大采高工作面瓦斯来源分析及涌出量预测方法探讨

大采高工作面瓦斯来源分析及涌出量预测方法探讨摘要：瓦斯涌出量是影响煤矿安全生产的重要因素。由于煤矿开采规模越来越大，综合机械化开采程度越高，在开采过程中，随着产量的加大，瓦斯涌出量也相继加大，瓦斯日常管理和治理瓦斯的难度加大，所以搞清大采高工作面的瓦斯涌出量，对于改善煤矿安全生产状况具有积极的意义。本文通过在生产实践中资料的收集、整理和分析,总结了大采高工作面瓦斯来源分析和瓦斯涌出量的预测方法。关键词：大采高工作面瓦斯来源瓦斯涌出量预测方法瓦斯是严重威胁煤矿安全生产的主要自然因素之一。在煤炭开采过程中，瓦斯灾害每年都造成许多人员伤亡和巨大财产损失。因此，预防瓦斯灾害对煤炭工业的健康、和谐、稳定、可持续发展具有重要的意义。在含瓦斯煤层中进行采矿作业时，瓦斯涌出量是影响煤矿安全生产的最主要因素。近年来，由于煤矿开采规模越来越大，综合机械化开采程度越来越高，综采放顶煤、大采高采煤工艺越来越普遍，开采深度大、强度大、速度快。特别对于高瓦斯矿井和煤与瓦斯突出矿井，在开采过程中，随着产量的加大，瓦斯涌出量也相继加大，瓦斯的日常管理和治理瓦斯的方法、措施显得更为重要，所以搞清大采高工作面的瓦斯涌出量对于改善煤矿安全生产状况具有积极的意义。本文通过在生产实践中资料的收集、整理和分析,总结了大采高工作面瓦斯来源分析和瓦斯涌出量的预测方法。一、大采高工作面瓦斯来源分析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。大采高工作面瓦斯涌出来源可划分为四大部分：1、回采工作面采落煤块的瓦斯涌出采落煤块瓦斯涌出是工作面采落煤炭解吸的瓦斯。2、回采工作面煤壁瓦斯涌出3、回采工作面运输、回风顺槽煤壁瓦斯涌出。4、回采工作面采空区瓦斯涌出采空区瓦斯涌出可分为四部分：（1）围岩瓦斯涌出；（2）未采全高遗煤涌出；（3）回采丢煤瓦斯涌出；（4）邻近层瓦斯涌出。邻近层（包括上、下邻近层）的瓦斯涌出有一定的规律：一般在老顶第一次冒落前，邻近层的瓦斯基本上不向采空区涌出，这时的瓦斯涌出可以认为是开采层本身涌出的瓦斯。等老顶第一次冒落后，卸压松动的邻近层就开始向采空区大量涌出瓦斯，卸压松动的邻近层的瓦斯涌出虽然也有波动，但总的趋势是随着工作面开采范围的扩大，瓦斯涌出逐渐增大，并达到某一稳定值，等工作面回采接近边界时，瓦斯涌出又逐渐减少。对于大采高工作面，其工作面瓦斯来源构成见图二、大采高工作面瓦斯涌出量预测1、大采高工作面瓦斯涌出量预测的必要性大采高工作面瓦斯涌出量预测，是指根据某些已知相关数据，按照一定的方法和规律，预先估计出工作面瓦斯涌出量的工作。决定大采高工作面风量的主要因素往往是瓦斯涌出量，所以，预测结果的正确与否，能够影响工作面回采的经济技术指标，甚至决定工作面能否进行正常生产。大型高瓦斯矿井，如果预测的涌出量偏低，回采时容易造成瓦斯超限而被迫降低产量以致无法生产；而预测偏高，势必增大投资和通风设备的运行费用，造成不必要的浪费。采用可行的方法对工作面瓦斯涌出量进行比较准确的预测，对工作面的正常生产具有指导性的意义。工作面瓦斯涌出量是工作面通风设计、瓦斯抽放和瓦斯管理必不可少的基础参数，是决定工作面回采方案、通风系统选择、瓦斯综合治理方法选择的重要指标，在工作面回采时，对瓦斯涌出量进行预测是非常有必要的。2、大采高工作面瓦斯涌出量预测方法分类瓦斯涌出量预测方法可概括为两大类：统计预测法和分源计算预测法。