厚煤層綜放工作面回采期間瓦斯涌出量預測

王武

（山西晉神集團 沙坪煤業有限公司，山西 忻州 036500）

0 引 言

瓦斯是指在成煤過程中，原始的有機質在厭氧細菌的催化分解作用下，生成并儲存在煤層孔隙當中的可燃性氣體，其主要成分為甲烷。在井工煤礦作業當中，瓦斯一直影響煤礦的安全生產，對井下作業人員的生命安全構成重要威脅。瓦斯防治工作，是煤礦安全工作的重中之重。回采工作面的瓦斯涌出是礦井瓦斯的主要來源之一，對瓦斯涌出量進行預測，得到科學合理的預測值，將為礦井瓦斯的防治工作提供重要的數據參考[1]。針對瓦斯涌出量預測方面的研究，我國學者也做了大量的研究工作。王兆豐歸納總結了礦井瓦斯涌出源，將瓦斯涌出源分為4部分，并提出了瓦斯涌出量分源預測法[2]；張春璞將分源預測法應用于成莊礦，對3號煤層的瓦斯涌出量進行了預測，并總結了煤層的瓦斯分布規律[3]；徐青偉等針對礦山統計法的公式進行了推導計算，并應用EXCEL軟件對礦山統計法的瓦斯涌出量預測公式進行了重新擬合[4]；趙鵬偉應用礦山統計法對王莊煤礦的瓦斯涌出量進行了預測等[5]。目標礦井目前產能2.4 Mt/a，計劃將產能提升至4.0～8.0 Mt/a，煤炭產能增加，瓦斯涌出量就極大可能也隨之增加，需要對產能增加后回采工作面的瓦斯涌出量進行預測，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行。

1 工程概況

礦井目前開采13號煤層，13號煤層位于石炭系上統太原組，煤層厚度10.32～26.87 m，平均16.84 m。13號煤層目前僅布置有13103綜放工作面一個回采工作面，在13號煤層投產之后，13103綜放工作面的生產能力占到礦井總生產能力的97%。該工作面順槽走向長度約1 860 m，工作面長度約240 m，選用長臂后退式綜采放頂煤的回采方式，其中機采高度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 瓦斯含量參數測定

瓦斯含量是表現區域內瓦斯賦存水平的最直觀的測定參數，它通過現場取樣的方式直接進行測定，數據真實可靠，在瓦斯治理問題研究中被廣泛應用。研究13103回采工作面瓦斯涌出量的預測值，就要對13103回采工作面的不同位置的瓦斯含量進行測定，此次針對13103回采工作面瓦斯含量的測定工作選取12個點，平均分布在膠運順槽和回風順槽兩側，巷道每掘進300 m進行一次瓦斯含量測定，通過鉆屑解析法直接測定瓦斯含量。這樣制定施工方案的優點是保證回采工作面的不同區域都能進行瓦斯含量測定，最后通過加權取得平均值能夠較為準確的展現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，結果更加真實精確。具體的測點位置以及瓦斯含量測定結果見表1。

通過表1的數據可以看出，13103回采工作面不同地點的瓦斯含量并未隨著走向延深、埋深變化而呈現出明顯規律，說明工作面處于典型的風化帶內，瓦斯含量與煤層埋深并不具備正相關規律，且瓦斯含量分布規律具有明顯的偶然性，進行加權平均計算之后，可以代表煤層瓦斯含量的平均水平。根據取樣地點確定加權系數，根據式（1）、式（2）對煤層平均瓦斯含量以及煤層平均瓦斯殘存量進行計算。

表1 13號煤層瓦斯含量測定情況明細Table 1 Gas content determination details

根據表1、表2數據進行計算，確定了13103綜放工作面的加權平均瓦斯含量為1.46 m3/t，加權平均瓦斯殘存量為1.05 m3/t。

表2 各測點加權系數Table 2 Weighted coefficient of each measuring point

3 瓦斯涌出量預測

3.1 瓦斯涌出來源分析

在實際生產過程中，對回采工作面的瓦斯涌出量預測結果是礦井通風設計、瓦斯防治措施、礦井安全管理的重要理論依據，對于礦井產量的限定、通風機風量型號的確定、瓦斯災害防治措施的決策起到決定性的參考作用。為了更加精確的計算瓦斯涌出量預測值，應逐步分析回采工作面瓦斯涌出的來源，確定相關的參數。根據以往的研究表明，一般回采工作面的瓦斯涌出基本可以分為2部分，開采層以及鄰近層。其中開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]，見式（3）。

