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利用分源法预测矿井瓦斯涌出量张西志 1 , 2( 1. 河南理工大学 ,河南 焦作454003; 2. 平顶山市煤炭工业局 ,河南 平顶山467000 )摘要 :分析了以往瓦斯涌出量预测方法的不足 ,引进了一种新型预测法 分源法 ,利用其模型对某矿进行了瓦斯涌出量的预测 ,并与实际的瓦斯涌出量进行了比较 。结果表明 ,分源法是一种比较可靠的瓦斯涌出量 预测方法。关键词 :分源法 ;瓦斯 ;涌出量 ;预测中图分类号 : TD71215文献标识码 : B文章编号 : 1003 - 0506 ( 2006 ) 06 - 0066 - 02瓦斯是危害矿井安全生产的重要因素之一 。近年来 ,研究人员对瓦斯涌出量预测进行了大量的研 究并提出了多种预测方法 ,目前 ,国内外瓦斯涌出量 的预测方法 1 大体可归为 3 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 ; 灰色预测法 。长期以来 ,我国煤矿一直采用矿 山统计法预测矿井瓦斯涌出量 2 ,这种方法不但要 求有足够大的样本空间 ,而且要求预测区的煤层开 采技术条件和地质条件与生产区相同或类似 。一旦 上述要求得不到满足 ,预测值可能与实际值严重偏 离甚至完全不符。而瓦斯含量法虽可以阐明瓦斯来 源 ,但对瓦斯含量测定值的可靠性有较高的要求 ,若 测定含量时误差较大 ,测点分布不合理 ,测量数据较 少 ,都难以保证涌出量的预测精度。灰色系统预测 理论 3 是以时间序列作为基点来进行预测的 ,它适 用于呈指数规律发展的系统的预测 。但是 ,有时尽 管时间序列呈指数变化 ,也会出现一些拟合效果差 甚至完会失败的情况 。基于上述原因 ,研究一种适应范围广 、预测结果 可靠的矿井瓦斯涌出量预测新方法是非常必要的 。 因此 ,本文引进了一种新的预测瓦斯涌出量的方 法 分源法。煤与岩石内涌出的瓦斯 ,其涌出的严重与否 ,则由瓦斯涌出量来表示。目前 ,矿井瓦斯涌出量的表达方 法为绝对瓦斯涌出量和相对瓦斯涌出量 ,前者是指单位时间内从煤与岩石内涌出的瓦斯量 , 单位为m3 /m in或 m3 / d;后者是指平均日产 1 t煤同期所涌 出的瓦斯量 ,单位是 m3 / t。两者的相互关系为 := Q/A( 1 )qCH 4 CH 43其中 , qCH 为相对瓦斯涌出量 , m / t; QCH 为绝4对瓦斯涌出量 , m3 / d; A 为日产煤量 , t / d。4根据矿井瓦斯涌出在时间与空间上分布形式的不同 ,又可分为普通 (一般 ) 涌出与特殊 (异常 ) 涌 出 。普通涌出是在时间与空间上比较均匀、普遍发 生的不间断涌出 ,它决定了矿井的瓦斯平衡与风量 分配 ;特殊涌出是在时间与空间上突然 、集中发生 , 且涌出量很不均匀地间断涌出 ,其中包括瓦斯喷出 和煤与瓦斯突出。2 分源预测法模型的建立及预测参数取值分源预测法的技术原理 : 根据煤层瓦斯含量和 矿井瓦斯涌出的源汇关系 (图 1 ) ,利用瓦斯涌出源 的瓦斯涌出规律并结合煤层赋存条件和开采技术条 件 ,通过对回采工作面和掘进工作面瓦斯涌出量的 计算 ,达到预测采区和矿井瓦斯涌出量的目的。2. 1 分源预测法模型的建立通常把井下涌出瓦斯的地点称之为瓦斯涌出 源 。根据我国各种煤层赋存条件下的矿井瓦斯涌出构成分析 ,得到矿井瓦斯分源预测模型。1 瓦斯涌出量的定义及分类矿井瓦斯涌出是指在矿井建设和生产过程中从收稿日期 : 2006 - 09 - 28作者简介 : 张西志 ( 1964 - ) , 男 , 河南汝州人 , 工程师 , 在读工程硕 士 , 1986 年毕业于河北地质学院 ,现从事煤矿安全生产管理工作。66 4 2. 