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1、1 緒論1.1 研究背景及意義煤炭是我國的主體能源和重要資源，國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，對煤炭的需求日益增加，然而伴隨著煤炭的高強度開采，瓦斯爆炸、煤與瓦斯突出等瓦斯事故也頻繁發(fā)生。由表1-1可分析出在我國礦井中，高瓦斯礦井和突出礦井占比例較大，因而瓦斯問題更加嚴峻。2000年，我國原煤產(chǎn)量由關井壓產(chǎn)前的13億t降至10億t，煤炭生產(chǎn)死亡5798人，百萬噸死亡率為5.8，是俄羅斯的12倍，印度的16倍，美國的182倍。瓦斯災害是造成我國煤礦災害事故嚴重的主要原因。2000年，我國煤礦共發(fā)生一次死亡39人重大事故367起，共計死亡1694人，其中，瓦斯事故267起，死亡1281人，分別占39人重大事故

2、起數(shù)的72.75、死亡人數(shù)的75.62；發(fā)生一次死亡10人以上的特大事故75起，死亡1398人，其中，瓦斯事故69起，死亡1319人，分別占10人以上特大事故起數(shù)的92.00、死亡人數(shù)的94.351。由于煤礦事故多，死亡人數(shù)多，造成了我國煤礦的百萬噸死亡率一直居高不下，特別是煤礦重大及特大瓦斯災害事故的頻發(fā)，不但造成國家財產(chǎn)和公民生命的巨大損失，而且嚴重影響了我國的國際聲譽。由下圖1.1和圖1.2可知，我國已度過了事故高發(fā)期，隨著近年來安全投入力度增大，煤礦安全事故總體呈下降趨勢，2011年煤礦事故死亡人數(shù)達到了1973人，2012年降至1384人。不難看出，煤礦事故中，瓦斯事故為主要災害2。

3、瓦斯災害已成為制約高效開采和安全生產(chǎn)的最重要因素。對于高瓦斯以及瓦斯突出礦井，單純采用通風的方法難以把工作面的瓦斯?jié)舛瓤刂圃谠试S的范圍內(nèi)，因此，強化瓦斯抽采才是防止瓦斯災害事故最有效的途徑。表1-1 瓦斯礦井數(shù)量和比例礦井瓦斯等級國有重點煤礦年產(chǎn)量大于3000噸國有重點煤礦總計數(shù)量比例數(shù)量比例數(shù)量比例瓦斯礦井33855.697346.4131148.5高瓦斯礦井16426.893844.8110240.8突出礦井10717.61848.829110.7總計609100.02095100.02704100.0 圖1.1 2001-2012年煤礦事故死亡人數(shù)圖1.2 2001-2012年煤礦事故統(tǒng)

4、計分析在過去的二十年里，我國煤炭科學技術取得了前所未有的突破。與此同時，伴隨著現(xiàn)代化、科技化、機械化、自動化和大強度煤炭開采規(guī)模的不斷擴大，導致了整個礦井的采動空間和開采范圍劇增，使得回采工作面以及采空區(qū)的瓦斯呈現(xiàn)出高強度、高速率、大體積和非均勻式的涌出特點，同時更增大了有關專 家對各種煤礦瓦斯災害防治的難度系數(shù)。為滿足國內(nèi)企業(yè)對煤炭與日俱增的需要，保證我國經(jīng)濟快速、穩(wěn)定的發(fā)展，很多煤礦企業(yè)開始引進國外先進的生產(chǎn)設備，不斷進行技術革新，特別是在高效率、高產(chǎn)量的集約化生產(chǎn)和綜合采煤工藝方面取得了前所未有的跨越式進步。取得可喜成績的同時，我們也看到了我國煤礦瓦斯安全高效抽采技術的發(fā)展速度緩慢，仍舊

5、遠遠落后于全國煤炭產(chǎn)量的提高速度，這就給煤礦安全生產(chǎn)工作埋下了重大的隱患。礦井瓦斯對煤礦安全生產(chǎn)工作的突出性危害有三個大方面：爆炸、突出和窒息。特別的，煤礦瓦斯爆炸、煤與瓦斯突出事故不僅能對礦井巷道設施造成巨大的毀壞（如井巷垮塌），而且常常會導致礦井火災、水災和煤塵爆炸等二次、甚至多次礦井災害事故的連續(xù)發(fā)生。更嚴重的是，此類事故會造成大量煤礦工人的傷亡和難以估計的財產(chǎn)損失。統(tǒng)計表明2，我國高瓦斯礦井和有瓦斯突出危險的礦井占到了全國礦井總數(shù)量的30%左右，而重、特大惡性瓦斯事故的高發(fā)生頻率并沒有得到根本性的解決，這將嚴重阻礙著未來我國煤礦安全生產(chǎn)工作的順利進行。因此，煤礦瓦斯抽采工作，勢在必行。

6、煤礦瓦斯抽采是減少礦井瓦斯涌出量的重要途徑之一，對于礦井瓦斯災害事故的防治具有重要的作用3-4。首先，采取瓦斯抽采的辦法能夠有效地解決井下瓦斯?jié)舛瘸迒栴}，提高煤礦開采過程中的安全性。當對井下進行瓦斯抽采之后，采空區(qū)瓦斯涌出量將會降低70%以上，同時還能大大降低井下通風成本費用。瓦斯抽采另一個好處是變害為利，瓦斯在嚴重影響煤礦安全的同時，瓦斯又是一種重要的礦物能源，每立方米瓦斯的燃燒熱為3.7107J，相當于11.5kg煙煤9，人們可以對抽采出的瓦斯進行合理利用，為我國的工業(yè)生產(chǎn)和人民生活服務，取得較好的社會和經(jīng)濟效益。1.2 國內(nèi)外瓦斯抽采研究現(xiàn)狀1.2.1 國內(nèi)研究現(xiàn)狀下面從瓦斯抽采量、瓦

7、斯抽采率、瓦斯抽采方法、瓦斯抽采存在的問題等四個方面介紹國內(nèi)煤礦瓦斯抽采現(xiàn)狀。 瓦斯抽采量：近年來，我國也開始重視對煤層氣的開發(fā)和利用，煤礦井下瓦斯抽采從少到多，據(jù)統(tǒng)計12，2000年我國煤礦建立了地面永久瓦斯泵站的礦井有141個，年抽采量達8.67億m。2002年，國家煤礦安全監(jiān)察局制定了“先抽后采，以風定產(chǎn)，監(jiān)測監(jiān)控”的煤礦瓦斯防治方針，強化了瓦斯抽采治理瓦斯災害的地位，煤礦安全規(guī)程也以法規(guī)的形式對煤礦瓦斯抽采作了詳盡的規(guī)定，我國實施瓦斯抽采的礦井數(shù)量和瓦斯抽采量逐年穩(wěn)步上升5-6。2002年抽采礦井達到193個，抽采量達11.46億m。2005年全國煤礦瓦斯累計抽采瓦斯量達23億m。而2

8、006年的抽采量到達32億m，利用量達11.5億m。到了2007年，全國瓦斯抽采達47.35億m，利用量14.46億m。2008年我國礦井瓦斯抽采量達到55億m，同年8月，國土資源部最新的煤層氣資源評價中指出：中國煤層氣資源非常豐富，全國埋深2000米以淺煤層氣地質資源量為36.8萬億m，相當于國內(nèi)目前常規(guī)天然氣的地質資源量（35萬億m），是僅次于俄羅斯、加拿大的世界第三大煤層氣儲藏國。到2009年全國299處原國有重點煤礦高瓦斯和煤與瓦斯突出礦井中，有28313個建立了瓦斯抽采系統(tǒng)，全國抽采兩量達65億m，利用量達到17.7億m。2011年1月5日，全國煤礦瓦斯防治部際協(xié)調領導小組第八次會議

