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第十章 矿井瓦斯涌出量预测 矿井瓦斯涌出量预测是新矿井、 新水平或新采区设计的重要组成部分。 矿井瓦斯涌出量 直接影响到通风设计中巷道断面、通风方式和风机选型等一系列参数的合理确定。 一、矿井瓦斯来源 1．按空间颁布划分 1）掘进区瓦斯主要包括煤巷掘进工作面瓦斯和煤壁排放的瓦斯。掘进区瓦斯其瓦斯 涌出量的大小与煤层瓦斯含量、煤巷掘进方式、掘进速度等因素有关。煤壁瓦斯涌出量与巷 道暴露时间有关，二者关系呈现近似双曲线关系，其经验公式表为如下形式 β1 0 t K K 式中，K通过1t时间后，煤壁甲烷喷出系数，m3/m2d； K0相当于t0 时，煤壁甲烷喷出系数，m3/m2d； t煤壁暴露时间，d； β常数，决定于煤质。 K0值大小与甲烷含量 Xm3/t有关，随含量增加而增大。β 和 K 值皆小于 1，在阳泉北头 咀七呎煤为 K00.59X m3/m2d。β 值为 0.83～0.93。 2）采煤区瓦斯主要来自工作面暴露的煤壁及采落的煤炭，也有一部分来自采空区。 采煤区瓦斯除与煤层瓦斯含量有关之外，还与采高、采煤方法、回采速度等有关。对于分层 开采的厚煤层，其顶分层和底分层也有明显差异，一般顶分层瓦斯较大。各矿井瓦斯地质和 开采技术条件不同，采煤区瓦斯构成也有所区别。例如，四川松藻矿区打通一矿和山西阳泉 一矿虽然同具综采工作面，但是两个综采工作面涌出瓦斯的构成却大不一样（表 10- 1） 。 3）采空区瓦斯其大小主要与邻近煤层的有无、厚薄、层间距、瓦斯含量以及本煤层 的顶板管理方法等有关。 表 10- 1 工作面涌出瓦斯构成 矿井 项目 落运煤涌出 煤壁涌出 邻近层涌出 合计 打通一 井 平均值 涌出比 1.79m3/min 57 1.35m3/min 43 3.14m3/min 100 阳泉一 井 平均值 涌出比 4.4m3/min 40.66 4.4m3/min 40.66 2.02m3/min 18.67 10.82m3/min 100 开采近距离煤层群的矿井，首采煤层的瓦斯涌出量将可超过煤层本身瓦斯含量的若干 倍。例如，四川中梁山煤矿有上、下两个煤组，上煤组有 5 层煤，层间距分别为 5～18、4～ 7、0.5～3、0.5～6m。作为首采层的上煤组一号煤层，其绝对瓦斯涌出量比按该煤层本身瓦 斯含量计算的可涌出瓦斯量大 3～5 倍以上。来源于邻近层的瓦斯量，为本煤层直接涌出瓦 斯量的 4～5 倍（图 10- 1） 以上三部分瓦斯涌出的构成，各矿井也有差别。例如，四川芙蓉矿区白皎矿和河南焦作 矿区焦西矿的瓦斯涌出量构成分别如表 10- 2 所示。同一矿井不同时期的矿井瓦斯涌出量及 其构成也是有明显差别的。 表 10- 2 矿井瓦斯涌出量构成 掘进区 采煤区 老空区 总计 矿井 m3/min m3/min m3/min m3/min 备注 白皎矿 焦西矿 13.5 4.18 25.2 41.97 33.39 1.09 62.3 10.94 62.3 4.69 12.5 47.09 53.6 9.96 100 100 1986 年 1964 年 2．按瓦斯涌出来源划分 1）本煤层瓦斯主要由掘进、回采涌出的瓦斯组成。邻近层和围岩中的瓦斯主要通过 天然裂隙和采矿裂隙入采掘空间的。 四川南桐煤矿二井， 开采二叠系龙潭组的煤层， 由于底板茅口灰岩大巷处于乌龟山背斜 北端，岩层张裂隙发育，煤层中地瓦斯通过裂隙沟通，曾出现大量的瓦斯涌出。 研究矿井瓦斯来源是进行矿井瓦斯量预测的重要内容。 在研究中既要考虑瓦斯地质条件， 也 要分析采矿技术条件。同时，预测工作也要与设计和生产的阶段密切配合进行。这些，后面 将分别予以介绍。 二、根据瓦斯梯度预测瓦斯涌出量 如前所述，瓦斯梯度即矿井相对瓦斯涌出量增加 1m3/t 矿井深度增加的米数，它可通过 下式求得 12 12 qq HH a − − 式中，a瓦斯梯度，m/m3t； H1、H2瓦斯风化带以下两次测定涌出量的深度，m； q1、q2对应于 H1、H2的相对瓦斯涌出量，m3/t。 