厚煤層綜放工作面回采期間瓦斯涌出量預(yù)測(cè)

王武

（山西晉神集團(tuán) 沙坪煤業(yè)有限公司，山西 忻州 036500）

0 引 言

瓦斯是指在成煤過(guò)程中，原始的有機(jī)質(zhì)在厭氧細(xì)菌的催化分解作用下，生成并儲(chǔ)存在煤層孔隙當(dāng)中的可燃性氣體，其主要成分為甲烷。在井工煤礦作業(yè)當(dāng)中，瓦斯一直影響煤礦的安全生產(chǎn)，對(duì)井下作業(yè)人員的生命安全構(gòu)成重要威脅。瓦斯防治工作，是煤礦安全工作的重中之重?；夭晒ぷ髅娴耐咚褂砍鍪堑V井瓦斯的主要來(lái)源之一，對(duì)瓦斯涌出量進(jìn)行預(yù)測(cè)，得到科學(xué)合理的預(yù)測(cè)值，將為礦井瓦斯的防治工作提供重要的數(shù)據(jù)參考[1]。針對(duì)瓦斯涌出量預(yù)測(cè)方面的研究，我國(guó)學(xué)者也做了大量的研究工作。王兆豐歸納總結(jié)了礦井瓦斯涌出源，將瓦斯涌出源分為4部分，并提出了瓦斯涌出量分源預(yù)測(cè)法[2]；張春璞將分源預(yù)測(cè)法應(yīng)用于成莊礦，對(duì)3號(hào)煤層的瓦斯涌出量進(jìn)行了預(yù)測(cè)，并總結(jié)了煤層的瓦斯分布規(guī)律[3]；徐青偉等針對(duì)礦山統(tǒng)計(jì)法的公式進(jìn)行了推導(dǎo)計(jì)算，并應(yīng)用EXCEL軟件對(duì)礦山統(tǒng)計(jì)法的瓦斯涌出量預(yù)測(cè)公式進(jìn)行了重新擬合[4]；趙鵬偉應(yīng)用礦山統(tǒng)計(jì)法對(duì)王莊煤礦的瓦斯涌出量進(jìn)行了預(yù)測(cè)等[5]。目標(biāo)礦井目前產(chǎn)能2.4 Mt/a，計(jì)劃將產(chǎn)能提升至4.0～8.0 Mt/a，煤炭產(chǎn)能增加，瓦斯涌出量就極大可能也隨之增加，需要對(duì)產(chǎn)能增加后回采工作面的瓦斯涌出量進(jìn)行預(yù)測(cè)，以便于在工作面回采前制定出行之有效的瓦斯防治方案，保障工作面回采工作安全順利進(jìn)行。

1 工程概況

礦井目前開(kāi)采13號(hào)煤層，13號(hào)煤層位于石炭系上統(tǒng)太原組，煤層厚度10.32～26.87 m，平均16.84 m。13號(hào)煤層目前僅布置有13103綜放工作面一個(gè)回采工作面，在13號(hào)煤層投產(chǎn)之后，13103綜放工作面的生產(chǎn)能力占到礦井總生產(chǎn)能力的97%。該工作面順槽走向長(zhǎng)度約1 860 m，工作面長(zhǎng)度約240 m，選用長(zhǎng)臂后退式綜采放頂煤的回采方式，其中機(jī)采高度4.3 m，放頂高度12.54 m，采放比為1∶2.9，選用全部垮落法管理頂板。

2 瓦斯含量參數(shù)測(cè)定

瓦斯含量是表現(xiàn)區(qū)域內(nèi)瓦斯賦存水平的最直觀的測(cè)定參數(shù)，它通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)取樣的方式直接進(jìn)行測(cè)定，數(shù)據(jù)真實(shí)可靠，在瓦斯治理問(wèn)題研究中被廣泛應(yīng)用。研究13103回采工作面瓦斯涌出量的預(yù)測(cè)值，就要對(duì)13103回采工作面的不同位置的瓦斯含量進(jìn)行測(cè)定，此次針對(duì)13103回采工作面瓦斯含量的測(cè)定工作選取12個(gè)點(diǎn)，平均分布在膠運(yùn)順槽和回風(fēng)順槽兩側(cè)，巷道每掘進(jìn)300 m進(jìn)行一次瓦斯含量測(cè)定，通過(guò)鉆屑解析法直接測(cè)定瓦斯含量。這樣制定施工方案的優(yōu)點(diǎn)是保證回采工作面的不同區(qū)域都能進(jìn)行瓦斯含量測(cè)定，最后通過(guò)加權(quán)取得平均值能夠較為準(zhǔn)確的展現(xiàn)回采工作面的瓦斯含量水平。在施工中，要確保鉆屑的取樣位置為煤壁向里15 m以上，越深層的鉆屑受到煤壁暴露的影響越小，瓦斯散逸得越少，結(jié)果更加真實(shí)精確。具體的測(cè)點(diǎn)位置以及瓦斯含量測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表1。

