毕节职业技术学院毕业设计(论文)
专业煤矿开采技术
班级10煤矿开采2班
学生姓名罗宪民
学号201003010247
课题矿井瓦斯防治
指导教师陈伟
2011年10 月1日
矿井瓦斯防治
系别工矿建筑系
专业煤矿开采技术
姓名罗宪民
学号201003010247
指导教师陈伟
摘要
本设计针对某矿煤层群条件下71主采煤层7124综采工作面，通过理论分析，进行了瓦斯综合抽放技术研究。首先分析了国内外煤矿安全生产现状、瓦斯赋存及流动规律、抽放方法、引起事故危险因素等进行了分析，为合理确定工作面瓦斯抽放方法提供了理论依据。在此基础上，集合工作面的瓦斯地质情况和瓦斯涌出情况，确定并设计了进行工作面瓦斯综合治理的顶板高位钻孔、采空区埋管2种瓦斯抽放方法。最后对煤矿的安全生产管理提出了综合的建议与措施。
关键词：瓦斯赋存状态、瓦斯抽放方法、高位顶板钻孔、采空区埋管
Abstract
The design for a mine under the conditions of coal seams 71, the main coal seam fully mechanized coal mining face 7124, through theoretical analysis, carried out an integrated drainage gas technology research. First analyzed the status of domestic and international coal mine safe production, gas storage and flow, drainage methods, such as the risk factors arising from the accident analysis, for a reasonable method to determine gas drainage face provides a theoretical basis. On this basis, the collection of the gas face gas emission of geological conditions and circumstances, to identify and design a comprehensive management of the gas face to the roof high drilling, pipe goaf two kinds of gas drainage methods. Finally, the safety of coal production and management of the recommendations put forward a comprehensive and measures.
[Key words]: gas occurrence, and gas drainage methods, high roof drilling, pipe goaf
目录
第一章国内外煤矿安全生产现状分析 (1)
1.1 我国煤矿安全生产现状分析 (1)
1.1.1 我国目前煤矿安全生产形势 (1)
1.1.2 我国煤矿生产存在的主要问题 (1)
1.2 煤矿安全生产体系建立健全的过程中所应采取的对策措施 (3)
1.3、国外煤矿安全生产现状分析 (4)
1.3.1 美国的煤矿安全生产现状分析 (5)
1.3.2澳大利亚的煤矿安全现状分析 (6)
第二章瓦斯赋存及流动规律 (8)
2.1 瓦斯在煤层中的流动机理 (8)
2.2 煤的吸附理论及煤层瓦斯含量 (8)
2.2.1 瓦斯赋存状态 (8)
2.2.2 煤的吸附性及其影响因素分析 (9)
2.3 煤层瓦斯流动理论研究 (10)
2.3.1 线性瓦斯流动理论 (10)
2.3.2 瓦斯扩散理论 (10)
2.3.3 瓦斯渗透—扩散理论 (13)
