矿井瓦斯的生成与赋存机理

据统计，矿井瓦斯灾害为河南煤矿主要灾害之首。为了对其防治应首先了解和掌握矿井瓦斯的一些基本知识，特别是生成，赋存和瓦斯爆炸条件。

一、矿井瓦斯概念及性质

（一）瓦斯概念：矿井瓦斯是指在煤炭开采过程中，从煤岩层中涌出的以甲烷为主的各种有毒有害气体的统称，在地质学上称为煤层气。矿井瓦斯是各种气体的混合物，其成分是很复杂的，它含有甲烷、一氧化碳、二氧化碳、氮气和数量不等的重烃，以及微量的稀有气体等，但主要成分是甲烷，因此，通常所说的矿井瓦斯就是指甲烷，如某矿煤层瓦斯成分分析数据如表3－1。

表3－1

（二）瓦斯性质：

瓦斯是一种无色、无味、无嗅的气体，在温度为0℃大气压力为101325Pd的标准状态下，瓦斯的密度为0.7168kg／m3，比空气轻相对密度为0.554，瓦斯扩散性很强，扩散速度为空气的1.34倍，会很快在空气中扩散，由于瓦斯较空气轻而上浮，故常积聚在巷道顶部，顶板垮落的空洞及无风的巷道内。

瓦斯的化学性质不活泼，微溶于水，在20℃，101.325kpa的条件下，溶解度为3.5L／100L水。

瓦斯本身无毒，但不能供人呼吸，当空气中瓦斯浓度增高而使氧气含量降低到9%以下时，人会由于缺氧而昏迷甚至窒息死亡。瓦斯不自燃，但与空气混合达到一定浓度后，遇到高温火源时可爆炸或燃烧。

二、矿井瓦斯的生成

矿井瓦斯是成煤过程中的一种伴生产物。在成煤过程中，瓦斯的生成大致经历了两个阶段：从植物遗体到形成泥炭的生物化学作用阶段；从褐煤、烟煤到无烟煤的炭化变质作用阶段。

（一）生物化学作用阶段

古代植物遗体在形成泥炭的生物化学作用过程中，在厌氧菌的作用下，植物遗体的纤维质被发酵、分解逐渐生成腐殖酸和沥青质，同时生成瓦斯和二氧化碳。

在泥炭时期，泥炭的埋深一般较浅，其上覆盖层的胶质固化也不稳固，生成的瓦斯能够比较顺利地扩散到大气中去，或者溶于水中然后被水带到地表。因此，生物化学作用阶段生成的瓦斯，基本都已逸散到大气之中，一般不会保留在煤层内。

（二）炭化变质作用阶段

随着泥炭层的下降及其上覆盖层厚度的增加，压力和温度随之增高，厌氧菌的生存环境恶化，生物化学活动逐渐弱化直至停止。在高温、高压的作用下，泥炭化的木质素和纤维素便转化成为褐煤而进入炭化变质阶段。随着褐煤层的进一步沉降，压力与温度的影响随之加剧，炭化变质作用增强，褐煤逐渐转变成烟煤、无烟煤。在整个炭化变质过程中，煤的挥发分逐渐减少（其中部分变为瓦斯）而固定碳逐渐增加，同时伴随着大量瓦斯生成，且煤的变质程度越高，生成的瓦斯量越多。但在长期的地质年代里，由于地层变动造成的断裂和裂隙，大部分瓦斯都逸散到大气中去，只有一小部分被保存在煤层和围岩之中。

根据成煤造气试验模式的化学反应式计算，烟煤生成过程中伴随生成的瓦斯量为1200m3／t，在由长焰煤变质为无烟煤过程中伴随生成的瓦斯量为240m3／t。计算出各个煤化阶段煤生成的瓦斯量如图3－1所示（由于泥炭向褐煤过渡时生成的瓦斯很容易流失，因此在估算煤层生成瓦斯量时一般都取褐煤为计算起点）。但实际上，煤与瓦斯生成的过程要远比实验室和一些假说而进行的理论计算复杂得多。所以，以上资料仅可作为估算煤层生气能力的参考。

图3－1　各炭化阶段煤的瓦斯生成量

三、煤层瓦斯的赋存状态

瓦斯之所以能够存在于煤层之中，主要是与煤的结构状态有密切的关系。煤是一种复杂的孔隙性介质，有着十分发达的、大小不同的孔隙和裂隙，具有巨大的自由空间和孔隙内表面积。因此，成煤过程中生成的瓦斯能以不同状态存在于这些裂隙和孔隙之内。

