分源預測法在整合礦井瓦斯涌出量預測的應用

魯 義，王曙勛，蔡云龍

(1．煤礦瓦斯與火災防治教育部重點實驗室，江蘇 徐州 221116;2．中國礦業大學安全工程學院，江蘇 徐州 221116;3．鐵法煤業集團小康礦，遼寧 鐵嶺 112700)

目前，煤礦瓦斯事故是煤礦重要的災害事故之一，瓦斯涌出量的大小對煤礦安全生產至關重要［1］。特別是在一些小煤礦兼并重組的過程中，瓦斯涌出量參數缺乏，導致通風設計、生產后瓦斯管理等工作都無法進行。目前，國內外用于瓦斯涌出量預測的方法主要有兩種，礦山統計法和分源預測法。礦山統計法［2］是在地質條件相似的前提下，根據積累的足夠瓦斯實測資料，經過數理統計分析得出該礦井新水平、新采區或相鄰礦井的瓦斯涌出量。而整合礦井并沒有可信的實測瓦斯參數資料，只有在重組后勘探階段提供的瓦斯含量和瓦斯成分資料，不能用礦山統計法進行預測。采用分源預測法以勘探階段提供的瓦斯含量，結合在礦井實際條件允許的情況下，采用鉆屑解析法［3］實測的瓦斯含量為基礎進行瓦斯涌出量預測。

1 技術原理

分源預測法的技術原理［4，5］是：根據煤層瓦斯含量和礦井瓦斯涌出的構成關系(見圖1)，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1 礦井瓦斯涌出構成關系圖

1)回采工作面瓦斯涌出量。

式中：

q采—回采工作面相對瓦斯涌出量，m3/t;

q1—開采層相對瓦斯涌出量，m3/t;

q2—鄰近層相對瓦斯涌出量，m3/t。

2)掘進工作面瓦斯涌出量。

式中：

q掘—掘進工作面絕對瓦斯涌出量，m3/min;

q3—掘進工作面巷道煤壁絕對瓦斯涌出量，m3/min;

q4—掘進巷道落煤絕對瓦斯涌出量，m3/min。

3)生產采區瓦斯涌出量。

式中：

q區—生產采區相對瓦斯涌出量，m3/t;

K'—生產采區內采空區瓦斯涌出系數，取1．20;

q采i—第i回采工作面相對瓦斯涌出量，m3/t;

Ai—第i回采工作面平均日產量，按礦井平均日產量的90%取值;

q掘i—第i掘進工作面絕對瓦斯涌出量，m3/min;

A0—生產采區平均日產量，t/d。

4)礦井瓦斯涌出量。

式中：

q井—礦井相對瓦斯涌出量，m3/t;

q區i—第i生產采區相對瓦斯涌出量，m3/t;

A0i—第i生產采區日平均產量，t;

K″—已采采空區瓦斯涌出量系數，礦井生產第一時期、第二時期取1．15，第三時期、第四時期取1．2。

2 煤層瓦斯含量分布規律

2．1 地勘瓦斯含量測值

由于整合煤礦自身特點的限制，在進行瓦斯涌出量預測時，通過分析地勘時的鉆孔瓦斯含量，對比選擇了一些有代表性的可靠性高的點，見表1。

表1 井田內9#、10#、11#地勘瓦斯含量測值表

2．2 瓦斯含量分布規律

從4個9#煤層含量測值來看，9#煤層瓦斯中甲烷(CH4)成分為 0．1% ～6．52%，平均 1．94%;二氧化碳(CO2)成分為 2．69% ～16．98%，平均 7%;氮氣(N2)成分為82．2% ～97%，平均91．06%。在埋深小于369．3 m的9#煤層處于瓦斯風化帶中的二氧化碳—氮氣帶。