2.3.4 非线性瓦斯流动理论 (14)
2.3.5 地物场效应的煤层瓦斯流动理论 (14)
2.3.6 多煤层系统瓦斯越流理论 (14)
2.3.7 结论 (14)
第三章煤矿瓦斯抽放方法以及引起事故危险因素的分析 (16)
3.1 瓦斯抽放方法的分析 (16)
3.1.1 抽放瓦斯方法分类 (16)
3.1.2 开采煤层的瓦斯抽放分析 (16)
3.1.3 邻近层的瓦斯抽放分析 (18)
3.1.4 采空区的抽放 (19)
3.1.5 瓦斯抽放新方法研究 (19)
3.2 瓦斯燃烧或爆炸的分析 (23)
3.2.1 瓦斯燃烧与爆炸的感应期 (23)
3.2.2 瓦斯爆炸的类型 (23)
3.3 瓦斯突出分析 (24)
3.3.1 国内外煤与瓦斯突出情况 (25)
3.3.2 国外概况 (25)
3.3.4 瓦斯突出的特征 (26)
3.3.5 影响突出危险的形成的要素 (26)
第四章某矿矿井概况 (27)
4.1 某矿地质概况 (27)
4.2 建井涌出情况 (30)
4.2.1 瓦斯涌出情况 (30)
4.2.2 瓦斯突出情况 (31)
4.3 矿井通风及瓦斯抽放 (31)
4.3.1 矿井通风概况 (31)
4.3.2 矿井瓦斯抽放概况 (31)
4.4 7124综采工作面概况 (32)
第五章瓦斯抽放设计 (36)
5.1 瓦斯抽放的必要性 (36)
5.2 抽放方法选择 (36)
5.2.1 抽放瓦斯方法选择原则 (36)
5.2.2 某矿瓦斯抽放方法的选择 (37)
5.3 顶板高位钻孔抽放设计 (37)
5.3.1 高位钻孔瓦斯抽放技术原理： (37)
5.3.27124工作面高位钻场、钻孔布置 (38)
5.4 采空区埋管抽放设计 (40)
5.4.1采空区埋管布置 (40)
5.4.2 立孔抽放设计 (41)
5.5 瓦斯抽放工艺参数 (42)
5.5.1 抽放瓦斯管管径计算 (42)
5.5.2 瓦斯泵流量确定 (43)
5.5.3 移动瓦斯泵流量计算公式 (43)
5.5.4 移动抽放管路阻力计算 (44)
5.5.5 瓦斯泵选型： (44)
5.5.6 瓦斯泵站位置 (44)
5.5.7 瓦斯抽放参数监测 (44)
5.5.8 瓦斯抽放管路的附设装置 (45)
第六章安全措施及建议 (46)
6.1 安全管理措施及建议 (46)
6.2 钻孔施工安全技术措施 (46)
6.3 抽放系统管理措施及要求 (47)
6.4 煤与瓦斯突出防治系统 (48)
6.5 其他和煤矿安全有关的建议与措施 (49)
第七章结论与展望 (51)
7.1 全文总结 (51)
7.2 建议与展望 (51)
致谢 (53)
第一章国内外煤矿安全生产现状分析
1.1 我国煤矿安全生产现状分析
在我国的能源工业中，煤炭占我国一次能源生产和消费结构中的70％左右，预计到2050年还将占50％以上。因此，煤炭在相当长的时期内仍将是我国的主要能源。当前我国煤矿安全生产状况不容乐观，安全生产体系并不完善，特别是煤矿生产更是矿难频发，形势严峻，煤矿安全问题成为构建社会主义和谐社会的极大障碍，是政府在新的行政过程中亟待解决的问题。下面我将从我国煤矿生产现状出发，对煤矿生产存在的主要问题进行了简单的分析和论述；基于此，对我国煤矿安全生产体系建立健全的过程中所应采取的对策措施作了初步的思考和探寻。
1.1.1 我国目前煤矿安全生产形势
我国95％的煤矿开采是地下作业。煤矿事故占工矿企业一次死亡10人以上特大事故的72.8％至89.6％（2002－2005年）；煤矿企业一次死亡10人以上事故中，瓦斯事故占死亡人数的71％。煤矿所面临的重大灾害事故是相当严峻的，造成的损失是极其惨重的。
由于煤矿事故多，死亡人数多，造成了我国煤矿的百万吨死亡率一直居高不下。特别是煤矿重大及特大瓦斯（煤尘）灾害事故的频发，不但造成国家财产和公民生命的巨大损失，而且严重影响了我国的国际声誉。