瓦斯通常以游离和吸附两种状态存在于煤体之中。

（一）游离状态（自由状态）

游离状态是指瓦斯以完全自由的气体状态存在于煤体或围岩的大裂隙、孔隙或孔洞之中，如图3－2中1所示。游离瓦斯可以自由运动或从煤（岩）层的裂隙中散放出来，由于瓦斯分子的热运动，因此表现出一定的压力。煤体内游离瓦斯的多少取决于储存空间容积、瓦斯压力及围岩温度等因素。

（二）吸附状态（结合状态）

吸附状态又可分为吸着和吸收两种状态。

1.吸着状态。由于气体（瓦斯）分子与固体（煤）分子间的引力作用（这种作用力的距离很短，仅为5×10－10～10×10－10 m），瓦斯分子被吸着在煤体孔隙的内表面（煤体具有丰富的微小孔隙，其内表面积每克煤可达150～200m2）上，形成一层很薄的膜状附着层，如图3－2中2所示。

2.吸收状态是瓦斯分子进入煤体胶粒结构内部与煤分子结合而呈现的一种状态，类似于气体溶解于液体的现象，如图3－2中3所示。

吸附状态存在的瓦斯量的多少，取决于煤对瓦斯的吸附能力，即煤的结构特点、孔隙率、炭化程度等，同时与外界压力、温度也有很大关系。

图3－2　瓦斯在煤内的存在状态

1－游离瓦斯；2－吸着瓦斯；3－吸收瓦斯

游离状态和吸附状态的瓦斯并不是不变的，而是处于不断交换的动平衡状态，当条件发生变化时，这一平衡就会遭到破坏。在压力降低、温度升高或煤体结构遭到破坏时，部分吸附状态的瓦斯就会转化为游离状态，这种现象叫解吸；反之，当压力增大或温度降低时，部分游离状态的瓦斯也会转化为吸附状态，这种现象叫吸附。

目前矿井开采条件下煤层中的瓦斯主要是以吸附状态存在着，吸附状态的瓦斯为80%～90%，而游离状态的瓦斯为10%～20%。

四、煤的孔隙度（孔隙率）

煤体内赋存瓦斯量的多少与煤的孔隙容积有着密切关系。煤体的孔隙可以分为微孔（孔径小于0.01μm）、小孔（孔径0.01～0.1μm）、中孔（孔径0.1～1μm）、大孔（孔径1～100μm）和可见孔（孔径大于100μm的裂隙）。瓦斯分子的直径为4.14×10－10m，较微孔的孔径小得多，因此在孔隙表面吸附着大量瓦斯（1g煤能吸附7～8cm3的瓦斯）。吸附状态的瓦斯大多存在于微孔之内，而游离状态的瓦斯则存在于较大的孔隙之中。

煤的孔隙容积（孔隙度m3／t）的大小与煤的炭化程度有关。从图3－3中可以看出，煤的微孔容积（m3／t）随着煤的炭化程度的增高（从长焰煤到无烟煤）而增大。但煤的总孔隙容积（空隙度）却随着炭化程度的增高，由长焰煤到焦煤和瘦煤的总孔隙容积在减小，而由焦煤和瘦煤到无烟煤的过程中，其总孔隙容积又重新增大。

图3－3　煤的孔隙度随炭程度变化曲线

在计算瓦斯含量和衡量煤层瓦斯抽放难易程度时，要应用煤的孔隙率这一参数。不同煤质与孔隙率的关系见表3－2。

表3－2　不同煤质与孔隙率的关系

五、煤层瓦斯压力

（一）瓦斯压力及其意义

瓦斯压力是指瓦斯在煤层中所呈现的气体压力，它是通过煤层孔隙和裂隙中游离瓦斯的自由热运动对孔隙和裂隙的空间壁面所产生的作用力而体现出来的。

瓦斯压力是衡量煤层瓦斯含量大小的一个重要标志。一般说来，瓦斯压力愈高，则煤层瓦斯含量愈大；同时，瓦斯压力也是防治煤与瓦斯突出的重要依据之一。在发生瓦斯喷出和煤与瓦斯突出动力现象的整个过程中，瓦斯压力起着至关重要的作用。故此，《煤矿安全规程》（以下简称《规程》）第二百零三条规定，有突出危险的新建矿井或突出矿井开拓新水平第一次揭穿（开）各煤层时，必须测定煤层瓦斯压力。另外，瓦斯压力也是瓦斯气体在煤层中流动的一种动力，因此，它还是瓦斯抽放设计时的一个重要参数。

