1、矿井瓦斯的概念与性质
授课教案
（李忠敬）
矿井瓦斯概念
在矿井中主要由煤层气构成以甲烷为主有害气体的总称。
甲烷的性质：无色、无味、无臭可以燃烧和爆炸的气体，相对密度0.554，具有很强的扩散性和渗透性，另外还具有窒息性、扩散速度是空气的1.34倍。甲烷在巷道断面内的分布主要取决于该巷道有无瓦斯源。
在自然条件下由于甲烷在空气中表现的强扩散性，所以它一经与空气混合，就不会因比重比空气轻而上浮、聚积，所以当无瓦斯涌出时，巷道断面内甲烷浓度是均匀分布的，巷道内有瓦斯涌出时，甲烷浓度则是不均匀分布。
2、煤层瓦斯的赋存
煤层沿层向可以分为：co2--N2 N2 N2--CH4 CH4,前面三个带称为瓦斯风化带，CH4带称为甲烷带。
煤层瓦斯沿垂向分为两个带: 瓦斯风化带和甲烷带。 瓦斯风化带下部边界确定标志：
① 甲烷及重烃浓度之和≥80% ② 瓦斯压力P=0.1~0.15Mpa ③ 相对瓦斯涌出量qCH4=2~3m³/t。 甲烷带的特点：
a.煤层瓦斯压力出现有规律的增加。
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b.瓦斯含量出现有规律的增加 c.相对瓦斯涌出量出现有规律的增加
d.出现了特殊瓦斯涌出，即：煤与瓦斯突出和喷出
3、煤层瓦斯含量
煤层瓦斯含量是指单位重量或单位体积的煤体所含瓦斯的量，单位;m3/t或m3/m3。
煤层瓦斯含量包括游离瓦斯含量和吸附瓦斯含量 游离瓦斯含量的计算：
XxVPT0/(TP0)
X——煤的游离瓦斯含量m3/t V——单位重量煤的空隙容积，m³/t T0 P0——标准状况下的绝对温度273k与压力101.325kpa T——瓦斯的绝对温度273+t,t瓦斯的摄氏温度 ξ——瓦斯的压缩系数 煤的吸附瓦斯含量：
XXabp1(100AW) (1bp)(10.31W)100Xx———煤的吸附瓦斯含量，m3/t a b——煤的吸附常数 P——煤层的瓦斯压力，M pa A W——煤的灰分与水分，% 煤瓦斯含量：
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XXXXYVPT0abp1(100AW)
(TP)(1bp)(10.31W)1000X——煤层瓦斯含量m3/t 影响煤层瓦斯含量的主要因素
一类是影响瓦斯生成量多少的因素。如生煤前含有机质越多，瓦斯生成量就越大；炭化程度越高，含固定炭越多，瓦斯生成量也越大；按地史来说，古老煤田成煤早，瓦斯生成量就大。
另一类因素是瓦斯的保存和放散条件。瓦斯的保存条件是指煤的孔隙多少和对瓦斯的吸附能力；放散条件是指煤的赋存条件、覆盖层的性质和煤的厚薄、地质构造等因素。这些条件可归纳为四个方面： 1) 煤层的埋藏深度
首先是煤层的埋藏深度。浅部煤层，特别是有露头存在时，媒体中的瓦斯容易逸散到大气中去，瓦斯含量就很小。如果煤层为较厚的冲积层所覆盖，没有通过地表的露头，瓦斯难以逸散，煤层所含的瓦斯量就比较大。一般说来，煤层的瓦斯含量随着深度的增加而逐渐增大。其次是煤层的倾角，煤层的倾角越小，瓦斯含量就越大
2) 煤层和围岩的透气性。如果煤层的围岩致密致密完整，煤层中的瓦斯就容易保存下来。反之，瓦斯容易逸散。
