3任务三矿井瓦斯涌出及矿井瓦斯等级鉴定

任务三矿井瓦斯涌出及矿井瓦斯等级鉴定【主要内容】一、煤层瓦斯涌出及其原因二、矿井瓦斯涌出来源三、矿井瓦斯涌出量四、影响瓦斯涌出量的因素五、矿山统计法预测矿井瓦斯涌出量六、矿井瓦斯等级的划分七、矿井瓦斯等级鉴定方法八、实训与操作-编写瓦斯等级鉴定报告一、煤层瓦斯涌出及其原因完整的煤体内，游离瓦斯和吸附瓦斯处于动平衡状态，煤层的瓦斯含量可以看作稳定不变。但是，在煤层中或煤层附近采掘工作时，煤岩的完整性受到破坏，地压的分布发生了变化，一部分煤岩的透气性增加，游离瓦斯在瓦斯压力作用下，就会经由煤层的暴露面渗透流出，涌向采掘空间，这种现象，就是煤层的瓦斯涌出。一部分游离状态的瓦斯涌出后，破坏了原有的瓦斯动态平衡，一部分吸附状态的瓦斯将转化为游离状态的瓦斯而涌出。另一方面，随着采掘工作的发展，煤体和围岩受采掘工作影响的范围不断扩大，瓦斯动态平衡破坏的范围也不断扩展。所以瓦斯能以长时间地、均匀地从煤体中释放出来，这类瓦斯涌出又叫瓦斯的普遍涌出，它是瓦斯涌出的基本形式。在某些特定的条件下，煤矿内还会出现其它特殊形式的瓦斯涌出。特殊涌出是指大量瓦斯突然、集中于局部并伴有动力效应的涌出现象。是较少见的一种瓦斯放散形式，主要有瓦斯喷出和煤与瓦斯突出。本篇介绍瓦斯的普通涌出。二、矿井瓦斯涌出来源根据矿井瓦斯涌出的地点不同，瓦斯来源可分为煤（岩）壁瓦斯涌出、采空区瓦斯涌出和采落煤炭瓦斯放散三类。有时把来源于煤（岩）壁和采落煤炭涌出的瓦斯称为直接源瓦斯；把来源于采空区涌出的瓦斯称为间接源瓦斯。.煤（岩）壁瓦斯涌出由于井下采掘巷道和采掘工作面的布置，煤（岩）壁暴露的自由面大而且分布广。从自由面向煤体深处瓦斯压力呈上升趋势，这样在煤体就会形成瓦斯压力梯度，从而造成瓦斯由煤体深部向煤壁方向流动的流动场，对井下作业空间而言，煤（岩）壁成为瓦斯涌出的重要来源。（1）采煤工作面煤壁瓦斯涌出当采煤工作面为后退式开采时，采区内运输及回风巷道的煤壁暴露时间一般已经超过煤壁瓦斯涌出的枯竭期，所以整个巷道的煤壁瓦斯涌出可以忽略。当前进式采煤时，在采煤工作面前方有巷道掘进，且掘进巷道的回风流流经采煤工作面，煤壁暴露时间较短，这时巷道的煤壁瓦斯涌出应成为工作面瓦斯涌出量的一个组成部分。采煤工作面处于均匀连续的推进过程中，所以工作面新鲜暴露的煤壁不存在瓦斯枯竭的问题，瓦斯涌出也是连续不断的。以综采工作面为例，当采煤机位于工作面的上端或下端时，工作面的煤壁都是新鲜暴露的，这时工作面的瓦斯涌出量最大。特别应指出，由于采煤工作面受地压活动的影响较大，采煤工作面前方煤体的透气性、瓦斯涌出衰减系数并不是稳定的，因此，采煤工作面煤壁瓦斯涌出量的波动范围较大，但这并不影响工作而煤壁作为瓦斯涌出重要来源的地位。这也是加强工作面防治瓦斯的重要理论依据。（2）掘进工作面瓦斯涌出在掘进巷道中，可把当天暴露出来的新鲜煤壁看作移动煤壁，在这个移动区域内的新鲜煤壁像插入煤层原始应力区域的一根“针”，这根“针”破坏了煤层原始应力平衡状态和煤体内瓦斯压力平衡状态，在煤体中形成了较大的瓦斯压力梯度，使得瓦斯从这个移动煤壁大量涌出。地质条件相同时，这个移动煤壁总是处于煤层原始应力区域，瓦斯涌出相对于掘进面的推进度是稳定的。