9、中指出，2010年全國煤層氣抽采量88億m，利用量36億立方米。另外會議還要求，2011年我國煤層氣抽采量要達110億m，利用量要達50億m11。具體抽采量如下表所示：表1-2 2001-2012年我國瓦斯抽采量年份抽采量/億m年份抽采量/億m年份抽采量/億m20019.84200521.33200965200211.46200632.4201088200315.202007442011115200419.292008552012125由表可以分析：自2001年至2012年十二年間我國瓦斯抽采量逐年增長，一方面說明我國科技飛速發(fā)展，同時也反映了我國煤礦治理取得了重大突破。近幾年，隨著煤層開采深

10、度的不斷增加，任何單一瓦斯抽采方法都無法有效地解決煤礦瓦斯隱患。因此，國內(nèi)礦井，特別是高瓦斯低透氣性礦井開始采取多種瓦斯抽采技術綜合應用的辦法，用以提高了瓦斯抽采量。瓦斯抽采率：晉城、撫順、陽泉、松藻、天府、淮南、盤江、鐵法、石炭井、水城、平頂山、芙蓉、中梁山、南桐、淮北、鶴崗、峰峰、焦作、豐城、六枝是我國的主要瓦斯抽采礦區(qū)。據(jù)統(tǒng)計，2002年其抽采率分別為46.39%、79.3%、30.95%、50.06%、80.24%、26.14%、15.87%、28.80%、39.97%、18.67%、20.85%、20.98%、46.76%、24.87%、14.15%、15.40%、9.30%、12.

11、14%、12.58%、15.40%、19.40%、30.09%11。各礦區(qū)按照抽采率大小，我國主要瓦斯抽采礦區(qū)可以劃分為3類：類礦區(qū)：瓦斯抽采率40，抽采效果好；類礦區(qū)：瓦斯抽采率2540，抽采效果一般；類礦區(qū)：瓦斯抽采率25，抽采效果差；我國主要瓦斯抽采礦區(qū)的瓦斯抽采效果分類情況（見表1-3）11。表1-3 我國主要抽采礦區(qū)瓦斯抽采效果分類瓦斯抽采效果 類別 礦區(qū)數(shù)/個 平均瓦斯抽采率/ 占主要瓦斯抽采 礦區(qū)數(shù)的比例/類5 60.14 23.80類4 29.96 19.06類12 13.93 57.14由表1-3看出，我國主要瓦斯抽采礦區(qū)總體瓦斯抽采效果不好。瓦斯抽采效果好的類礦區(qū)只有5個，

12、僅占主要瓦斯抽采礦區(qū)數(shù)的23.80，平均瓦斯抽采率為60.14；瓦斯抽采效果一般的類礦區(qū)有4個，占主要瓦斯抽采礦區(qū)數(shù)19.06，平均瓦斯抽采率為29.96；瓦斯抽采效果差的類礦區(qū)多達12個，占主要瓦斯抽采礦區(qū)數(shù)高達57.14，平均瓦斯抽采率僅為13.93。如果考慮所有抽采瓦斯礦井，瓦斯抽采率低于25的礦井比例更會大。瓦斯抽采方法：隨著煤炭工業(yè)技術的發(fā)展，瓦斯抽采技術也得到了不斷地提高和發(fā)展，我國煤礦瓦斯抽采技術大致經(jīng)歷了五個發(fā)展階段：（1）高透氣性煤層瓦斯抽采階段20世紀50年代初期，在高透氣性特厚煤層中（如撫順礦區(qū)）首次采用井下鉆孔預抽煤層瓦斯，成功解決了礦區(qū)向深部發(fā)展過程中的瓦斯安全問題，

13、獲得了理想的效果。但由于當時對煤層透氣性與瓦斯抽采效果間的關系認識不深，對于將該方法應用于透氣性較小的礦井效果較差。（2）鄰近層卸壓瓦斯抽采階段20世紀50年代中期，在開采煤層群礦井中，首先在陽泉礦區(qū)采用穿層鉆孔抽采上鄰近層瓦斯獲得成功，解決了煤層群開采中首采工作面瓦斯涌出量大的問題。隨后試驗了頂板瓦斯高抽巷抽采上鄰近層瓦斯技術，該方法在不同煤層賦存條件下的上、下鄰近層中取得了較好應用效果。（3）低透氣性煤層強化抽采瓦斯階段由于在我國一些透氣性較差的高瓦斯煤層及有突出危險的煤層采用通常的布孔方式預抽采瓦斯的效果不理想、難以解除煤層開采時的瓦斯威脅，為此，從60年代開始，試驗研究了多種強化抽采開

14、采煤層瓦斯的方法，如煤層注水，水力壓裂，水力割縫，松動爆破，大直徑鉆孔，網(wǎng)格式密集布孔，預裂控制爆破，交叉布孔等。在這些方法中，多數(shù)方法在試驗中取得了提高瓦斯抽采量的效果，但仍處于試驗階段，沒有大范圍推廣應用。如本煤層瓦斯抽采，其難點在于低透氣性煤層瓦斯難以抽出。我國20世紀70年代曾經(jīng)試驗過水力割縫、水力壓裂等方法，但由于工藝復雜、技術難度大，還必須有一些特殊設備等原因，難以大面積推廣使用。80年代后又對預裂爆破增大煤層透氣性的方法進行了試驗研究，但其工藝復雜、技術難度大，沒能大規(guī)模推廣應用。20世紀末，我國和俄羅斯在焦作合作開展了交叉鉆孔抽采本煤層瓦斯的試驗，取得了較好的效果。經(jīng)分析研究認

15、為，交叉布孔除了由于交叉增加煤體卸壓范圍、提高透氣性外，還由于鉆孔相互交叉影響，可避免因某一鉆孔坍塌堵塞而影響正常抽采。另外斜向鉆孔還可延長鉆孔在回采工作面前方卸壓帶內(nèi)的瓦斯抽采時間。因而交叉鉆孔可以較好地提高開采層的抽采瓦斯效果。再有水平長鉆孔抽采本煤層瓦斯，過去由于打鉆裝備及工藝問題，始終打不出理想的長鉆孔。近幾年由于鉆機研究開發(fā)的突破，使得打本煤層長鉆孔抽采效果有了很大改善。再如采空區(qū)抽采，過去一直沒有克服抽采濃度低、抽采量小的問題，近些年由于大型抽采泵的出現(xiàn)以及抽采工藝的進一步優(yōu)化，使采空區(qū)抽采有前所未有的發(fā)展。（4）綜合抽采瓦斯階段20世紀80年代，隨著普采、綜采和綜放采煤技術的發(fā)展

