煤礦掘進工作面瓦斯涌出規律

強威

摘要：為了研究掘進工作面落煤瓦斯涌出規律，確定瓦斯災害治理與采區通風合理設計，通過解吸法測定掘進工作面落煤瓦斯含量，探討落煤瓦斯解吸量與暴露時間二者的關聯性，由此建立數學模型。研究表明，瓦斯解吸量與暴露時間二者呈反相關性，表現出似雙曲線變化特征，由此建立掘進工作面瓦斯涌出規律預測模型，該研究對掘進工作面瓦斯管理具有重要借鑒意義。

Abstract： To study the law of coal gas emission from driving face and determine the reasonable design of gas disaster control and ventilation in mining area， the coal gas content of driving face is determined by desorption method， and the correlation between coal gas desorption and exposure time is discussed. The mathematical model is established. The results show that the gas desorption and exposure time are inversely correlated， showing hyperbolic variation characteristics， based on this， the prediction model of gas emission law of driving face is established. This study has important reference significance for gas management of driving face.

關鍵詞：掘進工作面;解吸法;瓦斯涌出規律;數學模型;瓦斯管理

Key words： driving face;desorption method;law of gas emission;mathematic model;gas management

中圖分類號：TD712.5? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2020）31-0202-02

0? 引言

掘進工作是煤礦井下工作的重要環節，隨著煤層開采深度的不斷增加以及掘進工作面的不斷推進，煤巖層中瓦斯釋放量不斷增加，其必將打破煤巖層中瓦斯原有平衡狀態，即煤巖層中瓦斯發生解吸，隨著掘進工作面暴露時間增加以及掘進工作面通風，煤巖層中瓦斯不斷減少。掘進工作面瓦斯涌出量因采用的工作面煤巖破落方式、破落煤巖性質等不同而不同。本文基于已有研究[1-4]，主要分析煤層掘進工作面落煤瓦斯釋放量，即探討煤層掘進工作面落煤瓦斯解吸量與時間二者之間的關聯性，由此分析掘進工作面瓦斯涌出規律，以期為煤層掘進工作面瓦斯管理提供技術支撐。

1? 掘進工作面基本情況

實驗工作面所在區域地質條件相對簡單，小型背向斜、斷層、撓曲等構造較為發育，煤層結構較為簡單，有少量夾矸，頂板以粉砂巖、泥質砂巖為主，平均厚度2.6m，101掘進工作面采用爆破掘進方式，102掘進工作面采用機械化掘進方式，采用錨網梁索支護。

2? 掘進落煤瓦斯含量分析

煤層瓦斯解吸是多變復雜的，煤層瓦斯壓力（或含量）高低不同其解吸形式不同，在瓦斯壓力（或含量）較高的情況下，解吸過程主要表現為滲透形式，輔以擴散形式;在瓦斯壓力（或含量）較低的情況下，解吸過程主要表現為滲透形式。在掘進工作面推進過程中，隨著煤體不斷破落，煤層中瓦斯原始的平衡狀態也隨之打破，煤層原始地應力也隨之打破，同時在礦井通風的作用下，掘進工作面瓦斯不斷涌出，隨著時間的推移及通風的作用，落煤瓦斯不斷減少。

落煤瓦斯為掘進工作面主要瓦斯來源，因采用的破煤方式、工藝不同，破煤粒徑不同，瓦斯放散速度也不同，瓦斯放散速度與破煤粒徑具有反相關性。在工作面煤體剛揭露過程中，收集2kg左右煤樣，暴露時間50min，按原煤篩分標準以0mm、6mm、13mm、25mm為臨界值劃分四級，并記錄煤質、粒度，篩分后進行密封。收集試樣在實驗室進行脫氣實驗，測定試樣破碎前、后瓦斯脫氣量。測定其水分、揮發分、灰分、重量等參數，求出每一級別的殘存瓦斯含量，計算方法如下：

式中：Xci——某一級別試樣殘存瓦斯含量，mL/（g·r）;

V1——破碎前試樣瓦斯脫氣量，mL;

V2——破碎后試樣瓦斯脫氣量，mL;

G——試樣重量，g;

