1.1煤礦瓦斯災害現狀

我國的煤炭資源十分豐富，是世界上的煤炭生產國和消費國。煤炭是我國的主要能源支柱［1］，隨著國民經濟的快速發展，供需形勢呈穩步上升狀態，2003年全國原煤產量約為16.7億t，2004年原煤產量約為19.56億t，2005年原煤產量為21.9億t，2006年原煤產量達23.8億t，2007年原煤產量達25.36億t，2008年原煤產量為27.93億t，2012年原煤產量約為36.5億t，如圖1-1所示。2007年，中國能源礦產新增探明資源儲量有較大增加，已經查證的煤炭儲量達到7241.16億t，其中生產和在建已占用儲量為1868.22億t，尚未利用儲量達4538.96億t。在一次能源消費構成中，煤炭占到70％左右。雖然近些年我國的能源生產和消費結構發生了一定的變化，但是在今後30～50年，我國的能源消耗以煤為主的格局不會改變。

圖1-1近幾年我國原煤產量

資料來源：中華人民共和國國家統計局煤礦瓦斯事故一直是我國煤炭企業安全生產的重大事故隱患。我國煤礦均為有瓦斯湧出的礦井，全國煤礦年瓦斯湧出量在100億m3以上。高瓦斯和煤與瓦斯突出礦井煤炭產量約占全國煤炭總產量的1／3。煤礦安全生產“十一五”規劃中指出，我國國有重點煤礦中，高瓦斯礦井占21.0％；煤與瓦斯突出礦井占21.3％；低瓦斯礦井占57.7％。地方國有煤礦和鄉鎮煤礦中，高瓦斯礦井和煤與瓦斯突出礦井占15％。隨著開采深度的增加及瓦斯湧出量的增大，高瓦斯礦井和煤與瓦斯突出礦井的比例還會增加［2］。國有重點煤礦中，高瓦斯礦井和煤與瓦斯突出礦井煤

炭產量占42％。在45戶安全重點監控企業中，高瓦斯礦井與煤與瓦斯突出礦井的數量和產量分別占60.2％和60.6％［3］。

瓦斯是一種易燃易爆的物質，當它與空氣或氧氣混合並達到一定濃度後，就具有可傳播燃燒、爆炸的性質，一旦遇到一定強度的誘發能量時，即可發生燃燒、爆炸，甚至破壞力更大的爆轟，在很大的範圍內產生嚴重的後果。煤礦瓦斯爆炸事故往往導致通風繫統破壞，風流紊亂，有毒有害氣體擴散，甚至發生連續的災害事故，並給救災工作帶來極大的困難和危險。新中國成立以來，我國煤礦共發生一次死亡人數在100人以上的特大事故25起，其中22起事故屬於瓦斯爆炸事故，見表1-1。僅在2004年和2005年兩年就發生死亡人數在100人以上的瓦斯爆炸事故5起，807人遇難。2007年累計發生瓦斯爆炸事故43起，的一起發生於2007年12月5日，山西省臨汾市洪洞縣原新窯煤礦井下發生瓦斯爆炸事故，105人遇難，這是2006年以來中國嚴重的煤礦安全生產事故。瓦斯爆炸事故給煤礦的安全生產帶來了極大的威脅，而且井下一次爆炸後經常會伴隨連續爆炸與多次爆炸，大大增加了爆炸帶來的傷亡和危害，同時嚴重威脅救護與搶險人員的生命安全。例如，1997年11月27日淮南礦務局謝二礦在20個小時內瓦斯連續爆炸5次，其後又發生近千次爆炸，造成70多人死亡和巨大財產損失；陝西銅川陳家山煤礦首次爆炸後由於現場條件復雜，再次爆炸隨時發生，嚴重影響了救護隊員的搜救。

