瓦斯地质学第六章瓦斯地质规律和瓦斯预测.pdf

1 1 瓦瓦瓦瓦 斯斯斯斯 地地地地 质质质质 学学学学 主讲主讲1 1魏国营魏国营教授教授 主讲主讲2 2贾天让贾天让讲师讲师 2 第一节 瓦斯地质规律研究 第二节 瓦斯含量测定和含量预测 第三节 矿井瓦斯涌出量预测 第四节 煤与瓦斯突出危险性预测 第一节 瓦斯地质规律研究 第二节 瓦斯含量测定和含量预测 第三节 矿井瓦斯涌出量预测 第四节 煤与瓦斯突出危险性预测 第六章瓦斯地质规律和瓦斯预测第六章瓦斯地质规律和瓦斯预测 2 3 第一节 瓦斯地质规律研究第一节 瓦斯地质规律研究 第二节 瓦斯含量测定和含量预测 第三节 矿井瓦斯涌出量预测 第四节 煤与瓦斯突出危险性预测 第二节 瓦斯含量测定和含量预测 第三节 矿井瓦斯涌出量预测 第四节 煤与瓦斯突出危险性预测 第六章瓦斯地质规律和瓦斯预测第六章瓦斯地质规律和瓦斯预测 4 一、瓦斯地质规律研究是瓦斯预测的基础一、瓦斯地质规律研究是瓦斯预测的基础一、瓦斯地质规律研究是瓦斯预测的基础一、瓦斯地质规律研究是瓦斯预测的基础 1.1.概念概念 瓦斯地质规律瓦斯地质规律是指瓦斯与地质因素之间内是指瓦斯与地质因素之间内 在的本质的联系。在的本质的联系。 2.2.地位地位 瓦斯地质规律研究瓦斯地质规律研究是瓦斯地质学的核心内是瓦斯地质学的核心内 容，是容，是瓦斯预测瓦斯预测、、治理治理的基础。的基础。 3.3.外延外延瓦斯赋存状态、瓦斯含量多少、瓦斯压力瓦斯赋存状态、瓦斯含量多少、瓦斯压力 大小、煤与瓦斯突出动力现象大小、煤与瓦斯突出动力现象等都受着自身瓦斯等都受着自身瓦斯 地质规律的制约；地质规律的制约；瓦斯涌出规律、瓦斯抽采难易瓦斯涌出规律、瓦斯抽采难易 及其方法及其方法等都受着瓦斯地质规律的控制。等都受着瓦斯地质规律的控制。 第一节第一节第一节第一节瓦斯地质规律研究瓦斯地质规律研究瓦斯地质规律研究瓦斯地质规律研究 3 5 4.4.主要研究观点主要研究观点 （（1 1）不同级别的地质单元都存在着自身的瓦斯地）不同级别的地质单元都存在着自身的瓦斯地 质规律。质规律。 （（2 2）揭示瓦斯地质规律首先从主控地质因素入手。）揭示瓦斯地质规律首先从主控地质因素入手。 5.5.重要研究内容重要研究内容 （（1 1）构造煤和瓦斯突出煤体基础理论）构造煤和瓦斯突出煤体基础理论 （（2 2）瓦斯赋存构造控制机理）瓦斯赋存构造控制机理 （（3 3）煤与瓦斯突出地质控制机理）煤与瓦斯突出地质控制机理 （（4 4）瓦斯抽采地质控制机理。）瓦斯抽采地质控制机理。 6 二、瓦斯地质规律与瓦斯含量预测二、瓦斯地质规律与瓦斯含量预测二、瓦斯地质规律与瓦斯含量预测二、瓦斯地质规律与瓦斯含量预测 1.1.概念概念 瓦斯含量瓦斯含量是指成煤过程中煤层经受地质历史是指成煤过程中煤层经受地质历史 演化作用储存在煤层中单位体积或单位质量的煤所含演化作用储存在煤层中单位体积或单位质量的煤所含 的瓦斯体积量（的瓦斯体积量（mm 3 3 /m/m 3 3 或或mm 3 3 /t /t）。）。 2.2.主要观点主要观点 （（1 1）瓦斯生成）瓦斯生成成煤条件成煤条件 （（2 2）瓦斯赋存）瓦斯赋存保存条件保存条件 3.3.主要例证主要例证 （（1 1）低瓦斯）低瓦斯拉张活动、风化剥蚀作用相对强烈拉张活动、风化剥蚀作用相对强烈 （（2 2）高瓦斯）高瓦斯挤压作用、连续拗陷沉积挤压作用、连续拗陷沉积 4 7 4.4.影响瓦斯含量大小的主控因素影响瓦斯含量大小的主控因素 （（1 1）地质演化历史）地质演化历史 （（2 2）区域构造背景）区域构造背景 低瓦斯低瓦斯拉张活动、风化剥蚀（华北东部、西北大部）拉张活动、风化剥蚀（华北东部、西北大部） 高瓦斯高瓦斯挤压作用、连续拗陷沉积（华南）挤压作用、连续拗陷沉积（华南） （（3 3）煤化程度）煤化程度 中高变质中高变质低变质低变质 R R o,maxo,max6 6 低瓦斯低瓦斯 （（4 4）沉积环境）沉积环境 中国石炭－二叠系的煤层，以浅海碳酸盐环境形成中国石炭－二叠系的煤层，以浅海碳酸盐环境形成 的煤层，受地下水的径流作用，使得瓦斯含量降低。的煤层，受地下水的径流作用，使得瓦斯含量降低。 8 三、瓦斯地质规律与瓦斯涌出量预测三、瓦斯地质规律与瓦斯涌出量预测三、瓦斯地质规律与瓦斯涌出量预测三、瓦斯地质规律与瓦斯涌出量预测 1.1.