宋常勝 萇延輝

（河南理工大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院，河南省焦作市，454003）

基于分源預(yù)測(cè)法的華陽(yáng)煤礦9＃、15＃煤層瓦斯涌出量預(yù)測(cè)

宋常勝 萇延輝

（河南理工大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院，河南省焦作市，454003）

采用鉆屑解吸指標(biāo)法對(duì)華陽(yáng)煤礦9＃煤層和15＃煤層的瓦斯含量和殘存瓦斯含量進(jìn)行了測(cè)定，并分析了瓦斯含量分布特征；利用線性回歸方法研究獲得9＃煤層和15＃煤層瓦斯含量與埋藏深度的關(guān)系，得出了9＃煤層和15＃煤層原始瓦斯含量增長(zhǎng)梯度；最后采用分源預(yù)測(cè)法對(duì)華陽(yáng)煤礦開(kāi)采前期、中期和后期的瓦斯涌出量進(jìn)行了預(yù)測(cè)，確定華陽(yáng)煤礦在9＃煤層和15＃煤層開(kāi)采時(shí)屬于低瓦斯礦井，為礦井通風(fēng)設(shè)計(jì)和瓦斯治理提供了依據(jù)。

瓦斯含量 瓦斯涌出量 預(yù)測(cè) 分源預(yù)測(cè)法 鉆屑解吸指標(biāo)法

瓦斯災(zāi)害是影響煤礦安全生產(chǎn)的主要因素之一，為了有效防治瓦斯災(zāi)害，必須進(jìn)行瓦斯涌出量預(yù)測(cè)。準(zhǔn)確預(yù)測(cè)瓦斯涌出量是防治礦井瓦斯災(zāi)害的關(guān)鍵因素之一，并能為工作面布置、井下瓦斯抽放設(shè)計(jì)、通風(fēng)管理等提供基本依據(jù)。因此，瓦斯涌出量預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性顯得尤為重要。本文運(yùn)用分源預(yù)測(cè)法對(duì)華陽(yáng)煤礦進(jìn)行了瓦斯涌出量預(yù)測(cè)，為該礦的安全生產(chǎn)和瓦斯抽放設(shè)計(jì)提供了理論及數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

1 礦井概況

1.1 地質(zhì)構(gòu)造

華陽(yáng)井田位于太行山復(fù)式背斜西翼，沁水盆地東翼南段，晉獲褶斷帶的西側(cè)。井田南部發(fā)育一條小型斷層F1，斷距10m，傾角45°。井田內(nèi)構(gòu)造總體上為一寬緩的褶曲構(gòu)造，軸向北西，煤層總體走向北東，傾向北西，傾角4～7°，未見(jiàn)巖漿巖侵入。井田構(gòu)造總體上屬于簡(jiǎn)單類(lèi)型，為單斜背景上發(fā)育次級(jí)褶曲。

1.2 煤層賦存

華陽(yáng)煤礦井田內(nèi)含煤地層為石炭系上統(tǒng)太原組和二疊系下統(tǒng)山西組，含煤地層總厚為148.15m，共含煤11層，煤層總厚度為13.60m，含煤系數(shù)為9.18%，含穩(wěn)定可采煤層3層，即3＃煤層、9＃煤層和15＃煤層，總厚11.09m，含煤系數(shù)7.49%。

該礦原先開(kāi)采3＃煤層，下一步設(shè)計(jì)開(kāi)采9＃煤層和15＃煤層，9＃煤層與15＃煤層平均間距30.9m。9＃煤層上距3＃煤層底板62m，煤層厚度1.47～2.33m，平均1.74m，煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，夾0～2層夾矸。其直接頂板多為粉砂巖和泥巖，底板多以K4石灰?guī)r為主，局部為泥巖。15＃煤層厚度2.41～4.09m，平均2.78m，煤層厚度變化大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，含0～5層夾矸，頂板為K2灰?guī)r，底板為泥巖和鋁土泥巖。

