（安全技术及工程专业论文）乌兰矿3lt＃gt煤层综放面瓦斯涌出量预测及防治技术研究.pdf

s b j e e t：s t u d yo nt h et e c h n i q u eo fp r e d i c t i o na n dp r e v e n t i o nf o r t h eq u a n t i t yo fg a se m i s s i o no t 3 。s e a mf u l l ym e c h a n i z e d t o l 桃o a lc a v i n gf a e ei nw u l a n s p e c i a l t y ：s a f e t yt e e l a n o l o g ya n de n g i n e e r i n g n a m e ：x i a o p e n g i n s t r u c t o r ：l i $ h u g a n g c r l l si s0 1 1 co ft h em o s ti m p o r t a n tf a c t o r sw h i c hi n f l u e n c et h ep r o d u c t i o ns a f e t yo ft h e c o l l i e r y , b e c a u s et h ep r e d i c t i o no f g a se m i s s i o ni st h eb a s eo f g a sp r e v e n t i o na n dm a n a g e m e n t , t h er e s e a r c ha n d s t u d yo f t h ew a yo f g a se l i e i l i n ga n dp r e d i c t i n g , a sw e l la sh o w t op r e d i c tt h e q u a n t i t yo fg a se m i s s i o n , c 锄b e 稍t hg r e a ti m p o r t a n c et o 曲瑚l 咖s a f e t ym a n a g e m e n ta n d t oi n c r e a s es a f e t yl e v e li nc o a ll n i n ec o r p o r a t i o n s m3 。c o a ls e a m , t h em a i nc u l l0 f w ul a nc o a l i i 璐t e r j di sah i g hg a sc o a ls e a m , t h eg a s e m i s s i o no nw o r kp l a c ea f f e c t i n gt h es a f e t yo f w o r ku n d e rm i n es e r i o u s l y h o wt or e s o l v et h e p r o b l e mo fg a se m i s s i o no nt h i sp l a c ea n dh o w t op r e v e n ta n dt a k et e c h n o l o g ym e a s u r eh a s i m p o r t a n tp r a c t i c a li n c a n i n g ma r t i c l ei sb a s e d0 1 1 1t i l em e t h o d so ft h ep r e d i c t i o no fg a se m i s s i o ni na n da b r o a d p o i n t i n go u tt h ea p p l i c a b l ec o n d i t i o na n dd e f i c i e n c yo fe v e r ym e t h o d , a n di l a v i n gs u g g e s t e d t h a tt h em u l l i v a r i a t em g m ( 1 。n ) p r e d i e t e dm o d e ll a e d d l e sa d a p t i n gt o5 3 4 3o fw ul a nc o a l m i n e a c c 础n gt ot h es c e n co b s e r v e so t 5 3 4 3h e d d l eo f 3 。