概念概念瓦斯涌出量是瓦斯涌出量是指在矿井建设和生产过程中指在矿井建设和生产过程中 从煤与岩石内涌入采掘空间和抽入管道中的瓦斯从煤与岩石内涌入采掘空间和抽入管道中的瓦斯 量，可用绝对瓦斯涌出量和相对瓦斯涌出量两个量，可用绝对瓦斯涌出量和相对瓦斯涌出量两个 参数来表示。参数来表示。 2.2.主要影响因素主要影响因素 （（1 1）瓦斯地质条件）瓦斯地质条件 本煤层、邻近煤层及围岩中的瓦斯含量 （（2 2）开采技术条件）开采技术条件 ①开采顺序 ②开采方法 5 9 四、煤与瓦斯突出及其主要影响因素四、煤与瓦斯突出及其主要影响因素四、煤与瓦斯突出及其主要影响因素四、煤与瓦斯突出及其主要影响因素 1.1.意义及观点意义及观点 煤与瓦斯突出动力灾害是威胁煤矿安全生产煤与瓦斯突出动力灾害是威胁煤矿安全生产 和矿工生命安全最大的灾害，也是世界产煤国家和矿工生命安全最大的灾害，也是世界产煤国家 目前面临的国际性技术难题。目前面临的国际性技术难题。 煤与瓦斯突出机理研究还处在假说阶段，目煤与瓦斯突出机理研究还处在假说阶段，目 前，大多数人认可前，大多数人认可综合作用假说综合作用假说，认为，煤与瓦，认为，煤与瓦 斯突出是斯突出是地应力地应力、、煤体中的瓦斯煤体中的瓦斯、、煤的物理力学煤的物理力学 性质性质三者共同作用的结果。三者共同作用的结果。 10 四、煤与瓦斯突出及其主控因素四、煤与瓦斯突出及其主控因素四、煤与瓦斯突出及其主控因素四、煤与瓦斯突出及其主控因素 2.2.主控因素主控因素 （（1 1）基础高瓦斯含量）基础高瓦斯含量 （（2 2）必要条件一定厚度的构造煤）必要条件一定厚度的构造煤 （（3 3）有利地带压性、压扭性构造带）有利地带压性、压扭性构造带 （（4 4）主要位置构造应力相对集中地带）主要位置构造应力相对集中地带 6 11 第一节 瓦斯地质规律研究第一节 瓦斯地质规律研究 第二节 瓦斯含量测定和含量预测第二节 瓦斯含量测定和含量预测 第三节 矿井瓦斯涌出量预测 第四节 煤与瓦斯突出危险性预测 第三节 矿井瓦斯涌出量预测 第四节 煤与瓦斯突出危险性预测 第六章瓦斯地质规律和瓦斯预测第六章瓦斯地质规律和瓦斯预测 12 一、基本概念一、基本概念一、基本概念一、基本概念 1.1.煤层瓦斯含量煤层瓦斯含量 煤层瓦斯含量是单位质量煤中所含的瓦斯煤层瓦斯含量是单位质量煤中所含的瓦斯 体积体积 换算为标准状态换算为标准状态 量，单位是量，单位是m m 3 3 /t/t或或cmcm 3 3 /g/g。煤层瓦。煤层瓦 斯含量也可用单位质量纯煤斯含量也可用单位质量纯煤 去掉煤中水分和灰分去掉煤中水分和灰分 的瓦的瓦 斯体积表示，单位是斯体积表示，单位是m m 3 3 /t/t，，dafdaf。。 2.2.煤层原始瓦斯含量煤层原始瓦斯含量 煤层未受采动影响时的瓦斯含量称为煤层未受采动影响时的瓦斯含量称为 煤层原始瓦斯含量。煤层原始瓦斯含量。 3.残存瓦斯含量残存瓦斯含量 煤层受采动影响，已部分排放了瓦斯后煤煤层受采动影响，已部分排放了瓦斯后煤 层中剩余的瓦斯含量。层中剩余的瓦斯含量。 4.岩层瓦斯含量岩层瓦斯含量 单位质量单位质量 或体积或体积 岩石中所含的瓦斯体积。岩石中所含的瓦斯体积。 第二节第二节第二节第二节 瓦斯含量测定和含量预测瓦斯含量测定和含量预测瓦斯含量测定和含量预测瓦斯含量测定和含量预测 7 13 一、基本概念一、基本概念一、基本概念一、基本概念 第二节第二节第二节第二节 瓦斯含量测定和含量预测瓦斯含量测定和含量预测瓦斯含量测定和含量预测瓦斯含量测定和含量预测 14 直接方法直接方法 直接方法直接方法 间接方法间接方法 间接方法间接方法 地勘方法地勘方法 地勘方法地勘方法 井下方法井下方法 井下方法井下方法 按方法特点分按方法特点分 按方法特点分按方法特点分 按应用范围分按应用范围分 按应用范围分按应用范围分 二、煤层瓦斯含量的测定二、煤层瓦斯含量的测定二、煤层瓦斯含量的测定二、煤层瓦斯含量的测定 8 15 （二）煤层瓦斯含量直接测定方法（二）煤层瓦斯含量直接测定方法（二）煤层瓦斯含量直接测定方法（二）煤层瓦斯含量直接测定方法 1.1.