（1）、统计预测法，是根据生产矿井或水平，在以往生产过程中积累的大量不同深度相对瓦斯涌出量与深度的数据，通过整理分析，找出相互之间变化关系的统计规律，推算出相邻的新矿井或延伸水平瓦斯涌出量的方法。如果预测地区的地质、采矿因素没有明显的变化，那么预测结果可以满足需要。由于统计预测法必须具备所要预测的矿井或采区煤层开采顺序、采煤方法、顶板管理、地质构造、煤层赋存、煤质等与生产矿井或生产区域相同或类似的条件，是对矿井或邻近矿井实际瓦斯涌出资料的统计分析得出的矿井瓦斯涌出量随开采深度变化的规律，主要预测新井或新水平瓦斯涌出量的方法，因此本文不作详细探讨。（2）分源计算预测法，即根据煤层瓦斯含量，按工作面主要瓦斯涌出源的瓦斯涌出规律，对回采工作面的瓦斯涌出量进行分源计算。大采高工作面瓦斯来源按性质分可分为两大类，一类是主要取决于开采层瓦斯含量的瓦斯涌出源，包括工作面落煤瓦斯涌出、工作面煤壁（切眼）瓦斯涌出、围岩瓦斯涌出、采落后丢到采空区内煤的瓦斯涌出、采空区遗煤（未采全高）的瓦斯涌出。另一类是不取决于开采层瓦斯含量涌出源，包括邻近层瓦斯涌出量及工作面顺槽煤壁瓦斯涌出量。即Q回＝Q1+Q2+Q3式中Q回－工作面瓦斯涌出量，m3/t或m3/min；Q1－开采层瓦斯涌出量，m3/t或m3/min；Q2－邻近层瓦斯涌出量，m3/t或m3/min，主要取决于邻近层瓦斯含量及距开采层距离。Q3－工作面顺槽瓦斯涌出量，m3/min，主要取决于开采层煤层透气性及衰减性及暴露时间、面积等。由于工作面的预测参数如残存瓦斯含量、采高、瓦斯含量、巷道煤壁瓦斯涌出量在工作面开采过程中都是不断变化的，工作面经过预抽和没有经过预抽，工作面是否首采，变化是比较大的，应根据具体情况，对工作面预计其瓦斯涌出量。三、大采高工作面瓦斯涌出量预测1、回采工作面煤壁瓦斯涌出量回采工作面煤壁瓦斯涌出规律与掘进巷道煤壁瓦斯涌出规律是相似的，但由于回采工作面处于匀速连续的推进过程中，不存在暴露面瓦斯枯竭问题，当割煤机组位于工作面上、下端时，回采工作面暴露煤壁瓦斯涌出量才最大，这一数值也是工作面通风及瓦斯治理所要的基础数据。煤壁瓦斯涌出量的大小与煤壁瓦斯涌出初速度、煤壁涌出衰减系数和割煤速度有直接关系，通常采用下列公式计算：dttqhvQtB)1(001式中QB－工作面煤壁瓦斯涌出量，m3/min；v－采煤机割煤速度，m/min；t－煤壁暴露时间，min；t=L/vβ－煤壁瓦斯涌出衰减系数，min-1h－煤层厚度，mL－回采工作面长度,mq0－暴露煤壁初始（t=0时）瓦斯涌出强度，m3/.min.m2.，可用实测或用下式计算：1）苏联根据统计资料，提出的计算公式为：q0=aX【0.0004（Vdaf）2+0.16】2)阳泉根据测定统计结果，提出的计算公式为：q0=0.59X/1440a-时间因次换算系数，Vdaf--煤的挥发分，％X-煤层瓦斯含量，m3/t则：]1)1[(110tqhvQB2、回采工作面落煤瓦斯涌出量回采工作面采落下来的煤在运输过程中，煤块内仍向风流涌出瓦斯，为此，在计算回采工作面落煤瓦斯涌出量应考虑以下影响因素：(1)采落下来的煤的块度大小；(2)煤的瓦斯含量，它与煤的原始瓦斯含量、煤块未采落下来前已排放瓦斯的时间及排放瓦斯的程度有关；(3)采落煤块在采区内停流时间。一般情况下，回采工作面采落煤块总的瓦斯涌出量可按下式计算：QL=S．v．γ．(X0-X1)式中QL－落煤总瓦斯涌出量，m3/min；v－割煤速度，m/min；S－采煤机截齿割煤断面积，m2；γ－煤的密度，t/m3。X0－煤层原始瓦斯含量，m3/t；X1－采落煤炭运出工作面后的残存瓦斯含量，m3/t。