c o a l a m s ，a n dt h ea n a l y z eo f t h e s o u i c ec h a r a c t e r i s t i co f g a se m i s s i o no nt h i sf a c e ，g o tt h el a wo f g a se m i s s i o no f 5 3 4 3 i ta l s o u s e sg r a yc o r r e l a t i o nd e g r e em e t h o dt oa n a l y z et h ev a r i o u sf a c t o r sw h i e l aa f f e c t i n gt h e m o u n t so fg a se m i s s i o n , a n dh a sa s c e r t a i n e dt h r e em a i ni n f l u e n c i n gf a c t o rs u e l a1 1 5m o u n t s a n dh o l d e rs u p p o r t i n gf o r c e b a s e do nm ( 3 mo f u n i o n ( 1 ，n ) g r a yf o r e c a s tm o d e l , i th a sb u i l t t h es y n t h e t i c a le f f e c to fat h r e ef a c t o r sm ( 3 m ( 1 ，4 ) f o r e c a s tm o d e l , p r a c t i c eh a sc e r t i f i c a t e d t h a tt h i sm o d e l 啪p r e d i c tt h eg a se m i s s i o no f t h ew o r kp l a c ee x a c t l y f i n a l l y , b a s e do nt h el a c ko f e x i s t i n gt e c h n o l o g yo f g a sp r e v e n t i o n , m a n a g e m e n tm e a , q 1 u e ， t h er e a lc h a r a c t e r i s t i ca n dp r o p h a s ep r e i d i e tr e s u l t , ai n o l t c o r r c s p o n d i n gt e c h n o l o g yo fg a s p r e v e n t i o na n dm a n a g e m e n tn l e a 鞠玳h a sm v a n e e d p r a c t i c eh a sp r o v e dt h a t t h i sh a s i m p o r t a n tm e a n i n g t oe n s u r et h es a f e t yo f t h ew o r k p l a c e k e yw o r d s ：f u l l y m e c h a n i z e dt o p - c o a lc a v i n gf a c e ：g a se m i s s i o n ： m u l t i v a r i a t em g m ( 1 ，n ) m o d e l ；f o r e c a s t ： t h i sw o r ki sf m a n c t a l l ys p p o r t e db yt h en 缸i 伽山n a t u r a ls c i e n c ef o m g l a t i o n ( 5 0 5 7 4 0 7 2 0 1a r i ds h a a a x i e d u c a t i o n a ls p e c i a ls c i e n c er e s e a r c hp l a np r o j e c i ( 0 2 j 9 0 8 2 ) 西要种技大学 学位论文独创性说明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 学位敝储魏茂临嗍 0 7 丘w 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间 论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课 题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名： 茂翮易指导教师签名：捌 ul 0 7 年函月w 白 1 绪论 l 绪论 1 1 煤矿瓦斯灾害现状 瓦斯是危害矿井安全生产的重要因素之一瓦斯灾害主要有爆炸、突出、窒息三种 形式，其中瓦斯爆炸和煤与瓦斯突出对煤矿企业危害极大，严重威胁井下人员的生命和 生产设施的安全。例如，2 0 0 1 年至2 0 0 5 年2 月，全国煤矿发生一次死亡3 0 人以上的事故 2 8 起，死亡1 6 8 9 人，其中瓦斯事故2 4 起，死亡1 5 5 8 人，事故起数和死亡人数分别占8 5 7 1 和9 2 2 t 1 1 。目前，我国煤矿瓦斯灾害事故仍呈上升趋势，给煤矿安全生产造成极大危 害。 表l 2 0 0 4 年+ 2 e e a 年煤矿瓦斯事故列表 瓦斯不仅给生产矿井带来沉重的经济负担，同时也极大的限制了矿井生产能力的发 挥口卅。