16、和應用，采區(qū)巷道布置方式有了新的改變，采掘推進速度加快、開采強度增大，使工作面絕對瓦斯涌出量大幅度增加，尤其是有鄰近層的工作面。為解決高產(chǎn)高效工作面瓦斯涌出量大、瓦斯涌出源多的問題，須結合礦井地質條件及涌出情況，實施綜合抽采。綜合抽采瓦斯就是把開采煤層瓦斯采前預抽、卸壓瓦斯邊采邊抽及采后抽采等多種方法在同一采區(qū)、工作面內(nèi)使用，采用該方法能夠最大限度利用時間及空間來增加瓦斯抽采量、提高抽采濃度及抽采率。（5）立體抽采瓦斯階段近年來，試驗研究了地面鉆孔井與井下鉆孔聯(lián)合抽采礦井瓦斯。地面鉆孔對開采層進行壓裂、抽采瓦斯以及對采動影響卸壓瓦斯和采空區(qū)瓦斯進行抽采。在開采過程中，井下鉆孔對煤層瓦斯進行抽采

17、，實現(xiàn)立體抽采方式。解決了開采煤層預抽時間短、抽采率低的問題，是實現(xiàn)礦井煤與瓦斯安全共采的最根本方法。隨著煤炭工業(yè)技術的發(fā)展，瓦斯抽采技術也得到了不斷地提高和發(fā)展。具體方法如下圖所示：瓦斯抽采方法采前抽采（預抽）采中抽采（邊采邊抽）采后抽采本煤層抽采地面鉆井穿層鉆孔順層鉆孔交叉鉆孔巷道抽采領近層抽采地面鉆井穿層鉆孔順層鉆孔傾向巷道水平鉆孔煤礦瓦斯綜合抽采回采工作面抽采地面鉆井穿層鉆孔順層鉆孔巷道抽采采空區(qū)埋管采空區(qū)抽采掘進工作面抽采巷幫鉆孔迎頭鉆孔地面鉆井抽采密閉插管抽采密閉鉆孔抽采相鄰巷道圖1.3 瓦斯抽采方法示意圖選擇瓦斯抽采方法主要根據(jù)礦井瓦斯來源、煤層賦存狀況、采掘布置、開采程序以及開

18、采地質條件等因素進行綜合考慮，由于我國礦井數(shù)量眾多，且煤層賦存條件復雜多樣，因此我國試驗和應用過許多抽采方法。針對不同的煤層賦存條件，抽采方法是不同的，下表列舉了本煤層、鄰近層、采空區(qū)、圍巖的瓦斯抽采分類、抽采方法和其抽采的適用條件。表1-4 礦井瓦斯抽采方法適用條件抽采分類抽采方法適用條件本煤層抽采瓦斯未卸壓抽采巖巷揭煤煤巷掘進預抽由巖巷向煤層打穿層鉆孔煤巷工作面打超前鉆孔突出危險煤層高瓦斯煤層采區(qū)大面積預抽由開采層進、回風巷或煤門等打上向、下向順層鉆孔有預抽時間的高瓦斯或突出煤層由石門、巖巷、鄰近層煤巷等向開采層打穿層鉆孔“勉強抽采”煤層地面鉆孔高瓦斯易抽煤層淺埋深密封開采巷道高瓦斯易抽煤

19、層卸壓抽采邊掘邊抽由煤巷或巖巷向煤層打防護鉆孔高瓦斯煤層邊采邊抽由進、回風巷向工作面前方打鉆高瓦斯煤層由巖巷、煤門等向開采分層上部或下部未采分層打穿層或順層孔高瓦斯煤層水力割縫、壓裂，松動爆破由開采層進、回風巷等打順層鉆孔，由巖巷或地面打鉆孔高瓦斯難抽煤層鄰近層抽采瓦斯卸壓抽采開采層工作面推過后抽采上、下鄰近煤層由進、回風巷或巖巷向鄰近層或采空區(qū)打斜交鉆孔鄰近層瓦斯涌出量大影響開采層安全時由煤門打沿鄰近層鉆孔由鄰近層掘匯集瓦斯巷道鄰近層瓦斯涌出量大，鉆孔能力不滿足抽采要求從地面打鉆孔地面打鉆優(yōu)于井下采空區(qū)邊采邊抽密封采空區(qū)插管抽采無自燃危險或采取防火措施現(xiàn)采采空區(qū)設密閉墻插管采空區(qū)打鉆、預埋管

20、抽采圍巖超前鉆孔由巖巷兩側或正前向溶洞或裂隙帶打鉆、密閉巖巷瓦斯涌出量大或有溶洞裂縫帶儲存高壓瓦斯煤礦瓦斯抽采存在的問題：目前，我國煤礦總體瓦斯抽采效果不佳，具體表現(xiàn)為瓦斯抽采率低。導致我國煤礦瓦斯抽采率低的原因有2個方面：一方面是客觀原因，我國95以上的高瓦斯和突出礦井所開采的煤層屬于低透氣性煤層，煤層透氣性系數(shù)只有0.0040.04 /（MPa2d），瓦斯抽采（特別是預抽）難度非常大，具體表現(xiàn)為，技術上，由于煤層賦存較為復雜，以及抽采鉆孔施工和設備上的落后，導致了鉆孔質量差、封孔質量差的現(xiàn)狀；在管理上，抽采單一，抽采時間不足，管理松散等常見問題。另一方面是主觀原因，主要表現(xiàn)為抽采時間短、鉆

21、孔工程量不足、封孔質量差、抽采系統(tǒng)不匹配和管理不到位7-8。1.2.2 國外研究現(xiàn)狀為滿足經(jīng)濟快速發(fā)展的需要，世界各國煤炭生產(chǎn)規(guī)模和產(chǎn)量正在不斷擴大。而礦井瓦斯抽采效果和效率是制約礦井增產(chǎn)的重要因素，與此同時，隨著井下開采深度的不斷增加，低透氣性高瓦斯煤層也越來越多。因此，怎樣卸載瓦斯壓力、增加煤層透氣性、加快瓦斯抽采速度、提高其抽采效率并最大限度的預防和控制煤與瓦斯突出事故的發(fā)生頻率和危害性己經(jīng)成為礦井安全工作人員和煤礦瓦斯防治專家所關注和研究的重中之重。瓦斯抽采頻率和危害性己經(jīng)成為礦井安全工作人員和煤礦瓦斯防治專家所關注和研究的重中之重。歷史上最早的瓦斯抽采記錄顯示，英國WhiteHave

22、n煤礦Saltom在十八世紀就己經(jīng)開始進行了瓦斯抽采。礦井技術人員發(fā)現(xiàn)，當豎井掘至76.8m深時，井下有大量瓦斯涌出。因此人們用直徑為50管密后，將瓦斯引至井外，以供當?shù)匾晃粚W者的實驗使用。日本北海道地區(qū)于第二次世界大戰(zhàn)前（1934年）就開始進行瓦斯抽采工作，二戰(zhàn)即將結束時（1943年），德國引進了該項技術并開始應用于礦井生產(chǎn)過程中。隨后煤礦瓦斯抽采技術得到前所未有的快速發(fā)展，并成為保障礦井安全生產(chǎn)過程中必不可少的技術手段。上個世紀80年代，美國率先采用地面鉆井瓦斯抽采技術，對未投入生產(chǎn)的礦井進行采前預抽工作，并得到了較好的收效。總的來說，世界煤炭主要生產(chǎn)國根據(jù)各自的煤地質狀況，相應采取不同的

23、瓦斯抽采方法，如煤層預抽采瓦斯，掘進面抽采瓦斯、工作面抽采瓦斯、采空區(qū)抽采瓦斯、和地面鉆井抽采瓦斯等。隨著瓦斯抽采技術的不斷進步，世界各國的可抽采瓦斯礦井和瓦斯抽采量也有了顯著的提高。19491950年間，比利時和英國先后進行工業(yè)規(guī)模的瓦斯抽采，年抽采量達5700 m。19511987年間，世界煤礦瓦斯抽采量呈線性增加，自1951年的1024億m增至1987年的54031億m，抽采瓦斯的礦井由68個增加到619個，單個抽采礦井的平均年抽采量由1951年的198萬m/井，增至1987年的877萬m/井。到目前為止，世界上已有17個采煤國家進行了瓦斯抽采，年抽采量超過1億m的國家有10個，如原蘇聯(lián)

