矿井瓦斯地质规律研究与瓦斯预测论文

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五沟煤矿102煤层瓦斯地质规律研究与瓦斯预测摘要：运用区域构造演化理论和构造逐级控制理论，分析了淮北煤田构造控制特征，研究了临涣矿区瓦斯地质规律，进而分析了五沟矿井瓦斯地质规律。通过收集五沟煤矿102煤层瓦斯资料和地质资料，分析了瓦斯生成和保存条件，初步确定了瓦斯风化带，运用分源计算法预测了回采工作面绝对瓦斯涌出量，分析了控制煤与瓦斯突出的因素，结合邻近矿井的突出规律，预测了五沟煤矿的突出危险性，编制了矿井瓦斯地质图。关键词：构造控制瓦斯地质涌出量分源计算 StudyonlawofgasgeologicalandgasforecastinNo.102coalseamWugoumineAbstract：ThispaperapplythetheoryofregionalstructureevolutionandstructurecontrollingstepbysteptoHuaibeicoalarea,thefeatureofcontrolstructureinHuaibeicoalareaandthelawofgasgeologicalarestudied,thenthelawofgasgeologicalinWugoumineisanalysed.AsthedatumofgasgeologicalofNo.102coalseaminWugoucoalmineiscollected,theconditionofgasformationandgasdepositisanalysedandthebelowofthegasairerosionareaisaffirmed.Accordingtosource-dividingcountingmethod,thepaperforecasttheemissionofworkingface.Combinedwiththeoutburstlawofotherminenotfarfromit,theourbursthazardinWugoucoalmineisforecastedandthegasgeologicalmapisdrawn.Keywords:structurecontrolgasgeologicalgasemissionrespectivesourcecalculation39 目录1引言12概况22.1矿井概况22.2地形、地貌32.3煤系地层32.4煤质42.4.1煤的物理性质42.4.2煤的化学性质43瓦斯地质规律研究63.1瓦斯赋存的地质因素影响63.1.1瓦斯的生成条件63.2.2瓦斯的保存条件63.2矿区构造演化历史83.2.1印支期（257～205Ma）演化特征83.2.2燕山期（205～135Ma）演化特征93.2.3四川期（135～52Ma）演化特征93.2.4华北期（52～23.5Ma）演化特征93.2.5喜马拉雅期（23.5～0.78Ma）演化特征93.2.6新构造期（0.78Ma以来）演化特征93.3临涣矿区瓦斯地质规律103.4五沟煤矿瓦斯地质规律114瓦斯涌出量预测134.1矿井瓦斯涌出量及影响因素1339 4.2矿井瓦斯涌出量预测方法174.2.1矿山统计法174.2.2分源预测法194.2.3类比法244.2.4瓦斯地质图法244.3五沟矿井102煤层瓦斯涌出量预测255煤与瓦斯突出危险性预测研究295.1控制煤与瓦斯突出的因素295.1.1煤与瓦斯突出的一般规律295.1.2控制煤与瓦斯突出的地质因素305.2预测参数测定结果及分析305.2.1突出危险性参数测定305.2.2突出危险性预测315.3煤与瓦斯突出危险区预测结果336瓦斯地质图的编制346.1编图资料346.1.1地理底图346.1.2瓦斯资料346.1.3地质资料356.2编图内容和表示方法356.2.1地质内容和表示方法356.2.2瓦斯内容和表示方法356.2.3其它内容表示366.3矿井瓦斯地质图的应用366.4编制矿井瓦斯地质图的意义与发展3739 7结论388致谢39参考文献40附录A（英文原文）41附录B（英文翻译）5839 1引言瓦斯是地质成因造成的，它是在数千万年乃至数亿年前由煤的变质作用形成的，它是生于煤层储存于煤层或围岩中的气体地质体，它的生成条件、运移规律、赋存和分布规律都受着极其复杂的地质作用控制，它在煤层中的赋存状态与煤颗粒、煤分子之间的关系经历过极其复杂的地质历史演化过程，牵扯到复杂的区域地质学和煤田地质学、煤化学知识；它的运移、流动规律牵扯到流体力学的知识；它在煤炭开采过程中的涌出和突出规律又牵扯到地球动力学、构造地质学、岩体力学、采矿学等知识。所以我们称瓦斯是复杂特殊的地质体（气体地质体）。瓦斯是气体地质体，是地质成因的。当今的煤层瓦斯赋存状态，瓦斯含量大小，瓦斯压力高低，都是由于含煤地层和地质构造历史演化的结果，取决于煤层瓦斯的生成条件和在历次构造运动中经受坳陷、隆起、挤压、拉张等作用的保存条件。威胁煤矿开采最严重的地质灾害煤与瓦斯突出，主要发生在高瓦斯赋存、高地应力、煤层结构粉碎性破坏的地带。瓦斯灾害是煤矿开采中最严重的灾害之一。瓦斯突出不仅能摧毁井巷设施、破坏矿井通风系统，而且使井巷充满瓦斯和煤（岩）抛出物，造成人员窒息、煤流埋人，甚至可能引起瓦斯爆炸与火灾事故。瓦斯爆炸不仅造成大量人员伤亡，而且还会严重摧毁井巷设施、中断生产，有时还会引起煤尘爆炸、矿井火灾、井巷垮塌等二次灾害。井下煤矿一次死亡人数多的重大事故主要是瓦斯爆炸事故和瓦斯突出事故。因此，控制瓦斯灾害一直是世界各产煤国煤矿安全的主攻方向之一。各国投入大量资金、人力、物力进行瓦斯防治技术和装备的研究，为煤炭生产提供了安全保证。其中，编制瓦斯地质图是行之有效的。通过收集、整理大量的五沟煤矿瓦斯、地质资料，运用区域构造演化理论和构造逐级控制理论，研究了临涣矿区瓦斯地质规律和五沟煤矿矿井瓦斯地质规律，运用分源计算法对102煤层回采工作面瓦斯涌出量进行了预测，对102煤层进行了煤与瓦斯突出危险性预测，编制了五沟煤矿102煤层瓦斯地质图，可用于指导煤矿安全生产。39 2概况2.1矿井概况淮北煤田在经历四十年的开发建设后，现有生产矿井23对，其中濉肖矿区14对，宿县矿区5对，临涣矿区4对。按隶属关系分：皖北煤电集团有限责任公司所属的矿井有6对，淮北矿业（集团）有限责任公司所属的矿井有14对,圣火集团公司所属矿井3对。五沟煤矿是一新建矿井，目前正处于建设阶段，隶属皖北煤电集团，位于安徽省濉溪县境内、其中心距宿州市35km，距淮北市约50km。地理坐标为：东经：116°36′07″至116°39′58″北纬：33°30′05″至33°33′36″拐点坐标见表2-1。表2-1煤矿拐点坐标一览表序号XY序号XY13714039.80739462852.218153709255.54439465156.70323714036.85239463626.135163709717.69639465158.37333714791.96939467885.242173709719.10339464771.24143715254.12439467886.785183710181.25539464772.93053715251.57339468660.601193710182.67839464385.81763711092.19039468647.062203711106.98339464389.23273711093.45739468259.987213711108.42139464002.15683710631.30539468258.465223712032.72839464005.60993710633.88639467484.277233712034.18239463618.570103710171.73439467482.718243712958.49139463622.061113710174.37739466708.493253712959.96039463235.059123709712.22539466706.897263713422.11539463236.824133709716.30539465545.504273713423.60039462849.840143709254.15339465543.852井田范围：北以五沟断层为界，南至102煤层隐伏露头线及F9断层，东、西均以102煤层隐伏露头线为界。南北走向长约3.3km，东西宽3～5km，面积约15km2。39 区内有五沟镇至宿州市、淮北市、蒙城县的公路干线和四通八达的支线与临涣、童亭、任楼、许疃、孙疃等新建矿井相连。青（疃）芦（岭）铁路支线在东北缘通过，西连京九铁路，东接京沪铁路，交通十分便利。图2-1五沟煤矿交通位置图2.2地形、地貌该区位于淮北平原中部，区内地势平坦，地面标高+26.37～+27.67m之间，一般+27m左右。矿区内人工沟渠交错纵横，浍河流经矿井北部，属淮河水系，为中型季节性河流。2.3煤系地层五沟煤矿揭露的地层由老至新为奥陶、石炭、二叠、三叠、第三和第四系。39 2.4煤质2.4.1煤的物理性质（1）显微煤岩特征煤岩鉴定成果由混合煤样制成而测试，可采煤层显微煤岩组分定量得出本煤矿煤层显微煤岩类型属微镜惰煤。（2）有机组分含量在86.49～95.45%之间。各煤层镜质组含量在66.67～78.52%，其次为惰质组，其含量为21.48～33.33%，少量壳质组。镜质组多为无结构镜质体、基质镜质体，少量为结构镜质体，可见胞腔被粘土物质充填。惰质组组分具粗粒体、丝质菌类体、丝质浑圆体及孤状丝质体，且呈薄层状产出，丝质浑圆体常呈定向排列，基质镜质体常无规则胶结其他有机组分和矿物质。（3）无机组分含量在4.55～13.51%，常见的有粘土类，其次有硫化物和碳酸盐类。A粘土类褐黑色，低突起，线理状，细粒分散状，致密块状，基底状，常与有机质镶嵌。B硫化物主要为黄铁矿：亮黄色，高突起，菌状或星球状微晶集合体充填于有机质空洞内或共生，部分为三棱状。C碳酸盐常见有方解石：灰色，具珍珠状内反射，常呈脉状充填于有机质裂隙内，或呈独立状、薄膜状产出。2.4.2煤的化学性质39 煤中有害组分包括水分、原煤灰分、硫、磷、氯、砷等，本煤矿各可采煤层由于受区域变质因素控制处于相同变质阶段，为QM-JM的各种煤类。C.daf平均值在87.74～89.64%，其间变化不大；垂直方向上由浅至深略有增加；H.daf在5.03～5.57%，垂直方向上由浅至深略有降低，N.daf在1.39～1.51%，变化不大。（O+S）.daf在3.83～5.26%之间，其中仅31煤层碳含量稍低，氧+硫含量稍高；而102煤层碳含量稍高，氧+硫含量稍低，其它各煤层变化不大。垂直方向上由浅至深略有降低。39 3瓦斯地质规律研究瓦斯是复杂的气体地质体，其生成和保存条件受着地质因素的控制。瓦斯地质规律是瓦斯涌出、瓦斯突出的重要规律。瓦斯含量、涌出量大小和发生煤与瓦斯突出均受地质构造演化条件的控制，并且存在着明显的分区、分带特征。矿区、矿井、采区采面都有各自的瓦斯地质规律，但瓦斯受地质构造逐级控制。只有搞清矿区、矿井瓦斯地质规律，才能准确地进行采区采面的瓦斯预测，有的放矢的进行瓦斯防治。3.1瓦斯赋存的地质因素影响3.1.1瓦斯的生成条件五沟所属的临涣矿区含煤地层包括石炭系本溪群、太原群及二叠系山西组，平均总厚度220.09m。发育三个煤组，即0煤组、一煤组、二煤组，共含煤24层，平均总厚度15.84m，含煤层数多厚度大；煤的牌号瘦煤至贫煤阶段，属高变质煤。煤的变质程度越高，相对生成的瓦斯量就越多，况且煤系地层厚度大，煤系地层中又含有丰富的有机质。由此可知，煤层瓦斯的生成条件是极为优越的。3.2.2瓦斯的保存条件影响瓦斯保存的因素有：（1）煤层的埋藏深度煤层的埋藏深度增加不仅加大了地应力，使煤层与岩层的透气性变差，而且加大了瓦斯向地表运移的距离，有利于瓦斯的储存。（2）煤层与围岩的透气性煤层与围岩的透气性对煤层瓦斯含量有很大影响，其围岩的透气性越大、煤层瓦斯越易流失、瓦斯含量越小；反之，瓦斯易于保存，煤层瓦斯含量越大。通常泥岩、页岩、粉砂岩39 和致密的灰岩等透气性差，易于形成高压瓦斯，瓦斯含量大；若地层中岩石以中砂岩、粗砂岩、砾岩和裂隙或溶洞发育的灰岩为主时，其透气性好，煤层瓦斯含量小。五沟煤矿102煤层顶板以粉砂岩为主，只在矿井的西北部有砂岩分布，东至东北部有泥岩分布。具伪顶，岩性为泥岩或炭质泥岩，底板以粉砂岩为主，在矿井的西北部和东南部有少量砂岩分布，透气性差有利于瓦斯的保存。（3）煤层倾角和露头煤层倾角大时，瓦斯可沿着一些透气性好的地层向上运移和排放，瓦斯含量低；反之，煤层倾角小时，一些透气性差的地层就起到了封存瓦斯的作用，使煤层瓦斯含量升高。煤层露头是瓦斯向地面排放的出口，露头越长，瓦斯排放越多；反之，地表无露头时，瓦斯含量越高。在五沟煤矿的研究中，煤层倾角为10~20°，利于瓦斯积聚。（4）地质构造地质构造是影响瓦斯储存的重要条件。煤系地层为沉积地层，各种岩石的透气性有很大差别，在地层与地质构造的共同作用下，可能形成封闭型地质构造或开放型地质构造。封闭型地质构造有利于瓦斯储存，开放型地质构造有利于瓦斯排放。闭合而完整的背斜或穹隆又覆盖有不透气的地层是良好的瓦斯储存构造，其轴部煤层内往往积存高压瓦斯，形成“气顶”。在倾伏背斜轴顶部因张力形成连通地表的裂隙时，瓦斯易于流失，轴部瓦斯含量反而低于翼部；另一种情况下，由于向斜轴部瓦斯补给区域缩小，当轴部裂隙发育，透气性较好时，有利于瓦斯流失，开采至向斜轴部时，瓦斯涌出量反而减少。受构造影响形成局部变厚的大煤包时，也会出现瓦斯含量增高39 的现象。这是因为煤包在构造应力作用下，周围煤层被压薄，上下透气性差的岩层形成对大煤包的封闭条件。断层对瓦斯含量的影响，一方面要看断层的封闭性，另一方面要看与煤层接触的对盘岩层的透气性。开放型断层不论是否与地表直接相通，都会引起附近煤层瓦斯含量的降低；封闭型断层（压性，压扭性、不导水性）与煤层接触的对盘岩层透气性差时，可以阻止瓦斯的排放，可能形成高瓦斯区域。五沟煤矿102煤层总趋势近似于盆地，由于南部受五沟向斜和张瓦房背斜的影响，在其轴部，不利于瓦斯的释放，因此在其南部瓦斯含量较大。（5）煤的吸附性煤是天然的气体吸附体，其煤化程度越高，储存瓦斯的能力越强，在其他条件相同时，煤的变质程度越高，煤层瓦斯含量就越大。在同一煤田，煤吸附瓦斯的能力随煤的变质程度的提高而增大，故在同一瓦斯压力和温度条件下，变质程度高的煤层往往能保存更多的瓦斯。但由无烟煤向超级无烟煤过渡时，煤的吸附能力急剧减小，煤层瓦斯含量也大大减少。（6）煤层的地质史成煤有机物沉积以后直到现今经历了漫长的地质时代。其间地层多次下降或上升，覆盖层加厚或受剥蚀，陆相与海相交替变化，遭受地质构造运动破坏等，这些地质过程的不同使瓦斯流失排放的过程也不同，对现今的煤层瓦斯含量有巨大影响。从沉积环境看，海陆交替相含煤系，往往岩性与岩相在横向上比较稳定，沉积物粒度细，煤系地层的透气性差，这种煤层的瓦斯含量可能很高；陆相沉积与此相反，煤层瓦斯含量一般较低。（7）水文地质条件煤层和岩层的水文地质条件是影响瓦斯排放的另一个主要因素。地下水活跃的地区通常瓦斯含量小，这是因为：一方面这些地区的天然裂隙比较发育，煤、岩层有较好的透气性，瓦斯易于排放；另一方面地下水的长期活动可以带走相当数量的溶解瓦斯。3.2矿区构造演化历史3.2.1印支期（257～205Ma）演化特征39 东西向构造（蚌埠隆起）以挤压为主，影响到矿区形成东西向构造，另有与其配套的扭性和张性构造，相对微弱；郯庐断裂带，由南东－北西挤压，同时有左旋；此时形成徐淮前陆褶皱冲断带，濉肖矿区位于其北翼，形成NNE向褶皱和断裂构造，如闸河向斜、张集断裂带等。3.2.2燕山期（205～135Ma）演化特征矿区形成一系列NNE向的褶皱和断裂，以挤压为主，此期构造作用强烈，并使得煤层结构破坏而形成构造煤。NNE向构造叠加在近东西构造和徐淮褶皱冲断构造之上，并形成复合构造。白垩纪晚期，NE～NNE向构造又表观为拉张活动。燕山期主压应力方向为NWW－SEE方向，NW向构造应以张扭为主，近东西向构造表现为以走滑－正断层为主。3.2.3四川期（135～52Ma）演化特征四川期的构造应力场以NNE向缩短和NWW向伸长为主。近东西向构造表现为挤压和逆掩推覆，NW向构造以压扭作用为主，NNE向构造普遍转化为正断层。3.2.4华北期（52～23.5Ma）演化特征华北期，以NNE向水平伸展，NWW向水平缩短，NE向右行，NW向左行为特征。太行山东侧NNE向逆断层带的形成，大别山北麓南北向伸展正断层的形成。近东西向的蚌埠隆起表现为水平缩短和南北向伸展正断层的形成。3.2.5喜马拉雅期（23.5～0.78Ma）演化特征近南北向断层发生张裂，太行山东侧正断层，郯庐断裂左行走滑正断层等。