瓦斯研究进展

摘要:简述了解放后我国部分瓦斯研究的进展，包括瓦斯基础理论研究的进展、煤与瓦斯突出研究的进展、井下瓦斯爆炸研究的进展三方面。

关键词:瓦斯基础理论；煤与瓦斯突出；井下瓦斯爆炸；研究；进展

一、前言

解放后，特别是改革开放以来，在党和国家的领导下，在国家有关部门的支持和关怀下，我国的瓦斯研究取得了很大的进展，现把笔者知道的、了解的我国部分瓦斯研究进展作简要的阐述。

二、瓦斯研究进展

这里所说的瓦斯研究进展，包括瓦斯基础理论研究的进展、煤与瓦斯突出研究的进展、井下瓦斯爆炸研究的进展三方面，分述于下。

（一）瓦斯基础理论研究进展

1、瓦斯气体常数α、b值的计算

范氏气态方程建立以来，人们通常是应用范氏气态方程来计算瓦斯的压强，但应用范氏气态方程时，必须确定瓦斯气体常数α、b值，以往人们都是用实验的方法来测定α、b值，而加工制造一台测定α、b值的仪器，需要资金几十万元，因此，世界各国都一直在寻求一种计算α、b值的方法（公式）。

直到1996年，我国文献[1]在世界上第一次推导出了计算α、b值的公式，从此结束了用实验测定α、b值的历史，开辟了用计算法确定α、b值的新时代。经十多年来世界各国的实际应用表明，用我国推导出的公式来计算α、b值，又准确、又简便、又能节约资金几十万，可大大提高研究瓦斯的经济效益。

2、由瓦斯的临界参量计算瓦斯分子的直径

以往世界上计算瓦斯分子瓦斯分子直径的方法不能直接由瓦斯的临界参量来计算，直到2007年，我国文献[2]在世界上第一次推导出了由瓦斯的临界参量直接计算瓦斯分子直径的公式，在瓦斯研究史上第一次解决了由瓦斯的临界参量直接计算瓦斯分子直径的问题。虽然用以往的计算方法也能求得瓦斯分子的直径，但以往的方法计算复杂、繁琐，而直接由瓦斯的临界参量来计算，准确、简便。所以，现在世界各国都是直接由瓦斯的临界参量来计算瓦斯分子的直径。

3、适用理想气态方程计算的瓦斯压强

以往人们都认为，只在常温常压下（1MPa以下），才能适用理想气态方程来计算瓦斯的压强，这个传统的观念历时了100多年，直到2005年，我国文献[3]在世界上第一次求得并验证，在常温（如27℃下）的情况下，适用理想气态方程计算的瓦斯压强可高达31.3MPa，这是一个惊人的数字。

4、适用理想气态方程计算的瓦斯压强最高值

2007年，我国文献[4]的进一步研究表明，适用理想气态方程计算的瓦斯压强最高值为31.4MPa，（即3.14×10MPa），并且是一个常量，这一个常量的求得，在世界上也是第一次，并且与数学上的常量π=3.14具有同等的重要意义。

5、瓦斯分子压强平衡方程的建立及应用

随着瓦斯研究的进展，人们认为，对于研究瓦斯，就应该有一个瓦斯分子压强平衡方程，到了2006年，我国文献[5]在瓦斯研究史上第一次建立了瓦斯分子压强平衡方程，瓦斯分子压强平衡方程的建立，标志着我国的瓦斯研究已取得了很大的成功。

应用瓦斯分子压强平衡方程可以判定，理想气态方程计算的瓦斯压强比范氏气态方程计算的瓦斯压强，在什么情况下偏低，在什么情况下偏高，在什么情况下相等这三种情况。

由以上三种情况的判定，可得推论：在常温常压下，理想气态方程计算的瓦斯压强比范氏气态方程计算的瓦斯压强偏高。

相关人士预测，瓦斯分子压强平衡方程的建立及应用，将会引起传统教材的有关内容进行修改或改革，因此，可以说，瓦斯分子压强平衡方程具有革命性和进步性。

6、充气问题

如何判定Nmol的瓦斯气体，能否全部充入一个容积为V的容器中呢？这是一个充气（充瓦斯）工作中需要解决而没有得到解决的问题。

直到2008年我国文献[6]给出其判定方法是，把N和比较，若N＜，则能全部充入，若N≥则不能全部充入，这是在瓦斯研究史上第一次得出的科学判定方法。（b—瓦斯气体常量）。