深部水平的瓦斯涌出量可利用瓦斯梯度进行推算 0 0 q a HH q − 14 12 10 8 6 4 2 0 10 2030 40 50 60 70 80 m 本层涌出量线 1 月 2 月 北井 2326 采面 南井 2322 采面 北井 2321 采面 南井 3322 采面 q m3/min 图 10- 1 中梁山首采工作面本层瓦斯涌出量 式中，q欲求深度的相对瓦斯涌出量，m3/t； H对应于 q 的深度，m； H0瓦斯风化带深度，m； a瓦斯梯度，m/m3t q0H0处的相对瓦斯涌出量，m3/t，一般取 2。 瓦斯梯度是计算瓦斯涌出量的一个关键参数， 由于各煤田和矿井的瓦斯地质条件开采技 术条件不同， 因而瓦斯梯度也有差异， 即使同一井田内同一煤层在同一水平也有差别。 因此， 在煤层瓦斯地质和开采技术条件有明显变化的矿井， 应采用分区段求出瓦斯梯度， 进行分区 段预测的方法。 例如，陕西铜川矿区王家河煤矿的主采煤层为 10 号层，经统计分析认为，影响 10 号层 区须瓦斯涌出量不稳定的主要因素是邻近的 9 号、 6 号及 5 号煤层的赋存的情况和煤厚变化。 因而在对邻近各煤层赋存情况进行分析和编制邻近煤层等厚线的基础上（图 10- 2）进行了 区段划分，并按区段进行统计（图 10- 3）得到不同区段的回归方程，然后分区段进行预测 （表 10- 3） 。 0.5 0.5 0 0.5 1.0 0 0.5 0.5 0.5 0 0.5 0 东 三下 三上 东 东二上 0 东二下 东一下 0.5 0.5 东一上 0.7 采区边界 6 号煤等厚线 9 号煤等厚线 5 号煤等厚线 图10- 2 铜川矿区王家河井田邻近煤层等厚线图 35 25 15 5 0 360 400 440 东一采区东翼 q m3/t q采0.044H- 3521.464.1 q采0.09H- 3501.23 q采0.63H- 3650.72.5 q采0.097H- 3600.893 东二采区东翼 东三采区东翼 东一采区西翼 东二采区西翼 东三采区西翼 图 10- 3 铜川矿区王家河井田分区段瓦斯量与开采深度的关系 又如， 北票矿区台吉矿也曾根据获得的瓦斯涌出量与深度关系的回归方程， 进行过深部 瓦斯涌出量预测（图 10- 4） 表 10- 3 王家河井田预测区段及预测方程 时间（年月） 区段资料来源 预测区段 预测方法 1965．5 东一盘区 7 个区段 东二盘区 3 个区段 预测东二盘区 Q采0.09H- 3000.893 1969．7 东二盘区 9 个区段 东一盘区 1 个区段 风井设计预测东二盘区 Q采0.63H- 3650.72.5 1973．3 东二盘区 13 个区段 东一盘区 1 个区段 规划设计及预测东三盘区 Q采0.09H- 3501.23 1977．9 东二盘区 5 个区段 东三盘区 7 个区段 规划设计及预测东三盘区 Q采0.044H- 3521.464.1 三、以瓦斯含量为基础的预测方法 下面介绍的矿井瓦斯涌出量预测方法是由苏联科学院矿业研究所提出的。 （1）矿井相对瓦斯涌出量 q0 q0q1q2q3，m3/t 式中，q1采煤区平均相对瓦斯涌出量，m3/t； q2独立通风的掘进区平均相对瓦斯涌出量，m3/t； q3老空区平均相对瓦斯涌出量，m3/t。 全井各采区总平均相对瓦斯涌出量 q1按下式计算 tm a aq q n i o i n i o i o i /, 3 1 1 1 ∑ ∑ − 60 50 40 30 20 10 0 100 200 300 400 500 r0.75 σq10.63 q m3/t q0.09H- 6.82 Hm 台吉一井 台吉二井 台吉三井 台井四井 图 10- 4 北票矿区台吉矿深部瓦斯预测 式中， o i o i aq 及每个采区的相对瓦斯涌出量及其相应的平均日产量。 （2）采区的相对瓦斯涌出量 o i q , 321 0 1 ′ ′ ′ qqqq m3/t 式中， ′ 1 q开采煤层瓦斯涌出量，m3/t； ′ 2 q邻近层瓦斯涌出量，m 3/t ； ′ 3 q受采动影响的围岩瓦斯涌出量，m3/t。 （3）开采煤层的相对瓦斯涌出量 ′ 1 q ′ 1 q 1021 0 XXKK m m s − 式中， 0 m煤层厚度（夹矸按层厚的 1/2 计算） ，m； s m煤层采出厚度，m； 1 K与采煤方法有关的系数； 2 K考虑煤注的瓦斯涌出系数。 