（二）瓦斯压力变化一般规律

1.不同煤田的煤层，由于赋存条件和地质构造的不同，在同一垂深的瓦斯压力有很大差异，而同一煤层的瓦斯压力也随煤层埋藏深度的增加而增大，反映了煤层瓦斯由深部向浅部乃至地表运移和流动的规律。

2.在煤层赋存条件和地质构造变化不大时，同一煤层在同一深度的不同地点的瓦斯压力，基本上是近似的。

3.瓦斯压力的大小与成煤条件和成煤后的覆盖层厚度、透气性能等条件有关。覆盖层较厚、密实，透气较差或含水性较高，不利于瓦斯的释放，则瓦斯压力就大。

4.瓦斯压力与地质构造有一定关系，地质构造复杂的地点其局部地应力增大，将导致瓦斯压力的增高。

5.在地质条件不变的情况下，煤层瓦斯压力随煤层埋藏深度的增加而增大，且呈线性关系。

（三）瓦斯压力的实测方法

未受开采影响的煤层，其原始瓦斯压力的测定与计算方法，通常有实测法和推算法两种，且以实测法为最好。

煤层瓦斯压力的实测方法，是在岩巷中选择适合位置，向煤层中预想测定瓦斯压力的地点打钻孔，然后插入测压管，将插管与孔口周围的环形空间严密堵塞，使封孔部分保持严密不漏气的状态，安上压力表直接进行测定，则压力表显示的数值即为测定地点及其附近的煤层瓦斯压力。

1.测定瓦斯压力的具体步骤和技术要求

（1）选择钻孔位置。

技术要求：

①打钻开口到煤层要有一定距离：砂岩、坚硬岩石＞3m，砂页岩、页岩＞5m；

②测压钻孔要避开褶曲、断层和裂隙带。

（2）打钻施工。

技术要求：

①孔口要完整，并穿透煤层；

②孔径不宜过大，一般为Φ42～75mm；

③岩心记录要准确。

六、煤层瓦斯含量

（一）瓦斯含量

瓦斯含量是指煤层或岩层在自然条件下单位质量或体积所含有的瓦斯量，其单位一般采用m3／t或m3／m3表示。瓦斯含量包括游离瓦斯和吸附瓦斯两部分。

煤层未经采动影响时的瓦斯含量称为原始瓦斯含量，如煤层受采动影响已经排放部分瓦斯，则剩余在煤层中的瓦斯量称为残存瓦斯量。煤层和围岩中有时也含有一定数量的瓦斯，称为岩层瓦斯含量。

经过复杂煤化过程生成的瓦斯，绝大部分脱离了产气煤层而排放到大气中去，留存到现今煤层中的瓦斯仅为其中的一小部分，占3%～24%（当然也有在运移过程中遇到良好的覆盖层和圈闭条件而形成天然气藏）。因此，瓦斯含量并非是成煤过程中生成的原始瓦斯量。

（二）影响瓦斯含量的主要因素

煤层瓦斯含量的大小取决于两个方面：一是成煤过程中生成的瓦斯量的多少，即生气条件；二是能被保存下来的瓦斯量的多少，即储气条件。影响瓦斯含量的主要因素有以下6点：

1.煤的变质程度

一般说来，在其他条件相同时，煤的变质程度越高，生成的瓦斯量就越大；而且煤的变质程度越高，煤在炭化过程中挥发性物质由孔隙中排除，所增加的煤的有效表面面积越大，其孔隙率也越高，煤吸附瓦斯的能力和储存的瓦斯量就越大，如图3－4所示。因此，变质程度较高的煤，其瓦斯含量要比变质程度较低的煤的瓦斯含量大。例如，焦作二1煤层为无烟煤，变质程度较高，挥发分为7%左右，当瓦斯压力为1621.2kpa时，其瓦斯含量为34m3／t，而义马煤层为气煤，变质程度较低，挥发分为45%左右，当瓦斯压力为1692kpa时，其瓦斯含量仅为7m3／t。

