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第6章_瓦斯地质规律与瓦斯预测.doc

第6章_瓦斯地质规律与瓦斯预测.doc

上传者: xcm1229 2012-04-02 评分 0 0 0 0 0 0 暂无简介 简介 举报

简介:本文档为《第6章_瓦斯地质规律与瓦斯预测doc》,可适用于工程科技领域,主题内容包含第六章瓦斯地质规律与瓦斯预测第一节瓦斯地质规律研究一、瓦斯地质规律研究是瓦斯预测的基础二、瓦斯地质规律与瓦斯含量预测(一)瓦斯含量预测的意义(二)影符等。

第六章瓦斯地质规律与瓦斯预测第一节瓦斯地质规律研究一、瓦斯地质规律研究是瓦斯预测的基础二、瓦斯地质规律与瓦斯含量预测(一)瓦斯含量预测的意义(二)影响瓦斯含量大小的主要因素三、瓦斯地质规律与瓦斯涌出量预测(一)瓦斯涌出量预测的意义(二)影响瓦斯涌出量大小的主要因素四、瓦斯地质规律与煤与瓦斯突出危险性预测(一)煤与瓦斯突出危险性预测的意义(二)煤与瓦斯突出动力灾害的主要因素第二节瓦斯含量测定及含量预测一、煤层瓦斯含量二、煤层瓦斯含量测定(一)煤层瓦斯含量测定方法分类(二)煤层瓦斯含量直接测定方法(三)煤层瓦斯含量间接测定方法三、煤层可解吸瓦斯含量测定(一)解吸法测定煤层可解吸瓦斯含量方法(二)间接法确定煤层可解吸瓦斯含量方法四、深部或某一深度处煤层瓦斯含量预测(一)线性回归分析法(二)拉格朗日(Lagrange)插值第三节矿井瓦斯涌出量预测一、矿井瓦斯涌出概念(一)瓦斯涌出的定义(二)矿井瓦斯等级划分二、煤层瓦斯涌出形式(一)正常瓦斯涌出(二)瓦斯喷出(三)煤与瓦斯突出三、影响矿井瓦斯涌出量的主要因素(一)煤层和围岩的瓦斯含量(二)开采深度(三)开采规模(四)开采顺序与开采方法(五)地面大气压力的变化四、矿井瓦斯涌出量瓦斯地质统计预测法(一)瓦斯地质统计预测法的基本原理(二)预测方法及步骤(三)山西阳泉矿区号煤层瓦斯涌出量预测实例五、矿井瓦斯涌出量分源预测法(一)分源预测法的基本原理(二)预测所需的原始资料(三)分源预测方法第四节煤与瓦斯突出危险性预测一、煤与瓦斯突出分类及特征(一)煤与瓦斯突出分类(二)煤与瓦斯突出的基本特征二、煤与瓦斯突出的一般规律三、煤与瓦斯突出预兆四、煤与瓦斯突出机理(一)瓦斯主导作用假说(二)地压主导作用假说(三)化学本质作用假说(四)综合作用假说五、煤与瓦斯突出危险性预测(一)煤与瓦斯突出危险性预测分类(二)区域突出危险性预测方法(三)工作面突出危险性预测(四)采煤工作面突出危险性预测六、防治突出措施效果检验参考文献第六章瓦斯地质规律与瓦斯预测第一节瓦斯地质规律研究一、瓦斯地质规律研究是瓦斯预测的基础瓦斯地质规律研究的意义瓦斯地质规律是指揭示瓦斯与所有地质因素之间内在联系的规律。瓦斯地质规律研究是瓦斯地质学的核心内容是瓦斯预测、治理的基础。瓦斯地质规律研究涉及的知识面广涉及的基础理论也较深涉及的技术也较难。瓦斯赋存、瓦斯含量、瓦斯压力大小、煤与瓦斯突出动力现象等都是受着自身的瓦斯地质规律所制约瓦斯涌出规律、瓦斯抽采难易及其方法等都受着瓦斯地质规律的控制。瓦斯生于煤层、储存于煤层煤层的变化、煤层变形变质等受地质演化历史的控制。瓦斯作为气体既有它自身的物理、化学属性又受着地质演化历史的控制。不同含煤地层、不同煤层不同采区、采面不同矿井、矿区(或煤田)不同省(区)、不同区域或板块(地块)都存在着自身的瓦斯地质规律。换句话说就是不同级别的地质单元都存在着自身的瓦斯地质规律。瓦斯地质规律影响因素极为复杂不同成煤条件、不同构造背景等都存在着不同主控因素揭示瓦斯地质规律首先从主控地质因素入手。揭示了瓦斯地质规律也就揭示了瓦斯赋存分布的分区、分带规律等。通过多学科理论和技术的交叉、融合揭示了瓦斯地质规律也就能揭示瓦斯致灾机理也就能加快瓦斯治理科学理论和技术不断创新。当前揭示构造煤形成分布规律、瓦斯赋存构造控制机理、煤与瓦斯突出地质控制机理、瓦斯抽采地质控制机理是瓦斯地质规律研究的重要内容。瓦斯地质规律研究的重要理论和技术()构造煤形成和分布研究构造煤低强度、低渗透性、高吸附特性和快速解吸瓦斯的能力是造成煤与瓦斯突出的地质基础。构造煤高吸附和快速解吸瓦斯的特性是造成构造煤发育区瓦斯含量测试困难的根本原因构造煤透气性低、破碎性强是造成构造煤发育区抽采困难的根本原因。构造煤的形成和分布是构造历史演化作用的结果。构造煤形成历史反演和构造煤形态和空间展布规律是瓦斯地质规律研究的关键。()瓦斯赋存构造逐级控制理论瓦斯赋存和分布、构造煤的形成和分布等是构造历史演化作用的结果受构造复杂程度和构造应力场特征的控制。要厘清矿井构造必须厘清矿区构造要厘清矿区构造必须厘清区域构造及其大地构造位置。