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煤的性质。煤的孔隙率大，贮存游离瓦斯的空隙就大，瓦斯的吸附能力也大。煤层的透气性越大，瓦斯就容易逸散，反之，就易保存。水分对瓦斯也有一定的影响，它不仅占据了空隙和吸附面，而且还可以溶解和带走瓦斯。因此，煤层含水越大，瓦斯相应就越少。
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4) 煤层倾角。煤层的倾角越大瓦斯含量就越小。
5) 煤层露头。当煤层有通往地面的露头煤时，煤层瓦斯就很容易通过这些露头煤逸散到大气中去。 6) 地质构造。
地质构造往往是同一矿区内瓦斯差别的主要原因，在地质构造附近瓦斯涌出量往往增加或减少。一般说来，开放性断层有利于瓦斯排放，瓦斯含量减少；压性断层甚至可以封闭贮存瓦斯，称之为封闭性断层，其瓦斯含量增大
7) 煤化程度
煤层的煤化程度越高其吸附瓦斯的能力就越强 8) 地层的地质史。 9) 水文地质条件。
4、瓦斯涌出量及其影响因素
1、矿井瓦斯涌出量
是指矿井在生产和建设过程中从煤与岩石内涌出的瓦斯量。分为，绝对瓦斯涌出量和相对瓦斯涌出量。 瓦斯的涌出形式分为两种：
瓦斯涌出形式可分为，普通涌出和特殊涌出两种。
特点：普通涌出，在时间和空间上比较均匀、普遍发生的不间断涌出，它决定了矿井瓦斯平衡和矿井风量分配“；特殊瓦斯涌出在时间和空间上突然、集中发生、涌出量很不均匀的涌出，包括瓦斯喷出和瓦斯突出两种。
掘进巷道瓦斯涌出分为三个部分，巷道壁、迎头煤壁和采落煤炭瓦斯
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涌出。
瓦斯积聚层产生原因：
在巷道风流瓦斯浓度的不均匀分布区，有时在巷道顶板出现瓦斯浓度甚高的层状积聚，称为瓦斯积聚层。它产生的原因是由于该处有瓦斯涌出源和风速不高。
5、掘进巷道瓦斯检查注意的问题： (一) 进风流受进风巷道采空区瓦斯影响程度、高冒瓦斯及顶板出现瓦斯积聚原因（断层、地质破碎带、顶板较破碎处、顶板停抽钻孔附近）、巷道贯通后的靠风筒供风的钻场、硐室；百米巷道瓦斯变化情况、迎头割煤时瓦斯涌出量判断和变化速率及浓度峰值对异常涌出的影响；迎头地质变化对瓦斯涌出的影响情况，包括：断层的判断、迎头顶板破碎程度及范围、煤层赋存倾角及厚度的突然变化就（画出迎头煤岩变化示意图）、钻孔口瓦斯浓度是否有喷孔现象、掘进巷道瓦斯来源分析、迎头瓦斯检查内容、回风瓦斯检查内容。 (二) 掘进工作面过老空、透老硐：透老硐时，10米时开始打探眼，探眼超前距不得小于2米，当探知老硐位置时必须立即测定孔内瓦斯、一氧化碳等有害气体，观察孔内是否有出水现象。为防止透硐时的瓦斯异常涌出，可在回风侧设置临时增压风门，在透硐时关闭风门增加风压以抑制瓦斯从老硐内向外涌出。透硐时先透开小洞，先以脸盆口大小为宜，然后再检查孔洞内瓦斯，孔内瓦斯浓度高且积聚量大则先利用风筒排除孔洞内5米以内瓦斯，洒水后再慢慢刷大。过老硐时，透开后立即充填，并用砌筑永久或临时封闭及栅栏，设点检查瓦斯、
