（采矿工程专业论文）高瓦斯矿井炮掘工作面瓦斯涌出规律的研究.pdf

l 内蒙古科技大学硕士学位论文 论文题艮 高瓦斯矿井炮掘工作面瓦斯涌出规律的研究 作者：贺媛 指导教师： 王文才教授 协助指导教师： 论文提交日期：2 0 10 年5 月2 5 日 学位授予单位：内蒙古科技大学 单位： 空茎皇型茎奎兰 单位： 单位： i j p 高瓦斯矿井炮掘工 一 。 g e m i s s i cl a wo f b l a s t i n gg f a c einresearch o ng a se m l s s l o na wo fb l a s t i n gd r i v i n g n l j h i g hg a sm i n e 研究生姓名：贺嫒 指导教师姓名：王文才 内蒙古科技大学矿业工程学院 包头0 1 4 0 1 0 ，中国 c a n d i d a t e ：h ey u a n s u p e r v i s o r ：w a n gw e n c m s c h o o lo f m i n i n ge n g i n e e r i n g i n n e rm o n g o l i a u n i v e r s i t yo fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y b a o t o u0 1 4 0 1 0 ，p r c h i n a 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取 得研究成果。尽我所知，除了文中特j 5 , j d n 以标注和致谢的地方外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得内蒙古科技大学或其他 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。 签名：篁丝 日期： 丝垒二型二丝 关于论文使用授权的说明 本人完全了解内蒙古科技大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全 部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 日期：, 劾 o - o g 一- t o 内蒙古科技大学硕士学位论文 摘要 随着煤矿开采深度的增加和开采煤层地质条件的复杂，掘进工作面发生的瓦 斯事故所占比重在加大，严重威胁煤炭资源开采的安全生产。因此，加强掘进工 作面瓦斯涌出规律研究，对于指导矿井的通风设计和采掘部署，采取有针对性的 防治煤巷掘进瓦斯灾害措施，具有重要的理论意义和实用价值。本文就炮掘工作 面瓦斯涌出规律问题展开研究。 为了研究炮掘工作面瓦斯涌出规律，首先根据分源预测法，将炮掘工作面的 瓦斯来源分为两个部分，煤壁瓦斯涌出和炮掘落煤瓦斯涌出，针对不同的瓦斯涌 出源，建立瓦斯涌出量预测的数学模型。 为了进一步研究炮掘工作面煤壁瓦斯涌出规律，针对阿刀亥煤矿1 2 0 3 炮掘 工作面进行了实测与分析，根据煤层赋存的基本参数及实测数据，找到了该炮掘 工作面煤壁瓦斯涌出强度随时间的变化规律；建立了煤壁瓦斯涌出量预测的数学 模型。并给出了煤壁瓦斯涌出枯竭极限时间、掘进巷道煤壁最大瓦斯涌出量以及 掘进巷道煤壁达到最大瓦斯涌出量时巷道长度的计算方法，并针对阿刀亥煤矿 絮 1 2 0 3 炮掘工作面进行了验证。 为了进一步研究炮掘工作面落煤瓦斯涌出规律，针对阿刀亥煤矿1 2 0 3 炮掘 工作面，通过在现场取样，实验测定煤层瓦斯含量及炮掘落煤残存瓦斯含量，建 立了阿刀亥煤矿1 2 0 3 炮掘工作面落煤瓦斯涌出量预测数学模型。并给出了炮掘 落煤最大瓦斯浓度的计算方法，并针对阿刀亥煤矿1 2 0 3 炮掘工作面进行了验 证。 通过对煤壁瓦斯涌出量和落煤瓦斯涌出量的数据分析，当掘进工作面较长时 煤壁的瓦斯涌出量占掘进工作面瓦斯涌出总量的8 8 - - 9 6 ，总的来说，掘进工作 面的瓦斯涌出主要来自煤壁的涌出；随着炮掘工作面长度的增加，瓦斯涌出量在 增加。 分源预测的目的是为了对瓦斯进行分源治理，通过对研究结果的分析，提出 对矿山的安全指导作用，在掘进巷道时应采取隔断式瓦斯抽放，并且要控制掘进 进尺。 关键词：高瓦斯；矿井；炮掘工作面；涌出量；涌出规律 。 