只有如此才能理清不同级别范围的瓦斯地质规律。二、瓦斯地质规律与瓦斯含量预测(一)瓦斯含量预测的意义瓦斯含量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重量的煤所含的瓦斯量。瓦斯生于煤层储存于煤层瓦斯作为气体易于运移和逸散。现今煤层中储存的瓦斯含量取决于煤在经历地质历史演化过程中的瓦斯生成条件和瓦斯保存条件。瓦斯的生成条件取决于成煤条件:原始物质组成煤的深成热演化作用煤的岩浆热演化作用煤的生物化学作用煤的力化学作用等。瓦斯的保存条件:现在储存在煤层中的瓦斯量仅占瓦斯生成量的不足的瓦斯都逸散了。煤在经受地质构造运动过程中拉张、裂陷差异升降隆起、风化剥蚀地下水等活动极易于造成瓦斯大量逸散。实践证明形成于同一地质时代的煤层不同区域、不同矿区或矿井比较在地质历史演化过程中拉张活动和风化剥蚀作用相对强烈的条件瓦斯含量明显降低。构造挤压作用连续的拗陷沉积作用控制着我国高瓦斯矿区、矿井的分布。(二)影响瓦斯含量大小的主要因素影响瓦斯含量大小的地质因素也很复杂不同区域、不同矿区、矿井比较都存在着主控因素。()从不同地质时代的含煤地层比较地质演化历史长的含煤地层中的煤层高瓦斯含量矿区、矿井居多。()从区域构造背景比较挤压构造背景时间长、次数多的区域高瓦斯矿区、矿井分布居多拉张背景时间长风化剥蚀时间长的区域低瓦斯矿区、矿井分布居多。中国的华南地区以前者为主中国华北地区的东部以后者为主中国的西北地区大面积的早、中侏罗世的煤层受隆起风化剥蚀作用目前主要为低瓦斯矿区、矿井分布。()从煤化程度比较瓦斯生成量随煤化增高而增大。中、高变质煤生成瓦斯量远远高于低变质煤。但是镜质组反射率大于的高阶无烟煤瓦斯含量很低几乎都是低瓦斯矿井。()不同地质时代的含煤地层由于沉积环境不同煤层瓦斯含量存在着总体差异。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。如中国华北地区的太原组煤层、中国华南地区的吴家坪组、合山组煤层等普遍为低瓦斯煤层。三、瓦斯地质规律与瓦斯涌出量预测(一)瓦斯涌出量预测的意义瓦斯涌出是直接威胁煤矿安全生产和矿工生命安全的灾害之一。几乎是只要开采煤炭就会有瓦斯涌出来同时又会造成大气温室效应。瓦斯涌出量大小取决于瓦斯地质条件和开采技术条件。瓦斯地质条件中主要取决于煤层的瓦斯含量大小和邻近层、围岩所含的瓦斯量。开采技术条件中一是开采顺序首采层瓦斯涌出量最大二是单位时间内的煤炭回采量日产量越大的工作面绝对瓦斯涌出量越高。瓦斯涌出量预测是在上述等条件基础上建立模型总体规律随埋深的增加而增大。(二)影响瓦斯涌出量大小的主要因素瓦斯地质条件影响煤炭采、掘瓦斯涌出量大小主要取决于本煤层的瓦斯含量和邻近层及围岩中的瓦斯含量大小。瓦斯含量大小的影响因素前面已经论述。开采技术条件影响()开采顺序的影响。同等条件下首采层瓦斯涌出量高按照开采时间顺序回采的工作面瓦斯涌出量大小受到邻近已回采工作面采空区瓦斯涌出的影响。()开采方法的影响。同等条件下工作面日产量越高单位时间内的绝对瓦斯涌出量越大上行开采工作面瓦斯涌出量大于下行工作面。四、瓦斯地质规律与煤与瓦斯突出危险性预测(一)煤与瓦斯突出危险性预测的意义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前大多数人认可综合作用假说认为煤与瓦斯突出是地应力、煤体中的瓦斯、煤的物理力学性质三者共同作用的结果。(二)煤与瓦斯突出动力灾害的主要因素瓦斯地质研究的实践认为煤层瓦斯含量高是发生煤与瓦斯突出的基础一定厚度的构造煤是发生煤与瓦斯突出的必要条件压性、压扭性构造带是发生煤与瓦斯突出的有利地带构造应力相对集中的地带是瓦斯突出发生的主要位置。构造挤压、剪切作用会使煤体结构发生不同程度的脆韧性破坏形成构造煤。不同级别的构造活动和构造应力场控制着构造作用的范围和强度也就控制着不同区域、不同范围煤层瓦斯的赋存和分布同时控制着煤层赋存条件、煤体结构破坏程度和范围也就控制着煤与瓦斯突出危险程度和危险区域的范围。运用瓦斯赋存构造逐级控制理论厘清构造挤压剪切、高应力区厘清构造煤发育区厘清高瓦斯含量分布区。预测煤层煤与瓦斯突出危险区、威胁区和无突出区。第二节瓦斯含量测定及含量预测一、煤层瓦斯含量煤层瓦斯含量是煤层瓦斯主要参数之一是矿井进行瓦斯涌出量预测和煤与瓦斯突出预测的重要基础参数。煤层瓦斯含量是单位质量煤中所含的瓦斯体积(换算为标准状态)量单位是mt或cmg。煤层瓦斯含量也可用单位质量纯煤(去掉煤中水分和灰分)的瓦斯体积表示单位是mtdaf。煤层未受采动影响时的瓦斯含量称为煤层原始(或天然)瓦斯含量。如煤层受采动影响已部分排放了瓦斯则煤层中剩余的瓦斯含量称为残存瓦斯含量。