2.煤层赋存条件

如果煤层有露头煤或埋藏较浅，一般存在着瓦斯风化带，煤层的瓦斯很容易逸散到大气中去，瓦斯含量很低；反之，无煤层露头、煤层又被透气性较低的岩层所封闭，其瓦斯含量就很高。

煤层埋藏深度的增加，对瓦斯的储存较为有利。在瓦斯风化带以下的瓦斯带内，瓦斯含量随着煤层埋藏深度的增加而增大，如图3－5所示。这在很多矿区的统计资料中都可得到证明。

3.围岩的透气性

煤层围岩，特别是覆盖在煤层上面的顶板岩层的性质，对瓦斯含量有较大影响。如果顶板岩层较厚、致密、完整，裂隙不发育，透气性较差，煤层中的瓦斯就难以向上运移而容易被保存下来，瓦斯含量就较高；反之，煤层内的瓦斯就会沿顶板发育的裂隙逸散而降低其含量。煤层围岩是透气性较大的厚砂岩，瓦斯容易散放，瓦斯含量就小。

图3－4　不同煤种瓦斯吸附量与瓦斯压力关系

1－无烟煤；2－贫煤；3－瘦煤；4－焦煤；5－肥煤；6－气煤；7－长焰煤；V－挥发分含量

图3－5　瓦斯含量随深度变化曲线

1－游离状态的瓦斯；2－吸附状态的瓦斯；3－煤层中总的瓦斯含量

4.地质构造

地质构造是影响瓦斯储存最为重要的条件之一，它往往是造成同一煤层的不同区域瓦斯含量不均衡的重要因素。

（1）断裂构造。断层对瓦斯含量的影响十分明显。开放性断层，无论是正断层还是逆断层，也不论其与地表是否直接相通，都会因其有利于瓦斯的散放而使瓦斯含量降低（图3－6）；而封闭性断层不利于瓦斯的排放，煤层瓦斯含量则较高。如井田内所有切割煤层的断层皆为封闭断层，不仅成为阻断煤层瓦斯向地表运移扩散的屏障，而且成为煤层瓦斯的富集区域。

图3－6　断裂构造对瓦斯含量的影响

1－瓦斯丧失区域；2－瓦斯含量降低区域；3－瓦斯含量异常增高区域；4－瓦斯含量正常增高区域

（2）背斜构造。在瓦斯风化带以下的瓦斯带内煤层所形成的背斜构造，其顶板为致密岩层又未遭到破坏时，在背斜轴部地点的瓦斯较为容易积聚和保存下来，形成瓦斯含量较高的“气顶”，称为储瓦斯构造，如图3－7a和图3－7b所示。但当背斜轴部的顶部岩（煤）层因张力作用而形成有连通地表的裂隙时，背斜轴部的瓦斯就会流失掉，瓦斯含量就会降低。

（3）向斜构造。可分为两种情况：一是由于向斜轴部的瓦斯补给区域缩小或消失、轴部瓦斯沿煤层裂隙向上运移或扩散，不利于瓦斯的保存而导致瓦斯含量的减少。二是由于向斜轴部的顶部岩层受到的挤压应力较底部岩层强烈，使顶部岩层的透气性变小，有利于生成瓦斯的储存，则瓦斯含量较大。如鹤壁六矿向斜轴部的瓦斯含量较向斜翼部增高。

（4）其他构造。局部煤层突然变厚而形成的大型“煤包”（图3－7c、图3－7d、图3－7e）由两条封闭断层与致密围岩圈闭而形成的“地垒”或“地堑”（图3－7g、图3－7h）等构造，因为有着良好的圈闭条件，生成的瓦斯难于扩散或排放，其瓦斯含量较其他地点要高。另外，火成岩侵入体的附近，煤的变质程度较高，瓦斯含量也会增大。

5.煤层地质史

在形成煤与瓦斯的漫长的地质年代里，地层曾多次上升或下降，覆盖层曾多次加厚或遭剥蚀，海浸海退、陆相与海相曾多次交替，地质构造运动以及湖泊与河流对煤层的不间断的侵蚀等，这些地质过程延续时间的长短及其激烈程度，都会对煤层瓦斯含量的大小产生巨大影响。