通過(guò)表1的數(shù)據(jù)可以看出，13103回采工作面不同地點(diǎn)的瓦斯含量并未隨著走向延深、埋深變化而呈現(xiàn)出明顯規(guī)律，說(shuō)明工作面處于典型的風(fēng)化帶內(nèi)，瓦斯含量與煤層埋深并不具備正相關(guān)規(guī)律，且瓦斯含量分布規(guī)律具有明顯的偶然性，進(jìn)行加權(quán)平均計(jì)算之后，可以代表煤層瓦斯含量的平均水平。根據(jù)取樣地點(diǎn)確定加權(quán)系數(shù)，根據(jù)式（1）、式（2）對(duì)煤層平均瓦斯含量以及煤層平均瓦斯殘存量進(jìn)行計(jì)算。

表1 13號(hào)煤層瓦斯含量測(cè)定情況明細(xì)Table 1 Gas content determination details

根據(jù)表1、表2數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，確定了13103綜放工作面的加權(quán)平均瓦斯含量為1.46 m3/t，加權(quán)平均瓦斯殘存量為1.05 m3/t。

表2 各測(cè)點(diǎn)加權(quán)系數(shù)Table 2 Weighted coefficient of each measuring point

3 瓦斯涌出量預(yù)測(cè)

3.1 瓦斯涌出來(lái)源分析

在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，對(duì)回采工作面的瓦斯涌出量預(yù)測(cè)結(jié)果是礦井通風(fēng)設(shè)計(jì)、瓦斯防治措施、礦井安全管理的重要理論依據(jù)，對(duì)于礦井產(chǎn)量的限定、通風(fēng)機(jī)風(fēng)量型號(hào)的確定、瓦斯災(zāi)害防治措施的決策起到?jīng)Q定性的參考作用。為了更加精確的計(jì)算瓦斯涌出量預(yù)測(cè)值，應(yīng)逐步分析回采工作面瓦斯涌出的來(lái)源，確定相關(guān)的參數(shù)。根據(jù)以往的研究表明，一般回采工作面的瓦斯涌出基本可以分為2部分，開(kāi)采層以及鄰近層。其中開(kāi)采層的瓦斯涌出又包括落煤瓦斯涌出、丟煤（余煤）瓦斯涌出、煤壁瓦斯涌出、圍巖瓦斯涌出；鄰近層的瓦斯涌出又包括上鄰近層和下鄰近層的瓦斯涌出[6]，見(jiàn)式（3）。

式中：q采、q1、q2分別為回采工作面的相對(duì)瓦斯涌出量、開(kāi)采煤層的相對(duì)瓦斯涌出量、鄰近層的相對(duì)瓦斯涌出量，m3/t。

3.2 開(kāi)采煤層瓦斯涌出量預(yù)測(cè)

開(kāi)采煤層的瓦斯涌出需要考慮三方面因素對(duì)瓦斯涌出量的影響，一是煤層圍巖中瓦斯涌出；二是工作面丟煤瓦斯涌出；三是回采巷道的預(yù)排瓦斯涌出。依據(jù)三方面因素的影響，開(kāi)采煤層的瓦斯涌出量計(jì)算公式[7]為：

式中：q1為開(kāi)采煤層的相對(duì)瓦斯涌出量，m3/t；k1為圍巖瓦斯涌出系數(shù)，根據(jù)頂板管理方式取值，13103綜放工作面是全部垮落法管理頂板，取1.3；k2為工作面丟煤瓦斯涌出系數(shù)，根據(jù)工作面回采率取值；k3為回采巷道的預(yù)排瓦斯涌出系數(shù)，根據(jù)回采巷道的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算取值；m為煤層的實(shí)際厚度，m；M為煤層的開(kāi)采厚度，m，13103綜放工作面一次采全高，開(kāi)采厚度等于煤層厚度；W0為煤層瓦斯含量，m3/t，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，13號(hào)煤層的瓦斯含量為1.46 m3/t；Wc為煤的殘存瓦斯含量，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，13號(hào)煤層煤的殘存瓦斯含量為1.05 m3/t。