24、、德、英、法、中、美、波、日、澳等。其中原蘇聯(lián)抽采量最多，達2102億m，德、英年抽采瓦斯量均在5億m以上10。最新數(shù)據(jù)表明，從全世界范圍來看，應用瓦斯抽采技術的國家己達到17個之多（美國、俄羅斯、德國、英國、法國、日本、波蘭、澳大利亞、加拿大等），前蘇聯(lián)的抽采量最大，一年就高達為24億m左右，而且更多的國家開始致力于該項技術的研究。瓦斯抽采工作己經(jīng)被這些國家作為預防礦井災害發(fā)生，保證安全生產(chǎn)工作的基本技術手段和必不可少的煤炭生產(chǎn)技術環(huán)節(jié)。1.3 平煤四礦瓦斯抽采存在問題（1）煤層瓦斯含量大，呈不均勻分布，瓦斯賦存情況復雜。（2）四礦為低透氣性高瓦斯煤礦，煤巷掘進過程中，瓦斯難以排出，煤層中存

25、在較高的瓦斯壓力，易誘發(fā)突出。（3）四礦整體由南到北呈單向傾斜，并有褶曲構造，煤層斷層多、頂板破碎，井巷壓力大、構造多，易形成較大的壓力梯度，易發(fā)生瓦斯突出事故。因此，瓦斯抽采技術對治理其煤層瓦斯尤其重要。1.4 研究內(nèi)容、研究方法與技術路線1.4.1 研究內(nèi)容（1）研究低透氣突出煤層條件下，瓦斯賦存及涌出規(guī)律，運用分源預測的方法，計算出工作面的最大瓦斯涌出量，并對瓦斯抽采的必要性與可行性進行分析。（2）分析工作面瓦斯涌出影響因素，選取合理的煤層瓦斯抽采方法，確定相關瓦斯抽采參數(shù)。（3）瓦斯抽采工藝的效果分析，根據(jù)瓦斯抽采的影響因素，提出優(yōu)化管理的方法。1.4.2 研究方法在前人對瓦斯預測和瓦

26、斯抽采研究的基礎上，參考大量文獻資料及總結國內(nèi)外礦井瓦斯預測的基礎上，根據(jù)礦井瓦斯的基本參數(shù)以及實習期間收集到的瓦斯實測數(shù)據(jù)，綜合考慮煤層瓦斯的賦存條件，分析影響礦井瓦斯涌出因素，計算瓦斯涌出量。理論分析不同抽采方法的適用條件，綜合考慮煤層透氣性、瓦斯壓力和含量、鉆場和鉆孔設計、采煤方法與工藝、開采規(guī)模和強度等因素，以提高礦井瓦斯抽采率為目的，經(jīng)過分析研究，提出可行的工作面瓦斯抽采技術。以降低開采過程中瓦斯的涌出量，降低煤層瓦斯突出的危險性，確保煤礦的安全高效生產(chǎn)。1.4.3 技術路線首先要進行瓦斯的涌出量預測分析，根據(jù)安全生產(chǎn)行業(yè)標準礦井瓦斯涌出量預測方法(AQ1018- 2006)，采用分

27、源預測法對礦井瓦斯涌出量進行預測。計算煤層最大瓦斯涌出量，根據(jù)國家關于煤礦抽采的相關標準，進行瓦斯抽采的必要性和可行性分析，選取合理的瓦斯抽采方法，并確定相關抽采參數(shù)，最后進行瓦斯抽采的效果預測和效果分析，并優(yōu)化瓦斯抽采管理。具體技術路線參考圖1.4瓦斯抽采的必要性和可行性分析瓦斯涌出量預測與瓦斯涌出量計算瓦斯抽采方法研究根據(jù)實際情況確定合理的抽采方法鄰近層瓦斯抽采采空區(qū)瓦斯抽采本煤層瓦斯抽采確定瓦斯抽采參數(shù) 瓦斯抽采的效果預測和分析圖1.4 技術路線圖2 平煤四礦礦井概況2.1 礦區(qū)概況2.1.1 地理位置平頂山天安煤業(yè)股份有限公司四礦位于平頂山市區(qū)西北6km處，位于平頂山礦區(qū)中部，東與一、

28、二礦相接，南與三礦為鄰，西鄰六、五礦。礦區(qū)東西長約2.5km，南北長約5.5km，礦區(qū)面積12.7149k。2.1.2 地形地貌平頂山煤田地處汝河以南、沙河以北的低山丘陵地帶。北部主要由二迭紀平頂山砂巖組成的低山，自西向東有紅石山、龍山、擂鼓臺、落鳧山、平頂山、馬棚山等，為地表分水嶺，最高點擂鼓臺標高+505.60m，龍山+464.37m；南部主要由震旦紀片巖和片麻巖及寒武紀灰?guī)r組成走向西北的丘陵山地，有蝎子山、蘆山和九里山，海拔+150158m。井田位于低山丘陵的槽形谷地之間，為一北高南低的傾斜平原。標高130m。2.1.3 氣候條件本區(qū)屬大陸性半干旱氣候，夏季炎熱，冬季寒冷，四季分明。最高

29、氣溫42.6(1996年7月19日)，最低氣溫-18.8（1955年1月3日），歷年平均氣溫14.9，冰凍期一般為11月到次年3月。年最大降雨量1323.6mm（1964），年最小降雨量373.9mm（1966），年平均降雨量742.6mm，月最大降雨量366mm（1971年6月），雨季多集中在七、八、九月份，約占年降雨量的50%。年最大蒸發(fā)量2823.6mm（1959），年最小蒸發(fā)量1490.5mm（1964），月最大蒸發(fā)量408mm（1959年7月），月最小蒸發(fā)量40.7mm（1957年1月）。平均絕對濕度13.5mm，平均相對濕度67%，最大凍土深度14mm（1977年1月30日）。冬季

30、多北風和西北風，最大風速24m/s，平均風速2.8m/s。2.1.4水文地質特征平頂山煤田是以李口向斜為主體的向斜含煤盆地，其北西、南東、北東及南部邊緣分別受落差數(shù)百米至上千米的郟縣斷層、落崗斷層、襄郟斷層及魯葉斷層等構造的切割，形成相對獨立的水文地質單元。平頂山礦區(qū)于李口向斜南翼，北部以紅石山、龍山、擂鼓臺、落鳧山、馬棚山、平頂山等低山組成地表分水嶺，標高300500m，坡度850，以北渡山、九里山、扣皂山等殘丘組成西南部地表分水嶺，標高130160m，坡度1530，震旦系石英巖與寒武系灰?guī)r在西部零星出露，大氣降水可直接補給地下水。南北分水嶺之間為西窄東寬的槽形谷地，其間多被第四系坡積沖積物