近东西向的断层带都转变成逆断层或逆掩断层。喜马拉雅期，构造应力场是以南北向近水平的缩短作用和近东西向构造的伸长作用为主要特征。北东向的先存断裂，此时表现为左行走滑。3.2.6新构造期（0.78Ma以来）演化特征新构造期对地质灾害的发生，起到了明显的控制作用。现代构造应力场在华北地区为NEE方向，山东－河南－陕西一带为近东西向，苏皖一带为NWW向。在新构造期主压力场的作用下，华北地区北北东向活动的断层普遍发生右行走滑－逆断层。39 中更新世以来褶皱发育的地区，主要分布在台湾西部及其附近海域，已经发现第四系参与的105个褶皱，它们的轴向以NNE向为主。近东西向的蚌埠隆起表现为水平缩短。3.3临涣矿区瓦斯地质规律临涣矿区位于蚌埠隆起的北侧，既受徐淮前陆褶皱冲断带的影响，又受蚌埠隆起的控制，燕山期又受北北东向构造的作用。矿区内既保留有徐淮前陆褶皱冲断带作用的近南北向构造和北西向构造，如西寺坡断裂，又发育有蚌埠隆起控制作用的东西向构造。有些井田受徐淮前陆褶皱冲断带的作用和燕山期北北东向挤压构造的作用，矿区既发育近南北、北西向构造，又发育有北北东、北东向构造。又由于蚌埠隆起南北挤压作用的改造，形成一些东西向构造。图3-1淮北煤田构造纲要图39 3.4五沟煤矿瓦斯地质规律五沟煤矿，大地构造位置处于宿北断裂和光武－固镇断裂之间形成的地堑构造里，煤层上覆三叠系地层沉积良好，瓦斯保存条件较好，井田位于童亭背斜西翼中段，总体上为一受断层切割，且以向斜为主的复式褶皱构造组合，向斜的轴部呈反S形。向斜西翼地层走向NW～近SN，南端仰起，地层转为近EW向，东翼地层走向NE，地层倾角一般10～20°。褶皱的轴向在矿井的南部发生旋扭，为NE-NNE向。整体构造格局受蚌埠隆起及徐淮前陆褶皱冲断带控制。印支期（257～205Ma）蚌埠隆起和徐淮前陆褶皱冲断带活动发育，形成东西向和北西向构造，在此基础上，又叠加了燕山期（205～135Ma）NE、NNE向构造，后又经多期次构造演化，形成了五沟矿井复杂的构造格局。新构造期（0.78Ma以来），苏皖一带在NWW向构造应力的作用下，东西向构造表现为拉张和左旋剪切活动，有利于释放瓦斯，NE向断层普遍处于压扭状态，属封闭型构造，不利于释放瓦斯，且具有煤与瓦斯突出危险性，NW向构造发生左行走滑，不利于释放瓦斯。39 图3-2五沟煤矿矿井构造纲要略图39 4瓦斯涌出量预测新矿井、新水平和新采区投产前，都应该进行瓦斯涌出量预测，这是矿井通风、瓦斯管理和抽放设计比不可少的基础工作。4.1矿井瓦斯涌出量及影响因素矿井瓦斯涌出量是指矿井生产过程中实际涌入采掘空间的瓦斯量，它的表示方法有两种，即绝对瓦斯涌出量和相对瓦斯涌出量。绝对瓦斯涌出量指矿井在单位时间内的涌出量，单位用m3/d或m3/min表示；相对瓦斯涌出量指矿井在正常生产情况下，平均每产1t煤所涌出的瓦斯量，单位用m3/t表示。瓦斯涌出量对于整个矿井来说，称为矿井瓦斯涌出量；对个别煤层、水平、采区或工作面而言，则分别称为煤层、水平或工作面的瓦斯涌出量。瓦斯涌出量的大小主要取决于下列自然因素和开采技术因素。（1）围岩的瓦斯含量煤层（包括可采层和非可采层）和围岩的瓦斯含量是瓦斯涌出量大小的决定因素，瓦斯含量越高，瓦斯涌出量越大。当前矿井的瓦斯涌出量预测把煤层瓦斯含量作为主要依据。煤层瓦斯含量是计算瓦斯储量和预测瓦斯涌出量的基础，也是预测煤与瓦斯突出危险性的重要参数之一。含量测试值的准确性直接影响着矿井瓦斯涌出量预测精度的大小。现有的煤层瓦斯含量测定方法按其应用范围可分为地勘方法与煤矿井下方法。我国目前所采用的测试瓦斯含量方法主要有直接法、间接法和解吸法：A、直接法利用特殊采样工具在地质勘探钻孔中取样测定煤层瓦斯含量的方法称为直接法。它可以分为密闭式39 岩芯采取器和集气式岩芯采取器测定法。实践证明：密闭式岩芯采取器测定法得出的含量结果能比较好地反映客观实际。但是其结构复杂，一些零部件易于损坏，试验成功率低，在广泛推广应用中受到一定限制。为了克服上述不足，抚顺分院在50年代试制成功了集气式岩芯采取器主要不同之处是在煤芯接受器上部安装带阀门的集气室，用来收集钻进和提升过程中煤芯泻出的瓦斯。由于它的结构比较简单。在使用和维护上较密闭式采取器容易。所以，六十年代后它在生产中得到推广应用。B、间接法它是通过测定瓦斯压力等参数并根据煤岩物理特性（吸附与解吸特性等）经过计算来确定煤层瓦斯含量的一种方法。一般较容易测得瓦斯压力，故此法在井下应用较广泛。但在地质勘探钻孔中，因测定煤层瓦斯压力工作较为复杂而未能广泛推广应用。C、解吸法煤层瓦斯含量是指单位质量原始煤体所含有的瓦斯量，常用m3/t.r或ml/g.r（纯煤瓦斯含量）作为计量单位。生产矿井和基建矿井一般采用井下钻屑解吸法测定煤层瓦斯含量。井下钻屑解吸法测定煤层瓦斯含量的原理是：井下采集新鲜原始煤样，实测煤样瓦斯解吸量，根据煤样瓦斯解吸规律推算煤样采集过程中的损失瓦斯量，然后测定煤样的残存瓦斯量，最后根据煤样的取样损失瓦斯量、井下瓦斯解吸量、残存瓦斯量和煤样重量计算煤层瓦斯含量。钻屑解吸法井下测定煤层瓦斯含量的步骤如下：1）选择新暴露的采掘工作面，用煤电钻垂直煤壁打一个ø42mm、孔深8～10m的钻孔采集煤样，并记录采样开始时间t1；2）将采集的煤样装罐，记录开始瓦斯解吸测定的时间t2，用图4-1示的瓦斯解吸速度测定仪测定煤样不同时间t下的累积瓦斯解吸总量V0i，一般要求测定2个小时，测定结束后密封煤样罐，送实验室测定煤样残存瓦斯量。3）损失量计算将不同解吸时间下测得数据换算成标准状态下的体积Voi:39 （4-1）式中V0i—换算成标准状态下的解吸瓦斯体积，ml；Vi—不同时间解吸瓦斯测定值,ml；Po—大气压力,Pa；hw—量管内水柱高度,mm；Ps—hw下饱和水蒸汽压力,Pa；tw—量管内水温，℃。图4-1瓦斯解吸速度测定仪与密封罐示意图1——量管2——吸气球3——温度计4——水槽5——螺旋夹6——弹簧夹7——排水管8——排气胶管9——16号胸骨穿刺针头10——密封罐11——压紧螺帽39 图4-2瓦斯损失量计算曲线图设煤样解吸测定前的暴露时间为t0（t0=t2-t1），不同时间t下测得的Voi值所对应的煤样实际解吸时间为t0+t；将全部测点[（t0+t）0.5，Voi]绘在坐标纸上，将测点的直线关系段延长与纵坐标轴相交，直线在纵坐标轴上的截距即为瓦斯损失量，如图4-2所示。4)将解吸测定后的煤样连同煤样罐送实验室测定煤样中的残存瓦斯量、水分、灰分和煤样重量。5)根据煤样损失瓦斯量、解吸瓦斯量及残存瓦斯量和煤样重量，计算煤样的瓦斯含量：X=(V0+V1+V2)/G0（4-2）式中Vo—换算成标准状态下的煤样在井下测得的瓦斯解吸总量，ml；V1—换算成标准状态下的煤样取样过程损失瓦斯量，ml；V2—换算成标准状态下的煤样残存瓦斯量，ml；39 G0—煤样重量，g；X—煤样瓦斯含量，ml/g。4.2矿井瓦斯涌出量预测方法现行的矿井瓦斯涌出量预测方法主要有以下几种：矿山统计法，分源计算法，类比法，瓦斯地质图法。4.2.1矿山统计法矿山统计法的基本原理是:根据生产矿井现有瓦斯涌出资料获得矿井瓦斯涌出量与开采深度的关系,预测生产矿井深部水平和临近矿井的瓦斯涌出量。它以下列工作作为预测基础：（1）生产矿井瓦斯涌出量统计：（2）分析影响矿井瓦斯涌出量的主要自然条件和开采条件；（3）确定矿井瓦斯涌出量与煤层瓦斯含量和开采深度的函数关系；（4）用确定的函数关系式预测深部水平或临近矿井瓦斯涌出量。统计预测法可用于生产矿井深部水平,临近矿井瓦斯涌出量预测,但必须注意：只有在设计矿井与生产矿井的开采技术条件(煤层开采顺序，采煤方法，顶底板管理方法等)和地质条件相同或类似时才能应用。在瓦斯风化带以下的甲烷带内，当煤层瓦斯地质条件和开采技术条件变化不大时，相对瓦斯涌出量与采深呈线性关系。矿井相对瓦斯涌出量每增加1m3/t，矿井开采深度的增加量，称为瓦斯涌出量增深率，其单位t/m2。由已采水平不同深度的瓦斯涌出量观测数据可按下式计算瓦斯涌出量增深率：a=（H2-H1）/（q1-q2）　　　　（4-3）式中a——瓦斯涌出量增深率，t/m2；H1、H2——瓦斯风化带以下两个已知瓦斯涌出量的深度，m；q1、q2——对应于H1、H2深度处的相对瓦斯涌出量，m3/t。39 已知瓦斯涌出量增深率和瓦斯风化带下界时，就可用下式预测相对瓦斯涌出量：q=（H-H0）/a+q0(4-4)式中q——欲求深度的相对瓦斯涌出量，m3/t；H——对应于q的深度，m；H0——瓦斯风化带的深度，m；q0——H0处的相对瓦斯涌出量，m3/t。在煤层瓦斯地质条件和开采技术条件有明显变化时，即使在同一井田的同一煤层同一水平，瓦斯涌出量增深率也会有较大差异，这种情况下应采用分区段求出瓦斯涌出量增深率，进行分区段预测。某些矿井瓦斯涌出量增深率随深度渐变，即矿井的相对瓦斯涌出量与深度之间为线性关系，其回归方程可采用下列形式:q=b(H-H0)n+q0(4-5)式中b、n——回归常数，其余符号意义同前。由于矿山统计法预测矿井或水平的瓦斯涌出量是基于浅部水平或相邻矿井的相对瓦斯涌出量资料进行的，因此其适用条件有所限制。对于那些向深部水平延伸的矿井和老区的新井，由于瓦斯涌出量的统计资料比较充分，应用矿山统计法预测的准确性高。矿山统计法大致可以应用以下几种情况：①生产矿井的延伸水平；②与生产矿井临近的新矿井；③开采水平的新区。矿山统计法预测瓦斯涌出量的外推范围限定在垂深不超过100～200m，倾斜方向不超过600m。用回归分析法测定矿井瓦斯涌出量与开采深度的关系，矿井瓦斯涌出量与煤层瓦斯含量之间的关系。利用他们之间的关系式及生产时期矿井瓦斯涌出量进行预测并与同期实际矿井瓦斯涌出量进行比较，矿井瓦斯涌出量预测值与实际值的误差率只要小于20%，就说明：在开采技术条件和地质条件相同时，39 利用现有生产矿井的瓦斯涌出统计规律来预测矿井深部水平，邻近矿井的瓦斯涌出量是有效的。由于五沟煤矿目前还未正式投产，缺少矿井瓦斯涌出量资料，因此矿山统计法在对该煤矿的研究中不适用，在此只做介绍。4.2.2分源预测法一个矿井的瓦斯涌出量的大小既取决于瓦斯源的多少，又取决于瓦斯源涌出瓦斯量的多少。含瓦斯煤层被开采时，受采掘影响的煤层及围岩中的瓦斯赋存平衡条件被破坏，其中的瓦斯将涌入采掘工作面及采空区。按照瓦斯涌出地点分，井下瓦斯源有5个，即开采层（包括围岩）、邻近层、掘进巷道、生产采空区和已采区采空区。前4项瓦斯源涌出的瓦斯汇集，构成采区瓦斯涌出。各采区瓦斯涌出与已采区采空区涌出的瓦斯汇集构成全矿井瓦斯涌出。图4-3表示了矿井瓦斯涌出源、汇关系，利用瓦斯涌出源的瓦斯涌出规律并结合煤层的赋存条件和开采技术条件，通过对回采工作面和掘进工作面瓦斯涌出量的计算，实现采区和矿井瓦斯涌出量预测。汇：矿井瓦斯涌出生产采区瓦斯涌出源：已采采区采空区瓦斯涌出回采工作面瓦斯涌出掘进工作面瓦斯涌出源：生产采区采空区瓦斯涌出源：开采层瓦斯涌出源：邻近层瓦斯涌出源：煤壁瓦斯涌出源：落煤瓦斯涌出图4-3矿井瓦斯涌出源汇关系示意图分源预测法的计算公式如下：（1）开采煤层（包括围岩）瓦斯涌出量39 　　（4-5）式中　q1——开采煤层（包括围岩）相对瓦斯涌出量，m3/t；　　　k1——围岩瓦斯涌出系数，全部陷落法顶板管理的工作面，取k1=1.2；　　　k2——工作面丢煤瓦斯涌出系数，其值为工作面回采率的倒数；m0——煤层厚度，m；m1——工作面采高，m；X0——煤层原始瓦斯含量，m3/t，XC——煤的残存瓦斯含量，m3/t，与煤质和原始瓦斯含量有关，需实测；如无实测数据，可参考表4－1取值。表4－1运至地表时煤在残存瓦斯含量　　煤的挥发份含量Vdaf（%）6～88～1212～818～2626～3535～4242～50煤残存瓦斯含量X1’（m3/t）9～66～44～33～2222k3——顺槽预排瓦斯对工作面煤体瓦斯涌出影响系数。采用长壁后退式回采时，系数k3按下式确定：　（4-6）L——回采工作面长度，m；h——巷道瓦斯预排等值宽度，m；不同透气性的煤层其值可能不同，需实测；无实测值时，其值可按表4－2参考选取。表4－2巷道预排瓦斯等值宽度h　　巷道煤壁暴露时间（d）不同煤种巷道预排瓦斯等值宽度（m）无烟煤瘦煤焦煤肥煤气煤长焰煤256.59.09.011.511.511.5507.410.510.513.013.013.01009.012.412.416.016.016.016010.514.214.218.018.018.020011.015.415.419.719.719.725012.016.916.921.521.521.539 （2）邻近层瓦斯涌出量　　（4-7）式中　——邻近层瓦斯涌出量，m3/t；　　　——第i个邻近层厚度，m；——第i邻近层原始瓦斯含量，m3/t，——取决于层间距离的第i邻近层瓦斯排放率，可根据它们到开采层的距离大小由图4-4查取；排放率邻近层瓦斯排放率至开采层距离至开采层距离a)国外测定曲线b)国内测定曲线其余符号意义同前。图4-4邻近层瓦斯排放率与层间距的关系曲线（3）掘进巷道煤壁瓦斯涌出量=n·m0··q0（2－1）图4-4邻近层瓦斯排放率与层间距的关系曲线（3）掘进巷道煤壁瓦斯涌出量=n·m0··q0（2－1）（4-8）式中——掘进巷道煤壁瓦斯涌出量，m3/min；n——煤壁暴露面个数，单巷道时，n=2；39 m0——煤层厚度，m；——巷道平均掘进速度，m3/min；L——巷道长度，m；q0——煤壁瓦斯涌出初速度，m3/m2·min。按下式计算：=0.026（0.0004+0.16）X0（4-9）式中——煤中挥发份含量，%，；X0——煤层原始瓦斯含量，m3/t；其余符号意义同前。（4）掘进落煤的瓦斯涌出量=S··γ·（X0－Xc）（4-10）式中——掘进巷道落煤瓦斯涌出量，m3/min；S——掘进巷道断面积，m2；——巷道平均掘进速度，m/min；——煤的密度，t/m3；X0——煤层原始瓦斯含量，m3/t；其余符号意义同前。（5）回采工作面瓦斯涌出量回采工作面瓦斯涌出量由开采层、邻近层瓦斯涌出两部分组成：=+（4-11）式中——回采工作面相对瓦斯涌出量，m3/t。（6）掘进工作面瓦斯涌出量掘进工作面瓦斯涌出量由下式计算：39 =+（4-12）式中——掘进工作面瓦斯涌出量，m3/min。（7）生产采区瓦斯涌出量生产采区瓦斯涌出量是采区内所有回采工作面、掘进工作面及采空区瓦斯涌出量之和，其计算公式为：=（1+k＇）·（+1440）/A0（4-13）式中——生产采区瓦斯涌出量，m3/t；k＇——生产采区内采空区瓦斯涌出系数；——第i回采工作面瓦斯涌出量，m3/t；A1——第i回采工作面平均日产量，t；——第i掘进工作面瓦斯涌出量，m3/min；A0——生产采区平均日产量，t。（8）矿井瓦斯涌出量矿井瓦斯涌出量为矿井内全部生产采区和已采采区（包括其它辅助巷道）瓦斯涌出量之和，计算公式为：8=（4-14）式中8——矿井相对瓦斯涌出量，m3/t；——已采采区采空区瓦斯涌出量系数,矿井生产前期取=0.05,矿井生产中、后期取=0.10；——第i生产采区瓦斯涌出量，m3/t；——第i生产采区日平均产量，t。在该矿的瓦斯涌出量的预测过程中研究的主要是10239 煤层回采工作面的瓦斯涌出量，因此，关键考虑该计算步骤的前两步，亦即本煤层瓦斯涌出量和邻近煤层瓦斯涌出量计算，计算步骤见后述部分。4.2.3类比法瓦斯生成、赋存、排放条件是受地质构造因素控制的。在未开发的井田、未受采动影响处于自然状态的煤层瓦斯含量的分布规律与地质构造条件有密切的关系，而矿井瓦斯涌出量的大小，一方面受控于地质因素影响，另一方面受开采方法的影响。因此，在一个煤田或一个矿区范围内，在地质条件相同或相似的情况下，矿井瓦斯涌出量与钻孔煤层瓦斯含量之间存在一个自然比值。对于新建矿井，在地质勘探期间已经提供了钻孔煤层瓦斯含量数据，而矿井瓦斯涌出量是未知数。若要求得到该参数，可以通过邻近生产矿井的矿井瓦斯涌出量资料和钻孔空煤层瓦斯含量资料的统计运算，求得一个比值。然后将该比值与新建矿井的煤层瓦斯含量相乘，即可得到新建矿井的瓦斯涌出量。公式表达为：A/B=C/D（4-15）式中A——生产矿井瓦斯涌出量,m3/min；B——生产矿井钻孔煤层瓦斯含量,cm3/g;C——新建矿井瓦斯涌出量,m3/min；D——新建矿井钻孔煤层瓦斯含量,cm3/g。4.2.4瓦斯地质图法39 在矿山统计法的基础上，经过众多科学工作者的多年实践和努力，瓦斯地质图法预测瓦斯涌出，瓦斯地质图无论是瓦斯研究，安全生产管理，还是普及瓦斯地质知识，都是行之有效的方法。尤其是矿井瓦斯地质图，回采、掘进中大量丰富的瓦斯涌出、突出资料、地质资料、瓦斯研究测试资料在图中得到了高度集中；只要看到瓦斯地质图就可以清楚地了解瓦斯地质全貌；影响瓦斯涌出量大小和控制瓦斯突出的各种因素，瓦斯分布的不均衡性，瓦斯随深度增加发生的变化等，在图上清晰可见。