因此，瓦斯防治是矿井安全生产的第一任务，而对瓦斯涌出量的高精度预测是 瓦斯防治技术中的主要方面之一，瓦斯涌出量预测精度的高低直接决定着矿井生产时防 西安科技大学硕士学位论文 治措施的效果 5 1 。因此，准确、快捷的进行瓦斯涌出量预测一直是国内外学者十分关注 的研究课题。瓦斯涌出量预测技术的研究，不仅具有十分重要的学术价值，而且对预防 煤矿安全、改善我国煤矿安全生产状况具有积极的意义 6 4 1 。 乌兰煤矿是神华宁夏煤业集团公司生产焦煤的骨干矿井之一。2 0 0 4 年3 月经过初步 设计技改使矿井设计生产能力增大到2 4 0 m t a 。乌兰煤矿属于高瓦斯突出矿井，矿井主 采煤层有4 个，其中3 煤层储量占全矿井的5 7 ，采用综放开采。但是3 0 煤层为有煤与瓦 斯突出危险的特厚煤层，其综放工作面的瓦斯涌出量较大，时常造成工作面上隅角瓦斯 超限而使整个工作面全线封闭，这样就严重的影响了整个综放工作面的推进速度和产 量，从而有可能造成采空区的煤层发生自燃。3 。煤层的瓦斯防治技术主要是采用1 2 8 0 瓦 斯巷穿层钻孔预抽2 。及3 0 煤层瓦斯，基巷采用顺层扇形钻孔进行边采边抽，地面垂直钻 孔进行采空区及邻近煤层瓦斯抽放，顶煤道上隅角瓦斯排放，顶煤道高位钻孔瓦斯抽放 方法，但是由于种种原因造成瓦斯抽放能力不够，对3 。煤层的开采造成一定的影响。所 以，对乌兰煤矿3 煤层的瓦斯涌出量做出正确的预测预报及对综放面采取有效的瓦斯防 治技术和措施有着重大的理论和现实意义。 1 2 瓦斯涌出量预测技术研究现状 瓦斯涌出量预测是以煤层瓦斯含量及其分布规律，或以煤层瓦斯涌出量变化规律为 基础，结合地质因素、开采因素选取合理参数，以一定的方法预计瓦斯涌出量多少的工 作过程。它是新建矿井和改建矿井通风设计、制定合理的瓦斯防治措施必不可少的环节。 1 2 1 国外研究现状 近年来，瓦斯涌出量预测技术越来越得到世界各产煤国的重视网。各国投入大量的 人力财力进行技术攻关，取得了许多可供参考与借鉴的经验和研究成果。如英国、德国、 法国、波兰和俄罗斯等国很早以前就开始利用煤层瓦斯含量预测矿井瓦斯涌出量的方法 研究，陆续产生了从不同角度出发，研究适合各自国家煤层条件的矿井瓦斯涌出量预测 方法，但都缺乏通用性。 根据文献报道【l 川，国外在煤矿瓦斯涌出量预测技术研究方面的技术水平及现状概述 如下： ( 1 ) 预测技术方法化、规范化：俄罗斯早在2 0 世纪8 0 年代初制定了针对不同类型 矿井及煤层赋存条件与生产条件的矿井瓦斯涌出量预测规范，以法规形式规定煤层在开 采时必须进行瓦斯预测工作；其它主要国家也研究建立适合各自国情的预测方法。如： 英国的艾黎( a i r e y ) 法、德国的文特( w m t e r ) 法、美国的匹兹堡矿业研究院法等。 ( 2 ) 预测方法动态化：由于瓦斯涌出是一个含多因素的复变函数，受时间、空间 及煤层赋存条件的影响很大，具有多变性，国外一些主要产煤国研究建立了瓦斯涌出动 2 1 绪论 态预测方法。例如：英国建立了考虑由时间和开采技术条件为影响因素的艾黎法；德国 提出采掘工作面时空序列瓦斯动态预测法，这些方法可以根据开采技术条件和赋存条件 的变化超前准备预测采掘工作面瓦斯涌出动态变化值，从而根据预测结果随时调整工作 面的风量采取合理的瓦斯处理措施，取得了良好的应用效果。 ( 3 ) 预测内容多元化、综合化：在瓦斯预测时，不但预测煤层瓦斯含量、涌出量， 而且还能预测煤层瓦斯分区分带特性，瓦斯储量，并且对矿井中长期瓦斯涌出态势及防 治对策作出评价。 1 2 2 国内研究现状 我国在矿井瓦斯涌出量预测方法研究方面起步较晚，是从“七五”开始着手研究矿 井瓦斯涌出量预测技术，一直到“九五”进一步研究出了高产高效采煤工作面和综掘工 作面的瓦斯涌出规律。瓦斯涌出量是煤矿安全生产中十分重要的课题。国内许多专家学 者结合煤矿的实际情况，探讨了许多瓦斯涌出量预测方法。例如，付永水探讨了适合于 低瓦斯煤层工作面的瓦斯涌出量预测方法o i l ；曲方提出了基于煤壁瓦斯涌出初速度的综 掘工作面瓦斯涌出量预测方法【1 2 】；李曲将基因表达式程序设计方法应用于采煤工作面瓦 斯涌出量预测中【1 3 】；袁东升将三维灰趋势面分析法应用于瓦斯涌出量预测中【m l q ；夏红 春提出了基于最小二乘法的矿井深部区域瓦斯涌出量预测方法【1 7 1 ；陈富勇将数值分析应 用于矿井未开采区瓦斯涌出量预测中i l s l 。近年来，一些学者将神经网络等新技术、新方 法引入瓦斯涌出量预测领域，曾勇进行了矿井瓦斯涌出量预测的模糊分形神经网络研究 0 9 ；刘新喜提出了基于b p 人工神经网络的矿井瓦斯涌出量预测方法b 明。 国内学者还探讨建立了地堪瓦斯含量解吸法、矿井瓦斯涌出量分源预测法【2 ”，并研 究建立了煤层瓦斯基本参数数据库、微机绘制瓦斯地质图件和煤矿瓦斯综合评价系统， 使我国煤矿瓦斯预测技术及配套装备有了很大的进步 但与国外同类技术相比，我国在该领域的研究尚存在3 个方面的技术问题：煤层 瓦斯含量控制程度不足；预测方法不具备动态预测功能，不能根据开采时空因素及 生产条件实施动态跟踪预测；现有的方法是针对非集约化生产方式建立的，而对集 约化生产矿井瓦斯涌出规律及特征揭示性差，预测准确率低 纵观国内外研究，我们可以系统地把瓦斯涌出量预测方法分为两大类圈。