采用长壁式采煤方法时 Lh（LK/ 2 1 − 式中，L采煤工作面长度，m; h巷道瓦斯排放带宽度，m,h的取值如表 10- 3。 表 10- 3 巷道瓦斯排放带宽度 无烟煤、贫煤 瘦煤、焦煤 其它煤种 10m 14m 18m 采用全面采煤方法时， 2/22 1 bLbhLK 式中，b煤巷宽度，m。 煤柱瓦斯涌出系数 ∑ LlK/ 2 式中，∑l采空区中残留煤柱沿倾斜方向的宽度，m。 运到地表的煤中残存瓦斯含量 1 Q值按表 10- 4 选取。 表 10- 4 运到地表的煤中残存瓦斯含量 煤的挥发份 r V 残存瓦斯含量 1 Q′ （m3/t 可燃质） 2～8 8～12 12～18 18～26 26～35 35～42 42～50 12～8 8～7 7～6 6～5 5～4 4～3 3～2 表中残存瓦斯含量 ′ 1 Q，应用时按下式换算为单位重量煤中含有的瓦斯 1 Q（m3）; , 31 . 0 1 100 100 1 1 f ff W WAQ Q −− ′ m3/t 可燃质 式中， ff AW ,煤中水分及灰分含量，。 （4）邻近层相对瓦斯涌出量 ′ 2 q 1 1 0 2 p i n i ii i h h QQ m m q− ′ − ′ ∑ 式中， i m第i层邻近层厚度（炭质页岩采取其厚度的一半） ； m开采层采出厚度，m； 0 i Q第i层邻近层瓦斯含量，m3/t； ′ i Q第i层残存瓦斯含量，m3/t； i h邻近层到开采层的垂直距离，m； p h开采层采动后，顶、底板岩石受影响的范围，在此范围内的邻近层能够排出 瓦斯，在此范围外的邻近层不能排出瓦斯。 开采层顶板的影响范围按下式计算 ,cos2 . 1 αmZh Kp m 式中， k Z与顶板管理方法有关的系数。对于采高为m2.5m的煤层，用全部陷落法管 理顶板时 k Z60；用局部充填法管理时 k Z45； α煤层倾角。 开采层底板的影响范围 p h35m。 开采急倾斜煤层时的影响范围按下式计算 ,cos2 . 1 α−mZh Kp m 如果开采层上部或下部某一煤层首先开采， 则受到开采影响的可采层由于已经部分地排 放瓦斯，因而其瓦期含量降低为 ′ 0 X，其值可以按下式计算         −−−′ p i i h h QQQQ1 000 （5）围岩相对瓦斯涌出量 3 q′ tmqKq n /, 3 13 ′′ 式中，Kn决定于顶板管理方法的围岩瓦斯涌出系数全部陷落法时，Kn0.25；局部充 填法时，Kn0.2；全部充填法时，Kn0.1。 （6）掘进巷道相对瓦斯涌出量 q2 A q q n i pi∑ 1 2 式中，qpi各独立通风掘进区绝对瓦斯涌出量，m3/d； A预测区（矿井、翼、水平）平均日产煤量，t。 dmqqq ipi /,1440 3 2 ′′ 式中， pi q巷道煤壁瓦斯涌出量，m3/min         −′′12 0 01 c c r L qmmrq 式中，N暴露煤壁个数； m煤层厚度，m； rc平均掘进速度，m/min； Lo巷道掘进长度，m； 0 q′ 煤壁瓦斯涌出初速度，m3/m2min 0 q′ 0.026Q0[0.0004vr20.16] 掘进落煤瓦斯涌出量 102 QQdmbrq c −′ 式中，b巷道宽度，m； d煤的容重，t/m3。 （7）老空区瓦斯涌出量 q3 q3K（q1q2） 式中，K老空区瓦斯涌出系数，一般为 0.150.25。 四、影响矿井瓦斯涌出量的地质因素 矿井瓦斯涌出量是一个动态参数， 不仅取决于煤层瓦斯含量和开采深度， 而且与一系列 瓦斯地质和采矿技术条件有关。同一煤层即使瓦斯含量相同，但由于采掘布置和采煤方法、 采掘工艺、采掘时期的不同，瓦斯涌出量亦将发生变化；瓦斯含量相同的煤层，由于煤层特 征和含煤岩系中各煤层组合关系的不同，也将影响到瓦斯涌出量的差异。因此可以说，瓦斯 涌出量是一个受多因素综合影响的参数，是可变参数。 分析和研究影响瓦斯涌出量变化的因素， 是进行瓦斯涌出量预测的重要课题， 也是从事 通风安全工作和研究人员的重要任务。 