（作者：王巖森　馬立強(qiáng)　顧永功）

1瓦斯在煤層中存在形式及涌出規(guī)律

煤是一種復(fù)雜的孔隙性介質(zhì)，有著十分發(fā)達(dá)的不同直徑、形狀的孔隙和裂隙，形成了龐大的自由空間和孔隙表面，煤層瓦斯以游離狀態(tài)或吸附狀態(tài)存在于煤層孔隙或裂隙內(nèi)，如圖1所示。游離狀態(tài)瓦斯量的大小決定于存在空間的容積、煤層瓦斯壓力和溫度。吸附狀態(tài)的瓦斯可分為吸著狀態(tài)和吸收狀態(tài)兩種。吸著狀態(tài)是在孔隙表面的固體分子吸力作用下，瓦斯分子被緊密地吸附于孔隙表面上，形成很薄的吸附層，吸收狀態(tài)是氣體分子緊密充滿于幾埃至十幾埃的微細(xì)孔隙內(nèi)。吸附狀態(tài)瓦斯量的大小，決定于煤層的孔隙結(jié)構(gòu)特性、吸附能力及瓦斯壓力和溫度。



圖1 瓦斯在煤內(nèi)存在狀態(tài)示意圖

1.1煤層內(nèi)瓦斯存在形態(tài)的關(guān)系

煤層內(nèi)瓦斯存在形態(tài)的游離狀態(tài)和吸附狀態(tài)。它們以動(dòng)態(tài)平衡的關(guān)系存在于煤層內(nèi)。游離狀態(tài)的瓦斯分子在運(yùn)動(dòng)中碰撞煤層孔隙表面時(shí)，會(huì)因分子間吸力的作用被吸附到煤層孔隙表面上，這種現(xiàn)象叫吸附。吸附在煤層孔隙表面上的瓦斯分子能克服分子間的吸引力進(jìn)入煤層孔隙空間成為游離狀態(tài)，這種現(xiàn)象叫解吸。在一定條件下，當(dāng)吸附速度與解吸速度相等時(shí)，達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。

煤層吸附狀態(tài)的瓦斯量跟煤層瓦斯壓力、溫度有關(guān)；跟煤層的孔隙特征，即煤層孔隙的大小及孔隙的表面積有關(guān)；跟煤層表面分子的吸附能力有關(guān)。游離狀態(tài)的瓦斯量跟煤層瓦斯壓力、溫度有關(guān)；跟煤層孔隙的特征，即煤層粗孔隙的體積有關(guān)。根據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì)的原始煤層內(nèi)，吸附狀態(tài)的瓦斯量約占煤層瓦斯含量的80～90％，游離狀態(tài)的瓦斯量只占10～20％，但在斷層、大的裂隙、孔洞和砂巖內(nèi)，主要為游離瓦斯。

1.2煤層瓦斯涌出規(guī)律

煤層揭露時(shí)，煤層揭露面原始的瓦斯存在的平衡條件遭到破壞，煤層揭露面的瓦斯壓力突然降到與揭露處空氣的絕對(duì)壓力相等。吸附在揭露面的瓦斯迅速釋放到空氣中去。同時(shí)靠近揭露面煤層內(nèi)的游離狀態(tài)瓦斯通過與外界溝通的煤層裂隙緩慢釋放，煤層瓦斯壓力逐漸降低，該處和瓦斯存在平衡也遭到破壞，吸附狀態(tài)的瓦斯逐漸釋放，同時(shí)深部的游離狀態(tài)瓦斯通過孔隙不斷進(jìn)行補(bǔ)充，達(dá)到新的動(dòng)態(tài)平衡。平衡后的瓦斯壓力比原始煤層的瓦斯壓力小；與深部煤層的瓦斯壓力形成壓差，又破壞深部的瓦斯存在平衡。這樣逐步向煤層深部發(fā)展，形成不斷變化的瓦斯壓力梯度；同時(shí)釋出的瓦斯流線不斷增長(zhǎng)，阻力不斷變大，煤層瓦斯涌出速度與瓦斯釋放阻力成正比。隨著煤層揭露面的時(shí)間長(zhǎng)，煤層瓦斯涌出量隨時(shí)間大致按指數(shù)函數(shù)關(guān)系逐漸衰減，如圖2所示。



原因有幾方面：一是隨時(shí)間延長(zhǎng)，瓦斯壓力梯度的坡度不斷變小，釋放出的瓦斯流過的線路不斷變長(zhǎng)，釋放阻力不斷變大；二是煤層孔隙空間內(nèi)的壓力減少，造成煤層壓力重新分布，使煤層導(dǎo)通裂隙變小，增大釋放瓦斯的阻力；三是吸附在煤層孔隙表面的瓦斯分子解吸速度降低。

1.3影響煤層瓦斯?jié)B出速度的因素

煤層瓦斯涌出速度是指單位時(shí)間內(nèi)煤層揭露面涌出瓦斯的含量，對(duì)煤層瓦斯涌出速度影響因素很多，關(guān)系也非常復(fù)雜，是多種因素作用的結(jié)果。

