礦井瓦斯防治畢業(yè)論文

1、<p>　　畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) (論 文)</p><p>　　專 業(yè) 煤礦開采技術(shù) </p><p>　　班 級(jí) 10煤礦開采2班 </p><p>　　學(xué)生姓名 </

2、p><p>　　學(xué) 號(hào) </p><p>　　課 題 礦井瓦斯防治 </p><p>　　指導(dǎo)教師 </p><p>　　2011年

3、 10 月 1日</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　本設(shè)計(jì)針對(duì)某礦煤層群條件下71主采煤層7124綜采工作面，通過理論分析，進(jìn)行了瓦斯綜合抽放技術(shù)研究。首先分析了國(guó)內(nèi)外煤礦安全生產(chǎn)現(xiàn)狀、瓦斯賦存及流動(dòng)規(guī)律、抽放方法、引起事故危險(xiǎn)因素等進(jìn)行了分析，為合理確定工作面瓦斯抽放方法提供了理論依據(jù)。在此基礎(chǔ)上，集合工作面的瓦斯地質(zhì)情況和瓦斯涌

4、出情況，確定并設(shè)計(jì)了進(jìn)行工作面瓦斯綜合治理的頂板高位鉆孔、采空區(qū)埋管2種瓦斯抽放方法。最后對(duì)煤礦的安全生產(chǎn)管理提出了綜合的建議與措施。</p><p>　　關(guān)鍵詞：瓦斯賦存狀態(tài)、瓦斯抽放方法、高位頂板鉆孔、采空區(qū)埋管</p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　第一章 國(guó)內(nèi)外煤礦安全生產(chǎn)現(xiàn)狀分析1</p>

5、<p>　　1.1 我國(guó)煤礦安全生產(chǎn)現(xiàn)狀分析1</p><p>　　1.1.1 我國(guó)目前煤礦安全生產(chǎn)形勢(shì)1</p><p>　　1.1.2 我國(guó)煤礦生產(chǎn)存在的主要問題1</p><p>　　1.2 煤礦安全生產(chǎn)體系建立健全的過程中所應(yīng)采取的對(duì)策措施3</p><p>　　1.3、國(guó)外煤礦安全生產(chǎn)現(xiàn)狀分析4</p

6、><p>　　1.3.1 美國(guó)的煤礦安全生產(chǎn)現(xiàn)狀分析5</p><p>　　1.3.2澳大利亞的煤礦安全現(xiàn)狀分析6</p><p>　　第二章 瓦斯賦存及流動(dòng)規(guī)律8</p><p>　　2.1 瓦斯在煤層中的流動(dòng)機(jī)理8</p><p>　　2.2 煤的吸附理論及煤層瓦斯含量8</p><

7、p>　　2.2.1 瓦斯賦存狀態(tài)8</p><p>　　2.2.2 煤的吸附性及其影響因素分析9</p><p>　　2.3 煤層瓦斯流動(dòng)理論研究10</p><p>　　2.3.1 線性瓦斯流動(dòng)理論10</p><p>　　2.3.2 瓦斯擴(kuò)散理論10</p><p>　　2.3.3 瓦斯

8、滲透—擴(kuò)散理論13</p><p>　　2.3.4 非線性瓦斯流動(dòng)理論14</p><p>　　2.3.5 地物場(chǎng)效應(yīng)的煤層瓦斯流動(dòng)理論14</p><p>　　2.3.6 多煤層系統(tǒng)瓦斯越流理論14</p><p>　　2.3.7 結(jié)論14</p><p>　　第三章 煤礦瓦斯抽放方法以及引起事故

9、危險(xiǎn)因素的分析16</p><p>　　3.1 瓦斯抽放方法的分析16</p><p>　　3.1.1 抽放瓦斯方法分類16</p><p>　　3.1.2 開采煤層的瓦斯抽放分析16</p><p>　　3.1.3 鄰近層的瓦斯抽放分析18</p><p>　　3.1.4 采空區(qū)的抽放19<

10、;/p><p>　　3.1.5 瓦斯抽放新方法研究19</p><p>　　3.2 瓦斯燃燒或爆炸的分析23</p><p>　　3.2.1 瓦斯燃燒與爆炸的感應(yīng)期23</p><p>　　3.2.2 瓦斯爆炸的類型23</p><p>　　3.3 瓦斯突出分析24</p><p&g

11、t;　　3.3.1 國(guó)內(nèi)外煤與瓦斯突出情況25</p><p>　　3.3.2 國(guó)外概況25</p><p>　　3.3.4 瓦斯突出的特征26</p><p>　　3.3.5 影響突出危險(xiǎn)的形成的要素26</p><p>　　第四章 某礦礦井概況27</p><p>　　4.1 某礦地質(zhì)概況2

12、7</p><p>　　4.2 建井涌出情況30</p><p>　　4.2.1 瓦斯涌出情況30</p><p>　　4.2.2 瓦斯突出情況31</p><p>　　4.3 礦井通風(fēng)及瓦斯抽放32</p><p>　　4.3.1 礦井通風(fēng)概況32</p><p>　　4.

13、3.2 礦井瓦斯抽放概況32</p><p>　　4.4 7124綜采工作面概況33</p><p>　　第五章 瓦斯抽放設(shè)計(jì)37</p><p>　　5.1 瓦斯抽放的必要性37</p><p>　　5.2 抽放方法選擇37</p><p>　　5.2.1 抽放瓦斯方法選擇原則37</p

14、><p>　　5.2.2 某礦瓦斯抽放方法的選擇38</p><p>　　5.3 頂板高位鉆孔抽放設(shè)計(jì)38</p><p>　　5.3.1 高位鉆孔瓦斯抽放技術(shù)原理：38</p><p>　　5.3.2 7124工作面高位鉆場(chǎng)、鉆孔布置39</p><p>　　5.4 采空區(qū)埋管抽放設(shè)計(jì)41</p

15、><p>　　5.4.1采空區(qū)埋管布置41</p><p>　　5.4.2 立孔抽放設(shè)計(jì)42</p><p>　　5.5 瓦斯抽放工藝參數(shù)43</p><p>　　5.5.1 抽放瓦斯管管徑計(jì)算43</p><p>　　5.5.2 瓦斯泵流量確定44</p><p>　　5.5.3

16、 移動(dòng)瓦斯泵流量計(jì)算公式44</p><p>　　5.5.4 移動(dòng)抽放管路阻力計(jì)算45</p><p>　　5.5.5 瓦斯泵選型：45</p><p>　　5.5.6 瓦斯泵站位置45</p><p>　　5.5.7 瓦斯抽放參數(shù)監(jiān)測(cè)45</p><p>　　5.5.8 瓦斯抽放管路的附設(shè)裝置4

17、6</p><p>　　第六章 安全措施及建議47</p><p>　　6.1 安全管理措施及建議47</p><p>　　6.2 鉆孔施工安全技術(shù)措施47</p><p>　　6.3 抽放系統(tǒng)管理措施及要求48</p><p>　　6.4 煤與瓦斯突出防治系統(tǒng)49</p><p

18、>　　6.5 其他和煤礦安全有關(guān)的建議與措施50</p><p>　　第七章 結(jié)論與展望52</p><p>　　7.1 全文總結(jié)52</p><p>　　7.2 建議與展望52</p><p><b>　　致謝54</b></p><p>　　第一章 國(guó)內(nèi)外煤礦安全生產(chǎn)

19、現(xiàn)狀分析</p><p>　　1.1 我國(guó)煤礦安全生產(chǎn)現(xiàn)狀分析</p><p>　　在我國(guó)的能源工業(yè)中，煤炭占我國(guó)一次能源生產(chǎn)和消費(fèi)結(jié)構(gòu)中的70％左右，預(yù)計(jì)到2050年還將占50％以上。因此，煤炭在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)期內(nèi)仍將是我國(guó)的主要能源。當(dāng)前我國(guó)煤礦安全生產(chǎn)狀況不容樂觀，安全生產(chǎn)體系并不完善，特別是煤礦生產(chǎn)更是礦難頻發(fā)，形勢(shì)嚴(yán)峻，煤礦安全問題成為構(gòu)建社會(huì)主義和諧社會(huì)的極大障礙，是政府在新的行

20、政過程中亟待解決的問題。下面我將從我國(guó)煤礦生產(chǎn)現(xiàn)狀出發(fā)，對(duì)煤礦生產(chǎn)存在的主要問題進(jìn)行了簡(jiǎn)單的分析和論述；基于此，對(duì)我國(guó)煤礦安全生產(chǎn)體系建立健全的過程中所應(yīng)采取的對(duì)策措施作了初步的思考和探尋。</p><p>　　1.1.1 我國(guó)目前煤礦安全生產(chǎn)形勢(shì)</p><p>　　我國(guó)95％的煤礦開采是地下作業(yè)。煤礦事故占工礦企業(yè)一次死亡10人以上特大事故的72.8％至89.6％（2002－2005