一大类就 是利用数量化理论如数理统计、系统科学等方法，依据矿井瓦斯涌出量与开采深度等参 数之间的统计规律，外推到预测新区；另一大类是以煤层瓦斯含量为基本参数，通过计 算井下各瓦斯涌出源的瓦斯涌出量、煤层瓦斯含量等，得到矿井某一预测范围的相对瓦 斯涌出量。 西安科技大擘硕士学位论文 1 3 瓦斯涌出量的影响因素 1 3 1 地质因素 ( 1 ) 煤层和邻近煤、岩层的瓦斯含量 开采煤层的瓦斯含量越高，其瓦斯涌出量也就越大；开采煤层本身的瓦斯含量并不 高，但在开采煤层的上部或下部赋存有瓦斯含量大的煤层( 通常称之为邻近层) 或岩层， 受开采的影响，这些邻近煤( 岩) 层中的瓦斯涌入开采煤层的采空区和生产空间，增加瓦 斯涌出量。此外，邻近层的厚度、层数以及与开采层的间距等也都明显地影响着矿井瓦 斯涌出量。 ( 2 ) 煤层和围岩的瓦斯渗透性 煤层与围岩的渗透性对矿井瓦斯涌出量的大小有十分重要的影响。渗透性强的煤 层，瓦斯易于在其中流动，流速快，瓦斯涌出强度大，矿井瓦斯涌出量就大；围岩的瓦 斯渗透性强，有利于邻近层的瓦斯向开采层的开采空间逸散，矿井的瓦斯涌出量也随之 增大。影响煤层和岩层渗透性的因素除与原生孔隙度、孔隙大小、后期遭受构造破坏的 程度及构造裂隙的性质有关外，还与在受采动后煤层和围岩所产生的采动裂隙的发育程 度以及采动裂隙发育的范围有关。 1 3 2 开采因素 ( 1 ) 开采规模 开采规模泛指开采深度、开拓和开采范围、矿井产量以及工作面个数、长度、推进 速度等。在一定深度范围内煤层瓦斯含量随埋藏深度的增加而增大。在我国目前开采技 术条件下，开采深度越深瓦斯涌出量也就越大在相似的瓦斯地质条件下，开拓与开采 范围大、产量高的矿井、水平和采区多的绝对瓦斯涌出量相对比较大当开拓与开采达 到一定范围，产量达到一定水平之后，矿井相对瓦斯涌出量达到一定数量后也就只有微 小的变化。 ( 2 ) 开采顺序 近距离多煤层或厚煤层分层开采时，首先开采煤层瓦斯涌出量较高，除因本身的瓦 斯涌出量外，邻近层或其它分层的瓦斯，也会通过各种途径涌入首采煤层的采空区和开 采空间中来。因此，开采最先开采煤层的瓦斯涌出量往往比开采其他各层时大好几倍。 为了使矿井瓦斯涌出量不发生大的波动，在开采煤层群时，应搭配好首采煤层和其他各 层的比例。在煤层分层开采时，不同分层的瓦斯涌出量也有很大的差别 ( 3 ) 开采方法 顶板管理若采用全部垮落法，由于顶板的垮落和松动范围较大，其瓦斯涌出量就比 1 绪论 较大；而采用充填或部分充填法，其瓦斯涌出量相对比较小。采区煤柱多，工作面采空 区丢煤多，回采率低的采煤方法的采区，瓦斯涌出量比较大。回采工作面初次来压、周 期来压时，以及产生冲击地压时，瓦斯涌出量都会大大增加。据统计资料表明】，周期 来压比正常生产时，其瓦斯涌出量增加6 0 左右 ( 4 ) 生产工艺过程 在同一采掘工作面中，由于不同的生产工艺过程，瓦斯涌出量差异很大，一般在落 煤时瓦斯涌出量为最高。据实测资料表明嗍，在采掘工作面不同生产工艺过程中瓦斯涌 出情况如表1 2 、表1 3 、表1 4 所示。 表垃搁进工作面 表1 4 综采工作面 ( 5 ) 通风压力和风量 ， 通风压力的增减，必然影响到瓦斯涌出平衡压力的变化，即影响到矿井瓦斯涌出量 的变化。抽出式通风的矿井，瓦斯涌出量随着矿井通风压力( 负压) 的提高而增大，压入 式通风的矿井，瓦斯涌出量随着矿井通风压力( 正压) 的降低而增加。 ( 6 ) 采空区管理 采空区是矿井瓦斯的一个重要来源。采空区内积存着大量的高浓度( 6 0 - - - 7 0 ) 瓦 斯。如果采空区密闭的质量不好，或其迸、回风巷两侧通风压差较大，就会造成采空区 大量漏风，而把更多的瓦斯带出来，从而导致矿井瓦斯涌出量增大。 5 西安科技大学硕士学位论文 1 3 3 自然因素 ( 1 ) 大气压 大气压的变化是影响矿井瓦斯涌出量一个重要因素。据美国有关资料统计。有5 0 以上的瓦斯事故是发生在大气压急剧变化的时候。在我国不完全统计也有4 0 - - 5 0 的瓦 斯事故是发生在大气压急剧变化的时候。阴雨天，空气中水蒸气含量增加，使大气压变 低，以抽出式通风而言，造成矿井瓦斯涌出速度加快，涌出量增大，从而容易造成瓦斯 积存，引发瓦斯爆炸事故。 ( 2 ) 地震 地震是一个增大瓦斯涌出量的因素。前苏联谢布尼诺煤矿在地震期间对瓦斯涌出量 的观测，是正常时瓦斯涌出量的3 5 巧倍，最高时达到了1 0 - - 1 5 倍。地震可以产生较大的 地质构造变化，它破坏了原有瓦斯涌出的平衡：破坏了采区与风流相隔离的密闭； 增加了煤、岩层中的裂隙，其结果是增大了从顶底板及邻近层向采空区涌出瓦斯的 强度，增大了从破坏的密闭涌向风流的瓦斯，经过新形成的裂隙增大了围岩和煤层流向 生产区域的瓦斯。 1 4 主要研究目的、内容和技术路线 1 4 i 主要研究目的 瓦斯涌出是影响煤矿安全生产的重要因素，对矿井设计、建设和开采都有重要影响。 随着开采深度和产量的增加，瓦斯潜在的影响更加显著。