（1）煤層瓦斯含量。它是影響瓦斯涌出速度的最決定因素，煤層瓦斯含量越高，瓦斯涌出量就越大，瓦斯涌出速度也越快。

（2）煤層瓦斯壓力。它對(duì)瓦斯涌出速度影響很大，在其它條件不變的情況，煤層瓦斯壓力越大，在煤層中形成瓦斯壓力梯度的坡度就越大，瓦斯涌出速度也越快。

（3）煤層瓦斯存在形式。煤層中游離狀態(tài)的瓦斯能直接通過與煤層裂隙直接涌出，煤層中游狀態(tài)的瓦斯含量越大，煤層瓦斯涌出速度越快。

（4）煤層孔隙結(jié)構(gòu)特征。它主要從兩方面影響煤層瓦斯的涌出，一是煤層粗大孔隙發(fā)育，煤層內(nèi)游離狀態(tài)的瓦斯含量有吸著狀態(tài)瓦斯含量多，煤層瓦斯涌出速度快，二是煤層裂隙越發(fā)育，瓦斯涌出速度也越快。

（5）煤層孔隙表面對(duì)瓦斯的吸附能力。它主要對(duì)煤層瓦斯含量的影響比較大，也影響煤層瓦斯涌出速度。

（6）礦壓顯現(xiàn)。礦壓顯現(xiàn)對(duì)瓦斯涌出速度的影響是通過改變煤層的瓦斯壓力、瓦斯存在形態(tài)及煤層孔隙特征而影響煤層瓦斯涌出速度。如圖3。



2采空區(qū)瓦斯涌出規(guī)律

采區(qū)的瓦斯涌出規(guī)律受許多因素的影響，但工作面通風(fēng)系統(tǒng)是決定采空區(qū)瓦斯涌出規(guī)律的主要因素。我國(guó)工作面使用最普遍、最廣泛的通風(fēng)系統(tǒng)是U型后退式。我們就以它來分析采空區(qū)瓦斯涌出規(guī)律。如圖4所示。



1—實(shí)線是正常時(shí)瓦斯等濃度線；2—虛線是礦壓顯現(xiàn)瓦斯等濃度線

圖4 采空區(qū)沒有風(fēng)流時(shí)的瓦斯分布圖

圖4是在采空區(qū)沒有風(fēng)流流動(dòng)時(shí)的瓦斯分布圖。這時(shí)瓦斯的運(yùn)行規(guī)律主要有瓦斯分子擴(kuò)散運(yùn)行和瓦斯上浮動(dòng)力決定的?？煽闯霾煽諈^(qū)的瓦斯分布規(guī)律是：一是越往采空區(qū)深部濃度越高；二是越往上部瓦斯?jié)舛仍礁摺?BR>
在采空區(qū)內(nèi)有風(fēng)流流動(dòng)時(shí)，采空區(qū)內(nèi)的瓦斯?jié)舛纫?guī)律發(fā)生了變化。如圖5所示。



采空區(qū)可以根據(jù)風(fēng)流影響范圍（即：風(fēng)流流線L＝0分界線）劃分為兩個(gè)區(qū)域。沒有受風(fēng)流影響的采空區(qū)的瓦斯分子以擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)為主，稱為擴(kuò)散區(qū)。在風(fēng)流流線L以外到工作面切頂線范圍內(nèi)的采空區(qū)瓦斯分布受風(fēng)流影響，以風(fēng)流釋稀作用為主，稱為釋稀區(qū)。為便于分析釋稀區(qū)內(nèi)的瓦斯?jié)舛确植家?guī)律，把它分為若干個(gè)等流線區(qū)域，每個(gè)區(qū)域的瓦斯?jié)舛确植紶顟B(tài)為：其始端瓦斯?jié)舛容^低，該值幾乎接近入風(fēng)巷中的瓦斯?jié)舛?，在流?jīng)采空區(qū)深部過程中，一方面不斷得到相鄰高瓦斯區(qū)域的補(bǔ)給，另一方面又不斷地向低瓦斯區(qū)域擴(kuò)散瓦斯。兩方面共同作用的結(jié)果，使上隅角瓦斯?jié)舛雀?，下隅角瓦斯?jié)舛鹊停徊煽諈^(qū)深部瓦斯?jié)舛?，流線出口處瓦斯?jié)舛鹊偷姆植家?guī)律，如圖6所示。



礦壓顯現(xiàn)對(duì)采空區(qū)的瓦斯分布影響主要有二方面：一是礦壓顯現(xiàn)后使采空區(qū)漸漸壓實(shí)，瓦斯存在空間減少，采空區(qū)深部的高濃度瓦斯外移；二是礦壓影響使頂?shù)装辶严对黾?，加速圍巖、鄰近煤層的瓦斯涌入采空區(qū)。在兩方面的共同作用下形成如圖4、5所示的虛線分布規(guī)律。

