分源预测法在整合矿井瓦斯涌出量预测的应用

2011-01-17王曙勋蔡云龙

山西焦煤科技 2011年8期

鲁义，王曙勋，蔡云龙

(1．煤矿瓦斯与火灾防治教育部重点实验室，江苏徐州 221116;2．中国矿业大学安全工程学院，江苏徐州 221116;3．铁法煤业集团小康矿，辽宁铁岭 112700)

目前，煤矿瓦斯事故是煤矿重要的灾害事故之一，瓦斯涌出量的大小对煤矿安全生产至关重要［1］。特别是在一些小煤矿兼并重组的过程中，瓦斯涌出量参数缺乏，导致通风设计、生产后瓦斯管理等工作都无法进行。目前，国内外用于瓦斯涌出量预测的方法主要有两种，矿山统计法和分源预测法。矿山统计法［2］是在地质条件相似的前提下，根据积累的足够瓦斯实测资料，经过数理统计分析得出该矿井新水平、新采区或相邻矿井的瓦斯涌出量。而整合矿井并没有可信的实测瓦斯参数资料，只有在重组后勘探阶段提供的瓦斯含量和瓦斯成分资料，不能用矿山统计法进行预测。采用分源预测法以勘探阶段提供的瓦斯含量，结合在矿井实际条件允许的情况下，采用钻屑解析法［3］实测的瓦斯含量为基础进行瓦斯涌出量预测。

1 技术原理

分源预测法的技术原理［4，5］是：根据煤层瓦斯含量和矿井瓦斯涌出的构成关系(见图1)，利用瓦斯涌出源的瓦斯涌出规律并结合煤层的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。

图1 矿井瓦斯涌出构成关系图

1)回采工作面瓦斯涌出量。

式中：

q采—回采工作面相对瓦斯涌出量，m3/t;

q1—开采层相对瓦斯涌出量，m3/t;

q2—邻近层相对瓦斯涌出量，m3/t。

2)掘进工作面瓦斯涌出量。

式中：

q掘—掘进工作面绝对瓦斯涌出量，m3/min;

q3—掘进工作面巷道煤壁绝对瓦斯涌出量，m3/min;

q4—掘进巷道落煤绝对瓦斯涌出量，m3/min。

3)生产采区瓦斯涌出量。

式中：

q区—生产采区相对瓦斯涌出量，m3/t;

K'—生产采区内采空区瓦斯涌出系数，取1．20;

q采i—第i回采工作面相对瓦斯涌出量，m3/t;

Ai—第i回采工作面平均日产量，按矿井平均日产量的90%取值;

q掘i—第i掘进工作面绝对瓦斯涌出量，m3/min;

A0—生产采区平均日产量，t/d。

4)矿井瓦斯涌出量。

式中：

q井—矿井相对瓦斯涌出量，m3/t;

q区i—第i生产采区相对瓦斯涌出量，m3/t;

A0i—第i生产采区日平均产量，t;

K″—已采采空区瓦斯涌出量系数，矿井生产第一时期、第二时期取1．15，第三时期、第四时期取1．2。

2 煤层瓦斯含量分布规律

2．1 地勘瓦斯含量测值

由于整合煤矿自身特点的限制，在进行瓦斯涌出量预测时，通过分析地勘时的钻孔瓦斯含量，对比选择了一些有代表性的可靠性高的点，见表1。

表1 井田内9#、10#、11#地勘瓦斯含量测值表

2．2 瓦斯含量分布规律

从4个9#煤层含量测值来看，9#煤层瓦斯中甲烷(CH4)成分为 0．1% ～6．52%，平均 1．94%;二氧化碳(CO2)成分为 2．69% ～16．98%，平均 7%;氮气(N2)成分为82．2% ～97%，平均91．06%。在埋深小于369．3 m的9#煤层处于瓦斯风化带中的二氧化碳—氮气带。

从4个10#煤层含量测值来看，10#煤层瓦斯中甲烷(CH4)成分为0% ～2．76%，平均0．93%;二氧化碳(CO2)成分为3．61% ～20．38%，平均 11．64%;氮气(N2)成分为 79．62% ～95．43%，平均 87．43%。可以得出在埋深小于371．9的10#煤层处于瓦斯风化带中的二氧化碳—氮气带。

从4个11#煤层含量测值来看，11#煤层瓦斯中甲烷(CH4)成分为0% ～6．12%，平均3．1%;二氧化碳(CO2)成分为4．27% ～16．89%，平均 11．74%;氮气(N2)成分为 80．83% ～89．61%，平均 85．16%。可以得出在埋深小于383．3的11#煤层处于瓦斯风化带中的二氧化碳—氮气带。

通过对测点瓦斯含量的分析，结合矿井生产安排计划，根据煤层瓦斯的垂直分带现象具有连续性，推断出最大埋深处煤层处于瓦斯风化带内的氮气带，最多处于氮气—甲烷带，不会跳越进入甲烷带。瓦斯含量与煤层埋深变化趋势见图2，图3，图4。

3 矿井瓦斯涌出量预测

3．1 预测条件

1)矿井生产能力为0．9 Mt/a。

2)第一时期。根据矿井初步设计，矿井移交生产前3年仅在9#煤层1采区布置一个综采工作面，目的在于释放10#煤层，此时期矿井达不到设计生产能力，生产能力为 0．3 Mt/a。