6 一 一 内蒙古科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t m i n ea c c i d e n tp r o p o r t i o ni n c r e a s e di nb l a s t i n gd r i v i n gf a c ew i t ht h ei n c r e a s eo f m i n i n gd e p t ha n dc o m p l i c a t e dg e o l o g i c a lc o n d i t i o n ，t h em i n ea c c i d e n tt h r e a t e ns a f e t y p r o d u c t i o no fm i n er e s o u r c e s s o ，s t r e n g t h e n i n gt h er e s e a r c ho nt h eg a se m i s s i o nl a wo f b l a s t i n gd r i v i n gf a c e ，t h es t u d i e dr e s u l th a sv e r yi m p o r t a n tt h e o r e t i cs i g n i f i c a n c ea n d p r a c t i c a lv a l u en o to n l yi nd i r e c t i n gv e n t i l a t i o nd e s i g na n de x c a v a t i o nd e p l o y m e n t ，b u t a l s oi nt a k i n gs o m et a r g e t o r i e n t e dm e a s u r e sf o rp r e v e n t i n gg a sd i s a s t e rw h e nc o a l r o a d w a yi se x c a v a t e d t h i sp a p e ri sf o c u so nr e s e a r c h i n gt h eg a se m i s s i o nl a w i nb l a s t i n g d r i v i n gf a c e i no r d e rt oi n v e s t i g a t et h eg a se m i s s i o nl a wi nb l a s t i n gd r i v i n gf a c e ，a c c o r d i n gt o t h ep r e d i c t i o nt h e o r yo fd i f f e r e n t - s o u r c eg a se m i s s i o n ，t h eg a se m i s s i o nw i l lb ed i v i d e d t w os e c t i o n ，t h e ya r et h eg a se m i s s i o no fc o a lw a l la n dt h eg a se m i s s i o no ff a l l e n c o a l i nv i e wo ft h ed i f f e r e n t s o u r c eg a se m i s s i o n ，e s t a b l i s ht h ep r e d i c t i o nm a t h e m a t i c a l m o d e lo f g a se m i s s i o n f o rt h es t u d yo nt h eg a se m i s s i o nl a wo fc o a lw a l l ，i nv i e wo ft h e12 0 3b l a s t i n g d r i v i n gf a c eo fa d a o h a ic o a lm i n e ，b ym e a n so ff i e l dm e a s u r e m e n ta n da n a l y s i st h e c o a lw a l lm e t h a n ee m i s s i o nq u a n t i t yi nb l a s t i n gd r i v i n gf a c e ，b a s e do nt h eb a s i c a l p a r a m e t e r so fc o a ls e a mo c c u r r e n c ea n dm e a s u r e dd a t a ，t h ec h a n g e sr e g u l a r i t ye q u a t i o n o fc o a lw a l lg a se m i s s i o ni n t e n s i t y 、析t ht h ee x p o s e dt i m eo fc o a lw a l lw a ss e tu p t h e r e l a t i o nb e t w e e nt h eg a se m i s s i o no fc o a lw a