3回采工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律及對(duì)采空區(qū)的瓦斯涌出的影響

3.1回采工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律

回采工作面進(jìn)入正常推進(jìn)階段后，礦壓顯現(xiàn)的主要特點(diǎn)是伴隨著上覆巖的周期性運(yùn)動(dòng)而呈周期性變化，其變化的一般規(guī)律如圖7所示。根據(jù)上覆巖層的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)可分兩個(gè)階段。



（1）緩慢變化階段。該過程從上一次老頂運(yùn)動(dòng)結(jié)束，即圖7—a所示狀態(tài)開始，到工作面推進(jìn)老頂巖層端部再次斷裂前夕，如圖7—c所示中虛線1為止。此時(shí)隨工作面推進(jìn)內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)范圍不斷縮小。由于老頂周期運(yùn)動(dòng)已經(jīng)結(jié)束，其作用力主要由鉸接點(diǎn)的摩擦阻力的矸石的反力平衡。因此采空區(qū)的壓力逐漸增大，采空區(qū)深部的矸石空隙不斷壓實(shí)，這階段的頂板下沉量小，雖然采空區(qū)老頂也有緩慢下沉，不斷把采把空區(qū)壓實(shí)，減小采空區(qū)的間隙，造成采空區(qū)深部高濃度的瓦斯往外堆，但這階段經(jīng)歷時(shí)間比較長(zhǎng)，工作面的推進(jìn)距離也長(zhǎng)，新形成的采空區(qū)空間遠(yuǎn)大于被老頂壓實(shí)的空間，這階段采空區(qū)涌入工作面的瓦斯量變化不大。在此過程中，煤層的應(yīng)力集中區(qū)離工作面煤壁較遠(yuǎn)，應(yīng)力集中度較低，最大應(yīng)力值較小，但隨著工作面的不斷推進(jìn)，應(yīng)力集中度加劇，最大應(yīng)力緩慢增大，到接近老頂巖層斷裂前夕，煤層瓦斯涌出量大幅度的增大。

（2）顯著變化階段。這個(gè)過程從老頂斷裂前夕，即圖7-c曲線1所示狀態(tài)開始，至老頂巖層運(yùn)動(dòng)結(jié)束，即圖7-d曲線2所示狀態(tài)為止。此過程經(jīng)歷的時(shí)間短，老頂運(yùn)動(dòng)明顯，煤層應(yīng)力變化劇烈，應(yīng)力分布迅速集中到老頂斷裂處，且集中度達(dá)到最大；破壞煤體的完整性，緊接著應(yīng)力迅速向煤層深部移動(dòng)，此時(shí)煤層瓦斯涌出量大幅度增大。采空區(qū)的壓力變化要滯后于煤層的壓力變化2～4個(gè)小班，因?yàn)榇藭r(shí)的老頂層雖斷裂但仍處于穩(wěn)定階段。隨著工作面繼續(xù)往前推進(jìn)2～4m后，失去平衡迅速下沉。工作面推進(jìn)距離不長(zhǎng)，而采空區(qū)被壓實(shí)的范圍大，采空區(qū)內(nèi)的瓦斯大量涌出。

3.2礦壓對(duì)回采工作面瓦斯涌出影響

從上面三方面的論述分析，礦壓對(duì)回采工作面瓦斯涌出的影響主要是對(duì)煤層的瓦斯涌出變化和采空區(qū)也其涌出變化，是兩方面的瓦斯變化曲線的迭加，如圖8所示。



1—煤層瓦斯涌出曲線；2—采空區(qū)瓦斯涌出曲線；3—迭加曲線

圖8 礦壓影響瓦斯涌出含量曲線

4礦壓對(duì)回采工作面瓦斯涌出影響規(guī)律的應(yīng)用

從礦壓對(duì)回采工作面的瓦斯涌出影響規(guī)律分析可知：一是煤層瓦斯涌出量的大幅度增大先于頂板周期來壓，可用于預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)工作面頂板周期來壓；二是采空區(qū)的瓦斯涌出量的大幅度增加落后于周期來太，可用于預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)采空區(qū)瓦斯涌出高峰期。

4.1在瓦斯管理方面的應(yīng)用

（1）在選擇工作面通風(fēng)系統(tǒng)時(shí)，根據(jù)地質(zhì)報(bào)告提供的瓦斯資料、頂?shù)椎膰鷰r性質(zhì)、煤層厚度及間距和開采規(guī)模，計(jì)算采空區(qū)和煤層的瓦斯涌出量，預(yù)測(cè)礦壓顯現(xiàn)時(shí)的瓦斯涌出量，再確定工作面的通風(fēng)系統(tǒng)。以避免工作面瓦斯?jié)舛瘸蕖?BR>
（2）正常推進(jìn)的工作面，利用它能提前預(yù)測(cè)瓦斯涌出的高峰期，做到超前防范。

4.2在頂板管理方面的應(yīng)用

利用瓦斯監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。在工作面回風(fēng)出口和距工作面回風(fēng)出口50m左右處分別安裝瓦斯監(jiān)測(cè)探頭，連續(xù)監(jiān)測(cè)瓦斯?jié)舛?，根?jù)兩點(diǎn)的瓦斯涌出量差值的曲線變化預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)工作面的周期來壓。