21、年）；煤礦企業(yè)一次死亡10人以上事故中，瓦斯事故占死亡人數(shù)的71％。煤礦所面臨的重大災(zāi)害事故是相當(dāng)嚴(yán)峻的，造成的損失是極其慘重的。 由于煤礦事故多，死亡人數(shù)多，造成了我國(guó)煤礦的百萬噸死亡率一直居高不下。特別是煤礦重大及特大瓦斯（煤塵）災(zāi)害事故的頻發(fā)，不但造成國(guó)家財(cái)產(chǎn)和公民生命的巨大損失，而且嚴(yán)重影響了我國(guó)的國(guó)際聲譽(yù)。 實(shí)際上，這些瓦斯事故的發(fā)生不是偶然的，它是以往煤礦生產(chǎn)過程中存在問題的集中暴露，涉及許多方面。既有自

22、然因素、科技投入和研究的不足，也有人為因素以及國(guó)家的體制、管理、經(jīng)濟(jì)政策，社會(huì)的傳統(tǒng)觀念，煤礦企業(yè)的文化素質(zhì)等等。</p><p>　　1.1.2 我國(guó)煤礦生產(chǎn)存在的主要問題[1]</p><p>　　總體上來看，我國(guó)煤礦生產(chǎn)正走著一條高投入、高耗能、低產(chǎn)出、低回報(bào)的粗放型的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)道路，安全問題特別突出，經(jīng)常發(fā)生礦難事故，國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局近日稱：近年我國(guó)平均每7.4天發(fā)生一起特

23、大煤礦事故，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出世界平均水平。細(xì)致來看，主要存在以下幾個(gè)問題：</p><p>　　1、我國(guó)煤礦分布地質(zhì)情況惡劣，災(zāi)害類型多，是造成事故的客觀因素。</p><p>　　我國(guó)煤礦絕大多數(shù)是井工礦井，地質(zhì)條件復(fù)雜，災(zāi)害類型多，分布面廣，在世界各主要產(chǎn)煤國(guó)家中開采條件最差、災(zāi)害最嚴(yán)重。</p><p>　?、俚刭|(zhì)條件。在國(guó)有重點(diǎn)煤礦中，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜或極其復(fù)雜的煤礦占

24、36%，地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單的煤礦占23%。據(jù)調(diào)查，大中型煤礦平均開采深度456米，采深大于600米的礦井產(chǎn)量占28.5%。小煤礦平均采深196米，采深超過300米的礦井產(chǎn)量占14.5%。</p><p>　?、谕咚篂?zāi)害。國(guó)有重點(diǎn)煤礦中，高瓦斯礦井占21.0%；煤與瓦斯突出礦井占21.3%；低瓦斯礦井占57.7%。地方國(guó)有煤礦和鄉(xiāng)鎮(zhèn)煤礦中，高瓦斯和煤與瓦斯突出礦井占15%。隨著開采深度的增加，瓦斯涌出量的增大，高瓦斯和煤

25、與瓦斯突出礦井的比例還會(huì)增加。</p><p>　　③水害。我國(guó)煤礦水文地質(zhì)條件較為復(fù)雜。國(guó)有重點(diǎn)煤礦中，水文地質(zhì)條件屬于復(fù)雜或極復(fù)雜的礦井占27%，屬于簡(jiǎn)單的礦井占34%。地方國(guó)有煤礦和鄉(xiāng)鎮(zhèn)煤礦中，水文地質(zhì)條件屬于復(fù)雜或極復(fù)雜的礦井占8.5%。我國(guó)煤礦水害普遍存在，大中型煤礦有500多個(gè)工作面受水害威脅。在近2萬處小煤礦中，有突水危險(xiǎn)的礦井900多處，占總數(shù)的4.6%。</p><p>

26、　?、茏匀话l(fā)火危害。我國(guó)具有自然發(fā)火危險(xiǎn)的煤礦所占比例大、覆蓋面廣。大中型煤礦中，自然發(fā)火危險(xiǎn)程度嚴(yán)重或較嚴(yán)重(Ⅰ、II、III、Ⅳ級(jí))的煤礦占72.9%。國(guó)有重點(diǎn)煤礦中，具有自然發(fā)火危險(xiǎn)的礦井占47.3%。小煤礦中，具有自然發(fā)火危險(xiǎn)的礦井占85.3%。由于煤層自燃，我國(guó)每年損失煤炭資源2億噸左右。</p><p>　?、?#160;煤塵災(zāi)害。我國(guó)煤礦具有煤塵爆炸危險(xiǎn)的礦井普遍存在。全國(guó)煤礦中，具有煤塵爆炸危險(xiǎn)的

27、礦井占煤礦總數(shù)的60%以上，煤塵爆炸指數(shù)在45%以上的煤礦占16.3%。國(guó)有重點(diǎn)煤礦中具有煤塵爆炸危險(xiǎn)性的煤礦占87.4%，其中具有強(qiáng)爆炸性的占60%以上。</p><p>　?、逈_擊地壓。中國(guó)是世界上除德國(guó)、波蘭以外煤礦沖擊地壓危害最嚴(yán)重的國(guó)家之一。大中型煤礦中具有沖擊地壓危險(xiǎn)的煤礦47處,占5.16%。隨著開采深度的增加，現(xiàn)有沖擊地壓礦井的沖擊頻率和強(qiáng)度在不斷增加，還有少數(shù)無明顯沖擊地壓的礦井也將逐漸顯現(xiàn)出來

28、。</p><p>　　2、煤礦生產(chǎn)的從業(yè)人員素質(zhì)偏低</p><p>　　煤礦行業(yè)從業(yè)人員大多數(shù)是農(nóng)民工，素質(zhì)偏低，沒有經(jīng)過專業(yè)的生產(chǎn)技能培訓(xùn)和安全生產(chǎn)培訓(xùn)，大多也沒有接受教高層次的教育，因而素質(zhì)普遍偏低，安全生產(chǎn)意識(shí)薄弱，自救能力和自救意識(shí)不強(qiáng)，往往在生產(chǎn)過程中沒有嚴(yán)格執(zhí)行安全生產(chǎn)的相關(guān)規(guī)定，在發(fā)生突發(fā)事件后不知所措，不能有效的自救。</p><p><b

29、>　　3、技術(shù)水平偏低</b></p><p>　　我國(guó)煤礦安全科研力量分散，產(chǎn)學(xué)研結(jié)合不緊密，人才流失嚴(yán)重，科研投入嚴(yán)重不足，研發(fā)基礎(chǔ)設(shè)施落后，成果轉(zhuǎn)化率低，安全基礎(chǔ)理論、煤與瓦斯突出、瓦斯煤塵爆炸、礦井突水機(jī)理及主要災(zāi)害預(yù)防與控制技術(shù)等研究滯后，企業(yè)自主創(chuàng)新能力弱，尚未形成完善的煤礦安全科技支撐體系。</p><p>　　4、煤礦安全投入不足。</p>

30、<p>　　煤礦企業(yè)長(zhǎng)期投入不足，安全欠賬嚴(yán)重。根據(jù)2005年專家對(duì)54戶重點(diǎn)煤礦企業(yè)會(huì)診分析，僅國(guó)有重點(diǎn)煤礦安全欠賬就高達(dá)689億元，一些礦井防災(zāi)系統(tǒng)不健全，設(shè)備陳舊老化，安全裝備落后。地方國(guó)有煤礦和鄉(xiāng)鎮(zhèn)煤礦安全欠賬問題更為突出，安全保障水平低，抵御事故災(zāi)害的能力差。</p><p>　　5、政府監(jiān)督嚴(yán)重缺位</p><p>　　煤礦行業(yè)雖然已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了市場(chǎng)化，符合經(jīng)濟(jì)發(fā)展大潮，

31、但是完全的市場(chǎng)調(diào)節(jié)具有很大的盲目性、自發(fā)性、滯后性等市場(chǎng)自身無法克服的弱點(diǎn)和缺陷，這就需要政府的宏觀調(diào)控，而煤礦安全事故頻發(fā)很大程度上都?xì)w咎于地方政府職能的嚴(yán)重缺位，也即是說，政府對(duì)煤礦行業(yè)的宏觀調(diào)控的力度不夠大，方法不夠科學(xué)，績(jī)效不夠明顯。造成這種現(xiàn)象的主要原因是：不少地方政府仍以GDP的增長(zhǎng)與否作為行政成效的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，很多地方官員把GDP作為追求的目標(biāo)，把煤礦企業(yè)創(chuàng)造的GDP作為提升晉級(jí)的基石，甘愿充當(dāng)煤礦企業(yè)的保護(hù)傘。對(duì)煤礦企業(yè)的

32、生產(chǎn)狀況，安全狀況視而不見，聽之任之。即使在事故發(fā)生以后，對(duì)遇難者家屬的慰問和補(bǔ)償似乎總是“遲來的愛”。所以說某些地方政府職能的缺位也是我國(guó)煤礦安全生產(chǎn)體系脆弱和安全事故頻發(fā)的一個(gè)重要原因。</p><p>　　1.2 煤礦安全生產(chǎn)體系建立健全的過程中所應(yīng)采取的對(duì)策措施</p><p>　　當(dāng)前，盡管煤礦安全生產(chǎn)形勢(shì)嚴(yán)峻，但也存在許多有利條件：有建國(guó)幾十年來培養(yǎng)起來的技術(shù)隊(duì)伍，有經(jīng)過多次