2 分源预测法的计算公式及参数取值( 1 )开采煤层 (包括围岩 )瓦斯涌出量 :2006年第 6期张西志 :利用分源法预测矿井瓦斯涌出量总第 144期q1 = k1 k2 k3 m 0 ( X0 - X1 ) /m 1( 2 )回采工作面瓦斯涌出量 q5 由开采层和邻近层瓦斯涌出量 q1 、q2两部分组成 :其中 , q1 为开采煤层 (包括围岩 )相对瓦斯涌出量 , m3 / t; k 为围岩瓦斯涌出系数 , 对于陷落法顶板q = q + q( )65 1 21( 6 )掘进工作面瓦斯涌出量 :掘进工作面瓦斯涌出量 q6 包括煤壁和落煤瓦 斯涌出量 q3 、q4两部分 , 由式 ( 7 )计算 :控制的工作面 , 取 k1 = 112; k2 为工作面丢煤瓦斯涌出系数 , 其值为工作面采出率的倒数; k3 为顺槽掘 进预排瓦斯对工作面煤体瓦斯涌出影响系数 , 采用 长壁后退式回采时 , 系数 k3 = ( L - 2 h ) /L (其中 , L 为回采工作面长度 , m; h 为巷道瓦斯预排等值宽度 , m ,按巷道平均暴露 200 d 考虑 ,无烟煤可取 h = 11m ) ; m 0 为煤层厚度 , m; m 1 为开采层采高 , m; X0 为q6 = q3 + q4( 7 )生产采区瓦斯涌出量 :( 7 )生产采区瓦斯涌出量是采区内所有回采 、掘进工作面及采空区瓦斯涌出量之和 :nn煤层原始瓦斯含量 , m3 / t; X 为煤层残存瓦斯含量 ,q7 = ( 1 + k ) ( q5 i A i +1440 q6 i A i ) /A0( 8 )1i = 1i = 1m3 / t。根据工作面位置在瓦斯含量分布预测图上查取。3其中 , q7 为生产采区瓦斯涌出量 , m / t; k 为生产采区内采空区瓦斯涌出系数 , 取 k = 011; q 为第 i5 i回采工作面瓦斯涌出量 , m3 / t; A 为第 i 回采工作面i平均日产量 , t; q6 i为第 i 掘进工作面瓦斯涌出量 ,m3 /m in; A 为生产采区平均日产量 , t。0( 8 )矿井瓦斯涌出量 :矿井瓦斯涌出量为矿井内全部生产采区和已采 采区及辅助巷道瓦斯涌出量之和 :nnq8 = ( 1 + k ) q7 i A0 i / A0 i( 9 )图 1 分源预测法模型示意i = 1i = 13其中 , q8 为矿井相对瓦斯涌出量 , m / t; k为已采( 2 )邻近层瓦斯涌出量 :n采区采空区瓦斯涌出量系数; q 为第 i生产采区瓦斯7 iq2 = m i ki ( X0 i - X1 i ) /m 1( 3 )涌出量 , m3 / t; A 为第 i生产采区日平均产量 , t。0 ii = 13其中 , q2 为邻近层瓦斯涌出量 , m / t; m i 为第 i个邻近层厚度 , m; X0 i为第 i邻近层原始瓦斯含量 ,3 对某矿采用分源法的预测结果现结合某矿矿井瓦斯涌出量实测数据 ,对矿井 瓦斯涌出量预测结果的可靠性进行验证。瓦斯涌出 量预测结果详见表 1表 3。m3 / t。X 为第 i邻近层残存瓦斯含量 , m3 / t; k 为取1 ii决于层间距离的第 i邻近层瓦斯排放率 。( 3 )掘进巷道煤壁瓦斯涌出量 :q3 = nm 0 vq0 ( 2L / v - 1 )( 4 )表 1回采工作面瓦斯涌出量预测结果3其中 , q3 为掘进巷道煤壁瓦斯涌出量 , m /m in;n 为煤壁暴露面个数 , 单巷掘进时 , n = 2; v为巷道平 均掘进速度 , m /m in; L 为巷道长度 , m; q0为煤壁瓦/m3 min - 1瓦斯涌出量工作面 煤厚 /名称m最大瓦斯含量 /m3 t- 1日产 量 / t预测值实际值3101 41963301 419618180211373 0003 00032175391063012643198斯 涌 出 初 速 度 , m3 / ( m2 m in ) ,q= 01026 3404 4196 19166 3 000 34185 32193 0( 010004V2+ 0116 ) X (其 中 , V为 煤 的 挥 发daf0daf分 , % ) 。