实际上，这些瓦斯事故的发生不是偶然的，它是以往煤矿生产过程中存在问题的集中暴露，涉及许多方面。既有自然因素、科技投入和研究的不足，也有人为因素以及国家的体制、管理、经济政策，社会的传统观念，煤矿企业的文化素质等等。
1.1.2 我国煤矿生产存在的主要问题[1]
总体上来看，我国煤矿生产正走着一条高投入、高耗能、低产出、低回报的粗放型的经济增长道路，安全问题特别突出，经常发生矿难事故，国家安全生产监督管理总局近日称：近年我国平均每7.4天发生一起特大煤矿事故，远远高出世界平均水平。细致来看，主要存在以下几个问题：
1、我国煤矿分布地质情况恶劣，灾害类型多，是造成事故的客观因素。
我国煤矿绝大多数是井工矿井，地质条件复杂，灾害类型多，分布面广，在世界各主要产煤国家中开采条件最差、灾害最严重。
①地质条件。在国有重点煤矿中，地质构造复杂或极其复杂的煤矿占36%，地质构造简单的煤矿占23%。据调查，大中型煤矿平均开采深度456米，采深大于600米的矿井产量占28.5%。小煤矿平均采深196米，采深超过300米的矿井产量占14.5%。
②瓦斯灾害。国有重点煤矿中，高瓦斯矿井占21.0%；煤与瓦斯突出矿井占21.3%；低瓦斯矿井占57.7%。地方国有煤矿和乡镇煤矿中，高瓦斯和煤与瓦斯突出矿井占15%。随着开采深度的增加，瓦斯涌出量的增大，高瓦斯和煤与瓦斯突出矿井的比例还会增加。
③水害。我国煤矿水文地质条件较为复杂。国有重点煤矿中，水文地质条件属于复杂或极复杂的矿井占27%，属于简单的矿井占34%。地方国有煤矿和乡镇煤矿中，水文地质条件属于复杂或极复杂的矿井占8.5%。我国煤矿水害普遍存在，大中型煤矿有500多个工作面受水害威胁。在近2万处小煤矿中，有突水危险的矿井900多处，占总数的
4.6%。
④自然发火危害。我国具有自然发火危险的煤矿所占比例大、覆盖面广。大中型煤矿中，自然发火危险程度严重或较严重(Ⅰ、II、III、Ⅳ级)的煤矿占72.9%。国有重点煤矿中，具有自然发火危险的矿井占47.3%。小煤矿中，具有自然发火危险的矿井占85.3%。由于煤层自燃，我国每年损失煤炭资源2亿吨左右。
⑤煤尘灾害。我国煤矿具有煤尘爆炸危险的矿井普遍存在。全国煤矿中，具有煤尘爆炸危险的矿井占煤矿总数的60%以上，煤尘爆炸指数在45%以上的煤矿占16.3%。国有重点煤矿中具有煤尘爆炸危险性的煤矿占87.4%，其中具有强爆炸性的占60%以上。
⑥冲击地压。中国是世界上除德国、波兰以外煤矿冲击地压危害最严重的国家之一。大中型煤矿中具有冲击地压危险的煤矿47处,占5.16%。随着开采深度的增加，现有冲击地压矿井的冲击频率和强度在不断增加，还有少数无明显冲击地压的矿井也将逐渐显现出来。
2、煤矿生产的从业人员素质偏低
煤矿行业从业人员大多数是农民工，素质偏低，没有经过专业的生产技能培训和安全生产培训，大多也没有接受教高层次的教育，因而素质普遍偏低，安全生产意识薄弱，自救能力和自救意识不强，往往在生产过程中没有严格执行安全生产的相关规定，在发生突发事件后不知所措，不能有效的自救。
3、技术水平偏低
我国煤矿安全科研力量分散，产学研结合不紧密，人才流失严重，科研投入严重不足，研发基础设施落后，成果转化率低，安全基础理论、煤与瓦斯突出、瓦斯煤尘爆炸、
矿井突水机理及主要灾害预防与控制技术等研究滞后，企业自主创新能力弱，尚未形成完善的煤矿安全科技支撑体系。
4、煤矿安全投入不足。
煤矿企业长期投入不足，安全欠账严重。根据2005年专家对54户重点煤矿企业会诊分析，仅国有重点煤矿安全欠账就高达689亿元，一些矿井防灾系统不健全，设备陈旧老化，安全装备落后。地方国有煤矿和乡镇煤矿安全欠账问题更为突出，安全保障水平低，抵御事故灾害的能力差。
5、政府监督严重缺位