图上划分出不同级别的瓦斯区域，对于布置生产计划，采取必要的防范措施，进行分区管理和向职工、工程技术人员宣传、普及瓦斯地质知识都是必不可少的图件。瓦斯地质图和其它图件比较有它的特殊性，瓦斯作为气体，它是看不到，摸不着，又是极易流动的，影响因素复杂。所以研究瓦斯地质，编制瓦斯地质图给人们提出了更高的要求：资料要准确，数据的精度要高，计算出的瓦斯涌出量点和图中的位置、各种地质要素，统计中的产量、进尺、时间等都要反复核实，准确无误。只能采取更加科学、严肃、认真和高度负责的态度。工作做到了，瓦斯涌出和突出的规律就会在图上明显地反映出来。把瓦斯地质作为安全生产的重要工作，编好矿井瓦斯地质图，还要设专人负责及时填好，管好瓦斯地质图，不断地补充、完善，不断地揭示和向全矿职工展示本矿的瓦斯地质规律。4.3五沟矿井102煤层瓦斯涌出量预测本矿井测得瓦斯成分以N2为主，其含量最高可达15.40cm3/g；其次为CH4，其平均含量为1.03～2.61cm3/g，最高可达13.85cm3/g。由于受后期构造运动的改造，本矿井瓦斯分带现象不甚明显，但为指导生产，在此仅对瓦斯风化带下界作初步判定。瓦斯风化带的确定方法：将各个钻孔的资料进行统计，并且将瓦斯成分在80%左右的钻孔瓦斯成分与标高做线性回归得出甲烷成分和标高的梯度关系式，并将CH4成分80%代入关系式，反演计算得到瓦斯分化带下部边界水平，通过表4-1中统计的瓦斯成分与含量，对钻孔的甲烷成分和标高做线性回归，得到CH4成分与标高的关系式：y=-0.499x-167.1（4-16）由上面的回归方程关反演计算CH4成分在80%时的标高为-390m，所以在研究过程中初步判定102煤层瓦斯风化带下部边界为-390m。39 表4-3地勘期间102煤层瓦斯含量测试结果孔号采样深度（m）瓦斯含量(cm3/g)瓦斯成份(%)CH4CO2N2N2CH4CO2J6-1493.090.000.123.5878.470.0021.53J1-4691.150.172.4713.4878.361.3520.29J2-7350.300.000.063.2090.360.768.7332-7420.800.100.071.5268.6419.0312.3328-16331.000.091.327.5683.451.0015.56J1-8332.050.060.214.9992.770.187.06J2-8402.475.480.501.8910.0181.438.56J1-1288.490.000.0910.1699.450.000.56J4-8341.300.040.394.9286.680.7212.60J1-6420.400.000.916.2384.290.0015.71J6-6436.980.000.071.8681.300.0018.70J4-7387.700.000.122.8677.590.0022.41J7-2362.000.000.102.1784.320.0015.68J3-8435.691.100.514.1965.5723.2111.23J5-6371.710.000.344.4788.860.0011.1428-12433.640.424.1511.7267.852.9729.18J6-2433.300.340.368.6288.405.705.90J3-9520.590.002.3511.7979.550.0020.45J2-4470.998.640.172.4317.0181.051.9432-6453.380.030.117.4282.813.6113.5828-14322.300.010.134.2091.760.168.0832-5505.400.190.061.7856.8335.637.54J6-7349.910.001.029.1987.340.0012.66J3-10452.661.790.816.7763.7524.9011.3632-4493.040.521.589.6777.765.5416.70J2-3541.610.230.9012.3589.931.928.11J3-1403.608.700.6710.8476.786.126.2330-8331.840.000.29　93.710.006.29J4-4374.288.890.29　14.0183.002.99J4-3351.200.420.11　75.9919.094.92J5-1423.150.000.287.7495.680.004.32J5-2370.260.000.14　94.410.005.59J5-3347.540.030.09　89.333.826.85J5-4363.080.790.11　50.2942.537.19J4-2333.780.000.05　92.290.007.7130-13360.780.000.28　88.870.0011.13注：据《皖北煤电集团公司五沟煤矿地质勘探报告》39 五沟煤矿为新建矿井，目前正处于大巷准备阶段，现场没有实测煤层瓦斯涌出量资料，仅有勘探期间测得的钻孔瓦斯含量若干。因此只能采用分源预测法对该矿井102煤层进行回采工作面的瓦斯涌出量预测。瓦斯风化带内不存在明显的瓦斯梯度规律，因此需剔除瓦斯风化带内的瓦斯含量数据，根据分源预测法对102煤层开采层瓦斯涌出量和邻近层82进行分析的如下结果：（1）开采层瓦斯涌出量表4-4五沟煤矿102煤层本煤层回采工作面瓦斯涌出量计算参数参数k1k2k3mMxoxcq1J2-81.21.250.9623.943.865.482.44.54J2-41.21.250.9624.533.868.642.510.40J4-41.21.250.9624.163.868.892.69.78（2）邻近层瓦斯涌出（主要是82煤层的影响）表4-5五沟煤矿102煤层临近煤层回采工作面瓦斯涌出量计算参数参数kyαＪ２－８3.83.867.02.560.506015519.870.72Ｊ２－４4.553.869.03268.466015597.723.74Ｊ４－４3.853.867.58280.426015548.92.59预测回采工作面相对瓦斯涌出量和由式4-17换算出不同产量条件下的绝对瓦斯涌出量。Q＝q•a（4-17）式中Q-绝对涌出量，m3/minq-相对涌出量，m3/ta-产量，kt/a；根据预测结果，将五沟煤矿不同产量的绝对瓦斯涌出量计算得出并统计，见表4-6：39 表4-6五沟煤矿102煤层瓦斯涌出量预测结果钻孔相对瓦斯涌出量q(m3/t)日产量a(kt/a)绝对瓦斯涌出量Q（m3/min）标高J2-84.515004.7-37720006.325007.930009.5J2-410.4150010.8-477200014.4250018.1300021.7J4-49.8150010.5-351200013.6250016.9300020.4对上表中日产量为2000t/a时的绝对瓦斯涌出量和标高做线性回归，得出五沟煤矿102煤层绝对瓦斯涌出量与开采水平的关系式为：Q=-0.0305H-0.5239（4-18）式中H——开采水平，m；Q——绝对瓦斯涌出量，m3/min。因此可预测102煤层该条件下的回采工作面绝对瓦斯涌出量，预测结果为：(1)绝对瓦斯涌出量为10m3/min的开采水平为－345m；(2)绝对瓦斯涌出量为15m3/min的开采水平为－510m。39 5煤与瓦斯突出危险性预测研究煤与瓦斯突出预测是瓦斯地质研究工作的一个重要方面。预测的主要内容是将要进行设计和施工的地段（井田、水平、采区和巷道）煤层突出的可能性和危险程度做出判断，作为设计和施工时制定安全技术措施的依据。依据原煤炭工业部1995年1月25日颁发的《防治煤与瓦斯突出细则》第22条：在地质勘探、新井建设、矿井生产时期应进行区域预测，把煤层划分为突出煤层和非突出煤层；第23条：突出煤层经区域预测后，可划分为突出危险区、突出威胁区和无突出危险区。在突出危险区内，应进行工作面预测；第25条：在突出危险工作面进行采掘工作前，必须采取防治突出措施。根据五沟矿实际情况，结合所收集的大量数据，以及有关的瓦斯地质资料，运用单项指标和综合指标相结合的预测方法，对102煤层进行了煤与瓦斯突出危险性区域预测，划分了突出危险区和无突出危险区。5.1控制煤与瓦斯突出的因素5.1.1煤与瓦斯突出的一般规律煤与瓦斯突出的一般规律如下：（1）突出的次数和强度随开采的深度增加而增加；（2）突出多发生在地质构造地区，如褶曲、断层处及岩浆岩侵入地区；（3）煤体破坏程度越严重，煤的强度越小，突出危险性越大；（4）煤层中的厚度大、倾角大或其厚度和倾角发生变化以及煤层中的软分层由薄变厚的地区，容易发生突出；（5）掘进工作面应力集中的地区易发生突出；（6）在外力冲击作用下，如放炮或采煤机割煤时煤体受到震动，诱导瓦斯发生突出；39 （7）围岩的透气性越差、致密的岩层越厚，煤层的瓦斯含量越高，其突出的危险性也就越大；（8）突出多发生在揭煤和煤巷掘进工作面；（9）在突出前大都出现预兆。5.1.2控制煤与瓦斯突出的地质因素五沟煤矿控制煤与瓦斯突出的主要地质因素有以下几点：（1）高构造应力区、压性、压扭性构造带是突出的主要地带。就地质构造而言，褶曲是本矿区构造的主要表现形式，也是控制瓦斯的主要地质因素。如前所述，在褶曲轴部附近瓦斯含量往往较大。（2）发生煤与瓦斯突出的地点都是“构造煤”发育的地带。所有发生煤与瓦斯突出的地点都发育有构造煤，“构造煤”本身就位于构造应力集中的部位，煤层强烈变形、破坏，特别是Ⅳ类煤和Ⅴ类煤，主要是韧性变形的产物。据本矿瓦斯煤样测试结果，煤的坚固性系数均小于0.5，煤体强度较小。（3）突出往往发生在小断层附近。从生产矿井的实际情况看，小断层发育的地段容易诱发煤与瓦斯突出。因所处的构造位置所致，经三维地震资料证实，本矿小断裂较为发育，尤其是在西南部褶曲较为发育的地段，构造较为复杂。5.2预测参数测定结果及分析5.2.1突出危险性参数测定本矿井对14个钻孔的瓦斯煤样进行了煤的坚固性系数、瓦斯放散初速度、等温吸附等试验测试工作。（1）煤的坚固性系数（f）39 煤的坚固性系数f是表示煤抵抗外力破坏能力大小的一个综合指标，它是由煤的物理力学性质所决定。煤体强度越大，坚固性系数就越大，煤层发生煤与瓦斯突出的潜在可能性就越小。因此，《防治煤与瓦斯突出细则》将煤的坚固性系数纳入煤与瓦斯突出预测单项指标之一，并规定其临界指标值为0.5。当f>0.5时，煤层发生突出的危险性很小；只有当f≤0.5时，煤层才具有发生突出的潜在危险性。据测试结果，各钻孔瓦斯煤样f值在0.19~0.36之间，均小于0.5，就单项指标而言，具有煤与瓦斯突出的潜在危险性。（2）瓦斯放散初速度（ΔP）瓦斯放散初速度ΔP是表示煤放散瓦斯的性能，该性能是由煤的物理、力学性质来决定的。《防治煤与瓦斯突出细则》将瓦斯放散初速度纳入煤与瓦斯突出预测单项指标之一，并确定其临界值为10，即当ΔP>10时，煤层才具有发生突出的潜在危险性。据测试结果，本矿瓦斯放散初速度ΔP在0.16~3.3之间，从该项指标看，不具备发生煤与瓦斯突出的可能。5.2.2突出危险性预测煤与瓦斯突出危险性预测指标选择及结果，煤与瓦斯突出时多种因素共同作用产生的复杂动力现象，采用单一因素指标难以进行准确预测，必须考虑多因素共同作用效应。通常采用单项指标和综合指标相结合的预测方法：（1）单项指标该方法包括煤的破坏类型、瓦斯放散初速度（ΔP）、煤的坚固性系数（f）和煤层瓦斯压力（P）。根据《防治煤与瓦斯突出细则》的规定，预测煤层突出危险性单项指标临界值见表5-1。一般当这四个单项指标同时达到或超过临界时，煤层才具有突出危险，否则为无突出危险煤层。表5-1预测煤层突出危险性单项临界指标值煤层突出危险性煤的破坏类型瓦斯放散初速度(∆P)煤的坚固性系数(f)煤层瓦斯压力(P/MPa)突出危险Ш、IV>10<0.5>0.74注：煤的破坏类型的划分以河南理工大学瓦斯地质研究所的四类划分为准（2）综合指标D、K综合指标D较全面39 地考虑了影响突出的三个主要因素，即地应力、瓦斯压力和煤质，是判别煤层区域突出危险性的重要指标。K值是煤的物理学性质的反映，也是判断煤层瓦斯突出危险性的重要依据。综合指标D、K值计算公式如下：D＝（0.0075H/f－3）•（P－0.74）K＝ΔP/f综合指标D、K的突出临界值指标见表5-2。当D、K值同时到达或超过上述数据时，煤层才具有突出危险性，否则为无突出危险煤层。表5-2综合指标D和K预测煤层区域突出危险性的临界值综合指标D综合指标K0.2520（无烟煤）；15（其他煤种）因本矿未对煤层瓦斯压力进行测试，综合指标D值无法计算，仅能从综合指标K值对煤与瓦斯突出进行预测。经对14个测试样点进行统计计算，其值为5~15，平均10，有一个测点达到临界值15（J3-9钻孔，标高为-494m），另有两个测试点大于13（28-12钻孔，标高为-410m、32-4钻孔，标高为-468m）。（3）煤与瓦斯突出危险性预测根据同处童亭背斜一翼的童亭煤矿和海孜煤矿有关资料，童亭矿在-500m水平东翼运输大巷82煤探煤时发生过煤与瓦斯阵发性喷出现象。海孜煤矿在建井和生产期间揭煤60余次，发生了7次煤与瓦斯突出。其中较大的有1984年7月29日8煤层在－475m水平主运石门突出煤粉有112吨，瓦斯量4700m3；1984年8月3日9煤层在－475m水平主运石门突出煤粉有197吨，瓦斯量为6340m3；1986年4月15日8煤层在-475m水平主进风石门突出煤粉有100吨，瓦斯量为11000m3。本煤矿与童亭煤矿和海孜煤矿处于同一构造单元，煤系地层、煤层赋存特征相似，开采水平为－500m39 左右，因此不宜排除煤与瓦斯突出的可能性。此外，从本矿瓦斯突出危险性实验结果看，f值均小于0.5，且有3处K值接近甚至达到突出临界值（15）。5.3煤与瓦斯突出危险区预测结果综合考虑临近矿井童亭煤矿和海孜煤矿的煤与瓦斯突出危险性情况以及本矿井102煤层瓦斯地质规律和瓦斯涌出量规律，对五沟煤矿102煤层进行突出危险性区域划分：以标高－475m为界划分为无突出危险区和突出危险区，标高－475m以浅为无突出危险区，标高－475m以深为突出危险区。详见皖北煤电集团公司五沟煤矿102煤层瓦斯地质图。39 6瓦斯地质图的编制矿井瓦斯地质图是矿井瓦斯地质规律的科学总结，是煤炭管理工程技术人员交流的共同语言；能反映矿井瓦斯涌出规律，预测瓦斯涌出量；划分出不同级别的瓦斯地质单元，预测煤与瓦斯突出危险性；能够系统地集中反映矿井瓦斯地质资料，随时跟踪瓦斯地质信息，综合防治瓦斯灾害。《煤矿安全规程》第一百八十一条：“突出矿井必须及时编制矿井瓦斯地质图，作为煤与瓦斯突出危险性区域预测和制定防治突出措施的依据。”2005年国家发展改革委制定的《煤矿瓦斯治理和利用总体方案》规定：“要及时编制三级瓦斯地质图”和“加强瓦斯地质规律研究”。这里所指的三级瓦斯地质图就是矿区瓦斯地质图、矿井瓦斯地质图和采区采面瓦斯地质图。6.1编图资料6.1.1地理底图选用煤层底板等高线图和采掘工程平面图作为底图。6.1.2瓦斯资料（1）建矿以来掘进、回采工作面所积累的瓦斯浓度、风量、日产量（月产量）、月进尺。由此计算出各个工作面的绝对瓦斯涌出量和相对瓦斯涌出量，每月回采、掘进位置分别取1个涌出量点绘于图上。（2）瓦斯含量资料：地质勘探钻孔取样直接解吸法测定的瓦斯含量和新掘煤巷取样直接解吸法测定的瓦斯含量。（3）瓦斯压力测试数据。（4）新掘煤巷取样测试的瓦斯突出预测参数，瓦斯放散初速度ΔP，煤的坚固性系数f值，瓦斯突出危险综合指标K值，钻屑瓦斯解吸指标h2，钻孔瓦斯涌出初速度qm。39 6.1.3地质资料（1）煤层底板等高线图；工作面地质说明书；矿井地质精查报告和补充勘探报告。（2）煤巷编录的“构造煤”厚度和断层、褶皱构造等。6.2编图内容和表示方法6.2.1地质内容和表示方法（1）煤层底板等高线，该图一般是标高差100m一条，但在褶皱和断层影响引起煤层倾角变化大的部位，等高线密度增加。该图对等高线精度要求高，瓦斯变化受着煤层倾角变化和标高的控制，对于等高线，采掘揭露后要进行准确地修正。图中等高线选用灰色线条表示。（2）所有工程揭露的断层和褶皱轴线，煤层顶板砂岩分界线，都要准确表示。图中选用绿色线划。“构造煤”厚度，选用黑色高8mm宽1.5mm的小柱状，沿工作面分布准确地反映“构造煤”的发育特征，很有规律性。凡是挤压带和断层影响带，“构造煤”明显增厚，瓦斯涌出量增大。在突出危险区，增厚的“构造煤”往往是发生突出的爆发点。新掘巷道对“构造煤”厚度变化的编录，对巷道支护也有很高的参考价值。6.2.2瓦斯内容和表示方法（1）结合五沟煤矿瓦斯涌出特征，绘制瓦斯地质图，将瓦斯涌出划分为不同的单元并在瓦斯地质图上表示出来，为用淡黄涂染色表示10m3/min以下的区域，；用淡绿涂染色表示10m3/min~15m3/min的区域；用玫瑰红涂染色表示15m3/min以上的区域。