瓦斯涌出量是决定矿井通风及 瓦斯防治技术措施的主要指标，其预测的结果的正确与否，将直接影响矿井的安全高效 生产因此加强瓦斯涌出量预测方法研究，正确预测瓦斯涌出量，对改善我国煤矿安全 生产状况具有积极的意义。乌兰煤矿3 。煤层是高瓦斯煤层，瓦斯一直是困扰该矿安全生 产的一个非常棘手而又亟待解决的难点问题，如何解决该矿3 煤层综放面的瓦斯涌出问 题并采用相应的防治技术措施，对矿井的安全生产有着重要的实践指导意义 1 4 2 主要研究内容 论文的研究内容主要包括以下几个方面： ( 1 ) 分析瓦斯涌出量预测的研究现状及影响综放面瓦斯涌出量的因素。 ( 2 ) 综述瓦斯赋存机理，分析综放面瓦斯涌出源及其特点，对现有的各种瓦斯涌 出量预测方法的特点进行分析、总结 ( 3 ) 通过分析研究乌兰煤矿3 煤层5 3 4 3 综放面观测数据，确定综放面瓦斯涌出源， 结合综放面瓦斯涌出源的涌出特征，提出5 3 4 3 综放面的瓦斯涌出规律律，找出影响工作 6 1 绪论 面瓦斯涌出的主要因素。 j ( 4 ) 将综放面瓦斯涌出量看作为一个灰色系统，运用灰色关联度分析瓦斯涌出量 的影响因素，得到3 个主要影响因素，即采面日产量、瓦斯抽放量、支架支撑力。 ( 5 ) 利用多变量灰色模型m g m ( 1 ，n ) 预测模型，结合3 个主要影响因素，建立3 因 素综合作用的m g m ( i ，4 ) 预测模型，分析模型预测精度，并准确的预澳1 1 5 3 4 3 综放工作面 瓦斯涌出量。 ( 6 ) 基于5 3 4 3 综放工作面实际特点，分析现有的瓦斯防治技术及管理措施，指出 其存在的不足，从防治技术和管理措旌两方面提出更加符合现场实际的瓦斯防治措施。 1 4 3 研究的技术路线 据以上分析，本文采用的技术路线如图l - l 所示。 图1 - 1 技术路线图 7 2 综放面瓦斯涌出源及预测方法分析 2 综放面瓦斯涌出源及预测方法分析 瓦斯涌出量对于整个矿井来说，称为矿井瓦斯涌出量；对煤层、开采水平、采区或 工作面而言，则分别称为煤层、水平、采区或工作面瓦斯涌出量。根据某些已知数据， 按照一定的方法与规律，预先估算出矿井或区域瓦斯涌出量大小的工作称为瓦斯涌出量 预测。 瓦斯涌出量预测工作十分重要。通过瓦斯涌出量的预测，可以确定新矿井、新水平、 新采区投产前瓦斯涌出量的大小，为矿井和采区通风设计提供依据。因此，瓦斯涌出量 预测，是矿井通风设计、瓦斯抽放和瓦斯管理重要的技术手段，也是矿井、开采区域详 细设计的依据。 2 1 矿井瓦斯赋存特征 2 1 1 矿井瓦斯 矿井瓦斯是指井下有害气体的总称嘲一般有以下4 类来源：在煤层与围岩内赋 存的并能涌入到矿井的气体；矿井生产过程中生成的气体；井下空气与煤、岩、 矿物、支架和其它材料之间化学或生物化学反应而产生的气体；放射性物质蜕变过 程生成的或地下水放出的放射性气体氡及惰性气体氮。 煤层瓦斯主要以甲烷为主，甲烷的体积含量占绝大部分。甲烷的化学成分是c r l 4 ， 是无色、无味、无嗅、可以燃烧或爆炸的一种气体，可以使人窒息。例如：由于甲烷冲 淡空气中的氧，当甲烷的浓度达到4 3 时，空气中氧的浓度会降低到1 2 ，人的呼吸会 感到非常的急促；当甲烷的浓度达到5 7 时，空气中氧的浓度会降低到9 ，人会处于昏 迷状态，有死亡威胁。由于甲烷在空气中表现出强扩散性，它一经与空气均匀混合，就 不会因其比重较空气轻而上浮、聚集。所以当无瓦斯涌出时，巷道端面内甲烷的浓度是 均匀分布的，当有瓦斯涌出时，甲烷的浓度呈不均匀分布。 2 1 2 矿井瓦斯的形成 煤层瓦斯是腐植型有机物在成煤过程中产生的。煤的原始母质一腐植型沉积以后， 一般经历两个成气时期。 ( 1 ) 生物化学成气时期 在生物化学成气时期发生如下的反应： 4 c , i - t , o q ( 纤维素) ；i i 。7 c h + + g c 0 2 + c 9 风d ( 类烟煤) + 3 马d 8 西安科技大学硕士学住论文 在温度不超过6 5 c 条件下，腐植体经厌氧微生物分解成甲烷和二氧化碳。不过，由 于这个阶段生成泥炭层，埋深浅，上覆盖层的胶结固化不好，生成的瓦斯容易排放到大 气中去，因此生化作用生成的瓦斯，一般不会保留在现在的煤层中。随着泥炭层的下沉， 上覆盖层越来越厚，压力和温度也随之增高，生物化学作用逐渐减弱直至结束，在较高 的压力与温度作用下泥炭转化为褐煤。 ( 2 ) 煤化变质作用成气时期 煤化变质作用成气时发生如下的反应： 4 c , 6 q 8 0 5 ( 泥炭) - - - hc 0 巩q o ( 褐煤) - i - 4 c 0 2 + 3 c h + + 2 h 2 0 c 岛风6 呻c i 皿2 q ( 烟煤) + 2 c h + + c q + 3 - 2 0 c 1 5 目d 专气i - , + 2 c h 4 + 马0 褐煤层进一步沉降，压力与温度作用加剧，便进入煤化变质作用造气阶段，产生的 瓦斯以甲烷为主要成分。 2 1 3 煤层瓦斯含量的影响因素 影响煤层瓦斯含量的因素很多，但主要因素有以下几个方面： ( 1 ) 煤层埋藏深度 一般煤层埋藏越深，煤层中的瓦斯向地表运移的距离就越长，散失就越快，越有利 于封存瓦斯。同时，深度的增加会使煤层在压力的作用下降低透气性，也有利于保存瓦 斯。