l la n dt h eb l a s t i n gd r i v i n gf a c el e n g t h ，t h e s p e e do fd r i v i n g ，t h ee x p o s e dt i m eo f c o a lw a l lw a sf o u n d t h e nt h ec a l c u l a t i o nm e t h o d o ft h el i m i t e dt i m eo fg a se m i s s i o nd r i e du p ，t h em a x i m u mg a se m i s s i o nq u a n t i t yo fc o a l w a l l ，t h ed r i v i n gg a t e w a yl e n g t ho fc o a lw a l lm a x i m u mg a se m i s s i o nq u a n t i t yw a s p r o v i d e d ，a n dc h e c kf o r m u l ai nv i e wo f t h e12 0 3b l a s t i n gd r i v i n gf a c e f o rt h es t u d yo nt h eg a se m i s s i o nl a wo ff a l l e nc o a l ，i nv i e wo ft h e12 0 3b l a s t i n g d r i v i n gf a c eo fa d a o h a i c o a lm i n e ，t a k es a m p l eb ym e a n so ft h ef i e l dm e a s u r e m e n t ，t e s t t h eg a sc o n t e n ta n dt h er e m a i n i n gg a sc o n t e n to ff a l l e nc o a l ，t h ep r e d i c t i n gm o d e lo ft h e g a se m i s s i o no ff a l l e nc o a lw a ss e tu p a n dt h ec a l c u l a t i o nm e t h o do fm a x i m u mg a s d e n s i t yw a sp r o v i d e d ，a n dc h e c kt h ef o r m u l ai nv i e wo f12 0 3b l a s t i n gd r i v i n gf a c e b ym e a n so fa n a l y z i n gt h ed a t ao fg a se m i s s i o nq u a n t i t y ，t h em o s tg a se m i s s i o n q u a n t i t yc o m e sf r o mt h eg a se m i s s i o nq u a n t i t yo fc o a lw a l l ，t h ep r o p o r t i o no fg a s e m i s s i o nq u a n t i t yo fc o a lw a l li sa b o u t8 8 - 9 6 t h eg a se m i s s i o nq u a n t i t yi n c r e a s e w i t ht h eb l a s t i n gd r i v i n gf a c el e n g t hi sg o i n gu p 内蒙古科技人学硕+ 学位论文 t h ep u r p o s eo fd i f f e r e n t s o u r c e p r e d i c t i o ni sg a sm a n a g e m e n t b ym e a n so f a n a l y i n gt h es t u d i e dr e s u l t ，t h ea r t i c l eg i v e sg u i d i n gr o l ef o rt h em i n es a f e t y ，s h o u l dt a k e t h eg a sp r e - d r a i n a g eo fp a r t i t i o n - t y p ea n dc o n t r o lt h ee x c a v a t i o nf o o t a g ew h e nc o a l r o a d w a yi se x c a v a t e d k e yw o r d s ：h i g