1、专题部分煤与瓦斯突出预防及控制技术摘要：根据煤矿煤与瓦斯突出的机理和突出的一般规律，提出预防和控制煤与瓦斯突出的技术措施，对保证煤矿正常的安全起到一定的参考作用。关键词：矿井瓦斯，瓦斯综合治理，先抽后采，发展战略0 引言 我国是世界上最大的产煤国,也是煤矿瓦斯灾害最严重的国家。2006年,全国煤矿产量23.25亿,t共发生2945起事故,死亡4746人,是1976年以来煤矿事故死亡人数最少的一年,且杜绝了百人以上的特别重大事故。但瓦斯事故仍然多发, 2006年,共发生瓦斯事故327起,死亡1319人,分别占煤矿事故和死亡人数11.1%和27.8%;发生3-9人较大瓦斯事故128起,死亡600人
2、,分别占54.0%和56.0%;发生10人以上重大瓦斯事故25起,死亡472人,分别占63.4%和64.1%。因此,瓦斯事故严重威胁煤矿安全开采,瓦斯治理已经成为制约我国煤矿健康发展的重大技术难题,做好瓦斯治理工作是落实科学发展观,建设和谐社会的重大政治任务。煤与瓦斯突出是一种强烈的动力现象，在极短的时间内大量的煤炭和瓦斯由煤体内喷出并伴有巨大的声响和强大的冲击作用，它们能使工作面或巷道充满瓦斯或二氧化碳，造成窒息事故；破坏矿井通风系统，造成风流紊乱或短时逆转；突出的岩石能堵塞巷道、破坏支架、设备和通风设施。因此，这种涌出的现象危害极大，严重影响着矿井的安全生产，作为煤矿生产与管理者必须引起足
3、够重视。文章从分析煤矿瓦斯突出的特性和控制瓦斯突出的技术措施。在突出防治领域,已经形成了一整套的从预测、措施、措施效果检验到安全防护措施的“四位一体”综合防突技术体系,配套有一系列的预测方法、防突技术措施及其装备,防突工作贯穿于从地质勘探、新井建设、生产矿井新水平、新采区开拓延深,到工作面掘进和回采整个矿井建设、开采过程,取得了较好的防突效果。但是,我国瓦斯综合治理距煤矿安全生产的要求还有相当大的差距,煤矿瓦斯事故多发的不利局面有待根本扭转。1 煤与瓦斯突出机理1.1 煤中瓦斯赋存煤是由植物的遗体变成的。在地质历史上，植物遗体在沼泽中微生物的作用下首先形成泥炭。由于地壳的运动，生成的泥炭层下降
4、，被泥沙所覆盖，随着覆盖层的加厚，泥炭层逐渐被压，在以温度和压力为主的物理化学作用下，泥炭变成褐煤。在温度和压力的进一步作用下，褐煤又通过煤化变质作用形成烟煤和无烟煤，在这一系列的变质过程中，煤体有机质分解产生甲烷(CH4)等气体。由于煤层是通过植物遗体沉积形成的沉积岩层，因此煤层均呈层状分布。简单的煤层中没有夹石，一般多为薄煤层。复杂的煤层中则可能含有一到数层夹石层。在煤层的上部和下部，是煤层的顶板和底板岩石。在煤层形成的过程中及形成后，地质构造运动不仅改变了煤层的原始产状，使煤层呈倾斜状态，而且引起了煤层厚度的变化。由于煤层本身强度较低，在构造应力的作用下，容易发生塑性流动，造成煤层局部加
5、厚、变薄、尖灭等现象。地质构造运动还使煤层产生褶曲，煤层增厚：在褶曲的翼部，煤层变薄、形成向斜和背斜构造。在褶曲的轴部，乃至尖灭。较大规模的褶曲引起的煤层加厚和变薄具有一定的方向性。垂直压应力的方向，沿褶曲走向呈带状延伸，煤层加厚与变薄相伴出现。有些煤田，伴随褶曲构造的变动，小型波状褶曲发育。煤层顶底板起伏不平，使煤层局部压薄或变厚。波状褶曲发育的地区，由于层间滑动的扭力作用，使煤层呈现串珠状或断续透镜体。含煤地层在经受地质构造运动作用时，由于煤、岩层的力学性质不同，在同一应力场中，往往出现不同的变形；煤层的顶、底板岩层产生脆性断裂，而煤层则发生塑性流动，造成煤层的局部增厚和变薄。如果在地质构