在近代开采深度范围内，煤层的瓦斯含量随深度的增加而呈线性增加。当煤层埋藏 深度很大时，瓦斯值可以认为趋近于常量网。 ( 2 ) 煤层和围岩的透气性 一般煤层和围岩透气性越大，瓦斯就越容易流失，因而瓦斯含量就越小反之，瓦 斯的含量就会越大。 ( 3 ) 煤层倾角 如果其它自然条件( 例如煤层埋藏深度) 相同情况下，煤层倾角越小，瓦斯含量就 越高，因为瓦斯沿水平方向流动比垂直方向流动容易。 ( 4 ) 煤层露头 煤层露头是指瓦斯向地面排放的出口，显然煤层有露头或曾经有过露头长时间与大 气相通，瓦斯含量就不会很大。因为煤层的裂隙比岩层要发育，透气性高于岩层，瓦斯 能沿煤层流动而逸散到大气中去。反之，若煤层没有通达地表的露头，瓦斯就难以逸散。 ( 5 ) 煤化程度 如果煤层的煤化程度越高，吸附能力也就越强，存储瓦斯的能力就越强，因而瓦斯 含量也就越大 ( 6 ) 煤层所处的地质因素 9 2 综放面瓦斯涌出源及预测方法分析 煤层的地质因素是影响瓦斯存储最重要的条件之一。在围岩属低透气性的条件下， 封闭型地质条件就有利于瓦斯的封存；开放性地质构造就有利于排放瓦斯，因而瓦斯含 量就小。所以，同一矿区不同地点瓦斯含量的差别，往往是地质构造因素造成的结果。 ( 7 ) 水文地质条件 煤层的水文地质因素也是影响瓦斯含量的重要因素。煤层的地下水活跃的地区，瓦 斯捧放便易，因而瓦斯的含量就越小。 2 2 综放面瓦斯涌出源及特点 采场范围内涌出瓦斯的地点称为瓦斯源。瓦斯涌出源的多少、各源涌出瓦斯量的大 小直接影响着采场的瓦斯涌出量。 煤层开采前，原始的煤层、围岩与瓦斯流体组成的系统处于平衡状态。开采过程中， 周围煤层中的瓦斯压力平衡状态不断遭到破坏，瓦斯压力重新分布，煤层透气性系数增 加而变成卸压带。开采后，随工作面向前推进，工作面后方的煤层顶板不断的冒落下来， 形成采空区，采空区上方煤层、岩层产生变形、下沉及断裂等变化，形成裂隙、裂纹， 采空区下方煤层在强大的地应力作用下，开采层下方的地层向采空区空间鼓起，在层问 形成大量的裂隙，从而改变了瓦斯原来的流动状态和赋存状态。瓦斯从煤层、上下临近 层及围岩中通过贯穿的空隙空间向着采空区和工作面流动，甚至大量的涌出。由于煤层 内部、围岩及采空区深部的瓦斯浓度( 压力) 高于采面瓦斯浓度( 压力) ，而气体总是 从浓度高的地方向浓度低的地方扩散，直至压力平衡。工作面瓦斯涌出量的大小，除取 决于瓦斯含量和渗透条件外，还与其存在的时间和空间有关 2 7 1 。 2 2 1 综放面瓦斯涌出来源 随着矿井生产规模扩大和机械化程度的提高，综放面的开采使用日趋广泛，它具有 推进速度快、高产高效和劳动强度低等优点，但是由于其开采工艺的特殊性，瓦斯涌出 量远远大于其它常规工作面 2 s 2 9 1 ，从而限制它的使用。因此，这样就大大降低了矿井的 生产能力，我们只有找出综放面瓦斯涌出源，加以治理，并采取对应的防治技术和防护 措施，才能促使综放面的安全生产和矿井经济效益的提高。 矿井瓦斯涌出源如图2 1 所示。 1 0 西安科技大学硕士擘位论文 汇：矿井瓦斯涌出 l ll l 生产采区瓦斯涌出ll 源：已采采区、采空区瓦斯涌出i l lli i 回采工作面瓦斯涌出ll 源：生产采区、采空区瓦斯涌出| | 掘进工作面瓦斯涌出l il ilil i 临近层瓦斯涌出il 开采层l斯涌出ll 源：煤壁瓦斯涌出| l 源：落煤瓦斯涌出l ll 图2 - l 矿井瓦斯涌出源图 。 综放面瓦斯来源与含瓦斯煤岩层赋存状态和开采技术条件有关，主要来自开采层和 邻近层( 含围岩) 6 1 。开采层瓦斯包括工作面煤壁瓦斯涌出q l 、采落煤炭瓦斯涌出毋、 放落煤炭瓦斯涌出g 及架顶断裂煤壁瓦斯涌出俄及架后采空区遗煤仍。若特厚煤层综放 面一次采放高度小于煤层厚度，则应考虑未采放煤层煤体瓦斯涌出，有上下邻近层的厚 煤层开采时，还应考虑邻近层( 包括围岩) 瓦斯涌出邸。其分布如图2 - 2 所示。可见q l 、 啦、缈和9 4 直接涌入工作面风流中，而毋和$ 大部分涌入采空区再进入采场，表现为 采空区瓦斯涌出。 图2 - 2 综放面瓦斯来源构成 在煤层瓦斯含量为定值情况下，毋、啦、缈和q 4 的大小与工作面采放煤量成正比， 9 5 除与产量有相关外，还与回采面回收率密切相关，回收率越小，则伽值越小。9 6 除取 决于开采强度外，还与邻近层至开采层距离、层问岩石性质、邻近层瓦斯原始压力、煤 层渗透系数等因素密切相关。 2 2 2 综放面瓦斯涌出特点 与煤层分层开采相比，综放开采的特点是一次采全高，高产高效，但回采率偏低， 2 综放面瓦斯涌出源及预测方法分析 结合这些特点，其瓦斯涌出有如下特点： ( 1 ) 绝对瓦斯涌出强度加大 在推进速度相同时，综放面产量比普通机采大2 巧倍，故在开采瓦斯含量相同煤层 时，其绝对涌出量会成倍增加；同时，根据煤壁瓦斯涌出经验，煤壁瓦斯涌出的绝对量 与煤的透气性系数、瓦斯压力等因素有关外，还与煤壁暴露面积大小成正比。若架前煤 壁高度届和架顶放煤高度喝之比为1 x ，那么支架上部煤壁暴露面积为架前煤壁暴露 面积的k s i n 倍( 盯为架顶垮落角) ，如图2 3 所示。 