hg a s ；c o a lm i n e ；b l a s t i n gd r i v i n gf a c e ；e m i s s i o nq u a n t i t y ； g a se m i s s i o nl a w 内蒙古科技大学硕士学位论文 目录 摘要i a b s w a c t i i l 绪论1 1 1 问题的提出1 1 1 1 我国煤矿瓦斯爆炸事故的现状l 1 1 2 研究背景1 1 1 3 研究意义2 1 2 国内外研究现状2 1 2 1 国外研究现状2 1 2 2 国内研究现状3 1 2 2 1 瓦斯涌出规律研究现状3 1 2 2 2 瓦斯涌出量预测研究现状4 1 3 研究方法7 1 4 研究内容7 2 高瓦斯矿井炮掘工作面瓦斯涌出特征的理论分析8 2 1 瓦斯含量及瓦斯涌出量8 2 1 1 瓦斯含量8 2 1 1 1 瓦斯的赋存。8 2 1 1 2 影响煤层原始瓦斯含量的因素分析9 2 1 2 瓦斯涌出量l2 2 1 2 1 影响矿井瓦斯涌出量的因素分析1 3 2 1 2 2 影响煤巷掘进工作面瓦斯涌出因素分析1 6 2 2 煤层瓦斯流动的基本规律1 8 2 2 1 煤层瓦斯流场分类l8 2 2 2 瓦斯流动基本规律2 l 2 3 掘进工作面瓦斯来源分析。2 3 2 4 掘进工作面瓦斯涌出规律2 3 2 4 1 掘进工作面瓦斯涌出特征。2 3 2 4 2 掘进工作面瓦斯浓度分布规律2 4 2 5 涌出源瓦斯涌出基本规律：2 5 2 5 1 煤壁瓦斯涌出特征及规律。2 5 2 5 2 落煤瓦斯涌出特征及规律。2 6 3 高瓦斯矿井炮掘工作面瓦斯涌出规律数学模型的建立2 8 3 1 炮掘工作面煤壁瓦斯涌出规律研究2 8 3 1 1 煤壁瓦斯涌出规律数学模型的建立2 8 内蒙古科技大学硕士学位论文 3 1 2 掘进巷道煤壁极限瓦斯涌出量2 8 3 1 3 煤壁瓦斯涌出的枯竭时间及煤壁最大瓦斯涌出量2 9 3 2 炮掘落煤瓦斯涌出规律的研究2 9 3 2 1 炮掘落煤瓦斯涌出规律数学模型的建立2 9 3 2 2 炮掘落煤瓦斯涌出高峰期的最大瓦斯浓度3 1 3 3 炮掘工作面瓦斯涌出量预测模型3 4 4 高瓦斯矿井炮掘工作面瓦斯涌出规律数学模型的实测验证与应用3 5 4 1 矿井简介3 5 4 2 阿刀亥煤矿1 2 0 3 掘进南巷掘进工作面的掘进条件3 6 4 3 影响阿刀亥煤矿煤层瓦斯含量因素分析3 6 4 4 煤层瓦斯含量基本参数的测定3 7 4 4 1 测定步骤3 7 4 4 2 测定结果3 9 4 5 阿刀亥煤矿炮掘工作面瓦斯涌出规律的预测模型中基本参数的测定4 0 4 5 1 煤壁瓦斯涌出量基本参数的测定4 0 4 5 1 1 测定步骤4 0 4 5 1 2 现场实测数据及测定结果4 1 4 5 2 落煤瓦斯涌出量基本参数残存瓦斯含量的测定4 1 4 5 2 1 残存瓦斯含量的测定步骤4 1 4 5 2 2 残存瓦斯含量的测定结果4 2 4 6 阿刀亥矿井瓦斯涌出量的预测模型4 3 4 6 1 阿刀亥煤矿瓦斯涌出量的预测模型的确定4 3 4 6 1 1 阿刀亥煤矿煤壁瓦斯涌出量模型4 3 4 6 1 2 阿刀亥煤矿掘进落煤瓦斯涌出量模型。4 3 4 6 2 掘进巷道煤壁极限瓦斯涌出量及涌出枯竭时间的确定4 4 4 6 3 炮掘落煤瓦斯涌出高峰期的最大瓦斯浓度的计算4 5 4 7 阿刀亥煤矿瓦斯涌出量预测模型验证4 5 4 8 研究结果对矿山安全的指导作用4 6 结论4 7 参考文献4 8 在学研究成果5l j l | 【谢5 2 内蒙古科技大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 问题的提出 1 1 1 我国煤矿瓦斯爆炸事故的现状 煤矿安全生产是关系煤炭行业持续健康发展的头等大事。我国的煤矿9 5 为井 工开采，绝大多数为瓦斯矿，高瓦斯矿井和煤与瓦斯突出矿井占4 8 ，突出灾害发 生次数为世界之最，每年达数百次。近年来，随着矿井生产机械化水平和生产集约 化的提高，以及不少矿区相继进入深部开采，特别是以高产高效为基本特点的集约 化生产技术的采用，已有的瓦斯灾害防治技术及装备已经不能有效地控制矿井重大 瓦斯灾害事故的发生。不少煤矿由低瓦斯矿井变为高瓦斯矿井；原来没有煤与瓦斯 突出的矿井变为有突出危险的矿井；煤尘产生量增大及煤尘危害变得更加严重；大 功率采掘机械随时都有产生摩擦火花引发瓦斯爆炸的可能，致使发生瓦斯煤尘爆炸 的潜在危险性增大，恶性瓦斯事故时有发生。原有安全技术及理论基础已经难以适 应当前煤矿安全高效生产的迫切需求。以2 0 0 6 年为例，我国共发生煤矿特大事故 3 9 起，死亡7 4 4 人。其中，瓦斯事故2 6 起，所占比例为6 6 ；透水事故6 起，占 1 5 ；火药爆炸3 起，占8 ；顶板事故1 起，占3 ；火灾事故2 起，占5 ；未知 原因1 起，占3 。