煤层围岩中有时也含有瓦斯单位质量(或体积)岩石中所含的瓦斯体积称为岩层瓦斯含量。煤的瓦斯容量指在一定瓦斯压力、温度、水分和孔隙率条件下煤中所含有的瓦斯量。根据实验室测出的煤的吸附瓦斯等温线和孔隙率计算确定煤的瓦斯容量。如瓦斯压力、温度和水分等试验条件与煤层相同则计算得出的瓦斯容量即为煤层的瓦斯含量。二、煤层瓦斯含量测定(一)煤层瓦斯含量测定方法分类煤层瓦斯含量测定方法根据其应用范围分为地质勘探钻孔中应用的方法和煤矿井下应用的方法两大类根据方法本身的特点又可分为直接法和间接法。直接法较简单应用该法时直接从煤体内采取煤样在井下现场解吸然后将煤样送到实验室用真空泵抽取瓦斯并分析其瓦斯成份然后进行煤质工业分析计算确定煤层瓦斯含量。该法的优点是瓦斯含量是直接测定的避免了间接法测定许多参数时的测定误差缺点是在试样采取过程中难免有部分瓦斯逸散需要用数学模型推算其瓦斯损失量。对于突出煤层损失量的计算方法迄今为止尚未得到令人满意的经验公式。间接法比较复杂它是先在井下实测或根据赋存规律推算煤层瓦斯压力并在实验室测定煤的孔隙率、吸附等温线和煤的工业分析然后再计算煤层瓦斯含量。该法的优点是煤样不须密封采样方法简单且如果已知煤层各个不同区域的瓦斯压力则可根据吸附等温线推算各个不同区域的煤层瓦斯含量该法的缺点是需要在井下实测煤层瓦斯压力。(二)煤层瓦斯含量直接测定方法地勘期间煤层瓦斯含量测定方法为了在地勘期间准确测定煤层原始瓦斯含量必须使用专门的仪器在地质钻孔中采样以保证采样过程中损失瓦斯量最小或者采用某种方法对损失瓦斯量加以补偿。我国自年代起在地勘钻孔中采用集气式岩芯采取器测定煤层原始瓦斯含量但应用表明该法测定成功率仅为~近年来已经被淘汰。目前地勘时期测定煤层瓦斯含量广泛采用解吸法。解吸法是把钻孔专用仪器采样改为用普通岩芯管在孔底取煤芯利用密封罐在煤芯提升到孔口时采样。这样做的结果既减少了钻孔采样的困难又不影响正常钻进。该法自年起在美国得到了广泛的应用。煤炭科学研究总院抚顺分院于~年在我国一些煤田进行了工业试验完善了测定中使用的成套仪器和工具已使之标准化。该法采样与集气式真空罐法相同只是在采样后要进行煤样瓦斯解吸规律测定并根据解吸规律和煤样暴露时间推算暴露时间的损失瓦斯量。解吸法测定煤层原始瓦斯含量的具体步骤如下:)采样用煤芯管采取煤芯当煤芯提升到地表之后选取煤样约~g立即放进密封罐中密封密封罐结构如图-所示。在采样过程中测定提升煤芯和煤样在空气中的暴露时间。图密封罐罐盖罐体压紧螺丝垫圈胶垫“O”型密封圈)瓦斯解吸量测定煤样装入密封罐后在拧紧罐盖过程中将穿刺针头插入垫圈以便在密封罐时能排出罐内气体。密封后立即将密封罐与瓦斯解吸速度测定仪连接以测定煤样解吸瓦斯量随时间的变化规律。煤炭科学研究总院抚顺分院研制的解吸速度测定仪如图所示。每分钟读取一次量管读数测定一直进行小时后。然后再次检查密封罐的气密性。确认无漏气后把煤样送到实验室进行残存瓦斯量测定。图-煤芯瓦斯解吸速度测定仪量管水槽螺旋夹吸气球温度计、弹簧夹-放水器-排气管穿刺针头-密封罐)煤样残存瓦斯量测定对送到实验室的煤样进行脱气并抽气进行气体组分分析测定煤的残存瓦斯含量。测定步骤如下:()实验室脱气与气体分析。试样送到实验室后利用图-所示的真空脱气装置加热至用真空泵抽出煤样中的气体然后用气相色谱仪分析其气体成份。图-真空脱气装置示意图超级恒温器密封罐穿刺针头滤尘管集水管冷却管水银真空计隔水瓶吸水管排水管吸气瓶真空瓶大量管小量管取气支管水准瓶干燥管分隔球真空泵A螺旋夹B、D、E、F单向活塞G、H、I、J、K三同活塞L、N-三通活塞()煤样粉碎。煤样脱气结束后打开真空罐取出煤样放进密封球磨罐进行粉碎。要求粉碎后以上煤样的粒度在mm以下。()粉碎后脱气与气体分析。将装有已粉碎煤样的密封球磨罐进行加热和真空脱气方法同步骤()直到基本上无气体解吸为止。()煤样称重进行煤质工业分析。()煤中残存瓦斯量计算。根据个阶段脱气的气体分析结果中的氧含量扣除混入的空气成份即换算出了无空气基的煤层气体成分再根据两次脱气抽出的气体体积和成份、煤样重量和煤质分析结果就很容易算出单位重量煤(或可燃质)中含有的瓦斯量即煤的残存瓦斯含量。)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mlt煤样在解吸测定前的暴露时间min     t提钻时间据经验煤样在钻孔的暴露时间取为mint解吸测定前煤样在地面的暴露时间mint煤样解吸测定的时间mink比例常数。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t到t那部分解吸量解吸测定前煤样在暴露时间t时已损失的瓦斯量由此       (-)上式为直线方程式可用最小二乘法求出常数k和VV即为所求的瓦斯损失量。