煤矿行业虽然已经实现了市场化，符合经济发展大潮，但是完全的市场调节具有很大的盲目性、自发性、滞后性等市场自身无法克服的弱点和缺陷，这就需要政府的宏观调控，而煤矿安全事故频发很大程度上都归咎于地方政府职能的严重缺位，也即是说，政府对煤矿行业的宏观调控的力度不够大，方法不够科学，绩效不够明显。造成这种现象的主要原因是：不少地方政府仍以GDP的增长与否作为行政成效的评价标准，很多地方官员把GDP作为追求的目标，把煤矿企业创造的GDP作为提升晋级的基石，甘愿充当煤矿企业的保护伞。对煤矿企业的生产状况，安全状况视而不见，听之任之。即使在事故发生以后，对遇难者家属的慰问和补偿似乎总是“迟来的爱”。所以说某些地方政府职能的缺位也是我国煤矿安全生产体系脆弱和安全事故频发的一个重要原因。
1.2 煤矿安全生产体系建立健全的过程中所应采取的对策措施
当前，尽管煤矿安全生产形势严峻，但也存在许多有利条件：有建国几十年来培养起来的技术队伍，有经过多次修订的煤矿安全规程和防治煤与瓦斯突出细则等规程规定，有专业化的煤矿安全研究机构和有关的大专院校；许多大的煤矿企业还有自己的瓦斯防治机构，应该说做到控制瓦斯事故的频发是完全可能实现的。我国具有多年来实现安全生产的淮南和平顶山煤业集团公司，这些企业的技术及管理经验，对我们搞好煤矿安全生产是十分可贵的。为了扭转当前煤矿安全生产的状况，建立健全煤矿安全生产体系建议主要采取如下对策和措施：
1、对生产经营和煤矿行业从业人员进行严格的安全知识培训和考核[2]。
应当加大力度，宣讲近年来的灾害事故的实例、经验和教训，以提高一线从业人员的素质和水平，提高他们对灾害事故的预见性和发生事故时的应对处理能力。因为，一线从业人员的安全生产意识和自身素质能力如何，直接关系着安全生产能否顺利进行；所以进行培训和考核是必要的。
由于大多数的煤矿从业人员没有专门的生产知识，没有接受高层次的教育，因而普遍缺乏安全生产技能，那么对这部分人进行安全生产技能的培训同样是必需的，使所有的从业人员只有基本上具备了安全生产知识和事故险情发生后逃生自救的能力，具备常规事故的处理能力和临危不乱、遇变不惊的心理承受能力，才能拥有从业资格，准予上岗，这对于解决煤矿安全生产问题和提高煤矿抵御事故能力是行之有效
2、加强科研工作力度，提高安全生产的技术水平，建立健全本质安全化的生产体系。
我国安全管理水平不断加强，煤炭开采技术水平不断提高，但是，煤矿重大瓦斯事故仍然时有发生。产生这些事故的直接原因是我国煤层瓦斯富集条件的复杂性，原有安全技术及理论基础已难以适应当前煤矿安全高效生产的迫切需求。因此，应当进一步加强科研工作力度，特别是应当针对当前开采条件进行研究，以便为建立本质安全化的生产系统奠定基础。对高瓦斯和瓦斯突出矿井应当制订特殊政策，采取特殊措施，以利于健康发展[3]。
3、加强安全监督检查。
事实上，只要管理者措施得力，监督得法，大多数的矿难是可以避免的或者说大多数矿难的损失是可以控制和被最小化的，因此有关部门的监督是至关重要的。“煤矿资源的不可再生性、煤炭工业的重要性和煤矿生产劳动的极度危险性，都要求有关部门在可持续煤炭发展中发挥重要作用，承担起义不容辞的公共责任。”
有关部门要积极推进“科技含量高，经济效益好，资源消耗低，环境污染少，人力资源优势得到充分发挥的新型工业化道路”的进程，加快建立社会主义和谐社会，鼓励吸收社会资本入股以充实大煤矿集团实力，增强我国煤矿行业的核心竞争力，并鼓励大煤矿集团大煤矿企业参与国际竞争，有关对大企业大集团走向世界提供必要的政治、外交支持，通过外交谈判、政治对话等方式争取更广阔的生产基地和新的矿源，政府要适当提高煤矿行业的门槛，不具备安全生产条件的个人和企业不让进入，对安全措施不完善的企业要责令整改，对不具备安全生产能力的企业要坚决取缔，对个别企业胡干乱干的行为要坚决纠正，对违反安全生产法规条令的行为要坚决制止、严厉打击。并且不定时地组织进行抽样调查，对企业的安全设施进行认真检查和评估，并监督和鼓励企业更新生产设备、提高煤矿的安全生产能力。
1.3、国外煤矿安全生产现状分析
由于世界各国的煤矿分布情况的不同，煤矿安全生产的技术水平、机械化水平、安
全生产的法规各不相同，所以也造成了各国的的煤矿安全生产现状各不相同。下面着重介绍美国和澳大利亚的煤矿安全生产现状。