式中：C為工作面的回采率，%。

13103綜放工作面的回采分為機(jī)采和放頂煤2部分，而這2種割煤方式的回采率也會(huì)略有不同，其中機(jī)采的回采率為95%，放頂煤的回采率為75%，根據(jù)采放比，通過(guò)加權(quán)平均計(jì)算，工作面整體的回采率為80%。

式中：L為工作面長(zhǎng)度，m；h為回采巷道瓦斯預(yù)排等值寬度，m；該參數(shù)根據(jù)回采巷道煤壁暴露的時(shí)間進(jìn)行取值，回采巷道煤壁暴露時(shí)間通常是回采巷道掘進(jìn)貫通所用的時(shí)間，13103綜放工作面的回采巷道掘進(jìn)時(shí)間約為180 d，h取18 m。

通過(guò)公式進(jìn)行計(jì)算，13103綜放工作面的開(kāi)采煤層的相對(duì)瓦斯涌出量為0.57 m3/t。

3.3 鄰近層瓦斯涌出量預(yù)測(cè)

依據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)和相關(guān)規(guī)范，上鄰近層的采動(dòng)影響范圍是60 m，下鄰近層的采動(dòng)影響范圍是30 m[8]。在13103綜放工作面回采期間，影響工作面瓦斯涌出的上鄰近層包括9號(hào)、10號(hào)、11號(hào)、12號(hào)煤層，下鄰近層包括15號(hào)煤層（表3）。鄰近層的瓦斯涌出量通過(guò)式（7）進(jìn)行計(jì)算。

表3 煤層基本情況Table 3 Basic situation of coal seam

式中：q2為鄰近層相對(duì)瓦斯涌出量，m3/t；mi為第i個(gè)鄰近層厚度，m；M為開(kāi)采層厚度，m；W0i為第i層的瓦斯含量，m3/t；Wci為第i鄰近層殘存瓦斯含量，m3/t；ηi為第i鄰近層瓦斯排放系數(shù)，按照相關(guān)規(guī)范，通過(guò)式（8）進(jìn)行計(jì)算。

式中：hi為第i鄰近層與開(kāi)采層垂直距離，m；M為工作面采高，m；L為工作面長(zhǎng)度，m。

在計(jì)算鄰近層瓦斯涌出量時(shí)，由于各鄰近層都無(wú)法直接測(cè)定煤層瓦斯含量和殘存瓦斯含量數(shù)據(jù)，所以各鄰近層的瓦斯含量和殘存瓦斯含量數(shù)據(jù)要參考開(kāi)采煤層的瓦斯含量和殘存瓦斯含量進(jìn)行計(jì)算，鄰近層瓦斯涌出量為0.19 m3/min（表4）。

根據(jù)表4的計(jì)算結(jié)果，13103綜放工作面鄰近層的相對(duì)瓦斯涌出量為0.19 m3/t。因此，在開(kāi)采13103綜放工作面時(shí)，工作面的相對(duì)瓦斯涌出量為0.76 m3/t。按照工作面的生產(chǎn)能力，以每年330個(gè)工作日進(jìn)行計(jì)算，在礦井生產(chǎn)能力分別達(dá)到4.0～8.0 Mt/a時(shí)，工作面絕對(duì)瓦斯涌出量預(yù)測(cè)將達(dá)到6.23～12.45 m3/min（表5）。

表4 13103綜放工作面鄰近層瓦斯涌出量預(yù)測(cè)結(jié)果Table 4 Prediction results of gas emission in adjacent layer of 13103 fully mechanized caving face

表5 回采工作面最大瓦斯涌出量預(yù)測(cè)結(jié)果Table 5 Prediction results of maximum gas emission in mining face

4 結(jié) 語(yǔ)

歷年來(lái)的瓦斯等級(jí)鑒定結(jié)果顯示，礦井原為低瓦斯礦井，但在13號(hào)煤層投產(chǎn)以后，由于產(chǎn)能的增加，礦井的絕對(duì)瓦斯涌出量也會(huì)隨之增加，瓦斯治理問(wèn)題也逐漸成為了礦井安全生產(chǎn)問(wèn)題中的主要問(wèn)題。利用已有的煤層瓦斯含量數(shù)據(jù)，通過(guò)分源預(yù)測(cè)法分析13103綜放工作面的瓦斯涌出來(lái)源，并計(jì)算出工作面回采期間的瓦斯涌出量預(yù)測(cè)值，結(jié)果顯示工作面產(chǎn)量4.0～6.0 Mt/a時(shí)，工作面絕對(duì)瓦斯涌出量預(yù)測(cè)將達(dá)到6.23～9.35 m3/min，為礦井的瓦斯治理方案提供科學(xué)參考，保障礦井安全高效地進(jìn)行生產(chǎn)工作。