为简便起见也可用作图法求算瓦斯损失量。为此以实测累计瓦斯解吸量V为纵坐标以为横坐标把全部解吸观测点标绘在坐标纸上(如图-所示)将开始解吸一段时间内呈直线关系的测点连线并延长与纵坐标轴相交其截距即为所求的损失瓦斯量。图瓦斯损失量计算图从现场应用该法的实践结果来看损失瓦斯量占煤样总瓦斯量的~。煤的瓦斯含量越大煤样越破碎损失瓦斯量所占比例也越大。由于该法未考虑煤芯在钻孔和空气中解吸规律的差别而且钻孔中煤样的瓦斯解吸时间未准确确定故当前瓦斯损失量的确定仍是半经验性的近似计算因此为了提高煤层瓦斯含量的测定精度应尽量减少煤样的暴露时间尽量选取较大粒度的煤样以减小瓦斯损失量在煤样总瓦斯量中所占的比重。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:(-)式中W煤层原始瓦斯含量mlgV煤样解吸测定中累计解吸出的瓦斯量mlV推算出的瓦斯损失量mlV煤样粉碎前脱出的瓦斯量mlV煤样粉碎后脱出的瓦斯量mlG煤样重量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。井下煤层瓦斯含量测定方法抚顺分院在~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。与在地勘钻孔中应用相比该方法在井下煤层钻孔应用的明显优点:一是煤样暴露时间短一般为~min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:     q=qtk(-)式中 q在解吸时间为t时煤样的解吸瓦斯速度mlgmin qt=min时煤样瓦斯解吸速度mlgmin k解吸速度随时间的衰减系数。在解吸时间为t时累计的解吸瓦斯量为:(-)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t显然瓦斯损失量为:(-)式中 Q煤样瓦斯损失量mlg t解吸测定前煤样暴露时间min。由式(-)可以看出当k时无解因此利用幂函数规律求算瓦斯损失量仅适用于k<的场合为此在采煤样时应尽量选取较大粒度的煤块。当k时可以采用地勘期间煤层瓦斯含量测定方法(式)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Q和实验室测出的试样粉碎前后瓦斯脱出量Q和Q将Q+Q+Q+Q值除以钻屑煤样的重量G即可得到煤层的瓦斯含量有关Q、Q和Q的测定方法同前。井下煤层瓦斯含量测定钻屑解吸法在井下煤层瓦斯含量测定方法中用于推算取样损失量的公式不能用于k的煤层。为了弥补这一不足中国矿业大学俞启香教授提出了一种新的钻屑解吸法简称钻屑解吸法。和井下煤层瓦斯含量测定方法相比钻屑解吸法只是对取样时的钻屑损失瓦斯量计算作了改进改进后的方法适应于所有煤层无论突出煤还是非突出煤也无论煤样粒度。钻屑解吸法采用的取样损失量推算公式为:(-)式中 r钻屑开始解吸瓦斯时的解吸瓦斯速度 k常数 t煤样从脱离煤体至开始解吸测定所用时间。至于Q、Q和Q的测定与井下煤层瓦斯含量测定方法完全相同。井下煤层瓦斯含量快速测定方法无论是井下煤层瓦斯含量测定方法或钻屑解吸法无一例外地要推算煤样在采样过程中的损失瓦斯量Q、煤样解吸测定终了后的残存瓦斯量Q+Q。这些测定需要在实验室内完成因此测定周期长。为了实现井下煤层瓦斯含量快速测定煤炭科学研究总院抚顺分院在~年期间提出了一种新的井下煤层瓦斯含量快速测定方法并以此为基础研制了WP型井下煤层瓦斯含量快速测定仪。WP型瓦斯含量快速测定仪的测定依据如下:X=abV(-)式中 X煤层瓦斯含量mlg V单位重量煤样在脱离煤体min时的瓦斯解吸速度mlgmin a、b反映V与X间的特征常数不同煤层有不同值需要在实验室模拟测定得到。WP型瓦斯含量快速测定仪利用井下煤层钻孔采集煤屑自动测定煤样的瓦斯解吸速度V值和瓦斯含量X值由于不需要测定取样损失瓦斯量和试样的残存瓦斯量测定周期大大缩短整个测定周期仅需~min真正实现了井下煤层瓦斯含量就地快速测定。(三)煤层瓦斯含量间接测定方法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:(-)式中煤层原始瓦斯含量mta吸附常数试验温度下煤的极限吸附量mtb吸附常数MPa煤层绝对瓦斯压力MPa煤的灰分煤的水分K煤的孔隙率mm煤的容重(假比重)tm。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 煤层原始瓦斯含量mtα煤的瓦斯含量系数   P瓦斯压力MPa。煤层瓦斯含量系数在井下可直接测定得出。