地勘期间煤层地勘期间煤层 瓦斯含量测定方法瓦斯含量测定方法 解吸法解吸法 图61 密封罐 1-罐盖；2-罐体；3-压紧螺丝；4-垫圈；5-胶垫；6-“Ｏ”型密封圈 16 9 17 ttkVz 0 2 1 min/ml 4 损失瓦斯量计算 煤样解吸测定前损失的瓦斯量取决于煤芯在 孔内和空气中的暴露时间和煤样瓦斯解吸规律。 试验和理论分析结果表明，煤样在刚开始暴露的 一段时间内，累计解吸的瓦斯量与煤样解吸时间 的平方根成正比，即 式中Vz煤样自暴露时起到解吸测定进行时间为t时 的瓦斯总解吸体积，ml； t0煤样在解吸测定前的暴露时间，min；t0t1t2; t1提钻时间（煤样在钻孔的暴露时间），min； t2解吸测定前煤样在地面的暴露时间，min； t煤样解吸测定的时间，min； k比例常数， 10 0 2 tk V 20 VttkV− 显然，解吸测定测出的瓦斯解吸量V仅为煤 样总解吸量Vz的一部分，仅是t0到t那部分解吸 量，解吸测定前煤样在暴露时间t0时已损失的 瓦斯量 由此可得 上式为直线方程式，可用最小二乘法求出常 数k和V2，V2即为所求的瓦斯损失量。 6-2 20 图64 瓦斯损失量计算图 11 21 ５）煤层瓦斯含量计算 煤层瓦斯含量是上述各阶段放出的瓦斯总体 积与损失瓦斯量之和同煤样重量的比值。即 6-3 式中 W0煤层原始瓦斯含量，ml/g； V1煤样解吸测定中累计解吸出的瓦斯量，cm3； V2推算出的瓦斯损失量，cm3； V3煤样粉碎前脱出的瓦斯量，cm3； V4煤样粉碎后脱出的瓦斯量，cm3； G煤样质量，g。 应当指出，各阶段放出的瓦斯量皆应换算为 标准状态下的体积。 G VVVV W 4321 0 2.井下煤层瓦斯含量测定方法 抚顺分院在1980～1981年期间，研究提出了 钻屑解吸法测定煤层瓦斯含量的方法。方法的原 理与地勘钻孔所用解吸法相同。 优点一是煤样暴露时间短，一般为3～ 5min，且易准确进行测定；二是煤样在钻孔中的 解吸条件与在空气中大致相同，无泥浆和泥浆压 力的影响。 试验表明，煤样解吸瓦斯随时间变化的规律 较好地符合下式 vv1t-k 式中v在解吸时间为t时煤样的解吸瓦斯 速度，ml/gmin ； v1t1min时煤样瓦斯解吸速度，ml/gmin； k解吸速度随时间的衰减系数。 12 在解吸时间为t时累计的解吸瓦斯量为 （6－5） 在测定时从石门钻孔见煤时开始计时，直至 开始进行煤样瓦斯解吸测定这段时间即为煤样解 吸测定前的暴露时间t0，显然，瓦斯损失量为 （6－6） 式中Qs煤样瓦斯损失量，ml/g； t0解吸测定前煤样暴露时间，min。 k t k t k v dttvQ −− ∫ − 1 0 1 1 1 k s t k v Q − − 1 0 1 1 由式6－6可以看出，当k≥1时，无解；因 此，利用幂函数规律求算瓦斯损失量仅适用于k＜ 1的场合，为此在采煤样时应尽量选取较大粒度的 煤块。当k≥1时，可以采用地勘期间煤层瓦斯含 量测定方法（式6-2）或图解法计算损失瓦斯量。 应用该法测定煤层瓦斯含量时，同样需要测 定钻屑的现场解吸量Q1和实验室测出的试样粉碎 前后瓦斯脱出量Q3和Q4，将Q1＋Q2＋Q3＋Q4值除以 钻屑煤样的重量G，即可得到煤层的瓦斯含量，有 关Q1、Q3和Q4的测定方法同前。 13 25 三 煤层瓦斯含量间接测定方法三 煤层瓦斯含量间接测定方法 1.根据煤层瓦斯压力和煤的吸附等温线确定煤层瓦斯含量1.根据煤层瓦斯压力和煤的吸附等温线确定煤层瓦斯含量 根据根据已知煤层瓦斯压力和实验室测出的煤对瓦斯吸附 等温线，可用下式确定煤层瓦斯含量 已知煤层瓦斯压力和实验室测出的煤对瓦斯吸附 等温线，可用下式确定煤层瓦斯含量 式中式中 X ──煤层原始瓦斯含量，──煤层原始瓦斯含量，m3/t；； a吸附常数，试验温度下煤的极限吸附量，吸附常数，试验温度下煤的极限吸附量，m3/t；； b吸附常数，吸附常数，MPa-1；； p 煤层绝对瓦斯压力，煤层绝对瓦斯压力，MPa；； Aad煤的灰分，煤的灰分，；； Mad 煤的水分，煤的水分，；； K煤的孔隙率，煤的孔隙率，m3/m3；； γγ煤的视密度，煤的视密度，t/m3。。 100110 P 110010.31 adad ad AMabPK W bPM −− γ 26 2.