1.3 礦井開(kāi)拓開(kāi)采

華陽(yáng)煤礦設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為600萬(wàn)t／a，井田開(kāi)拓方式為斜井開(kāi)拓，即主斜井、副斜井、回風(fēng)立井。礦井兼并重組后主要可采煤層為9＃煤層和15＃煤層，采用聯(lián)合開(kāi)拓，設(shè)一個(gè)水平分別開(kāi)采井田范圍內(nèi)9＃煤層和15＃煤層，水平標(biāo)高＋665m（15＃煤層頂板）。結(jié)合各煤層的厚度，采用走向（傾斜）長(zhǎng)壁綜合機(jī)械化一次采全高采煤法，頂板管理采用全部垮落法。

根據(jù)大巷布置原則，礦井共劃分為5個(gè)采區(qū)，15＃煤層?xùn)|北部為一采區(qū)，9＃煤層為二采區(qū)，15＃煤層西北部為三采區(qū)，15＃煤層西南部為四采區(qū)，15＃煤層?xùn)|南部為五采區(qū)。

2 煤層瓦斯含量

2.1 煤層瓦斯含量測(cè)定方法

鉆屑解吸法測(cè)定煤層瓦斯含量的原理是：井下采集新鮮的原始煤樣，實(shí)測(cè)煤樣瓦斯解吸量，根據(jù)煤樣瓦斯解吸規(guī)律推算取樣過(guò)程煤樣的損失瓦斯量，然后在實(shí)驗(yàn)室測(cè)定煤樣的殘存瓦斯量，最后根據(jù)煤樣的取樣損失量、井下瓦斯解吸量、殘存瓦斯量和煤樣重量計(jì)算煤層瓦斯含量。利用鉆屑解吸法對(duì)華陽(yáng)煤礦9＃煤層和15＃煤層瓦斯含量進(jìn)行測(cè)定，測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表1和表2。

表1 華陽(yáng)礦井工作面瓦斯成分測(cè)定結(jié)果

表2 華陽(yáng)礦井地勘瓦斯含量測(cè)定結(jié)果

2.2 煤層瓦斯含量分布規(guī)律

（1）從表1和表2獲得的煤層瓦斯含量控制點(diǎn)的瓦斯成分和瓦斯含量來(lái)看，9＃煤層瓦斯中甲烷（CH4）成份為34.81%～79.16%，平均56.74%；二氧化碳（CO2）成份為12.36%～24.43%，平均16.88%；氮?dú)猓∟2）成份為6.21%～50.06%，平均26.38%。可以推測(cè)，9＃煤層處于瓦斯風(fēng)化帶中的氮?dú)猓淄閹А?5＃煤層一部分處于瓦斯風(fēng)化帶中的氮?dú)猓淄閹?，一部分處于甲烷帶?/p>

（2）華陽(yáng)煤礦9＃煤層和15＃煤層瓦斯含量（y）與埋藏深度（x）有著明顯的線性關(guān)系，煤層瓦斯含量隨著埋藏深度的增加而增大。華陽(yáng)煤礦9＃煤層埋深與瓦斯含量相關(guān)關(guān)系見(jiàn)圖1，華陽(yáng)煤礦15＃煤層埋深與瓦斯含量相關(guān)關(guān)系見(jiàn)圖2。9＃煤層滿(mǎn)足線性關(guān)系y＝0.0139x＋1.4181，擬合度R2＝0.738。15＃煤層滿(mǎn)足線性關(guān)系y＝0.0064x＋3.4681，擬合度R2＝0.2227。

圖1 華陽(yáng)煤礦9＃煤層埋深與瓦斯含量相關(guān)關(guān)系圖

（3）華陽(yáng)煤礦9＃煤層原始瓦斯含量增長(zhǎng)梯度為1.39m3／t／100m，15＃煤層原始瓦斯含量增長(zhǎng)梯度為0.64m3／t／100m。

圖2 華陽(yáng)煤礦15＃煤層埋深與瓦斯含量相關(guān)關(guān)系圖

3 瓦斯涌出量預(yù)測(cè)