表1-1新中國成立以來死亡人數在100人以上的煤礦事故發生時間發生地點事故類別死亡人數／人

1950 .2 .27河南宜洛煤礦老李溝井瓦斯爆炸187

1954 .12 .6內蒙古包頭大發煤礦瓦斯煤塵爆炸104

1960 .5 .9山西大同局老白洞煤礦煤塵爆炸684

1960 .5 .14重慶松藻煤礦煤與瓦斯突出125

1960 .11.28河南平頂山局龍山廟煤礦瓦斯煤塵爆炸187

1960 .12 .15重慶中梁山煤礦瓦斯煤塵爆炸124

1961 .3 .16遼寧撫順局勝利礦電氣火災110

1968 .10 .24山東新汶華豐煤礦煤塵爆炸108

1969 .4 .4山東新汶潘西煤礦瓦斯煤塵爆炸115

1975 .5 .11陝西銅川焦坪煤礦瓦斯煤塵爆炸101

1977 .2 .24江西豐城坪湖煤礦瓦斯爆炸114

1981 .12 .24河南平頂山局五礦瓦斯煤塵爆炸133

1991 .4 .21山西洪洞縣三河煤礦瓦斯煤塵爆炸147

1996 .11 .27山西大同新榮區郭家窯鄉東村煤礦瓦斯煤塵爆炸114

續表

發生時間發生地點事故類別死亡人數／人

2000 .9 .27貴州水城木衝溝煤礦瓦斯爆炸162

2002 .6 .20黑龍江城子河煤礦瓦斯爆炸124

2004 .10 .20河南大平煤礦瓦斯爆炸148

2004 .11 .28陝西銅川陳家山煤礦瓦斯爆炸166

2005 .2 .14遼寧阜新孫家灣煤礦瓦斯爆炸214

2005 .8 .7廣東梅州大興煤礦透水事故121

2005 .11 .27黑龍江東風煤礦煤塵爆炸171

2005 .12 .7河北劉官莊屯煤礦瓦斯爆炸108

2007 .8 .17山東新泰華源公司透水事故172

2007 .12 .5山西洪洞縣原新窯煤礦瓦斯爆炸105

2009 .11 .21黑龍江龍煤集團新興煤礦瓦斯爆炸108

煤與瓦斯事故已經成為制約我國煤炭行業發展的重要因素。它會在極短的時間內從煤（岩）體中噴出大量煤與瓦斯，同時伴隨強烈的動力現像，並易引發重大瓦斯爆炸事故。不但會造成人員、財物的重大損失，而且會嚴重影響我國在國際社會的形像。

煤礦生產中，隨著機械化程度的提高，特別是綜放采煤技術的廣泛推廣應用，工作面上隅角瓦斯積聚和超限現像的出現更加頻繁，嚴重影響著煤礦的安全生產和勞動者的人身安全，影響著高效綜放采煤技術的推廣應用。若瓦斯排放到大氣中，還會產生極強的溫室效應，破壞環境。在我國煤礦開采中，由瓦斯引起的工傷事故占30％～40％，每年向大氣排放的甲烷量為194億m3，約占世界采煤排放甲烷總量的1／3，引起世界關注。但是，從另一角度看，瓦斯又是一種潔淨能源，我國資源豐富，埋深2000m以上的煤層氣資源約為35萬億m3，其中探明儲量約12萬億m3，遠景儲量為23萬億m3，具有巨大的開發潛力［4］。

為此，無論是把煤層瓦斯作為一種資源進行抽放來綜合開采，還是把瓦斯作為一種災害因素加以防治，都必須研究煤對瓦斯吸附解吸擴散滲流的過程和規律。隻有把這些基礎理論研究清楚，纔能揭示煤與瓦斯突出發生機理，為煤礦的安全生產及加強煤層瓦斯的抽采提供理論基礎。

1.2煤體瓦斯吸附解吸擴散理論和實驗研究現狀

1.2.1煤體瓦斯吸附解吸擴散實驗研究現狀

煤是一種天然吸附劑，具有很強的吸附能力［5］。多年來，人們為了解其吸附解吸機理進行了大量實驗研究。其中煤對甲烷的吸附容量是根據一定壓力範圍內的吸附等溫線得到的。吸附等溫線的測量一般有兩種方法［6］：一種是重量法，另一種是容積法。重量法是在恆定溫度下，測試吸附前後單位吸附劑重量變化來獲得吸附等溫線數據；容積法是在恆定溫度下，測試吸附前後體繫的壓力變化來計算獲得吸附等溫線數據。按測試過程，容積法又可再分為動態法和靜態法，動態法是指吸附氣體不斷流過吸附劑表面，在動態情況下獲得所需的吸附等溫線數據；靜態法是通過加入一定量的吸附氣體，等其平衡後獲得吸附等溫線數據，通過再加入吸附氣體再平衡直至獲得整條吸附等溫線數據。重量法需要校正吸附劑在氣相中的浮力，微量增重不易測得；容積法隻需要測試吸附平衡前後的壓力變化，具有較高的準確度。與動態法相比，靜態法可使吸附充分平衡，精確度較高，同時使用的吸附氣量少，裝置簡單，因而吸附等溫線通常采用靜態容積法測試，如標準的比表面等溫線測試方法就是利用靜態容積法測試氮氣在液氮溫度條件下於吸附劑上的吸附等溫線。靜態容積法的步驟是通過先標定裝有吸附劑空間的死體積（通常使用犎犲標定），然後加入定劑量的吸附氣體，再測試吸附平衡後的壓力。通過平衡壓力和已知吸附空間的死體積可求得吸附平衡後剩餘氣體的量，通過加入量與剩餘氣體量之差可獲得吸附等溫線數據，重復以上步驟就可以獲得整條等溫線數據。煤對瓦斯吸附解吸的國內外研究，主要集中在瓦斯吸附的影響因素上。