图2 - 3 采面煤壁瓦斯涌出示惹图 此外，支架上方煤体因受超前支撑压力作用裂隙较多，瓦斯平衡态受到破坏，煤体 渗透系数大于架前煤壁的系数，综合煤壁暴露面积和渗透系数两因素对煤壁瓦斯涌出的 影响，架顶煤体涌出的瓦斯应大于架前煤壁涌出的纠s i n 口倍，从而使得架顶煤瓦斯涌 出的瓦斯直接流向采空区，导致采空区瓦斯浓度高国内经验数据k = 2 5 ， 口：7 5 8 5 睁3 0 l 。 ( 2 ) 相对瓦斯涌出量减少 与分层开采首分层比，综放面相对瓦斯涌出量会显著减少。因为首分层开采时，底 部分层由卸压瓦斯将大量涌入首分层采空区，而综放面为全厚整体推进，没有这部分瓦 斯来源，故其吨煤瓦斯涌出量明显减少 这就是说，就整个采区而言，分层开采时煤层的大部分瓦斯集中在首分层开采时涌 出，而综放开采由于不再分层，使瓦斯涌出均匀化。 ( 3 ) 上邻近层瓦斯涌出量增大 综放开采增大了工作面上部垮落带和规则移动带高度，扩大了影响上邻近层范围， 加大了邻近层的瓦斯卸压排放程度，故综放面上邻近层绝对瓦斯涌出量比普通机采大。 ( 4 ) 局部瓦斯聚集加剧 除与一般回采面同样存在上下隅角瓦斯聚集外，综放面尚有放煤口和架顶部的瓦斯 局部聚集。因为综放面支架上方存在数倍于采高的裂隙和垮落的采空区，在该区无有效 风流，是高浓度瓦斯库，这部分的瓦斯通过放煤口和支架上方的裂隙向工作面涌出，从 而形成局部聚集。调查表明，这些地点的瓦斯浓度可达3 巧，个别可达2 5 一8 5 【3 i 】。 西安科技大学硕士学位论文 ( 5 ) 采空区瓦斯涌出量增大 放煤过程中顶煤滑落破碎释放出来的瓦斯因升浮作用大都运移到垮落范围较大的 采空区。用加大风量的方法难以稀释采空区瓦斯，只能相对降低工作面回风流的瓦斯浓 度，并增加瓦斯排放量，而对采空区瓦斯影响不大。再者当综放开采时，由于放煤工艺 难有效控制，工作面内回收率普遍低于普通综采。调查表明，综放面的回收率只有 6 0 - 8 0 1 3 2 j ，采空区大量丢失的煤将使采空区瓦斯涌出量显著增大 ( 6 ) 放顶煤时工作面瓦斯涌出量大 “放顶煤”是综采放顶煤开采的一道特有的工序，在采煤机割煤、移架、推溜后进 行。据测算，放顶煤工作面6 0 0 的煤炭来自放顶煤工序。由于放顶煤工作面产量大，相 对瓦斯涌出量的大小在很大程度上不能作为衡量工作面瓦斯大小的指标。分层开采割煤 工序的工作面绝对瓦斯涌出量为不割煤的1 5 倍，是检修班的1 8 倍。综放工作面采煤工 序不同，绝对瓦斯涌出量相差很大，放顶煤时工作面绝对瓦斯涌出量是其他工序的3 4 倍1 3 3 1 。 2 3 矿井瓦斯涌出量预测 矿井瓦斯涌出量预测，是以煤层瓦斯含量及其分布规律，或以煤层瓦斯涌出量变化 规律为基础，结合地质因素、开采因素选取合理参数，以一定的方法预计瓦斯涌出量多 少的工作过程。所获得的结果可以确定矿井或水平以至采区、采煤工作面和掘进工作面 的瓦斯涌出量，是划定矿井或水平开采时瓦斯涌出等级，进行矿井设计及选择瓦斯防治 措施的依据。 2 3 1 瓦斯涌出量定义 瓦斯涌出量是指在矿井建设和生产过程中从煤与岩石内涌出的瓦斯量，对应于整个 矿井的叫矿井瓦斯涌出量，对应于翼、采区或工作面的，叫翼、采区或工作面的瓦斯涌 出量。瓦斯涌出量大小的表示方法有两种州： ( 1 ) 绝对瓦斯涌出量 绝对瓦斯涌出量是指单位时间内涌出的瓦斯体积，单位为m 3 减m 3 m i n 。 级= q c 1 0 0 ( 2 - i ) 式中皱绝对瓦斯涌出量，m 3 m i n ； q 风量，m 3 m i n ； c 风流中平均瓦斯浓度，。 ( 2 ) 相对瓦斯涌出量 相对瓦斯涌出量是指平均日产一吨煤同期所涌出的瓦斯量，单位是m 2 综放面瓦斯涌出源及预测方法分析 q s = q 。l 也q 国 式中靠相对瓦斯涌出量，m 3 t ： q 。绝对瓦斯涌出量，m 3 d ； 4 日产量，抛。 相对瓦斯涌出量与瓦斯含量的物理含义是不同的，其数值也是不相等的。因为瓦斯 涌出量中除开采煤层涌出的瓦斯外，还有来自邻近层和围岩的瓦斯，所以相对瓦斯涌出 量一般要比瓦斯含量大。 2 3 2 常用的预测方法 预测就是预计和推测，也就是对未来特征的把握。对对策者而言，预测事物各种可 能的结果，特别是给出定量的评价、分析，这是必不可少的选择。具体地说，就是依据 过去和现在的已知资料，运用某种科学方法，发现和掌握事物发展过程中的固有规律， 并按照规律去探求事物发展的未来。因此，预测在工业、农业、国民经济、军事等领域 有着广泛的应用。一般在不同情况下采用的预测方式也不同。据统计，现在发展起来比 较成熟的预测方法非常多，常用的有1 3 种1 3 5 ) 。这些都基于：以大量的数据( 过去和 现在的) 作为基础；这些数据对分析者来说是确信无疑的，特别精确的；预测的 结果允许有一定的差距，这种差距有时可以估计出来，有时却无法估计。所以，这就涉 及精确度及准确度。这也是预测的关键，只有高的预测精度，预测才有实际价值，否则 将失去预测的意义。 预测方法总体分为两类：一类是定性预测方法，一类是定量预测方法 定性预测方法是对事物发展的历史和现状做出解释、分析和判断，从而综合的指出 事物发展的未来趋势的一种或多种可能性 定量预测是利用历史和现状的数据，建立有关的数学模型，对事物的未来发展做出 数量预测，且以其数学模型来表述事物发展的规律。