我们在这里主要对地质条件有关的问题作些简要的介 绍。 瓦斯涌出受瓦斯流动场的控制。当在煤层中进行采掘活动时，原来赋存在煤、岩层中处 于平衡封闭状态的瓦斯气体， 由于煤层边界条件受到破坏而形成透气裂隙， 使原来煤层中处 于游离状态的瓦斯和由于采矿因素形成的解吸后的游离瓦斯从煤体的暴露面渗入掘进巷道、 采场和采空区。这样，在掘进巷道、采场和采空区将形成一个瓦斯流动场。不同采掘地点和 采掘阶段，其流动场是有差异的。这种差异性的主要影响因素是煤层的渗透性、瓦斯压力梯 度。 在正常压力范围内， 煤层内的瓦斯流动属于层流运动， 瓦斯的流动速度与压力差成正比， 与煤的渗透率成反比，服从达西定律。从地质角度进行瓦斯涌出量的分析，要着重讨论影响 煤层渗透性和瓦斯压力梯度的地质条件。 1．煤的渗透率的影响 煤层的渗透率是煤层中瓦斯流动难易程度标志。渗透率大，瓦斯流动就容易。在第一章 煤层瓦斯的运移一节所介绍的瓦斯渗透公式中，可以看出瓦斯流量与渗透率、流动面积、 瓦斯压力梯度成正比，与瓦斯粘度成反比。 根据周世宁教授对大屯姚桥矿、 焦作中马村矿、 鹤壁六矿和南桐二井不同变质程度的煤 样进行的瓦斯渗透率试验研究， 在围压力不变时， 煤的渗透率与煤的变质程度和煤的硬度有 密切关系。 变质程度高的无烟煤和变质程度低的气煤， 其孔隙率大， 变形值小， 渗透率较大； 而变质程度中等的煤却恰好相反，孔隙率小，变形值大，渗透率较低（图 10- 5） 。 图 10- 5 中，1、2、3、4 号曲线分别为大屯姚桥矿（气煤） 、焦作中马村矿（无烟煤） 、 鹤壁六矿 （瘦煤） 南桐矿二井 （焦煤） 各矿孔隙压力 P 和渗透率 K 关系曲线。 曲线 5、 6、 7、 、 8 分别为上述四个矿的煤样所测得的煤的孔隙压力 P 和煤样变化值 S 的关系曲线。 K D10- 5 m3/t 1.20 0.90 0.60 0.30 0 0.8 1.6 2.4 3.2 4.0 2.80 2.10 1.40 0.70 7 6 8 5 3 2 1 4 PMPa 图 10- 5 孔隙压力与渗透率和煤样变形值关系曲线 （围压力 2.45Mpa，垂直层理） S 煤的透气性即煤层对于瓦斯流动的阻力特性， 它同煤的孔隙结构和裂隙有关。 一般情况 下，煤中的微孔（1.01.5nm）和超微孔（＜1.0nm1）构成了煤的吸附容积，在这些容积中 所发生的是吸附和毛细凝结过程；煤中的大孔（＞100nm）和中孔（10100nm）以及煤中 裂隙，构成了煤的渗透容积。因此，煤的透气性只和中孔、大孔以及裂隙有关，而与微孔无 关。 据煤炭科学研究院抚顺研究所高级工程师王佑安、 杨思敬通过压汞试验研究， 破坏类型 不同的煤，其渗透体积有明显的变化。随着煤的破坏程度由 I 级增加大到 V 级，煤的渗透 容积增加了 6 倍（图 10- 6 中曲线 1） ，大孔渗透容积增加了 15 倍以上（图 10- 6 中曲线 2） ， 而中孔容积仅增加了 2.4 倍（图 10- 6 中曲线 3） 。图中横坐标为破坏类型，纵坐标为各类型 煤与 I 类型煤孔隙的比值。 从上可知，瓦斯涌出量与煤的渗透率有关，渗透率由渗透容积所决定，而渗透容积又受 煤的变质程度和破坏程度控制。 煤中的裂隙以及由它们所构成的渗透容积， 统称为煤体的透 气性结构。 煤体的透气性结构可分为煤体的原始透气性和由采矿应力场所造成的次生透气性 结构。 原始透气性结构取决于煤田成因和煤炭赋存的整个地质历史时期中所受地质构造应力 的大小、方向和次数等，这些又影响到煤体中内生和外生裂隙的方向和密度。 2．煤层厚度的影响 仅能作为单一分层开采的薄煤层， 其煤层渗透性和瓦斯压力梯度， 只由本煤层的特征和 瓦斯含量的所决定。作为分层开采的厚煤层，则顶、中底各分层的压力梯度还受开采顺序的 影响，顶分层采掘时，由于它形成的空间和裂隙可以使中分层、底分层中的瓦斯对顶分层产 生瓦斯压力梯度，从而瓦斯由中、底分层向顶分层流动。因而使顶分层瓦斯涌出量加大，并 可以大于该分层瓦斯含量中可涌出的瓦斯时。据统计，焦作顶、中底各分层工作面的绝对瓦 斯涌出量的比例为 1.50.70.5；白沙矿区绝对涌出量的比例为 210.84，相对瓦斯涌出 量的比例为 511.2。 