由此可知，煤矿事故多由瓦斯引起，其次是透水事故。瓦斯事故 包括瓦斯( 煤尘) 爆炸事故、瓦斯窒息事故、煤与瓦斯突出事故等。在全年的煤矿 特大事故中，瓦斯爆炸事故1 6 起，瓦斯突出1 0 起，所占比例分别为6 2 和3 8 。 由以上分析可知，在煤矿特大事故中，瓦斯是事故发生的主要原因，而在瓦斯事故 中，瓦斯爆炸又是瓦斯事故的主要事故类型，它的破坏范围与人员伤亡范围都比较 大，具有很大的威胁性【l 】。 1 1 2 研究背景 随着煤矿开采深度的增加和开采煤层地质条件的复杂，不少煤矿由低瓦斯矿井 变入高瓦斯矿井，瓦斯造成的矿难已严重威胁我国煤炭资源开采的安全生产。2 0 0 5 年4 月至2 0 0 6 年4 月期间，内蒙古自治区发生了四次严重的煤矿瓦斯爆炸事故，遇难 矿工人数分别是1 2 、1 2 、1 6 和1 9 人。1 9 8 0 年 - 2 0 0 0 年，全国煤矿发生的重大瓦斯爆炸 事故中，按发生地点分排在前三位的是采煤工作面的占2 6 3 4 、掘进工作面的占 2 5 8 5 、平巷的占8 0 5 。“内蒙古高瓦斯矿井掘进工作面瓦斯涌出规律的研究”的课 题就是在这种大的环境和背景之下提出的。 内蒙古科技大学硕士学位论文 本论文以内蒙古人才开发基金项目“内蒙古高瓦斯矿井掘进工作面瓦斯涌出规 律的研究 为研究背景，在此基础上，主要针对高瓦斯矿井炮掘工作面的具体特 点，通过实验室测定数据和现场实测分析得出炮掘工作面不同瓦斯涌出源的瓦斯涌 出规律。 1 1 3 研究意义 随着煤矿开采深度的增加和开采煤层地质条件的复杂，不少煤矿由低瓦斯矿井 变为高瓦斯矿井，瓦斯造成的矿难已严重威胁我国煤炭资源开采的安全生产。据统 计数据，掘进工作面发生的瓦斯爆炸事故也呈逐年上升的趋势。 内蒙古煤炭资源丰富，煤矿很多。该论文的完成，可为研究内蒙古高瓦斯矿井 掘进工作面瓦斯的涌出规律提供一定的理论基础，有利于指导内蒙古煤矿的安全管 理与安全生产，有利于指导矿井的通风设计和采掘部署，有利于有效防治煤巷掘进 瓦斯灾害事故，具有重要的理论意义和实用价值。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国外研究现状 近几年以来，世界各产煤国对瓦斯防治重要环节之一的瓦斯预测技术越来越重 视。各国投入了大量的人力和财力进行技术攻关，取得了许多可供我们参考与借鉴 的经验及研究成果。根据有关煤矿安全技术类期刊文献，国外在煤矿瓦斯预测技术 研究方面的现状如下艘卅： ( 1 ) 预测技术方法化、规范化。俄罗斯在二十世纪八十年代初制定了针对不同 类型矿井和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，其它主要产煤国家也研究建立适合自国情的 预测方法，例如：英国的艾黎( a i r e y ) 法，德国的文特( w i n t e r ) 法，美国的匹茨堡矿 业研究院法等。 ( 2 ) 预测方法动态化。瓦斯涌出是一个含多因素的复变函数，它受时间、空间 及煤层赋存条件的影响是很大的，具有多变性。国外一些主要产煤国通过研究建立 了瓦斯涌出动态预测方法，例如：英国建立了考虑有时间和开采技术条件影响因素的 艾黎法，德国提出了采掘工作面时空序列瓦斯涌出动态预测法，这些方法能根据开 采技术条件和赋存条件的变化，超前准确预测采掘工作面瓦斯涌出变化动态值，并 可根据预测结果随时调整工作面的风量并采取合理的瓦斯处理技术措施，取得了很 好的应用效果。 内蒙古科技大学硕士学位论文 ( 3 ) 预测内容多元化和综合化。例如俄罗斯在瓦斯预测时，不仅预测煤层瓦斯 含量、涌出量，还预测煤层瓦斯分区分带的特性、瓦斯储量的丰度，并对煤矿中长 期瓦斯涌出态势和防治对策作出评价。 1 2 2 国内研究现状 我国在瓦斯涌出规律的研究发展史上，对煤层瓦斯含量测定、煤结构特征、孔 隙分布、比表面积、煤层瓦斯成分、矿井瓦斯涌出量预测、煤层气开发等各个方 面，都取得了较快的发展。 1 2 2 1 瓦斯涌出规律研究现状 二十世纪五十年代，我国建立了容量法测定瓦斯吸附量的方法和装置，至今一 直在我国煤田勘探中广为应用。二十世纪七十年代应用扫描电子显微镜、显微光度 计等先进手段研究煤的结构特征，进行了地勘直接测定煤层瓦斯的压力尝试。 “六五 期间( 1 9 8 1 年一1 9 8 5 年) ，进行了煤的瓦斯解析规律研究，提出了解 析法直接测定煤层瓦斯含量的新方法。手工编制煤层瓦斯含量等值线图。 “七五 期间( 1 9 8 6 年一1 9 9 0 年) ，提出了矿井瓦斯涌出量分源预测法，研制 了g w rv - 一1 型等压瓦斯解析仪，定点煤样采集器。瓦斯涌出量预测技术有了较大 的发展，并取得了初步推广应用。 “八五 期间( 1 9 9 1 年一1 9 9 5 年) ，主要开展了“地勘瓦斯含量测定 、“矿 井瓦斯涌出量预测方法及规范 、“自动地勘瓦斯解析仪 、“微机绘制瓦斯地质 图件和煤矿瓦斯综合评价系统的研究”等多项国家重大矿井攻关项目。