6、造应力的作用下，煤层受到挤压和搓揉，煤层层面会发生错动，也引起煤层结构发生变化。如果由这些构造运动引起的煤层结构变化发生在整个煤层，则整个煤层的强度降低，如果这些构造运动只影响煤层内的部分煤体，使部分煤体结构发生变化，则这一部分煤体称为软分层。在这些受构造运动影响的煤体中，煤层的原生结构遭到了破坏，常呈鳞片状、粉末状，并出现滑面和擦痕。这种破坏的煤结构往往与瓦斯突出有着密切的关系。在煤层形成的整个历史时期，如果煤层本身及顶底板岩层比较致密，煤层内的瓦斯难以泄漏，则煤层内将保留较多的瓦斯，具有较高的瓦斯压力。当工作面进入到这些煤体时，很容易产生煤与瓦斯突出。1.2 煤与瓦斯吸附1.2.1 煤对瓦
7、斯吸附的热动力学模型煤中瓦斯的赋存状态一般有吸附状态和游离状态两种。固体表面的吸附作用可以分为物理吸附和化学吸附两种类型，煤对瓦斯的吸附作用是物理吸附，在煤层赋存的瓦斯量中，通常吸附瓦斯量占80%90%，游离瓦斯量占10% 20%。在吸附瓦斯量中又以煤体表面吸着的瓦斯量占多数。煤体是一种多孔介质。通过压汞实验可以测得：在煤体内，孔隙半径在 40nm 以下的微孔占总孔隙体积的90%左右，所以煤体内部的表面积是很大的，有的甚至高达200m2/g 以上。这样巨大的表面积为煤体吸附某些气体创造了条件。在孔隙的内表面，煤体分子所受的力是不对称的，故在煤体孔隙的内表面上产生了剩余价力，这个剩余价力会使碰撞
8、到孔隙表面的某些气体分子被吸附。越容易液化的气体越容易被吸附，当煤体孔隙表面吸附了一层气体分子后，这种力场就达到了饱和。由于气体分子只有碰撞到尚未吸附气体分子的空白表面上才能够发生吸附作用，因此煤体孔隙表面上的吸附是单分子层的。根据兰格缪尔的单分子层理论可导出实际煤体的瓦斯吸附量计算式：式中： Xx煤体的吸附瓦斯含量，m3/t；to实验室测定煤的吸附常数时的试验温度t0；n系数， n = 0.02/(0.993+0.07p)；p煤层内瓦斯的压力，Mpa ；a煤体的吸附常数，表示单位质量煤体表面吸附瓦斯饱和时所吸附的瓦斯体积，m3/t；b煤体的吸附常数, Mpa-1；A,W分别为煤中的灰分和水分
9、，%。在煤体的孔隙空间还存着一部分游离瓦斯，游离瓦斯的含量可按气体状态方程来计算式中： Xy煤中的游离瓦斯含量，mall(标准状态下)；V单位重量煤体的孔隙容积，m3/t；T0,p0分别为标准状况下的绝对温度(273K)和压力；T瓦斯的绝对温度(K)，T=273+t，t为摄氏温度()；瓦斯的压缩系数。煤层内的瓦斯含量X等于吸附瓦斯含量加上游离瓦斯含量在煤层中，游离瓦斯和吸附瓦斯之间是相互转化的，游离瓦斯分子通过热运动碰上孔隙的内壁时，被煤分子俘获，就成为吸附瓦斯，而吸附瓦斯分子通过热运动可能挣脱煤分子的束缚进入孔隙空间就成为游离瓦斯。当瓦斯压力和温度恒定时，这种转化处于一种动态平衡状态。当外界
10、的瓦斯压力增大时，游离瓦斯转化为吸附瓦斯的量增多，因此上式中煤层的瓦斯含量是随瓦斯压力增大而增大的。反过来，当孔隙中游离瓦斯的压力降低时，大量的吸附瓦斯则转化为游离瓦斯，由于气体分子运动的特点，这种转化过程几乎是即刻进行的。由于煤体内的吸附孔隙很小，由孔隙中涌出的瓦斯通过各类裂隙渗流到煤体颗粒外部是需要一定时间的。当掘进工作中爆破揭露了新的含瓦斯煤体，使煤体破碎成许多煤块，煤块孔隙与外界相通的路径大大缩短，煤块周围压力下降，因此总有大量的瓦斯持续涌出。煤体吸附了瓦斯以后，在自由状态下会膨胀，体积变大，而且硬度要下降。这是由于煤体吸附了瓦斯以后，一部分瓦斯分子进入煤分子的内部各支链的两侧，形成吸
11、收状态，这些吸收状态的瓦斯分子起着一种“楔形体”的作用，使煤分子膨胀开来。这一过程具有可逆性，当外界瓦斯压力降低时，一些吸收状态的瓦斯也要释放出来，“楔形”作用减弱，这时煤体体积会缩小，硬度会增大。1.2.2 煤对瓦斯吸附机理长期以来人们应用力学的方法从宏观角度对矿井的煤与瓦斯突出机理做了大量研究，但由于问题本身的复杂性，致使没有根本解决。当前，绝大多数研究人员认为，突出是地应力瓦斯压力和煤体结构性能等三因素综合作用的结果，是聚集在围岩和煤体中的大量潜能，包括弹性能、瓦斯潜能的高速释放。但对应力、瓦斯压力为什么能引起煤与瓦斯突出没有进行深入研究。本文应用量子力学理论和量子化学的计算方法研究煤与