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一氧化碳。 (三) 回风瓦斯受气压影响变化规律、掘进工作面沿空掘巷布置：当掘进巷道沿采空区上行布置，则采空区内积存的大量瓦斯由于自然向上运动，大量瓦斯就会从护巷煤柱裂隙扩散到掘进巷道中去，当掘进巷道内空气压力受大气压力或矿井通风压力变化影响小于采空区内压力时则会加速采空区内瓦斯涌出速度，造成回风瓦斯超限，或巷道顶部瓦斯积聚。因此，在沿空掘巷巷道瓦斯涌出量增加时必须注意分析瓦斯来源，以便进行瓦斯分源治理，寻找瓦斯来源应从掘进巷道口向迎头，根据回风“瓦斯近似线性变化增大”特性，在其“线性断点”处所在巷道附近寻找瓦斯来源，以重点治理解决 。当掘进巷道在区段采空区下侧下行布置，则在掘进时，上煤帮（缓倾斜、倾斜、急倾斜煤层）高度大，容易片帮误穿上区段采空区，采空区内瓦斯大量涌出到工作面迎头，造成工作面迎头瓦斯高值，因此必须加强掘进巷道上帮支护管理防止片帮。同时在回风侧设置备用增压风门，以防止在采空区瓦斯非正常涌出的情况下通过增压来抑制瓦斯大量涌出。
(四) 调整通风系统时由于风压的变化对整个巷道瓦斯涌出影响较大，因此在调风时必须加强受停风影响采掘工作面及采区的回风瓦斯检查。 (五) 在掘进面因需要加风时必须注意因风量变化引起的瓦斯变化问题，如，局扇有双机运转变为单机运转时或有单机运转变为双机运转时，除因风量变化影响巷道内瓦斯涌出外，更重要的是风压变化对巷道瓦斯涌出的影响，因此必须加强在风量变化前后的瓦斯检查工
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作。
(六) (七) 掘进巷道瓦斯变化受抽放系统的影响。顺层孔影响
掘进巷道采用局部风机进行均压（设置缩小断面增压）处理瓦斯时必须注意在局扇停止运转时巷道瓦斯的突然变化，注意对均压设施经常进行检查以保持均压状态的稳定。并注意被均压巷道内自燃发火指标气体指标检查和外部发火征兆的观察。
在突出危险区的掘进工作面，瓦检员必须注意在进尺割煤瓦斯涌出规律，主要有：瓦斯在割煤时的峰值，瓦斯涌出速度，迎头在架棚时瓦斯回落速度，迎头是否有明显的突出预兆，等相关参数变化及其相互作用。
6、回采工作面瓦斯涌出构成：
一部分来自本开采煤层，另一部分来自受采动影响的临近煤层及围岩。
采煤工作面临近煤层瓦斯涌出主要取决于哪些因素：
主要取决于临近煤层的瓦斯含量、距开采层的距离，工作面顶板管理方法和推进速度等。
采煤工作面临近煤层瓦斯涌出量与该采煤工作面推进速度有何关系： 当工作面推进速度不高时，呈线性关系；推进速度较快时，呈抛物线关系。
4、回采工作面瓦斯涌出不均衡系数影响因素：
回采工作面瓦斯涌出不均衡系数与落煤工艺、顶板管理方法、工作面推进速度及地质因素有关。
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7、采煤工作面瓦斯检查需要注意的问题：
注意对采煤工作面上隅角顶部，上隅角上煤帮，工作面机尾6m以内切顶线，末架侧护板附近、伸缩梁顶部，采空区切顶线，采煤机附近及割煤后的煤壁新暴露面，工作面上出口20m内上下煤帮及顶部瓦斯检查，工作面煤壁瓦斯检查、上风巷顶板走向钻孔、帮孔及顺层孔抽放情况的检查，并注意距工作面30米范围内应力集中区顺层孔孔口附近瓦斯检查，观察钻孔瓦斯涌出受采掘集中应力影响变化情况。
工作面煤机到机尾时有造成工作面回风瓦斯浓度升高原因是：煤机在机尾堵塞通风断面使机尾段通风阻力升高造成采空区及机尾顶部裂隙漏风增加，漏风把采空区和机尾顶板裂隙内高浓度瓦斯带到工作面回风流致使回风流瓦斯浓度增加，因此，在煤机到机尾时必须增强对工作面回风流的瓦斯检查。如果瓦斯因煤机到机尾时回风流瓦斯浓度升高接近越警值可采取以下措施解决：
