[11—15] 抽放瓦斯方法分類抽放瓦斯的分類方式和方法多種多樣，目前尚無統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。按抽放瓦斯的來源分類按抽放瓦斯的來源分為：1）開采層（本煤層）抽放瓦斯；2）鄰近層抽放瓦斯；3）采空區(qū)抽放瓦斯。按施工工藝和手段分類按施工工藝和手段可分為：1）巷道抽放法；2）鉆孔抽放法；3）巷道、鉆孔混合抽放法。如，本煤層抽放中包括巷道預(yù)抽法、鉆孔預(yù)抽法及邊抽（掘）法等；同時(shí)，鉆孔抽放法又應(yīng)用于本煤層抽放、鄰近層抽放及預(yù)抽、邊抽等。煤層回采前的抽放屬于未卸壓抽放，在受到采掘工作面影響范圍內(nèi)的抽放，屬于卸壓抽放。按照煤層的透氣系數(shù)評(píng)價(jià)未卸壓煤層預(yù)抽瓦斯的難易程度的指標(biāo)如下表：表31 煤層抽放瓦斯難易程度分級(jí)表等級(jí)煤層透氣系數(shù)/㎡d1煤層百米鉆孔瓦斯涌出衰減系數(shù)d1容易抽放可以抽放較難抽放＞1010—＜＜—＞① 未卸壓抽放本法適用于透氣系數(shù)較大的開采煤層預(yù)抽瓦斯。我過多采用穿層上向鉆孔。從鉆場(chǎng)向煤層打3—5個(gè)穿透煤層的鉆孔，封孔或?qū)⒄麄€(gè)鉆場(chǎng)封閉起來，裝上抽瓦斯管與抽放系統(tǒng)連接。如果是厚煤層下行分層回采，第一層回采后，還可在卸壓的條件下，抽放未分層的瓦斯。由運(yùn)輸平巷沿煤層傾斜打鉆，或由上、下山沿煤層走向打水平孔（仰角1176。）。國(guó)外采用的可彎曲鉆，能由巖巷或地面打沿層鉆孔，大大延長(zhǎng)了抽放時(shí)間。② 卸壓鉆孔抽放在受回采或掘進(jìn)的采動(dòng)影響下，引起煤層和圍巖應(yīng)力重新分布，形成卸壓區(qū)和應(yīng)力集中區(qū)。如果在這個(gè)區(qū)域內(nèi)打鉆抽放瓦斯，可以提高抽出力量，并阻截瓦斯流向工作空間。隨掘隨抽在掘進(jìn)巷道的兩幫，隨掘進(jìn)巷道推進(jìn)，每隔10—15m開一鉆孔窩，在巷道周圍卸壓區(qū)內(nèi)打鉆孔1—2個(gè)，孔徑405—60mm，—，封孔連接于抽放系統(tǒng)進(jìn)行抽放。巷道周圍的卸壓區(qū)一般為5—15m，個(gè)別煤層可達(dá)15—30m。孔深應(yīng)小于工作面斜長(zhǎng)的20—40m。在下行分層工作面，鉆孔應(yīng)靠近底板，上行分層工作面靠近頂板。這類抽放方法只適用于賦存平穩(wěn)的煤層，有效抽放時(shí)間不長(zhǎng)，沒孔的抽出量不大。必須采用專門措施增加了煤層的透氣系數(shù)以后，才能抽出瓦斯。水力壓裂是將大量含砂的高壓液體（水或其他溶液）注入煤層，迫使煤層破裂，產(chǎn)生裂隙后砂子作為支撐劑停留在縫隙內(nèi)，阻止它們的重新閉合，從而提高煤層的透氣系數(shù)。龍鳳礦北井、陽(yáng)泉、紅衛(wèi)等礦都曾做過這種方法的工業(yè)試驗(yàn)。增加煤體的暴露面，造成割縫上、下煤體的卸壓，提高它們的透氣系數(shù)。酸液處理是向含有碳酸鹽類或硅酸鹽類的煤層中，注入可溶解這些礦物質(zhì)的酸性溶液。20176。其實(shí)質(zhì)相當(dāng)于擴(kuò)大鉆孔直徑，同時(shí)斜向鉆孔延長(zhǎng)了鉆孔在卸壓帶的抽放時(shí)間，也避免了因鉆孔坍塌而對(duì)抽放效果的影響。 鄰近層的瓦斯抽放分析開采煤層群時(shí)，回采煤層的頂、底板圍巖發(fā)生冒落、移動(dòng)、龜裂和卸壓，透氣系數(shù)增加。這類能向開采煤層采空區(qū)涌出瓦斯的煤層或夾層，就叫做鄰近層。鄰近層的瓦斯抽放，即是在有瓦斯賦存的鄰近層內(nèi)預(yù)先開鑿抽放瓦斯的巷道，或預(yù)先從開采煤層或圍巖大巷內(nèi)向臨近層打鉆，將鄰近層內(nèi)涌出的瓦斯匯集抽出。目前國(guó)內(nèi)外都廣泛采用鉆孔法，即由開采煤層進(jìn)回風(fēng)巷道或圍巖大巷內(nèi)，向鄰近層打穿層鉆孔抽瓦斯。鉆孔的抽出糧隨工作面的推進(jìn)而逐漸增大，達(dá)到最大值后能以穩(wěn)定的抽出量維持一段時(shí)間（幾十天到幾個(gè)月）。巷道法抽放時(shí)，也可以采用傾斜高抽巷和走向高抽巷抽放上臨近層中的瓦斯。50176。傾斜高抽巷間距150—200m。 采空區(qū)的抽放采空區(qū)瓦斯抽放可以分為全封閉式抽放和半封閉式抽放兩類。