基于分源預測法的華陽煤礦9＃、15＃煤層瓦斯涌出量預測

宋常勝 萇延輝

（河南理工大學能源科學與工程學院，河南省焦作市，454003）

基于分源預測法的華陽煤礦9＃、15＃煤層瓦斯涌出量預測

宋常勝 萇延輝

（河南理工大學能源科學與工程學院，河南省焦作市，454003）

采用鉆屑解吸指標法對華陽煤礦9＃煤層和15＃煤層的瓦斯含量和殘存瓦斯含量進行了測定，并分析了瓦斯含量分布特征；利用線性回歸方法研究獲得9＃煤層和15＃煤層瓦斯含量與埋藏深度的關系，得出了9＃煤層和15＃煤層原始瓦斯含量增長梯度；最后采用分源預測法對華陽煤礦開采前期、中期和后期的瓦斯涌出量進行了預測，確定華陽煤礦在9＃煤層和15＃煤層開采時屬于低瓦斯礦井，為礦井通風設計和瓦斯治理提供了依據。

瓦斯含量 瓦斯涌出量 預測 分源預測法 鉆屑解吸指標法

瓦斯災害是影響煤礦安全生產的主要因素之一，為了有效防治瓦斯災害，必須進行瓦斯涌出量預測。準確預測瓦斯涌出量是防治礦井瓦斯災害的關鍵因素之一，并能為工作面布置、井下瓦斯抽放設計、通風管理等提供基本依據。因此，瓦斯涌出量預測的準確性顯得尤為重要。本文運用分源預測法對華陽煤礦進行了瓦斯涌出量預測，為該礦的安全生產和瓦斯抽放設計提供了理論及數據基礎。

1 礦井概況

1.1 地質構造

華陽井田位于太行山復式背斜西翼，沁水盆地東翼南段，晉獲褶斷帶的西側。井田南部發育一條小型斷層F1，斷距10m，傾角45°。井田內構造總體上為一寬緩的褶曲構造，軸向北西，煤層總體走向北東，傾向北西，傾角4～7°，未見巖漿巖侵入。井田構造總體上屬于簡單類型，為單斜背景上發育次級褶曲。

1.2 煤層賦存

華陽煤礦井田內含煤地層為石炭系上統太原組和二疊系下統山西組，含煤地層總厚為148.15m，共含煤11層，煤層總厚度為13.60m，含煤系數為9.18%，含穩定可采煤層3層，即3＃煤層、9＃煤層和15＃煤層，總厚11.09m，含煤系數7.49%。

該礦原先開采3＃煤層，下一步設計開采9＃煤層和15＃煤層，9＃煤層與15＃煤層平均間距30.9m。9＃煤層上距3＃煤層底板62m，煤層厚度1.47～2.33m，平均1.74m，煤層結構簡單，夾0～2層夾矸。其直接頂板多為粉砂巖和泥巖，底板多以K4石灰巖為主，局部為泥巖。15＃煤層厚度2.41～4.09m，平均2.78m，煤層厚度變化大，結構復雜，含0～5層夾矸，頂板為K2灰巖，底板為泥巖和鋁土泥巖。

1.3 礦井開拓開采

華陽煤礦設計生產能力為600萬t／a，井田開拓方式為斜井開拓，即主斜井、副斜井、回風立井。礦井兼并重組后主要可采煤層為9＃煤層和15＃煤層，采用聯合開拓，設一個水平分別開采井田范圍內9＃煤層和15＃煤層，水平標高＋665m（15＃煤層頂板）。結合各煤層的厚度，采用走向（傾斜）長壁綜合機械化一次采全高采煤法，頂板管理采用全部垮落法。

根據大巷布置原則，礦井共劃分為5個采區，15＃煤層東北部為一采區，9＃煤層為二采區，15＃煤層西北部為三采區，15＃煤層西南部為四采區，15＃煤層東南部為五采區。

2 煤層瓦斯含量

2.1 煤層瓦斯含量測定方法

鉆屑解吸法測定煤層瓦斯含量的原理是：井下采集新鮮的原始煤樣，實測煤樣瓦斯解吸量，根據煤樣瓦斯解吸規律推算取樣過程煤樣的損失瓦斯量，然后在實驗室測定煤樣的殘存瓦斯量，最后根據煤樣的取樣損失量、井下瓦斯解吸量、殘存瓦斯量和煤樣重量計算煤層瓦斯含量。利用鉆屑解吸法對華陽煤礦9＃煤層和15＃煤層瓦斯含量進行測定，測定結果見表1和表2。