1.3.1 美国的煤矿安全生产现状分析
年度非煤矿山煤矿合计
1990 56 66 122
1991 53 61 114
1992 43 55 98
1993 51 47 98
1994 40 45 85
1995 53 47 100
1996 47 39 86
1997 61 30 91
1998 51 29 80
1999 55 35 90
2000 47 38 85
2001 30 42 72
2002 40 27 67
图1-1 1990年～2002年美国煤矿及非煤矿山生产事故死亡人数上表为1990年～2002年美国煤矿及非煤矿山生产事故死亡人数作为世界主要产煤大国之一，美国也曾经历过安全状况恶化、伤亡事故严重的年代。20世纪前30年，美国煤矿每年平均事故死亡2000多人；进入20世纪90年代后，伤亡人数才迅速减少；1990年死亡66人；2000年死亡40人。最近20多年来煤矿安全状况得到明显改善；近年来，每年由各种原因导致的死亡人数只有40人左右。从国际上公认的安全生产指标百万吨死亡率来看，美国的这一指标已下降到0.035左右。
近百年来的美国煤矿业，经历了从事故多发到加强立法和监管、提高煤炭业的市场配置化程度，最终安全状况明显改善而生产效率仍然稳步提升的过程。
那么美国通过了哪些措施来改善了煤矿的安全生产呢？
⑴立法为先
美国煤矿业也是经历了一个从事故多发到加强立法和管理、最终进入安全生产时期的过程。美国煤矿生产事故多发期是在生产技术和管理都比较落后的19世纪后期和20世纪初期。当时，美国每年有数千人死于煤矿事故。最严重的是1907年，死亡总人数
达3242人。严重的煤矿事故频频发生促使美国国会和政府采取坚决措施加强安全管理。围绕煤矿生产美国先后制定了10多部法律，安全标准越来越高。其中最重要的是1977年制定的联邦矿业安全和健康法，对所有矿业生产进行了全面和严格的规定。原来的矿业局改为矿山安全和卫生署，转由劳工部管辖。这一法律的出台标志着美国煤矿业生产从此走上事故低发率的新阶段：到20世纪70年代，死亡人数下降到千人以下；1990年-2000年，美国共生产商品煤104亿吨，仅死亡492人，平均百万吨死亡率为0.0473；在安全状况最好的1998年，共产商品煤10.18亿吨，仅死亡29人，百万吨死亡率为0.028；1993年-2000年的八年间，整个煤炭行业没有发生过一起死亡三人以上的事故。
在美国，国家资源委员会负责控制煤炭资源的使用，内政部土地管理局负责煤炭资源的租借。美国资源管理实施办法规定，对联邦公有土地煤炭资源实施租借方式，对煤炭资源已勘探清楚并进行了资源评价的矿区，采用招标方式确定开采者；对煤炭资源尚未探明及未进行资源评价的矿区，实行勘探和开采优先的办法。
此外，美国对煤炭资源价格的确定是在资源评估的基础上进行的，主要内容包括煤炭资源储量、煤质、最大的经济回收率、煤炭开采难易程度和开采成本，以及地产价值、银行利率等。
⑵安监机构的独立性且执法非常严格
美国政府一直强调煤矿安全监察管理机构的独立性。有关法律规定，煤矿安全监察员与煤矿无任何隶属关系，他们必须具备煤矿和现场工程师的资格，每年到安全培训学院轮训一周。各地的联邦安全检查员，每两年也必须轮换对调。任何煤矿发生三人以上的死亡事故，当地的联邦及州政府安全监察员不得参与该事故的调查与处理，而须由联邦从外地调派安全监察员进行事故调查。
同时，美国煤矿安全部门执法非常严格，矿主也遵守法律，严格按照安全操作规程办事，从而确保了煤矿生产安全。美国煤矿安全部门对唯利是图、违反规定生产的矿主惩罚严厉。针对不会导致重大人员伤亡的一般性违反规定行为，政府督察员每次每项罚款可达5．5万美元。曾经违反规定并承诺改正、但不守信用的矿主则将被加重处罚。
从对美国的煤矿安全生产现状的分析，我国也应该加强立法，加大执法力度等来减少煤矿生产的死亡人数。
1.3.2澳大利亚的煤矿安全现状分析
澳大利亚的矿山生产死亡人数很低，保持在20人左右，且工伤次数呈逐年减少的趋势，这跟该国对矿山救护车的研究有很大的关系。研究该车的目的是改善井下矿工的
