1.1 煤矿瓦斯灾害现状

我国的煤炭资源十分丰富，是世界上较大的煤炭生产国和消费国。煤炭是我国的主要能源支柱［1］，随着国民经济的快速发展，供需形势呈稳步上升状态，2003年全国原煤产量约为16.7亿t，2004年原煤产量约为19.56亿t，2005年原煤产量为21.9亿t，2006年原煤产量达23.8亿t，2007年原煤产量达25.36亿t，2008年原煤产量为27.93亿t，2012年原煤产量约为36.5亿t，如图1-1所示。2007年，中国能源矿产新增探明资源储量有较大增加，已经查证的煤炭储量达到7241.16亿t，其中生产和在建已占用储量为1868.22亿t，尚未利用储量达4538.96亿t。在一次能源消费构成中，煤炭占到70％左右。虽然近些年我国的能源生产和消费结构发生了一定的变化，但是在今后30～50年，我国的能源消耗以煤为主的格局不会改变。

图1-1 近几年我国原煤产量

资料来源：中华人民共和国国家统计局煤矿瓦斯事故一直是我国煤炭企业安全生产的重大事故隐患。我国煤矿均为有瓦斯涌出的矿井，全国煤矿年瓦斯涌出量在100亿m3以上。高瓦斯和煤与瓦斯突出矿井煤炭产量约占全国煤炭总产量的1/3。煤矿安全生产"十一五"规划中指出，我国国有重点煤矿中，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，高瓦斯矿井和煤与瓦斯突出矿井占15％。随着开采深度的增加及瓦斯涌出量的增大，高瓦斯矿井和煤与瓦斯突出矿井的比例还会增加［2］。国有重点煤矿中，高瓦斯矿井和煤与瓦斯突出矿井煤

炭产量占42％。在45户安全重点监控企业中，高瓦斯矿井与煤与瓦斯突出矿井的数量和产量分别占60.2％和60.6％［3］。

瓦斯是一种易燃易爆的物质，当它与空气或氧气混合并达到一定浓度后，就具有可传播燃烧、爆炸的性质，一旦遇到一定强度的诱发能量时，即可发生燃烧、爆炸，甚至破坏力更大的爆轰，在很大的范围内产生严重的后果。煤矿瓦斯爆炸事故往往导致通风系统破坏，风流紊乱，有毒有害气体扩散，甚至发生连续的灾害事故，并给救灾工作带来极大的困难和危险。新中国成立以来，我国煤矿共发生一次死亡人数在100人以上的特大事故25起，其中22起事故属于瓦斯爆炸事故，见表1-1。仅在2004年和2005年两年就发生死亡人数在100人以上的瓦斯爆炸事故5起，807人遇难。2007年累计发生瓦斯爆炸事故43起，较大的一起发生于2007年12月5日，山西省临汾市洪洞县原新窑煤矿井下发生瓦斯爆炸事故，105人遇难，这是2006年以来中国最严重的煤矿安全生产事故。瓦斯爆炸事故给煤矿的安全生产带来了极大的威胁，而且井下一次爆炸后经常会伴随连续爆炸与多次爆炸，大大增加了爆炸带来的伤亡和危害，同时严重威胁救护与抢险人员的生命安全。例如，1997年11月27日淮南矿务局谢二矿在20个小时内瓦斯连续爆炸5次，其后又发生近千次爆炸，造成70多人死亡和巨大财产损失；陕西铜川陈家山煤矿首次爆炸后由于现场条件复杂，再次爆炸随时发生，严重影响了救护队员的搜救。