31、覆蓋。地勢西高東低，地層傾向北北東，傾角12左右。含水層井田內(nèi)按地層由老到新的順序分為4個含水層，據(jù)井田及鄰區(qū)資料將含水層敘述如下： 寒武系碳酸鹽巖巖溶裂隙含水層主要為中厚層狀白云質灰?guī)r、鮞狀灰?guī)r、泥質條帶灰?guī)r、泥巖、砂質泥巖，井田內(nèi)厚度大于200m，埋深大于239m。主要含水層段為寒武系中統(tǒng)張夏組鮞狀灰?guī)r和上統(tǒng)崮山組白云質灰?guī)r，兩組灰?guī)r厚度為200m左右，為含煤地層基底，己16煤層底板間接充水含水層。據(jù)河南省平頂山煤田一、四、六礦井深部擴勘地質報告和鄰區(qū)資料，該含水層在-150m以上的淺部巖溶裂隙較發(fā)育，深部巖溶裂隙不發(fā)育，地下水補給和逕流條件差，灰?guī)r含水層富水性明顯弱于淺部。 二疊系己煤組

32、頂板砂巖裂隙含水層本含水層共有兩層砂巖含水層，自下而上為大占砂巖、香炭砂巖，大占砂巖距己16煤層515m，一般為7m，為己16煤層頂板直接充水含水層，主要為中粗粒長石石英砂巖，硅質和鈣質膠結。香炭砂巖下距己16煤層530m，一般為20m，為己16煤層的間接充水含水層。水質類型CO3-Na。本含水層屬砂巖裂隙弱含水層。 二疊系平頂山砂巖裂隙含水層平頂山砂巖位于煤系頂部，總厚109.23134.95m，上部中粗粒砂巖，中部中粒砂巖，下部中粗粒砂巖，底部有510m含礫粗砂巖。平頂山砂巖埋藏淺，在分水嶺有出露，厚度大，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖石較破碎，主要接受大氣降水補給，但由于該含水層補給區(qū)地形較陡，不利于

33、裂隙水的補給，故含水性較差，水質類型CO3-Na型，本含水層屬砂巖裂隙弱中等含水層。 第四系松散孔隙含水層第四系厚度043m，系出露地表巖層經(jīng)風化后堆積于山麓，主要由砂礫石組成，在溝谷地帶有季節(jié)性下降泉出露，泉流量0.53L/s，水質類型CO3-Ca型。2.1.5 地質構造本井田內(nèi)地層層序由老至新依次為：寒武系崮山組、石炭系本溪組、太原組和二疊系山西組、下石盒子組、上石盒子組、石千峰組和第四系。寒武系崮山組系石炭、二疊系含煤地層的沉積基底，厚度大于68米，為灰色厚巨厚層狀白云質灰?guī)r。石炭系本溪組上界為太原組7灰?guī)r底面，下界為崮山組白云質灰?guī)r的頂面，厚度平均為5.6米，主要為淺灰色灰白色鋁土質泥

34、巖和深灰色、灰黑色炭質泥巖。石炭系太原組上界為1灰?guī)r的頂面，或為山西組底部砂質泥巖的底面，下界為本溪組鋁土質泥巖的頂面，或7灰?guī)r的底面，厚度為5386米，平均62.5米，由深色生物碎屑灰?guī)r、燧石灰?guī)r、泥巖、砂質泥巖、粉砂巖和煤組成，間夾菱鎂質泥巖薄層，庚組煤位于本組下部灰?guī)r的上部。二疊系山西組上界為下石盒子組砂鍋窯砂巖底面，下界為太原組頂部灰?guī)r頂面，厚87114米，平均為105.3米，由淺灰綠、深灰色中細粒砂巖、泥巖和煤組成。含煤25層，為己組煤。二疊系下石盒子組上界為田家溝砂巖的底面，下界至砂鍋窯砂巖的底面，厚度284311米，平均304.4米，由灰黃色、深灰色中細粒砂巖、砂質泥巖、泥巖所組

35、成。依據(jù)巖性和含煤性，自下而上分為戊組煤、丁組煤和丙組煤。二疊系上石盒子組上界至平頂山砂巖底面，下界至田家溝砂巖頂面，厚294331米，平均314.5米。主要由灰白色、灰黃色泥巖、砂質泥巖、粉砂巖、中細粒砂巖及劣質煤層組成。自下而上分為乙組煤和甲組煤。二疊系石千峰組在井田內(nèi)出露不全，厚度0255米，平均137.8米。主要由平頂山砂巖等組成。第四系厚033米，平均為11.93米。主要為黃土沙礫滾石（平頂山砂巖和石千峰組砂巖）之山坡殘積物分布于低洼處，厚度不大，表土平均2米厚。受區(qū)域構造的控制，特別是李口向斜及鍋底山正斷層的影響井田構造總體上為一北北東向緩傾斜的單斜構造，地層走向100，傾向10，

36、傾角618。 褶曲:井田內(nèi)褶皺主要為晉溝向斜，該向斜在井田內(nèi)的南東部較為明顯，向北西方向在39-18孔北約150米處消失，延伸長度2000米左右，它對井田內(nèi)各煤層的產(chǎn)狀，巷道布置均有一定影響，但由于甚為開闊，故伴生構造少見，對煤層厚度影響也不明顯，僅局部對生產(chǎn)影響較大。井田內(nèi)背斜不發(fā)育，揭露較少，控制程度較差。斷層：斷層走向N2550W，傾向南西，傾角6070，落差110200米，位置在四礦西南，三礦西北部，在一、四、六擴勘區(qū)內(nèi)有六個鉆孔控制，地表有零星露頭控制。 煤層井田內(nèi)含煤地層為石炭系太原組、二疊系山西組，下石盒子組和上石盒子組。含煤地層厚556-1090m，平均為796m，含煤2156

37、層，主要含煤地層為二疊統(tǒng)山西組的己組煤。目前已三采區(qū)可采煤層為己15，己16煤層。己15煤層：位于山西組下部，上距砂鍋窯砂巖3981m，平均60m。時有炭質泥巖偽頂，直接頂為泥巖或砂質泥巖，厚510m，老頂為中粒砂巖，厚1020m；偽頂為炭質泥巖，底板即己16煤層之頂板。己15煤層厚0.815.33，平均3m。煤呈塊狀、鱗片狀、粒狀，煤層結構簡單，區(qū)內(nèi)未見夾矸。在井田范圍內(nèi)，從東向西煤層厚度變簿，穩(wěn)定煤層。己16煤層：位于山西組下部，上距砂鍋窯砂巖4699m，平均70m，距己15煤層20m，有厚約0.20.5m的炭質泥巖偽頂，直接頂板為厚約10m的泥巖和細砂巖互層，老頂為58m的細中粒砂巖；底

38、板為厚4.810m的泥巖或砂質泥巖，致密堅硬。己16煤層厚0.9010.01平均10m。煤多呈塊狀、粒狀、間或有鱗片狀，易碎為粉末。矸，多數(shù)為一層，屬結構簡單型煤層。井田內(nèi)大部地段己16煤層為合層，僅局部地段，如43、44線之間，432孔以南，向西到23071切眼400m處，進入回風巷44-10孔附近，分叉為二層，夾矸厚度0.42.12m，平均1.05m。據(jù)鉆孔及井下揭露資料可知，己16煤層厚度一般較穩(wěn)定，屬全區(qū)較穩(wěn)定可采煤層。 煤質己15煤層：黑色，玻璃光澤，條帶狀結構，局部為線理狀、透鏡狀或鱗片狀結構。層狀構造。硬度12。己16煤層：黑色，玻璃光澤，多具條帶狀結構，層狀構造，結構疏松，易成