含量系数法 为了减小实验室条件和天然煤层条件的差异所带来的 误差，中国矿业大学周世宁院士研究提出了井下煤层瓦斯 含量测定的含量系数法，他在分析研究煤层瓦斯含量的基 础上，发现煤中瓦斯含量和瓦斯压力之间的关系可以近似 用下式表示 式中W煤层原始瓦斯含量，m3/t； α煤的瓦斯含量系数，m3/m3Mpa1/2； P瓦斯压力，MPa。γ煤的视密度。 煤层瓦斯含量系数在井下可直接测定得出。 γ p Wα 14 27 3.根据煤的残存瓦斯含量计算煤层瓦斯含量 根据煤的残存瓦斯含量推算煤层原始瓦斯含 量是一种简单易行的方法。在正常作业的掘进工 作面，在煤壁暴露30min后，从煤层顶部和底部各 取一个煤样，装入密封罐，送入实验室测定煤的 残存瓦斯含量。如工作面煤壁暴露时间已超过 30min，则采样时应把工作面煤壁清除0.2～0.3m 深，再采煤样。 28 若实测煤的残存瓦斯含量在3m3/tr以下，按下 式计算煤的原始瓦斯含量 W0＝1.33Wc（6－11） 式中W0纯煤原始瓦斯含量，m3/t； Wc实测煤的残存瓦斯含量，m3/t。 由式（6-11）看出，这时的瓦斯损失量取为定值25。 当煤的残存瓦斯含量大于3m3/tr时，用下式计 算煤的瓦斯含量 W0＝2.05 Wc-2.17 （6－12） 在所采两煤样中，以实测较大的残存量为计算 依据。 15 29 三、深部或某深度处煤层瓦斯含量预测三、深部或某深度处煤层瓦斯含量预测三、深部或某深度处煤层瓦斯含量预测三、深部或某深度处煤层瓦斯含量预测 （一）线性回归分析法（一）线性回归分析法（一）线性回归分析法（一）线性回归分析法 煤矿开采实践表明，在一定深度范围内，矿井瓦斯含量与 煤层赋存深度有线性关系 W aH b（6－20） 式中W煤层瓦斯含量，m3/t； H开采深度，m； a、b回归系数。 当上述线性关系较好时，可以利用该关系进行深部煤层瓦 斯含量预测。该方法适用于以下几种情况生产矿井的延深水 平，生产矿井开采水平的新区，与生产矿井邻近的新矿井。在 应用中，要求生产矿井预测区的地质和煤层赋存条件与获得瓦 斯含量数据的已经开采区域相同或类似。应用线性回归分析法 时预测范围一般沿垂深不超过100～200m，沿煤层倾斜方向不 超过600m。 30 （二）拉格朗日（Lagrange）插值（二）拉格朗日（Lagrange）插值 对生产矿井，有不同深度煤层瓦斯含量WH0， WH1，WH2， ，WHn，且无线性关系或线性关系不好 时，可以利用已经有的瓦斯含量数据预测深度煤层瓦斯含 量，通过拉格朗日插值预测深部煤层瓦斯含量。 假设取区间[a，b]上的n1个节点H0，H1，，Hn，并 且已知函数在这些点PH上的函数值 利用拉格朗日插值方法可得 WHnWH2WH1WH0WH HnH2H1H0H ,2, 21, 10, 0nnnnnnn HfHlHfHlHfHlHfHlHWL 16 其中 式中 W煤层瓦斯含量，m3/t； H煤层埋藏深度，m。 当n1，2时，n次拉格朗日插值多项式即为线性插值多 项式和抛物插值多项式。即有 通过插值，可获得深部或需要深度处的煤层瓦斯含量。 同样，该方法在应用中，要求预测区的地质和煤层赋存 条件与获得瓦斯含量数据的已经开采区域相同或类似。 njni HH HH Hl n ji i ij i nj ,, 1 ,0;,, 1 ,0 0 , LL − − ∏ ≠ 1 01 0 0 10 1 1 Hf HH HH Hf HH HH HW − − − − 2 0212 10 1 2101 20 0 2010 21 2 Hf HHHH HHHH Hf HHHH HHHH Hf HHHH HHHH HW −− −− −− −− −− −− 32 第一节 瓦斯地质规律研究 第二节 瓦斯含量测定和含量预测 第一节 瓦斯地质规律研究 第二节 瓦斯含量测定和含量预测 第三节 矿井瓦斯涌出量预测第三节 矿井瓦斯涌出量预测 第四节 煤与瓦斯突出危险性预测第四节 煤与瓦斯突出危险性预测 第六章瓦斯地质规律和瓦斯预测第六章瓦斯地质规律和瓦斯预测 17 33 一、矿井瓦斯涌出概念一、矿井瓦斯涌出概念一、矿井瓦斯涌出概念一、矿井瓦斯涌出概念 一一一一 瓦斯涌出量的定义瓦斯涌出量的定义瓦斯涌出量的定义瓦斯涌出量的定义 瓦斯涌出量是指在矿井建设和生产过程中从煤与岩石内 涌入采掘空间及抽放管道中的瓦斯量，可用绝对瓦斯涌 出量和相对瓦斯涌出量两个参数来表示。 