表1 華陽礦井工作面瓦斯成分測定結果

表2 華陽礦井地勘瓦斯含量測定結果

2.2 煤層瓦斯含量分布規律

（1）從表1和表2獲得的煤層瓦斯含量控制點的瓦斯成分和瓦斯含量來看，9＃煤層瓦斯中甲烷（CH4）成份為34.81%～79.16%，平均56.74%；二氧化碳（CO2）成份為12.36%～24.43%，平均16.88%；氮氣（N2）成份為6.21%～50.06%，平均26.38%。可以推測，9＃煤層處于瓦斯風化帶中的氮氣－甲烷帶。15＃煤層一部分處于瓦斯風化帶中的氮氣－甲烷帶，一部分處于甲烷帶。

（2）華陽煤礦9＃煤層和15＃煤層瓦斯含量（y）與埋藏深度（x）有著明顯的線性關系，煤層瓦斯含量隨著埋藏深度的增加而增大。華陽煤礦9＃煤層埋深與瓦斯含量相關關系見圖1，華陽煤礦15＃煤層埋深與瓦斯含量相關關系見圖2。9＃煤層滿足線性關系y＝0.0139x＋1.4181，擬合度R2＝0.738。15＃煤層滿足線性關系y＝0.0064x＋3.4681，擬合度R2＝0.2227。

圖1 華陽煤礦9＃煤層埋深與瓦斯含量相關關系圖

（3）華陽煤礦9＃煤層原始瓦斯含量增長梯度為1.39m3／t／100m，15＃煤層原始瓦斯含量增長梯度為0.64m3／t／100m。

圖2 華陽煤礦15＃煤層埋深與瓦斯含量相關關系圖

3 瓦斯涌出量預測

3.1 預測方法的選用

目前，國內外很多專家學者對瓦斯涌出量預測進行了大量的研究并提出了多種預測方法，大致可以歸納為三類：以數理統計為基礎的礦山統計法，以瓦斯含量為基礎的分源預測法和灰色預測法。長期以來，我國煤礦一直采用礦山統計法預測礦井瓦斯涌出量，這種方法不但要求有足夠大的樣本空間，而且要求預測區的地質條件、煤層開采技術條件與生產區相同或類似。一旦上述要求不能夠滿足，預測值可能與實際值嚴重偏離甚至完全不符；分源預測法是以煤層瓦斯含量、煤層開采技術條件為基礎，根據各基本瓦斯涌出源的瓦斯涌出規律，計算回采工作面、掘進工作面、采區及礦井瓦斯涌出量；灰色系統預測理論是以時間序列作為基點來進行預測的，它適用于呈指數規律發展的系統的預測。但是，有時盡管時間序列呈指數變化，也會出現一些擬合效果差甚至完全失敗的情況。它要求數據要光滑、GM（1，1）模型的背景值和GM（1，1）模型辨識參數。

鑒于上述原因，況且本礦井9＃煤層和15＃煤層均正處于巷道開拓布置階段，瓦斯涌出量數據較少，所以采用分源預測法預測本礦井瓦斯涌出量。

3.2 分源預測法

礦井瓦斯涌出源匯關系見圖3。根據煤層瓦斯含量和礦井瓦斯涌出的源匯關系，利用瓦斯涌出源的瓦斯涌出規律并結合煤層的賦存條件和開采技術條件，通過對回采工作面和掘進工作面瓦斯涌出量的計算，達到預測采區和礦井瓦斯涌出量的目的。

圖3 礦井瓦斯涌出源匯關系示意圖

3.3 預測條件

（1）礦井設計生產能力為60Mt／a。

（2）礦井生產前期：把15＃煤層一采區開采期間定為前期。在一采區布置1個綜采工作面、2個綜掘工作面，綜采工作面長度120m，采高2.78 m，回采率為95%；1個運輸巷道，斷面積為8.4 m2，1個回風巷道，斷面積為9.45m2，每個煤巷掘進隊掘進速度為300m／月，礦井采掘比為1︰2。