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

3.2 開采煤層瓦斯涌出量預測

開采煤層的瓦斯涌出需要考慮三方面因素對瓦斯涌出量的影響，一是煤層圍巖中瓦斯涌出；二是工作面丟煤瓦斯涌出；三是回采巷道的預排瓦斯涌出。依據三方面因素的影響，開采煤層的瓦斯涌出量計算公式[7]為：

式中：q1為開采煤層的相對瓦斯涌出量，m3/t；k1為圍巖瓦斯涌出系數，根據頂板管理方式取值，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，根據工作面回采率取值；k3為回采巷道的預排瓦斯涌出系數，根據回采巷道的相關參數進行計算取值；m為煤層的實際厚度，m；M為煤層的開采厚度，m，13103綜放工作面一次采全高，開采厚度等于煤層厚度；W0為煤層瓦斯含量，m3/t，根據計算結果，13號煤層的瓦斯含量為1.46 m3/t；Wc為煤的殘存瓦斯含量，根據計算結果，13號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采和放頂煤2部分，而這2種割煤方式的回采率也會略有不同，其中機采的回采率為95%，放頂煤的回采率為75%，根據采放比，通過加權平均計算，工作面整體的回采率為80%。

式中：L為工作面長度，m；h為回采巷道瓦斯預排等值寬度，m；該參數根據回采巷道煤壁暴露的時間進行取值，回采巷道煤壁暴露時間通常是回采巷道掘進貫通所用的時間，13103綜放工作面的回采巷道掘進時間約為180 d，h取18 m。

通過公式進行計算，13103綜放工作面的開采煤層的相對瓦斯涌出量為0.57 m3/t。

3.3 鄰近層瓦斯涌出量預測

依據以往經驗和相關規范，上鄰近層的采動影響范圍是60 m，下鄰近層的采動影響范圍是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、10號、11號、12號煤層，下鄰近層包括15號煤層（表3）。鄰近層的瓦斯涌出量通過式（7）進行計算。

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

式中：q2為鄰近層相對瓦斯涌出量，m3/t；mi為第i個鄰近層厚度，m；M為開采層厚度，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，按照相關規范，通過式（8）進行計算。

式中：hi為第i鄰近層與開采層垂直距離，m；M為工作面采高，m；L為工作面長度，m。

在計算鄰近層瓦斯涌出量時，由于各鄰近層都無法直接測定煤層瓦斯含量和殘存瓦斯含量數據，所以各鄰近層的瓦斯含量和殘存瓦斯含量數據要參考開采煤層的瓦斯含量和殘存瓦斯含量進行計算，鄰近層瓦斯涌出量為0.19 m3/min（表4）。

根據表4的計算結果，13103綜放工作面鄰近層的相對瓦斯涌出量為0.19 m3/t。因此，在開采13103綜放工作面時，工作面的相對瓦斯涌出量為0.76 m3/t。按照工作面的生產能力，以每年330個工作日進行計算，在礦井生產能力分別達到4.0～8.0 Mt/a時，工作面絕對瓦斯涌出量預測將達到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測結果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測結果Table 5 Prediction results of maximum gas emission in mining face

4 結 語

歷年來的瓦斯等級鑒定結果顯示，礦井原為低瓦斯礦井，但在13號煤層投產以后，由于產能的增加，礦井的絕對瓦斯涌出量也會隨之增加，瓦斯治理問題也逐漸成為了礦井安全生產問題中的主要問題。利用已有的煤層瓦斯含量數據，通過分源預測法分析13103綜放工作面的瓦斯涌出來源，并計算出工作面回采期間的瓦斯涌出量預測值，結果顯示工作面產量4.0～6.0 Mt/a時，工作面絕對瓦斯涌出量預測將達到6.23～9.35 m3/min，為礦井的瓦斯治理方案提供科學參考，保障礦井安全高效地進行生產工作。