（2）绝对瓦斯涌出量等值线分为实测和预测线，用大红实线和虚线表示。39 （3）经过大量的统计、计算、分析得到了大量的回采工作面绝对瓦斯涌出量和相对瓦斯涌出量点和掘进巷道绝对瓦斯涌出量点。回采工作面中瓦斯涌出量点用大红色十字叉表示，其中分子左侧为绝对瓦斯涌出量，右侧为相对瓦斯涌出量，分母左侧为回采时间，右侧为工作面日产量（t）。掘进巷道绝对瓦斯涌出量点用玫瑰红括号表示，括号中分子表示掘进绝对瓦斯涌出量，分母表示当月掘进工作面出现瓦斯超限的天数。这些涌出量点沿回采工作面和掘进巷道分布，一目了然，和地质因素之间的关系密切、规律性很强，是瓦斯涌出量最真实的再现和历史记载，对于分析新区和深部瓦斯涌出规律有很高的应用价值；对于各级管理人员和领导认识、掌握和应用瓦斯涌出规律，防患于未然，提供一个最有效的途径。（4）用1.8mm并带有三角的玫瑰红实色宽线划和玫瑰红虚线划分别表示瓦斯突出预测危险区和威胁区。在图例中设有直径4mm的玫瑰红色圆表示瓦斯突出点位置。（5）用直径4mm玫瑰色圆分别表示瓦斯含量和瓦斯压力测点，用玫瑰色三角分别表示瓦斯突出参数ΔP、f、K、Δh2、qm值的采样点。6.2.3其它内容表示为了减轻图面内容的负担，并突出表现瓦斯涌出量分布，瓦斯突出分布和控制瓦斯分布的地质因素等主体内容，达到图面清晰，主体突出、一目了然的目的。对于矿井工程只表示主要的永久巷道，对于回采工作面只表示相邻工作面中的一条机巷、上、下巷圈定工作面的位置，机巷各测点注明煤层底板标高，工作面位置用分子注明工作面编号，分母为煤层埋深，工作面中注明回采年、月。6.3矿井瓦斯地质图的应用矿井瓦斯地质图的展示内容是利用勘探阶段和目前掌握的瓦斯地质资料进行综合分析得到的结论，属于阶段性研究成果，所以在生产过程中不仅要以此为参考，还要实时结合当时现场揭露的瓦斯地质特征，及时辅以采掘工作面的点预测，有针对性地制定当前确切的瓦斯管理和安全技术措施，更加可靠地指导安全生产。39 6.4编制矿井瓦斯地质图的意义与发展矿井瓦斯地质图是综合性的图件，是瓦斯地质理论与实践应用的直观、可视化表达。通过编制矿井瓦斯地质图，把无形的瓦斯气体的赋存及其运动规律用有形的内容和标志综合体现在图纸上，使分散的信息整体化、系列化，把局部认识上升到整体认识，综合体现了特定井田地质背景下的瓦斯地质规律。开展一次矿井瓦斯地质编图工作，必然要对编图之前井田所有的瓦斯地质资料和数据进行一次全面收集、系统整理、综合分析。所以，编好瓦斯地质图在以下几个方面有显著的意义：（1）编制瓦斯地质图对于煤矿安全生产、对于提高煤矿工业经济效益有重要的意义；（2）通过编制瓦斯地质图可以将矿区的地质特征清晰地表示出来，对于煤矿的正常生产和瓦斯防治有一目了然的作用；（3）瓦斯地质图的编制对于煤矿在生产过程中遇到的实际问题做了统计并且在图上表示出来对于以后的采掘工作具有指导和瓦斯等灾害的防治具有指导性意义。综上所述，煤矿编制瓦斯地质图对于煤矿的安全生产具有指导意义，有利于煤矿瓦斯规律研究和瓦斯预测，因此煤矿编制瓦斯地质图具有深远的意义。39 7结论（1）运用区域构造演化理论和构造逐级控制理论，研究了临涣矿区瓦斯地质规律和五沟煤矿矿井瓦斯地质规律，揭示了102煤层瓦斯赋存和涌出规律。临涣矿区位于蚌埠隆起的北侧，既受徐淮前陆褶皱冲断带的影响，又受蚌埠隆起的控制，燕山期又受北北东向构造的作用。矿区内既保留有徐淮前陆褶皱冲断带作用的近南北向构造和北西向构造，又发育有蚌埠隆起控制作用的东西向构造。五沟煤矿，处于宿北断裂和光武－固镇断裂之间形成的地堑构造里，煤层上覆三叠系地层沉积良好，瓦斯保存条件较好，整体构造格局受蚌埠隆起及徐淮前陆褶皱冲断带控制。现代构造应力场东西向构造表现为拉张和左旋剪切活动，有利于释放瓦斯，NE向断层普遍处于压扭状态，属封闭型构造，不利于释放瓦斯，且具有煤与瓦斯突出危险性，NW向构造发生左行走滑，不利于释放瓦斯；（2）对五沟煤矿102煤层瓦斯风化带进行了初步判定。定标高-390m为102煤层瓦斯风化带下界；（3）通过大量的资料统计分析，预测了生产时期102煤层的回采工作面瓦斯涌出量，绘制了绝对瓦斯涌出量等值线。预测结果为：煤层露头至标高-345m，绝对瓦斯涌出量小于10m3/min；标高-345m至-510m，绝对瓦斯涌出量为10~15m3/min；标高-510m以深绝对瓦斯涌出量大于15m3/min；（4）对102煤层突出危险性进行了区域预测，预测结果为：-475m标高以上为非突区；-475m标高以下为突出危险区。39 8致谢本文从论文选题、论文编写到论文定稿这几个月的时间里，得到了导师的悉心指导、大力支持和无私帮助。在毕业论文的资料收集和完成过程中，得到了皖北煤电集团五沟煤矿各级领导及工程技术人员的大力支持和帮助。最后，再次感谢在设计过程中所有给予我帮助的老师和同学，谨向他们表示衷心的感谢。39 参考文献[1]焦作工学院瓦斯地质研究室.瓦斯地质概论.煤炭工业出版社,1991.[2]煤科总院抚顺分院、焦作矿务局、阳泉矿务局、淮南矿务局.矿井瓦斯涌出量预测方法的研究，1990.10.[3]张铁岗.矿井瓦斯综合治理技术.煤炭工业出版社,2001.3.[4]王兆丰，张子戌，张子敏.瓦斯地质研究与应用.煤炭工业出版社,2003.8；[5]皖北煤电集团地质报告：《童亭煤矿矿井地质报告》、《海孜煤矿矿井地质报告》和《五沟煤矿矿井地质报告》等.[6]程伟.煤与瓦斯突出危险性预测及防治技术,中国矿业大学出版社,2003.7.[7]杨孟达.煤矿地质学.煤炭工业出版社,2000.8.58 58 附录A（英文原文）ESTABLISHINGMINEVENTILATIONPOTENTIALSRudolfE.GreuerDepartmentofMiningEngineeringMichiganTechnologicalUniversityHoughton,MI49931ABSTRACT：Inhydraulicnetworksitiscommontocallthesumofabsolutepressureandtheproductofdensityandelevationofapointitspotential.Thisisapointfunctionwhichcanbeusedtopredictflowdirectionsandflowratesbetweenpoints.Potentialdifferencescanbeobtainedbysumminguppumppressuresanddeductingpressurelosses.Theresultsofsummingupfanpressuresanddeductingpressurelossesinmineventilationnetworksdepend,duetovaryingairdensities,ontheselectedpaths.Thethusobtainedpotentialsarepathfunctionsandcanonlytoalimiteddegreebeusedtopredictflowdirectionsandflowrates.Sincethermodynamicpropertiesarepointfunctions,theyofferthemselvesaspotentials.Butnoneoftheknownthermodynamicpropertiesmeetthedesiredcharacteristicsofpotentials.Intheformofapproximationspotentialsareneverthelesswidelyused.Theauthordescribesthedifferentmethodsofestablishingpotentials,aboutwhichhehaslearned,andcharacterizesthemwithexecutedexamples.KEYWORDS：Mineventilationpotentials,ventilationplanning,networkstability,flowdirections,naturalventilationpressure,pressurelosses,andthermodynamicavailability58 INTRODUCTIONApotentialinfluidmechanicsisthesumoftheabsolutepressureplustheproductofdensityandelevation.Potentialsarehandyandpopularquantitiesbecausetheyallowonetopredictflowdirectionsandtocalculateflowrateswhentwopointswithknownpotentialsareconnected.When,asinhydraulics,thedensityofthefluidremainsconstant,itiseasytodeterminepotentials.Thesumofthepressurelossesminusthepumppressuresgivesthepotentialdifferencebetweentwopoints.Potentialsarethereforewidelyusedinhydraulics.Therehasalwaysbeenagreatdemandthatpotentialsshouldbespecifiedinventilationsystemsforthepurposeofindicatingthedirectionofleakageflowandofflowratesbetweentwopoints,incasethetwopointsshouldbeconnectedbyanairway.Contrarytohydraulicnetworks,thedensitiesinventilationsystemsvary.Theresultsofsumminguppressurelossesandsubtractingfanpressuresdependonthepathchosenforthisoperation.Movingalongtwodifferentpathsbetweenpointscanresultintwodifferentpotentialdifferences,thedivergencebeingthenaturalventilationpressureinthemeshformedbythetwopaths.Ifthenaturalventilationpressureislarge,ascanbethecasewhenlargerelevationandtemperaturechangesoccuralongthetraversedpaths,thedivergencecanbelargeanditisnolongerpossibletopredictairflowdirectionsandflowratesfrompotentialdifferences.Thedesiredpotentialcanthereforenotbeapathfunction,ithastobeapointfunction.Allthermodynamicpropertiesarepointfunctions.Therearemanydifferentpropertiesbutnoneofthemorecommonlyusedpropertieshavebeenfoundusefultopredictairflowdirectionsandflowrates.Somepromiseisseeninthethermodynamicavailability.Thisisfrequentlycalledapotentialfortheusefulnessofenergycontents.Thethermodynamicavailabilitycanbedefinedintermsofotherthermodynamicpropertiesandfunctions,whichareneededinventilationnetworkcalculationsanyway.Thismakes58 itsuseattractiveand,sinceavailabilityanalysisisapowerfultoolinthermodynamicdesign,hopewasplacedonmakingitausefultoolinventilationplanningalso.Theexecutedexamples,whicharepresentedinthisreport,showunfortunatelythattheusefulnessoftheavailabilityasaventilationpotentialisverylimited.Likeanotherpointfunction,thepressure,itistoomuchinfluencedbytheelevationtobeofpracticalvalue.Duetotheirpopularityinhydraulicspotentialsareneverthelesswidelyusedinmineventilation.Howtheyareobtainedvaries.Thereislittleliteratureonthissubject.Thisreportdescribesthedifferentmethodstoestablishpotentialsofwhichtheauthorhaslearnedthroughtheliteratureorcommunicationwithcolleaguesandcharacterizesthemwithexecutedexamples.Themethoddevelopedandfavoredbytheauthoristodistributethenaturalventilationofameshtoitsairwaysproportionaltotheirpressurelossesandinverselyproportionaltothesumoftheabsoluteofallpressurelossesoftheairwaysofthemesh.THERMODYNAMICSOFVENTILATIONNETWORKSVentilationnetworkcalculationscanbebasedonvolumeflowrates(m3/s)andenergiesperunitvolume(J/m3=Pa=ventilationpressures)oronmassflowrates(kg/s)andenergiesperunitmass(J/kg).Theso-calledmeshequationsinnetworkcalculationsmakeuseofwhatiscalledinthermodynamicstheenergyequation.Itreadsperunitmassvdp+gdZ+dV2/2+dhl-dhf=0orperunitvolumewithD=1/vanddpl=Ddhlanddpf=Ddhfdp+DgdZ+D/2dV2+dpl-dpf=0withv=specificvolume(m3/kg)D=1/v=density(kg/m3)p=pressure(Pa)g=gravitationalacceleration=9.81m/s2Z=elevation(m)58 