使瓦斯含量 预测准确率达到9 0 以上。瓦斯涌出量预测在分源预测基础上，又提出了构造单元 分源预测法，首次建立了全国统一的矿井瓦斯量预测方法和预测规范，将预测精度 提高到8 5 以上。 “九五 期间( 1 9 9 6 年1 0 0 0 年) ，进一步研究了高产高效采煤工作面和综 掘工作面的瓦斯涌出规律；研究了综掘落煤瓦斯的均匀性并与落煤量、运煤速度、 工作面长度等有关。通过研究进一步完善了矿井瓦斯涌出量预测方法。 “十五”期间( 2 0 0 1 年一2 0 0 5 年) ，加强了对煤矿瓦斯的开采和利用。国家发 改委会同国家煤矿安全监察局组织开展了松软突出煤层钻进设备、井下水平长钻孔 设备、低透气性煤层增透技术、低密度瓦斯安全输送技术与设备、远距离防突控制 钻机、地面欠平衡车载钻机、瓦斯抽采风流监测与智能控制等八项重大技术和装备 的研发。并开展了“我国煤层气富集成藏规律与有利区块研究 等国家攻关研究课 题。 内蒙古科技大学硕士学位论文 “十一五 期间( 2 0 0 6 年1 0 1 0 年) ，国家发改委已经编制了瓦斯涌出量、煤 层气产业发展专项规划和研究以及瓦斯井下治理等攻关项目。 通过五十多年的不断努力，尤其经过“六五”、“七五 、“八五 、“九 五 、“十五 攻关，进行了含量测定，瓦斯涌出量预测到矿井瓦斯地质图件绘制 全部实现微机化、自动化、规范化，形成了成熟、完善、配套的矿井瓦斯预测技 术，这就为进行新矿井设计、老矿井深部改造、矿井通风、瓦斯抽放设计等提供了 科学依据1 6 j 。 1 2 2 2 瓦斯涌出量预测研究现状 煤矿瓦斯涌出量的预测方法研究对实际生产是非常有意义的，国内对煤矿瓦斯的 理论分析主要是集中在瓦斯涌出量的预测方面。瓦斯涌出量预测的方法大体归纳为 三类：以数理统计为基础的矿山统计法；以瓦斯含量为基础的瓦斯含量法；以瓦斯 含量为基础的瓦斯分源计算法。矿山统计法分两步进行：第一步，收集整理历年的通 风瓦斯报表资料；第二步，将统计资料进行数据整理，进一步计算出瓦斯梯度和预测 深度的瓦斯涌出量。瓦斯含量法和分源预测法都是把工作面的瓦斯涌出量分为本层 涌出量和邻近层涌出量，分别作出各自的邻近层瓦斯涌出率曲线，对回采、掘进、采 区和全矿井的瓦斯涌出量进行预测。它们的不同之处在于，含量法依据煤层瓦斯含量 和残余含量来计算，分源法则依据原始含量和涌出系数来计算；两者采用了不同的邻 近层瓦斯涌出率方程。它们的共同点是对瓦斯含量资料的准确性要求都比较高。 瓦斯涌出量预测是煤矿安全生产中非常重要的研究课题之一，国内很多专家学者 结合煤矿的实际情况，提出了许多瓦斯涌出量预测方法。 ( 1 ) 矿山统计法 根据生产矿井不同开采深度己开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，预测延伸水平或相邻矿井的 瓦斯涌出量。在风化带以下的甲烷带内，当煤层瓦斯地质条件和开采条件变化不大 时，相对瓦斯涌出量随采深呈近似线性关系。适用于生产矿井的延伸水平、开采水 平的新区、邻近的新矿井。至少应积累两个开采水平的瓦斯涌出量资料应具备的开 采条件：煤层开采顺序、采煤方法与顶板管理、地质构造、煤层赋存、煤质带应与 生产区相同或类似。外推范围在垂直深度不能超过1 0 0 - - 2 0 0 m ，倾斜方向不能超过 6 0 0 m 。但开采条件或地质条件发生改变时，即使在同一个矿井，也不能对深部区域 进行预n 1 7 , 8 。 之间存在一个自然比值。对于新建矿井可以通过邻近生产矿井已知的矿井瓦斯涌出 量资料和钻孔煤层瓦斯含量资料的统计运算，求得一个比值。然后将该比值与新建 矿井已知的钻孔煤层瓦斯含量相乘，即可得到新建矿井的瓦斯涌出量。该方法适用 于与邻近生产矿井具有相同或相似的地质开采条件的新建矿井瓦斯涌出量预测。但 是类比法对矿井瓦斯涌出量的预测精度很低，有时只能够作定性的分析。 ( 3 ) 速度预测法 回采工作面的瓦斯涌出量，主要来源于开采层及邻近层，煤层瓦斯涌出量的大 小，除取决于煤体内外的瓦斯压力差及透气条件外，还与其存在的时间和空间有 关。该方法是从瓦斯涌出速度上着手，是一种新的以瓦斯动力学为理论基础的瓦斯 涌出量预测方法。此法适用于矿井新采区瓦斯涌出量预测。预测时必须准确确定瓦 斯涌出初速度与衰减系数这两个参数，以提高预测的精度【9 1 0 】。 ( 4 ) 瓦斯地质数学模型法 ： 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，根据矿井己采地区的瓦斯涌出量实测资料和相关 的地质资料，综合考虑包括开采深度在内的多种影响因素，采用一定的数学方法， 建立预测瓦斯涌出量的多变量数学模型( 预测方程) ，利用所建立的数学模型，对 矿井未采区域的瓦斯涌出量进行预测。