33、修訂的煤礦安全規(guī)程和防治煤與瓦斯突出細(xì)則等規(guī)程規(guī)定，有專業(yè)化的煤礦安全研究機(jī)構(gòu)和有關(guān)的大專院校；許多大的煤礦企業(yè)還有自己的瓦斯防治機(jī)構(gòu)，應(yīng)該說做到控制瓦斯事故的頻發(fā)是完全可能實(shí)現(xiàn)的。我國(guó)具有多年來實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)的淮南和平頂山煤業(yè)集團(tuán)公司，這些企業(yè)的技術(shù)及管理經(jīng)驗(yàn)，對(duì)我們搞好煤礦安全生產(chǎn)是十分可貴的。為了扭轉(zhuǎn)當(dāng)前煤礦安全生產(chǎn)的狀況，建立健全煤礦安全生產(chǎn)體系建議主要采取如下對(duì)策和措施：</p><p>　　1、對(duì)生產(chǎn)經(jīng)

34、營(yíng)和煤礦行業(yè)從業(yè)人員進(jìn)行嚴(yán)格的安全知識(shí)培訓(xùn)和考核[2]。</p><p>　　應(yīng)當(dāng)加大力度，宣講近年來的災(zāi)害事故的實(shí)例、經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，以提高一線從業(yè)人員的素質(zhì)和水平，提高他們對(duì)災(zāi)害事故的預(yù)見性和發(fā)生事故時(shí)的應(yīng)對(duì)處理能力。因?yàn)?，一線從業(yè)人員的安全生產(chǎn)意識(shí)和自身素質(zhì)能力如何，直接關(guān)系著安全生產(chǎn)能否順利進(jìn)行；所以進(jìn)行培訓(xùn)和考核是必要的。</p><p>　　由于大多數(shù)的煤礦從業(yè)人員沒有專門的生產(chǎn)知

35、識(shí)，沒有接受高層次的教育，因而普遍缺乏安全生產(chǎn)技能，那么對(duì)這部分人進(jìn)行安全生產(chǎn)技能的培訓(xùn)同樣是必需的，使所有的從業(yè)人員只有基本上具備了安全生產(chǎn)知識(shí)和事故險(xiǎn)情發(fā)生后逃生自救的能力，具備常規(guī)事故的處理能力和臨危不亂、遇變不驚的心理承受能力，才能擁有從業(yè)資格，準(zhǔn)予上崗，這對(duì)于解決煤礦安全生產(chǎn)問題和提高煤礦抵御事故能力是行之有效</p><p>　　2、加強(qiáng)科研工作力度，提高安全生產(chǎn)的技術(shù)水平，建立健全本質(zhì)安全化的生產(chǎn)體

36、系。</p><p>　　我國(guó)安全管理水平不斷加強(qiáng)，煤炭開采技術(shù)水平不斷提高，但是，煤礦重大瓦斯事故仍然時(shí)有發(fā)生。產(chǎn)生這些事故的直接原因是我國(guó)煤層瓦斯富集條件的復(fù)雜性，原有安全技術(shù)及理論基礎(chǔ)已難以適應(yīng)當(dāng)前煤礦安全高效生產(chǎn)的迫切需求。因此，應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步加強(qiáng)科研工作力度，特別是應(yīng)當(dāng)針對(duì)當(dāng)前開采條件進(jìn)行研究，以便為建立本質(zhì)安全化的生產(chǎn)系統(tǒng)奠定基礎(chǔ)。 對(duì)高瓦斯和瓦斯突出礦井應(yīng)當(dāng)制訂特殊政策，采取特殊措施，以利于健康發(fā)展[3

37、]。</p><p>　　3、加強(qiáng)安全監(jiān)督檢查。</p><p>　　事實(shí)上，只要管理者措施得力，監(jiān)督得法，大多數(shù)的礦難是可以避免的或者說大多數(shù)礦難的損失是可以控制和被最小化的，因此有關(guān)部門的監(jiān)督是至關(guān)重要的?！懊旱V資源的不可再生性、煤炭工業(yè)的重要性和煤礦生產(chǎn)勞動(dòng)的極度危險(xiǎn)性，都要求有關(guān)部門在可持續(xù)煤炭發(fā)展中發(fā)揮重要作用，承擔(dān)起義不容辭的公共責(zé)任?！?lt;/p><p>

38、;　　有關(guān)部門要積極推進(jìn)“科技含量高，經(jīng)濟(jì)效益好，資源消耗低，環(huán)境污染少，人力資源優(yōu)勢(shì)得到充分發(fā)揮的新型工業(yè)化道路”的進(jìn)程，加快建立社會(huì)主義和諧社會(huì)，鼓勵(lì)吸收社會(huì)資本入股以充實(shí)大煤礦集團(tuán)實(shí)力，增強(qiáng)我國(guó)煤礦行業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力，并鼓勵(lì)大煤礦集團(tuán)大煤礦企業(yè)參與國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)，有關(guān)對(duì)大企業(yè)大集團(tuán)走向世界提供必要的政治、外交支持，通過外交談判、政治對(duì)話等方式爭(zhēng)取更廣闊的生產(chǎn)基地和新的礦源，政府要適當(dāng)提高煤礦行業(yè)的門檻，不具備安全生產(chǎn)條件的個(gè)人和企業(yè)不讓進(jìn)

39、入，對(duì)安全措施不完善的企業(yè)要責(zé)令整改，對(duì)不具備安全生產(chǎn)能力的企業(yè)要堅(jiān)決取締，對(duì)個(gè)別企業(yè)胡干亂干的行為要堅(jiān)決糾正，對(duì)違反安全生產(chǎn)法規(guī)條令的行為要堅(jiān)決制止、嚴(yán)厲打擊。并且不定時(shí)地組織進(jìn)行抽樣調(diào)查，對(duì)企業(yè)的安全設(shè)施進(jìn)行認(rèn)真檢查和評(píng)估，并監(jiān)督和鼓勵(lì)企業(yè)更新生產(chǎn)設(shè)備、提高煤礦的安全生產(chǎn)能力。</p><p>　　1.3、國(guó)外煤礦安全生產(chǎn)現(xiàn)狀分析</p><p>　　由于世界各國(guó)的煤礦分布情況的不同，

40、煤礦安全生產(chǎn)的技術(shù)水平、機(jī)械化水平、安全生產(chǎn)的法規(guī)各不相同，所以也造成了各國(guó)的的煤礦安全生產(chǎn)現(xiàn)狀各不相同。下面著重介紹美國(guó)和澳大利亞的煤礦安全生產(chǎn)現(xiàn)狀。</p><p>　　1.3.1 美國(guó)的煤礦安全生產(chǎn)現(xiàn)狀分析</p><p>　　圖1-1 1990年～2002年美國(guó)煤礦及非煤礦山生產(chǎn)事故死亡人數(shù)</p><p>　　上表為1990年～2002年美國(guó)煤礦及非煤礦山

41、生產(chǎn)事故死亡人數(shù)作為世界主要產(chǎn)煤大國(guó)之一，美國(guó)也曾經(jīng)歷過安全狀況惡化、傷亡事故嚴(yán)重的年代。20世紀(jì)前30年，美國(guó)煤礦每年平均事故死亡2000多人；進(jìn)入20世紀(jì)90年代后，傷亡人數(shù)才迅速減少；1990年死亡66人；2000年死亡40人。最近20多年來煤礦安全狀況得到明顯改善；近年來，每年由各種原因?qū)е碌乃劳鋈藬?shù)只有40人左右。從國(guó)際上公認(rèn)的安全生產(chǎn)指標(biāo)百萬噸死亡率來看，美國(guó)的這一指標(biāo)已下降到0.035左右。</p><

42、p>　　近百年來的美國(guó)煤礦業(yè)，經(jīng)歷了從事故多發(fā)到加強(qiáng)立法和監(jiān)管、提高煤炭業(yè)的市場(chǎng)配置化程度，最終安全狀況明顯改善而生產(chǎn)效率仍然穩(wěn)步提升的過程。</p><p>　　那么美國(guó)通過了哪些措施來改善了煤礦的安全生產(chǎn)呢？</p><p><b>　?、帕⒎橄?lt;/b></p><p>　　美國(guó)煤礦業(yè)也是經(jīng)歷了一個(gè)從事故多發(fā)到加強(qiáng)立法和管理、最終進(jìn)

43、入安全生產(chǎn)時(shí)期的過程。美國(guó)煤礦生產(chǎn)事故多發(fā)期是在生產(chǎn)技術(shù)和管理都比較落后的19世紀(jì)后期和20世紀(jì)初期。當(dāng)時(shí)，美國(guó)每年有數(shù)千人死于煤礦事故。最嚴(yán)重的是1907年，死亡總?cè)藬?shù)達(dá)3242人。嚴(yán)重的煤礦事故頻頻發(fā)生促使美國(guó)國(guó)會(huì)和政府采取堅(jiān)決措施加強(qiáng)安全管理。圍繞煤礦生產(chǎn)美國(guó)先后制定了10多部法律，安全標(biāo)準(zhǔn)越來越高。其中最重要的是1977年制定的聯(lián)邦礦業(yè)安全和健康法，對(duì)所有礦業(yè)生產(chǎn)進(jìn)行了全面和嚴(yán)格的規(guī)定。原來的礦業(yè)局改為礦山安全和衛(wèi)生署，轉(zhuǎn)由勞工