3.1 預(yù)測(cè)方法的選用

目前，國(guó)內(nèi)外很多專(zhuān)家學(xué)者對(duì)瓦斯涌出量預(yù)測(cè)進(jìn)行了大量的研究并提出了多種預(yù)測(cè)方法，大致可以歸納為三類(lèi)：以數(shù)理統(tǒng)計(jì)為基礎(chǔ)的礦山統(tǒng)計(jì)法，以瓦斯含量為基礎(chǔ)的分源預(yù)測(cè)法和灰色預(yù)測(cè)法。長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)煤礦一直采用礦山統(tǒng)計(jì)法預(yù)測(cè)礦井瓦斯涌出量，這種方法不但要求有足夠大的樣本空間，而且要求預(yù)測(cè)區(qū)的地質(zhì)條件、煤層開(kāi)采技術(shù)條件與生產(chǎn)區(qū)相同或類(lèi)似。一旦上述要求不能夠滿(mǎn)足，預(yù)測(cè)值可能與實(shí)際值嚴(yán)重偏離甚至完全不符；分源預(yù)測(cè)法是以煤層瓦斯含量、煤層開(kāi)采技術(shù)條件為基礎(chǔ)，根據(jù)各基本瓦斯涌出源的瓦斯涌出規(guī)律，計(jì)算回采工作面、掘進(jìn)工作面、采區(qū)及礦井瓦斯涌出量；灰色系統(tǒng)預(yù)測(cè)理論是以時(shí)間序列作為基點(diǎn)來(lái)進(jìn)行預(yù)測(cè)的，它適用于呈指數(shù)規(guī)律發(fā)展的系統(tǒng)的預(yù)測(cè)。但是，有時(shí)盡管時(shí)間序列呈指數(shù)變化，也會(huì)出現(xiàn)一些擬合效果差甚至完全失敗的情況。它要求數(shù)據(jù)要光滑、GM（1，1）模型的背景值和GM（1，1）模型辨識(shí)參數(shù)。

鑒于上述原因，況且本礦井9＃煤層和15＃煤層均正處于巷道開(kāi)拓布置階段，瓦斯涌出量數(shù)據(jù)較少，所以采用分源預(yù)測(cè)法預(yù)測(cè)本礦井瓦斯涌出量。

3.2 分源預(yù)測(cè)法

礦井瓦斯涌出源匯關(guān)系見(jiàn)圖3。根據(jù)煤層瓦斯含量和礦井瓦斯涌出的源匯關(guān)系，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(kāi)采技術(shù)條件，通過(guò)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3 礦井瓦斯涌出源匯關(guān)系示意圖

3.3 預(yù)測(cè)條件

（1）礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為60Mt／a。

（2）礦井生產(chǎn)前期：把15＃煤層一采區(qū)開(kāi)采期間定為前期。在一采區(qū)布置1個(gè)綜采工作面、2個(gè)綜掘工作面，綜采工作面長(zhǎng)度120m，采高2.78 m，回采率為95%；1個(gè)運(yùn)輸巷道，斷面積為8.4 m2，1個(gè)回風(fēng)巷道，斷面積為9.45m2，每個(gè)煤巷掘進(jìn)隊(duì)掘進(jìn)速度為300m／月，礦井采掘比為1︰2。

（3）礦井生產(chǎn)中期：把9＃煤層開(kāi)采期間定為中期。設(shè)計(jì)9＃煤層布置1個(gè)綜采工作面、2個(gè)綜掘工作面。綜采工作面長(zhǎng)度160m，采高1.74m，回采率為95%；1個(gè)運(yùn)輸巷道，斷面積為8.0m2，1個(gè)回風(fēng)巷道，斷面積為8.0m2，每個(gè)煤巷掘進(jìn)隊(duì)掘進(jìn)速度為300m／月，礦井采掘比為1︰2。

（4）礦井生產(chǎn)后期：把15＃煤層一采區(qū)剩余資源開(kāi)采期間定為后期。

（5）年工作日330d。

3.4 瓦斯涌出量預(yù)測(cè)結(jié)果

考慮到礦井通風(fēng)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)期間瓦斯防治的需要，現(xiàn)對(duì)礦井達(dá)產(chǎn)后不同時(shí)期采區(qū)聯(lián)合開(kāi)采時(shí)的最大瓦斯涌出量進(jìn)行預(yù)測(cè)。瓦斯涌出量預(yù)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表3～表6。