39、粉末。平坦狀或參差狀斷口，硬度12。平均容重1.46 t/m，據(jù)篩分試驗結果，粉煤多達75以上。原煤靜止角為39.5，摩擦角為31.4，散煤容重為0.75t/m。表2-1 煤的工業(yè)分析煤層名稱水分M(%)灰分A(%)揮發(fā)分V(%)含油量P(%)含硫S(%)膠質層厚Y(m)發(fā)熱量（MJ/kg）己150.9213.5732.458.370.4828.0734.54己160.9916.2730.455.930.4125.9933.852.2 礦井開拓2.2.1 井田境界及儲量（1） 井田范圍：平煤四礦井田東部與三礦相接，西部與十一礦毗鄰、南部止于各煤層露頭風氧化帶、北部以-800m底板等高線為界，東

40、西走向寬約5.4km，南北傾向長約11.41km，面積19.3k。（2） 目前本礦井的工業(yè)儲量76.20Mt，礦井設計儲量為74.27Mt，礦井設計可采儲量為62.60Mt。2.2.2 礦井設計生產(chǎn)能力及服務年限（1）礦井生產(chǎn)能力：經(jīng)多次技術改造，礦井生產(chǎn)能力達到2.80Mt/a。（2）目前礦井尚有的服務年限： （2-1）式中：T礦井尚有服務年限，aZ礦井可采儲量，62.60MtA礦井設計生產(chǎn)能力，2.8Mt/aK儲量備用系數(shù)K=1.32.2.3 井田開拓由于煤層埋藏比較深，井田范圍里沒有煤層露頭，采用斜井開拓井筒過長，以至初期建井時間過長，斜井不能打在煤層底下，況且要給它留較多煤柱，所以選擇

41、用立井開拓。立井開拓適應性較強，一般不受煤層傾角、厚度、瓦斯、水文等地質條件的影響。立井開拓井筒短，提升能力大，對輔助提升特別有利。對于煤層賦存較深、表土層厚、水文情況比較復雜、井筒需要特殊法施工或多水平開采急斜煤層的礦井，一般都應該采用立井開拓。平煤四礦礦井開拓方式為立井開拓，工業(yè)廣場布置有三個立井。全礦井現(xiàn)有三個生產(chǎn)水平，四個生產(chǎn)采區(qū)和己組三水平開拓工程，即一水平丁九、戊九采區(qū)；二水平已三采區(qū)和庚一采區(qū)；己組三水平為開拓工程。其中一水平深部回采標高為-510m，二水平深部回采標高-600m，三水平深部開采標高為-800m。2.2.4 采煤方法為了選擇合理的采煤方法，必須詳細研究煤層的賦存條

42、件和地質特征，并考慮實習礦井實際使用經(jīng)驗。平煤四礦煤層賦存比較穩(wěn)定，可采煤層主要為己16煤層，平均傾角8-12。煤層平均厚度為4.0m。煤塵無爆炸性，煤層有自燃發(fā)火傾向；發(fā)火期4-6個月，為高瓦斯突出礦，相對瓦斯涌出量為11.24立方米每噸，煤硬度不大，煤層直接頂為大占砂巖，巖厚度變化在8-15m之間，中等穩(wěn)定，不易容易冒落。底板為波浪帶砂巖。地質構造簡單，結合設計礦井礦井實際情況以及現(xiàn)有的生產(chǎn)技術條件，設計采用綜合機械化一次采全高回采工藝，傾斜長壁采煤法，用全部跨落法處理采空區(qū)。2.2.5 井下運輸根據(jù)礦井井下開拓系統(tǒng)和采區(qū)回采工作面的布置，確定煤炭矸石材料設備和人員在內(nèi)的運輸系統(tǒng)如下：(1

43、) 煤炭運輸系統(tǒng)綜采工作面的煤炭區(qū)段運輸平巷運輸上山采區(qū)煤倉運輸大巷井底中央煤倉經(jīng)主井提升至地面(2) 設備材料和人員的運輸系統(tǒng)副井罐籠中的設備（材料、人員）井底車場運輸大巷采區(qū)軌道上山區(qū)段運輸平巷綜采工作面。(3) 矸石運輸系統(tǒng)掘進工作面出的矸石區(qū)段回風平巷軌道上山運輸大巷井底車場由副井提至地面。2.3 礦井通風本礦井為生產(chǎn)礦井，根據(jù)生產(chǎn)中的情況可確定本礦井為突出礦井。下面是為2003年以來絕對瓦斯涌出量、相對瓦斯涌出量情況，如表2-2所示。表2-2 四礦2003年以來礦井礦井瓦斯涌出量年度絕對量(m/min)相對量( m/t)瓦斯等級2003年48.458.87突出2004年45.518.

44、54突出2005年57.519.56突出2006年39.7178突出2007年53.079.97突出2008年52.799.09突出2009年53.068.81突出2010年447.7突出2011年45.187.92突出四礦通風方式為中央混合式，通風方法為抽出式，每個采區(qū)均有獨立的通風系統(tǒng)。全礦共有6個進風井，即一、二水平主井、副井、三水平進風井、主斜井和東風井；回風井三個，即一水平風井、二水平風井和三水平回風井。目前一水平回風井擔負戊九采區(qū)的回風，采區(qū)為“兩進一回”通風方式；二水平回風井擔負己三采區(qū)、庚一采區(qū)的通風任務，兩個采區(qū)為并聯(lián)通風網(wǎng)絡，實現(xiàn)分區(qū)通風，其中己三采區(qū)為“兩進一回”通風方式

45、，庚一采區(qū)為“兩進一回”通風方式；三水平回風井擔負三水平開拓工程和丁九采區(qū)的通風，兩個采區(qū)為并聯(lián)通風網(wǎng)絡，實現(xiàn)分區(qū)通風，其中三水平開拓工程為“兩進兩回”通風方式，丁九采區(qū)為“二進一回”通風方式。四礦各采區(qū)采、掘工作面均有獨立的通風系統(tǒng)，機電硐室均采用獨立通風方式。目前礦井總進風量22732m/min，其中丁九采區(qū)進風量2291m/min，己三采區(qū)進風量6788m/min，戊九采區(qū)進風量5017m/min，庚一采區(qū)進風量2499m/min，東翼結束采區(qū)進風量742m/min，其它進采區(qū)風量354m/min?？偦仫L量23801 m/min，總需風量18720m/min，四礦一水平風井系統(tǒng)安裝2臺型

46、號為AGF606-2.2-1.3-2主要通風機，配套電機型號為YR1000-6/1180，額定功率1000KW，現(xiàn)運行2風機，風葉角度-10，風量為5832m/min，負壓為3800Pa；二水平風井系統(tǒng)安裝2臺FBD606- 3.0-1.9-2對旋式風機，配套電機型號YBF630 -8-710，額定功率2710KW，現(xiàn)運行1風機，風葉角度-3，風量為10878m/min，負壓為3950Pa；三水平風井系統(tǒng)安裝兩臺FBDZ-10-38型對旋式通風機，配套電機為YBF-800M1-10型，額定功率21120KW，風葉角度25（單級），風量為7857m/min，負壓1680 Pa。2.4 煤層瓦斯賦