44、部管轄。這一法律的出臺(tái)標(biāo)志著美國(guó)煤礦業(yè)生產(chǎn)從此走上事故低發(fā)率的新階段：到20世紀(jì)70年代，死亡人數(shù)下降到千人以下；1990年-2000年，美國(guó)共生產(chǎn)商品煤104億噸，僅死亡492人，平均百萬噸死亡率為0.0473；在安全狀況最好的1998年，共產(chǎn)商品煤10.18億噸，僅死亡29人，百萬噸死亡率為0.028；1993年-2000年的八年間，整個(gè)煤炭行業(yè)沒有發(fā)生過一起死亡三人以上的事故。</p><p>　　在美國(guó)，

45、國(guó)家資源委員會(huì)負(fù)責(zé)控制煤炭資源的使用，內(nèi)政部土地管理局負(fù)責(zé)煤炭資源的租借。美國(guó)資源管理實(shí)施辦法規(guī)定，對(duì)聯(lián)邦公有土地煤炭資源實(shí)施租借方式，對(duì)煤炭資源已勘探清楚并進(jìn)行了資源評(píng)價(jià)的礦區(qū)，采用招標(biāo)方式確定開采者；對(duì)煤炭資源尚未探明及未進(jìn)行資源評(píng)價(jià)的礦區(qū)，實(shí)行勘探和開采優(yōu)先的辦法。</p><p>　　此外，美國(guó)對(duì)煤炭資源價(jià)格的確定是在資源評(píng)估的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，主要內(nèi)容包括煤炭資源儲(chǔ)量、煤質(zhì)、最大的經(jīng)濟(jì)回收率、煤炭開采難易程

46、度和開采成本，以及地產(chǎn)價(jià)值、銀行利率等。</p><p>　　安監(jiān)機(jī)構(gòu)的獨(dú)立性且執(zhí)法非常嚴(yán)格</p><p>　　美國(guó)政府一直強(qiáng)調(diào)煤礦安全監(jiān)察管理機(jī)構(gòu)的獨(dú)立性。有關(guān)法律規(guī)定，煤礦安全監(jiān)察員與煤礦無任何隸屬關(guān)系，他們必須具備煤礦和現(xiàn)場(chǎng)工程師的資格，每年到安全培訓(xùn)學(xué)院輪訓(xùn)一周。各地的聯(lián)邦安全檢查員，每?jī)赡暌脖仨気啌Q對(duì)調(diào)。任何煤礦發(fā)生三人以上的死亡事故，當(dāng)?shù)氐穆?lián)邦及州政府安全監(jiān)察員不得參與該事故

47、的調(diào)查與處理，而須由聯(lián)邦從外地調(diào)派安全監(jiān)察員進(jìn)行事故調(diào)查。</p><p>　　同時(shí)，美國(guó)煤礦安全部門執(zhí)法非常嚴(yán)格，礦主也遵守法律，嚴(yán)格按照安全操作規(guī)程辦事，從而確保了煤礦生產(chǎn)安全。美國(guó)煤礦安全部門對(duì)唯利是圖、違反規(guī)定生產(chǎn)的礦主懲罰嚴(yán)厲。針對(duì)不會(huì)導(dǎo)致重大人員傷亡的一般性違反規(guī)定行為，政府督察員每次每項(xiàng)罰款可達(dá)5．5萬美元。曾經(jīng)違反規(guī)定并承諾改正、但不守信用的礦主則將被加重處罰。</p><p&

48、gt;　　從對(duì)美國(guó)的煤礦安全生產(chǎn)現(xiàn)狀的分析，我國(guó)也應(yīng)該加強(qiáng)立法，加大執(zhí)法力度等來減少煤礦生產(chǎn)的死亡人數(shù)。</p><p>　　1.3.2澳大利亞的煤礦安全現(xiàn)狀分析</p><p>　　澳大利亞的礦山生產(chǎn)死亡人數(shù)很低，保持在20人左右，且工傷次數(shù)呈逐年減少的趨勢(shì)，這跟該國(guó)對(duì)礦山救護(hù)車的研究有很大的關(guān)系。研究該車的目的是改善井下礦工的自救能力。該救護(hù)車應(yīng)能在特別嚴(yán)酷的情況下進(jìn)行工作，包括在含氧

49、少和高濃度瓦斯環(huán)境下進(jìn)行工作，此車內(nèi)應(yīng)有瓦斯監(jiān)控和檢測(cè)設(shè)備及緊急通訊設(shè)施。下表為澳大利亞1991年—2001年礦山死亡人數(shù)及傷害次數(shù)：</p><p>　　圖1-2 澳大利亞1991年—2001年礦山死亡人數(shù)及傷害次數(shù)</p><p>　　由上面對(duì)澳大利亞煤礦安全生產(chǎn)現(xiàn)狀的介紹，我們了解到提高煤礦生產(chǎn)的技術(shù)水平也是有效控制煤礦生產(chǎn)死亡人數(shù)及傷害次數(shù)的一個(gè)非常有效的措施。</p>

50、<p>　　第二章 瓦斯賦存及流動(dòng)規(guī)律</p><p>　　2.1 瓦斯在煤層中的流動(dòng)機(jī)理</p><p>　　瓦斯在煤層中的流動(dòng)是一個(gè)十分復(fù)雜的運(yùn)移過程，主要取決于煤層介質(zhì)的孔隙結(jié)構(gòu)和瓦斯在煤層中的賦存狀態(tài)。煤是一種多孔的微裂隙發(fā)育的介質(zhì)，微裂隙間含有孔隙和大部分與微裂隙相連的毛細(xì)管通路，而孔隙和毛細(xì)管通路的數(shù)目是變化的，它們之間或多或少互有聯(lián)系，其直徑由幾，變化到幾不

51、等。</p><p>　　瓦斯在煤層中主要是以吸附和游離狀態(tài)賦存在煤體中的，其中呈游離狀態(tài)壓縮在微裂隙和大孔隙中的較少，大部分為吸附在煤體中。根據(jù)煤體中的孔隙分布和煤層中的聯(lián)系系統(tǒng)以及周世寧教授的研究表明：瓦斯在煤層中的流動(dòng)主要是層流滲透運(yùn)動(dòng)和擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，其中前者基本上服從Darcy滲透定律，且主要發(fā)生在煤體大孔和微裂隙中；后者則基本上服從擴(kuò)散定律，且主要發(fā)生在煤體微孔隙之中。因此，瓦斯在煤體中的運(yùn)動(dòng)可以認(rèn)為是一個(gè)

52、擴(kuò)散滲透的過程。</p><p>　　2.2 煤的吸附理論及煤層瓦斯含量</p><p>　　2.2.1 瓦斯賦存狀態(tài)</p><p>　　煤中瓦斯的賦存狀態(tài)一般有吸附狀態(tài)和游離狀態(tài)兩種。固體表面的吸附作用可以分為物理吸附和化學(xué)吸附2種類型，煤對(duì)瓦斯的吸附作用是物理吸附，是瓦斯分子和碳分子間相互吸引的結(jié)果，如圖2-1所示。在被吸附的瓦斯中，通常以將進(jìn)入煤體內(nèi)部的

53、瓦斯稱為吸收瓦斯，把附著在煤體表面的瓦斯稱為吸著瓦斯，吸收瓦斯和吸著瓦斯統(tǒng)稱為吸附瓦斯。在煤層賦存的瓦斯量中，通常吸附瓦斯量占80%~90%，游離瓦斯量占10%~20%；在吸附瓦斯量中又以煤體表面吸著的瓦斯量占多數(shù)。</p><p>　　在煤體中，吸附瓦斯和游離瓦斯在外界條件不變的條件下處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，吸附狀態(tài)的瓦斯分子和游離狀態(tài)的瓦斯分子處于不斷的交換之中；當(dāng)外界的瓦斯壓力或溫度發(fā)生變化或給予沖擊和振蕩、影響

54、了分子的能量時(shí)，則會(huì)破壞其動(dòng)態(tài)平衡，而產(chǎn)生新的平衡狀態(tài)[4]。</p><p>　　煤是一種多孔介質(zhì)，煤體吸附瓦斯是煤的一種自然屬性，煤體表面吸附瓦斯量的多少，與煤體表面積的大小密切相關(guān)，而煤體表面積的大小則和煤體孔隙特征有關(guān)。因此，煤體孔隙特征對(duì)吸附瓦斯有重要的作用。</p><p>　　1-游離瓦斯；2-吸附瓦斯；3-吸收瓦斯；4-煤體；5-煤中孔隙</p><p&

55、gt;　　圖2-1 煤體中瓦斯的賦存狀態(tài)</p><p>　　2.2.2 煤的吸附性及其影響因素分析</p><p>　　煤之所以具有吸附性是由于煤結(jié)構(gòu)中分子的不均勻分布和分子作用力的不同所致，這種吸附性的大小主要取決于3個(gè)方面的因素，即：一是煤結(jié)構(gòu)、煤的有機(jī)組成和煤的變質(zhì)程度；二是被吸附物質(zhì)的性質(zhì)；三是煤體吸附的環(huán)境條件。由于煤對(duì)瓦斯的吸附是一種可逆現(xiàn)象，吸附瓦斯所處的環(huán)境條件就顯得