自救能力。该救护车应能在特别严酷的情况下进行工作，包括在含氧少和高浓度瓦斯环境下进行工作，此车内应有瓦斯监控和检测设备及紧急通讯设施。下表为澳大利亚1991年—2001年矿山死亡人数及伤害次数：
财政年度死亡人数工伤次数
1991—1992 25 7200
1992—1993 22 5800
1993—1994 22 5200
1994—1995 31 5000
1995—1996 12 4200
1996—1997 27 4100
1997—1998 19 3300
1998—1999 12 2800
1999—2000 19 2200
2000—2001 14 2050
图1-2 澳大利亚1991年—2001年矿山死亡人数及伤害次数
由上面对澳大利亚煤矿安全生产现状的介绍，我们了解到提高煤矿生产的技术水平也是有效控制煤矿生产死亡人数及伤害次数的一个非常有效的措施。
第二章瓦斯赋存及流动规律
2.1 瓦斯在煤层中的流动机理
瓦斯在煤层中的流动是一个十分复杂的运移过程，主要取决于煤层介质的孔隙结构和瓦斯在煤层中的赋存状态。煤是一种多孔的微裂隙发育的介质，微裂隙间含有孔隙和大部分与微裂隙相连的毛细管通路，而孔隙和毛细管通路的数目是变化的，它们之间或多或少互有联系，其直径由几m
，变化到几mm不等。
瓦斯在煤层中主要是以吸附和游离状态赋存在煤体中的，其中呈游离状态压缩在微裂隙和大孔隙中的较少，大部分为吸附在煤体中。根据煤体中的孔隙分布和煤层中的联系系统以及周世宁教授的研究表明：瓦斯在煤层中的流动主要是层流渗透运动和扩散运动，其中前者基本上服从Darcy渗透定律，且主要发生在煤体大孔和微裂隙中；后者则基本上服从Fick扩散定律，且主要发生在煤体微孔隙之中。因此，瓦斯在煤体中的运动可以认为是一个扩散渗透的过程。
2.2 煤的吸附理论及煤层瓦斯含量
2.2.1 瓦斯赋存状态
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2种类型，煤对瓦斯的吸附作用是物理吸附，是瓦斯分子和碳分子间相互吸引的结果，如图2-1所示。在被吸附的瓦斯中，通常以将进入煤体内部的瓦斯称为吸收瓦斯，把附着在煤体表面的瓦斯称为吸着瓦斯，吸收瓦斯和吸着瓦斯统称为吸附瓦斯。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。
在煤体中，吸附瓦斯和游离瓦斯在外界条件不变的条件下处于动态平衡状态，吸附状态的瓦斯分子和游离状态的瓦斯分子处于不断的交换之中；当外界的瓦斯压力或温度发生变化或给予冲击和振荡、影响了分子的能量时，则会破坏其动态平衡，而产生新的平衡状态[4]。
煤是一种多孔介质，煤体吸附瓦斯是煤的一种自然属性，煤体表面吸附瓦斯量的多少，与煤体表面积的大小密切相关，而煤体表面积的大小则和煤体孔隙特征有关。因此，煤体孔隙特征对吸附瓦斯有重要的作用。
1-游离瓦斯；2-吸附瓦斯；3-吸收瓦斯；4-煤体；5-煤中孔隙
图2-1 煤体中瓦斯的赋存状态
2.2.2 煤的吸附性及其影响因素分析
煤之所以具有吸附性是由于煤结构中分子的不均匀分布和分子作用力的不同所致，这种吸附性的大小主要取决于3个方面的因素，即：一是煤结构、煤的有机组成和煤的变质程度；二是被吸附物质的性质；三是煤体吸附的环境条件。由于煤对瓦斯的吸附是一种可逆现象，吸附瓦斯所处的环境条件就显得尤为重要。煤中吸附瓦斯量的大小主要取决于煤化变质程度、煤中水分、瓦斯性质、瓦斯压力以及吸附平衡温度等。
(1)瓦斯压力。实验研究表明：在给定的温度下，吸附瓦斯量与瓦斯压力的关系呈双曲线变化，如图2-2所示，从图中可以看出：随着瓦斯压力的升高煤体吸附瓦斯量增大；当瓦斯压力大于3.0MPa 时，吸附的瓦斯量将趋于定值。
(2)吸附温度。目前的实验研究表明：温度每升高1C 0，煤吸附瓦斯的能力将降低约8%。其原因主要是：温度的升高，使瓦斯分子活性增大，故而不易被煤体所吸附；同时，已被吸附的瓦斯分子又易获得动能，会产生脱附现象，使吸附瓦斯量降低。