表1-1 新中国成立以来死亡人数在100人以上的煤矿事故发生时间发生地点事故类别死亡人数/人

1950 .2 .27河南宜洛煤矿老李沟井瓦斯爆炸187

1954 .12 .6内蒙古包头大发煤矿瓦斯煤尘爆炸104

1960 .5 .9山西大同局老白洞煤矿煤尘爆炸684

1960 .5 .14重庆松藻煤矿煤与瓦斯突出125

1960 .11.28河南平顶山局龙山庙煤矿瓦斯煤尘爆炸187

1960 .12 .15重庆中梁山煤矿瓦斯煤尘爆炸124

1961 .3 .16辽宁抚顺局胜利矿电气火灾110

1968 .10 .24山东新汶华丰煤矿煤尘爆炸108

1969 .4 .4山东新汶潘西煤矿瓦斯煤尘爆炸115

1975 .5 .11陕西铜川焦坪煤矿瓦斯煤尘爆炸101

1977 .2 .24江西丰城坪湖煤矿瓦斯爆炸114

1981 .12 .24河南平顶山局五矿瓦斯煤尘爆炸133

1991 .4 .21山西洪洞县三河煤矿瓦斯煤尘爆炸147

1996 .11 .27山西大同新荣区郭家窑乡东村煤矿瓦斯煤尘爆炸114

续表

发生时间发生地点事故类别死亡人数/人

2000 .9 .27贵州水城木冲沟煤矿瓦斯爆炸162

2002 .6 .20黑龙江城子河煤矿瓦斯爆炸124

2004 .10 .20河南大平煤矿瓦斯爆炸148

2004 .11 .28陕西铜川陈家山煤矿瓦斯爆炸166

2005 .2 .14辽宁阜新孙家湾煤矿瓦斯爆炸214

2005 .8 .7广东梅州大兴煤矿透水事故121

2005 .11 .27黑龙江东风煤矿煤尘爆炸171

2005 .12 .7河北刘官庄屯煤矿瓦斯爆炸108

2007 .8 .17山东新泰华源公司透水事故172

2007 .12 .5山西洪洞县原新窑煤矿瓦斯爆炸105

2009 .11 .21黑龙江龙煤集团新兴煤矿瓦斯爆炸108

煤与瓦斯事故已经成为制约我国煤炭行业发展的重要因素。它会在极短的时间内从煤(岩)体中喷出大量煤与瓦斯，同时伴随强烈的动力现象，并易引发重大瓦斯爆炸事故。不但会造成人员、财物的重大损失，而且会严重影响我国在国际社会的形象。

煤矿生产中，随着机械化程度的提高，特别是综放采煤技术的广泛推广应用，工作面上隅角瓦斯积聚和超限现象的出现更加频繁，严重影响着煤矿的安全生产和劳动者的人身安全，影响着高效综放采煤技术的推广应用。若瓦斯排放到大气中，还会产生极强的温室效应，破坏环境。在我国煤矿开采中，由瓦斯引起的工伤事故占30％～40％，每年向大气排放的甲烷量为194亿m3，约占世界采煤排放甲烷总量的1/3，引起世界关注。但是，从另一角度看，瓦斯又是一种洁净能源，我国资源丰富，埋深2000m以上的煤层气资源约为35万亿m3，其中探明储量约12万亿m3，远景储量为23万亿m3，具有巨大的开发潜力［4］。

为此，无论是把煤层瓦斯作为一种资源进行抽放来综合开采，还是把瓦斯作为一种灾害因素加以防治，都必须研究煤对瓦斯吸附解吸扩散渗流的过程和规律。只有把这些基础理论研究清楚，才能揭示煤与瓦斯突出发生机理，为煤矿的安全生产及加强煤层瓦斯的抽采提供理论基础。

1.2 煤体瓦斯吸附解吸扩散理论和实验研究现状

1.2.1 煤体瓦斯吸附解吸扩散实验研究现状

煤是一种天然吸附剂，具有很强的吸附能力［5］。多年来，人们为了解其吸附解吸机理进行了大量实验研究。其中煤对甲烷的吸附容量是根据一定压力范围内的吸附等温线得到的。吸附等温线的测量一般有两种方法［6］：一种是重量法，另一种是容积法。重量法是在恒定温度下，测试吸附前后单位吸附剂重量变化来获得吸附等温线数据；容积法是在恒定温度下，测试吸附前后体系的压力变化来计算获得吸附等温线数据。按测试过程，容积法又可再分为动态法和静态法，动态法是指吸附气体不断流过吸附剂表面，在动态情况下获得所需的吸附等温线数据；静态法是通过加入一定量的吸附气体，等其平衡后获得吸附等温线数据，通过再加入吸附气体再平衡直至获得整条吸附等温线数据。重量法需要校正吸附剂在气相中的浮力，微量增重不易测得；容积法只需要测试吸附平衡前后的压力变化，具有较高的度。与动态法相比，静态法可使吸附充分平衡，度较高，同时使用的吸附气量少，装置简单，因而吸附等温线通常采用静态容积法测试，如标准的比表面等温线测试方法就是利用静态容积法测试氮气在液氮温度条件下于吸附剂上的吸附等温线。静态容积法的步骤是通过先标定装有吸附剂空间的死体积(通常使用犎犲标定)，然后加入定剂量的吸附气体，再测试吸附平衡后的压力。通过平衡压力和已知吸附空间的死体积可求得吸附平衡后剩余气体的量，通过加入量与剩余气体量之差可获得吸附等温线数据，重复以上步骤就可以获得整条等温线数据。煤对瓦斯吸附解吸的国内外研究，主要集中在瓦斯吸附的影响因素上。