1.绝对瓦斯涌出量指单位时间涌出的瓦斯体积，单位为 m3/d或m3/min。 式中 Qj──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，％。 第三节第三节第三节第三节 矿井瓦斯涌出量预测矿井瓦斯涌出量预测矿井瓦斯涌出量预测矿井瓦斯涌出量预测 100/CQQj 34 2.相对瓦斯涌出量指矿井在正常生产条件下，平均日产1t 煤同期所涌出的瓦斯量，单位是m3/t。 式中qx──相对瓦斯涌出量，m3/t； Qj──绝对瓦斯涌出量，m3/d， Ad──日产量，t/d。 瓦斯涌出量中除开采煤层涌出的瓦斯外，还有来自邻 近层和围岩的瓦斯，所以相对瓦斯涌出量一般要比瓦斯含 量大。 d j x A Q q 18 35 矿井瓦斯等级划分矿井瓦斯等级划分 高瓦斯矿井高瓦斯矿井低瓦斯矿井低瓦斯矿井 矿井相对 瓦斯涌出量 小 于 10m 矿井相对 瓦斯涌出量 小 于 10m3 3/t ，且矿井绝 对瓦斯涌出 量 小 于 40 m /t ，且矿井绝 对瓦斯涌出 量 小 于 40 m3 3/min。/min。 矿井相对瓦斯涌出量大于10m矿井相对瓦斯涌出量大于10m3 3/t或矿井 绝对瓦斯涌出量大于40m /t或矿井 绝对瓦斯涌出量大于40m3 3/min。/min。 煤与瓦斯突出矿井煤与瓦斯突出矿井 发生 煤 （岩）与瓦 斯突出矿井 、鉴定有煤 与瓦斯突出 危险的矿井 。 发生 煤 （岩）与瓦 斯突出矿井 、鉴定有煤 与瓦斯突出 危险的矿井 。 根据矿井相对瓦斯涌出量、矿井绝 对瓦斯涌出量和瓦斯涌出形式划分为 根据矿井相对瓦斯涌出量、矿井绝 对瓦斯涌出量和瓦斯涌出形式划分为 低瓦斯矿井中，相对瓦斯涌出量大于低瓦斯矿井中，相对瓦斯涌出量大于低瓦斯矿井中，相对瓦斯涌出量大于低瓦斯矿井中，相对瓦斯涌出量大于 10m10m10m10m 3 3 3 3 /t/t/t/t或有瓦斯喷出的个别区域（采区或工作或有瓦斯喷出的个别区域（采区或工作或有瓦斯喷出的个别区域（采区或工作或有瓦斯喷出的个别区域（采区或工作 面）为高瓦斯区，该区按高瓦斯矿井管理。面）为高瓦斯区，该区按高瓦斯矿井管理。面）为高瓦斯区，该区按高瓦斯矿井管理。面）为高瓦斯区，该区按高瓦斯矿井管理。 （二）矿井瓦斯等级划分（二）矿井瓦斯等级划分 36 矿井瓦斯等级鉴定矿井瓦斯等级鉴定 测点选择测点选择鉴定时间和基本条件鉴定时间和基本条件 在七月或八月上、中 、下旬中各取一天（间隔 10天），分三个班（或四 个班）进行测定工作。被 鉴定的矿井、煤层、水平 或采区的回采产量应达到 该地区设计产量的60％。 在七月或八月上、中 、下旬中各取一天（间隔 10天），分三个班（或四 个班）进行测定工作。被 鉴定的矿井、煤层、水平 或采区的回采产量应达到 该地区设计产量的60％。 通风机的风硐、各水 平、各煤层和各采区的回 风道测风站内。如无测风 站，可选取断面规整并无 杂物堆积的－段平直巷道 做测点。 通风机的风硐、各水 平、各煤层和各采区的回 风道测风站内。如无测风 站，可选取断面规整并无 杂物堆积的－段平直巷道 做测点。 测定内容测定内容 测定内容 为风量和风流 中甲烷、二氧 化碳浓度。 测定内容 为风量和风流 中甲烷、二氧 化碳浓度。 生产矿井生产矿井每年必须进行矿井瓦斯等级 鉴定，同时进行二氧化碳涌出量的测定， 作为核定和调整风量的依据。 每年必须进行矿井瓦斯等级 鉴定，同时进行二氧化碳涌出量的测定， 作为核定和调整风量的依据。 新井新井没计前，地勘部门根据各煤 层的瓦斯含量资料，预测矿井瓦斯等 级，作为计算风量的依据。 没计前，地勘部门根据各煤 层的瓦斯含量资料，预测矿井瓦斯等 级，作为计算风量的依据。 19 37 二、煤层瓦斯涌出形式二、煤层瓦斯涌出形式 （一）正常瓦斯涌出（一）正常瓦斯涌出 从煤层、岩层以及采落的煤矸石中比较均匀的释放 出瓦斯的现象即为正常式涌出瓦斯，这是煤层瓦斯涌出的 主要形式。 （二）瓦斯喷出（二）瓦斯喷出 大量瓦斯在压力状态下，从肉眼可见的煤、岩裂缝及 空洞中集中涌出，即为瓦斯喷出。一般都伴随有声响效 应，如吱吱声、哨声、水的沸腾声等。一般认为，在正常 通风条件下，短时间内，使巷道瓦斯浓度严重超限，并持 续一定时间少则几十分钟，多则几年的瓦斯涌出属于瓦 斯喷出。