(3)瓦斯性质。对于指定的煤，在给定的温度与瓦斯压力条件下，煤对二氧化碳的吸附量比甲烷的吸附量高，而对甲烷的吸附量又大于对氮气的吸附量。
图2-2吸附瓦斯量与瓦斯压力关系图
(4)煤的变质程度。煤的瓦斯生成量及煤的比表面积和煤的变质程度有关。一般情况下，从中等变质程度的烟煤到无烟煤，相应的吸附量呈快速增加状态。
(5)煤中水分。水分的增加会使煤的吸附能力降低。目前可以采用俄罗斯煤化学家艾琴格尔的经验公式[8]来确定煤的天然水分对甲烷吸附量的影响。
1 2 3 4
5 无烟煤(挥发分5%) CO 226℃
CO 244℃
CH 426℃
CH 444 ℃
N 226℃
2.3 煤层瓦斯流动理论研究
煤层瓦斯流动理论是专门研究煤层内瓦斯压力分布及瓦斯流动变化规律的理论,根据应用范围和使用条件的不同,煤层瓦斯流动理论有以下几种。
2.3.1 线性瓦斯流动理论
线性瓦斯渗流理论认为，煤层内瓦斯运移基本符合线性渗透定律—达西定律
(Dracy’s law) ，1856年,法国水力学家Darcy 通过实验总结出了著名的Darcy 定律：
dx
dp dx dp K
v λμ-=?-= （1） 式中： v ———流速，m/s ；
μ———瓦斯动力粘度系数，Pa·s ；
K ———煤层的渗透率，m 2；
dx ———和流体流动方向一致的极小长度，m ；
dp ———在d x 长度内的压差，Pa ；
λ———煤层透气系数，m 2/(MPa 2·d) 。
Darcy 定律是在常温和常压条件下，各向同性砂柱中的一维流动过程实验得到的结果。在直角坐标系中，若以v x , v y , v z 表示三个坐标方向上的渗流速度分量，就得到三维流动下的Darcy 定律：
z
p v y p v x p v z y x ??-=??-=??-=λλλ,, （2） Darcy 定律有一定的适用范围，超出这个范围就不再符合Darcy 定律了。雷诺数Re 是个无量纲的数，用来表示作用在流体上的惯性力和粘滞力之比，它是判别层流和紊流的准则。同样，多孔介质流体的雷诺数Re 为：
γ
vd R e = （3） 式中：d ———孔隙骨架的代表性长度，m ；
v ———流体的渗流速度，m/s ；
γ———流体的运动粘滞系数，m 2/s 。
经验表明,当Re 在1～10 之间时,属低雷诺数区,粘滞力占优势,流体的运动符合Darcy 定律[5]。
2.3.2 瓦斯扩散理论
煤是一种典型的多孔介质，根据气体在多孔介质中的扩散机理的研究，可以用表示孔隙直径和分子运动平均自由程相对大小的诺森数
λd Kn = (4)
式中：d ———孔隙平均直径，m ；
λ———气体分子的平均自由程，m 。
将扩散分为一般的菲克( Fick) 型扩散、诺森(Knudsen) 型扩散和过渡型扩散。Kn ≥10 时，孔隙直径远大于瓦斯气体分子的平均自由程，这时瓦斯气体分子的碰撞主要发生在自由瓦斯气体分子之间，而分子和毛细管壁的碰撞机会相对较少,此类扩散仍然遵循菲克定理，称为菲克型扩散。当Kn ≤0. 1 时,分子的平均自由程大于孔隙直径，此时瓦斯气体分子和孔隙壁之间的碰撞占主导地位，而分子之间的碰撞退居次要地位，此类扩散不再遵循菲克扩散，而为诺森扩散。当0. 1 < Kn < 10 时，孔隙直径与瓦斯气体分子的平均自由程相似，分子之间的碰撞和分子与面的碰撞同样重要，因此此时的扩散是介于菲克型扩散与诺森扩散之间的过渡型扩散。
由于多孔特性及其大分子结构，煤是一种良好的吸附剂，当瓦斯气体分子被强烈地吸附于煤的固体表面时，就产生表面扩散。对吸附性极强的煤来说，表面扩散占有很大比重。当孔隙直径与瓦斯气体分子尺寸相差不大，压力足够大时，瓦斯气体分子就会进入微孔隙中以固溶体存在，发生晶体扩散，在煤体扩散中一般比较小。
1、菲克型扩散