Af——灰分含量，%;

Wf——水分含量，%。

按粒度分級確定落煤殘存瓦斯量，如下式：

式中：Xc——試樣平均殘存瓦斯量，mL/（g·r）;

X1、X2、X3、X4——不同粒級試樣殘存瓦斯量，mL/（g·r）;

G1、G2、G3、G4——各粒級試樣占原煤總量比，%。

為探討掘進工作面落煤瓦斯涌出規律，分析殘存瓦斯量與落煤時間關聯性，采用瓦斯解吸儀對101掘進工作面落煤殘存瓦斯量進行實驗測定，實驗結果如表1所示。[5]

由表1數據可知，落煤殘存瓦斯含量不同，掘進工藝及落煤粒度對殘存瓦斯量有較大影響，該掘進工作面殘存瓦斯含量為2.79m3/t左右。

3? 掘進落煤瓦斯涌出規律

為分析掘進落煤瓦斯涌出規律，探討落煤瓦斯解吸量與時間二者之間的關聯性，采用瓦斯含量法分析不同時間落煤瓦斯解吸量與試樣重量，探討落煤瓦斯與時間二者的關聯性。具體方法為工作面剛揭露煤體時收集破落的塊粒煤，裝入試樣容器內，以瓦斯涌出量衰減平緩為終止點，記錄不同時間測得的瓦斯解吸量。[5-6]

落煤瓦斯解吸量由下式計算：

式中：V？駐t——t2-t1時間內落煤瓦斯解吸量，mL/（g·min）;

t1、t2——測定時間，min;

Q1、Q2——t1、t2時間瓦斯解吸總量，mL。

采用上述方法測定101掘進工作面、102掘進工作面落煤瓦斯涌出量，其測定數據如表2所示。根據測得數據繪制V？駐t-t曲線，如圖1所示。

由圖1可知，落煤瓦斯解吸量與暴露時間呈反相相關，二者為似雙曲線關系，在復對數坐標系中，其表現為線性關系，如下式：

式中：VL —— 1+t時間后落煤瓦斯解吸量，mL/（g·min）;

V0—— t=0時落煤瓦斯解吸量，mL/（g·min）;

t—— 落煤暴露時間，min;

a —— 解吸量衰減系數。

將式（4）化為線性方程式：

V0、？琢為待定系數，VL為不同暴露時間t落煤瓦斯解吸量實測值。將表2數據代入式（5），采用回歸法可獲得落煤瓦斯解吸量V0和衰減系數？琢，如表3所示。

V0和a因自然、開采條件變化而不同。

通過對式（4）微積分可求得單位時間落煤瓦斯涌出量表達關系式：

根據表3及式（6）可求得掘進工作面單位時間落煤總瓦斯涌出量，表達關系式如下：

在實際工作中，可根據式（7）求得某時間范圍內瓦斯涌出量。

4? 結束語

通過掘進落煤瓦斯涌出規律研究，獲得101掘進工作面殘存瓦斯量2.79m3/t左右，揭示了掘進面落煤瓦斯解吸量與時間為反相關關聯，二者關系呈似雙曲線特征，并建立了掘進面單位時間落煤瓦斯涌出模型，其表達關系式為，該研究可為同類條件下掘進工作面瓦斯預測和瓦斯災害管理提供重要參考。

參考文獻：

[1]楊鍵，孫章應，李炳玉.基于LS-SVM 預測掘進工作面瓦斯涌出量[J].山東煤炭科技，2019（9）：103-105.

[2]陳俊明.煤礦掘進工作面瓦斯涌出規律研究[J].能源與節能，2017（7）：42-43.

[3]呂俊高，鄔運美.基于掘進工作面瓦斯涌出量的煤層瓦斯含量預測研究[J].煤炭技術，2015，34（11）：152-153.

[4]顏愛華.煤層瓦斯含量多源數據分析及其預測研究[D].北京：中國礦業大學（北京），2010.

[5]MT/T-77-94，煤層氣測定方法（解吸法）[S].1994.

[6]AQ-1018 2006，礦井瓦斯涌出量預測方法[S].北京：煤炭工業出版社，2006.