V=velocity(m/s)hl=headloss(J/kg)hf=fanhead(J/kg)pl=pressureloss(Pa)pf=fanpressure(Pa)Integrationaroundameshresultsinåhl-åhf=-vdp=hnåpl-åpf=-DgdZ=pnwherehn=naturalventilationhead(J/kg)pn=naturalventilationpressure(Pa)Inthisreportboth,networkcalculationsbasedonvolumesandbasedonmassesareused.ItisintheUSmorepopulartobaseflowratesandenergiesonvolumesthantousemasses.Ontheotherhand,usingmassesisthesimplestwaytosatisfythelawofmassconservation.Theauthorusesnormallyacompromise.Thenetworkcalculationsarebasedonmasses.Buttheresultsarethenwiththehelpofaconstantconversionfactor,thereferencedensity,expressedperunit"referencevolume".THERMODYNAMICPROPERTIESASPOTENTIALSApotentialhastobeapointfunction.Allthermodynamicpropertiesarepointfunctions.ThemorecommonlyusedpropertiesinventilationnetworkcalculationsareelevationZandtemperatureT.Theyarenormallyknownoreasytoobtain.Threeotherproperties,pressurep,entropys,andavailabilityYmightbeusefulaspotentials.Sincetheyarelessusedinventilationnetworkcalculationstheyarenormallynotknown.Ifelevationsandtemperaturesofnodesandheadlossesofairwaysareknown,itisnotdifficulttocalculatethepressureofnodes.Assumingpolytropicprocessestherelationp2=p1(T2/T1)**AwithA=(-gdZ-hl)/(R(T2-T1))58 canbeapplied,whichforisothermalprocesseshastobechangedtop2=(p1)**BwithB=(-gdZ-hl)/(RT1).Startingfromareferencepoint,normallythesurface,allnodepressurescanbecalculated.Whatoneobtainsisastandardpressuredistribution,basedonaconstantreferencepointpressure.Ifthereferencepointisalsousedforentropiesandavailabilities,itispossibletotocalculateentropysandavailabilityYofnodesfrompressurep,elevationZ,andtemperatureTwiths=Cpln(T/T0)-Rln(p/p0)Y=Cp(T-T0)-T0(s-s0)+g(Z-Z0)whereTo,so,Zoarearbitrarilychosenreferencelevelsfortemperature,entropy,andelevation.Inthisreports0=0J/kg,Z0=0m,andT0=283.2Kapplytothesurfacestateoftheair.Withthisonecancalculatedensitiesdns(D)ofnodesandaveragedensitiesadns,entropychangesdsandavailabilitychangesdpsi(dY)forairways.Ifpressurelossespl=hlDareknown,itisnotdifficulttocalculatepressurespandtheotherpropertiesD,s,andQ.Thepressurechangeinanairwayfromp1top2isp2=(p1(1-gdZ/(2RT1))-pl)/(1+gdZ/(2RT2)iftheapproximationòvdp=2(p2+p1)/(D1+D2)isaccepted.Figure1.58 Table1showsasanexamplethenetworkofFig.1withinputdataforheadlosseshl,pressurelossespl,elevationchangesdZandtemperaturechangesdTofairwaysandabsolutetemperaturesTandelevationZofnodes.Assumedisanadiabaticminewithoutanyheatexchangesbetweenairandairwaywalls.Thisassumptionallowsamanualcheckoftheperformedcalculations.Theheadlosseswerearbitrarilychoseninsuchawaythatairflowstandstillinthediagonalairway5results.Pressurespcanbeusedtodeterminetheavailablepressurelossinaconnectionbetweentwonodes.pl=(p1-p2)+(D1+D2)g(Z1-Z2)/2Availabilitiescanbeusedtodetermineavailableheadlossesinaconnectionbetweentwonodes.hl=Tav/T0(Y1-Y2)+(Tav/T0-1)(Cp(T2-T1)+g(Z2-Z1))Differencesofpressurepallbythemselvesareoflittleusetopredictairflowdirectionsandratesinpotentialconnectionsbetweennodes.Thepressureistoomuchinfluencedbytheelevationandanelevationchangeoflessthan0.1maffectsapressurechangeof1Pa.Somethingsimilarappliestoavailabilities.Thechangeofavailabilitywithpressurelossesisapproximatelyequalto1J/kgperPa.Thechangewithelevationandtemperaturedependsonthetemperatureoftheairway.Istheaveragetemperatureoftheair5ohigherthanthereferencetemperatureT0,atemperatureincreaseof10affectsanavailabilityincreaseofapproximately17J/kg.Foranelevationincreaseof1moneobtains0.17J/kg.Animportantroleplaysthereferencetemperature.Ifthereferencetemperaturesare100or200higherthantheairwaytemperatures,theavailabilityincreasesareapproximately34J/kgand66J/kgperdegreetemperatureincreaseand0.33J/kgand0.65J/kgperMeterelevationincrease.Foradiabaticairways,whereelevationandtemperaturechangesbalanceeachother,theavailabilitychangeisclosetothepressureloss.Forotherairwaysitisdifficulttomakeafastestimateofavailablepressurelossesfrom58 availabilityfigures.POTENTIALSDERIVEDFROMPRESSURELOSSESORHEADLOSSESORAVAILABILITYCHANGESForthefollowingdemonstrationsthenetworkofFig.1withthedataofTable2wereused.ThesamesymmetricalsetupasinTable1wasemployed,butthenetworkisnolongeradiabaticandthefanpressurewasincreased.TheairflowratesQarestatedasstandardm3.TheresultsofpropertycalculationsarecontainedinTable3.Itissometimessuggestedtoprojectventilationnetworks,whicharebasedonpressures,intoahorizontalplane.Thisisdonebyconnectingallnodesofthenetworkwithajointnodeintheplanethroughhypotheticalairwayswithsuchhighresistances,thattheairflowdistributionisnotupset.Ifthejointnodegetsthepotentialzerothepressurelossofthehypotheticalairwayisthenconsideredtobethepotentialofthepoint,withwhichthehypotheticalairwayconnects.Itiseasytoseethatthepotentialdifferencebetweentwopointsisnotequaltothepressurelossintheairwaybetweenthesepoints,ifthetwopointshavedifferentdensities.Thehypotheticalconnectionsformameshwiththeairwayandthemeshgeneratesnaturalventilationpressure.Table4givesthenetworkofFig.1with6hypotheticalconnections12through17.Oneseesthatthepotentialdifferencebetweennodes4and5,whichisobtainedasthedifferenceofpressurelossesofthehypotheticalairways12and16,amountsto107.93Pa,althoughairflowstandstillprevailsinairway5betweenthesepoints.Anequivalentapproachistodropthetermsfortemperatureandelevationchangewhencalculatingavailabilities.AvailabilitychangesarethenobtainedfromDY=T0/Tavhl.Table5showsanexampleforthenetworkofTable2.Slightdifferencesofthepressurelossesinthetwotablesarecausedbytheiterationmethodofthenetworkcalculation.ThequantityDYhasinthisTablebeencalledthereducedavailabilityRed.Av.Inthesamewayassummingupheadlossesdoesnotgenerateapointfunction,summingupreducedavailabilitiesdoesnotgenerateapointfunctioneither,althoughT0/Tavhlissmallerthanhl.Thereissomejustification58 inthisapproach.Thetermhl/Tavisequaltotheentropychangecausedbyheadlosses.Apopularpracticetoestablishpotentialsistodistributenaturalventilationheadsorpressuresontheairwaysofthemeshes,inwhichtheyaregenerated.Inthecaseofnaturalventilationpressurepn=-DgdZitisargued,thatcontributionstopnaremadebynon-horizontalairwaysonlyandthattheyshouldbecorrected.Thedistributionofnaturalventilationpressureisdoneinsomearbitraryfashion,asisintheinsertionofnaturalventilationpressuresourcesalso.Toconsidernaturalventilationpressureinasystematicwayoneshouldforeverynon-horizontalairwaydeterminethequantityDgDZandinsertitintothenetworkcalculation.Tomakethesetermsmanageableitisadvantageoustouse(D-Dr)gDZwhereDrisanarbitrarilychosenaveragedensity.Thenaturalventilationpressureinameshisthenpn=-å(D-Dr)gDZ=-åDgDZ.Forthedistributionofpnonecalculatesforeverynon-horizontalairwayDpn=-gDZ(D-Dr)Subtractingthistermfromthepressurelossploneobtainsthenapointfunctionorpotentialp0=pl-Dpn.Theproblemwiththispotentialisthatitisaslittleilluminatingconcerningairflowratesanddirectionsasarepressuresandavailabilities.ToobtaininformationonpossiblepressurelossesinahypotheticalconnectionbetweenpointsonehastocalculateDpnfortheconnectionandthentousepl=Dp0+Dpn.WiththenetworkofTable2anexampleforpotentialsobtainedwithdifferentvaluesDrisgiveninTable6.OneseesthatpotentialvaluesdependheavilyonthechosenDrandthatthepotentialdifferencesandairflowdirectionsarefrequentlyunrelated.Anotherpossibilitytoobtainpotentials(orpointfunctionsforthepressureloss)istosubtractthenaturalventilationpressuredevelopedinameshfromthe58 