魯 義，王曙勛，蔡云龍

(1．煤礦瓦斯與火災(zāi)防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116;2．中國(guó)礦業(yè)大學(xué)安全工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116;3．鐵法煤業(yè)集團(tuán)小康礦，遼寧 鐵嶺 112700)

目前，煤礦瓦斯事故是煤礦重要的災(zāi)害事故之一，瓦斯涌出量的大小對(duì)煤礦安全生產(chǎn)至關(guān)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(shù)缺乏，導(dǎo)致通風(fēng)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)后瓦斯管理等工作都無法進(jìn)行。目前，國(guó)內(nèi)外用于瓦斯涌出量預(yù)測(cè)的方法主要有兩種，礦山統(tǒng)計(jì)法和分源預(yù)測(cè)法。礦山統(tǒng)計(jì)法［2］是在地質(zhì)條件相似的前提下，根據(jù)積累的足夠瓦斯實(shí)測(cè)資料，經(jīng)過數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析得出該礦井新水平、新采區(qū)或相鄰礦井的瓦斯涌出量。而整合礦井并沒有可信的實(shí)測(cè)瓦斯參數(shù)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(tǒng)計(jì)法進(jìn)行預(yù)測(cè)。采用分源預(yù)測(cè)法以勘探階段提供的瓦斯含量，結(jié)合在礦井實(shí)際條件允許的情況下，采用鉆屑解析法［3］實(shí)測(cè)的瓦斯含量為基礎(chǔ)進(jìn)行瓦斯涌出量預(yù)測(cè)。

1 技術(shù)原理

分源預(yù)測(cè)法的技術(shù)原理［4，5］是：根據(jù)煤層瓦斯含量和礦井瓦斯涌出的構(gòu)成關(guān)系(見圖1)，利用瓦斯涌出源的瓦斯涌出規(guī)律并結(jié)合煤層的賦存條件和開采技術(shù)條件，通過對(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。

圖1 礦井瓦斯涌出構(gòu)成關(guān)系圖

1)回采工作面瓦斯涌出量。

式中：

q采—回采工作面相對(duì)瓦斯涌出量，m3/t;

q1—開采層相對(duì)瓦斯涌出量，m3/t;

q2—鄰近層相對(duì)瓦斯涌出量，m3/t。

2)掘進(jìn)工作面瓦斯涌出量。

式中：

q掘—掘進(jìn)工作面絕對(duì)瓦斯涌出量，m3/min;

q3—掘進(jìn)工作面巷道煤壁絕對(duì)瓦斯涌出量，m3/min;

q4—掘進(jìn)巷道落煤絕對(duì)瓦斯涌出量，m3/min。

3)生產(chǎn)采區(qū)瓦斯涌出量。

式中：

q區(qū)—生產(chǎn)采區(qū)相對(duì)瓦斯涌出量，m3/t;

K'—生產(chǎn)采區(qū)內(nèi)采空區(qū)瓦斯涌出系數(shù)，取1．20;

q采i—第i回采工作面相對(duì)瓦斯涌出量，m3/t;

Ai—第i回采工作面平均日產(chǎn)量，按礦井平均日產(chǎn)量的90%取值;

q掘i—第i掘進(jìn)工作面絕對(duì)瓦斯涌出量，m3/min;

A0—生產(chǎn)采區(qū)平均日產(chǎn)量，t/d。

4)礦井瓦斯涌出量。

式中：

q井—礦井相對(duì)瓦斯涌出量，m3/t;

q區(qū)i—第i生產(chǎn)采區(qū)相對(duì)瓦斯涌出量，m3/t;

A0i—第i生產(chǎn)采區(qū)日平均產(chǎn)量，t;

K″—已采采空區(qū)瓦斯涌出量系數(shù)，礦井生產(chǎn)第一時(shí)期、第二時(shí)期取1．15，第三時(shí)期、第四時(shí)期取1．2。

2 煤層瓦斯含量分布規(guī)律

2．1 地勘瓦斯含量測(cè)值

由于整合煤礦自身特點(diǎn)的限制，在進(jìn)行瓦斯涌出量預(yù)測(cè)時(shí)，通過分析地勘時(shí)的鉆孔瓦斯含量，對(duì)比選擇了一些有代表性的可靠性高的點(diǎn)，見表1。

表1 井田內(nèi)9#、10#、11#地勘瓦斯含量測(cè)值表

2．2 瓦斯含量分布規(guī)律

從4個(gè)9#煤層含量測(cè)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?dú)?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(fēng)化帶中的二氧化碳—氮?dú)鈳А?/p>

從4個(gè)10#煤層含量測(cè)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?dú)?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(fēng)化帶中的二氧化碳—氮?dú)鈳А?/p>

從4個(gè)11#煤層含量測(cè)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?dú)?N2)成分為 80．83% ～89．61%，平均 85．16%?？梢缘贸鲈诼裆钚∮?83．3的11#煤層處于瓦斯風(fēng)化帶中的二氧化碳—氮?dú)鈳А?/p>

通過對(duì)測(cè)點(diǎn)瓦斯含量的分析，結(jié)合礦井生產(chǎn)安排計(jì)劃，根據(jù)煤層瓦斯的垂直分帶現(xiàn)象具有連續(xù)性，推斷出最大埋深處煤層處于瓦斯風(fēng)化帶內(nèi)的氮?dú)鈳?，最多處于氮?dú)狻淄閹?，不?huì)跳越進(jìn)入甲烷帶。瓦斯含量與煤層埋深變化趨勢(shì)見圖2，圖3，圖4。

3 礦井瓦斯涌出量預(yù)測(cè)