当巷道均匀向前掘进时，在掘进工作面后面的巷道煤壁就是不移动的暴露煤壁，其瓦斯涌出强度随暴露时问的延长而减弱，即随着掘进巷道的增长而衰减。由于固定暴露煤壁瓦斯的涌出随暴露时间的延长而减弱，对于长距离掘进巷道，有一个最大瓦斯涌出量值，与其相对应的也有一个巷道瓦斯涌出量达到最大时的巷道最大长度，即当巷道的掘进长度超过此值后，掘进巷道的瓦斯涌出量也不再增加，这时掘进工作面瓦斯涌出量将趋于相对稳定。一般煤壁瓦斯的涌出量与煤壁暴露的自由面的大小和暴露时间有关，单位面积暴露煤壁的瓦斯涌出量叫做煤壁瓦斯的涌出强度，新鲜暴露煤壁的瓦斯涌出强度最大。因此，正常情况下，井下采掘作业时煤壁瓦斯涌出强度应该是最大的。.采空区瓦斯涌出采空区瓦斯涌出其瓦斯来源主要有：受采动影响的卸压邻近层（包括上、下邻近层，不可采层及围岩）以及开采层本身丢煤（包括煤柱）所涌出的瓦斯。一般在老顶第一次冒落前，邻近层瓦斯基本上不向采空区涌出，这时的瓦斯涌出量可以认为是开采层本身涌出的瓦斯量。当老顶第一次冒落后，卸压松动的邻近层就开始向采空区大量涌出瓦斯。.采落煤炭瓦斯放散采掘工作面采落下来的煤块在运输过程中，煤块内瓦斯仍向风流涌出。影响采落的煤炭放散瓦斯因素有：煤炭的块度大小、煤块初始的瓦斯含量、煤块在采区内停留的时间。在正常情况下，采落煤块在采区进风系统中停留的时间为5min〜10min。如果停留时间延长，则煤块在采区内的瓦斯涌出量将显著增加；但超过30min〜40min后，采落煤块的瓦斯涌出量将趋向稳定。采煤工作面的推进速度越快，采落煤块瓦斯涌出量占采煤工作面瓦斯涌出总量的比例越大。三、矿井瓦斯涌出量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出的瓦斯量，对应于整个矿井的叫做矿井瓦斯涌出量；对应于翼、采区或工作面的，叫做翼、采区或工作面的瓦斯涌出量。瓦斯涌出量的计算有两种：即绝对瓦斯涌出量和相对瓦斯涌出量。（一）绝对瓦斯涌出量矿井在单位时间内涌出的瓦斯量，称为绝对瓦斯涌出量，单位为m3/d或m3/min,它与风量、瓦斯浓度的关系为：Q涌=Q风c （…）式中。痛一绝对瓦斯涌出量，m3/min；涌Q风一瓦斯涌出地区的风量，m3/min；C一风流中的瓦斯体积浓度，即风流中瓦斯体积与风流总体积的百分比。（二）相对瓦斯涌出量

1440•Q _涌矿井在正常生产条件下，平均日产一吨煤涌出的瓦斯量，称为相对瓦斯涌出量。其单位为m1440•Q _涌（1-3-2）式中q涌一相对瓦斯涌出量，m3/t；Q尸一绝对瓦斯涌出量，m3/d；涌T一产煤量，t/d。如果矿井月产量为A吨，则T的值可按下式求出：一AT—— （1-3-3）n式中n一月工作日数，d。例题1-3-1已知某矿日产量3000吨，总回风巷回风量为7600立方米/分，相对瓦斯涌出量为25立方米/吨，求总回风巷的瓦斯浓度？该浓度是否符合《规程》规定？解：C=Q涌/Q风但Q涌二口涌,1/（24X60）=25X3000/（24X60）=52.1立方米/分故C=Q涌/Q风=52.1/7600=0.68%因0.68%<0.75%,所以总回风巷瓦斯浓度符合《规程》规定。