（作者：王岩森　马立强　顾永功）

1瓦斯在煤层中存在形式及涌出规律

煤是一种复杂的孔隙性介质，有着十分发达的不同直径、形状的孔隙和裂隙，形成了庞大的自由空间和孔隙表面，煤层瓦斯以游离状态或吸附状态存在于煤层孔隙或裂隙内，如图1所示。游离状态瓦斯量的大小决定于存在空间的容积、煤层瓦斯压力和温度。吸附状态的瓦斯可分为吸着状态和吸收状态两种。吸着状态是在孔隙表面的固体分子吸力作用下，瓦斯分子被紧密地吸附于孔隙表面上，形成很薄的吸附层，吸收状态是气体分子紧密充满于几埃至十几埃的微细孔隙内。吸附状态瓦斯量的大小，决定于煤层的孔隙结构特性、吸附能力及瓦斯压力和温度。



图1 瓦斯在煤内存在状态示意图

1.1煤层内瓦斯存在形态的关系

煤层内瓦斯存在形态的游离状态和吸附状态。它们以动态平衡的关系存在于煤层内。游离状态的瓦斯分子在运动中碰撞煤层孔隙表面时，会因分子间吸力的作用被吸附到煤层孔隙表面上，这种现象叫吸附。吸附在煤层孔隙表面上的瓦斯分子能克服分子间的吸引力进入煤层孔隙空间成为游离状态，这种现象叫解吸。在一定条件下，当吸附速度与解吸速度相等时，达到动态平衡。

煤层吸附状态的瓦斯量跟煤层瓦斯压力、温度有关；跟煤层的孔隙特征，即煤层孔隙的大小及孔隙的表面积有关；跟煤层表面分子的吸附能力有关。游离状态的瓦斯量跟煤层瓦斯压力、温度有关；跟煤层孔隙的特征，即煤层粗孔隙的体积有关。根据有关资料统计的原始煤层内，吸附状态的瓦斯量约占煤层瓦斯含量的80～90％，游离状态的瓦斯量只占10～20％，但在断层、大的裂隙、孔洞和砂岩内，主要为游离瓦斯。

1.2煤层瓦斯涌出规律

煤层揭露时，煤层揭露面原始的瓦斯存在的平衡条件遭到破坏，煤层揭露面的瓦斯压力突然降到与揭露处空气的绝对压力相等。吸附在揭露面的瓦斯迅速释放到空气中去。同时靠近揭露面煤层内的游离状态瓦斯通过与外界沟通的煤层裂隙缓慢释放，煤层瓦斯压力逐渐降低，该处和瓦斯存在平衡也遭到破坏，吸附状态的瓦斯逐渐释放，同时深部的游离状态瓦斯通过孔隙不断进行补充，达到新的动态平衡。平衡后的瓦斯压力比原始煤层的瓦斯压力小；与深部煤层的瓦斯压力形成压差，又破坏深部的瓦斯存在平衡。这样逐步向煤层深部发展，形成不断变化的瓦斯压力梯度；同时释出的瓦斯流线不断增长，阻力不断变大，煤层瓦斯涌出速度与瓦斯释放阻力成正比。随着煤层揭露面的时间长，煤层瓦斯涌出量随时间大致按指数函数关系逐渐衰减，如图2所示。



原因有几方面：一是随时间延长，瓦斯压力梯度的坡度不断变小，释放出的瓦斯流过的线路不断变长，释放阻力不断变大；二是煤层孔隙空间内的压力减少，造成煤层压力重新分布，使煤层导通裂隙变小，增大释放瓦斯的阻力；三是吸附在煤层孔隙表面的瓦斯分子解吸速度降低。

1.3影响煤层瓦斯渗出速度的因素

煤层瓦斯涌出速度是指单位时间内煤层揭露面涌出瓦斯的含量，对煤层瓦斯涌出速度影响因素很多，关系也非常复杂，是多种因素作用的结果。

（1）煤层瓦斯含量。它是影响瓦斯涌出速度的最决定因素，煤层瓦斯含量越高，瓦斯涌出量就越大，瓦斯涌出速度也越快。

（2）煤层瓦斯压力。它对瓦斯涌出速度影响很大，在其它条件不变的情况，煤层瓦斯压力越大，在煤层中形成瓦斯压力梯度的坡度就越大，瓦斯涌出速度也越快。

（3）煤层瓦斯存在形式。煤层中游离状态的瓦斯能直接通过与煤层裂隙直接涌出，煤层中游状态的瓦斯含量越大，煤层瓦斯涌出速度越快。

（4）煤层孔隙结构特征。它主要从两方面影响煤层瓦斯的涌出，一是煤层粗大孔隙发育，煤层内游离状态的瓦斯含量有吸着状态瓦斯含量多，煤层瓦斯涌出速度快，二是煤层裂隙越发育，瓦斯涌出速度也越快。

（5）煤层孔隙表面对瓦斯的吸附能力。它主要对煤层瓦斯含量的影响比较大，也影响煤层瓦斯涌出速度。

（6）矿压显现。矿压显现对瓦斯涌出速度的影响是通过改变煤层的瓦斯压力、瓦斯存在形态及煤层孔隙特征而影响煤层瓦斯涌出速度。如图3。



2采空区瓦斯涌出规律

采区的瓦斯涌出规律受许多因素的影响，但工作面通风系统是决定采空区瓦斯涌出规律的主要因素。我国工作面使用最普遍、最广泛的通风系统是U型后退式。我们就以它来分析采空区瓦斯涌出规律。如图4所示。