瓦斯地质数学模型法采用数量化理论工作为 建模工具，可以同时处理定性变量和定量变量的多元统计分析法。该方法适用于在 矿井生产阶段对深部未采区域进行瓦斯涌出量预测。需要统计积累矿井生产期间大 量的地质、开采及瓦斯预测方面的资料l l 卜1 3 】。 ( 5 ) 灰色系统预测方法 灰色系统是邓聚龙教授提出的一种新的系统理论，灰色系统理论是通过一系列 数据生成方法( 直接累加法、移动平均法、加权累加法、遗传因子法、自适性累加 法) 将本没有规律的、杂乱无章的或规律性不强的一组原始数据序列变得具有明显 的规律性，具有高度的概括性，而且使预测精度高，具有明显的确定性。通过历年 来矿井瓦斯鉴定资料采用灰色建模来预测深部矿井瓦斯涌出量。该方法不仅可以预 测不同采深的瓦斯涌出量，还可以预测工作面未来某个时间、同一水平不同区段的 瓦斯涌出量4 6 1 。 内蒙古科技大学硕士学位论文 ( 6 ) 分形法预测 r s ( r e s c a l e d - - r a n g e ) 分析是一种时间序列分形方法，该方法是由赫斯特于 1 9 6 5 年提出的，在分形理论中应用比较广泛。r s 分析在时间序列中具有很强的预 测预报作用。该方法适用于矿井的生产阶段对未采区域或者工作面进行瓦斯涌出量 预测1 1 7 l 引。 ( 7 ) 神经网络预测法 神经网络具有通过样本来“学习 的能力，一方面，区别于传统的各种预测方 法，实际应用时不需要做出因素与瓦斯涌出量相关的任何假设，只须将实际数据直 接提供给网络来训练；另一方面，训练完成后的网络能以任何精度逼近真值( 只要 训练数据足够多) ，能够抽提、捕捉隐藏在浩如烟海的历史数据中的规律，尤其是 那些尚未被人类认识和揭示的规律，这些优点是传统方法无法比拟的。实际上，瓦 斯涌出量与其影响因素之间存在复杂的非线性关系。对于这类问题，神经网络具有 较高的建模能力。能真实地刻画输出变量与输入变量之间的非线性关系。此法适用 于矿井生产阶段对未采区域和工作面进行瓦斯涌出量测【1 9 2 5 1 。， ( 8 ) 趋势面分析法 、 瓦斯作为地质实体中的一部分，它的生成、运移和赋存必然受到地质条件的控制 和支配。趋势面分析法是用数学方法研究地质变量的空间分布与瓦斯变量变化规律 间相互关系的一种多元统计分析方法。在矿井瓦斯涌出量的预测中，我们可以从矿 井已采区瓦斯涌出量调查中获得瓦斯涌出量随地质变量变化的空间分布规律。生产 现场表明，地质构造、煤厚变化等对瓦斯涌出量的影响，都有一个变化过程，故在 一个矿井范围内，瓦斯涌出量沿煤层走向和倾向的变化趋势总是呈趋势性变化。因 而可以通过分析已采区瓦斯涌出量沿煤层走向和倾向的变化趋势去预测未采区的瓦 斯涌出量【2 6 , 2 7 1 。 ( 9 ) 分源预测法 分源预测法的基本原理：含瓦斯煤层在开采时，受采动影响，赋存在煤层及围 岩中的瓦斯平衡状态遭到破坏，破坏带内的瓦斯沿着裂隙，空隙通道涌入工作面。 井下涌出瓦斯的地点既为瓦斯预测源。瓦斯涌出源的多少，各涌出源涌出瓦斯量的 大小直接决定着矿井瓦斯涌出量的大小。 应用分源预测法预测矿井瓦斯涌出量，是以煤层瓦斯含量、煤层开采科技条件 为基础，根据各瓦斯涌出源的瓦斯涌出规律，计算回采工作面，掘进工作面，采区 及矿井的瓦斯涌出量。适用于新建矿井以及生产矿井水平延伸、新设计采区以及采 掘工作面的瓦斯涌出量预测【2 8 3 5 1 。 内蒙古科技大学硕士学位论文 1 3 研究方法 本论文采取现场实测研究结合理论分析的技术路线，以分源预测法为基础，通 过在阿刀亥矿井1 2 0 3 炮掘工作面实测瓦斯涌出量，理论分析各涌出源的瓦斯涌出特 征和瓦斯涌出规律及其影响因素，并分析了炮掘工作面瓦斯涌出与掘进工艺参数( 掘 进断面、掘进速度、工序) 、煤层赋存和地质条件( 煤层厚度、埋藏深度、地质构造) 的关系。通过在阿刀亥矿井1 2 0 3 炮掘工作面实测瓦斯涌出量，实验室测定煤层原始 瓦斯含量、残存瓦斯含量，以此为基础，综合考虑时间、空间及煤层赋存条件等影 响因素，建立炮掘工作面瓦斯涌出预测数学模型，最终确定阿刀亥矿井炮掘工作面 瓦斯涌出量预测方法，并对模型进行了验证。 本项研究将在大量前人所做工作的基础上，并借助于煤炭科学研究总院抚顺分 院的科研人员和阿刀亥煤矿现场工作人员的帮助，针对炮掘工作面的具体特点，就 炮掘工作面瓦斯涌出与掘进工艺参数( 掘进断面、掘进速度、工序) 、煤层赋存和地 质条件( 煤层厚度、埋藏深度、地质构造) 的关系进行分析，进一步提出阿刀亥矿井 炮掘工作面瓦斯涌出量预测方法。 1 4 研究内容 瓦斯涌出是影响煤矿安全生产的重要因素。加强瓦斯涌出量预测方法研究，对 改善我国煤矿安全生产状况具有积极的意义。本文的主要研究内容是瓦斯涌出量预 测，并对瓦斯涌出的影响因素进行了理论分析。