（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)的瓦斯分子在運動中碰撞煤層孔隙表面時，會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，達(dá)到動態(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，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壓力相等。吸附在揭露面的瓦斯迅速釋放到空氣中去。同時靠近揭露面煤層內(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)到新的動態(tài)平衡。平衡后的瓦斯壓力比原始煤層的瓦斯壓力?。慌c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；同時釋出的瓦斯流線不斷增長，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間長，煤層瓦斯涌出量隨時間大致按指數(shù)函數(shù)關(guān)系逐漸衰減，如圖2所示。



原因有幾方面：一是隨時間延長，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，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間內(nèi)煤層揭露面涌出瓦斯的含量，對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）煤層孔隙表面對瓦斯的吸附能力。它主要對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—實線是正常時瓦斯等濃度線；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)流時的瓦斯分布圖

圖4是在采空區(qū)沒有風(fēng)流流動時的瓦斯分布圖。這時瓦斯的運行規(guī)律主要有瓦斯分子擴(kuò)散運行和瓦斯上浮動力決定的?？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)流流動時，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)散運動為主，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，把它分為若干個等流線區(qū)域，每個區(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，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)的主要特點是伴隨著上覆巖的周期性運動而呈周期性變化，其變化的一般規(guī)律如圖7所示。根據(jù)上覆巖層的運動特點可分兩個階段。



（1）緩慢變化階段。該過程從上一次老頂運動結(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。此時隨工作面推進(jìn)內(nèi)應(yīng)力場范圍不斷縮小。由于老頂周期運動已經(jīng)結(jié)束，其作用力主要由鉸接點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，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，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)歷時間比較長，工作面的推進(jìn)距離也長，新形成的采空區(qū)空間遠(yuǎn)大于被老頂壓實的空間，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，至老頂巖層運動結(jié)束，即圖7-d曲線2所示狀態(tài)為止。此過程經(jīng)歷的時間短，老頂運動明顯，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，此時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個小班，因為此時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，而采空區(qū)被壓實的范圍大，采空區(qū)內(nèi)的瓦斯大量涌出。

3.2礦壓對回采工作面瓦斯涌出影響

從上面三方面的論述分析，礦壓對回采工作面瓦斯涌出的影響主要是對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礦壓對回采工作面瓦斯涌出影響規(guī)律的應(yīng)用

從礦壓對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)測預(yù)報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)測預(yù)報采空區(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，根據(jù)地質(zhì)報告提供的瓦斯資料、頂?shù)椎膰鷰r性質(zhì)、煤層厚度及間距和開采規(guī)模，計算采空區(qū)和煤層的瓦斯涌出量，預(yù)測礦壓顯現(xiàn)時的瓦斯涌出量，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)測探頭，連續(xù)監(jiān)測瓦斯?jié)舛龋鶕?jù)兩點的瓦斯涌出量差值的曲線變化預(yù)測預(yù)報工作面的周期來壓。