6.水文地质条件

图3－7　几种常见的瓦斯增高构造

1－不透气岩层；2－瓦斯含量增高部位；3－煤层

一般说来，地下水活跃的地区，煤层瓦斯含量减小。其原因有二：一是瓦斯能溶于水，尽管其溶解度很小，但在有地下水流过或有较大含水裂隙存在的条件下，经过漫长的地质年代，可以从煤层中带走数量可观的被溶解的瓦斯；二是地下水活跃的地区，由于地下水溶蚀一部分矿物质，使地层得到卸压，地应力降低，导致煤岩层裂隙发育和透气性的增加，从而加强了煤层瓦斯的流失。例如国内有些其他条件相同的相邻的矿井，地下水大的矿井的煤层瓦斯含量较地下水小的矿井要小。

七、瓦斯梯度

对于某一矿井或煤层来说，在一定范围内，其相对瓦斯涌出量是随开采深度的增加而增加的，而且所增加的开采深度与相对瓦斯涌出量的增加量之间的比值是一个常量，这个常数习惯上就称为瓦斯梯度（或递增率）。其含义是在瓦斯风化带以下，相对瓦斯涌出量每增加1m3／t而增加的开采深度；另外，相对瓦斯涌出量随开采深度增加而增加的现象，也可用瓦斯梯度（开采深度每增加一单位时，相对瓦斯涌出量增加的数量）来表示。

可以用瓦斯梯度来推算和预测深部尚待开采水平或采区的相对瓦斯涌出量，以便采取针对性的治理措施；同时，瓦斯梯度对于进行预抽煤层瓦斯和新采区通风设计，也是一个非常重要的参数。

瓦斯梯度一般用矿山统计法求得。在已知瓦斯风化带深度和已开采结束某一水平深度（标高）及其瓦斯涌出量的情况下，即可用下式求算瓦斯梯度：

式中a梯—瓦斯梯度，m／（m3·t－1）；

H—已开采结束某一水平的深度（相对瓦斯涌出量为q），m；

H0—瓦斯风化带深度，m；

q—开采深度为H时的相对瓦斯涌出量，m3／t；

q0—瓦斯风化带深度的相对瓦斯涌出量，一般取q0≈2m3／t；

n—梯度指数，在现代开采条件下n＝1。

当瓦斯梯度为已知时，瓦斯风化带的深度可按下式计算：

［例题］某矿地表标高＋150m，该矿瓦斯风化带深度为180m，开采结束时－450m水平的瓦斯涌出量为23.5m3／t。求算该矿的瓦斯梯度。

解 该矿－450m水平的垂直深度为150＋450＝600m，应用式（1－1）有

即该矿瓦斯梯度为19.5m／（m3·t－1）。

当已知两个开采水平（标高）的相对瓦斯涌出量时，瓦斯梯度可用下式计算：

式中H1、H2—瓦斯带内两个开采深度，m；

q1、q2—对应于H1、H2深度的相对瓦斯涌出量，m3／t。

［例题］某矿开采深度在200m和400m时的相对瓦斯涌出量分别为12.6m3／t和33m3／t。求其瓦斯梯度。

解 应用式（1－3）有

八、煤壁瓦斯涌出系数

掘进工作面涌出的瓦斯来源于落煤和巷道煤壁涌出的瓦斯。煤壁瓦斯涌出系数反映了煤壁涌出瓦斯的大小和强度，用m3／（m2·min－1）表示。其含义是平均每1m2面积的煤壁平均在1min（或d）内涌出的瓦斯量的多少。

煤壁瓦斯涌出系数的测算较为简单。在巷道内选择风流较为稳定的3个断面（图3－8），同时测定巷道风量和风流中的瓦斯含量，进而分别计算出各自的瓦斯涌出量q1、q2、q3。

因为

所以(www.xing528.com)

然后，计算出各断面煤壁瓦斯涌出系数的平均值c作为该巷道的煤壁瓦斯涌出系数：

q1、q2、q3—分别为断面①、②、③处的瓦斯涌出量，m3／min；

t1、t2、t3—分别为断面①、②、③处煤壁的暴露时间，min（或d）；

m—煤层厚度，m；

v—巷道平均掘进速度，m／min（或m／d）。

图3－8　巷道煤壁瓦斯涌出系数测点布置

九、矿井瓦斯涌出

在完整的煤体内，游离瓦斯和吸附瓦斯处于一种动平衡状态，煤层的瓦斯含量可以看作稳定不变。在煤层中或煤层附近进行采掘工作时，煤岩的完整性便受到破坏，地压的分布就发生了变化，使一部分煤岩的透气性增加。游离瓦斯在瓦斯压力作用下，由煤层的暴露面渗透流出，涌向采掘空间。这就破坏了原有的瓦斯动平衡状态；一方面，一部分吸附瓦斯将转化为游离瓦斯而涌出。另一方面，随着采掘工作的开展，煤体和围岩受采掘工作影响的范围不断扩大，瓦斯动平衡破坏的区域范围也在不断扩展。所以瓦斯能以长时间地、均匀地从煤体中释放出来。这类瓦斯涌出又叫瓦斯的普遍涌出，它是瓦斯涌出的基本形式。但在某些特定的条件下，煤矿内还会出现其他特殊形式的瓦斯涌出。