56、尤為重要。煤中吸附瓦斯量的大小主要取決于煤化變質(zhì)程度、煤中水分、瓦斯性質(zhì)、瓦斯壓力以及吸附平衡溫度等。</p><p>　　(1)瓦斯壓力。實(shí)驗(yàn)研究表明：在給定的溫度下，吸附瓦斯量與瓦斯壓力的關(guān)系呈雙曲線變化，如圖2-2所示，從圖中可以看出：隨著瓦斯壓力的升高煤體吸附瓦斯量增大；當(dāng)瓦斯壓力大于3.0時(shí)，吸附的瓦斯量將趨于定值。</p><p>　　(2)吸附溫度。目前的實(shí)驗(yàn)研究表明：溫度每

57、升高1，煤吸附瓦斯的能力將降低約8%。其原因主要是：溫度的升高，使瓦斯分子活性增大，故而不易被煤體所吸附；同時(shí)，已被吸附的瓦斯分子又易獲得動(dòng)能，會(huì)產(chǎn)生脫附現(xiàn)象，使吸附瓦斯量降低。</p><p>　　(3)瓦斯性質(zhì)。對(duì)于指定的煤，在給定的溫度與瓦斯壓力條件下，煤對(duì)二氧化碳的吸附量比甲烷的吸附量高，而對(duì)甲烷的吸附量又大于對(duì)氮?dú)獾奈搅俊?lt;/p><p>　　圖2-2吸附瓦斯量與瓦斯壓力關(guān)系圖

58、</p><p>　　(4)煤的變質(zhì)程度。煤的瓦斯生成量及煤的比表面積和煤的變質(zhì)程度有關(guān)。一般情況下，從中等變質(zhì)程度的煙煤到無煙煤，相應(yīng)的吸附量呈快速增加狀態(tài)。</p><p>　　(5)煤中水分。水分的增加會(huì)使煤的吸附能力降低。目前可以采用俄羅斯煤化學(xué)家艾琴格爾的經(jīng)驗(yàn)公式[8]來確定煤的天然水分對(duì)甲烷吸附量的影響。</p><p>　　2.3 煤層瓦斯流動(dòng)理論研

59、究</p><p>　　煤層瓦斯流動(dòng)理論是專門研究煤層內(nèi)瓦斯壓力分布及瓦斯流動(dòng)變化規(guī)律的理論,根據(jù)應(yīng)用范圍和使用條件的不同,煤層瓦斯流動(dòng)理論有以下幾種。</p><p>　　2.3.1 線性瓦斯流動(dòng)理論</p><p>　　線性瓦斯?jié)B流理論認(rèn)為，煤層內(nèi)瓦斯運(yùn)移基本符合線性滲透定律—達(dá)西定律(Dracy’s law) ，1856年,法國(guó)水力學(xué)家Darcy 通過實(shí)驗(yàn)總

60、結(jié)出了著名的Darcy 定律：</p><p><b>　?。?）</b></p><p>　　式中： v ———流速，m/s；</p><p>　　μ———瓦斯動(dòng)力粘度系數(shù)，Pa·s；</p><p>　　K ———煤層的滲透率，m2；</p><p>　　dx ———和流體流動(dòng)方向一

61、致的極小長(zhǎng)度，m；</p><p>　　dp ———在d x 長(zhǎng)度內(nèi)的壓差，Pa ；</p><p>　　λ———煤層透氣系數(shù)，m2/(MPa2·d) 。</p><p>　　Darcy 定律是在常溫和常壓條件下，各向同性砂柱中的一維流動(dòng)過程實(shí)驗(yàn)得到的結(jié)果。在直角坐標(biāo)系中，若以vx , vy , vz 表示三個(gè)坐標(biāo)方向上的滲流速度分量，就得到三維流動(dòng)下的D

62、arcy 定律：</p><p><b>　?。?）</b></p><p>　　Darcy 定律有一定的適用范圍，超出這個(gè)范圍就不再符合Darcy 定律了。雷諾數(shù)Re 是個(gè)無量綱的數(shù)，用來表示作用在流體上的慣性力和粘滯力之比，它是判別層流和紊流的準(zhǔn)則。同樣，多孔介質(zhì)流體的雷諾數(shù)Re 為：</p><p><b>　?。?）</

63、b></p><p>　　式中：d ———孔隙骨架的代表性長(zhǎng)度，m；</p><p>　　v ———流體的滲流速度，m/s ；</p><p>　　γ———流體的運(yùn)動(dòng)粘滯系數(shù)，m2/s。</p><p>　　經(jīng)驗(yàn)表明,當(dāng)Re 在1～10 之間時(shí),屬低雷諾數(shù)區(qū),粘滯力占優(yōu)勢(shì),流體的運(yùn)動(dòng)符合Darcy 定律[5]。</p>&

64、lt;p>　　2.3.2 瓦斯擴(kuò)散理論</p><p>　　煤是一種典型的多孔介質(zhì)，根據(jù)氣體在多孔介質(zhì)中的擴(kuò)散機(jī)理的研究，可以用表示孔隙直徑和分子運(yùn)動(dòng)平均自由程相對(duì)大小的諾森數(shù)</p><p><b>　　(4)</b></p><p>　　式中：d ———孔隙平均直徑，m；</p><p>　　λ———?dú)怏w分子

65、的平均自由程，m。</p><p>　　將擴(kuò)散分為一般的菲克( Fick) 型擴(kuò)散、諾森(Knudsen) 型擴(kuò)散和過渡型擴(kuò)散。Kn ≥10 時(shí)，孔隙直徑遠(yuǎn)大于瓦斯氣體分子的平均自由程，這時(shí)瓦斯氣體分子的碰撞主要發(fā)生在自由瓦斯氣體分子之間，而分子和毛細(xì)管壁的碰撞機(jī)會(huì)相對(duì)較少,此類擴(kuò)散仍然遵循菲克定理，稱為菲克型擴(kuò)散。當(dāng)Kn ≤0. 1 時(shí),分子的平均自由程大于孔隙直徑，此時(shí)瓦斯氣體分子和孔隙壁之間的碰撞占主導(dǎo)地位

66、，而分子之間的碰撞退居次要地位，此類擴(kuò)散不再遵循菲克擴(kuò)散，而為諾森擴(kuò)散。當(dāng)0. 1 < Kn < 10 時(shí)，孔隙直徑與瓦斯氣體分子的平均自由程相似，分子之間的碰撞和分子與面的碰撞同樣重要，因此此時(shí)的擴(kuò)散是介于菲克型擴(kuò)散與諾森擴(kuò)散之間的過渡型擴(kuò)散。</p><p>　　由于多孔特性及其大分子結(jié)構(gòu)，煤是一種良好的吸附劑，當(dāng)瓦斯氣體分子被強(qiáng)烈地吸附于煤的固體表面時(shí)，就產(chǎn)生表面擴(kuò)散。對(duì)吸附性極強(qiáng)的煤來說，表面

67、擴(kuò)散占有很大比重。當(dāng)孔隙直徑與瓦斯氣體分子尺寸相差不大，壓力足夠大時(shí)，瓦斯氣體分子就會(huì)進(jìn)入微孔隙中以固溶體存在，發(fā)生晶體擴(kuò)散，在煤體擴(kuò)散中一般比較小。</p><p><b>　　1、菲克型擴(kuò)散</b></p><p>　　當(dāng)Kn ≥10 時(shí)，由于孔隙直徑遠(yuǎn)大于瓦斯氣體分子的平均自由程，因此擴(kuò)散是由于瓦斯氣體分子之間的無規(guī)則運(yùn)動(dòng)引起的，可以用菲克擴(kuò)散定律去描述，即&l

68、t;/p><p><b>　?。?）</b></p><p>　　式中：　J ———瓦斯氣體通過單位面積的擴(kuò)散速度，kgP(s·m2 ) ；</p><p>　　———沿?cái)U(kuò)散方向的濃度梯度；</p><p>　　Df ———菲克擴(kuò)散系數(shù)，m2/s；</p><p>　　C ———瓦斯氣體的濃

69、度，kg/m2 。</p><p>　　等式中由于擴(kuò)散是沿著濃度減少的方向進(jìn)行的，而擴(kuò)散系數(shù)總是正的，故式中要加一個(gè)負(fù)號(hào)。由于孔道是彎曲的各種形狀，同時(shí)又是相互連通的通道，所以擴(kuò)散路徑因孔隙通道的曲折而增長(zhǎng)，孔截面收縮可使擴(kuò)散流動(dòng)阻力增大，從而使實(shí)際的擴(kuò)散通量減少?？紤]以上因素，瓦斯氣體分子在煤層內(nèi)有效擴(kuò)散系數(shù)可定義為：</p><p><b>　?。?）</b>&l

70、t;/p><p>　　式中：Dfe ———瓦斯氣體在煤層內(nèi)的有效Fick 擴(kuò)散系數(shù)，m2/s ；</p><p>　　θ———有效表面孔隙率；</p><p>　　τ———曲折因子，為修正擴(kuò)散路徑變化而引入的。</p><p>　　對(duì)于給定狀態(tài)的某種瓦斯氣體來講，菲克型擴(kuò)散的擴(kuò)散系數(shù)大小取決于煤本身的孔隙結(jié)構(gòu)特征。</p><