47、存情況己16煤層在己15-23070機巷片盤-470.9米實測瓦斯壓力為0.5MPa，己16煤層瓦斯含量為8.25m/t；在己三采區(qū)免揭煤巷東幫下幫-546米實測己15煤層瓦斯壓力為0.4MPa，煤層瓦斯含量為6.897m/t。2.5 本章小結（1）平煤四礦總面積約19.3k，井田地質儲量為135.30Mt，設計服務年限為72.2a建井之初生產(chǎn)能力為0.6Mt/a，經(jīng)過不斷的技術改造，2006年以來設計生產(chǎn)能力達到2.80Mt/a，開拓方式為立井開拓。四礦通風方式為中央混合式，通風方法為抽出式，每個采區(qū)均有獨立的通風系統(tǒng)。（2）介紹平煤四礦開采開拓情況，主要含煤地層為二疊統(tǒng)山西組的己組煤。（3

48、）己三采區(qū)的己15和己16煤層為目前的主要開采煤層，主要針對這兩個煤層進行瓦斯抽采技術研究。（4）介紹了礦井瓦斯涌出情況以及通風系統(tǒng)和井下運輸系統(tǒng)。（5）介紹了己15煤層和己16煤層的瓦斯賦存情況。3 煤層瓦斯涌出量預測3.1 煤層瓦斯的基本參數(shù)煤層瓦斯基本參數(shù)是工作面瓦斯涌出量預測、抽采瓦斯可行性評價、突出危險性鑒定、瓦斯綜合治理措施的制定及瓦斯抽采系統(tǒng)設計的依據(jù)，它受煤質、埋藏深度、地質構造和覆蓋層厚度以及透氣性等諸多因素的影響。3.1.1 瓦斯含量瓦斯含量是指在自然狀況下，單位體積或者單位質量的煤層或者巖層所含有的瓦斯量，單位一般為m/t或者m/m。平煤四礦煤層瓦斯含量為：己15煤層原始

49、瓦斯含量為6.897 m/t，且隨煤層埋深的增加而增大，煤的平均殘存瓦斯含量為3.71 m/ t。己16煤層瓦斯含量為7.63 m/t，煤的平均殘存瓦斯含量為3.82 m/ t.3.3.2 瓦斯壓力瓦斯壓力是指瓦斯在煤層中變現(xiàn)出來的氣體壓力，它是通過煤層中游離瓦斯的自由熱運動對孔隙和裂隙的空間壁產(chǎn)生作用力而體現(xiàn)出來的。己15煤層瓦斯壓力為0.4MPa，己16煤層瓦斯壓力為0.12MPa。3.3.3 煤層透氣性系數(shù)煤層透氣性系數(shù)是煤層中瓦斯流動的難易程度的標志，也是分析瓦斯抽采可行性的一個重要指標。根據(jù)實際測得，己15煤層的透氣性系數(shù)為0.326/（MPa2d）。3.3.4 百米鉆孔瓦斯流量及其

50、衰減系數(shù)瓦斯從煤層中涌出的速度（流量）隨時間的延長而衰減。百米鉆孔瓦斯流量及其衰減系數(shù)就是反應在不受采動影響的條件下，煤層內(nèi)瓦斯流量隨時間延長而呈衰減的特性，它也是衡量煤層進行瓦斯預抽采難易程度的一個重要標志。根據(jù)實際測量，3#煤層的百米鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)為0.0767/d。3.3.5 瓦斯涌出初速度經(jīng)測定本煤層煤壁瓦斯涌出初速度v0為0.0275m/min。3.2 煤層瓦斯的生成和賦存3.2.1 瓦斯的生成廣義的礦井瓦斯是指從煤、巖中涌向礦井巷道的自然瓦斯，在采掘過程中所形成的瓦斯，井下空氣與有用礦物、圍巖、支架和其他材料之間的化學或生物化學反應所形成瓦斯的總稱。煤礦井下的瓦斯主要來自煤層

51、和煤系地層，它是成煤的煤化作用過程中伴生的。煤的原始母質沉積以后，一般經(jīng)歷2個成氣時期：（1）從植物遺體到泥炭的生物化學時期；（2）在地層的高溫高壓作用下從褐煤到無煙煤的煤化變質作用成氣時期。瓦斯的生成是和煤的形成同時進行并貫穿于整個成煤過程中。除了煤變質生成的瓦斯外，還有其他來源的自然瓦斯，如：（1）生物化學來源的瓦斯。這種瓦斯是在成煤初期形成的。在成煤的沼澤中，當有足夠的氧參與生物化學反應時，有機物發(fā)生分解，形成含氧的瓦斯，其成分為CO2、N2和硫的氧化物等。隨著微生物環(huán)境的變化和供氧的減少，則轉入?yún)捬踹^程，并放出含氧的瓦斯：CH4、NH3、H2、重烴、H2S和其他的氣體。在成煤過程中，隨

52、著煤層上部覆蓋層厚度的增加和溫度的逐漸升高，微生物隨之停止活動，不再生成生物化學來源的瓦斯。這種來源的瓦斯，在煤層中的數(shù)量較少，其成分主要是CH4、CO2。（2）放射性分解的瓦斯。在煤層中放射性元素分解形成的氣體中含有He，煤層中He含量多少與成煤的地質年代有關，煤層形成的年代越老，He的含量越高。煤層中的He實際上是處于游離狀態(tài)，而并不被煤所吸附，其中大部分He可由深部運移向地表。（3）空氣來源的瓦斯。由于地質構造變動，當煤層暴露于地表時，CO2、N2 和稀有氣體便可滲入煤層中。這時，CO2既可以是由生物化學來源的，又可以是由化學來源的，因為空氣中的氧使煤氧化也能形成CO2。（4）巖石的變質

53、瓦斯。最常見的是碳酸鹽巖石受熱分解時可涌出CO2。3.2.2 影響瓦斯生成的因素由于煤層中瓦斯主要是煤化變質作用的產(chǎn)物，因而煤中瓦斯生成量的多少和煤的變質程度、變質分帶及其煤巖組分有一定的關系。（1）煤巖組分。煤的組成比較復雜，是一種固體可燃有機巖。煤巖組分是組成煤的基本單元，可分成鏡質組、殼質組和絲質組。從煤巖學角度看，煤層瓦斯的生成取決于煤巖組分和成煤作用。在同一變質階段，鏡質組相對絲質組而言，碳含量少，氫含量多，瓦斯生成量大，揮發(fā)分產(chǎn)率高，植物結構保存程度低。殼質組在整個成煤過程中都能產(chǎn)生瓦斯，其瓦斯生成量和揮發(fā)份產(chǎn)率最高；但是，它在煤中所占的比例很少，其作用不大。（2）煤的變質程度及變

54、質分帶。在煤化變質作用過程中，瓦斯不斷地產(chǎn)生，由于煤層瓦斯的伴生量直接依賴于煤化變質程度，所以煤的變質程度越高，產(chǎn)生的瓦斯量就越多。我國的聚煤期多，煤種繁多，煤炭儲量豐富，變質分帶明顯，其在一定的程度上直接影響著煤層瓦斯的生成。從地質時代上看，煤變質總體規(guī)律表現(xiàn)為：晚古生代以中、高變質煤占較大比例，尚未發(fā)現(xiàn)低變質煤；中生代以中、低變質煤為主，并伴隨有高變質煙煤以至無煙煤；第三紀不僅有褐煤，而且也有低變質煙煤。各成煤期的煤中在區(qū)域分布上也有不同的特點，通常表現(xiàn)為：相同或者相近似的煤種呈帶狀分布，這樣形成不同的變質帶，在一定的程度上也影響著瓦斯和突出區(qū)域的分布。3.2.3 煤層瓦斯的賦存煤體中賦存