pressurelossesoftheairwayscomprisingthismesh.Table7showsanexamplewherethenaturalventilationpressurehasbeensubtractedineachmeshfromoneairwayonly,theairwaywiththehighestpressureloss.Oncethishasbeendoneitispossibletocalculatenewsubstituteresistancefactorsfortheairwayswiththesubtractednaturalventilationpressure.Thisdoesnotcauseanydifferencesbetweenanetworkcalculationwiththenaturalventilationpressureconsideredoranetworkcalculationwithmodifiedresistancessincethemathematicaldescriptionoftheexistingnetworkisnotchanged.Ifthenetworkwerechangedbyaddingordeletingairwaysorchangingresistances,onewouldhavetoexpectadivergence.Testsshowedthatthisdivergenceisinmanycasesnottoolargeandmayforpracticalpurposesbeignored.Asystematicwaytoformpointfunctionsfromheadlossesorpressurelossesistousethemeshformingproceduresemployedbyprogramsfornetworkcalculations.TheonethattheauthorhasusedsincetheearlysixtiesandwhichispartoftheMFIREprogramsofNIOSHworksinthefollowingway.Ifthenetworkhasnbbranchesandnjnodesithasnb-nj+1independentmeshes.Thisisthenumberoftheso-calledprimaryairways,whichcomprisefanswithcharacteristics,fixedquantityairwaysandairwayswithlargeproductsofresistanceRandairflowrateQ.Theyhavetobeselectedinsuchawaythattheremainingairways,thesocalledsecondaryairways,formatree,whichmeansthattheyshouldreacheverynodebutshouldnotformmeshes.Everyprimaryairwaywillthenformamesh(andonlyonemesh)withsecondaryairways.Thenaturalventilationgeneratedinthismeshisspecificforthismesh.Usingsecondaryairwaysonly,everynodecanbereachedalongonepathonly.Ifthepressurelossesorheadlossesalongthispatharesummedup,oneobtainsapointfunction.Thismaybequiteuseful,becausethepotentialdifferencesinthetreerepresentgenuineheadorpressurelosses.Thepotentialdifferencesoftheprimaryairwaysrepresenthoweverthepressureorheadlossesoftheprimaryairwayminusthenaturalventilationdevelopedinthemeshofwhichtheprimaryairwayisapart.Table7bringsanexamplebasedonthenetworkofTable358 POTENTIALSOBTAINEDTHROUGHELIMINATINGNATURALVENTILATIONBYDISTRIBUTINGITONAIRWAYSAmethodtoobtainpotentialssometimesusedbyventilationengineersistodistributethenaturalventilationgeneratedbyameshonthepressurelossesoftheairwaysofthismesh.Ifthenaturalventilationissmall,likeincoalmines,thismethodcanbefullyadequate.Itshowspromiseforcasesoflargernaturalventilationenergiesalso.Sincemostairwaysarepartofseveralmeshes,thedistributionhastobedoneinaniterativeprocess.Convergencycanbeaproblem.Thetaskissimilartotheerroradjustmentcalculationsperformedinsurveying,whenelevationsofnodesofanetworkaretobedeterminedandcontradictionsexist.Almosttendifferentapproachesweretriedbytheauthor,withvaryingsuccess.Thebestconvergencywasobtainedwithanadjustmentprocessinwhichthenaturalventilationpn=åplisdistributedtotheairwaysofameshproportionaltotheirpressurelossesplandinverselyproportionaltothesumoftheabsolutesofallpressurelossesåêplçinthemesh.Summarized,thepressurelossespl(i)oftheairwaysofamesharewiththeequationDpl(i)=(åpl(i)/åçpl(i)ç)pl(i)meshwisereducedtoanewplandthisprocessiscontinuedthroughallmeshesuntilthereductiontermDpldisappearsTable8givesanexample.ThepressurelossesofTable5andthemeshselectionofTable7(Output1)andanothermeshselection(Output2)wereused.Approximately10iterationswerenecessaryinbothcases.Oneseesthatthereducedpressurelosses(modif.pl)arenottoodissimilartotheactualpressurelosses,especiallyinviewofthelargenaturalventilationpressuresoftheexamples.Theeffectthattheuseofthereducedpressurelossesinsteadoftheactualpressurelosseswouldhaveinanetworkcalculationontheairflowratesisindicatedinthecolumnres.Q.Oneseesthattheeffectsarenot58 toolarge,barelymeasureableunderminingconditions.Thismethodofdistributingthenaturalventilationpressurewasalsoappliedtothelargernetworksofexistingmines.Theconvergencywaswithupto10iterationsinallcasesquitegood.ENTILATIONPOTENTIALSINPOPULARUSE.Uncontrolledairflowcanhavemanyseriousconsequences.Leakagecurrentscantransportcontaminantsfrominactiveminepartsintoactiveworkings.Ortheycantransportoxygenfromactivetoinactivepartsandcausespontaneouscombustion.Ortheycanmakethesealingofminefiresineffective.Themosteffectivewaytopreventuncontrolledairflowispressurebalancing,inwhichpressuregradientspropellingtheairareeliminated.Theconditionsforairflowaregivenbytheenergyequation,whichwasquotedatthebeginningofthisreport.Withoutfansitreadsvdp+gdZ+dV2/2+dhl=0(J/kg)dp+DgdZ+D/2dV2+dpl=0(J/m3=Pa)Thetermsdhlordplindicateifanairflowispossible,whichinturnwouldthengenerateheadandpressurelosses.Integratingbetweentwopoints1and2oneobtainshl=-òvdp+g(Z1-Z2)+(V12-V22)/2orpl=p1-p2+DgdZ+D/2(V12-V22)Thesearestraightforwardrelationships.Asstatedabove,thingsbecomedifficultifthereismorethanonepossibleflowpathbetweenpoints1and2andonewantstocharacterizethepossibilityofairflowbetweenthesepoints,applicabletoallconnections,withapointfunctionofthetwopoints.Thispointfunctionisthepotentialofthepoints.Someremarksontheproblemwithassigningpotentialsandsuggestionsonhowtoproceedcanbefoundintheliteratureofpracticallyallminingcountries.There58 isnouniformapproach.Theexistingpossibilitieshavebeendiscussedintheearlierpartsofthisreport.SystematicstudiesontheuseofpotentialshavebeendonesincemorethanhalfacenturyinPoland.Thiscountryalsopioneeredmethodstopredictinstabilitiescausedbyfireswithouttheuseofcomputers,theso-calledBudrykPlans.Asummaryoftheinsightsgainedonpotentialsinmorethan3decadesofworkwasgivenbyBystron(1979)attheSecondInternationalMineVentilationCongress.Theremaybenewerworkofwhichtheauthorisnotaware.ThepotentialintroducedbyBystronispF=(òvdp)isentr.+g(Z-Z0)+1/2(V2-V02)p0,v0Itisequaltotheminimumamountofworktotransferairfromareferencestatep0,v0,Z0,V0tothestatep,v,Z,V.Sinceareversibleprocessisassumedthisamountofworkcouldberetrievedinchangingthestatebackfromp,v,Z,Vtothereferencestate.Theconceptusedisinsomerespectssimilartotheavailabilityconcept,whichexpressesthemaximumamountofworkbetweenagivenstateandareferencestate.Therearehowevertheimportantdifferencesthattheavailabilitydifferenceoftwostatesexpressesthemaximumamountofworkoutputpossiblebetweentwostates.Bystron'saerodynamicpotentialdifferenceexpressesthemaximumamountofworkpossiblebetweentwostateswiththepressuresp1andp2whentheprocessisareversibleadiabaticonewhichisdefinedbyp0vok=const.Shouldoneencountersuchaprocess,onewouldobtainhl=f1-f2.Aproblemisthatthenumericalvalueofp(òvdp)isentr.p0,v0dependsonthechoiceofp0andv0.Asp(òvdp)isentr.