在掘进巷道的新鲜暴露煤面用煤电钻打眼采取煤样煤样粒度为~mm重量为~g装入密封罐。用井下钻孔自然涌出的瓦斯作为瓦斯源用特制的高压打气筒将钻孔涌出的瓦斯打入密封罐内。为了排除气筒和罐内残存的空气应先用瓦斯清洗气筒和煤样罐数次然后向煤样正式注入瓦斯。特制打气筒打气最高压力达MPa时即可满足测定含量系数的要求。煤样罐充气达MPa以上时即关闭罐的阀门然后送入实验室测定在不同平衡瓦斯压力下煤样所解吸出的瓦斯量。最后按式(-)求出平均的煤的瓦斯含量系数α值。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。在波兰该法得到较广泛应用。使用该法时在正常作业的掘进工作面在煤壁暴露min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min则采样时应把工作面煤壁清除~m深再采煤样。若实测煤的残存瓦斯含量在mtr以下按下式计算煤的原始瓦斯含量:W=Wc(-)式中 W纯煤原始瓦斯含量mt   Wc实测煤的残存瓦斯含量mt。由式看出这时的瓦斯损失量取为定值。当煤的残存瓦斯含量大于mtr时用下式计算煤的瓦斯含量:   W=Wc(-)在所采两煤样中以实测较大的残存量为计算依据。三、煤层可解吸瓦斯含量测定该法的原理是根据煤的瓦斯解吸规律来补偿采样过程中损失的瓦斯量。该法首先在法国得到成功应用在西欧一些国家得到应用。根据这种方法测定的不是煤层原始瓦斯含量而是煤的可解吸瓦斯含量。煤的可解吸瓦斯含量等于煤的原始含量与MPa瓦斯压力下煤的残存瓦斯含量之差它的物理意义是表征煤层在开采过程中在井下可能泄出的瓦斯量。采用可解吸瓦斯含量的概念后就没有必要再把煤样在真空下进行脱气了。(一)解吸法测定煤层可解吸瓦斯含量方法可以在井下采样实际测定煤层可解吸瓦斯含量。应用该法进行测定的步骤如下。采样用手持式风动钻机垂直于新鲜暴露煤壁面打直径约mm、深~m的钻孔每隔m取两个煤样打钻时使用中空螺旋钻杆。图-所示为带有压风引射器的取煤样装置。图钻孔取样装置压风引射器内装筛网的煤样筒、、阀门手持式风动钻机活接头中空麻花钻杆钻头压风管线不采样时阀门和关闭阀门打开。钻进时压风经接头和钻杆的中心孔吹向孔底将钻屑排出孔外。采煤样时关闭阀门打开阀门和压风经阀门和引射器吹出在孔底造成负压钻孔底部钻屑在负压作用下瞬间经钻杆中心孔、接头、阀门进入煤样筒煤样筒装有筛网煤屑经筛选将粒度为~mm的煤样收集起来。取煤样g装入样品管中同时记录从采样到装入样品管的时间t(一般为~min)。瓦斯解吸量测定样品管预先与瓦斯解吸仪连接测定经过相同时间t的瓦斯解吸量q。解吸仪最简单的型式是如图-所示的皂膜流量计。测定时用秒表计时测定经t时间皂膜移动的距离得出瓦斯解吸量q。图瓦斯解吸量测定装置煤样罐皂膜流量计-皂液送样过程中的瓦斯解吸量将煤样从样品管中取出装入容积为L或L的塑料瓶同时测定并记下测定地点空气中的瓦斯浓度C样品送到实验室后开瓶前再一次测定瓶中的瓦斯浓度C。煤样粉碎过程和粉碎后解吸的瓦斯量打开煤样瓶称煤样重量并迅速放入密封粉碎罐中磨~min同时收集粉碎过程中泄出的瓦斯直至无气泡泄出为止记录泄出瓦斯体积Q。可解吸瓦斯量的计算煤的可解吸瓦斯量由下列三部分组成分别计算如下:()从煤体钻取煤样到煤样装入塑料瓶这段时间煤样所泄出的瓦斯量Q。它包括煤样暴露时间为t时的损失瓦斯量和时间从t到t实测的解吸量q。根据累计瓦斯解吸量与解吸时间成正比的规律有:(-)(-)则有:Q=q(-)()煤样在塑料瓶中运送期间泄出的瓦斯量Q按下式计算:    (-)式中V塑料瓶体积ml   C采样地点井下空气中瓦斯浓度  C煤样粉碎前装煤样的塑料瓶中的瓦斯浓度。()煤样粉碎过程中和粉碎后释放的瓦斯量Q直接测定得出。最后按下式计算煤的可解吸瓦斯含量:    (-)式中  W纯煤的可解吸瓦斯含量mlg    m煤样重量g   煤灰分煤灰分校正系数。该法简单易行井下解吸测定时间短且采样方法能保证准确判定采样地点。对不同深度进行采样测定能判断工作面排放带的影响范围。沿孔深实测最大而稳定的瓦斯含量即为煤层原始可解吸瓦斯含量。(二)间接法确定煤层可解吸瓦斯含量方法在间接法测定煤层瓦斯含量时可以按(-)计算煤层可解吸瓦斯量:()式中煤层可解吸瓦斯含量mt煤层原始瓦斯含量mt煤层在标准大气压力下的残存瓦斯含量按式()计算。()式中符号同前。四、深部或某一深度处煤层瓦斯含量预测(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:(-)式中 W煤层瓦斯含量mt   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~m沿煤层倾斜方向不超过m。