7、瓦斯分子压强平衡时其分子间的距离计算

瓦斯分子压强平衡时，瓦斯分子之间的距离r平，是研究瓦斯分子最低势能和分析瓦斯分子稳定状态的一个重要参数。由前人的研究成果可知。r平的数量级为10-10M，但是，如何计算r平的数值，在以往的专著、论文、资料上还找不到答案，直到2008年，我国文献[7]在瓦斯研究史上。第一次阐明了计算r平数值的步骤，并结合煤层抽放的瓦斯温度实际，计算出了r平的数值，这在前人研究成果的起点上又前进了一步，这是与时俱进的一步。

（二）煤与瓦斯突出研究进展

煤与瓦斯突出的研究，主要是对煤与瓦斯突出机理的研究和预测突出指标临界值的研究。

1、放炮引起煤与瓦斯突出机理的研究

煤与瓦斯突出的机理（即解释突出原因和突出过程的理论）十分复杂，世界上尚没有统一的见解，不过，从我国炮采矿井的煤与瓦斯突出的实际情况来看，煤与瓦斯突出大多数是由放炮引起的。放炮为何能引起煤与瓦斯突出呢？1998年，我国文献[8]对这一问题进行了探讨研究，研究结果表明：井下放炮发生煤与瓦斯突出的原因有两个：一个是煤体内部的原因，即煤体具有集中应力和高压瓦斯，二是煤体外部的原因，即放炮。井下放炮时，炸药爆炸放出的能量能煤体产生破碎和抛掷，使采掘工作面前方的集中应力和高压瓦斯突然释放，在集中应力和高压瓦斯的共同作用下，煤体被粉碎，形成煤粉瓦斯混合流，喷向采掘空间，这就实现了煤与瓦斯突出。

由此可知，防治放炮引起煤与瓦斯突出的方法也有两个：一是在放炮前消除煤体的集中应力和高压瓦斯，这是治本；二是改进放炮技术，弱化诱发突出作用，这是治标。

2、预测煤与瓦斯突出指标监界的研究

如何确定预测煤与瓦斯突出（简称突出），指标的监界值，世界上还没有固定的，统一的方法，因此，要确定适合我国预测突出的监界值，就必须从我国预测突出的实际方法，进行探讨研究。

（1）预测突出指标监界值具有动态性

1995年，我国文献[9]结合我国平寨矿的预测突出实际,对预测突出指标的临界值进行了分析研究,研究结果表明:预测突出指标的临界值具有动态性,是随着煤体应力状态的改变、瓦斯压力的改变而改变的。这一科学论断，对确定不同煤体应力状态，不同瓦斯压力的突出区域的预测突出指标临界值，有着重要的指导作用。

（2）煤体应力状态对钻屑量临界值的影响

由我国1995年研究得出的预测突出指标临界值具有动态性可知，预测突出指标的临界值是随着煤体应力状态的改变，瓦斯压力的改变而改变的，钻孔钻屑量作为一种预测突出指标，也必然随着煤体应力状态的改变，瓦斯压力的改变而改变，但在不同的矿井，由于地质条件不同，二者对钻屑量的影响侧重也不同。1999年，我国文献[10]在煤体应力状态对钻屑量影响占主导地位的突出矿井进行了研究，研究结果表明：在三向等压应力状态（侧压力系数λ=1）的突出区域，钻屑量的预测突出临界值比三向不等压应力状态（λ＞1）突出区域的小。这是在预测突出史上第一次得出的科学结论。这一结论叫应力状态对钻屑量影响原理。这一原理的发现，为不同应力状态的的突出区域钻屑量临界值的确定，提供了科学的依据。