1) 工作面机尾15架滞后拉架，以使煤机在机尾停留时有足够的通风断面 。
2) 在工作面上出口下帮用刷帮棚和使用超前棚加强支护扩大上出口断面，减少漏风风压以减少采空区漏风 。
3) 提高顶板走向钻孔抽放负压以增强抽放效果 。 4) 在工作面上出口加打帮孔以加强抽放 。 5) 利用上隅角埋管进行抽放。
6) 煤机进入工作面下半段（煤机快接近工作面回风口，可放慢割煤速度以减缓工作面瓦斯涌出，从而减少煤机到机尾时的瓦斯涌出总量。
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7) 增加工作面有效风量（在各项措施都已做到位，工作面产量又不允许降低的情况下）
注意做好回采工作面在回采初期，工作面初次放顶来压期间的预防瓦斯超限的各项工作（潘一矿通常采取的措施主要有：在切割眼内采用顶板钻孔抽放相邻煤层受初次放顶影响区域煤层内的瓦斯，在切割眼上方做抽放巷进行抽放，用尾抽巷进行采空区抽放，上隅角埋管抽放，利用风障导风加大采空区漏风，以减小采空区内瓦斯带宽度）。必须注意检查工作面漏顶和工作面煤壁片帮同瓦斯变化之间的关系，以便找出其变化规律和采取针对性措施来有效控制顶板和煤壁的漏顶、片帮造成的瓦斯超限。
8、影响矿井瓦斯涌出量的因素： 自然因素：
① 煤层和围岩的瓦斯含量。 ② 开采深度。
③ 地面大气压力的变化。 开采技术因素：
④ 开采顺序及回采方法。 ⑤ 回采速度与产量。 ⑥ 落煤工艺与老顶来压步距。 ⑦ 通风压力与采空区封闭质量。 ⑧ 采场通风系统。 煤层透气性系数：
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单位：
m2/(Mpa2.d)
物理意义：在1m³煤体的两侧，当压力平方差是1atm2或0.01Mpa2时，通过1立方米煤面每日流过的瓦斯量。 煤层透气性的大小主要取决因素： 主要取决于煤层内部裂隙的大小及分布。 煤的透气性系数的测定方法：
1）打钻 钻孔应选择巷道迎头岩性完整，无断层、无地质破碎带的的完好地点，钻孔与煤层的夹角尽量为90°，钻孔应穿过煤层全厚，记录钻孔半径r，钻孔的孔位、倾角、方位角，钻孔在煤层中的长度L，钻进过程中岩石岩性，在打钻过程中有无喷孔现象.钻孔见煤时间，钻孔见煤止时间，取中间时间即为瓦斯开始排放时间。
2)封孔 封孔长度可根据岩石岩性确定但不得小于7米，清孔后， 将始端焊有压力表接头、末端0.3m段焊有挡板和开有小切口，并用多层铜网将钢管末端小切口段包裹，直径为10mm以上的钢管送入测压孔内，。
将摔熟成型的炮泥0.3—0.5米送入孔底，并用捣棍捣实，再次送入炮泥捣实直至一米，然后送入长度为0.2米木塞，如此循环直至孔口0.5—1米再用水泥砂浆封住孔口。根据巷道和地质条件确定封孔方法 3）测压 24后将带有排气孔的压力表装在压力表接头上，待压力稳定读出瓦斯压力P。
（测压后卸下压力表，再次测量流量Q，取其平均值）
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4）测流量 卸下压力表，在压力表接头上装上煤气表，测钻孔内瓦斯流量Q.记录测量流量时间。 5) 用间接法计算瓦斯含量W: W=K·P+ abp/(1+bP)·（1-A-M） 6）计算瓦斯含量系数α W/P 7) 计算比流量q qQ/2L 8) 计算A B常数