2001版煤矿安全规程规定“从煤体或岩体裂隙、 孔洞或炮眼中大量瓦斯（二氧化碳）异常涌出的现象。在 20m巷道范围内，涌出瓦斯量大于或等于10m3/min，且持 续时间在8h以上时，该采掘区即定为瓦斯（二氧化碳）喷 出危险区域。” 喷出式瓦斯涌出必须有大量积聚游离瓦斯的瓦 斯源，按不同生成类型，瓦斯喷出源有两种地质 生成瓦斯源和生产生成瓦斯源。 1.地质生成瓦斯源1.地质生成瓦斯源 地质生成瓦斯源是指喷出的瓦斯来源于成煤地 质过程中，大量瓦斯积聚在地质的裂隙和空洞内， 当采矿工程揭露这些地层时，瓦斯就从裂隙及空洞 中涌出，形成瓦斯喷出。如阳泉、中梁山等矿区从 顶底板石灰岩的溶洞型孔隙中喷出大量瓦斯就属于 地质生成瓦斯源。阳泉一矿12号煤层四尺煤三下 山底板，当钻孔穿过K3层石灰岩时，曾从裂隙中喷 出了1132万m3瓦斯在一年时间内。 20 39 2.生产生成瓦斯源 生产生成瓦斯源是指喷出的瓦斯来源于因 开采松动卸压的影响，使开采层邻近的煤层卸压 而形成大量解吸瓦斯，当游离瓦斯积集达到一定 能量时，冲破层间岩石而向回采巷道喷出。如南 桐矿区开采近距离上保护层后，从底板向回采工 作面突然喷出大量瓦斯，就是属于生产生成瓦斯 源的典型喷出事例。 40 （三 煤与瓦斯突出 煤岩与瓦斯二氧化碳突出是含瓦斯的煤、 岩体，在压力地层应力、重力、瓦斯压力等作 用下，破碎的煤和解吸的瓦斯从煤体内部突然向 采掘空间大量喷出的一种动力现象。在突出过程 中，瞬间瓦斯涌出量及瓦斯涌出总量是非常惊人 的，如我国最大的天府三汇一矿6号煤层的突出， 在突出后1小时实测瞬间瓦斯涌出量达 3960m3/min，在突出后的2小时45分钟时，瓦斯涌 出量仍有35m3/min，在这期间总计涌出瓦斯量为 140万m3，抛出煤炭及岩石共12780t。 21 41 三、影响矿井瓦斯涌出量的主要因素 整个矿井的瓦斯涌出量称为矿井瓦斯涌出量； 对个别煤层、水平、采区或工作面而言，则分别称 为煤层、水平、采区或工作面的瓦斯涌出量。瓦斯 涌出量的大小主要取决于下述自然因素和开采技术 因素。 （一煤层和围岩的瓦斯含量 （二开采深度影响 （三开采规模影响 （四开采顺序与开采方法影响 （五）地面大气压力的变化 42 四、矿井瓦斯涌出量预测方法四、矿井瓦斯涌出量预测方法 预测方法预测方法 矿山统计法矿山统计法分源预测法分源预测法 矿 山 统 计 法 的实质是根据 对本井或邻近 矿井实际瓦斯 涌出量资料的 统计分析得出 的矿井瓦斯涌 出量随开采深 度变化的规律 ，来推算新井 或延深水平的 瓦斯涌出量。 矿 山 统 计 法 的实质是根据 对本井或邻近 矿井实际瓦斯 涌出量资料的 统计分析得出 的矿井瓦斯涌 出量随开采深 度变化的规律 ，来推算新井 或延深水平的 瓦斯涌出量。 井下涌出瓦斯的地点即 为瓦斯涌出源。瓦斯涌出源 的多少、各涌出源涌出瓦斯 量的大小直接决定着矿井瓦 斯涌出量的大小。 应用分源预测法预测矿 井瓦斯涌出量，是以煤层瓦 斯含量、煤层开采技术条件 为基础，根据各基本瓦斯涌 出源的瓦斯涌出规律，计算 回采工作面、掘进工作面、 采区及矿井瓦斯涌出量。 井下涌出瓦斯的地点即 为瓦斯涌出源。瓦斯涌出源 的多少、各涌出源涌出瓦斯 量的大小直接决定着矿井瓦 斯涌出量的大小。 应用分源预测法预测矿 井瓦斯涌出量，是以煤层瓦 斯含量、煤层开采技术条件 为基础，根据各基本瓦斯涌 出源的瓦斯涌出规律，计算 回采工作面、掘进工作面、 采区及矿井瓦斯涌出量。 瓦斯地质统计法瓦斯地质统计法 根据本矿井或邻近 矿井实际瓦斯地质 资料，在搞清矿井 瓦斯地质规律的基 础上，划分瓦斯地 质单元，分析影响 瓦斯涌出量大小的 主控因素，建立瓦 斯涌出量与主控因 素的数学模型，预 测新水平或新建矿 井瓦斯涌出量的方 法。 根据本矿井或邻近 矿井实际瓦斯地质 资料，在搞清矿井 瓦斯地质规律的基 础上，划分瓦斯地 质单元，分析影响 瓦斯涌出量大小的 主控因素，建立瓦 斯涌出量与主控因 素的数学模型，预 测新水平或新建矿 井瓦斯涌出量的方 法。 22 43 四、矿井瓦斯涌出量预测法 （一）矿山统计法 1.简易统计法 1） 在风化带以下的甲烷带内，当煤层瓦斯地质 条件和开采条件变化不大时，相对瓦斯涌出量随采 深呈近似线性关系。 （6-17） 式中q矿井相对瓦斯涌出量，m3/t； H开采深度，m； H0瓦斯风化带深度，m； α对瓦斯涌出量随开采深度的变化梯度，m/m3/t； 2 0 − α HH q 44 2）α值的确定 （1）当有瓦斯风化带以下两个水平的实际相对瓦斯涌出量 资料时 式中H2瓦斯带2水平的开采深度，m； H1瓦斯带1水平的开采深度，m； q2在深度H2的相对瓦斯涌出量，m3/t； q1在深度H1的相对瓦斯涌出量，m3/t； （2）当有瓦斯风化带以下多个水平的实际相对瓦斯涌出量 资料时 式中Hi第i个水平的开采深度，m；qi第i个水平的相对瓦斯涌出 量，m；n统计的开采水平个数。 12 12 qq HH − − α ∑∑∑ ∑∑ − − n i i n i ii n i i n i i n i i qHnqH HnH 111 2 1 2 1 α 23 45 3）H0的确定 根 据 实 测 煤 层瓦斯基本参数确定，瓦斯风化带的下 部边界可参照下列条件确定 甲烷 及 重 烃 的浓 度 之和 占气 体组分的80按体积; 瓦斯 压 力 P 0.10.15 M Pa ; 相对 瓦 斯 涌 出量 q CH4 2 3m 3/t; 煤 层 的 瓦 斯 含 量 W1.0～1.5 m3/t（燃）长焰煤 W1.5～2.0 m3/t（燃）气煤 W2.0～2.5 m3/t（燃）肥、焦煤 W2.5～3.0 m3/t（燃）瘦煤 W3.0～4.0 m3/t（燃）贫煤 W5.0～7.0 m3/t（燃）无烟煤 2 110 −−qHHα 46 2.线性回归法 式中 a相对瓦斯涌出量梯度，m3/tm； b线性回归常数； H深度，m； baHq ∧ 24 47 3 使用条件及要点3 使用条件及要点 ① 生产矿井的延深水平、生产水平的新采区、与生产矿井邻近的 新矿井，在应用中必须保证预测区的开采技术条件、地质条件与生产 区相同或类似。 ② 应用统计预测法时的外推范围一般沿垂深不超过 ① 生产矿井的延深水平、生产水平的新采区、与生产矿井邻近的 新矿井，在应用中必须保证预测区的开采技术条件、地质条件与生产 区相同或类似。 ② 应用统计预测法时的外推范围一般沿垂深不超过100～～200m， 沿煤层倾斜方向不超过 ， 沿煤层倾斜方向不超过600m。 ③某些矿井相对瓦斯涌出量与开采深度之间并不呈线性关系，即 。 ③某些矿井相对瓦斯涌出量与开采深度之间并不呈线性关系，即a 值不是常数，此时，应首先根据实际资料确定值不是常数，此时，应首先根据实际资料确定a值随开采深度的变化规 律。 ④ 工作面从开切眼形成到第一次放顶期间，由于瓦斯涌出尚未达 正常状态，在该段时间内的测定数据不能在统计分析中应用； ⑤ 在采煤不正常的情况下测得的瓦斯涌出量，以及地质变化带采 区瓦斯涌出量变化很大的情况下测得的瓦斯涌出量，均不能在统计分 析中应用。 ⑥ 在实施瓦斯抽放的采区和工作面，还应考虑抽放瓦斯的影响。 值随开采深度的变化规 律。 ④ 工作面从开切眼形成到第一次放顶期间，由于瓦斯涌出尚未达 正常状态，在该段时间内的测定数据不能在统计分析中应用； ⑤ 在采煤不正常的情况下测得的瓦斯涌出量，以及地质变化带采 区瓦斯涌出量变化很大的情况下测得的瓦斯涌出量，均不能在统计分 析中应用。 ⑥ 在实施瓦斯抽放的采区和工作面，还应考虑抽放瓦斯的影响。 48 二瓦斯地质统计法 1 瓦斯地质统计法的基本原理 通过研究瓦斯地质规律，分析瓦斯涌出 量的变化规律，筛选影响瓦斯涌出量变化的 主要地质因素。在此基础上，根据矿井已采 工作面的瓦斯涌出量实测资料和相关的地质 资料，综合考虑包括开采深度在内的多种影 响因素，采用一定的数学方法，建立预测瓦 斯涌出量的多变量数学模型预测方程；利 用所建立的数学模型，对矿井未采区域的瓦 斯涌出量进行预测。 