(二)拉格朗日(Lagrange)插值对生产矿井有不同深度煤层瓦斯含量W(H)W(H)W(H)…W(Hn)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ab上的n个节点HH…Hn并且已知函数在这些点P(H)上的函数值:HHHH…HnW(H)W(H)W(H)W(H)…W(Hn)利用拉格朗日插值方法可得:()其中:式中W煤层瓦斯含量mtH煤层埋藏深度m。当n=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。第三节矿井瓦斯涌出量预测一、矿井瓦斯涌出概念(一)瓦斯涌出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。其表达方法有两种:绝对瓦斯涌出量:指矿井在单位时间内平均涌出的瓦斯体积单位为md或mmin。式中Qj绝对瓦斯涌出量mminQ风量mminC风流中的平均瓦斯浓度%。相对瓦斯涌出量:指矿井在正常生产条件下平均日产一吨煤同期所涌出的瓦斯量单位是mt。式中qx相对瓦斯涌出量mtQj绝对瓦斯涌出量mdAd日产量td。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。(二)矿井瓦斯等级划分根据矿井相对瓦斯涌出量和瓦斯涌出的不同形式我国《煤矿安全规程》第一百三十三条规定:一个矿井中只要有一个煤(岩)层发现瓦斯该矿井即为瓦斯矿井。瓦斯矿井必须依照矿井瓦斯等级进行管理。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矿井瓦斯等级划分为:低瓦斯矿井:矿井相对瓦斯涌出量小于或等于mt且矿井绝对瓦斯涌出量小于或等于mmin。高瓦斯矿井:矿井相对瓦斯涌出量大于mt或矿井绝对瓦斯涌出量大于mmin。煤(岩)与瓦斯(二氧化碳)突出矿井。每年必须对矿井进行瓦斯等级和二氧化碳涌出量的鉴定工作报省(自治区、直辖市)煤炭管理部门审批并报省(自治区、直辖市)煤矿安全监察机构备案。新矿井设计文件中应有各煤层的瓦斯含量资料。二、煤层瓦斯涌出形式(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。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m巷道范围内涌出瓦斯量大于或等于mmin且持续时间在h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。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。阳泉一矿号煤层(四尺煤)三下山底板当钻孔穿过K层石灰岩时曾从裂隙中喷出了万m瓦斯(在一年时间内)。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。喷出式瓦斯涌出可以发生在各类巷道如井筒、石门、准备巷道、回采工作面以及钻孔中它的危险性在于其突然性。对地质生成的瓦斯喷出危险应在有喷出危险的区域中进行采矿工程时加强地质工作如采取打前探钻孔、打排瓦斯钻孔加大危险区域的风量将喷出的瓦斯直接引入回风巷或抽放瓦斯管路内严禁工作面之间的串联通风为防治生产生成的瓦斯喷出在开采近距离保护层时必须加强回采初期被保护层卸压瓦斯的抽放如加密钻孔等搞好顶板管理工作当悬顶过长时应采取人工强制放顶等。(三)煤与瓦斯突出煤(岩)与瓦斯(甲烷或二氧化碳)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号煤层的突出在突出后小时实测瞬间瓦斯涌出量达mmin在突出后的小时分钟时瓦斯涌出量仍有mmin在这期间总计涌出瓦斯量为万m抛出煤炭及岩石共t。上述三类煤层瓦斯涌出形式的流动性质、表现方式及管理防治措施是各不相同的。正常瓦斯涌出可以用煤层瓦斯流动理论的有关数学模型来描述解算大多数情况下、煤壁瓦斯涌出可以认为属于平面单向不稳定瓦斯流动类型防治的基本措施是采用通风的方法稀释风流中瓦斯浓度或用抽放方法减少瓦斯向巷道涌出。瓦斯喷出是一种局部性的异常瓦斯涌出只要能及时准确预测瓦斯积聚源并把积聚的瓦斯控制引入回风系统或抽放瓦斯管路系统就能消除瓦斯喷出的危害。煤与瓦斯突出是一种极其复杂的瓦斯与煤一起突然喷出的现象危害性极大需要采取专门的防治措施。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煤层(包括可采层和邻近层)和围岩的瓦斯含量是瓦斯涌出量大小的决定因素它们的瓦斯含量越高矿井瓦斯涌出量就越大。