当Kn ≥10 时，由于孔隙直径远大于瓦斯气体分子的平均自由程，因此扩散是由于瓦斯气体分子之间的无规则运动引起的，可以用菲克扩散定律去描述，即
X
C D J f ??-= （5） 式中： J ———瓦斯气体通过单位面积的扩散速度，kgP(s·m2 ) ；
X
C ??———沿扩散方向的浓度梯度；
D f ———菲克扩散系数，m 2/s ；
C ———瓦斯气体的浓度，kg/m 2 。
等式中由于扩散是沿着浓度减少的方向进行的，而扩散系数总是正的，故式中要加一个负号。由于孔道是弯曲的各种形状，同时又是相互连通的通道，所以扩散路径因孔隙通道的曲折而增长，孔截面收缩可使扩散流动阻力增大，从而使实际的扩散通量减少。考虑以上因素，瓦斯气体分子在煤层内有效扩散系数可定义为：
τθf fe D D = （6）
式中：D fe ———瓦斯气体在煤层内的有效Fick 扩散系数，m 2/s ；
θ———有效表面孔隙率；
τ———曲折因子，为修正扩散路径变化而引入的。
对于给定状态的某种瓦斯气体来讲，菲克型扩散的扩散系数大小取决于煤本身的孔隙结构特征。
2、诺森型扩散
当Kn ≤0. 1 时,瓦斯气体在煤层中的扩散属于诺森型扩散，根据分子运动论，在半径为r 的孔隙内，由于壁面的散射而引起的瓦斯分子扩散系数为：
M
RT r D k π832= （7） 式中：D k ———诺森扩散系数；
r ———孔隙平均半径，m ；
R ———普适气体常数；
T ———绝对温度，K ；
M ———瓦斯气体分子量。
若考虑有效表面孔隙率、曲折因子半径变化等因素,则有效扩散系数为：
M
RT s M RT s D D k ke πρτθπρθτθ
2388342=-== （8） 式中：s ———煤粒的比表面积，m 2/kg ；
ρ———煤密度，kg/m 3 。
从上式中可以看出,诺森扩散系数与煤的结构和煤层的温度等有关。
3、过渡型扩散
当0. 1 < Kn < 10 时,孔隙直径与瓦斯气体分子的平均自由程相近，分子之间的碰撞和分子与壁面的碰撞同样重要，扩散过程受两种扩散机理的制约，在恒压下其有效扩散系数与菲克扩散和诺森扩散系数的关系为：
ke
fe pe D D D 111+= （9）
4、表面扩散
对于凸凹不平的煤粒表面，具有表面势阱强度即表面能量Ea ，当瓦斯气体分子的能
量等于表面能ΔEa 时，气体分子在煤表面形成表面扩散，见图2-3。
图2-3 瓦斯气体在煤表面上的表面扩散
表面扩散经常同普通的菲克型扩散在煤层较大孔隙中同时进行，使扩散的总通量增大；另一种情况是当瓦斯气体被煤表面强烈吸附时，吸附层增厚使得瓦斯气体扩散通量减少。
5、晶体扩散
煤晶体内的扩散阻力较大，扩散通量较小。由煤大分子结构可知，煤是由周边联结有多种原子基团的缩聚芳香稠环、氢化芳香稠环通过各种桥键和交联键合边联结而成，在其中含有各种缺陷、位错或空位。当瓦斯气体压力较低时，不易进入到芳香层之间或碳分子之间；而当瓦斯压力较高时，瓦斯气体分子则可能进入芳香层缺陷或煤物质大分子之间，发生晶体扩散。当孔隙半径与瓦斯气体分子大小相差不大，且压力足够大时，瓦斯气体分子可以进入到煤微孔隙中以固溶体(取代式固溶体、填隙式固溶体) 形式存在，且不易脱附。晶体扩散通量与瓦斯气体分子的化学位梯度成比例，即：
x
C c p BRT x u BC J ?????-=??-=ln ln （10） 化学位可用瓦斯气体的活度a 或分压p 代替，由Darken 关系式：
C
p C D C a C D C D ln ln )(ln ln )()(00??=??== （11） 式中：B ———迁移率；
D ———自扩散系数，即由于瓦斯气体与煤的物理化学性质相似性,瓦斯在煤
体中的扩散系数。
由于瓦斯气体在煤层中以固溶体形式赋存的量较少，一般在晶体的芳香层缺陷内的瓦斯量为1 %～5 % ，在芳香碳晶体内瓦斯量为5 %～12 %，所以只有当瓦斯压力很高时，扩散才会较为明显[6]。
2.3.3 瓦斯渗透—扩散理论
瓦斯渗透与扩散理论认为，煤层内瓦斯运动是包含了渗透和扩散的混合流动过程。