引言

同煤集團(tuán)煤峪口礦是一座有著90多年開(kāi)采歷史的老礦，近年來(lái),隨著煤層開(kāi)采向縱向深度逐步開(kāi)展,煤礦地質(zhì)條件越來(lái)越復(fù)雜,礦井瓦斯問(wèn)題日益嚴(yán)重。準(zhǔn)確的瓦斯涌出量預(yù)測(cè)是開(kāi)采設(shè)計(jì)、通風(fēng)設(shè)計(jì)、保障安全生產(chǎn)、提高經(jīng)濟(jì)效益的關(guān)鍵技術(shù)。瓦斯涌出量預(yù)測(cè)研究牽扯到復(fù)雜的地質(zhì)因素、開(kāi)采因素，它是防治瓦斯聚集、防治瓦斯超限、防治瓦斯爆炸災(zāi)害的關(guān)鍵技術(shù)。因此，我們要對(duì)煤層瓦斯含量進(jìn)行準(zhǔn)確的預(yù)測(cè),為治理礦井瓦斯提供了科學(xué)依據(jù)。

礦井瓦斯涌出量采用分源預(yù)測(cè)法（AQ1018—2006）預(yù)測(cè)。分源預(yù)測(cè)法的技術(shù)原理是：根據(jù)煤層瓦斯含量和礦井瓦斯涌出的源匯關(guān)系

圖1  礦井瓦斯涌出源匯關(guān)系示意圖

利用瓦斯涌出源的瓦斯涌出規(guī)律并結(jié)合煤層賦存條件和開(kāi)采技術(shù)條件，通過(guò)對(duì)回采工作面和掘進(jìn)工作面瓦斯涌出量的計(jì)算，達(dá)到預(yù)測(cè)采區(qū)和礦井瓦斯涌出量的目的。

（1）工作面瓦斯涌出量

薄煤層及中厚煤層不分層開(kāi)采時(shí)，回采工作面的瓦斯涌出量開(kāi)采層計(jì)算公式為：

              q₁=k₁·k₂·k₃··(W₀-W_C)             

式中：q₁—回采工作面瓦斯涌出量，m3/t；

      k₁—圍巖瓦斯涌出系數(shù)，礦井頂板管理方式為全部跨落法管理頂板，故取k₁=1.3；

      k₂—工作面丟煤瓦斯涌出系數(shù)，其值為工作面回采率的倒數(shù)，11-12和14^-2號(hào)煤工作面回采率為95％，k₂=1.05；

      k₃—準(zhǔn)備巷道預(yù)排瓦斯對(duì)工作面煤體瓦斯涌出影響系數(shù)；利用長(zhǎng)壁后退式回采時(shí)，系數(shù)k₃按下式確定：

                k₃==0.85    

      L—回采工作面長(zhǎng)度，m，L=200 m；

      h—巷道瓦斯預(yù)排等值寬度，m，取h=15 m；

      m—開(kāi)采層厚度，m；一采區(qū)2.47 m，二采區(qū)2.11 m；

      M—工作面采高，m；煤層一次采全高，工作面采高與開(kāi)采厚度相同。

      W₀—開(kāi)采煤層原始瓦斯含量，11-12號(hào)煤層取W₀= 3.2m3/t，14^-2號(hào)煤取W₀= 2.95m3/t；

      W_C—開(kāi)采煤層殘存瓦斯含量，取W_C=1.17 m3/t；

經(jīng)計(jì)算：回采工作面本層的相對(duì)瓦斯涌出量為q₁=3.26 m3/t

鄰近層瓦斯涌出的計(jì)算公式為

q=                       

式中：q—鄰近層瓦斯涌出量，m；mi—第i鄰近層煤厚，m；

M—工作面采高，m； mi—第i鄰近層原始瓦斯含量，m3/t；

—第i鄰近層殘存瓦斯含量，m3/t；

—第i鄰近層的瓦斯排放率，與鄰近層至開(kāi)采層的間距有關(guān)；（圖2）

 