当前矿井的瓦斯涌出量预测把煤层瓦斯含量作为主要依据。(二)开采深度影响随着开采深度的增大煤层的瓦斯含量将增大因而矿井瓦斯涌出量会相应地增大。(三)开采规模影响开采规模是指开拓、开采范围以及矿井的产量而言。对某一矿井来说开采规模越大矿井的绝对瓦斯涌出量也就越大但就矿井的相对瓦斯涌出量来说情况比较复杂。如果矿井是靠改进采煤工艺提高工作面单产来增大产量的则相对瓦斯涌出量会有明显的减少原因为:第一与采面无关的瓦斯源的瓦斯涌出量在产量提高时无明显增大二是随着开采速度加快邻近层及采落煤的残存瓦斯量将增大。如果矿井仅是靠扩大开采规模来增大产量的则矿井相对瓦斯涌出量或增大或保持不变。(四)开采顺序与开采方法影响在开采煤层群中的首采煤层时由于其涌出的瓦斯不仅来源于开采层本身而且还来源于上、下邻近层因此开采首采煤层时的瓦斯涌出量往往比开采其它各分层时大好几倍。为了使矿井瓦斯涌出量不发生大的波动在开采煤层群时应搭配好首采煤层和其他各层的比例。在厚煤层分层开采时不同分层的瓦斯涌出量也有很大的差别。一般情况是第一分层瓦斯涌出量最大最后一个分层瓦斯涌出量最小。采煤方法的回采率越低瓦斯涌出量就越大因为丢煤中所含瓦斯的绝大部分仍要涌入巷道。在开采煤层群时由于采用陷落法管理顶板比采用填法管理顶板时能造成顶板更大范围的破坏与松动因而采用陷落法管理顶板的工作面的瓦斯涌出量比采用充填法管理顶板的工作面的瓦斯涌出量大。(五)地面大气压力的变化地面大气压力的变化会引起井下空气压力的变化。根据测定地面大气压力一年内变化量可达~-MPa一天内最大变化量可达~-MPa。但与煤层瓦斯压力相比地面大气压的变化量是很微小的。地面大气压的变化对煤层暴露面的瓦斯涌出量没有多大影响但对采空区瓦斯涌出有较大的影响。在生产规模较大采空区瓦斯涌出量占很大比重的矿井当气压突然下降时采空区积存的瓦斯会更多地涌入风流中使矿井瓦斯涌出量增大当气压变大时矿井瓦斯涌出量会明显减小。例如峰峰局羊渠河矿当气压由MPa增至MPa时矿井瓦斯涌出量由mmin降至mmin。四、矿井瓦斯涌出量瓦斯地质统计预测法瓦斯地质统计预测法是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。(一)瓦斯地质统计预测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。在瓦斯地质相关因素定量分析中,某些地质因素难以定量化,如煤层的顶、底板岩性,只是某种属性的描述,而没有量的概念,这类变量称为定性变量。当某些定性变量是影响瓦斯涌出量变化的主要因素时,就成为不可忽略的因素。而一般的多元统计分析方法,如多元回归分析,只能解决从定量的自变量出发对因变量的预测问题。另外,在实际应用中,某些影响因素可以用定量变量的形式来描述,但如果这些因素对瓦斯涌出的影响是趋势性的,则可能将其转化为定性变量加入数学模型会得到更好的预测效果。转化后是否得到了更高的预测精度,可以通过实践检验或统计检验的方法来确定。定量变量转化为定性变量的方法:根据某一定量变量的取值范围,划分为互不相交的若干个区间取值于同一区间时则认为是同一等级,这样便将此定量变量转化为定性变量。区间的划分可以采用数学方法,例如以平均值为界可划分为个区间,均分段可划分为个区间,等等区间划分是否合理,可在建模过程中采用一定的数学方法和统计检验来确定和调整。利用在已采地区建立的瓦斯地质数学模型对未采区域进行涌出量预测时,需要在未采区域提供相应自变量的具体数据。而有些观测值为定量数据的自变量(定量变量),要给出其在未揭露区域各统计单元内的定量数据是比较困难的。例如,如果某矿井的小断层密度是影响瓦斯涌出量变化的一个因素,在已采地区它是容易获取的数据,而要预先给出未采地区小断层密度的定量数据常常难以做到。然而,根据地质分析和构造规律,对未揭露地区的小断层密度进行定性估计(如密度高、中、低)往往是可以做到的,这些定性估计的结果就表现为定性变量。在这类情况下,就需要在已采地区将某些定量变量转化为定性变量,建立包括这些定性变量的瓦斯地质数学模型。在矿井生产阶段对深部未采区域进行瓦斯涌出量预测,瓦斯地质数学模型法可以充分利用瓦斯涌出量实测资料,综合考虑地质条件、开采深度等多种影响因素,提供较为可靠的预测结果。(二)预测方法及步骤分析瓦斯涌出的影响因素大量资料表明,矿井瓦斯涌出具有不均衡分布的特点,表现为在同一矿井的不同煤层、同一煤层的不同块段,瓦斯涌出量普遍存在着差异性,这种不均衡分布往往与地质条件有密切关系。除地质条件之外矿井瓦斯涌出还与开采技术因素有关,采用不同的采煤方法和采掘工艺,瓦斯涌出量亦发生变化。