第二时期。矿井移交生产3年后，同时在10#煤层一采区中布置1个综采工作面，配合9#煤层布置的1个综采工作面，达到矿井设计生产能力。此时期为9#煤层一采区和10#煤层一采区联合开采时期，9#煤层生产能力为 0．3 Mt/a，10#煤层生产能力为0．6 Mt/a。

第三时期。此时期为9#煤层二采区和10#煤层二采区联合开采时期，9#煤层生产能力为0．3 Mt/a，10#煤层生产能力为0．6 Mt/a。

第四时期。11#煤层开采时期，在11#煤层布置1个综采工作面，达到设计生产能力0．9 Mt/a，这个时期开拓开采方式不变，所以，瓦斯涌出最大值出现在一采区开采过程，因此，预测这个时期瓦斯涌出量，仅需预测开采一采区时瓦斯涌出。

3)根据煤层赋存情况及采煤方法，9#煤层工作面回采率为97%，10#煤层工作面回采率为95%，11#煤层工作面回采率为95%。

4)矿井设计移交生产，第一时期在9#煤层一采区布置1个综采工作面，长度为150 m，采高1．01 m，布置2个工作面顺槽综掘掘进进工作面，1个运输顺槽掘进工作面，断面积为11．18 m2，1个回风顺槽掘进工作面，断面积为8．64 m2，掘进速度为500 m/月，矿井采掘进比为1∶2;第二时期、第三时期为9#煤层、10#煤层联合开采时期，9#煤层开拓、回采方面不变，同时在10#煤层布置1个综采工作面，长度为150 m，采高为2．21 m，布置2个工作面顺槽综掘工作面，1个运输顺槽掘进工作面，断面积为12．7 m2，1个回风顺槽掘进工作面，断面积为8．4 m2，掘进速度为500 m/月，矿井采掘进比为2∶4;第四时期为11#煤层开采时期，在11#煤层布置1个综采工作面，长度为150 m，采高2．45 m，布置2个工作面顺槽综掘工作面，1个运输顺槽掘进工作面，断面积为12．7 m2，1个回风顺槽掘进工作面，断面积为8．4 m2，掘进速度为500 m/月，矿井采掘进比为1∶2。

5)年工作日330天。

3．2 瓦斯涌出量预测结果

回采工作面瓦斯涌出量预测结果见表2，掘进工作面瓦斯涌出量预测结果见表3，采区瓦斯涌出量预测结果见表4，矿井瓦斯涌出量预测结果见表5。

表2 回采工作面瓦斯涌出量预测结果表

表3 掘进工作面瓦斯涌出量预测结果表

表4 采区瓦斯涌出量预测结果表

表5 矿井瓦斯涌出量预测结果表

3．3 矿井瓦斯涌出来源构成分析

第一时期。矿井最大绝对瓦斯涌出量为1．207 m3/min，其中，回采工作面瓦斯涌出为0．746 m3/min，约占全矿井瓦斯涌出的58%;掘进工作面瓦斯涌出为0．203 m3/min，约占全矿井瓦斯涌出的16%，采空区瓦斯涌出为0．347 m3/min，约占全矿井瓦斯涌出的26%。在回采工作面瓦斯涌出中，开采层瓦斯涌出为0．198 m3/min，约占整个回采工作面瓦斯涌出的26%，邻近层瓦斯涌出为0．549 m3/min，约占整个回采工作面瓦斯涌出的74%。

第二时期。矿井最大绝对瓦斯涌出量为4．415 m3/min，其中，回采工作面瓦斯涌出为3．269 m3/min，约占全矿井瓦斯涌出的68%;掘进工作面瓦斯涌出为0．257 m3/min，约占全矿井瓦斯涌出的5%，采空区瓦斯涌出为1．281 m3/min，约占全矿井瓦斯涌出的27%。在回采工作面瓦斯涌出中，开采层瓦斯涌出为0．676 m3/min，约占整个回采工作面瓦斯涌出的21%，邻近层瓦斯涌出为2．593 m3/min，约占整个回采工作面瓦斯涌出的79%。

第三时期。矿井最大绝对瓦斯涌出量为2．905 m3/min，其中，回采工作面瓦斯涌出为2．169 m3/min，约占全矿井瓦斯涌出的69%;掘进工作面瓦斯涌出为0．066 m3/min，约占全矿井瓦斯涌出的2%，采空区瓦斯涌出为0．931 m3/min，约占全矿井瓦斯涌出的29%。在回采工作面瓦斯涌出中，开采层瓦斯涌出为0．085 m3/min，约占整个回采工作面瓦斯涌出的4%，邻近层瓦斯涌出为2．083 m3/min，约占整个回采工作面瓦斯涌出的96%。

第四时期，矿井最大绝对瓦斯涌出量为1．079 m3/min，其中，回采工作面瓦斯涌出为0．727 m3/min，约占全矿井瓦斯涌出的62%;掘进工作面瓦斯涌出为0．095 m3/min，约占全矿井瓦斯涌出的8%，采空区瓦斯涌出为0．344 m3/min，约占全矿井瓦斯涌出的30%。在回采工作面瓦斯涌出中，开采层瓦斯涌出为0．159 m3/min，约占整个回采工作面瓦斯涌出的22%，邻近层瓦斯涌出为0．568 m3/min，约占整个回采工作面瓦斯涌出的78%。