3．煤层组合特征的影响 多煤层开采时，某一煤层涌出瓦斯的来源中，邻近煤层的瓦斯涌出是重要的组成部分。 而本煤层与邻近煤层的层间距、层间岩性特征、邻近煤层的厚度等，对瓦斯涌出量都有直接 的影响。层间距较大时影响小，层间距较小时影响大。据开采解放层的经验，层间距越大， 被解放的危险层的透气性系数增加的幅度相对较小。例如，天府煤矿九号层为突出危险层， 当以与其层间距为 24m 的七号层作解放层时，九号层透气系数增加 50000 倍，而以与其层 间距为 80m 的二号层作解放层时，九号层透气系数只增加 500 倍。前者钻孔瓦斯流量比后 15 10 5 2 1 3 I II III IV V V/V1 图 10- 6 渗透孔隙体积与 煤破坏程度的关系 者大 2.75 倍，且瓦斯排放速度大，瓦斯压力下降快。另外，在近距离解放层开采后，危险 层的瓦斯不仅沿本层流向倾斜上方采空区， 而且通过层间岩体裂隙流向解放层采空区， 流向 解放层采空区的阻力往往还小于沿本层流动的阻力， 而远距离解放层开采后， 则危险层的瓦 斯主要是本层流动，所以远距离解放的瓦斯压力也下降得较慢。 4．断层的影响 断层附近，由于煤层及其顶、底板岩层中产生了一系列的构造裂隙，因而在断层附近往 往出现瓦斯涌出量升高，甚至产生瓦斯喷出现象。 根据焦作矿区的观测，在断层附近瓦斯涌出量的变化呈现“马鞍型”，即在断层附近瓦斯 涌出量呈现明显的分带正常带→升高带→降低带（断层面附近）→升高带→正常带。 淄博矿区岭子一井 1984 年 2 月 9 日在高瓦斯的 740 采区，遇到落差为 1.8m与煤层厚度基 本相同的断层，当巷道穿过断层见煤时，发生了瓦斯喷出现象，并引起了瓦斯燃烧。 5．褶曲瓦斯涌出特征 同一褶曲由于不同部位裂隙的发育情况不同， 因而在不同部位的瓦斯渗出也有区别。 在 裂隙特别发育的地段， 可以形成游离瓦斯的局部富集。 据地质矿产部华北石油地质局在开平 向斜王家河对本煤成气的勘探， 认为构造裂隙是气体的主要储集空间， 王家河岭子背斜倾没 端，由于构造裂隙发育，在此处曾先后施工 4 口井钻井，均获得了工业气流，并证实其为一 小规模的低产、低压浅层煤成气藏。瓦斯流动场由高压向低压方向运移。一个向斜构造的井 田，开采多由翼部向轴部按水平、分阶段进行、因而下部瓦斯将向上部产生运移。在开采翼 部时，由于有深部的瓦斯作为补充，因此往往涌出量大；在开采到轴部时，由于游离瓦斯缺 乏补给来源， 将出现瓦斯涌出量变小的情况。 如徐州大黄山矿下石盒子 3 煤形成一个封闭的 煤盆，该煤层东南翼地层直立倒转，西北翼地层较平缓，倾角一般为 30o40o,构成了一个不 对称的勺状向斜。井田内 3 煤最大埋深仅为 583m。到 1986 年，轴北已采到轴部，轴南开采 接近轴部。 通过资料整理， 回采工作面相对瓦斯涌出量清楚地看到翼部高、 轴部低的特点 （图 10- 7、图 10- 8） 。 4.50 4.50 V- 2 2.5 2.5 3.00 3.20 1.20 大5 5.0 IV- 4 2 - 500 1.50 1.10 1.70 2.20 2.10 5.10 1010 大黄山矿 4.30 3.50 1474 3.80 3.20 2.5 1.30 2.5 1.5 1.10 4.20 F6 1055 - 500 2.5 1.5 2.5 1054 二号井 5.0 4.70 5.40 大1 大2 大 大1 1 大1 2 3 2.5 1.5 3 煤底板等高线 瓦斯相对涌出量等值线 逆断层 正断层 钻孔 煤层露头 图例 图 10- 7 大黄山矿瓦斯地质图 10- 8 大黄山矿瓦斯地质剖面图 I 剖面 1055 1033 补 3 72- 1 1010 补 1 1027 106 322 206 220 344 455 342 340 3 煤 261 536 308 306 633 1 108 100 200 300 400 500 0 6.0 4.5 2.5 1.5 1.7 3.5 5.0 2.1 106 206 220 344 342 340 308 306 108 工作面 0 2 4 6 8 相对瓦斯涌出量（m3/t） - 1 - 第十一章 煤与瓦斯突出预测 一、煤与瓦斯突出预测概述 煤与瓦斯突出预测是瓦斯地质研究工作的一个重要方面。 