從4個10#煤層含量測值來看，10#煤層瓦斯中甲烷(CH4)成分為0% ～2．76%，平均0．93%;二氧化碳(CO2)成分為3．61% ～20．38%，平均 11．64%;氮氣(N2)成分為 79．62% ～95．43%，平均 87．43%。可以得出在埋深小于371．9的10#煤層處于瓦斯風化帶中的二氧化碳—氮氣帶。

從4個11#煤層含量測值來看，11#煤層瓦斯中甲烷(CH4)成分為0% ～6．12%，平均3．1%;二氧化碳(CO2)成分為4．27% ～16．89%，平均 11．74%;氮氣(N2)成分為 80．83% ～89．61%，平均 85．16%。可以得出在埋深小于383．3的11#煤層處于瓦斯風化帶中的二氧化碳—氮氣帶。

通過對測點瓦斯含量的分析，結合礦井生產安排計劃，根據煤層瓦斯的垂直分帶現象具有連續性，推斷出最大埋深處煤層處于瓦斯風化帶內的氮氣帶，最多處于氮氣—甲烷帶，不會跳越進入甲烷帶。瓦斯含量與煤層埋深變化趨勢見圖2，圖3，圖4。

3 礦井瓦斯涌出量預測

3．1 預測條件

1)礦井生產能力為0．9 Mt/a。

2)第一時期。根據礦井初步設計，礦井移交生產前3年僅在9#煤層1采區布置一個綜采工作面，目的在于釋放10#煤層，此時期礦井達不到設計生產能力，生產能力為 0．3 Mt/a。

第二時期。礦井移交生產3年后，同時在10#煤層一采區中布置1個綜采工作面，配合9#煤層布置的1個綜采工作面，達到礦井設計生產能力。此時期為9#煤層一采區和10#煤層一采區聯合開采時期，9#煤層生產能力為 0．3 Mt/a，10#煤層生產能力為0．6 Mt/a。

第三時期。此時期為9#煤層二采區和10#煤層二采區聯合開采時期，9#煤層生產能力為0．3 Mt/a，10#煤層生產能力為0．6 Mt/a。

第四時期。11#煤層開采時期，在11#煤層布置1個綜采工作面，達到設計生產能力0．9 Mt/a，這個時期開拓開采方式不變，所以，瓦斯涌出最大值出現在一采區開采過程，因此，預測這個時期瓦斯涌出量，僅需預測開采一采區時瓦斯涌出。

3)根據煤層賦存情況及采煤方法，9#煤層工作面回采率為97%，10#煤層工作面回采率為95%，11#煤層工作面回采率為95%。

4)礦井設計移交生產，第一時期在9#煤層一采區布置1個綜采工作面，長度為150 m，采高1．01 m，布置2個工作面順槽綜掘掘進進工作面，1個運輸順槽掘進工作面，斷面積為11．18 m2，1個回風順槽掘進工作面，斷面積為8．64 m2，掘進速度為500 m/月，礦井采掘進比為1∶2;第二時期、第三時期為9#煤層、10#煤層聯合開采時期，9#煤層開拓、回采方面不變，同時在10#煤層布置1個綜采工作面，長度為150 m，采高為2．21 m，布置2個工作面順槽綜掘工作面，1個運輸順槽掘進工作面，斷面積為12．7 m2，1個回風順槽掘進工作面，斷面積為8．4 m2，掘進速度為500 m/月，礦井采掘進比為2∶4;第四時期為11#煤層開采時期，在11#煤層布置1個綜采工作面，長度為150 m，采高2．45 m，布置2個工作面順槽綜掘工作面，1個運輸順槽掘進工作面，斷面積為12．7 m2，1個回風順槽掘進工作面，斷面積為8．4 m2，掘進速度為500 m/月，礦井采掘進比為1∶2。