71、p><b>　　2、諾森型擴(kuò)散</b></p><p>　　當(dāng)Kn ≤0. 1 時(shí),瓦斯氣體在煤層中的擴(kuò)散屬于諾森型擴(kuò)散，根據(jù)分子運(yùn)動(dòng)論，在半徑為r 的孔隙內(nèi)，由于壁面的散射而引起的瓦斯分子擴(kuò)散系數(shù)為：</p><p><b>　?。?）</b></p><p>　　式中：Dk ———諾森擴(kuò)散系數(shù)；</p>

72、;<p>　　r ———孔隙平均半徑，m；</p><p>　　R ———普適氣體常數(shù)；</p><p>　　T ———絕對(duì)溫度，K；</p><p>　　M ———瓦斯氣體分子量。</p><p>　　若考慮有效表面孔隙率、曲折因子半徑變化等因素,則有效擴(kuò)散系數(shù)為：</p><p><b>　

73、?。?）</b></p><p>　　式中：s ———煤粒的比表面積，m2/kg；</p><p>　　ρ———煤密度，kg/m3 。</p><p>　　從上式中可以看出,諾森擴(kuò)散系數(shù)與煤的結(jié)構(gòu)和煤層的溫度等有關(guān)。</p><p><b>　　3、過渡型擴(kuò)散</b></p><p>

74、　　當(dāng)0. 1 < Kn < 10 時(shí),孔隙直徑與瓦斯氣體分子的平均自由程相近，分子之間的碰撞和分子與壁面的碰撞同樣重要，擴(kuò)散過程受兩種擴(kuò)散機(jī)理的制約，在恒壓下其有效擴(kuò)散系數(shù)與菲克擴(kuò)散和諾森擴(kuò)散系數(shù)的關(guān)系為：</p><p><b>　?。?）</b></p><p><b>　　4、表面擴(kuò)散</b></p><p

75、>　　對(duì)于凸凹不平的煤粒表面，具有表面勢(shì)阱強(qiáng)度即表面能量Ea，當(dāng)瓦斯氣體分子的能量等于表面能ΔEa 時(shí)，氣體分子在煤表面形成表面擴(kuò)散，見圖2-3。</p><p>　　圖2-3 　瓦斯氣體在煤表面上的表面擴(kuò)散</p><p>　　表面擴(kuò)散經(jīng)常同普通的菲克型擴(kuò)散在煤層較大孔隙中同時(shí)進(jìn)行，使擴(kuò)散的總通量增大；另一種情況是當(dāng)瓦斯氣體被煤表面強(qiáng)烈吸附時(shí)，吸附層增厚使得瓦斯氣體擴(kuò)散通量減少。&

76、lt;/p><p><b>　　5、晶體擴(kuò)散</b></p><p>　　煤晶體內(nèi)的擴(kuò)散阻力較大，擴(kuò)散通量較小。由煤大分子結(jié)構(gòu)可知，煤是由周邊聯(lián)結(jié)有多種原子基團(tuán)的縮聚芳香稠環(huán)、氫化芳香稠環(huán)通過各種橋鍵和交聯(lián)鍵合邊聯(lián)結(jié)而成，在其中含有各種缺陷、位錯(cuò)或空位。當(dāng)瓦斯氣體壓力較低時(shí)，不易進(jìn)入到芳香層之間或碳分子之間；而當(dāng)瓦斯壓力較高時(shí)，瓦斯氣體分子則可能進(jìn)入芳香層缺陷或煤物質(zhì)大分

77、子之間，發(fā)生晶體擴(kuò)散。當(dāng)孔隙半徑與瓦斯氣體分子大小相差不大，且壓力足夠大時(shí)，瓦斯氣體分子可以進(jìn)入到煤微孔隙中以固溶體(取代式固溶體、填隙式固溶體) 形式存在，且不易脫附。晶體擴(kuò)散通量與瓦斯氣體分子的化學(xué)位梯度成比例，即：</p><p><b>　?。?0）</b></p><p>　　化學(xué)位可用瓦斯氣體的活度a 或分壓p 代替，由Darken 關(guān)系式：</p&

78、gt;<p><b>　?。?1）</b></p><p>　　式中：B ———遷移率；</p><p>　　D ———自擴(kuò)散系數(shù)，即由于瓦斯氣體與煤的物理化學(xué)性質(zhì)相似性,瓦斯在煤體中的擴(kuò)散系數(shù)。</p><p>　　由于瓦斯氣體在煤層中以固溶體形式賦存的量較少，一般在晶體的芳香層缺陷內(nèi)的瓦斯量為1 %～5 % ，在芳香碳晶體內(nèi)瓦

79、斯量為5 %～12 %，所以只有當(dāng)瓦斯壓力很高時(shí)，擴(kuò)散才會(huì)較為明顯[6]。</p><p>　　2.3.3 瓦斯?jié)B透—擴(kuò)散理論</p><p>　　瓦斯?jié)B透與擴(kuò)散理論認(rèn)為，煤層內(nèi)瓦斯運(yùn)動(dòng)是包含了滲透和擴(kuò)散的混合流動(dòng)過程。煤層中存在相互溝通的裂隙網(wǎng)絡(luò)，沿著這些裂隙網(wǎng)絡(luò)，游離瓦斯流向低壓工作面，而煤體的透氣率與該裂隙網(wǎng)絡(luò)密切相關(guān)。與此同時(shí)，塊煤內(nèi)部的瓦斯解吸，向裂隙擴(kuò)散，因此煤層中瓦斯的滲透

80、率和介質(zhì)的擴(kuò)散性共同決定了瓦斯的流動(dòng)狀況[7]。</p><p>　　2.3.4 非線性瓦斯流動(dòng)理論</p><p>　　達(dá)西定律偏離的原因?yàn)椋孩倭髁窟^大；②分子效應(yīng)；③離子效應(yīng)； ④流體本身的非牛頓態(tài)勢(shì)。著名的流體力學(xué)家EM. Allen 指出，將達(dá)西定律用于描述從均勻固體物(煤樣) 中涌出瓦斯的試驗(yàn)，結(jié)果導(dǎo)致了與實(shí)際觀測(cè)不相符合的結(jié)論。從通過變化壓差測(cè)定煤樣瓦斯?jié)B透率看，達(dá)西定律不太

81、符合瓦斯流動(dòng)規(guī)律[8]。在大量試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上提出了更能符合瓦斯流動(dòng)的基本規(guī)律—冪定律(Power Law) 。</p><p><b>　?。?2）</b></p><p>　　式中：qx ———在x點(diǎn)的比流量，m3/P(m2·d) ;</p><p>　　m ———滲透指數(shù)， m = 1～2。</p><p&g

82、t;　　該理論用于中雷諾數(shù)區(qū)， Re = 10～100，此時(shí)為非線性層流區(qū)域。</p><p>　　2.3.5 地物場(chǎng)效應(yīng)的煤層瓦斯流動(dòng)理論</p><p>　　該理論認(rèn)為地應(yīng)力場(chǎng)、地溫場(chǎng)及地電場(chǎng)[9]，應(yīng)力史對(duì)瓦斯流動(dòng)場(chǎng)也有重要影響，應(yīng)該考慮進(jìn)去，修正達(dá)西定律和冪定律[10]。</p><p>　　2.3.6 多煤層系統(tǒng)瓦斯越流理論</p>&l

83、t;p>　　根據(jù)地下滲流力學(xué)多煤層瓦斯越流的定義，如保護(hù)層開采的有效保護(hù)范圍的確定問題、井下鄰近層(采空區(qū)) 瓦斯抽放工程的合理布孔設(shè)計(jì)抽放率預(yù)估問題、地下多氣層之間煤層氣運(yùn)移規(guī)律的預(yù)估和評(píng)估問題，都可以歸結(jié)為多煤層系統(tǒng)瓦斯越流問題。但由于此問題的復(fù)雜性，均未從煤層瓦斯越流的角度去抽象出其普遍規(guī)律并創(chuàng)建多煤層系統(tǒng)瓦斯越流理論，因此,應(yīng)用流體—巖石的相互作用的觀點(diǎn)創(chuàng)建和發(fā)展煤層瓦斯耦合模型及數(shù)值方法，豐富和完善煤層瓦斯?jié)B流力學(xué)，這是

84、當(dāng)今該學(xué)科理論研究的前沿課題。</p><p><b>　　2.3.7 結(jié)論</b></p><p>　　每種煤層瓦斯流動(dòng)理論，在一定的簡(jiǎn)化假設(shè)下，已形成了一定的理論體系，并在煤礦安全生產(chǎn)中起到了一定的作用。但是，由于煤層內(nèi)瓦斯流動(dòng)是一個(gè)非常復(fù)雜的過程，這不僅與煤的結(jié)構(gòu)有關(guān)，而且受到眾多因素的影響。目前我國(guó)煤礦煤與瓦斯突出事故頻繁發(fā)生，死亡人數(shù)多，嚴(yán)重影響煤礦安全生