半封閉式抽放是在采空區(qū)上部開掘一條專用瓦斯抽放巷道，在該巷道中布置鉆場(chǎng)向下部采空區(qū)打鉆，同時(shí)封閉采空區(qū)入口，以抽放下部各區(qū)段采空區(qū)中從鄰近層涌入的瓦斯。抽放負(fù)壓與流量應(yīng)與采空區(qū)的瓦斯量相適應(yīng)，才能保證抽出的瓦斯中的甲烷的濃度。 瓦斯抽放新方法研究 深孔預(yù)裂控制爆破強(qiáng)化抽放瓦斯技術(shù)深孔控制預(yù)裂爆破強(qiáng)化抽放瓦斯技術(shù)實(shí)質(zhì)是：在回采工作面的進(jìn)、回風(fēng)巷和掘進(jìn)工作面每隔一定的距離，打一定深度的爆破孔和控制孔(用于抽放)，二者交替布置。利用炸藥爆炸的能量、瓦斯壓力及抽放孔的導(dǎo)向和補(bǔ)償作用使煤體產(chǎn)生新的裂隙，并使原生裂隙得以擴(kuò)展，從而提高煤層透氣性，達(dá)到提高抽放效果的目的。由于煤的抗壓強(qiáng)度較低，具有可壓縮性，孔壁在高溫高壓爆生氣體的作用下向外移動(dòng)，形成類似于擴(kuò)壺爆破的爆炸空腔，從而抑制了爆炸裂隙的向外擴(kuò)展，致裂效果不理想。深孔預(yù)裂控制爆破原理 透氣性較低的高瓦斯煤層，必須采用專門的措施來增加煤層的透氣性，才能有效地抽出瓦斯。對(duì)于不同的瓦斯地層，各種方法的效果也不同，理論研究和試驗(yàn)都表明，采用爆破的方法可以增加瓦斯地層的透氣性，從而提高瓦斯抽放率，在爆破沖擊波和應(yīng)力波的直接作用下，裝藥周圍的煤體中將形成空腔區(qū)、壓碎區(qū)、裂隙區(qū)和震動(dòng)區(qū)。在震動(dòng)區(qū)內(nèi),雖然沒有形成可見的宏觀裂縫，但爆生氣體產(chǎn)生的準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)力場(chǎng)使煤體中原有的微觀孔隙(裂紋)發(fā)生了損傷，煤體儲(chǔ)存的彈性變形能部分得以恢復(fù)，應(yīng)力水平趨于下降，瓦斯變得易于抽放。深孔預(yù)裂控制爆破目的是為了增加煤體的裂隙和透氣性，降低煤體的瓦斯壓力，使煤體的應(yīng)力得到重新分布，以減小抽放阻力，提高瓦斯抽放率和防止煤與瓦斯的突出。此外，還應(yīng)考慮瓦斯壓力對(duì)產(chǎn)生爆破裂隙的影響，故深孔預(yù)裂控制爆破比普通預(yù)裂控制爆破在理論上更為復(fù)雜。此外，空腔壁上原生裂隙將會(huì)擴(kuò)展、張開。在爆破遠(yuǎn)區(qū)，由于控制孔的作用，形成反射拉伸波和徑向裂隙尖端處的應(yīng)力場(chǎng)相互疊加，促使徑向裂隙和環(huán)向裂隙進(jìn)一步擴(kuò)展，大大增加裂隙區(qū)的范圍。最后，在爆破孔的周圍形成包括壓縮粉碎圈、徑向裂隙和環(huán)向裂隙交錯(cuò)的裂隙圈及次生裂隙圈在內(nèi)的較大的連通裂隙網(wǎng)。(2)選用SGZ－300型液壓鉆機(jī)，這種鉆機(jī)穩(wěn)定性好，鉆進(jìn)能力強(qiáng)，可以避免由于鉆機(jī)跳動(dòng)使鉆桿撞擊孔壁。(3)封孔工藝爆破孔：裝藥完畢，先裝入水炮泥，長(zhǎng)度不少于1m，隨即采用壓風(fēng)噴泥封孔器(如圖321)將略潮的黃土，粒度為10mm以下封孔?？刂瞥榉趴追饪咨疃?m。裝藥方式見圖322。尤其注意母線附于管壁側(cè)面，并用上述雷管腳線固定，以防管與孔壁的摩擦使雷管腳線與母線脫落，導(dǎo)致雷管斷路和短路。2)起爆方式：采用兩發(fā)雷管同時(shí)起爆，為了確保炸藥穩(wěn)定傳爆，首先在地面進(jìn)行了管道效應(yīng)試驗(yàn)，確定不同炮孔直徑下的裝藥直徑，并測(cè)試其傳爆長(zhǎng)度。破孔一次起爆。在采用并聯(lián)起爆網(wǎng)路，多點(diǎn)等間隔同時(shí)起爆裝藥情況下，當(dāng)裝藥密度一定時(shí)，爆破孔徑增加一倍時(shí)，裂隙擴(kuò)展長(zhǎng)度也將增加一倍以上。當(dāng)孔徑達(dá)到一定值后，透氣性提高的幅度隨著爆破孔孔徑的增大而逐漸減小，說明單純靠增大爆破孔孔徑來提高透氣性效果是有限的。對(duì)于抽放孔，在爆破孔與抽放孔的水平連線上，當(dāng)爆炸應(yīng)力一定時(shí)，隨著控制孔半徑的增大，煤體所受拉應(yīng)力以四次冪級(jí)數(shù)增加，也就是控制孔徑越大，對(duì)裂隙的形成和擴(kuò)展越有利。一般其直徑在90～100mm即可達(dá)到導(dǎo)向和補(bǔ)償?shù)哪康摹＠碚摲治龊湍M試驗(yàn)表明：在煤層條件一定時(shí)，隨著孔間距的增大