预测的主要内容是对将要进行 设计和施工的地段（井田、水平、采区或巷道）煤层突出的可能性和危险程度作出判断，作 为设计和施工时制订安全技术措施的依据。 瓦斯突出预测对于确保煤矿安全，加强防突措施的针对性，提高防突效果；对于合理地 进行矿井设计，提高矿井的技术经济效益都有十分重要的意义。 根据预测的范围和精度， 可将瓦斯突出预测划分为区域性预测和突出点预测两大类。 区 域性预测又可分为勘探阶段突出预测和生产矿井区域性预测。 突出点预测可划分为掘进、 回 采工作面预测和石门揭煤预测两种。不同种类的预测，其预测依据、预测精度和服务对象是 不同的。 一般来说， 各种预测工作都是根据过去和现在的实际资料， 运用科学的理论和方法去推 测未来可能出现的情况， 从未来的多种可能性中有选择地指出某一种可能性最大的结果， 并 做出关于该事件发生和发展变化的设想。 瓦斯突出预测应以目前对瓦斯突出机理的认识为基础。 突出机理综合假说已被大多数研 究人员和实际工作者所接受， 因而在选择和确定瓦斯突出预测指标和方法时， 应遵循综合假 说或综合假说为出发点。 地质条件控制瓦斯突出区划的论点与突出机理综合假说是一致的， 是人地质角度对瓦斯 突出颁布规律的概括。这一论点已被理论和实践所证实。在瓦斯突出预测，特别是区域性测 研究中，应重视对地质条件的研究，深入认识瓦斯突出分布与地质条件的关系，进而提出瓦 斯突出预测的地质指标。 突出预测的准确性决定于对瓦斯突出规律认识的深度， 也决定于瓦斯地质资料的可靠程 度。 二、勘探阶段瓦斯突出预测 （一）勘探阶段瓦斯突出预测的目的和任务 煤矿安全规程规定“新建矿井煤层突出危险性，必须由地质勘探部门提供，所在 矿务局在设计任务书中确定，并报上级批准。”“新井建设期间，所在矿务局必须根据揭穿各 煤层的实际情况，重新验证煤层突出的危险性”。 上述规定明确了预测瓦斯突出危险性是地质勘探部门的一项任务。 勘探阶段突出的预测 应反映在井田精查报告中，作为开采技术条件一章的重要内容之一，为矿井设计提供依据。 预测的主要任务是对井田内煤层的突出倾向性作出评价。 煤层突出倾向性评价应包括两个方 面一是对井田内各煤层进行突出倾向性鉴定，划分出突出煤层和非突出煤层；二是对突出 煤层的突出严重程度作出评价，即确定是属于一般突出抑或是严重突出。 在评价煤层突出危险性时， 由于有些煤层突出与否是界限不甚明显， 可以暂时定为突出 威胁煤层，再作进一步的补充测定，重新验证煤层的突出危险性。 （二）勘探阶段瓦斯突出预测的指标及方法 勘探阶段的瓦斯突出预测， 主要是要根据已生产矿区和矿井的瓦斯突出规律， 并依据勘 探钻孔所能测定的参数，确定煤层的突出危险性。我国这一工作尚很薄弱，至今还未纳入勘 探规程，仅少数勘探队在勘探报告中有所体现。 - 2 - 1．煤炭科学研究院抚顺研究所提出的指标和方法 煤炭科学研究院抚顺研究所根据对北票、重庆、梅田、焦作等十几个矿区煤层的测试结 果和统计计算， 于 1982 年提出了煤层和区域突出危险的预测方法， 这一方法已在我国试用。 1）突出危险性的判别指标 该方法选取两个指标作为判别突出危险性的依据 5 . 730075 . 0 −−P f H D （1） fPK/∆ （2） 式中，D煤层突出危险性综合指标； K煤的突出危险性综合指标； H距地表垂深，m； P煤层瓦斯压力，kg/cm2； Δp煤的瓦斯放散指数； f煤的坚固性系数。 按表 11- 1 给出的指标临界值确定突出危险性。 表 11- 1 突出危险判别指标临界值 指标 D K 突出危险性 ＜2.5 非危险 ≥2.5 ＜15 非危险 ≤2.5 ≥15 危险 2）指标的选择依据 选择 D 和 K 两个综合指标是以瓦斯突出机理综合假说为依据的。 D 值考虑了开采深度、 煤层瓦斯压力和煤的坚固性系数三个因素， 分别表征综合假说中的地应力、 瓦斯和煤的物理 力学性质三个方面。 据当前地应力的实测资料， 不论是地层的自重应力还是地质构造应力都随距地表深度的 增加而增大， 因此可以用开采深度来表征地应力因素。 