具体内容如下： ( 1 ) 理论分析炮掘工作面煤壁瓦斯涌出规律，通过煤壁瓦斯涌出强度公式，建 立煤壁瓦斯涌出量预测公式： ( 2 ) 理论分析炮掘工作面落煤瓦斯涌出规律，通过炮掘落煤时瓦斯解吸速度与 解吸瓦斯时间的变化规律公式，建立落煤瓦斯涌出量预测公式； ( 3 ) 现场实测验证与应用。根据现场情况，针对炮掘工作面瓦斯涌出量预测公 式，通过现场实测及实验室测定，确定预测公式中的基础参数，并对预测模型进行 了验证。进一步提出研究结果对矿山安全的指导作用。 内蒙古科技大学硕士学位论文 2 高瓦斯矿井炮掘工作面瓦斯涌出特征的理论分析 2 1 瓦斯含量及瓦斯涌出量 2 1 1 瓦斯含量 煤层瓦斯含量是指单位质量或体积的煤中所含有的瓦斯量，以砌3 或m 3 t 表示。 它是矿井瓦斯涌出量预测和煤与瓦斯突出预测的重要依据参数之一。 2 1 1 1 瓦斯的赋存 煤体是一种复杂的多孔固体，既有成煤胶结过程中产生的原生空隙，也有成煤 后的构造运动形成的大量空隙和裂隙，形成了很大的自由空间和空隙表面。因此， 成煤过程中生成的瓦斯就能以游离和吸附两种状态存在于煤体内。 游离状态也叫自由状态，即瓦斯以自由气体的状态存在于煤体或围岩的裂缝和 较大的孔隙( 孔径大于o 0 1 a m ) 之中，如图2 1 所示。游离瓦斯能自由运动，并 呈现出压力来。游离瓦斯含量的大小与缝隙贮存空间的体积和瓦斯压力成正比，与 瓦斯温度成反比。 2 1 煤体中瓦斯的赋存状态 卜吸着瓦斯；2 一游离瓦斯；3 一吸收瓦斯；4 一煤体；5 一煤中孔隙 吸附状态又可分为吸着状态和吸收状态两种。吸着状态是由于煤中的碳分子对 瓦斯的碳氢分子有很大的吸引力，使大量的瓦斯分子被吸着于煤的微孔表面形成一 内蒙古科技大学硕士学位论文 个薄层。吸收状态是瓦斯分子在较高的压力作用下，能渗入煤体胶粒结构之中，与 煤体紧密地结合在一起。吸附瓦斯量的大小，与煤的性质、空隙结构特点以及瓦斯 压力和温度有关。 煤层的瓦斯含量是指单位质量或体积的煤体中所含有的瓦斯的量，也就是吸附 和游离两种状态下瓦斯量的总和，即： x = x x 七x p 式中x 一煤的瓦斯含量，m 3 t ； x ，一煤的吸附瓦斯含量，m 3 t ； x y 一煤的游离瓦斯含量，m 3 t 。 ( 式2 1 ) 2 1 1 2 影响煤层原始瓦斯含量的因素分析 煤体从植物遗体到无烟煤的变质过程中，每吨煤至少可生成1 0 0 m 3 以上的瓦斯。 但是，在目前的天然煤层中，最大的瓦斯含量不超过5 0 m 3 t 。目前的研究认为其原 因在于两个方面：一方面是因为煤层本身含瓦斯的能力是有限的，另一方面则是由于 瓦斯是以压力气体存在于煤层中，经过漫长的地质年代，逸散了大部分，而目前储 存在煤体中的瓦斯仅是剩余的瓦斯量。因此，从某种意义上讲，煤层瓦斯含量的多 少主要是取决于保存瓦斯的条件，而不是生成瓦斯量的多少，也就是说不仅取决于 煤的变质程度，而更主要的是取决于储存瓦斯的地质条件。目前的研究成果认为， 影响煤层瓦斯含量的主要因素有啪删： ( 1 ) 煤层的埋藏深度 我们知道，埋深的增加会因地应力增高使煤层及围岩的透气性变差，使瓦斯向 地表运移的距离也增长，而这两者都有利于瓦斯的封存。根据近年来国内外有关学 者的研究表明，当深度不大时，煤层瓦斯含量随埋深基本上成线性规律增加，而当 深度达到一定值以后，煤层瓦斯含量将趋于常量，并有可能会下降。原苏联的一些 矿区实测瓦斯含量与深度之间的关系证实了上述分析。英国采矿研究院从地面打 钻，用直接法测量结果说明，在典型的地层中，煤层瓦斯含量随埋深增大而有规律 的增加，一般情况下，深度每增加1 0 0 m ，煤层甲烷含量可增加0 5 1 1 m 3 t 。 ( 2 ) 煤层和围岩的透气性 目前认为，煤系地层的岩性组合以及其透气性对煤层瓦斯含量有重大影响。一 般来说，煤层和围岩的透气性越大，瓦斯越容易流失，煤层瓦斯含量就越小；反 之，瓦斯易于保存，煤层的瓦斯含量就大。根据目前的研究表明，煤层与岩层的透 内蒙古科技大学硕士学位论文 气性可在非常宽的范围内变化，表2 1 列出了甲烷对煤层及岩石的透气系数，从表 2 1 中可以看出：可见孔隙与裂缝发育的砂岩、砾岩和灰岩的透气系数非常大，比致 密而裂隙不发育的岩石( 如砂页岩、页岩等) 的透气系数高成千上万倍，故而在漫长 的地质年代中，会排放大量的瓦斯。现场实践表明，煤层顶底板透气性低的岩层( 例 如泥岩，充填致密的细碎屑岩，裂障不发育的灰岩等) 越厚，它们在煤系地层中所占 的比例越大，则往往煤层的瓦斯含量越高。例如四川重庆、贵州六枝、湖南涟邵等 地区，其煤系主要岩层均是泥岩、页岩、砂页岩、粉砂岩和致密的灰岩，而且厚度 比较大，横向岩性变化小，围岩的透气性差，封闭瓦斯的条件好，所以煤层瓦斯压 力高，瓦斯含量大。这些地区的矿井往往是高瓦斯或有煤与瓦斯突出危险的矿井， 反之，当围岩是由厚层中粗砂岩、砾岩或是裂隙溶洞发育的灰岩组成时，煤层瓦斯 含量往往较小。例如山西大同煤田、北京西部煤田、煤层顶底板主要是厚层砂岩， 透