例题1-3-2某采煤工作面回风量为300立方米/分，瓦斯浓度为1.3%,问应至少再增加多少新风，才能使回风流瓦斯浓度符合《规程》规定？解：C=Q涌/Q风Q涌=C♦Q风设当把瓦斯浓度降到1%时，需风量为Q风，则1.3%X300=1%XQ风Q风二390立方米/分需要增加口的风量Q增为Q增二390-300=90立方米/分（三）瓦斯涌出不均系数矿井瓦斯涌出量的变化分为正常变化和异常变化。正常变化指生产过程中发生的瓦斯涌出量变化；异常变化发生于气压的突然变化，瓦斯喷出、煤与瓦斯突出、老顶大面积冒落和地震等特殊情况时。正常变化在一段时间内不超过一定的数值，以瓦斯涌出不均系数表示:k—Q涌大 （1-3-4）Q涌均式中k—给定时间内的瓦期涌出不均系数；Q涌大一该时间内的最大瓦斯涌出量，m3/min；Q滴均一该时间内的平均瓦斯涌出量，m3/min；测定瓦斯涌出不均系数时，根据需要，在测定地区（工作面、采区或全矿）的进、回风流中连续测定一段时间一个生产循环、一个工作班、一天、一月或一年的风量和瓦斯浓度。一般以测定结果中的最大一次瓦斯涌出量和各次测定的算术平均值代入上式，即为该地区在该时间间隔内的瓦斯涌出不均系数。表1-3-1为淮南谢二矿等矿根据通风报表统计的瓦斯涌出不均系数。工作面的瓦斯涌出不均系数总是大于采区的，采区大于一翼的，翼的大于全矿井的。进行风量计算时，应根据具体情况选用恰当的瓦斯涌出不均系数，才能保证瓦斯浓度不超过规定。表1-3-1瓦斯涌出不均系数矿井全矿回采工作面掘进工作面淮南谢二矿1.181.51抚顺龙凤矿1.181.321.42抚顺胜利矿1.291.38阳泉一矿北头嘴井1.241.411.40任何矿井的瓦斯涌出在时间上与空间上都是不均匀的。如果这种不均匀性很大，就需要根据测定结果，有针对性地采取措施，使瓦斯涌出比较均匀稳定。例如尽可能采用浅截糟的采煤机和联合掘进机，错开相邻工作面的落煤、放顶时间，改变回采顺序，进行瓦斯抽放，调整通风系统，加强已采区的密闭等。四、影响瓦斯涌出量的因素瓦斯涌出量的大小，决定于自然因素和开采技术因素的综合影响。如煤、岩的瓦斯含量、煤的物理化学特性、开采规模、回采顺序、落煤方式、通风系统、地面大气压、风压和风量的变化等。这里只简要地讨论与生产技术关系密切的一些因素。（一）自然因素.煤层、围岩的瓦斯含量它是影响瓦斯涌出量的最重要因素。单一的薄煤层和中厚煤层开采时，瓦斯主要来自煤层暴露面和采落的煤炭。因此，瓦斯含量越高，瓦斯涌出量也越大。如果在开采煤层附近赋存有瓦斯含量大的邻近煤层或岩层时，由于煤层回采的影响，在采空区上下形成大量的裂隙，邻近煤层或岩层中的瓦斯，就能不断地流向开采煤层的采空区，再进入生产空间，从而增加矿井的瓦斯涌出量。在此情况下，开采煤层的瓦斯涌出量有可能大大超过它的瓦斯含量。.地面大气压的变化地面大气压变化，必然引起井下大气压的相应变化，对于从煤层暴露面涌出的瓦斯量影响甚微，但对采空区或坍冒处瓦斯涌出的影响比较显著。这是由于正常情况下，这些瓦斯积存区与巷道的气压差处于相对平衡状态，积存的瓦斯均匀地流入风流中。所以在生产规模较大的老矿内，当地面大气压突然下降时，瓦斯积存区的气体压力将高于风流的压力，原来的相对平衡压差遭到破坏,因而引起瓦斯涌出量的增加,瓦斯就会更多地涌入风流中，使矿井的瓦斯涌出量增大。