如果采落的煤块，块度较大，又需一定的时间才能运出工作面，其中落下的煤块中有一部分瓦斯仍吸附煤体内，为此计算落煤在回采工作面瓦斯涌出量，就应考虑落煤残存量增加部分：QLg=k.QL3、丢煤在工作面的瓦斯涌出量大采高工作面在回采过程中，丢煤中含有的瓦斯一部分在工作面涌出，另一部分在采空区内涌出，两部分的总瓦斯涌出量相当于工作面落煤的瓦斯涌出量。丢煤在工作面的瓦斯涌出量计算方法按落煤瓦斯涌出量计算方法计算，其中在工作面的涌出量暂按总涌出量的40%计算，余者为在采空区内的涌出量。(1)工作面丢煤量（A1）hhHAA)(1t/dA-工作面平均日产量，t/dH-工作面煤厚，mh-工作面采高，m(2)丢煤总瓦斯涌出量Qdm=A1(x0-x1)/1440m3/minX0－煤层原始瓦斯含量，m3/t；X1－采落煤炭运出工作面后的残存瓦斯含量，m3/t。(3)丢煤在工作面的涌出量Qgdm=0.4Qdmm3/min(4)丢煤在采空区内的涌出量Qcdm=Qdm-Qgdmm3/min4、邻近层瓦斯涌出量预计)(1011iiiniixxkmmQ邻式中Q邻－邻近层瓦斯涌出量，m3/t;mi－第i个邻近层厚度，m;m1－开采层的开采厚度，m;x0i－第i层的原始瓦斯含量,m3/t;x1i－第i邻近层残存瓦斯含量,m3/t;ki－第i邻近层瓦斯排放系数。应对上邻近层和下邻近层分别进行计算：(1)上邻近层煤层瓦斯涌出量)(101iiixxkmmQ上上邻m3/t(2)下邻近层煤层瓦斯涌出量)(101iiixxkmmQ下下邻m3/t(3)邻近层总瓦斯涌出量Q邻=Q上邻+Q下邻m3/t邻近层总的绝对瓦斯涌出量Q邻=日产量×Q邻/1440m3/min5、采空区瓦斯涌出量预测根据煤层瓦斯赋存情况，采空区涌出的瓦斯主要来源于开采层丢煤解吸瓦斯、邻近层瓦斯和围岩瓦斯及煤柱的卸压瓦斯。可以采用分源预测法,对采空区瓦斯涌出量进行预计。(1）开采层丢煤在采空区内瓦斯涌出量Qcdm(m3/min)（前面计算值）(2）邻近层瓦斯涌出量Q邻(m3/min)（前面计算值）(3）围岩涌出瓦斯量围岩瓦斯涌出量取值可按工作面总瓦斯涌出量的20%进行预计。Qw=0.2×工作面总瓦斯涌出量m3/min(4）采空区煤柱瓦斯涌出量取值按工作面总瓦斯涌出量的10%。Qmz=0.1×工作面总瓦斯涌出量m3/min.(5）采空区总瓦斯涌出量Qc=Qcdm+Q邻+Qw+Qmzm3/min6、工作面运输、回风顺槽煤壁瓦斯涌出量当采煤工作面为后退式开采时，工作面运输、回风顺槽煤壁瓦斯涌出量随着煤壁暴露时间增加逐渐衰减，煤壁暴露时间，一般已经超过煤壁瓦斯涌出的枯竭期，所以整个巷道煤壁瓦斯涌出量可以忽略不计。即Qb≈07、工作面总瓦斯涌出量结果通过上述工作面各瓦斯涌出源瓦斯涌出量预测为：回采工作面煤壁瓦斯涌出量QB工作面落煤瓦斯涌出量QL丢煤在工作面的涌出量Qgdm巷道煤壁瓦斯涌出量应为Qb丢煤在采空区内的涌出量Qcdm邻近层瓦斯涌出量Q邻围岩瓦斯涌出量Qw采空区煤柱瓦斯涌出量Qmz工作面总瓦斯涌出量Q工总=QB+QL+Qgdm+Qb+Qcdm+Q邻+Qw+Qmz四、结论：矿井在正常的生产过程中，要掌握影响瓦斯涌出的主要因素。特别是回采工作面，更要注重各瓦斯涌出源的瓦斯数据的收集，并进行有效分析，计算出各瓦斯涌出源在瓦斯涌出总量中所占的比重，合理进行风量分配，分源治理瓦斯，防止瓦斯积聚超限，防止瓦斯事故，保证矿井安全、稳定、高效、和谐发展。参考文献：寺河矿大采高工作面通风方式及瓦斯治理技术研究报告《通风安全学》中国矿业大学出版社