1-上鄰近層排放曲線，2-近水平和緩傾斜煤層下鄰近層排放曲線，

3-急傾斜煤層下鄰近層排放曲線

圖2  鄰近層瓦斯排放率與層間距的關(guān)系曲線

當(dāng)鄰近層位于冒落帶中，=1；位于裂隙帶以上時(shí)，可以利用圖2選取值。上組煤開(kāi)采11-12和14^-2號(hào)煤層時(shí)，上鄰近層10號(hào)煤及下鄰近層14^-3號(hào)煤都將向11-12和14^-2號(hào)煤層涌出瓦斯，下組煤的15號(hào)煤層距14^-2號(hào)煤的層間距超過(guò)40 m，因此11-12和14^-2號(hào)煤開(kāi)采時(shí)，不考慮下組煤的瓦斯涌出。

利用上述公式計(jì)算得回采工作面瓦斯涌出量預(yù)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1  11-12和14^-2號(hào)煤層回采工作面瓦斯涌出量預(yù)測(cè)表

煤層 名稱	煤厚	本層 采厚	原始瓦斯含量	殘存瓦斯含量	涌出系數(shù)	圍巖系數(shù)	丟煤涌出系數(shù)	巷道預(yù)排涌出系數(shù)	相對(duì)瓦斯涌出量	回采面日產(chǎn)量	絕對(duì)涌出量	備注
	m	m	m3/t	m3/t					m3/t	t	m3/min
9	0.99	0.99	1.35	1.17	1.00	1.3	1.05	0.85	0.895	3700	2.3	上臨層
11-12	3.05	3.05	2.87	1.17	1.0	1.3	1.05	0.85	2.44	2200	3.7	開(kāi)采層
14-2	2.11	2.11	3.14	1.17	0.9				2.72	3860	7.29	開(kāi)采層
15	2.21	2.21	3.20	1.17	0.22				1.85	3860	4.90	下鄰近層
計(jì)												鄰近層
合計(jì)											18.19

開(kāi)采11-12號(hào)煤層時(shí)的相對(duì)瓦斯涌出量0.895+2.44+1.85=5.185 m3/t，絕對(duì)瓦斯涌出量6m3/min，開(kāi)采14^-2號(hào)煤層時(shí)相對(duì)瓦斯涌出量2.72+0.895+1.85=5.465m3/t，絕對(duì)瓦斯涌出量12.19m3/min。

（2）掘進(jìn)巷道瓦斯涌出量

掘進(jìn)巷道瓦斯涌出量包括掘進(jìn)巷道煤壁瓦斯涌出量和掘進(jìn)落煤的瓦斯涌出量，計(jì)算公式如下：

            

式中：—掘進(jìn)巷道瓦斯涌出量，m3/min

 D—巷道斷面內(nèi)暴露煤壁面的周邊長(zhǎng)度，m；對(duì)于薄及中厚煤層，D=2m₀，m₀為開(kāi)采層厚度，平均取2.73m

 v—巷道平均掘進(jìn)速度，m/min：設(shè)計(jì)掘進(jìn)速度為15m/d，v=0.0104 m/min；

 l—巷道長(zhǎng)度，煤壁有效涌出長(zhǎng)度取800m；

 —煤壁瓦斯涌出初速度，m3/m2·min； =0.026·(0.0004·+0.16)·

—煤的揮發(fā)分含量，％；11-12號(hào)煤為34.02；

S—掘進(jìn)巷道斷面積，m2；s=11.8 m2；

—煤的密度，t/m3，=1.45 t/m3；

—開(kāi)采煤層原始瓦斯含量，取2.87 m3/t；

—開(kāi)采煤層煤的殘存瓦斯含量，取1.17 m3/t

煤峪口煤礦11-12和14^-2號(hào)煤層掘進(jìn)工作面瓦斯涌出量計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2  煤峪口煤礦掘進(jìn)工作面瓦斯涌出量預(yù)測(cè)值

 

（3）盤(pán)區(qū)瓦斯涌出量預(yù)測(cè)