2Aq/(P0P1) 2B4TP01.5/2
1.6由于B值在----范围内选取公式AB1./1.64
计算煤层透气性系数λ
A1.6B1./1.64
根据透气性系数计算值对公式进行验证 F0=λB F0是否在公式对应时间准数范围内，如果是，计算值准确：否，从新选择公式。
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9、煤层中瓦斯流动状态按流场的空间流向的划分： 分为：单向流动、径向流动和球向流动。
单向流动:瓦斯在x y z三维空间内，只有一个方向的流动。列如：在煤层中掘进煤巷当煤层厚度小于或等于巷道高度时，即：巷道全部开切煤层，则巷道量帮的瓦斯沿煤层，垂直于巷道的掘进方向流动，即形成单向流动。
径向流动：瓦斯在x y z三维空间内，有两个流动的速度方向。例如：矿井石门或竖井穿过煤层时，煤壁内的瓦斯基本上沿煤层层理流向，巷道或井筒，在同一平面内形成了两个速度方向，即为径向流动。 球向流动：瓦斯在x y z三维空间内，在三个方向都有分速度流动。例如：厚煤层掘进工作面、穿层钻孔或石门刚进入煤层时，的迎头或孔底的附近煤体的瓦斯流动，都属于球向流动。
矿井瓦斯治理原则分为：分源治理、分级分类治理、和综合防治。 分源治理：针对瓦斯来源的数量及其变化规律特征采取相适应的技术进行治理，并通过方案对比，选用效果好、经济佳、适用、最优的治理方法。
1）掘进瓦斯涌出的治理， 掘前预抽瓦斯、边掘边抽瓦斯。 增大掘进迎头风量。、加强局部通风管理。 降低割煤速度。 加强瓦斯检查与管理。
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降低沿空巷道瓦斯涌出不均衡系数。 2）老空区瓦斯治理：
及时封闭老空区并确保封闭质量。
当老空区瓦斯涌出较大时，没有自燃危险的可控制抽采瓦斯。 缩小采空区封闭墙内外及各个封闭墙之间的压差。 3）采煤工作面瓦斯治理： 控制回采速度。
实施穿层钻孔或顺层钻孔对开采煤层进行采前预抽，以减小本煤层瓦斯涌出量。
实施以顶板走向钻孔为主，老塘埋管为辅的采空区瓦斯抽采。 工作面风量应最大化。 实施上隅角，连续充填管理。 保证上下出口断面符合通风要求。 能开采保护层的尽量开采保护层。
分级分类治理：系指按瓦斯危险程度对独头掘进巷道进行分级分类，并按其危险类别进行治理。
综合防治：综合防治是以消除瓦斯危险为方向，以确保生产中人身安全为主要目标，采取包括瓦斯涌出形式和涌出量的预测、预防瓦斯综合措施与实施（瓦斯分级分类治理，分源治理），措施效果检查与评价以及意外危险出现时应急的人身安全保障措施等综合系统安全措施。
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1、甲烷的性质有哪些？
课后作业
无色、无味、无臭可以燃烧和爆炸的气体，具有窒息性、扩散速度是空气的1.34倍。甲烷在巷道断面内的分布主要取决于该巷道有无瓦斯源。
在自然条件下由于甲烷在空气中表现的强扩散性，所以它一经与空气混合，就不会因比重比空气轻而上浮、聚积，所以当无瓦斯涌出时，巷道断面内甲烷浓度是均匀分布的，巷道内有瓦斯涌出时，甲烷浓度则是不均匀分布。
2、瓦斯风化带下部边界确定标志是什么？
甲烷及重烃浓度之和≥80%、瓦斯压力P=0.1~0.15Mpa、相对瓦斯涌出量qCH4=2~3m³/t。