1—实线是正常时瓦斯等浓度线；2—虚线是矿压显现瓦斯等浓度线

图4 采空区没有风流时的瓦斯分布图

图4是在采空区没有风流流动时的瓦斯分布图。这时瓦斯的运行规律主要有瓦斯分子扩散运行和瓦斯上浮动力决定的。可看出采空区的瓦斯分布规律是：一是越往采空区深部浓度越高；二是越往上部瓦斯浓度越高。

在采空区内有风流流动时，采空区内的瓦斯浓度规律发生了变化。如图5所示。



采空区可以根据风流影响范围（即：风流流线L＝0分界线）划分为两个区域。没有受风流影响的采空区的瓦斯分子以扩散运动为主，称为扩散区。在风流流线L以外到工作面切顶线范围内的采空区瓦斯分布受风流影响，以风流释稀作用为主，称为释稀区。为便于分析释稀区内的瓦斯浓度分布规律，把它分为若干个等流线区域，每个区域的瓦斯浓度分布状态为：其始端瓦斯浓度较低，该值几乎接近入风巷中的瓦斯浓度，在流经采空区深部过程中，一方面不断得到相邻高瓦斯区域的补给，另一方面又不断地向低瓦斯区域扩散瓦斯。两方面共同作用的结果，使上隅角瓦斯浓度高，下隅角瓦斯浓度低；采空区深部瓦斯浓度，流线出口处瓦斯浓度低的分布规律，如图6所示。



矿压显现对采空区的瓦斯分布影响主要有二方面：一是矿压显现后使采空区渐渐压实，瓦斯存在空间减少，采空区深部的高浓度瓦斯外移；二是矿压影响使顶底板裂隙增加，加速围岩、邻近煤层的瓦斯涌入采空区。在两方面的共同作用下形成如图4、5所示的虚线分布规律。

3回采工作面矿压显现规律及对采空区的瓦斯涌出的影响

3.1回采工作面矿压显现规律

回采工作面进入正常推进阶段后，矿压显现的主要特点是伴随着上覆岩的周期性运动而呈周期性变化，其变化的一般规律如图7所示。根据上覆岩层的运动特点可分两个阶段。



（1）缓慢变化阶段。该过程从上一次老顶运动结束，即图7—a所示状态开始，到工作面推进老顶岩层端部再次断裂前夕，如图7—c所示中虚线1为止。此时随工作面推进内应力场范围不断缩小。由于老顶周期运动已经结束，其作用力主要由铰接点的摩擦阻力的矸石的反力平衡。因此采空区的压力逐渐增大，采空区深部的矸石空隙不断压实，这阶段的顶板下沉量小，虽然采空区老顶也有缓慢下沉，不断把采把空区压实，减小采空区的间隙，造成采空区深部高浓度的瓦斯往外堆，但这阶段经历时间比较长，工作面的推进距离也长，新形成的采空区空间远大于被老顶压实的空间，这阶段采空区涌入工作面的瓦斯量变化不大。在此过程中，煤层的应力集中区离工作面煤壁较远，应力集中度较低，最大应力值较小，但随着工作面的不断推进，应力集中度加剧，最大应力缓慢增大，到接近老顶岩层断裂前夕，煤层瓦斯涌出量大幅度的增大。

（2）显著变化阶段。这个过程从老顶断裂前夕，即图7-c曲线1所示状态开始，至老顶岩层运动结束，即图7-d曲线2所示状态为止。此过程经历的时间短，老顶运动明显，煤层应力变化剧烈，应力分布迅速集中到老顶断裂处，且集中度达到最大；破坏煤体的完整性，紧接着应力迅速向煤层深部移动，此时煤层瓦斯涌出量大幅度增大。采空区的压力变化要滞后于煤层的压力变化2～4个小班，因为此时的老顶层虽断裂但仍处于稳定阶段。随着工作面继续往前推进2～4m后，失去平衡迅速下沉。工作面推进距离不长，而采空区被压实的范围大，采空区内的瓦斯大量涌出。

3.2矿压对回采工作面瓦斯涌出影响

从上面三方面的论述分析，矿压对回采工作面瓦斯涌出的影响主要是对煤层的瓦斯涌出变化和采空区也其涌出变化，是两方面的瓦斯变化曲线的迭加，如图8所示。



1—煤层瓦斯涌出曲线；2—采空区瓦斯涌出曲线；3—迭加曲线

图8 矿压影响瓦斯涌出含量曲线

4矿压对回采工作面瓦斯涌出影响规律的应用

从矿压对回采工作面的瓦斯涌出影响规律分析可知：一是煤层瓦斯涌出量的大幅度增大先于顶板周期来压，可用于预测预报工作面顶板周期来压；二是采空区的瓦斯涌出量的大幅度增加落后于周期来太，可用于预测预报采空区瓦斯涌出高峰期。

4.1在瓦斯管理方面的应用

（1）在选择工作面通风系统时，根据地质报告提供的瓦斯资料、顶底的围岩性质、煤层厚度及间距和开采规模，计算采空区和煤层的瓦斯涌出量，预测矿压显现时的瓦斯涌出量，再确定工作面的通风系统。以避免工作面瓦斯浓度超限。

（2）正常推进的工作面，利用它能提前预测瓦斯涌出的高峰期，做到超前防范。

4.2在顶板管理方面的应用

利用瓦斯监测系统。在工作面回风出口和距工作面回风出口50m左右处分别安装瓦斯监测探头，连续监测瓦斯浓度，根据两点的瓦斯涌出量差值的曲线变化预测预报工作面的周期来压。