5)年工作日330天。

3．2 瓦斯涌出量預測結果

回采工作面瓦斯涌出量預測結果見表2，掘進工作面瓦斯涌出量預測結果見表3，采區瓦斯涌出量預測結果見表4，礦井瓦斯涌出量預測結果見表5。

表2 回采工作面瓦斯涌出量預測結果表

表3 掘進工作面瓦斯涌出量預測結果表

表4 采區瓦斯涌出量預測結果表

表5 礦井瓦斯涌出量預測結果表

3．3 礦井瓦斯涌出來源構成分析

第一時期。礦井最大絕對瓦斯涌出量為1．207 m3/min，其中，回采工作面瓦斯涌出為0．746 m3/min，約占全礦井瓦斯涌出的58%;掘進工作面瓦斯涌出為0．203 m3/min，約占全礦井瓦斯涌出的16%，采空區瓦斯涌出為0．347 m3/min，約占全礦井瓦斯涌出的26%。在回采工作面瓦斯涌出中，開采層瓦斯涌出為0．198 m3/min，約占整個回采工作面瓦斯涌出的26%，鄰近層瓦斯涌出為0．549 m3/min，約占整個回采工作面瓦斯涌出的74%。

第二時期。礦井最大絕對瓦斯涌出量為4．415 m3/min，其中，回采工作面瓦斯涌出為3．269 m3/min，約占全礦井瓦斯涌出的68%;掘進工作面瓦斯涌出為0．257 m3/min，約占全礦井瓦斯涌出的5%，采空區瓦斯涌出為1．281 m3/min，約占全礦井瓦斯涌出的27%。在回采工作面瓦斯涌出中，開采層瓦斯涌出為0．676 m3/min，約占整個回采工作面瓦斯涌出的21%，鄰近層瓦斯涌出為2．593 m3/min，約占整個回采工作面瓦斯涌出的79%。

第三時期。礦井最大絕對瓦斯涌出量為2．905 m3/min，其中，回采工作面瓦斯涌出為2．169 m3/min，約占全礦井瓦斯涌出的69%;掘進工作面瓦斯涌出為0．066 m3/min，約占全礦井瓦斯涌出的2%，采空區瓦斯涌出為0．931 m3/min，約占全礦井瓦斯涌出的29%。在回采工作面瓦斯涌出中，開采層瓦斯涌出為0．085 m3/min，約占整個回采工作面瓦斯涌出的4%，鄰近層瓦斯涌出為2．083 m3/min，約占整個回采工作面瓦斯涌出的96%。

第四時期，礦井最大絕對瓦斯涌出量為1．079 m3/min，其中，回采工作面瓦斯涌出為0．727 m3/min，約占全礦井瓦斯涌出的62%;掘進工作面瓦斯涌出為0．095 m3/min，約占全礦井瓦斯涌出的8%，采空區瓦斯涌出為0．344 m3/min，約占全礦井瓦斯涌出的30%。在回采工作面瓦斯涌出中，開采層瓦斯涌出為0．159 m3/min，約占整個回采工作面瓦斯涌出的22%，鄰近層瓦斯涌出為0．568 m3/min，約占整個回采工作面瓦斯涌出的78%。

4 結論

1)根據地勘瓦斯含量和瓦斯組分測定結果，該井田9#、10#、11#煤層瓦斯含量均較小，各煤層均處于瓦斯風化帶內。

2)用線性回歸方法，研究獲得了3#煤層瓦斯含量(W)與埋藏深度(H)的關系。瓦斯含量有隨煤層埋藏深度增加而增加的趨勢，但規律性不太明顯。分析其原因，是由于9#煤層、10#煤層和11#煤層均處于瓦斯風化帶，煤層賦存規律性較差。

3)分源預測法的結果為：第一時期礦井最大相對瓦斯涌出量為1．912 m3/t;第二時期最大相對瓦斯涌出量為2．331 m3/t;第三時期礦井最大相對瓦斯涌出量為1．534 m3/t;第四時期礦井最大相對瓦斯涌出量為0．570 m3/t。煤層開采各個時期均屬于低瓦斯礦井。

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