( 4 )掘进落煤的瓦斯涌出量 :q4 = S v( X0 - X1 )表 2 掘进工作面瓦斯涌出量预测结果瓦斯涌出量/m3 min - 1平均瓦斯含工作面 煤厚 /巷长 /m名称m 量 /m3 t- 1预测值实际值( 5 )3103 41963303 419617109181801 0001 00051275185417261313其中 , q4 为掘进巷道落煤瓦斯涌出量 , m /m in;S 为掘进巷道断面积 , m2 ; v为巷道平均掘进速度 ,m /m in; 为煤的视密度 , t /m3 。( 5 )回采工作面瓦斯涌出量 : 3405 4196 20108 1 000 6128 5157 注 : 掘进速度为 300 m /月。(下转第 81页 )672006年第 6 期王海清 :综采工作面采用“Y ”型通风治理瓦斯实践总第 144 期表 1下架巷泄排瓦斯和风量情况工作面距切眼距离 /m1525406090140200300500700900瓦斯浓度 / %风量 /m3 m in - 1瓦斯量 /m3 m in - 11. 62103. 362. 02044. 122. 42024. 852. 62005. 203. 02006. 003. 41966. 703. 61686. 104. 21405. 904. 61205. 505. 21085. 605. 8985. 60表 2 工作面回风瓦斯和风量情况工作面距切眼距离 /m1525406090140200300500700900瓦斯浓度 / %回风风量 /m3 m in - 1瓦斯量 /m3 m in - 10. 308902. 670. 308902. 670. 308902. 670. 308902. 670. 328902. 850. 329002. 880. 349003. 060. 349203. 130. 349403. 200. 349503. 230. 349703. 30( 2 )该方案利用采空区与上帮煤柱之间的三角未冒落区形成一条专用排瓦斯巷 ,依靠矿井的负压 作为泄排瓦斯的动力 。在泄排瓦斯期间 , 111103 下 架巷调节窗内外压力差为 410 765 Pa,能够保证专用排瓦斯巷排瓦斯的连续性。为该区域瓦斯的管理 工作带来极大方便。( 3 )专用瓦斯巷所处地段为低应力区 , 并且有 锚网钢带和锚索支护 ,因此无需巷旁充填支护 ,在现 场作业中容易维护。在工作面回采过程中 ,该专用瓦斯巷通风断面变化小 ,通风可靠性高。( 4 ) 在 111103 工作面试验成功后 , 我们又在111105 工 作 面 、111107 工 作 面 、111109 工 作 面、241103工作面推广应用 ,均取得了很好的效果 。但 该技术在易自燃的 13煤层 241301综采放顶煤工作面试验中 , 在泄排瓦斯 78 d 后 , 调节窗内 CO 达0103 % ,采空区出现煤炭自燃征兆 ,随即对尾巷进行 封闭 ,采用顶部泄排巷对工作面瓦斯进行治理 。因 此 ,该技术在易自燃综采放顶煤工作面不宜使用。 (责任编辑 :秦爱新 )4 结语( 1 )该工作面改造后的通风系统可以称为“Y” 型 (一进两回 )通风系统 ,它综合了“U ”型和“Z”型 2 种通风系统的优点 ,摈弃了“U + L ”型 (一进两回 ) 通风系统需要掘进专门巷道的缺点 。从通风角度改 变采空区瓦斯源的流向 ,使采空区瓦斯通过采空区 与上帮煤柱之间的三角未冒落区和下架巷泄排出 去 ,从而消除由于采空区瓦斯源进入工作面及其上 隅角而引起的瓦斯超限 (图 2 ) 。图 2 采空区瓦斯流动示意(上接第 67 页 )表 3 矿井瓦斯涌出量预测结果对值均小于 20 % 。由此表明 ,分源法预测瓦斯涌出量方法合理 、可靠 。/m3 min - 1瓦斯涌出量生产区域平均日产量 / t参考文献 :预测值实际值一采区三采区 四采区3 2203 2203 220441875810955195411285212548114黄俊 ,许洪峰. 矿井未开采区瓦斯涌出量的预测 J . 洁净煤技术 , 2005 , 11 ( 1 ) : 59 63.赵健. 矿井瓦斯涌出量预测研究 J . 煤 , 2004 , 13 ( 6 ) : 9 1