采區(qū)內(nèi)總瓦斯涌出量系盤(pán)區(qū)內(nèi)所有回采工作面和掘進(jìn)工作面和老空區(qū)瓦斯涌出量之和。其計(jì)算方法如下：

式中—生產(chǎn)盤(pán)區(qū)相對(duì)瓦斯涌出量，m3/t；

    —生產(chǎn)盤(pán)區(qū)采空區(qū)瓦斯涌出系數(shù)，取=1.25；

    —盤(pán)區(qū)內(nèi)第i個(gè)回采工作面相對(duì)瓦斯涌出量及設(shè)計(jì)日產(chǎn)量，m3/t，t；

    —盤(pán)區(qū)內(nèi)第i個(gè)掘進(jìn)工作面瓦斯涌出量，m3/min；

    —盤(pán)區(qū)內(nèi)平均同產(chǎn)量(采區(qū)內(nèi)回采煤量和掘進(jìn)煤量之和)，t。

410盤(pán)區(qū)，307盤(pán)區(qū)和408盤(pán)區(qū)的相對(duì)瓦斯涌出量為：

=5.98m3/t    

=6.32m3/t

=5.33m3/t

（4）礦井瓦斯涌出量

礦井瓦斯涌出量是礦井內(nèi)全部生產(chǎn)采區(qū)和已采區(qū)(包括其它輔助巷道)瓦斯涌出量之和，按下式計(jì)算：

式中—礦井相對(duì)瓦斯涌出量，m3/t；

    —采空區(qū)瓦斯涌出系數(shù)；取=1.25；

    —第i生產(chǎn)盤(pán)區(qū)瓦斯涌出量，m3/t；

    —第i個(gè)生產(chǎn)盤(pán)區(qū)的產(chǎn)煤量，t/d。

q=6.65 m3/t

礦井絕對(duì)瓦斯涌出量為Q=19.78 m3/min

礦井在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中由于受煤層瓦斯賦存以及采煤工藝的變化的影響，礦井瓦斯涌出有不均衡性，為了使預(yù)測(cè)值對(duì)礦井的瓦斯治理工作更具有實(shí)際意義，引入一個(gè)礦井瓦斯涌出不均衡系數(shù)，根據(jù)本礦采用綜采、綜掘的實(shí)際情況，不均衡系數(shù)取1.15，則礦井最大相對(duì)瓦斯涌出量為7.56 m3/t，最大絕對(duì)涌出量為22.56 m3/min。

根據(jù)地勘期間測(cè)定的瓦斯含量，并加以校正后，采用分源預(yù)測(cè)法，預(yù)測(cè)礦井開(kāi)采一水平時(shí)，礦井平均相對(duì)瓦斯涌出量6.65 m3/t，絕對(duì)瓦斯涌出量19.78 m3/min，礦井最大相對(duì)瓦斯涌出量7.56m3/t，絕對(duì)瓦斯涌出量22.56m3/min，對(duì)照《煤礦安全規(guī)程》第133條規(guī)定，可以看出：礦井為低瓦斯礦井，但是考慮到礦井瓦斯涌出量偏高，而且局部為高瓦斯盤(pán)區(qū)，同時(shí)有些年份的涌出數(shù)據(jù)已經(jīng)超過(guò)《煤礦安全規(guī)程》的相關(guān)規(guī)定，所以本礦井應(yīng)當(dāng)按高瓦斯礦井管理，加強(qiáng)瓦斯監(jiān)控。