3、影响煤层瓦斯含量的主要因素有哪些？ 1) 煤层的埋藏深度 2) 煤层和围岩的透气性。 3) 煤层倾角。 4) 煤层露头。 5) 地质构造。 6) 煤化程度。 7) 地层的地质史。 8) 水文地质条件。
4、是指矿井在生产和建设过程中从煤与岩石内涌出的瓦斯量。分为，
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绝对瓦斯涌出量和相对瓦斯涌出量。
5、瓦斯的涌出形式分为哪两种、各有何特点？ 瓦斯涌出形式可分为，普通涌出和特殊涌出两种。
特点：普通涌出，在时间和空间上比较均匀、普遍发生的不间断涌出，它决定了矿井瓦斯平衡和矿井风量分配“；特殊瓦斯涌出在时间和空间上突然、集中发生、涌出量很不均匀的涌出，包括瓦斯喷出和瓦斯突出两种。
6、掘进巷道瓦斯涌出分为哪三个部分？ 巷道壁、迎头煤壁和采落煤炭瓦斯涌出。
7、什么是瓦斯积聚层？产生原因是什么？
在巷道风流瓦斯浓度的不均匀分布区，有时在巷道顶板出现瓦斯浓度甚高的层状积聚，称为瓦斯积聚层。
它产生的原因是由于该处有瓦斯涌出源和风速不高。
8、采煤工作面瓦斯来源构成有哪两个部分？
一部分来自本开采煤层，另一部分来自受采动影响的临近煤层及围岩。
9、采煤工作面临近煤层瓦斯涌出主要取决于哪些因素？
主要取决于临近煤层的瓦斯含量、距开采层的距离，工作面顶板管理方法和推进速度等。
10、采煤工作面临近煤层瓦斯涌出量与该采煤工作面推进速度有何关系？
当工作面推进速度不高时，呈线性关系；推进速度较快时，呈抛物线
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关系。
11、回采工作面瓦斯涌出不均衡系数与哪些因素有关？ 与落煤工艺、顶板管理方法、工作面推进速度及地质因素有关。
12、影响矿井瓦斯涌出量的因素有哪些？ 自然因素：
① 煤层和围岩的瓦斯含量。 ② 开采深度。
③ 地面大气压力的变化。 开采技术因素：
④ 开采顺序及回采方法。 ⑤ 回采速度与产量。 ⑥ 落煤工艺与老顶来压步距。 ⑦ 通风压力与采空区封闭质量。 ⑧ 采场通风系统。
13、煤层透气性系数的单位及物理意义是什么？ 单位：
m2/(Mpa2.d)
物理意义：在1m³煤体的两侧，当压力平方差是1atm2或0.01Mpa2时，通过1立方米煤面每日流过的瓦斯量。
14、煤层透气性的大小主要取决因素是什么？ 主要取决于煤层内部裂隙的大小及分布。
15、煤层中瓦斯流动状态按流场的空间流向分为哪几类？ 分为：单向流动、径向流动和球向流动。
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16、矿井瓦斯治理原则分为：分源治理、分级分类治理、和综合防治。 分源治理：针对瓦斯来源的数量及其变化规律特征采取相适应的技术进行治理，并通过方案对比，选用效果好、经济佳、适用、最优的治理方法。
分级分类治理：系指按瓦斯危险程度对独头掘进巷道进行分级分类，并按其危险类别进行治理。
综合防治：综合防治是以消除瓦斯危险为方向，以确保生产中人身安全为主要目标，采取包括瓦斯涌出形式和涌出量的预测、预防瓦斯综合措施与实施（瓦斯分级分类治理，分源治理），措施效果检查与评价以及意外危险出现时应急的人身安全保障措施等综合系统安全措施。