由表6可以看出：生產(chǎn)前期，礦井最大絕對(duì)瓦斯涌出量7.66m3／min，最大相對(duì)瓦斯涌出量6.07 m3／t；生產(chǎn)中期，礦井最大絕對(duì)瓦斯涌出量9.48 m3／min，最大相對(duì)瓦斯涌出量7.51m3／t；生產(chǎn)后期，礦井最大絕對(duì)瓦斯涌出量8.23m3／min，最大相對(duì)瓦斯涌出量6.52m3／t。按照《煤礦安全規(guī)程》第133條的規(guī)定，無(wú)論是生產(chǎn)前期、中期還是后期的9＃煤層和15＃煤層開(kāi)采，華陽(yáng)煤礦都屬于低瓦斯礦井。

表3 回采工作面瓦斯涌出量預(yù)測(cè)結(jié)果

表4 掘進(jìn)工作面瓦斯涌出量預(yù)測(cè)結(jié)果

表5 采區(qū)瓦斯涌出量預(yù)測(cè)結(jié)果

表6 礦井瓦斯涌出量預(yù)測(cè)結(jié)果

4 結(jié)語(yǔ)

（1）用線性回歸方法，研究獲得了華陽(yáng)煤礦9＃煤層和15＃煤層瓦斯含量（y）與埋藏深度（x）的關(guān)系。

（2）華陽(yáng)煤礦9＃煤層原始瓦斯含量增長(zhǎng)梯度為1.39m3／t／100m，15＃煤層原始瓦斯含量增長(zhǎng)梯度為0.64m3／t／100m。

（3）采用分源預(yù)測(cè)法對(duì)華陽(yáng)煤礦不同生產(chǎn)時(shí)期的瓦斯涌出量進(jìn)行了預(yù)測(cè)，并得到了科學(xué)的預(yù)測(cè)結(jié)果，按照《煤礦安全規(guī)程》第133條的規(guī)定，無(wú)論是生產(chǎn)前期、中期還是后期，華陽(yáng)煤礦9＃煤層和15＃煤層開(kāi)采都屬于低瓦斯礦井。

［1］ 張子敏，林又玲，呂紹林.中國(guó)煤層瓦斯分布特征［M］.北京：煤炭工業(yè)出版社，1998

［2］ 王曉彬，張子敏，張玉貴等.新安煤礦瓦斯賦存影響因素分析［J］.煤炭工程，2010（2）

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［4］ 戴永祿.大型礦井回采工作面瓦斯涌出特征考察及影響因素分析［J］.中國(guó)煤炭，2012（5）

［5］ 詹海光，尹利平.采煤工作面瓦斯涌出量的聚類(lèi)預(yù)測(cè)［J］.礦業(yè)工程研究，2009（3）

［6］ 王兆豐，肖東輝，陳向軍.分源法預(yù)測(cè)望云煤礦瓦斯涌出量［J］.煤，2008（6）

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Prediction on gas emission in 9＃and 15＃coalbeds in Huayang Mine based on different－source predicting method

Song Changsheng，Chang Yanhui
（School of Energy Science and Engineering，Henan Polytechnic University，Jiaozuo，Henan 454003，China）

With the method of desorption index of drill cuttings，the paper determines the gas content and residual gas content in 9＃and 15＃coalbeds of Huayang Mine and analyzes the distribution characteristics of the gas content；using the linear regression method，it obtains the relationship between the gas content and the burial depth of 9＃and 15＃coallbeds，and gets the original gas content growth gradient of the two coalbeds；finally，adopting the different－source predicting method，it predicts the gas emission rate in early，middle and late periods of coal mining in Huayang Mine，and determines that in mining of 9＃and 15＃coalbeds，Huayang Mine belongs to the low－gas mines，which provides a basis for ventilation design and gas control of the mine.

gas content，gas emission rate，predicting，different－source predicting method，method of desorption index of drill cuttings

TD712.53

A

宋常勝（1977－），男，江蘇睢寧人，博士，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事采礦工程方面的教學(xué)科研工作。

（責(zé)任編輯 張艷華）