3．1 預(yù)測(cè)條件

1)礦井生產(chǎn)能力為0．9 Mt/a。

2)第一時(shí)期。根據(jù)礦井初步設(shè)計(jì)，礦井移交生產(chǎn)前3年僅在9#煤層1采區(qū)布置一個(gè)綜采工作面，目的在于釋放10#煤層，此時(shí)期礦井達(dá)不到設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力，生產(chǎn)能力為 0．3 Mt/a。

第二時(shí)期。礦井移交生產(chǎn)3年后，同時(shí)在10#煤層一采區(qū)中布置1個(gè)綜采工作面，配合9#煤層布置的1個(gè)綜采工作面，達(dá)到礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力。此時(shí)期為9#煤層一采區(qū)和10#煤層一采區(qū)聯(lián)合開采時(shí)期，9#煤層生產(chǎn)能力為 0．3 Mt/a，10#煤層生產(chǎn)能力為0．6 Mt/a。

第三時(shí)期。此時(shí)期為9#煤層二采區(qū)和10#煤層二采區(qū)聯(lián)合開采時(shí)期，9#煤層生產(chǎn)能力為0．3 Mt/a，10#煤層生產(chǎn)能力為0．6 Mt/a。

第四時(shí)期。11#煤層開采時(shí)期，在11#煤層布置1個(gè)綜采工作面，達(dá)到設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力0．9 Mt/a，這個(gè)時(shí)期開拓開采方式不變，所以，瓦斯涌出最大值出現(xiàn)在一采區(qū)開采過程，因此，預(yù)測(cè)這個(gè)時(shí)期瓦斯涌出量，僅需預(yù)測(cè)開采一采區(qū)時(shí)瓦斯涌出。

3)根據(jù)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(shè)計(jì)移交生產(chǎn)，第一時(shí)期在9#煤層一采區(qū)布置1個(gè)綜采工作面，長(zhǎng)度為150 m，采高1．01 m，布置2個(gè)工作面順槽綜掘掘進(jìn)進(jìn)工作面，1個(gè)運(yùn)輸順槽掘進(jìn)工作面，斷面積為11．18 m2，1個(gè)回風(fēng)順槽掘進(jìn)工作面，斷面積為8．64 m2，掘進(jìn)速度為500 m/月，礦井采掘進(jìn)比為1∶2;第二時(shí)期、第三時(shí)期為9#煤層、10#煤層聯(lián)合開采時(shí)期，9#煤層開拓、回采方面不變，同時(shí)在10#煤層布置1個(gè)綜采工作面，長(zhǎng)度為150 m，采高為2．21 m，布置2個(gè)工作面順槽綜掘工作面，1個(gè)運(yùn)輸順槽掘進(jìn)工作面，斷面積為12．7 m2，1個(gè)回風(fēng)順槽掘進(jìn)工作面，斷面積為8．4 m2，掘進(jìn)速度為500 m/月，礦井采掘進(jìn)比為2∶4;第四時(shí)期為11#煤層開采時(shí)期，在11#煤層布置1個(gè)綜采工作面，長(zhǎng)度為150 m，采高2．45 m，布置2個(gè)工作面順槽綜掘工作面，1個(gè)運(yùn)輸順槽掘進(jìn)工作面，斷面積為12．7 m2，1個(gè)回風(fēng)順槽掘進(jìn)工作面，斷面積為8．4 m2，掘進(jìn)速度為500 m/月，礦井采掘進(jìn)比為1∶2。

5)年工作日330天。

3．2 瓦斯涌出量預(yù)測(cè)結(jié)果

回采工作面瓦斯涌出量預(yù)測(cè)結(jié)果見表2，掘進(jìn)工作面瓦斯涌出量預(yù)測(cè)結(jié)果見表3，采區(qū)瓦斯涌出量預(yù)測(cè)結(jié)果見表4，礦井瓦斯涌出量預(yù)測(cè)結(jié)果見表5。

表2 回采工作面瓦斯涌出量預(yù)測(cè)結(jié)果表

表3 掘進(jìn)工作面瓦斯涌出量預(yù)測(cè)結(jié)果表

表4 采區(qū)瓦斯涌出量預(yù)測(cè)結(jié)果表

表5 礦井瓦斯涌出量預(yù)測(cè)結(jié)果表

3．3 礦井瓦斯涌出來源構(gòu)成分析

第一時(shí)期。礦井最大絕對(duì)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(jìn)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(qū)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(gè)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(gè)回采工作面瓦斯涌出的74%。

第二時(shí)期。礦井最大絕對(duì)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(jìn)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(qū)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(gè)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(gè)回采工作面瓦斯涌出的79%。

第三時(shí)期。礦井最大絕對(duì)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(jìn)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(qū)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(gè)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(gè)回采工作面瓦斯涌出的96%。

第四時(shí)期，礦井最大絕對(duì)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(jìn)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(qū)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(gè)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(gè)回采工作面瓦斯涌出的78%。

4 結(jié)論

1)根據(jù)地勘瓦斯含量和瓦斯組分測(cè)定結(jié)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(fēng)化帶內(nèi)。

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(guān)系。瓦斯含量有隨煤層埋藏深度增加而增加的趨勢(shì)，但規(guī)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(fēng)化帶，煤層賦存規(guī)律性較差。

3)分源預(yù)測(cè)法的結(jié)果為：第一時(shí)期礦井最大相對(duì)瓦斯涌出量為1．912 m3/t;第二時(shí)期最大相對(duì)瓦斯涌出量為2．331 m3/t;第三時(shí)期礦井最大相對(duì)瓦斯涌出量為1．534 m3/t;第四時(shí)期礦井最大相對(duì)瓦斯涌出量為0．570 m3/t。煤層開采各個(gè)時(shí)期均屬于低瓦斯礦井。

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