（3）用数学分析法确定预测突出指标的临界值

在我国1995年研究得出的预测指标临界值具有动态性和1999年研究得出的应力状态对钻屑量影响原理的基础上，到了2002年，我国文献[11]又提出了用数学分析法确定预测突出指标的临界值。

数学分析法确定临界值的基本原理是：通过瓦斯地质规律研究，分析瓦斯的突出规律，筛选影响瓦斯突出的主要地质因素，以能反映瓦斯突出主要地质因素的预测指标为自变量，以突出危险性为因变量（函数），建立函数式，然后，考虑突出危险性为零的情况，通过解函数方程，就可求出预测突出指标的临界值。

数学分析法的应用，标志着预测突出的临界值，已由定性分析过度到了定量计算。

（三）井下瓦斯爆炸研究进展

1、推导出瓦斯爆炸参量方程

2004年，我国文献[12]把范氏气态方程与我国防治瓦斯爆炸的实践相结合，在世界上第一次推导出了瓦斯爆炸前、后参量的关系式，（为书写简便，简称瓦斯爆炸参量方程）。瓦斯爆炸参量方程，揭示了瓦斯爆炸前、后各参量的变化规律，为瓦斯爆炸事故的防治、或进行事故的调查、处理提供了科学的依据。为了使人们对该方程有更深入的理解和更好地应用，到2006年，经国家专家组评审通过，将其推导的理论依据及推导过程刊发在《中国科技发展精典文库》，2006年卷上[13]。

2、爆源特征尺寸计算方法的修正

井下瓦斯爆炸的爆源特征尺寸，是衡量井下瓦斯爆炸的主要特征参数之一，不论是事故的防治，还是进行事故的调查、处理，都要知道爆源的特征尺寸。以往计算爆源特征尺寸的方法简便易行，但其结果比实验巷道的测试数据偏高，这个理论计算值比实际测试值偏高的问题，是多年来没有得到解决的问题。直到2004年，我国文献[12]把瓦斯爆炸参量方程与重庆实验巷道进行的瓦斯爆炸实验测得的数据相结合，对这一问题进行了分析研究，研究结果表明：以往的计算方法其结果比实际测试数据偏高的主要原因是没有考虑到爆炸后的压力比爆炸前的压力增大的缘故。

其解决方法是：在原来计算方法的基础上，考虑一个反映爆炸后的压力比爆炸前的压力增大的修正系数，问题就解决了。这一问题的解决，标志着我国对瓦斯爆炸的研究及防治提高到了一个新的水平。

参考文献：

[1]王子佳，煤层瓦斯压力和瓦斯含量关系的研究，广西煤炭，1996.2

[2]王子佳，由瓦斯临界参量计算其分子直径公式的推导及应用，煤炭技术 2007、8

[3]王子佳，适用理想气态方程计算瓦斯压强的条件探讨，煤炭技术2005、10

[4]王子佳，特定条件下计算瓦斯压强的简便公式探讨，煤炭技术2007、10

[5]王子佳，瓦斯分子压强平衡方程的建立及应用，煤炭技术2006、9

[6]王子佳，瓦斯压力随瓦斯量变化的特性，煤炭技术2008、9

[7]王子佳，瓦斯分子压强平衡时其分子间的距离计算，煤炭技术2008、10

[8]王子佳，井下放炮引起瓦斯突出的机理分析，广西煤炭1998、1

[9]王子佳，预测瓦斯突出指标临界值的分析，广西煤炭1995、3

[10]王子佳，浅析煤体应力状态对钻屑量的影响，广西煤炭1999、4

[11]王子佳，用数学分析法确定预测瓦斯突出指标的临界值，煤2002、6

[12]王子佳，南宝井下瓦斯爆炸爆源特征尺寸计算方法的分析，中国煤炭2004、7

[13]王子佳，井下瓦斯爆炸前、后参量关系式的推导，中国科技发展精典文库2006卷一

二级参考文献：

[14]张许良、彭苏平、张子戌、袁崇孚，煤与瓦斯突出数学地质模型研究、煤田地质与勘探，2004、1

[15]周心权、吴兵、徐景德，煤矿井下瓦斯爆炸的基本特性，中国煤炭2002、9

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