85、產(chǎn)，而瓦斯流動(dòng)規(guī)律對(duì)于預(yù)防煤與瓦斯突出，改善煤層瓦斯抽放率和煤層氣開發(fā)利用具有重要意義，因此煤層瓦斯流動(dòng)理論有待繼續(xù)深入研究。</p><p>　　第三章 煤礦瓦斯抽放方法以及引起事故危險(xiǎn)因素的分析</p><p>　　3.1 瓦斯抽放方法的分析[11—15]</p><p>　　3.1.1 抽放瓦斯方法分類</p><p>　　抽放瓦

86、斯的分類方式和方法多種多樣，目前尚無統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。通常按以下三種方法進(jìn)行分類。</p><p>　　1、按抽放瓦斯的來源分類</p><p>　　按抽放瓦斯的來源分為：</p><p>　　1）開采層（本煤層）抽放瓦斯；</p><p>　　2）鄰近層抽放瓦斯；</p><p>　　3）采空區(qū)抽放瓦斯。</p>

87、;<p>　　2、按抽放與采掘的時(shí)間分類</p><p>　　按抽放與采掘的時(shí)間關(guān)系可分為：</p><p>　　1）采前抽放（也稱為預(yù)抽）；</p><p>　　2）采中抽放（也稱邊抽，包括邊采邊抽和邊掘邊抽）；</p><p>　　3）采后抽放（也趁舊區(qū)抽放）。</p><p>　　3、按施工工藝和手

88、段分類</p><p>　　按施工工藝和手段可分為：</p><p><b>　　1）巷道抽放法；</b></p><p><b>　　2）鉆孔抽放法；</b></p><p>　　3）巷道、鉆孔混合抽放法。</p><p>　　瓦斯抽放方法雖然有以上不同分類方法和不同種類，

89、但在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用時(shí)，往往是互相結(jié)合、綜合使用，無法截然分開的。如，本煤層抽放中包括巷道預(yù)抽法、鉆孔預(yù)抽法及邊抽（掘）法等；同時(shí)，鉆孔抽放法又應(yīng)用于本煤層抽放、鄰近層抽放及預(yù)抽、邊抽等。</p><p>　　3.1.2 開采煤層的瓦斯抽放分析</p><p>　　開采煤層的瓦斯抽放，是在煤層開采之前或采掘的同時(shí)，用鉆孔或巷道進(jìn)行該煤層的抽放工作。煤層回采前的抽放屬于未卸壓抽放，在受到采掘工

90、作面影響范圍內(nèi)的抽放，屬于卸壓抽放。決定未卸壓煤層抽放效果的關(guān)鍵因素，是煤層的天然透氣系數(shù)。按照煤層的透氣系數(shù)評(píng)價(jià)未卸壓煤層預(yù)抽瓦斯的難易程度的指標(biāo)如下表：</p><p>　　表3-1 煤層抽放瓦斯難易程度分級(jí)表</p><p><b>　　未卸壓抽放</b></p><p>　　本法適用于透氣系數(shù)較大的開采煤層預(yù)抽瓦斯。按鉆孔與煤層的關(guān)系

91、分為穿層鉆孔和沿層鉆孔；按鉆角度分為上向鉆孔、下向鉆孔和水平鉆孔。我過多采用穿層上向鉆孔。</p><p>　　穿層鉆孔是在開采煤層的頂板或底板巖巷（或煤巷），每隔一段距離開一長(zhǎng)約10米的鉆場(chǎng)。從鉆場(chǎng)向煤層打3—5個(gè)穿透煤層的鉆孔，封孔或?qū)⒄麄€(gè)鉆場(chǎng)封閉起來，裝上抽瓦斯管與抽放系統(tǒng)連接。</p><p>　　此方法的優(yōu)點(diǎn)是施工方便，可以預(yù)抽的時(shí)間較長(zhǎng)。如果是厚煤層下行分層回采，第一層回采后，

92、還可在卸壓的條件下，抽放未分層的瓦斯。</p><p>　　沿層鉆孔適用于賦存穩(wěn)定的中厚煤層。由運(yùn)輸平巷沿煤層傾斜打鉆，或由上、下山沿煤層走向打水平孔（仰角1°--2°）。這類抽放方法常受采掘接替的限制，抽放時(shí)間不長(zhǎng)，影響了抽放的效果。國(guó)外采用的可彎曲鉆，能由巖巷或地面打沿層鉆孔，大大延長(zhǎng)了抽放時(shí)間。我國(guó)1987年開始了有關(guān)研究工作，著重于井下水平長(zhǎng)鉆孔的打鉆工藝。</p>&l

93、t;p><b>　　卸壓鉆孔抽放</b></p><p>　　在受回采或掘進(jìn)的采動(dòng)影響下，引起煤層和圍巖應(yīng)力重新分布，形成卸壓區(qū)和應(yīng)力集中區(qū)。在卸壓區(qū)內(nèi)煤層膨脹變形，透氣系數(shù)大大增加。如果在這個(gè)區(qū)域內(nèi)打鉆抽放瓦斯，可以提高抽出力量，并阻截瓦斯流向工作空間。這類抽放方法現(xiàn)場(chǎng)叫隨掘隨抽和隨采隨抽。</p><p>　　隨掘隨抽在掘進(jìn)巷道的兩幫，隨掘進(jìn)巷道推進(jìn)，每隔1

94、0—15m開一鉆孔窩，在巷道周圍卸壓區(qū)內(nèi)打鉆孔1—2個(gè)，孔徑40-5—60mm，封孔深1.5—2.0m，封孔連接于抽放系統(tǒng)進(jìn)行抽放?？卓谪?fù)壓不宜過高，一般為5.3—6.7kPa(40—50mmHg)。巷道周圍的卸壓區(qū)一般為5—15m，個(gè)別煤層可達(dá)15—30m。</p><p>　　隨采隨抽是在采煤工作面前方由機(jī)巷或風(fēng)巷每隔一段距離（20—60m），沿煤層傾斜方向，平行于工作面打鉆、封孔、抽放瓦斯?？咨顟?yīng)小于工作面

95、斜長(zhǎng)的20—40m。工作面推進(jìn)到鉆孔附近，當(dāng)最大集中應(yīng)力超過鉆孔后，鉆孔附近煤體就開始膨脹變形，瓦斯的抽出量也因而增加，工作面推進(jìn)到距鉆孔1—3m時(shí)，鉆孔處于煤面的擠出帶內(nèi)，大量空氣進(jìn)入鉆孔，瓦斯?jié)舛冉档偷?0％以下時(shí)，應(yīng)停止抽放。在下行分層工作面，鉆孔應(yīng)靠近底板，上行分層工作面靠近頂板。如果煤層厚超過6—8m，在未采分層內(nèi)打的鉆孔，當(dāng)?shù)谝环謱踊夭珊螅钥衫^續(xù)抽放。</p><p>　　這類抽放方法只適用于賦存平

96、穩(wěn)的煤層，有效抽放時(shí)間不長(zhǎng)，沒孔的抽出量不大。</p><p>　　人工增加煤層透氣系數(shù)的措施</p><p>　　透氣系數(shù)低的單一煤層，或者雖為煤層群，但是開采順序必須先采瓦斯含量大的煤層，那么上述抽放瓦斯的方法，就很難到達(dá)預(yù)期的目的。必須采用專門措施增加了煤層的透氣系數(shù)以后，才能抽出瓦斯。國(guó)內(nèi)外都已試驗(yàn)過的措施有：煤層注水、水力壓裂、水力割縫、深孔爆破、交叉鉆孔和煤層的酸液處理等。&l

97、t;/p><p>　　水力壓裂是將大量含砂的高壓液體（水或其他溶液）注入煤層，迫使煤層破裂，產(chǎn)生裂隙后砂子作為支撐劑停留在縫隙內(nèi)，阻止它們的重新閉合，從而提高煤層的透氣系數(shù)。注入的液體排出后，就可進(jìn)行瓦斯的抽放工作。龍鳳礦北井、陽泉、紅衛(wèi)等礦都曾做過這種方法的工業(yè)試驗(yàn)。</p><p>　　水力割縫是用高壓水射流切割孔兩側(cè)每體（即割縫），形成大致沿煤層擴(kuò)張的空洞與裂縫。增加煤體的暴露面，造成割

98、縫上、下煤體的卸壓，提高它們的透氣系數(shù)。</p><p>　　深孔爆破是在鉆孔內(nèi)用炸藥爆炸造成的震動(dòng)力使煤體松動(dòng)破裂。</p><p>　　酸液處理是向含有碳酸鹽類或硅酸鹽類的煤層中，注入可溶解這些礦物質(zhì)的酸性溶液。</p><p>　　交叉鉆孔是除沿煤層打處置于走向的平行孔外，還打與平行鉆孔呈15°--20°夾角的斜向鉆孔，形成互相連通的鉆孔網(wǎng)

99、。其實(shí)質(zhì)相當(dāng)于擴(kuò)大鉆孔直徑，同時(shí)斜向鉆孔延長(zhǎng)了鉆孔在卸壓帶的抽放時(shí)間，也避免了因鉆孔坍塌而對(duì)抽放效果的影響。在焦作礦務(wù)局九里山煤礦的試驗(yàn)結(jié)果表明，這種布孔方式較常規(guī)的布孔方式相比，相同條件下提高抽放量0.46—1.02倍。</p><p>　　3.1.3 鄰近層的瓦斯抽放分析</p><p>　　開采煤層群時(shí)，回采煤層的頂、底板圍巖發(fā)生冒落、移動(dòng)、龜裂和卸壓，透氣系數(shù)增加?；夭擅簩痈浇?/p>