（3）礦井生產中期：把9＃煤層開采期間定為中期。設計9＃煤層布置1個綜采工作面、2個綜掘工作面。綜采工作面長度160m，采高1.74m，回采率為95%；1個運輸巷道，斷面積為8.0m2，1個回風巷道，斷面積為8.0m2，每個煤巷掘進隊掘進速度為300m／月，礦井采掘比為1︰2。

（4）礦井生產后期：把15＃煤層一采區剩余資源開采期間定為后期。

（5）年工作日330d。

3.4 瓦斯涌出量預測結果

考慮到礦井通風設計和生產期間瓦斯防治的需要，現對礦井達產后不同時期采區聯合開采時的最大瓦斯涌出量進行預測。瓦斯涌出量預測結果見表3～表6。

由表6可以看出：生產前期，礦井最大絕對瓦斯涌出量7.66m3／min，最大相對瓦斯涌出量6.07 m3／t；生產中期，礦井最大絕對瓦斯涌出量9.48 m3／min，最大相對瓦斯涌出量7.51m3／t；生產后期，礦井最大絕對瓦斯涌出量8.23m3／min，最大相對瓦斯涌出量6.52m3／t。按照《煤礦安全規程》第133條的規定，無論是生產前期、中期還是后期的9＃煤層和15＃煤層開采，華陽煤礦都屬于低瓦斯礦井。

表3 回采工作面瓦斯涌出量預測結果

表4 掘進工作面瓦斯涌出量預測結果

表5 采區瓦斯涌出量預測結果

表6 礦井瓦斯涌出量預測結果

4 結語

（1）用線性回歸方法，研究獲得了華陽煤礦9＃煤層和15＃煤層瓦斯含量（y）與埋藏深度（x）的關系。

（2）華陽煤礦9＃煤層原始瓦斯含量增長梯度為1.39m3／t／100m，15＃煤層原始瓦斯含量增長梯度為0.64m3／t／100m。

（3）采用分源預測法對華陽煤礦不同生產時期的瓦斯涌出量進行了預測，并得到了科學的預測結果，按照《煤礦安全規程》第133條的規定，無論是生產前期、中期還是后期，華陽煤礦9＃煤層和15＃煤層開采都屬于低瓦斯礦井。

［1］ 張子敏，林又玲，呂紹林.中國煤層瓦斯分布特征［M］.北京：煤炭工業出版社，1998

［2］ 王曉彬，張子敏，張玉貴等.新安煤礦瓦斯賦存影響因素分析［J］.煤炭工程，2010（2）

［3］ 王雙喜，張紅旗.礦井瓦斯涌出量預測的實踐［J］.陜西煤炭，2009（2）

［4］ 戴永祿.大型礦井回采工作面瓦斯涌出特征考察及影響因素分析［J］.中國煤炭，2012（5）

［5］ 詹海光，尹利平.采煤工作面瓦斯涌出量的聚類預測［J］.礦業工程研究，2009（3）

［6］ 王兆豐，肖東輝，陳向軍.分源法預測望云煤礦瓦斯涌出量［J］.煤，2008（6）

［7］ 國家煤礦安全監察局.煤礦安全規程［M］.北京：煤炭工業出版社，2011

Prediction on gas emission in 9＃and 15＃coalbeds in Huayang Mine based on different－source predicting method

Song Changsheng，Chang Yanhui
（School of Energy Science and Engineering，Henan Polytechnic University，Jiaozuo，Henan 454003，China）

With the method of desorption index of drill cuttings，the paper determines the gas content and residual gas content in 9＃and 15＃coalbeds of Huayang Mine and analyzes the distribution characteristics of the gas content；using the linear regression method，it obtains the relationship between the gas content and the burial depth of 9＃and 15＃coallbeds，and gets the original gas content growth gradient of the two coalbeds；finally，adopting the different－source predicting method，it predicts the gas emission rate in early，middle and late periods of coal mining in Huayang Mine，and determines that in mining of 9＃and 15＃coalbeds，Huayang Mine belongs to the low－gas mines，which provides a basis for ventilation design and gas control of the mine.

gas content，gas emission rate，predicting，different－source predicting method，method of desorption index of drill cuttings

TD712.53

A

宋常勝（1977－），男，江蘇睢寧人，博士，副教授，碩士生導師，主要從事采礦工程方面的教學科研工作。

（責任編輯 張艷華）