55、瓦斯的多少不僅對煤層瓦斯含量的大小有很大的影響，而且還直接影響到煤層中瓦斯的流動以及發(fā)生災害的危險性大??；因此，研究煤層中瓦斯的賦存狀況對礦井瓦斯研究的有著重要的作用。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。固體表面的吸附作用可以分為物理吸附和化學吸附兩種類型，煤對瓦斯程度吸附作用是物理吸附，是瓦斯分子和碳分子之間相互吸引的結果。在煤層賦存的瓦斯量中，通常吸附的瓦斯量占8090；游離瓦斯量占1020；在吸附瓦斯量中又以煤體表面吸著的瓦斯量占多數(shù)。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地交換之中；當外界的瓦斯壓力

56、和溫度發(fā)生變化或者給予沖擊或者震蕩，影響了分子的能量時，則會破壞動態(tài)平衡，而產(chǎn)生新的平衡狀態(tài)。因此，我們認為，由于瓦斯吸附分子和游離分子是在不斷地交換之中，在瓦斯緩慢的流動過程中，不存在游離瓦斯易放散、吸附瓦斯不易放散的問題；但是在突出過程的短暫時間內(nèi)，游離瓦斯會首先放散，然后是吸附瓦斯迅速加以補充。煤之所以具有吸附性是由于煤結構中分子的不均勻分布和分子作用力的不同所致，這種吸附性的大小主要取決于三個方面的因素，即：（1）煤結構、煤的有機組成和煤的變質程度；（2）被吸附物質的性質；（3）煤體吸附所處的環(huán)境條件。近年來，隨著分析測試技術的不斷發(fā)展，發(fā)現(xiàn)煤體內(nèi)瓦斯的賦存狀態(tài)不僅有吸附（固體）和游離

57、（氣體）狀態(tài)，而且還包括有瓦斯的液體和固溶體狀態(tài)；但是，由于總的來說，吸附（固體）和游離（氣體）瓦斯所占的比例是85以上，在正常情況下，整體所表現(xiàn)出來的特征仍是吸附和游離狀態(tài)的瓦斯特征；所以，其和傳統(tǒng)的觀點并沒有矛盾，只是分析測試更加深入而已9。3.3 礦井瓦斯涌出按照瓦斯涌出的形式不同可分為普通和異常涌出。普通瓦斯涌出是不斷地和比較均勻的發(fā)生的，這種涌出形式主要決定了礦井瓦斯平衡。異常瓦斯涌出是事先不能確切知道它的發(fā)生地點和強度，它是在短時間發(fā)生的，在礦井瓦斯平衡中，只在很少的情況下才起明顯的作用。3.3.1 自開采層的普通瓦斯涌出瓦斯在煤層中的涌出需要兩個條件：其一是要有一定的流動通道，即

58、煤層要有一定的透氣性；其二是煤體中的瓦斯必須具備一定的壓力。原始煤層中瓦斯的涌出狀態(tài)主要取決于煤體中瓦斯壓力的大小。開采煤層中瓦斯涌出的狀態(tài)和數(shù)量隨地點的不同而不同。（1）在鉆孔壁、巷道兩幫、煤柱等固定表面上，單位面積上的瓦斯涌出量一般隨煤壁暴露時間的增長而逐漸減少。（2）對于移動煤壁、如回采工作面，其瓦斯涌出量和煤壁的移動速度有關，由于工作面的推進速度往往并不均勻，所以瓦斯涌出量也是不斷變化的。（3）巷道中的瓦斯涌出一部分來自掘進工作面，這部分的瓦斯涌出量是由于工作面前方煤體產(chǎn)生突然地應力變化和煤體破碎；另一部分來自才落得煤炭，其可造成巷道瓦斯涌出量的急劇變化。（4）回采工作面的瓦斯涌出不同

59、于掘進巷道，僅與掘進工作面相仿，它的涌出與生產(chǎn)工藝有密切的關系，綜采機組在采煤過程中是工作面前方的煤體應力做跳躍式的變化，切割速度愈快，瓦斯涌出量愈大，同樣的，這種涌出不均衡也與煤層瓦斯含量和透氣系數(shù)有關。3.3.2 鄰近層和圍巖中的瓦斯涌出當開采煤層附近的地層中具有鄰近煤層或大量不可采的煤層時，一般情況下，在煤層開采后，由于圍巖的移動和地應力的重新分布，在地層中造成大量的裂隙，可使頂?shù)装甯浇簩又械耐咚勾罅坑咳腴_采空間。在回采工作面第一次落頂后，即引起煤層頂板巖層的冒落破裂和變形，在采空區(qū)附近會造成一個卸壓圈。一般情況下，處于冒落區(qū)的鄰近煤層有些將會直接向采空區(qū)放散，而有一些則是通過裂隙向采

60、空區(qū)放散瓦斯。有一些煤層雖然卸壓，但不能立即放出瓦斯，而是過一段時間，當巖石裂隙發(fā)展到該煤層后，煤體中的瓦斯采涌出裂隙向采空區(qū)放散。通常情況下，上部卸壓變形區(qū)域排放瓦斯的范圍是隨著時間和空間的不斷發(fā)展而發(fā)展、并在達到一定程度后停止。距開采層不同距離的上鄰近層瓦斯進入采空區(qū)的時間和涌出量決定于開采層頂部巖層的冒落情況、層間巖石的性質、鄰近層的厚度、瓦斯含量和工作面的長度等因素。它的涌出量比較迅速，往往發(fā)生在老頂?shù)谝淮蚊奥湟院?。下鄰近層的瓦斯涌出情況和上鄰近層有所不同。在工作面推進后，由于采空區(qū)出現(xiàn)了大面積的空間，在強大的地應力作用下，開采層下方的地層即向采空空間鼓起，其移動的距離可達10mm以上

61、，這樣在層間形成了大量的裂隙，形成了下部地層中的瓦斯向采空區(qū)放散的條件。下部巖層向上鼓起的程度隨距采空區(qū)的距離不同而不同，下鄰近層的頂板向上移動的量大于其地板巖層向上移動的量，這樣就是鄰近層膨脹，其膨脹量可達本身厚度的千分之幾，這就大大提高了下鄰近層的透氣系數(shù)。下鄰近層的瓦斯涌出一般是比較緩慢的，但當層間巖層強度低而且距離不大時，在下鄰近層高壓瓦斯壓力的推動下，可以形成猛烈鼓起，造成底板破裂、瓦斯突然噴出。3.3.3 瓦斯在采空空間的涌出煤礦內(nèi)采空空間是一個巨大的巷道網(wǎng)絡和采空裂隙空洞區(qū)域，其延展的范圍縱深幾百米，面積達數(shù)平方公里，空隙空間的容積也達到幾十萬甚至幾百萬立方米，瓦斯在這一巨大空間中的運移主要受控于礦井通風系統(tǒng)和壓力分布。例如在工作面采用U形通風系統(tǒng)時，工作面上隅角是采空通風壓力最低的地點，因而采空區(qū)瓦斯大量向該處匯集，致使該處瓦斯?jié)舛染痈卟幌拢y以處理。從上隅角涌出的瓦斯并不是來自上隅角，而來自采空區(qū)中的大部分區(qū)域，在這一區(qū)域中的瓦斯在通風外力的作用下被集中在了上隅角。當采空區(qū)的冒落空間擴展到鄰近的采空空間時，如該區(qū)儲存有大量的瓦斯，在通風壓力的作用下也可以流入正在開采的空間，使采區(qū)瓦斯涌出量驟然增加；這種來自開采空間區(qū)域外的瓦斯，不僅可以來自