反之，矿井的瓦斯涌出量将减少。.开采深度因为煤层和围岩的瓦斯含量随深度的增加而增大，所以，在甲烷带内，随着开采深度的增加,瓦斯涌出量也增大。4,地质构造采掘工作面接近地质构造时，瓦斯涌出量往往发生很大的变化。其大小取决于引起构造时地层受力情况和最终的成型构造类型。一般来说，受拉力影响产生的开放性构造裂隙有利于排放瓦斯，受挤压力产生的封闭构造裂隙有利于瓦斯富积。因此，当开采到瓦斯富积区时，瓦斯涌出量就增大。（二）开采技术因素.开采强度和产量矿井的绝对瓦斯涌出量与回采速度或矿井产量成正比，而相对瓦斯涌出量变化较小。当回采速度较高时，相对瓦斯涌出量中开采煤层涌出的量和邻近煤层涌出的量反而相对减少，使得相对瓦斯涌出量降低。实测结果表明，如从两方面考虑，则高瓦斯的综采工作面快采必须快运才能减少瓦斯的涌出。.开采顺序和回采方法厚煤层分层开采或开采有邻近煤层涌出瓦斯的煤层肘，首先开采的煤层瓦斯涌出量较大,除本煤层（或本分层）瓦斯捅出外，邻近层（或未开采分层）的瓦斯也要通过回采产生的裂隙与孔洞渗透出来，增大瓦斯涌出量,其他层开采时,瓦斯涌出量大大减少。采空区丢失煤炭多，回采率低的采煤方法，采区瓦斯涌出量太。管理顶板采用陷落法比充填法造成的顶板破坏范围大，邻近层瓦斯涌出量较大。采煤工作面周期来压时，瓦斯涌出量也会增大。.采空区封闭质量采空区积存的瓦斯浓度可高达60%〜70%。如果设置的密闭墙质量差或进、回风侧的风压差较大时，就会造成采空区内的瓦斯大量涌出，进而增大矿井瓦斯涌出量。.风量的变化风量变化时，瓦斯捅出量和风流中的瓦斯浓度由原来的稳定状态，逐渐转变为另一稳定状态。风量变化时，漏风量和漏风中的瓦斯浓度也会随之变化。井巷的瓦斯涌出量和风流中的瓦斯浓度，在短时间内就会发生异常的变化。通常风量增加时，起初由于负压和采空区漏风的加大。一部分高浓度瓦斯被漏风从采空区带出，绝对瓦斯涌出量迅速增加，回风流中的瓦斯浓度可能急剧上升。然后，浓度开始下降，经过一段时间，绝对瓦斯涌出量恢复到或接近原有值，回风流中的瓦斯浓度才能降低到原值以下，风量减少时情况相反。这类瓦斯涌出量变化的时间，由几分钟到几天，峰值浓度和瓦斯涌出量可为原值的几倍。五、矿山统计法预测矿井瓦斯涌出量根据某些已知数据，按照一定的方法与规律，预先估算出矿井或区域瓦斯涌出量大小的工作称为矿井瓦斯涌出量预测。设计矿井或生产矿井的新区（待开发区、深部水平），需要预先确定其矿井瓦斯等级和瓦斯涌出量，以作为矿井、区域设计的依据。预测的准确程度对矿井的安全生产和经济效益有重要影响。目前我国生产矿井瓦斯涌出量预测方法主要采用矿山统计法，矿山统计法的实质是根据生产矿井不同生产水平的实测瓦斯资料，经过分析得出瓦斯涌出量随开采深度的变化规律。根据该规律推算深部水平或邻近新矿井的瓦斯涌出量。将矿井历年积累的不同开采深度的相对瓦斯涌出量资料加以整理以矿井平均开采深度图1-3-1抚顺龙凤矿相对瓦斯涌出量与开采深度的关系为横座标,矿井相对瓦斯涌出量为纵座标如图1-3-1,图中各点通常呈带状分布,通过这个条带的中心即可画出相对瓦斯涌出量随深度变化的关系线。这个关系线在深部一般为一直线。将此直线外延,即可预深的瓦涌出量。