常用的预测方法如图2 - 4 所示( 3 6 1 。 西安科技大学硕士学位论文 f 定性预测法 l 判断预测法 专家评估法 市场调查法 类推法 ， f 情景分析法 ii 移动平均法 定量预测法j 时间序列分析法 篓萼柔蒌鎏 l 2 ib o x - j e n k i n s 法 l， 、 ii 回归分析法 l 因果分析法1 灰色系统模型法 l 模拟法 图2 - 4 常用的预测方法 2 3 3 瓦斯涌出量预测方法及分析 瓦斯涌出量预测是指根据某些己知相关数据，按照一定的方法和规律，预先估计算 出矿井或局部区域瓦斯涌出量的工作它是以煤层瓦斯含量及其分布规律，或以煤层瓦 斯涌出量变化规律为基础的，所得的数据可以确定新矿井、水平、采区、采煤工作面和 掘进工作面的瓦斯涌出量大小，是划定矿井或水平开采时瓦斯涌出等级，进行矿井设计 的和选择瓦斯防治措施的依据。因此，瓦斯涌出量预测的准确性特别重要f 3 7 】。 由于影响矿井瓦斯涌出量的因素较多，要准确预测几乎是不可能的。 国内外采用传统的瓦斯涌出量预测方法主要有；统计分析法、瓦斯含量法、分源预 测法、类比法 a “t o l 。随着现代科技的迅速发展，特别是数学方法和计算机技术的发展， 原有的预测方法和应用范围得到拓展，出现了一些新的或进一步优化的预测方法，如瓦 斯地质数学模型法【4 “、速度预测法【4 2 l 、基于分形理论的r s ( r e s c a l e d - r a n g e ) 分析预测 法【4 3 】、基于灰色系统理论的预测法【4 7 1 、基于遗传规划的预测法 4 8 1 、基于神经网络的 预测法m m2 0 1 等。下面将详细介绍各瓦斯涌出量预测方法的特点。 ( 1 ) 统计分析法 统计分析法，即根据生产矿井不同深度已采水平的相对瓦斯涌出量的大量实测资 料，通过统计分析，找出相对瓦斯涌出量随深度增长的规律，来预测延伸水平或相邻矿 井的瓦斯涌出量。 统计预测法预测瓦斯涌出量时有以下局限性： 此方法只适用于瓦斯带以下已回采了1 2 个水平的矿井，而且外推深度不能超过 2 综放面瓦斯涌出源及预测方法分析 1 0 0 - - 2 0 0 m ，煤层倾角和瓦斯涌出量梯度值越小，外推深度也应越小，否则误差可能很 大 积累的瓦斯涌出量资料，至少要有1 年以上，而且积累的资料愈多，精度越高， 已采水平或区域的瓦斯地质情况和开采技术条件与新设计水平( 或区域) 越相似，预测 的可靠性越高。否则，应根据有关资料进行相应的修正，或按相似程度进行分区预测。 ( 2 ) 煤层瓦斯含量法 煤层瓦斯含量法，即按照煤层瓦斯含量与采后煤炭中残余瓦斯含量计算相对瓦斯涌 出量。瓦斯含量法在我国是一种较新的预测方法，经过近2 0 年的研究发展，目前已基本 上达到使用化阶段。这种方法既考虑了决定瓦斯涌出量大小的基本因素煤层瓦斯含 量，还考虑了一些相关的地质因素和开采因素。如在地质因素方面，国内外不同学者提 出的预测公式中都包括有开采煤层厚度、邻近煤层厚度、邻近层至开采层的层间距、煤 层倾角等：在开采因素方面，多数方法都用到了煤层的开采厚度和顶板控制方法，有些 还考虑了回采率、分层开采的层数和顺序等对瓦斯涌出的影响。 目前存在的问题： 瓦斯含量法还没有形成统一、公认的预测公式国内这类预测方法有近l o 种， 由于各种方法在确定各涌出源的瓦斯涌出率时所考虑的影响因素不同，或采用的物理模 型不一样，因而形成了不同的计算公式。对同一矿井采用不同的瓦斯含量法，其预测结 果相差较大。 由于瓦斯含量法以煤层瓦斯含量作为预测的基础依据，因而对煤层瓦斯含量测 定值的可靠性和含量点的分布及密度有较高的要求。在进行瓦斯涌出量预测时，首先需 要根据已知的瓦斯含量点勾绘煤层瓦斯含量等值线，得到预测区各回采面和掘进巷道位 置的煤层瓦斯含量。如果预测区内只有很少的瓦斯含量测定点，那么第一步的瓦斯含量 预测就不可靠，由此而进行的瓦斯涌出量预测，其精度将难以保证。 ( 3 ) 分源计算法 分源计算法，是煤炭科学研究总院抚顺分院在借鉴国外矿井巷道预测法的基础上研 究出的适合我国煤炭条件的煤层瓦斯涌出量预测方法。其实质是以煤层瓦斯含煤层地质 与开采技术条件为基础，根据各基本瓦斯源( 开采层、邻近层、围岩) 的瓦斯涌出规律， 分别计算采煤工作面、掘进工作面、采区以及矿井瓦斯涌出量 3 8 1 由于分源计算法的计算公式采用的是经验公式，预测结果有时误差比较大 ( 4 ) 类比法 类比法认为：瓦斯生成、赋存、捧放条件是受地质构造因素控制的。矿井瓦斯涌出 量的大小一方面受控制于地质因素，另一方面受开采方法的影响很大，因此在一个煤田 或一个矿区范围内，在地质条件相同或相似的情况下，矿井瓦斯涌出量与钻孔瓦斯含量 之间存在一个自然比值，根据已知的矿井瓦斯涌出量可预测相同或相似的地质、开采条 1 6 西安科技大学硕士学位论文 件的矿井瓦斯涌出量。 类比法对矿井瓦斯涌出量的预测精度很低，只能够做定性的分析。 ( 5 ) 瓦斯地质数学模型法 瓦斯地质数学模型法的基本原理是【4 1 l ：通过瓦斯地质规律研究，分析瓦斯涌出量的 变化规律，筛选影响瓦斯涌出量变化的主要地质因素，在此基础上，根据矿井已