瓦斯涌出的影响因素一般包括:顶板控制方式、采煤方法、开采顺序、煤层埋藏深度、岩浆侵入、水文地质条件、地质构造、煤厚及其变化、煤的变质程度、煤层组合特征、煤层围岩等。为了分析影响瓦斯涌出的地质因素,筛选预测瓦斯涌出量的地质变量,需要借助瓦斯地质图。瓦斯地质图一般采用煤层底板等高线图作为编图的底图。当进行多煤层预测时,要分别按煤层编制瓦斯地质图。在瓦斯地质图上,首先要圈定瓦斯风化带与甲烷带的界线,然后在甲烷带内勾绘掘进巷道绝对瓦斯涌出量等值线和回采工作面相对瓦斯涌出量等值线。地质方面的内容要反映研究区内与瓦斯涌出有关的地质因素,可分别采用等高线、等厚线、等值线、分布界线等表示。在影响瓦斯涌出的地质因素分析中,起主导作用的因素随各矿井地质条件的差异而有区别。在瓦斯地质图上,如果某些地质参数等值线的分布变化与瓦斯涌出量的分布变化表现出某种一致性,或某些地质参数的区划范围与高、中、低瓦斯区的分布范围基本上叠加吻合,可以确定这些因素是影响瓦斯涌出量变化的主要因素。在进行瓦斯地质相关因素分析时,要注意进行综合分析。开采因素的影响可能使地质因素与瓦斯涌出的关系复杂化。建立预测瓦斯涌出量的数学模型()确定统计单元瓦斯地质数学模型是以已采区域内的已知统计单元为样本建立起来的。统计单元的确定应考虑生产要求根据对深部不同类型的未采工作面选择相应的统计单元。若已采区域内的回采工作面走向长度很大(综采工作面的走向长度可达~m),可以将工作面或掘进巷道沿走向划分为个或个统计单元。因为统计单元内的变量是以平均数据取值的,统计单元长度过大会降低平均值的代表性。划分统计单元时掘进巷道可按二等分或三等分划分,回采工作面可采用相应位置的月份回采线划分。()选择变量和取值根据生产实际,回采工作面瓦斯涌出量的预测模型以相对瓦斯涌出量作为因变量(mt),取统计单元内各回采月份相对瓦斯涌出量的平均值作为该统计单元因变量的观测数据。掘进巷道瓦斯涌出量的预测模型以绝对瓦斯涌出量(mmin)作为因变量以统计单元内各月(或旬)绝对瓦斯涌出量的平均值作为因变量的观测数据。在计算平均瓦斯涌出量时,应剔除由于人为非正常因素造成的异常数据。()建立预测方程:根据所选定的因变量和自变量,以及在已采区域内所确定的统计单元,分别对各单元的变量取值,绘制基础数据表格。根据所取得的基础数据,采用数理统计法建立预测瓦斯涌出量的瓦斯地质数学模型。所建立的预测方程是否有实际意义,需要进行统计检验一般采用方差分析法计算统计量F,并在一定的显著性水平下查F分布表。当F统计量大于等于F临界值时,说明预测方程显著,可用于未采区域的瓦斯涌出量预测否则,需要从原始资料入手,对变量的选择和取值进行分析研究,修改数据后重新建立预测方程。所建立的预测方程中每个自变量对预测的重要性需采用偏相关系数法检验。偏相关系数越大,说明该自变量对预测的贡献越大。预测未采区域瓦斯涌出量在数学模型建立之后,可根据不同情况采用不同的方法预测未采区域的瓦斯涌出量。填绘瓦斯地质图将已采区域内的瓦斯涌出量统计计算等值线和未采区域内的瓦斯涌出量预测等值线填绘到瓦斯地质图上作为指导深部安全生产的基础技术资料。(三)山西阳泉矿区号煤层瓦斯涌出量预测实例太原南峪矿区区域内矿井瓦斯涌出总的呈现南高北低、两边高中间低的趋势(图-)。瓦斯涌出条带的延展方向在区域北部呈弧形区域中部近东西区域南部呈封闭形。其走向为北西到南东向这与区域内主要构造轴线一致。图-山西太原南峪矿区瓦斯涌出量分布图(mt)为了研究矿井瓦斯涌出量与地质因素之间的关系以回采工作面瓦斯涌出量作为因变量选取埋藏深度、煤层倾角、断层密度、煤层厚度、构造煤厚度等作为自变量建立了阳泉矿区号煤层瓦斯涌出与地质因素之间关系的数理统计模型即:式中:D煤层倾角度F断层密度条万M煤层厚度m。分析该数学模型矿井开采过程中工作面瓦斯涌出量与煤层倾角呈正相关关系与断层密度呈负相关关系与煤层厚度有极明显的正相关关系。说明煤层的透气性具有各向异性即顺煤层方向的透气性比垂直层面方向的透气性大。煤层倾角大有利于采后冒落、垮落高度大卸压影响范围大使邻近煤层瓦斯大量涌向采空区而流向工作面因而工作面瓦斯涌出量与煤层倾角正相关煤层厚度大生成瓦斯的原始质料多况且空间大有利于瓦斯赋存对瓦斯涌出量的增加是不容忽视的。五、矿井瓦斯涌出量分源预测法(一)分源预测法的基本原理含瓦斯煤层在开采时受采掘作业的影响煤层及围岩中的瓦斯赋存平衡状态即遭到破坏破坏区内煤层、围岩中的瓦斯将涌入井下巷道。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。根据抚顺分院的研究矿井瓦斯涌出的源、汇关系如图所示。图 矿井瓦斯涌出源、汇关系应用分源预测法预测矿井

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