（5）分源預(yù)測(cè)法預(yù)測(cè)14-2號(hào)煤層瓦斯涌出量

14^-2號(hào)煤層上距12號(hào)煤層0.70~12.40m，平均6.83 m，煤層厚度0~4.77m，平均2.11m。在井田內(nèi)大部分賦存，在井田東部孕育小塊無(wú)煤區(qū)。除井田東部和西部擴(kuò)區(qū)有較大面積不可采外，井田內(nèi)大部可采。煤層厚度變化大，尤其是井田東部，煤厚變化于0.25~4.31 m之間。井田中部煤層厚度較大，比較穩(wěn)定，井田東部和西部煤層薄，厚度化大，但總的看來(lái)，規(guī)律性并不明顯。煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，一般不含或含1層夾石。井田中部含1~4層夾矸，多分布于煤層下部。據(jù)井田內(nèi)，76個(gè)見(jiàn)煤點(diǎn)統(tǒng)計(jì)，煤層可采指數(shù)為0.93，煤厚變異系數(shù)為45.49％，為較穩(wěn)定煤層，預(yù)測(cè)結(jié)果如下表。

表3  14^-2煤層瓦斯預(yù)測(cè)結(jié)果

煤峪口礦，14-2號(hào)煤層選取4000t/a為其工作面日產(chǎn)量。在煤層底板標(biāo)高1010m時(shí)工作面絕對(duì)瓦斯涌出量為2.94m3/min；在煤層底板標(biāo)高950m時(shí)工作面絕對(duì)瓦斯涌出量為5.50m3/min；在煤層底板標(biāo)高899m時(shí)工作面絕對(duì)瓦斯涌出量為7.97m3/min。

以后當(dāng)?shù)V井產(chǎn)量有變化時(shí)，應(yīng)該按照同樣的方法，利用分源預(yù)測(cè)法對(duì)礦井瓦斯涌出量進(jìn)行預(yù)測(cè)。

（6）瓦斯涌出構(gòu)成分析

礦井開(kāi)采初期，瓦斯主要來(lái)自于回采工作面和掘進(jìn)工作面，全部回采工作面瓦斯涌出量是9.36m3/min，全部掘進(jìn)工作面的瓦斯涌出量3.29m3/min，回采面瓦斯涌出量占73％，掘井工作面瓦斯涌出量占27％。

工作開(kāi)采中期，隨著已開(kāi)采區(qū)域的增加，老采空區(qū)瓦斯涌出所占的比例逐漸增加。

工作面開(kāi)采后期，礦井瓦斯涌出量為19.78m3/min，回采工作面瓦斯涌出量9.36m3/min，掘進(jìn)工作面瓦斯涌出量3.29m3/min，老采區(qū)瓦斯涌出量7.31m3/min，回采面瓦斯涌出量占50％，掘井工作面瓦斯涌出量占14％，采空區(qū)瓦斯涌出量占36％。

礦井瓦斯涌出量預(yù)測(cè)結(jié)論

（1）根據(jù)地勘期間測(cè)定的瓦斯含量，并加以校正后，采用分源預(yù)測(cè)法，預(yù)測(cè)煤峪口煤礦礦井平均相對(duì)瓦斯涌出量6.65m3/t，絕對(duì)瓦斯涌出量19.78m3/min，礦井最大相對(duì)瓦斯涌出量7.56m3/t，絕對(duì)瓦斯涌出量22.56m3/min。

（2）對(duì)照《煤礦安全規(guī)程》第133條規(guī)定，可以看出：煤峪口煤礦屬于低瓦斯礦井。

作者簡(jiǎn)介：

韓樹(shù)標(biāo)，男，1967年出生，山西省大同市南郊區(qū)人，1990年畢業(yè)于中國(guó)礦業(yè)大學(xué)采礦工程系采礦工程專(zhuān)業(yè)，大學(xué)本科文化，工程師，注冊(cè)安全工程師，長(zhǎng)期從事煤礦采煤專(zhuān)業(yè)技術(shù)工作，現(xiàn)就職于大同煤礦集團(tuán)公司煤峪口礦技術(shù)中心。

 

參考文獻(xiàn)：

[1] 焦作礦業(yè)學(xué)院瓦斯地質(zhì)研究室. 瓦斯地質(zhì)概論[M]. 北京：煤炭工業(yè)出版社.
[2] 連昌寶. 采區(qū)煤與瓦斯突出預(yù)測(cè)圖編圖規(guī)則探討[J]. 河南理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，25(6).γ

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