12、瓦斯突出机理，从而揭开煤与瓦斯突出发生的本质，为防治技术提供理论支持。煤矿井下的瓦斯主要来源于煤层和煤系地层中，在植物形成煤的过程中就有大量的瓦斯产生，它是成煤的煤化作用过程中伴生产物。成煤物质从沉积埋藏以后，在其煤化过程中生成大量的瓦斯，除有部分运移逸散掉之外，剩余部分保存在煤层中。因此，煤又是储存瓦斯的场所。地质条件不同，煤层中的瓦斯含量不同。煤是一个多孔介质，具有丰富的孔隙和比表面，能够吸附大量的瓦斯，因此，煤层是瓦斯的储气层。煤是个有机大分子，其化学结构是由多种化学键和官能团组成的立体空间结构。煤层中CH4是煤分子与甲烷分子以吸附形式存在的伴生体。煤中的有机大分子是以稠芳香环为骨架，通
13、过桥键和侧链高度交联的非晶质大分子空间网络。采用量子化学密度泛函（DFT）理论计算方法，在B3LYP/6-311G计算水平上，对构建的煤与CH4 分子吸附伴生分子体系结构进行优化，得到了分子构型参数(键长、键角及二面角)和振动频率。所有计算均由Gaussian03软件完成，煤分子化学基本结构单元的建立由Gauss View 软件完成。煤表面是由苯环与侧链组成，应用量子化学 Gaussian03 软件程序包，采用密度泛函在 B3LYP/6-311G 水平上计算得到煤分子与甲烷分子的物理吸附几何构型为：图2-1 煤吸附CH4 分子平衡几何构型在 B3LYP/6311G 基组水平上计算得到吸附体系吸
14、附前后各组分的能量。吸附前的甲烷分子的能量为-40.475524Hartee，煤表面的能量为-405.327012Hartee，甲烷分子与煤表面的苯环吸附后组成的吸附态的能量为-445.802365Hartee。吸附能的计算公式为：其中： Eads煤表面与甲烷分子的吸附达到平衡态的吸附能；EM煤表面发生吸附前的能量；ECH4甲烷分子发生吸附前的能量；ECH4/M甲烷分子吸附到煤表面后整个吸附体系的总能量。计算得到甲烷分子与煤表面组成的吸附态吸附能仅为0.45KJ/mol，由此可知，甲烷分子只要从环境中吸取 0.45KJ/mol 的能量就能轻易地从煤表面脱附。甲烷分子在煤表面苯环的吸附位置可用几
15、何平衡构型的键长、键角及二面角表示。应用量子化学Gaussian03 软件程序包，采用密度泛函理论在B3LYP/6-311G水平上计算得到煤分子与甲烷分子的物理吸附的键长、键角及二面角见表 2-1、2-2 和 2-3。表2-1 甲烷分子与煤表面吸附几何平衡构型键长表表2-2 甲烷分子与煤表面吸附几何平衡构型键长表表2-3 甲烷分子与煤表面吸附几何平衡构型键长表1.3 应力变化产生电磁波1.3.1 煤岩体破裂产生电磁波开采前的煤岩体未受扰动，应力处于静止平衡状态，此时的煤岩体应力称为原岩应力，或称地应力。当开掘巷道或进行回采时，破坏了原来的应力平衡状态，引起煤岩体内部的应力重新分布，并且最终形成
16、二次应力场。在二次应力场中，得到附加重力作用的区域，其应力可高于原岩应力数倍，称作支承压力区。处在构造应力区或支承压力区的井巷和采场围岩不可避免地发生特别强烈的变形和破坏。理论和实验研究证明煤岩体的变形和破裂能够产生电磁波。煤岩体破裂变形能够产生电磁和红外等效应，而煤岩体的变形破裂是应力变化引起的，可以说煤岩体的应力变化可以产生电磁波。随着微破裂的快速发展,应力值也在快速变化,在局部区域介质中与应力值成正比的压磁效应也发生突然变化。1.3.2 产生电磁波频率范围由于地震等引起应力变化的煤岩体破裂过程中，可以产生频率范围很宽的电磁波。朱元清等提出岩石破裂时的电磁辐射是由裂纹尖端带电粒子随裂纹扩展产生的假说，并根据电动力学理论对电磁辐射做了频谱分析，得出电磁辐