Ettinger等［7］在研究了煤的變質程度對甲烷吸附量的影響後認為，煤對甲烷的吸附量隨煤的變質程度的升高而增大。但吳俊［8］的研究卻表明，煤的甲烷吸附量與揮發分呈凹型曲線，並在Vdaf＝23％～28％有一極小值，這一現像與煤的比表面積變化有關。陳昌國等［9］觀察到煤的比表面積在Vdaf＝20％～30％有一小值。Yee等［10］指出煤的吸附能力隨煤級增高呈“犝”字形變化，小值在高揮發分煙煤犃階段。Levy等［11］研究得出了5犕犘a平衡壓力下的吸附量隨煤中固定碳含量的增高而增加。Bustin和Clarkson［12］認為煤的吸附量總體上和煤級的變化關繫不明顯，但在個別盆地（如澳大利亞悉尼盆地）煤的吸附量隨煤級的升高而明顯增大。傅雪海等［13，14］對特高煤級煤在平衡水分條件下的吸附特征進行了研究，認為朗繆爾（Langmuir）體積在Ro（max）

為4.5％附近出現拐點，但對低煤級煤在平衡水分條件下的吸附特征研究表明，低煤級煤Langmuir體積與煤級的關繫同中、高煤級煤與煤級的關繫演化趨勢基本一致，即隨煤級的增高逐漸增大，但對低煤級煤而言，煤的變質程度對Langmuir體積的影響有所削弱，其他因素的影響有所增強，Langmuir壓力總體比中、高煤級煤低，但在低煤級繫列內，Langmuir壓力隨煤級的升高而呈減少的趨勢。蘇現波等［15］繫統探討了平衡水分下煤的吸附能力與煤階的關繫。崔永君等［16］在研究不同煤級的煤對甲烷、氮氣和二氧化碳單組分氣體的吸附時認為，相同平衡條件下，不同煤級煤分別對甲烷、氮氣和二氧化碳的吸附量隨煤級的增高而增高。

煤岩顯微組分是煤對瓦斯吸附的又一影響因素。Ettinger等［7］研究發現，富惰質組煤的甲烷吸附量在中煤級階段高於富鏡質組煤，在高煤級煤階段兩者相當。張新民等［17］研究了各種成分煤的吸附能力，在分析中，又將惰質組分為惰質組Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ。Lamberson和Bustin［18］研究發現，絲質組含量的煤樣卻有的比表面積和甲烷吸附量，而的比表面積和甲烷吸附量則有可能出現在富鏡質組或鏡質組和絲質組混合的樣品中，所以認為煤中有機顯微組分和甲烷吸附量不是一種簡單的關繫。Clarkson和Bustin［19］研究也認為，鏡質組含量的煤，其吸附量並不是。秦勇等［20］認為當犚狅（max）＞2.1％以後，鏡質組、殼質組和惰質組三大顯微組分之間的光學性質普遍開始轉換，尤其是鏡質組與殼質組已難以區分，各顯微組分有趨於同一性的趨勢。傅雪海等［13，14］的實驗研究表明，Langmuir體積隨鏡質組含量的增加呈現出減少的趨勢，隨惰質組含量的增加呈現增加的趨勢。張麗萍等［21］研究發現鏡質組含量大於60％時，鏡質組反射率和Langmuir體積的關繫呈倒“犝”字形，在鏡質組反射率達到2.50％～4.00％時，Langmuir體積達到值。

煤的孔隙結構同樣影響煤對瓦斯的吸附［22］，蘇聯學者艾魯尼利用電子顯微技術和犡射線衍射結構分析，測出了甲烷在煤層中的分布，指出80％～90％的瓦斯分子是以填隙、置換、滲入等方式固溶於煤中形成固溶體的［23］。Clarkson和Bustin［19］測試了煤的孔隙結構，並和甲烷吸附量結合起來，認為微孔是煤吸附作用的首要控制因素。鐘玲文等［24，25］通過實驗研究證明，煤對甲烷的儲集能力與煤的孔隙密切相關，孔體積和比表面積越大，煤儲集氣的能力越強。2004年進一步的研究表明氣煤的吸附能力與孔隙表面積、微孔表面積均呈正相關關繫；長焰煤的吸附能力與總孔體積無明顯關繫，與微孔孔體積呈正相關關繫。但桑樹勛等［26］對我國西北地區侏羅紀低煤級煤的比表面積與吸附的研究表明，煤樣的孔比表面積與吸附氣體能力呈負相關關繫，分析其原因，

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