引言

同煤集團煤峪口礦是一座有著90多年開采歷史的老礦，近年來,隨著煤層開采向縱向深度逐步開展,煤礦地質(zhì)條件越來越復(fù)雜,礦井瓦斯問題日益嚴(yán)重。準(zhǔn)確的瓦斯涌出量預(yù)測是開采設(shè)計、通風(fēng)設(shè)計、保障安全生產(chǎn)、提高經(jīng)濟效益的關(guān)鍵技術(shù)。瓦斯涌出量預(yù)測研究牽扯到復(fù)雜的地質(zhì)因素、開采因素，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，我們要對煤層瓦斯含量進行準(zhǔn)確的預(yù)測,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)測法（AQ1018—2006）預(yù)測。分源預(yù)測法的技術(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采技術(shù)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(dá)到預(yù)測采區(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采時，回采工作面的瓦斯涌出量開采層計算公式為：

              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號煤工作面回采率為95％，k₂=1.05；

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

                k₃==0.85    

      L—回采工作面長度，m，L=200 m；

      h—巷道瓦斯預(yù)排等值寬度，m，取h=15 m；

      m—開采層厚度，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，工作面采高與開采厚度相同。

      W₀—開采煤層原始瓦斯含量，11-12號煤層取W₀= 3.2m3/t，14^-2號煤取W₀= 2.95m3/t；

      W_C—開采煤層殘存瓦斯含量，取W_C=1.17 m3/t；

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

鄰近層瓦斯涌出的計算公式為

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，可以利用圖2選取值。上組煤開采11-12和14^-2號煤層時，上鄰近層10號煤及下鄰近層14^-3號煤都將向11-12和14^-2號煤層涌出瓦斯，下組煤的15號煤層距14^-2號煤的層間距超過40 m，因此11-12和14^-2號煤開采時，不考慮下組煤的瓦斯涌出。

利用上述公式計算得回采工作面瓦斯涌出量預(yù)測結(jié)果見表1。

表1  11-12和14^-2號煤層回采工作面瓦斯涌出量預(yù)測表

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)	相對瓦斯涌出量	回采面日產(chǎn)量	絕對涌出量	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	開采層
14-2	2.11	2.11	3.14	1.17	0.9				2.72	3860	7.29	開采層
15	2.21	2.21	3.20	1.17	0.22				1.85	3860	4.90	下鄰近層
計												鄰近層
合計											18.19

開采11-12號煤層時的相對瓦斯涌出量0.895+2.44+1.85=5.185 m3/t，絕對瓦斯涌出量6m3/min，開采14^-2號煤層時相對瓦斯涌出量2.72+0.895+1.85=5.465m3/t，絕對瓦斯涌出量12.19m3/min。

（2）掘進巷道瓦斯涌出量

掘進巷道瓦斯涌出量包括掘進巷道煤壁瓦斯涌出量和掘進落煤的瓦斯涌出量，計算公式如下：

            

式中：—掘進巷道瓦斯涌出量，m3/min

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

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

 l—巷道長度，煤壁有效涌出長度取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號煤為34.02；

S—掘進巷道斷面積，m2；s=11.8 m2；

—煤的密度，t/m3，=1.45 t/m3；

—開采煤層原始瓦斯含量，取2.87 m3/t；

—開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號煤層掘進工作面瓦斯涌出量計算結(jié)果見表2。

表2  煤峪口煤礦掘進工作面瓦斯涌出量預(yù)測值

 

（3）盤區(qū)瓦斯涌出量預(yù)測

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

式中—生產(chǎn)盤區(qū)相對瓦斯涌出量，m3/t；

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

    —盤區(qū)內(nèi)第i個回采工作面相對瓦斯涌出量及設(shè)計日產(chǎn)量，m3/t，t；

    —盤區(qū)內(nèi)第i個掘進工作面瓦斯涌出量，m3/min；

    —盤區(qū)內(nèi)平均同產(chǎn)量(采區(qū)內(nèi)回采煤量和掘進煤量之和)，t。

410盤區(qū)，307盤區(qū)和408盤區(qū)的相對瓦斯涌出量為：

=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，按下式計算：

式中—礦井相對瓦斯涌出量，m3/t；

    —采空區(qū)瓦斯涌出系數(shù)；取=1.25；

    —第i生產(chǎn)盤區(qū)瓦斯涌出量，m3/t；

    —第i個生產(chǎn)盤區(qū)的產(chǎn)煤量，t/d。

q=6.65 m3/t

礦井絕對瓦斯涌出量為Q=19.78 m3/min

礦井在實際生產(chǎn)過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)測值對礦井的瓦斯治理工作更具有實際意義，引入一個礦井瓦斯涌出不均衡系數(shù)，根據(jù)本礦采用綜采、綜掘的實際情況，不均衡系數(shù)取1.15，則礦井最大相對瓦斯涌出量為7.56 m3/t，最大絕對涌出量為22.56 m3/min。

根據(jù)地勘期間測定的瓦斯含量，并加以校正后，采用分源預(yù)測法，預(yù)測礦井開采一水平時，礦井平均相對瓦斯涌出量6.65 m3/t，絕對瓦斯涌出量19.78 m3/min，礦井最大相對瓦斯涌出量7.56m3/t，絕對瓦斯涌出量22.56m3/min，對照《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區(qū)，同時有些年份的涌出數(shù)據(jù)已經(jīng)超過《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，加強瓦斯監(jiān)控。

（5）分源預(yù)測法預(yù)測14-2號煤層瓦斯涌出量

14^-2號煤層上距12號煤層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煤區(qū)。除井田東部和西部擴區(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，規(guī)律性并不明顯。煤層結(jié)構(gòu)簡單，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個見煤點統(tǒng)計，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)測結(jié)果如下表。

表3  14^-2煤層瓦斯預(yù)測結(jié)果

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

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

（6）瓦斯涌出構(gòu)成分析

礦井開采初期，瓦斯主要來自于回采工作面和掘進工作面，全部回采工作面瓦斯涌出量是9.36m3/min，全部掘進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％。

工作開采中期，隨著已開采區(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)測結(jié)論

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

（2）對照《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。

作者簡介：

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

 

參考文獻(xiàn)：

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