矿井平均开采深度为某一统计期，矿井产煤的加权平均开采深度Z，可按下式求得:(1-3-5)式中Z—统计期内，第i采煤区段的开采深度，m；T-统计期内，第i采煤区段的产煤量，t。统计法的两个重要参数是瓦斯风化带深度和相对瓦斯涌出量与深度的比值。深度与相对瓦斯涌出量的比值,即直线斜率的倒数，称为瓦斯涌出量梯度，用a表示。它表示相对瓦斯涌出量每增加1m3/t时，开采深度增加的米数,可按下式求得：(1-3-6)式中Z1、Z2一分别为甲烷带内的两个开采深度，m；q、q-对应于Z、Z深度的相对瓦斯涌出量，m3/t；1 2 1 2同相对瓦斯涌出量与开采深度呈近似直线关系，则该直线的斜率就为定值，我们称此斜率d为瓦斯递增率，其意义为开采深度每增加1m,相对瓦斯涌出量所增加的数量,即d=1 (1-3-7)a若知道了生产水平的瓦斯涌出量梯度或瓦斯递增率以及瓦斯风化带深度，就可以按下式预测深部水平的相对瓦斯涌出量q^：涌q涌=q0+(Z-Z0)d (1-3-8)式中q0-甲烷带上边界的相对瓦斯涌出量，等于2〜3m3/t；Z0-甲烷带上边界(瓦斯风化带下边界)的深度，m；Z-预测瓦斯量为q涌处的深度，m。使用这一方法预测时，须注意以下两点：(1)此法只适用甲烷带，外推的(预测)深度不宜超过100〜200m,煤层倾角a值越小，外推的深度也应越小，否则可能会较大误差；(2)预测的精度决定于原始统计资料的精度和预测区同采区采矿、地质条件的相似程度。为提高预测的准确度，应划分若干区，进行分区预测，在每个区内煤层的地质和开采条件应相似。六、矿井瓦斯等级的划分矿井瓦斯等级是矿井瓦斯量大小和安全程度的基本标志，矿井生产过程中，根据不同的瓦斯等级选用相应的机电设备，采取相应的通风瓦斯管理制度，以保障安全生产，并做到经济合理。《煤矿安全规程》第133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。矿井瓦斯等级，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：（一）低瓦斯矿井：矿井相对瓦斯涌出量小于或等于10m3/t且矿井绝对瓦斯涌出量小于或等于40m3/min。（二）高瓦斯矿井：矿井相对瓦斯涌出量大于10m3/t或矿井绝对瓦斯涌出量大于40m3/min。（三）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）负责煤炭行业管理的部门审批，并报省级煤矿安全监察机构备案。上报时应包括开采煤层最短发火期和自燃倾向性、煤尘爆炸性的鉴定结果。新矿井设计文件中，应有各煤层的瓦斯含量资料。《煤矿安全规程》第134条规定：低瓦斯矿井中，相对瓦斯涌出量大于10m3/t或有瓦斯喷出的个别区域（采区或工作面）为高瓦斯区，该区应按高瓦斯矿井管理。《煤矿安全规程》第176条规定：在矿井井田范围内发生过煤（岩）与瓦斯突出（简称突出，下同）的煤层或者经鉴定有突出危险的煤层为突出煤层；在矿井的开拓、生产范围内有突出煤层的矿井为突出矿井。煤矿发生生产安全事故，经事故调查认定为突出事故的，发生事故的煤层即为突出煤层，该矿井即为突出矿井。