考虑到我国煤与瓦斯突出主要发生在 掘进工作面，巷道周围应力集中系数可取 3，则煤层所承受的压力（考虑到采掘影响）为 3dH/100000.75H，其中 d 为覆盖层的平均容量，2500kg/m3。 煤层坚固性系数为 f，则其单轴抗压强度为 100f。以煤层的加载系数 c 表示煤层承受的 压力与其单轴抗压强度之比，则系数值 C0.75H/100f0.075H/f 从式（1）可以看出，只有当 C0.0075H/f＞3 时，煤层才有可能发生突出。也就是说， 只有当地层自重应力大于煤层的单轴抗压强度的 9 倍（系数 C 确定时已考虑巷道应力集中 系数为 3 倍）时才能发生突出。其原因可能是煤与瓦斯突出第一阶段岩压破碎煤体时，煤处 于复杂应力状态，煤的强度较单轴抗压强度大为提高。 从式（1）还可以看出，煤层发生突出的最小瓦斯压力 P≥7.5kg/cm2，这一结论与国内 绝大多数突出煤层的生产实践是符合的。 此外，D 值煤质方面只考虑了煤的强度性质，即 f 值，而未反映与突出有关的煤的瓦斯放散 指数 Δp 这一参数，因此，又采用综合指标 KΔp /f 作为煤层突出危险性综合指标 D 的附加 - 3 - 指标。 3）突出危险性综合指标诺模图 图 11- 1 是根据式（1）绘出的煤层（区域）突出危险性预测的诺模图。根据图示，当已 知 H、P、f 三因素中任意两个因素时，可求出第三个因素。如已知 H 为 250m，f 为 0.4，则 由图（沿前头方向）可以求出不发生突出的瓦斯压力 P＜9kg/cm2如图中 A 点，已知三因 素时，可确定煤层（区域）的突出危险性，交点在 II 区（如图中 C 点）无突出危险。交点 在 I 区（如图中 B 点）或在曲线上时，则煤层有突出的潜在可能性，应再根据指标 K 来判 断其突出危险性。 4）取样和测试要求 （1）采样钻孔。在地质勘探时期，可结合勘探钻孔布置选择采样孔。选择时应考虑以 下三点一是沿煤层走向和倾向都应有 23 条突出预测采样线，且每条线上有若干采样孔； 二是在地质构造（褶曲、断层和岩浆侵入）地带，要适当增加采样孔数；三是在可能条件下 应按地质构造块进行采样。 （2）煤样测试。勘探采样孔遇每一可采煤层，均用煤心采取器取煤层全层煤样。首先 选出 12 个煤样进行煤层瓦斯含量测定（解吸法或集气式煤心采取器法） ，然后进行吸附等 温线测定，最后求出煤层的瓦斯压力。 对每一煤层煤样，先进行结构破坏类型鉴定，并根据破坏类型将煤层分为若干分层，逐 分层取样进行 Δp 和 f 值测定，选取最软分层（f 值最小）的数据作为鉴别煤层突出危险性的 依据。 2．苏联东方研究所提出的指标和方法 苏联东方研究怕卡拉干达分所对 300 多个煤层煤样进行了分析试验， 经验证后提出采用 B 值作为勘探阶段突出危险性的预测指标，即 3 4950 f PP pwB rr −∆ 式中，Δpw考虑到水分影响的全煤层煤的加权平均瓦斯放散初速度； f全煤层的加权平均坚固性系数； pr煤层原始瓦斯压力，kg/cm2。 pw∆p∆（1.36- 0.871gW） 式中，Δp试验室中干燥煤样的瓦斯放散指数； 8 7 6 5 4 3 2 1 I II 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.2 1.4 2.0 60 50 40 30 20 10 0 100 200 300 400 500 Hm Pkg/cm2 B A 0.0075 H/f 图 11- 1 煤层（区域）突出危险性综合指标诺模图 - 4 - W煤样中的水分含量，。 当 B≥10 时，有突出危险；B＜10 时，无突出危险。 关于瓦斯压力 Pr，在该研究区可根据测定的瓦斯压力与埋藏深度关系式来求得 Pr0.1H- H0，atm 式中，H煤层的埋藏深度，m； H0瓦斯风化带深度，m。 在地质构造复杂的不正常块段，瓦斯压力 Pr可按其与瓦斯含量的关系式求得。该研究 区为atm Q Q pr, 2908 . 0 − 式中，Q煤层的原始瓦斯含量，m3/t。 三、生产矿井瓦斯突出区域性预测 （一）预测的目的和任务 根据我国煤矿的特点，生产矿井瓦斯突出区域性预测的主要任务包括三个方面 （1）在矿井生产过程中发生过突出，并经鉴定为具有突出危险性煤层，通过研究划分 出严重突出带、一般突出带和非突出带。 （2）在具有突出危险的多煤层矿井，通过研究划分出突出煤层和非突出煤层，同时对 突出煤层的突出危险程度作进一步划分。 （3）原来未发生过突出的矿井，由于开采深度的增加，在邻近井田内发生瓦斯动力现 象，通过研究确定本矿井的始突标高，并在井田内划出始突线。 突出预测直接为矿井开拓、延深设计、采区设计、采掘施工和制订防突措施提供依据，以便 在防突措施上尽可能做到区别对待，避免“一刀切”。 瓦斯突出带的预测工作， 应随着开拓掘进的进行在新区设计时提出预测报告， 防突措施的确 定将以预测报告为依据，所制订的防突措施随新区设计同时审定。 （二）瓦斯突出带的预测指标 生产矿井瓦斯突出区域性预测。 是在已有大量巷道揭露的情况下进行的， 便于实验考察、 观测取样。同时，预测结果也能及时进行验证，因而生产期间瓦斯突出预测指标的研究较为 深入。下面介绍的是我国正在或已开始使用的一些预测指标。 1．瓦斯因素指标 1）瓦斯压力和瓦斯含量煤层中的瓦斯压力是决定瓦斯含量大小的基本因素。尽管很 早应有人提出煤和瓦斯突出仅需要很小的压力（约 1.52kg/cm2） ，但迄今各国一般仍沿用 10kg/cm2作为煤层可能突出的危险性指标。 我国煤矿安全规程第 182 条规定“石门揭穿突出煤层，在突出危险程度较大的或 瓦斯压力大于 10 标准大气压的煤层中必须采用抽放瓦斯、水力冲孔、水力冲刷、排放钻孔、 金属骨架或其它经试验有效的预防突出措施， 并配以震动放炮揭穿煤层； 在突出危险程度较 小的或瓦斯压力小于 10 标准大气压的煤层中，可采用震动放炮揭穿煤层。” 根据对世界百余个煤田的统计，突出煤层中，煤的瓦斯含量大于 10m3/t 可燃质。法国 塞维内煤田，当煤的瓦斯含量≤9m3/t 可燃质时，煤层不易突出。 煤炭科学研究院抚顺研究所王佑安高级工程师曾对国内 11 个瓦斯突出矿井始突深度处 的煤层瓦斯含量进行统计，并得出了以下结论 （1）所有突出危险煤层的瓦斯含量皆大于 10m3/t，因此瓦斯含量 Q≥10m3可视为煤层 发生突出的必要条件。 （2）对不同煤层来说，发生突出的最小瓦斯含量是不同的。因此，难以单独用瓦斯含 - 5 - 量指标划分煤层或区域的突出危险性。 2）瓦斯容量 煤炭科学研究院重庆研究所近几年对我国 10 个矿区 38 个煤层的瓦斯容量进行了研究， 并得出了如下结论 （1）煤层的吸附瓦斯容量主要取决于煤的变质程度及由此而决定的煤结构特征（表 11- 2） 。 表 11- 2 吸附瓦斯容量与变质程度的关系 变质程度 无烟煤 焦煤 肥煤、气煤 长焰煤 最大吸附瓦斯容量 （m3/t） ＞20，最大 48，平均 30 1525 ＜20 1216 （2）突出煤层的瓦斯容量比非突出煤层大，在瓦斯压力为 30kg/cm2条件下。突出煤层 的瓦斯容量比非突出煤层平均高出 28，最高者高出 80。 （3）突出煤层中，突出危险倾向性大的自然分层也具有较高的瓦斯容量。如南桐矿区 鱼田堡四号煤层的槽口炭分层，其瓦斯容量比顶、底板炭分层高 1015以上。 因此，瓦斯容量可以作为一个预测指标。 3）钻孔瓦斯涌出特征 苏联东方研究所根据钻孔瓦斯涌出速度随时间变化的规律， 提出划分突出煤层和非突出 煤层的指标 Δq q∆qH- qk 式中，qH打钻结束后立即测定的第 1m钻孔的的瓦斯涌出量，m3/h。 qK打钻结束 24 小时后，每 1m钻孔的瓦斯涌出量，m3/h。 当 Δq＞1.22 时，属突出危险区；当 Δq＜1.22 时，为非突出危险区。 该研究所普则列夫等人还提出以钻孔瓦斯涌出量梯度 imax/Ltmax 作为突出危险性的预 测指标。式中 imax 为钻孔量大瓦斯涌出量，Limax 为测点距工作面的距离。测定方法是， 在钻孔深度为 510m处。直径最好为 4245mm，钻孔应打在破坏最严重的煤分层，钻孔打 完后逐段密封测定瓦斯涌出量。 该指标的突出危险临界值对不同矿区、 不同煤层是不一样的。 在库茨巴斯煤田克麦罗夫矿区为 0.81/minm2，在普罗科比耶夫矿区为 0.21/minm2。 理论分析认为， 钻孔瓦斯涌出特征反映了煤层应力状态、 煤的机械物理性质