（作者：王巖森　馬立強　顧永功）

1瓦斯在煤層中存在形式及涌出規律

煤是一種復雜的孔隙性介質，有著十分發達的不同直徑、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或吸附狀態存在于煤層孔隙或裂隙內，如圖1所示。游離狀態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。吸附狀態的瓦斯可分為吸著狀態和吸收狀態兩種。吸著狀態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，吸收狀態是氣體分子緊密充滿于幾埃至十幾埃的微細孔隙內。吸附狀態瓦斯量的大小，決定于煤層的孔隙結構特性、吸附能力及瓦斯壓力和溫度。



圖1 瓦斯在煤內存在狀態示意圖

1.1煤層內瓦斯存在形態的關系

煤層內瓦斯存在形態的游離狀態和吸附狀態。它們以動態平衡的關系存在于煤層內。游離狀態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入煤層孔隙空間成為游離狀態，這種現象叫解吸。在一定條件下，當吸附速度與解吸速度相等時，達到動態平衡。

煤層吸附狀態的瓦斯量跟煤層瓦斯壓力、溫度有關；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；跟煤層表面分子的吸附能力有關。游離狀態的瓦斯量跟煤層瓦斯壓力、溫度有關；跟煤層孔隙的特征，即煤層粗孔隙的體積有關。根據有關資料統計的原始煤層內，吸附狀態的瓦斯量約占煤層瓦斯含量的80～90％，游離狀態的瓦斯量只占10～20％，但在斷層、大的裂隙、孔洞和砂巖內，主要為游離瓦斯。

1.2煤層瓦斯涌出規律

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的游離狀態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，吸附狀態的瓦斯逐漸釋放，同時深部的游離狀態瓦斯通過孔隙不斷進行補充，達到新的動態平衡。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函數關系逐漸衰減，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的壓力減少，造成煤層壓力重新分布，使煤層導通裂隙變小，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影響煤層瓦斯滲出速度的因素

煤層瓦斯涌出速度是指單位時間內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，關系也非常復雜，是多種因素作用的結果。

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

（4）煤層孔隙結構特征。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育，煤層內游離狀態的瓦斯含量有吸著狀態瓦斯含量多，煤層瓦斯涌出速度快，二是煤層裂隙越發育，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。礦壓顯現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采空區瓦斯涌出規律

采區的瓦斯涌出規律受許多因素的影響，但工作面通風系統是決定采空區瓦斯涌出規律的主要因素。我國工作面使用最普遍、最廣泛的通風系統是U型后退式。我們就以它來分析采空區瓦斯涌出規律。如圖4所示。



1—實線是正常時瓦斯等濃度線；2—虛線是礦壓顯現瓦斯等濃度線

圖4 采空區沒有風流時的瓦斯分布圖

圖4是在采空區沒有風流流動時的瓦斯分布圖。這時瓦斯的運行規律主要有瓦斯分子擴散運行和瓦斯上浮動力決定的。可看出采空區的瓦斯分布規律是：一是越往采空區深部濃度越高；二是越往上部瓦斯濃度越高。

在采空區內有風流流動時，采空區內的瓦斯濃度規律發生了變化。如圖5所示。



采空區可以根據風流影響范圍（即：風流流線L＝0分界線）劃分為兩個區域。沒有受風流影響的采空區的瓦斯分子以擴散運動為主，稱為擴散區。在風流流線L以外到工作面切頂線范圍內的采空區瓦斯分布受風流影響，以風流釋稀作用為主，稱為釋稀區。為便于分析釋稀區內的瓦斯濃度分布規律，把它分為若干個等流線區域，每個區域的瓦斯濃度分布狀態為：其始端瓦斯濃度較低，該值幾乎接近入風巷中的瓦斯濃度，在流經采空區深部過程中，一方面不斷得到相鄰高瓦斯區域的補給，另一方面又不斷地向低瓦斯區域擴散瓦斯。兩方面共同作用的結果，使上隅角瓦斯濃度高，下隅角瓦斯濃度低；采空區深部瓦斯濃度，流線出口處瓦斯濃度低的分布規律，如圖6所示。



礦壓顯現對采空區的瓦斯分布影響主要有二方面：一是礦壓顯現后使采空區漸漸壓實，瓦斯存在空間減少，采空區深部的高濃度瓦斯外移；二是礦壓影響使頂底板裂隙增加，加速圍巖、鄰近煤層的瓦斯涌入采空區。在兩方面的共同作用下形成如圖4、5所示的虛線分布規律。

3回采工作面礦壓顯現規律及對采空區的瓦斯涌出的影響

3.1回采工作面礦壓顯現規律

回采工作面進入正常推進階段后，礦壓顯現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，其變化的一般規律如圖7所示。根據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束，即圖7—a所示狀態開始，到工作面推進老頂巖層端部再次斷裂前夕，如圖7—c所示中虛線1為止。此時隨工作面推進內應力場范圍不斷縮小。由于老頂周期運動已經結束，其作用力主要由鉸接點的摩擦阻力的矸石的反力平衡。因此采空區的壓力逐漸增大，采空區深部的矸石空隙不斷壓實，這階段的頂板下沉量小，雖然采空區老頂也有緩慢下沉，不斷把采把空區壓實，減小采空區的間隙，造成采空區深部高濃度的瓦斯往外堆，但這階段經歷時間比較長，工作面的推進距離也長，新形成的采空區空間遠大于被老頂壓實的空間，這階段采空區涌入工作面的瓦斯量變化不大。在此過程中，煤層的應力集中區離工作面煤壁較遠，應力集中度較低，最大應力值較小，但隨著工作面的不斷推進，應力集中度加劇，最大應力緩慢增大，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所示狀態開始，至老頂巖層運動結束，即圖7-d曲線2所示狀態為止。此過程經歷的時間短，老頂運動明顯，煤層應力變化劇烈，應力分布迅速集中到老頂斷裂處，且集中度達到最大；破壞煤體的完整性，緊接著應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定階段。隨著工作面繼續往前推進2～4m后，失去平衡迅速下沉。工作面推進距離不長，而采空區被壓實的范圍大，采空區內的瓦斯大量涌出。

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律的應用

從礦壓對回采工作面的瓦斯涌出影響規律分析可知：一是煤層瓦斯涌出量的大幅度增大先于頂板周期來壓，可用于預測預報工作面頂板周期來壓；二是采空區的瓦斯涌出量的大幅度增加落后于周期來太，可用于預測預報采空區瓦斯涌出高峰期。

4.1在瓦斯管理方面的應用

（1）在選擇工作面通風系統時，根據地質報告提供的瓦斯資料、頂底的圍巖性質、煤層厚度及間距和開采規模，計算采空區和煤層的瓦斯涌出量，預測礦壓顯現時的瓦斯涌出量，再確定工作面的通風系統。以避免工作面瓦斯濃度超限。

（2）正常推進的工作面，利用它能提前預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用

利用瓦斯監測系統。在工作面回風出口和距工作面回風出口50m左右處分別安裝瓦斯監測探頭，連續監測瓦斯濃度，根據兩點的瓦斯涌出量差值的曲線變化預測預報工作面的周期來壓。