（一）瓦斯涌出形式

在煤层开采过程中，根据瓦斯涌出的特点、在时间和空间上的变化，将瓦斯涌出分为普通涌出和特殊涌出。

1.普通涌出

瓦斯从煤层或岩层暴露面上，通过微小裂隙均匀地、缓慢地、经常性地涌出。首先是游离瓦斯涌出，然后吸附瓦斯不断转化为游离瓦斯而放出。它是矿井瓦斯涌出的基本形式，也是主要形式，特点是涌出量大、时间长、范围广、速度慢。从工作面采落的煤炭，在井下运输以及运到地面后，瓦斯涌出还要持续很长的时间。

2.特殊涌出

与普通涌出相对应，在极短的时间内，大量的瓦斯在动力状态下，从煤岩层的某一特定地点突然涌向开采空间，有时伴有大量的煤粉、煤块和岩石被抛出，这种瓦斯的异常涌出形式叫特殊涌出。根据特殊涌出是否伴有固体物将其分为瓦斯喷出和煤（岩石）与瓦斯（CO2）突出。其共同特点是：涌出量大、时间短、放散速度快，且具有机械破坏作用。这类涌出是瓦斯的主要危害之一，对煤矿安全生产威胁很大。

（二）矿井瓦斯涌出量

瓦斯涌出量是指在矿井建设和生产过程中从煤与岩石内涌出的瓦斯量总和。对应于整个矿井的叫矿井瓦斯涌出量，相应地，对于某翼、某采区或某工作面，叫某翼、某采区或某工作面的瓦斯涌出量。

1.绝对瓦斯涌出量

矿井单位时间涌出的瓦斯体积，单位为m3／d或m3／min。它与风量、瓦斯含量的关系为：

式中qVg－绝对瓦斯涌出量，m3／min；

qV－瓦斯涌出地区的风量，m3／min；

C－风流中的瓦斯体积含量，即风流中瓦斯体积与风流总体积的百分数。

2.相对瓦斯涌出量

矿井在正常生产条件下，平均日产1t煤所涌出的瓦斯量，单位是m3／min。它与绝对瓦斯涌出量的关系为：

式中qg－相对瓦斯涌出量，m3／t；

qvg－绝对瓦斯涌出量，m3／d；

A－日产量，t／d。

相对瓦斯涌出量单位的表达式虽然与瓦斯含量的相同，但其物理意义却不同，数值也不相等。因为瓦斯涌出量中除开采煤层涌出的瓦斯外，还有来自临近层、围岩以及采空区的瓦斯，所以相对瓦斯涌出量一般要比瓦斯含量大。矿井瓦斯涌出量是决定矿井瓦斯等级和计算风量的依据。矿井瓦斯涌出量另一种表达式为：

（1）绝对瓦斯涌出量

绝对涌出量是指矿井在单位时间内所涌出的瓦斯量，用QCH4表示，单位为m3／s或m3／min，m3／d，绝对涌出量可用下式计算：

式中QCH4－矿井瓦斯绝对涌出量，m3／d；

Q－矿井总回风巷风量，m3／min；

C－回风流中的平均瓦斯含量，%。

绝对瓦斯涌出量是进行瓦斯管理时风量计算的一个重要　依据。但是，它仅能表明矿井涌出瓦斯的多少，很难判断矿井瓦斯涌出的严重程度，如两个绝对瓦斯涌出量相等的矿井，表面看来瓦斯涌出情况似乎一样，实际其中开采规模小的矿井瓦斯涌出情况必然更为严重。