25 49 二瓦斯地质统计法 2 预测方法及步骤 （1） 分析瓦斯涌出的影响因素 （2） 建立预测瓦斯涌出量的数学模型 （3） 预测未采区域瓦斯涌出量 （4） 填绘瓦斯地质图 50 向 斜 -500 郭 矿 -400 -400 庄 -600 11.15 12.99 1236 01.8 12.05 11.95 1452 01.10 12.47 10.30 1744 01.11 11.83 11.25 1514 00.4 12.33 13.14 1351 00.5 12.80 18.67 987 00.6 9.32 9.96 1348 02.1 10.95 12.91 1221 02.3 10.41 12.32 1217 02.5 11.58 11.58 1440 98.3 11.62 13.66 1225 98.4 5.01 4.98 1450 01.02 5.8 6.2 1347 01.03 15.54 12.45 1797 97.4 15.49 13.98 1595 97.3 10.52 9.12 1662 99.1 14.61 15.31 1374 98.11 16.01 14.87 1550 98.9 15.41 19.45 1141 98.7 9.24 8.91 1493 96.3 9.93 13.22 1082 96.1 10.78 12.69 1223 95.11 8.06 9.31 1247 95.10 8.50 7.66 1597 95.8 8.39 8.41 1436 95.6 9.68 12.05 1157 95.3 6.49 7.64 1223 94.10 6.5 9.91 945 94.9 21.01 15.73 1832 01.10 25-15 25-7 158.68 -347.22 2.5 25-9 125.56 -305.14 2.0 25-9 161.95 -574.31 2.82 25-8 145.31 -410.872.25 24-8 306.63 -628.24.0 24-9 191.92 -476.82 4.07 24-11 191.62 -485.56 4.3 152.27 -330.12 5.92 23-4 -320.99 94.79 5.87 93.756 -177.71 83.556 -140.0 主井 副井 主斜井 北翼进风井 己四风井 -400 -300 突 170t 02.11.18 突 1.45MPa -318.5 P 1.15MPa -403 PP 1.07MPa -403.5 2.07MPa -431.5 P 1.5MPa -433 P 17.97 0.39 9.54 0.42 17.880.45 123 0.251260.5 14.510 0.6419.1 9 0.47 11.44 0.35 406 0.15 194 0.21 14.540.54 6.54 0.62 庄 逆 断层 30 25 20 15 15 15 10 5 11000m 240t 2003.8.10 突 5500m 3 牛 0 北翼风井 下盘 上盘 涌出量 5 170t 02.11.18 突 11000m3 1.45MPa -318.5 P 10.41 12.32 1217 02.5 合并区 200m ▲ ▲▲ ▲▲▲▲▲▲▲ ▲▲▲ ▲▲ ▲ ▲ 北 ▲▲ ▲ ▲▲ ▲▲▲▲ ▲▲ ▲ ▲▲ ▲ ▲ ▲ 3 1 1 1 11 1 1 1 1 111 5m3/min 涌出量 5-10m3/min 涌出量 10-15m3/min 涌出量 15m3/min 突出点 测压点 瓦斯突出 预测参数 采样点 采面回采 瓦斯涌出 量点 绝对瓦斯 涌出量实 测等量线 绝对瓦斯 涌出量预 测等量线 瓦斯突出 危险区 瓦斯突出 威胁区 向斜轴 断 层 上下盘 正断层 逆断层 煤层底板 等高线 见煤钻孔 406 0.15 1 15 25-9 125.56 -305.14 2.0 背斜轴 井田边界 煤层分叉 合并线 以下区域 区域 区域 以上区域 比例尺 24-5 背 斜 张子敏 主编，闫江伟 清绘，2006.06 326t 01.1.23 18816m 3 -200 平 顶 山 十 矿 己 15 煤 层 瓦 斯 地 质 图 26 51 平顶山八矿瓦斯地质图平顶山八矿瓦斯地质图 -200 八 矿 皮 带 上 山 张 湾 正 断 层 任 庄 正 断 层 霍 堰 正 断层 -800 -700 -600 -500 -400 -300 -900 -1000 -900 -800 -800 -700 -600 -500 -400 -300 -400 -500 -600 -700 -800 -900 -1000 132t 1998.12.4 突 突 215t 1999.1.25 w 15m /t -470 3 30 25 20 15