100、煤層或夾層中的瓦斯，就能向回采煤層的采空區(qū)轉(zhuǎn)移。這類能向開采煤層采空區(qū)涌出瓦斯的煤層或夾層，就叫做鄰近層。位于開采煤層頂板內(nèi)的臨近層叫上臨近層，底板內(nèi)的叫下鄰近層。</p><p>　　鄰近層的瓦斯抽放，即是在有瓦斯賦存的鄰近層內(nèi)預(yù)先開鑿抽放瓦斯的巷道，或預(yù)先從開采煤層或圍巖大巷內(nèi)向臨近層打鉆，將鄰近層內(nèi)涌出的瓦斯匯集抽出。前一方法稱巷道法，后一方法稱鉆孔法。目前國(guó)內(nèi)外都廣泛采用鉆孔法，即由開采煤層進(jìn)回風(fēng)巷道或圍

101、巖大巷內(nèi)，向鄰近層打穿層鉆孔抽瓦斯。當(dāng)采煤工作面接近或超過鉆孔時(shí)，巖體卸壓膨脹變形，透氣系數(shù)增大，鉆孔瓦斯的流量有所增加，就可開始抽放。鉆孔的抽出糧隨工作面的推進(jìn)而逐漸增大，達(dá)到最大值后能以穩(wěn)定的抽出量維持一段時(shí)間（幾十天到幾個(gè)月）。由于采空區(qū)逐漸壓實(shí)，透氣系數(shù)逐漸恢復(fù)，抽出量也將隨之減少，直到抽出兩減少到失去抽放的意義，便可以停止抽放。</p><p>　　巷道法抽放時(shí)，也可以采用傾斜高抽巷和走向高抽巷抽放上臨

102、近層中的瓦斯。80年代試驗(yàn)成功的傾斜高抽巷，是在工作面尾巷開口，沿回風(fēng)及尾巷間的煤柱平走5m左右起坡，坡度30°--50°，打至上臨近層后順煤層走20—40m，施工完畢后，在其坡底打密閉穿管抽放。傾斜高抽巷間距150—200m。這種抽放方式在陽泉礦務(wù)局一礦、五礦和盤江礦務(wù)局山腳樹煤礦的實(shí)際應(yīng)用都取得了很好的效果。</p><p>　　3.1.4 采空區(qū)的抽放</p><p

103、>　　采空區(qū)瓦斯抽放可以分為全封閉式抽放和半封閉式抽放兩類。全封閉式抽放又可以分為密閉式抽放、鉆孔式抽放和鉆孔與密閉相結(jié)合的綜合抽放等方式。半封閉式抽放是在采空區(qū)上部開掘一條專用瓦斯抽放巷道，在該巷道中布置鉆場(chǎng)向下部采空區(qū)打鉆，同時(shí)封閉采空區(qū)入口，以抽放下部各區(qū)段采空區(qū)中從鄰近層涌入的瓦斯。采空區(qū)抽放時(shí)要及時(shí)檢查抽放負(fù)壓、流量、抽出瓦斯的成分與濃度。抽放負(fù)壓與流量應(yīng)與采空區(qū)的瓦斯量相適應(yīng)，才能保證抽出的瓦斯中的甲烷的濃度。如果煤層

104、有自燃危險(xiǎn)，更應(yīng)經(jīng)常檢查抽出瓦斯的成分，一旦發(fā)現(xiàn)煤炭自燃的異常征兆，應(yīng)立即停止抽放，采取防止自燃的措施。</p><p>　　3.1.5 瓦斯抽放新方法研究</p><p>　　1、深孔預(yù)裂控制爆破強(qiáng)化抽放瓦斯技術(shù)</p><p>　　深孔控制預(yù)裂爆破強(qiáng)化抽放瓦斯技術(shù)實(shí)質(zhì)是：在回采工作面的進(jìn)、回風(fēng)巷和掘進(jìn)工作面每隔一定的距離，打一定深度的爆破孔和控制孔(用于抽放)

105、，二者交替布置。利用煤礦瓦斯抽排孔專用爆破藥柱裝藥。利用炸藥爆炸的能量、瓦斯壓力及抽放孔的導(dǎo)向和補(bǔ)償作用使煤體產(chǎn)生新的裂隙，并使原生裂隙得以擴(kuò)展，從而提高煤層透氣性，達(dá)到提高抽放效果的目的。和普通爆破相比：普通裝藥爆破后，炮孔壁上各個(gè)方向受到的作用力相同，在沖擊波作用下，孔壁上產(chǎn)生多條隨機(jī)裂隙。由于煤的抗壓強(qiáng)度較低，具有可壓縮性，孔壁在高溫高壓爆生氣體的作用下向外移動(dòng)，形成類似于擴(kuò)壺爆破的爆炸空腔，從而抑制了爆炸裂隙的向外擴(kuò)展，致裂效果

106、不理想。而深孔預(yù)裂控制爆破就是使鉆孔內(nèi)的炸藥爆破后在預(yù)定的幾個(gè)方向上形成應(yīng)力集中和能量集中，從而在這些方向產(chǎn)生較深的裂隙，并抑制其它方向的裂隙產(chǎn)生，爆破后不能形成較大的空腔，煤層中會(huì)形成許多裂隙，瓦斯通過這些裂隙被抽出。</p><p>　　2、深孔預(yù)裂控制爆破原理</p><p>　　透氣性較低的高瓦斯煤層，必須采用專門的措施來增加煤層的透氣性，才能有效地抽出瓦斯。國(guó)內(nèi)外試驗(yàn)地方法有：煤

107、層注水、水力壓裂、水力割縫、深孔爆破和酸液處理等。對(duì)于不同的瓦斯地層，各種方法的效果也不同，理論研究和試驗(yàn)都表明，采用爆破的方法可以增加瓦斯地層的透氣性，從而提高瓦斯抽放率，在爆破沖擊波和應(yīng)力波的直接作用下，裝藥周圍的煤體中將形成空腔區(qū)、壓碎區(qū)、裂隙區(qū)和震動(dòng)區(qū)。在壓碎區(qū)和裂隙區(qū)內(nèi)形成了輻射狀的徑向裂隙和環(huán)形狀的裂隙，一方面中斷或減弱了圍巖中徑向和切向應(yīng)力的傳遞，降低了圍巖的應(yīng)力，有利于瓦斯的解析，另一方面增加了炮孔附近煤體的透氣性，為游

108、離瓦斯的抽放創(chuàng)造條件。在震動(dòng)區(qū)內(nèi),雖然沒有形成可見的宏觀裂縫，但爆生氣體產(chǎn)生的準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)力場(chǎng)使煤體中原有的微觀孔隙(裂紋)發(fā)生了損傷，煤體儲(chǔ)存的彈性變形能部分得以恢復(fù)，應(yīng)力水平趨于下降，瓦斯變得易于抽放。從爆破的后期效應(yīng)看，炮孔附近煤體中水和瓦斯的排放及遷移進(jìn)一步降低了煤體的應(yīng)力水平，使得瓦斯的排放成為一個(gè)由近區(qū)到遠(yuǎn)區(qū)的連續(xù)過程。</p><p>　　深孔預(yù)裂控制爆破目的是為了增加煤體的裂隙和透氣性，降低煤體的瓦斯

109、壓力，使煤體的應(yīng)力得到重新分布，以減小抽放阻力，提高瓦斯抽放率和防止煤與瓦斯的突出。因此，不僅要求在相鄰孔間形成貫通裂縫，在炮孔其它方向也要產(chǎn)生盡可能多的裂隙，使煤體內(nèi)形成以炮孔為中心相互連通的裂隙網(wǎng)。此外，還應(yīng)考慮瓦斯壓力對(duì)產(chǎn)生爆破裂隙的影響，故深孔預(yù)裂控制爆破比普通預(yù)裂控制爆破在理論上更為復(fù)雜。</p><p>　　3、深孔控制預(yù)裂爆破裂隙區(qū)域形成過程</p><p>　　炸藥在孔內(nèi)爆

110、炸后，將產(chǎn)生應(yīng)力波和爆生氣體，在爆破近區(qū)產(chǎn)生壓縮粉碎區(qū)，形成爆炸空腔，煤體固體骨架發(fā)生變形破壞，在爆炸空腔壁上產(chǎn)生的長(zhǎng)度在炮孔半徑1～3倍范圍內(nèi)的介質(zhì)被強(qiáng)烈壓縮、粉碎，產(chǎn)生初始裂隙(不同于原生裂隙)。此外，空腔壁上原生裂隙將會(huì)擴(kuò)展、張開。在爆破中區(qū)，應(yīng)力波過后，爆生氣體產(chǎn)生準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)力場(chǎng)，并楔入空腔壁上已張開的裂隙中，與煤層中的高壓瓦斯氣體共同作用于裂隙面上，在裂隙尖端產(chǎn)生應(yīng)力集中，使裂隙進(jìn)一步擴(kuò)展，進(jìn)而在炮孔周圍形成徑向之字形交叉裂隙網(wǎng)