（2）相对涌出量

相对涌出量是指矿井在正常条件下月平均产煤1t的瓦斯涌出量，用qCH4表示，单位为m3／t.它能够判断出矿井瓦斯涌出的严重程度。

相对瓦斯涌出量用下式计算

式中qH4－矿井相对瓦斯涌出量，m3／t；

QCH4－矿井绝对瓦斯涌出量，m3／d；

T－矿井瓦斯鉴定月的产量，t；

n－矿井瓦斯鉴定月的工作日数。

（三）瓦斯涌出不均系数

在矿井正常生产过程中，矿井绝对瓦斯涌出量受各种因素的影响其数值是经常变化的，但在一段时间内只在一个平均值上下波动且不超过一定的数值，这种矿井瓦斯涌出量的变化称为正常变化；当矿井发生气压的突然变化、瓦斯喷出、煤与瓦斯突出、老顶大面积冒落和地震等特殊情况时，矿井瓦斯涌出量的变化称为异常变化。瓦斯涌出不均系数是指矿井瓦斯涌出量正常变化时，某一测定时间内绝对瓦斯涌出量的峰值与平均值的比值。用公式可表示为：

式中kg－给定时间内瓦斯涌出不均系数；

qvgmax－该时间内的最大瓦斯涌出量，m3／min；

qvga－该时间内的平均瓦斯涌出量，m3／min。

确定瓦斯涌出不均系数的方法是：根据需要，在待确定地区（工作面、采区矿）的进、回风流中连续测定一段时间（一个生产循环、一个工作班、一天、一年）的风量和瓦斯含量，一般以测定结果中的最大一次瓦斯涌出量和各次测定的算术平均值代入上式，即为该地区在该时间间隔内的瓦斯涌出不均系数。

经验表明：工作面的瓦斯涌出不均系数总是大于采区的，采区大于一翼的，翼的大于全矿井的。因此，在进行风量计算时，应根据具体情况选用恰当的瓦斯涌出不均系数，才能保证瓦斯含量不超过规定值。

（四）矿井瓦斯等级

1.矿井瓦斯等级划分

矿井瓦斯等级是矿井瓦斯量大小和安全程度的基本标志，在矿井生产过程中，根据不同的瓦斯等级选用相应的机电设备，采取相应的通风、瓦斯管理制度，以保障矿井安全生产，并做到经济合理。《煤矿安全规程》规定，“一个矿井中，只要有一个煤（岩）层中发现过一次瓦斯，该矿井即为瓦斯矿井；并依照矿井瓦斯等级的工作制度进行管理。”

根据实际测定的瓦斯涌出量、瓦斯涌出形式以及实际发生的瓦斯动力现象、实测的突出危险性参数等，矿井瓦斯等级划分为：煤（岩）与瓦斯（二氧化碳）突出矿井（以下简称突出矿井）；高瓦斯矿井；瓦斯矿井。

具备下列情形之一的矿井为突出矿井：

（1）发生过煤（岩）与瓦斯（二氧化碳）突出的；

（2）经鉴定具有煤（岩）与瓦斯（二氧化碳）突出煤（岩）层的；

（3）依照有关规定有按照突出管理的煤层，但在规定期限内未完成突出危险性鉴定的。

具备下列情形之一的矿井为高瓦斯矿井：

（1）矿井相对瓦斯涌出量大于10m3／t；

（2）矿井绝对瓦斯涌出量大于40m3／min；

（3）矿井任一掘进工作面绝对瓦斯涌出量大于3m3／min。

（4）矿井任一采煤工作面绝对瓦斯涌出量大于5m3／min。

同时满足下列条件的矿井为瓦斯矿并：

（1）矿井相对瓦斯涌出量小于或等于lOm3／t；

（2）矿井绝对瓦斯涌出量小于或等于40m3／min；

（3）矿井各掘进工作面绝对瓦斯涌出量均小于或等于3m3／min；

（4）矿井各采煤工作面绝对瓦斯涌出量均小于或等于5m3／min；

2.矿井瓦斯等级鉴定

瓦斯矿井每2年进行一次瓦斯等级鉴定。

高瓦斯矿井和突出矿井不再进行周期性瓦斯等级鉴定工作，但应每年测定和计算矿井、采区、工作面瓦斯涌出量。

经鉴定或者认定为突出矿井的，不得改定为瓦斯矿井或高瓦斯矿井（以下统称非突出矿井）。

（1）鉴定时间和基本条件　矿井瓦斯等级的鉴定工作应在正常生产的条件下进行。一般在7月或8月。在鉴定月的上、中、下旬中各取一天（间隔10天），分三个班（或四个班）进行测定工作。所谓正常生产，即被鉴定的矿井、煤层、一翼、水平或采区的回采产量应达到该地区设计产量的60%。