有下列情况之一的，应当立即进行突出煤层鉴定；鉴定未完成前，应当按照突出煤层管理：（一）煤层有瓦斯动力现象的。（二）煤层瓦斯压力达到或者超过0.74MPa的。（三）相邻矿井开采的同一煤层发生突出事故或被鉴定为突出煤层的。突出矿井及突出煤层的鉴定，由煤矿企业委托具有煤与瓦斯突出危险性鉴定资质的单位进行。煤矿企业应当将鉴定结果报省（自治区、直辖市）负责煤炭行业管理的部门审批，并报省级煤矿安全监察机构备案。新建矿井的煤层突出危险性应当根据地质勘探部门提供的基础资料进行煤层突出危险性评估；经评估认为有突出危险的新井，其建井期间应当对开采煤层及其他可能对采掘活动造成威胁的煤层进行突出危险性鉴定。七、矿井瓦斯等级鉴定方法矿井瓦斯等级鉴定方法与步骤矿井瓦斯等级鉴定是矿井瓦斯防治工作的基础。借助于矿井瓦斯等级鉴定工作，也可以较全面地了解矿井瓦斯的涌出情况，包括各工作区域的涌出和各班涌出的不均衡程度。该项工作主要包括下列内容：.鉴定进行的时间根据矿井生产和气候变化的规律，可以选在瓦斯涌出量较大的一个月份进行，一般为七、八月份。.鉴定时的生产条件矿井瓦斯鉴定工作应在正常的条件下进行，按每一矿井的全矿井、煤层、一翼、水平和采区分别计算月平均日产一吨煤瓦斯的涌出量。在测定时，应采取各项测定中的最大值，作为确定矿井瓦斯等级的依据。.测定的内容和要求测定必须在鉴定月的上、中、下旬各取一天（时间间隔10d,分三个班或四个班进行，具体的计划根据矿井实际作业规程安排。每一工作班的测定时间应该选在生产正常时刻，分别测定矿井、煤层、一翼、水平和采区回风巷道中的风量和瓦斯浓度，测定的地点尽量设置在测风站内，测量方法和次数应按操作规程进行。有瓦斯抽放系统的矿井，在测定日应同时测定各区域内瓦斯的抽放量，因为矿井瓦斯等级中包含抽放的瓦斯量在内。鉴定月内地面和井下的大气变化情况也应记录，包括气温、气压和湿度等气象条件。.瓦斯涌出量的计算各工作班的绝对瓦斯涌出量按式（1-3-1）计算；相对瓦斯涌出量按式（1-3-2）计算。计算煤层、一翼、水平或采区的瓦斯或二氧化碳涌出量时，应该扣除相应的进风流中瓦斯或二氧化碳量。计算结果填入测定表中。.鉴定报告在鉴定月三天测定的数据中选取瓦斯涌出量最大的一天，作为计算相对瓦斯涌出量的基础。根据鉴定的结果，结合产量、地质构造、采掘比重等提出确定矿井瓦斯等级的意见，填写矿井瓦斯等级鉴定报告，并连同其他资料报上级主管部门审批。例题1-3-3某矿7月份进行瓦斯等级鉴定，该月产量为18万t，工作日数为30d，测得风量和瓦斯浓度见表1-3-2,试确定该矿井的瓦斯等级？表1-3-2瓦斯等级鉴定记录表—班次项目上旬（5日）中旬（15日）下旬（25日）123123133风量/(m3/min)800830840820840820800830810瓦斯浓度/%0.720.730.700.730.740.720.700.700.68解：首先根据Q涌=Q风XC, 求鉴定日的三班平均绝对瓦斯涌出量：上旬（5日）Q=（800X0.72%+830X0.73%+840X0.74%）/3=5.90m3/min涌上中旬（5日）Q涌中=（820X0.73%+840X0.74%+820X0.72%）/3=6.04m3/min下旬（5日）Q=（800X0.70%+