Ettinger等［7］在研究了煤的变质程度对甲烷吸附量的影响后认为，煤对甲烷的吸附量随煤的变质程度的升高而增大。但吴俊［8］的研究却表明，煤的甲烷吸附量与挥发分呈凹型曲线，并在Vdaf=23％～28％有一极小值，这一现象与煤的比表面积变化有关。陈昌国等［9］观察到煤的比表面积在Vdaf=20％～30％有一最小值。Yee等［10］指出煤的吸附能力随煤级增高呈"犝"字形变化，最小值在高挥发分烟煤犃阶段。Levy等［11］研究得出了5犕犘a平衡压力下的吸附量随煤中固定碳含量的增高而增加。Bustin和Clarkson［12］认为煤的吸附量总体上和煤级的变化关系不明显，但在个别盆地(如澳大利亚悉尼盆地)煤的吸附量随煤级的升高而明显增大。傅雪海等［13，14］对特高煤级煤在平衡水分条件下的吸附特征进行了研究，认为朗缪尔(Langmuir)体积在Ro(max)

为4.5％附近出现拐点，但对低煤级煤在平衡水分条件下的吸附特征研究表明，低煤级煤Langmuir体积与煤级的关系同中、高煤级煤与煤级的关系演化趋势基本一致，即随煤级的增高逐渐增大，但对低煤级煤而言，煤的变质程度对Langmuir体积的影响有所削弱，其他因素的影响有所增强，Langmuir压力总体比中、高煤级煤低，但在低煤级系列内，Langmuir压力随煤级的升高而呈减少的趋势。苏现波等［15］系统探讨了平衡水分下煤的吸附能力与煤阶的关系。崔永君等［16］在研究不同煤级的煤对甲烷、氮气和二氧化碳单组分气体的吸附时认为，相同平衡条件下，不同煤级煤分别对甲烷、氮气和二氧化碳的吸附量随煤级的增高而增高。

煤岩显微组分是煤对瓦斯吸附的又一影响因素。Ettinger等［7］研究发现，富惰质组煤的甲烷吸附量在中煤级阶段高于富镜质组煤，在高煤级煤阶段两者相当。张新民等［17］研究了各种成分煤的吸附能力，在分析中，又将惰质组分为惰质组Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ。Lamberson和Bustin［18］研究发现，丝质组含量较高的煤样却有低的比表面积和甲烷吸附量，而较高的比表面积和甲烷吸附量则有可能出现在富镜质组或镜质组和丝质组混合的样品中，所以认为煤中有机显微组分和甲烷吸附量不是一种简单的关系。Clarkson和Bustin［19］研究也认为，镜质组含量较高的煤，其吸附量并不是较高。秦勇等［20］认为当犚狅(max)>2.1％以后，镜质组、壳质组和惰质组三大显微组分之间的光学性质普遍开始转换，尤其是镜质组与壳质组已难以区分，各显微组分有趋于同一性的趋势。傅雪海等［13，14］的实验研究表明，Langmuir体积随镜质组含量的增加呈现出减少的趋势，随惰质组含量的增加呈现增加的趋势。张丽萍等［21］研究发现镜质组含量大于60％时，镜质组反射率和Langmuir体积的关系呈倒"犝"字形，在镜质组反射率达到2.50％～4.00％时，Langmuir体积达到较大值。

煤的孔隙结构同样影响煤对瓦斯的吸附［22］，苏联学者艾鲁尼利用电子显微技术和犡射线衍射结构分析，测出了甲烷在煤层中的分布，指出80％～90％的瓦斯分子是以填隙、置换、渗入等方式固溶于煤中形成固溶体的［23］。Clarkson和Bustin［19］测试了煤的孔隙结构，并和甲烷吸附量结合起来，认为微孔是煤吸附作用的首要控制因素。钟玲文等［24，25］通过实验研究证明，煤对甲烷的储集能力与煤的孔隙密切相关，孔体积和比表面积越大，煤储集气的能力越强。2004年进一步的研究表明气煤的吸附能力与孔隙表面积、微孔表面积均呈正相关关系；长焰煤的吸附能力与总孔体积无明显关系，与微孔孔体积呈正相关关系。但桑树勋等［26］对我国西北地区侏罗纪低煤级煤的比表面积与吸附的研究表明，煤样的孔比表面积与吸附气体能力呈负相关关系，分析其原因，

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