（2）测点选择和测定内容及要求确定矿井瓦斯等级时，是按每一自然矿井、煤层、一翼、水平和各采区分别计算相对瓦斯涌出量，并取其中最大值（而不是全矿井的平均值）。所以测点应布置在每一通风系统的主要通风机的风硐、各水平、各煤层和各采区的回风道测风站内。如无测风站，可选取断面规整并元杂物堆积的一段平直巷道作测点。另外，如果进风流中含有瓦斯时，还应在进风巷设测点。

测定内容包括：风速、瓦斯含量、二氧化碳含量、温度、压力及断面尺寸。每一测点、每一参数、每个班要测2～3次，若前后相差悬殊，应再测1～2次，然后取相近的3次平均值作为本班测定结果。对于抽放瓦斯的矿井，在进行矿井瓦斯等级鉴定时，需包括抽出的瓦斯量，因此，还应测定在鉴定月内、在相应地区的抽出瓦斯量。

（3）瓦斯涌出量的计算　各工作班的瓦斯涌出量等于风量乘以瓦斯含量（m3／min）计算煤层、一翼、水平或采区的瓦斯或二氧化碳涌出量时，在进风流中含有瓦斯或二氧化碳时，应扣除相应的进风流中瓦斯或二氧化碳量；对于抽放瓦斯的矿井，应增加鉴定月相应区域的瓦斯抽放量。计算结果填入测定表中。

（4）鉴定报告　在鉴定月三天测定的数据中选取瓦斯涌出量最大的一天，作为计算相对瓦斯涌出量的基础。根据鉴定的结果，结合产量、地质构造、采掘比等提出确定矿井瓦斯等级的意见，填写矿井瓦斯等级鉴定报告，并连同其他资料报上级主管部门审批。

十、瓦斯的爆炸性及爆炸效应

1.瓦斯的爆炸

所谓瓦斯爆炸，是指一定浓度的瓦斯和空气中的氧气在

引火源的作用下产生剧烈的氧化反应的过程，这个过程的最

终结果可用下列化学反应式表示

CH4＋2O2→CO2＋2H2O

如果煤矿井下氧气不足，则反应的最终式为

CH4＋2O2→CO＋H2＋H2O

一般认为CH4碳氢化合物的氧化、燃烧和爆炸都是链反应过程。瓦斯在热能的引发下，分解为CH3和H两个活化中心，它们与氧气反应生成新的活化中心，使链反应继续发展。当反应生成的热量大于散发的热量时，反应物的温度上升，反应速度进一步加快，最后形成爆炸。

2.瓦斯的爆炸效应

（1）产生高温在新鲜空气瓦斯含量为95%的条件下，测定瓦斯爆炸时的瞬时温度，结果在自由空间内可达1850℃，在封闭空间内最高可达2650℃，在独头巷道内，其爆炸温度将在1850℃以上。

（2）产生高压爆炸后产生的最大压力是爆炸前的7～10倍，因此，瓦斯爆炸会产生很高的冲击压力。

（3）冲击波爆炸时产生的高温、高压，促使爆炸源附近的气体和爆炸火焰以极高的速度（可达每秒几百米甚至数千米）向外冲击，而形成冲击波。

冲击波通常出现正向冲击和反向冲击两种情况：

①正向冲击。由于炽热的气体膨胀后具有很高的压力，而由爆炸点向四周扩散，在所经过的地方形成的冲击，称为正向冲击。

②反向冲击。由于爆炸生成物冷却，水蒸气很快凝结，在爆炸地点形成空气稀薄的低压区，而引起爆炸冲击的气体连同爆炸源外围的气体又以高速度返回时形成的冲击，称为反向冲击。

③反向冲击的威力通常小于正向冲击。但由于反向冲击是沿着遭受正向冲击路线和遭受破坏的区域返回，所以，在爆炸以后所发现的反向冲击的机械破坏力往往大于正向冲击。如果反向冲击的空气中含有足够的瓦斯和氧，而爆炸源附近的火源尚未消失或有爆炸产生的新火源存在，还可能引起瓦斯的再次爆炸。

④有害气体瓦斯爆炸后产生大量的有害气体，并使氧气的含量降低，出现大量的CO。如果有煤尘参与爆炸，CO的生成量更大，这是造成人员大量伤亡的原因。