=CpT0((p/p0)(k-1)/k-1)58 p0,v0indicates,thelargerT0andthesmallerp0,thelargerthevalueoftheintegral.PredictingairflowdirectionsinairwayswhichconnectminesectionswithgreatlydifferentpressuresandtemperaturesmustwithBystron’smethodrequireagreatdealofexperienceTable1.AirPropertiesinanAdiabaticMineAirwayDatanojsjfdZdThlPldpsidsadns112-500.04.9150.0188.4-148.570.58481.2560223-500.04.9150.0196.2-145.780.57491.3079334001000.01326.4-966.553.41301.3263425001132.11441.2-1112.763.92921.2729545500.04.900-0.43-0.05871.2913646001000.01310.7-966.553.41301.3106767500.0-4.9150.0191.3-146.730.45791.27498570.01132.11421.61112.853.92951.2556978500.0-4.9150.0183.6-148.870.46551.2199108902.5-2534.43056.82534.30-0.08141.206211910-2.500-11.26-8.82771.2250NodeDatajnoTZdnsppsis1283.2.01.2303100000.00.00002288.1-500.01.2816105971.7-148.57.58483293.0-1000.01.3342112190.3-294.351.15974293.0-1000.01.3184110864.0-1260.904.57275288.1-500.01.2642104530.8-1261.334.51406293.0-1000.01.3028109553.5-2227.457.98577288.1-500.01.2470103109.3-2374.188.44368283.201.192796943.5-2523.058.90919285.701.2196100000.311.258.8277Table2.ExampleofaNon-AdiabaticMineAirwayDataNodeDataNojsjfRQpljnoTZ11212.5178.6398.71283.2.022315.0105.3166.42288.1-500.0334200.0105.32219.23293.0-1000.0425400.073.32146.74298.0-1000.0545000.0005293.1-500.0646200.0105.32219.36303.0-1000.076715.0105.3166.57298.1-500.0857400.073.32146.48293.2097812.5178.6398.79295.7058 10890178.6-4623.611910178.60Table3.AirPropertiesinNon-AdiabaticMineAirwayDatanojsjfdZdTpldpsidsadns112-500.04.9398.0-314.071.16921.2547223-500.04.9166.1-123.20.49521.305433405.02214.2-1414.1622.72831.307742505.02144.9-1538.4823.16731.2554545500.0-4.90-1.11-.05631.257664605.02211.3-1364.8922.55431.2603767500.0-4.9165.8-129.240.39621.211485705.02149.1-1493.0223.00681.2088978500.0-4.9398.0-330.061.10531.1597108902.5-4623.63943.63-5.05781.155911910-12.50-268.01-43.39071.2043NodeDatajnoTZdnsppsis1283.2.01.2303100000.0.000.00002288.1-500.01.2790105756.2-314.0711.16923293.0-1000.01.3318111993.2-437.2701.16444298.0-1000.01.2836109778.9-1851.43324.39275293.1-500.01.2317103610.2-1852.54624.33656303.0-1000.01.2370107567.6-3216.32546.94717298.1-500.01.1859101461.1-3345.56447.34328293.201.133495374.9-3675.62548.44859295.701.178399998.5268.00743.3907Table4.NodeConnectionWithSurfaceAirwayDatafromNetworkCalculationnojsjfRQpl11212.5177.6394.322315.0104.7164.3334200.0104.92200.5425400.073.02129.05451000.000646200.0105.42220.558 76715.0106.0168.7857400.073.52160.797812.5180.2406.110890180.9-4623.611910180.9.01215>1060.52639.51317>1060.74912.61418>1060.74623.61513>1060.2567.51614>1060.52531.61716>1060.74523.6nopladnshlTavdpsiRed.Av.1394.31.2547314.8285.65-314.07311.582164.31.3054125.9290.55-123.20122.6732200.51.30771682.7295.50-1414.161612.6942129.01.25541695.9290.60-1538.481652.67501.25760295.55-1.11062220.51.26031761.9300.50-1364.891660.457168.71.2114139.2300.55-129.24131.2082160.71.20881787.5295.60-1493.021712.499406.11.1597350.2295.65-330.06335.4110-4623.61.1559-4000.0294.453943.63-3847.17Table5.ReducedAvailabilityChangeRed.Av.WithaReferenceDensityNodeDr=1.23kg/m3Dr=1.25kg/m3Dr=1.27kg/m310002-273.2-371.3-469.43-67.6-263.8-460.04-2268.1-2464.3-2660.55-2403.5-2501.6-2599.76-4488.6-4684.8-4881.07-4564.2-4662.3-4760.48-4625.5-4625.5-4625.59-1.9-1.9-1.9Table6.PressureLossPotentialsObtainedWithaReferenceDensityTable7.SubtractionofNVPFromAirways58 AirwaysNodesnojsjfplmodif.pljnopotential112398.01.0223166.12-398.03342200.53-564.14252144.32366.64-2764.6545.05-2764.66462214.51295.16-4059.7767165.87-4225.68572149.11460.98-4623.6978398.09.01089-4623.61191.0Mesh1comprisesairways4,-5,-3,-2.Naturalventilationof-222.3Pawasappliedtoairway4Mesh2comprisesairways6,3,7,9,2,1,11,10Naturalventilationof919.4Pawasappliedtoairway6.Mesh3comprisesairways8,5,3,9,2,1,11,10.Naturalventilationof688.1Pawasappliedtoairway8.Table8.DistributionofNVPonAllAirwaysInputOutput1Output2nojsjfplmodif.plres.Qmodif.plres.Q112394.4359.695.5%360.995.2%223164.3148.595.1%148.795.1%3342200.51989.495.1%1991.195.1%4252129.02137.9100.2%2139.8100.3%545.0.0100.0%.0100.0%6462220.52016.495.3%2014.095.2%787168.7153.295.3%153.095.258572160.72169.6100.2%2162.0100.0%978406.1370.395.5%370.895.6%1089-4623.6-5073.3104.4%-5037.8104.4%1191.0.0100.0%.0100.0%InputisbasedonTable3,Output1onmeshselectioninTable7,Output2onanother,differentmeshselection.CONCLUSION.Theredoesnotseemtobeasimplewaytousepotentialsinmineventilation.Potentialsarepointfunctions.Propertiesarepointfunctionsalso.Noneof58 theknownpropertiesseemtomeetthedesiredcharacteristicsofindicatingairflowdirectionsandairflowratesbetweenpointsofdifferentpotentials.Ifonedecidestousepotentialsanywayforthepurposeofindicatingpotentialairflowdirectionandratesbetweenpoints,someapproximationisneeded.Itseemsthatusingadjustedpressurelosses,wherenaturalventilationhasbeendistributedontheairwaysofthemesh,generatingthenaturalventilation,proportionaltothepressurelossesoftheairways,isthebestwaytogo.REFERENCESBystron,Henryk.AerodynamicPotentialUsedfortheControlofFireAreasinMines.SecondInternationalMineVentilationCongress,Reno,NV,1979,pp460-69.58 附录B（英文翻译）确定矿井通风势能密歇根州工科大学采矿工程系，RudolfE.Greuer摘要：在水力网中，通常称某点的绝对压力与密度、高度的乘积的和为这点的势能。势能是一个能够用来预测流体流向和流速的点函数。势能差通过计算总的泵压和扣除压力损失来获得的。由于不同的空气密度，计算总的风机压力和减去压力损失的结果取决于所选择的路径。所以，这样计算得到的势是路径的函数，并且只可有限地预测流体流向和流速。因为热力学性质是点函数，它们提供自己势能。但是没有一个熟知的热力学性质满足势能的已知特征。在近似的情况下，势能仍然没有得到广泛应用。作者描述了建立势能的不同方法，讲述了他所学到有关势能的内容和用已经实践过的例子来表现势能的特征。关键词：矿井通风压力，通风计划编制，网路稳定度，流体流向，自然通风压力，压力损失，热动力的有效性简介流体机械中，势能是绝对压力加上密度、高度乘积的总和。势能是容易得到的并且是普通的量。因为当已知流体中的两点的势能时，可以预测流向和计算流速。就像水力学中的一样，当流体密度保持恒定时，很容易确定势能。总的压力损失减去泵压就得到两点间的势能差。所以，势能广泛应用于水力学中。为了表示泄流的流向和风路连接着的两点间的流速，大量要求势能详细列入通风系统中。与水利网络相比，通风系统中的密度是改变的。加和压力损失和减去风机扬程的结果取决于作业时所选择的路径。流体沿着两点间不同路径流动得出两个不同势能差。这两个不同的势能之间的差值就是网孔中自然通风压力。网孔是由于这两条不同路径形成的。如果自然风压大的话，就像高海拔和温度变化发生在横贯的路径上的情形一样，这个差值就会很大并且再也不能从势能差中预测空气流向和流速了。所以，理想的势能不能是路径函数，必是点函数。所有的热力学性质都是点函数。虽然有很多不同的性质，但是没有发现一个比势能更常用于预测空气流向和流速。70 在热力应用中可见一丝曙光，这就是经常在内能利用中提到的势能。热力学应用可以在其他热力学性质和函数的基础上定义，这些性质和函数是无论如何在通风网络计算中必备的。所以，使得热力学应用吸引众人目光。又因为实用性分析在热力设计中是强有力的工具，所以同样有希望制作通风计划编制有用的工具。论文中阐述的例证表明：不幸的是，热力学应用作为通风势能的实用性是有限的。像其他点函数如压力，他太受压力的影响而失去实用的价值。由于势能在水力学中的广泛应用，仍然在矿井通风中普遍使用。获得势能的方法不经相同。关于这方面的文献很少。本论文阐述了确定势能的不同方法并用例证刻画了他们的特征。这些方法是作者从文献中，与同事的交流中学到的。由作者所揭示和优化的这些方法用来分配风巷中网孔的自然风压。网孔中的自然风压与网路中的压力损失成正比，与网孔风路的所有压力损失绝对值之和成反比。通风网路中的热力学通风网络计算可基于体积流量（m3/s）和单位体积的能量（J/m3=Pa=风压）或者基于质量流量（Kg/S）和单位质量的能量（J/Kg）。网络计算中所谓的网孔等式是利用热力学中所谓的能量等式。单位质量的能量等式表述如下：vdp+gdz+dV2/2+dhl-dhf=0或者单位体积用D=1/v*dpl=Ddhl*dpf=Ddhfdp+DgdZ+D/2dV2+dpl-dpf=0v------比体积（m3/kg）D=1/v---密度（kg/m3）p-----压力（Pa）g-----重力加速度=9.81m/s2Z-----高度（m）V-----速度（m/s）hl-----压头损失(J/kg)hf------风机扬程(J/kg)pl----压力损失（pa）pf----风机压力（pa）总结网孔四周可得出：åhl-åhf=-vdp=hnåpl-åpf=-DgdZ=pn70 这里的hn=自然风压头（J/Kg）pn=自然风压力(Pa)在本论文中，基于体积和质量的网路计算都用到了。在美国，使用基于流速和单位体积能量的网路计算比基于质量更为普遍。而另一方面，使用质量计算法是质量守恒定律最为简单的方法。所以，作者做出妥协，通常情况下，网路基于质量计算。但是结果导致需要常量转换因子，参考密度（表示单位参考体积）的协助。作为热力学性质的势能势能是点函数，所有的热力学性质都是点函数。在通风网络计算中更通常使用的是高度Z和温度T。通常情况下，更易见到他们并获得他们。三个其它热力学性质：压力P，熵S，效用性Y也许如势能一样实用。因为这三者在通风网络计算中几乎不用，所以通常见不到他们。若已知节点的温度，高度和风巷的压头损失，则不难计算节点的压力。假定多变过程关系式p2=p1(T2/T1)**A；其中A=(-gdZ-hl)/(R(T2-T1))能够应用，并应用到热力过程须改为：p2=(p1)**B；其中B=(-gdZ-hl)/(RT1).参照参考点（通常为地面）可计算所有节点的压力。基于一个恒量参考点的压力，所得到的是标准的压力分布。如果参考点用于熵和效用性，那么可以通过压力p，高度Z，和温度T计算节点的熵s和效用性Y。s=Cpln(T/T0)-Rln(p/p0)Y=Cp(T-T0)-T0(s-s0)+g(Z-Z0)这里To,so,Zo是任意选定参考点的温度，熵，和海拔高度。本论文中To=283.2K,so=0J/kg,Z0=0m.应用于地表空气状态。用这个可计算节点的密度dns(D)，平均密度adns，熵变ds和风巷中效用性改变量dpsi(dY)。若已知压力损失pl=hlD，则不难计算压力p和其他性质参数D,s等等。风巷中压力从p1变化到p2：并采用近似òvdp=2(p2+p1)/(D1+D2)则有p2=(p1(1-gdZ/(2RT1))-pl)/(1+gdZ/(2RT2)70 图一作为例子：表一中用数据表示了图一网络风巷中的压头损失hl,压力损失pl,高度变化dZ,和温度变化dT,以及节点的绝对温度和高度。假定矿井是在空气和巷道墙壁之间没有任何热交换的绝热矿井。这个假设允许手工校核性能计算。压头损失是人已选定的，以致在对角线巷道5中空气流是静止的。压力p可用来确定风巷中两节点间压力损失的有效性。pl=(p1-p2)+(D1+D2)g(Z1-Z2)/2效用性可用来确定风巷中两节点间压头损失的可利用性。hl=Tav/T0(Y1-Y2)+(Tav/T0-1)(Cp(T2-T1)+g(Z2-Z1))节点间的自己形成的压力差几乎不用于预测空气流向和流速。因为压力太受高度的影响。例如：高度变化不到0.1m，而压力变化1Pa。类似情形可应用于效用性。由于压力损失而引起的效用性的改变量近似等于1J/Kg.Pa。由于高度，温度引起的改变量取决于风巷中的温度。空气平均温度比参考点的高出5度，温度升高1度可影响有效性近似增加17J/kg.参考点发挥着重要的作用。若参考点温度比风巷中的温度高出10度或20度，则温度每增加一度，效用性近似增加34J/kg和66J/kg;高度每增加一米，效用性增加0.33J/kg和0.65J/kg。对于高度变化和温度变化相互平衡的绝热风巷，效用性变化接近于压力损失。对于其他类型的风巷，难以快速从效用性数据中估计有用的压力损失。从压力损失或压头损失或效用性变化得出势能以下用表2中的数据来论证图一网络的运行。采用和表一中同样的对称格式，但是网络中再也不是绝热的，并且风压是增加的。气流速度Q表示为标准的m3.70 性质计算的结果包含在表格三中。有时需要将基于压力的通风网络投影到水平平面上，这是通过假设的风巷用水平面一个共同的点连接网络中所有的节点做到的。假设的风巷具有如此大的阻力以致于气流分布不会颠倒。如果这个共同点的势能为零，则假设风巷中的压力损失认为是这点的势能。易认识到：若风巷中两点的密度不同，这两点间的势能差不等于这段风巷中的压力损失。从巷道中一个网孔到这个网孔产生通风压力。表格4给出了穿过17的假设连接12的图一的网络。可见，即使在风巷5中气流使静止的，4，5节点间势能差达到107.93Pa。4，5点间的势能差是通过假设风巷12和16之间的压力损失差得到的。计算有效性时，同等的办法用来温度和高度的变化。效用性的变化可通过DY=T0/Tavhl来获得。表格5展示了表格2对应网络的例子。两个表格中压力损失的细小差异是由网路计算重复方法所引起的。在表格中称DY为减少的效用性Red.Av。用加和压头损失的方法是不能产生点函数的，加和减少的效用性也不能产生点函数的，即使T0/Tavhl比hl小也是不能的。在这种方法中有一些认为是正确的：hl/Tav等于由压头损失引起的熵变。一种受到欢迎的实际用的确定潜能的方法是分配网孔巷道中的自然通风压力或是压头。在网孔中产生潜能。在自然通风压pn=-DgdZ的情况下，被认为只是非水平的斜巷对子自然风压做出贡献。并这样得到的自然风压须经过校正。自然风压的分配以一些任意的方式在进行，比如为了自然风压源的利益。以系统的方式考虑自然风压，则必须对每一条非水平巷道确定DgDZ的量并把它嵌入网络计算中。为便于对处理，用(D-Dr)gDZ是有利的。其中：Dr是任意选定的平均密度。所以网孔中的自然风压pn=-å(D-Dr)gDZ=-åDgDZ.对于pn的分布，可计算非水平巷道中的Dpn=-gDZ(D-Dr)。从压力损失pl中减去这一项，得到一个点函数或潜位能。即：p0=pl-Dpn.这个潜能的问题是如压力和效用性一样对空气流的流向和流速毫无启蒙作用。为获得假定巷道中节点之间的可能压力损失的信息，须计算风巷中的Dpn，然后用pl=Dp0+Dpn.对于表格2中的网络系统，表格6给出了Dr的不同值，求得潜能的例子。可见：势能值很大程度上取决于所选定的Dr，并且势能差和空气流向几乎不相关的。获得势能（或对压力损失的点函数）的另一可能办法是减去构成网孔的的巷道中的由压力损失而形成的自然风压。表格7给出了从最大压力损失巷道取每一个网孔中减去自然风压的例子。一旦这个完成后，由可能计算出代替风巷中已减去的自然风压新的阻力因素。70 无论是用自然风压考虑的网络计算还是用修正的阻力来网络计算，都没有任何差别，这是因为存在网络的数字描述不会改变，若是通过增加，减少巷道或是改变阻力来改变网络，则会出现一个差值。测验表明这个差值在很多示例中不太大并在实际当中可能忽略不计。从压力损失或压力损失生成点函数的系统方法是使用网络计算程序所采用的网孔生成步骤，早在60年代作者就采用了这种方法。并且在后面的方法的其是NISOSH当作MFIRE程序中的一部分。假设网络中由nb各分支和nj各节点，则网络在nb－nj＋1各独立的网孔，这就是所谓的主要风巷的数量，主要风巷的其独特性，固定量风路和风路中阻力系数R和风量流量Q的乘积构成其风压。必须以这样的方式进行选择，余下的风路（称为附属风路）才能形成树。这意味着必须到达每一个节点但不必须形成网孔。然后主要风路和附属风路形成网孔并且是唯一的网孔。这个网孔产生的自然通风是特殊的只用辅助风路，每一个节能过唯一的路径通过，若是把沿这条路径的压力损失或压头损失加和起来，可得到一个点函数。这也许很有用处，因为树中势能差代表源头的压头求压力损失。主要风路的势能差不管怎样也代表主要风路的压力损失求压力损失减去由主要风路组成的网孔形成的自然风压，表格7给的基于表格3的网络的例子。通过在风路中分布IT排除自然风，以这种方式获得势能有时因为势能是通过通风机械的方法来获得，着方法是分配网孔风路压力损失而产生的自然通风。若自然风很小，比如在煤矿中这种方法足够了，同样对于更大通风能量的情形也是适用的。因为大多数风路是好几个网孔中的一部分，所以这样的分配会重复做很多次。统一性可能是一个问题。当网络中的节点高度都是确定，和矛盾存在时，这个任务类似于测量中演示的错误纠正计算，作者几乎尝试过了10种不同的方法并取得了不同程度的成功，随着校正的过程可获得最好的一致性，在这过程种自然风压pn=åpl分配给网孔种的风路，并与压力损失pl成正比，与这网孔中所有压力损失的绝对值之和åêplç成反比。总结：网孔风路的压力损失Pe(i)以等式：Dpl(i)=(åpl(i)/åçpl(i)ç)pl(i)减少至一个新量Pe。这个过程穿过所有的网孔并持续道减少量Dpl为零。表8给出了一个示例。其中用到了表5中的压力损失和表7的网孔选择和其它网孔选择，在两种情况下，大约需要重复10次70 可见：减少的压力损失（经修正过的压力损失）与实际压力损失不会相差太大，尤其考虑到例子中较大的自然风压，情况更是这样的。使用减少的压力损失代替实际的压力损失影响将会是在网络计算中流体流量一栏中显示res.Q.可以看到这个影响不是很大，在开采条件下几乎不可测的。这种分配自然风压的方法也应用于现存矿井中更大的网络系统。所有的情况子下重复10次计算，一致性会更好。普遍使用通风势能没有得到控制的空气流会有很多严重的后果。泄漏的流体可从停止作业的矿井部分运输污染物到作业的工作面。或者能够从工作面输送氧到停止作业区域，这很有可能引起自燃。要么能够引起煤层着火。防止空气流的无控制状态最有效的方法是压力平衡，这样推动空气流动的压力因素被消除掉了。能量等式给定了空气流的状态，在文章的开头已经引用过了。没有风机的情况子下，等式可表示为：vdp+gdZ+dV2/2+dhl=0(J/kg)dp+DgdZ+D/2dV2+dpl=0(J/m3=Pa)dhl，dpl反过来在空气流可能的情况下会产生压头或压力损失。对上两式在1，2两点间求积分可得到：hl=-òvdp+g(Z1-Z2)+(V12-V22)/2pl=p1-p2+DgdZ+D/2(V12-V22)事物之间存在着直接的联系。如上述，在1，2点之间有不止一个可能的流经的话，事情就就会更复杂。描述这些节点间可能流经的特点，用两点的点函数应用到所有的风路中去，这个点函数就是点的势能。有关给势能赋值问题的一些评论和怎样进行赋值的一些建议可在几乎所有有煤炭的国家的文献中找到。没有统一的方法。不统一存在的可能性在论文的前半部分已经讨论过了。有关势能的系统研究在波兰半个世纪之前就做过了。波兰这个国家同样是在没有使用计算机的情况下由于火引起的不稳定性预测（后来成为Budryk编制）的先锋。在三十多年工作经历后获得有关势能见识的概括后，于1979年Bystron在第二届国际矿山通风会议上公布了。也许存在作者没有注意到的新的工作情况。由Bystron70 引入的势能表示为：pF=(òvdp)isentr.+g(Z-Z0)+1/2(V2-V02)p0,v0将空气从参考点的状态p0,v0,Z0,V0转换到p,v,Z,V.的状态是最小的功。用同样的功可以将其逆过程（将状态p,v,Z,V.转换为参考点状态p0,v0,Z0,V0的过程）完成。做功的概念在某些方面类似于效用性的概念，因其表达了在给定状态和参考状态之间最大量的功。无论如何重要的区别在于两个状态的效用性差表达了这两个状态之间可能输出的最大功量。Bystron的空气动力学势能差表达了在用p0vok=常数定义的可逆绝热过程中，压力分别为P1,P2的两状态之间可能输出的最大功量。若是遇到这样的过程，可以得到hl=f1-f2.现在的问题是p(òvdp)isentr.p0,v0的数值取决于Po和Vo的选取。因为：p(òvdp)isentr.=CpT0((p/p0)(k-1)/k-1)表明：To越大，Po越小，积分得到的值越大。p0,v0预测连接有很大压力和温度差别矿井区域的风巷中的空气流流向用Bystron方法是需要有丰富经验的。表1：绝热矿井中空气性质风路数据：nosjdZdThlPldpsidsadns112-500.04.9150.0188.4-148.570.58481.2560223-500.04.9150.0196.2-145.780.57491.3079334001000.01326.4-966.553.41301.3263425001132.11441.2-1112.763.92921.2729545500.04.900-0.43-.05871.29136460.01000.01310.7-966.553.41301.3106767500.0-4.9150.0191.3-146.730.45791.2749857001132.11421.61112.853.92951.2556978500.0-4.9150.0183.6-148.870.46551.2199108902.5-2534.43056.82534.30-0.08141.206211910-2.500-11.26-8.82771.225070 节点数据：jnoTZdnsppsis1283.2.01.2303100000.0.0.00002288.1-500.01.2816105971.7-148.57.58483293.0-1000.01.3342112190.3-294.351.15974293.0-1000.01.3184110864.0-1260.904.57275288.1-500.01.2642104530.8-1261.334.51406293.0-1000.01.3028109553.5-2227.457.98577288.1-500.01.2470103109.3-2374.188.44368283.201.192796943.5-2523.058.90919285.701.2196100000.311.258.8277表2：非绝热矿井的范例风路数据：节点数据：NojsjfRQpljnoTZ11212.5178.6398.71283.2.022315.0105.3166.42288.1-500.0334200.0105.32219.23293.0-1000.0425400.073.32146.74298.0-1000.0545000.0005293.1-500.0646200.0105.32219.36303.0-1000.076715.0105.3166.57298.1-500.0857400.073.32146.48293.2097812.5178.6398.79295.7010890178.6-4623.611910178.60表3：非绝热矿井空气的性质风路数据：nojsjfdZdTpldpsidsadns112-500.04.9398.0-314.071.16921.2547223-500.04.9166.1-123.20.49521.305433405.02214.2-1414.1622.72831.307742505.02144.9-1538.4823.16731.2554545500.0-4.90-1.11-0.05631.257664605.02211.3-1364.8922.55431.2603767500.0-4.9165.8-129.240.39621.211485705.02149.1-1493.0223.00681.2088978500.0-4.9398.0-330.061.10531.1597108902.5-4623.63943.63-5.05781.155911910-12.50-268.01-43.39071.204370 节点数据：jnoTZdnsppsis1283.2.01.2303100000.0.000.00002288.1-500.01.2790105756.2-314.0711.16923293.0-1000.01.3318111993.2-437.2701.16444298.0-1000.01.2836109778.9-1851.43324.39275293.1-500.01.2317103610.2-1852.54624.33656303.0-1000.01.2370107567.6-3216.32546.94717298.1-500.01.1859101461.1-3345.56447.34328293.201.133495374.9-3675.62548.44859295.701.178399998.5268.00743.3907表4：与地面连接的节点从网络计算中得出的风路数据：nojsjfRQpl11212.5177.6394.322315.0104.7164.3334200.0104.92200.5425400.073.02129.05451000.000646200.0105.42220.576715.0106.0168.7857400.073.52160.797812.5180.2406.110890180.9-4623.611910180.901215>1060.52639.51317>1060.74912.61418>1060.74623.61513>1060.2567.51614>1060.52531.61716>1060.74523.6表5：减少的效用性改变量Red.Av.nopladnshlTavdpsiRed.Av.1394.31.2547314.8285.65-314.07311.582164.31.3054125.9290.55-123.20122.6732200.51.30771682.7295.50-1414.161612.6942129.01.25541695.9290.60-1538.481652.67501.25760295.55-1.11062220.51.26031761.9300.50-1364.891660.457168.71.2114139.2300.55-129.24131.2082160.71.20881787.5295.60-1493.021712.499406.11.1597350.2295.65-330.06335.4110-4623.61.1559-4000.0294.453943.63-3847.17表6：以参考点密度来获得压力损失势能70 NodeDr=1.23kg/m3Dr=1.25kg/m3Dr=1.27kg/m31.0.0.02-273.2-371.3-469.43-67.6-263.8-460.04-2268.1-2464.3-2660.55-2403.5-2501.6-2599.76-4488.6-4684.8-4881.07-4564.2-4662.3-4760.48-4625.5-4625.5-4625.59-1.9-1.9-1.9表7：减去风巷中自然风压巷道节点nojsjfplmodif.pljnopotential112398.01.0223166.12-398.03342200.53-564.14252144.32366.64-2764.6545.05-2764.66462214.51295.16-4059.7767165.87-4225.68572149.11460.98-4623.6978398.091089-4623.61191.0网孔1由风路4,-5,-3,-2构成。222.3Pa的自然风压可应用于风路4。网孔2由风路6,3,7,9,2,1,11,10构成。919.4Pa的自然风压应用于风巷6。网孔3由风路8,5,3,9,2,1,11,10构成。688.1Pa的自然风压应用于风巷8。表8：所有风路自然风压的分布nojsjfplmodif.plres.Qmodif.plres.Q112394.4359.695.5%360.995.2%223164.3148.595.1%148.795.1%3342200.51989.495.1%1991.195.1%4252129.02137.9100.2%2139.8100.3%545.00100.0%.0100.0%6462220.52016.495.3%2014.095.2%787168.7153.295.3%153.095.258572160.72169.6100.2%2162.0100.0%978406.1370.395.5%370.895.6%1089-4623.6-5073.3104.4%-5037.8104.4%1191.0100.0%.0100.0%70 总结在矿井通风中，似乎没有简单的方法来使用势能。势能是点函数。性质也是点函数。没有一个已知性质能够满足指示不同势能点间的空气流流向和流速的所期望的性质。如果不管怎样决定要使用势能来判断点之间流向和流速的话，是有必要作一些近似处理的。在产生自然风并且其与沿途压力损失成正比的网孔上分布自然风时，似乎看来使用调整过的压力损失是最好的方法。参考书目Bystron,Henryk.空气动力学之势能.用于控制矿井火灾.第二次国际矿山通风协会，NV,1979,pp460-69.70