采煤工作面落煤瓦斯涌出量測定方法及應(yīng)用研究?

王志亮陳學習楊 濤

（1.河北省礦井災(zāi)害防治重點實驗室，河北省三河市，065201；2.華北科技學院安全工程學院，河北省三河市，065201）

★煤礦安全★

采煤工作面落煤瓦斯涌出量測定方法及應(yīng)用研究?

王志亮1，2陳學習1，2楊 濤1，2

（1.河北省礦井災(zāi)害防治重點實驗室，河北省三河市，065201；2.華北科技學院安全工程學院，河北省三河市，065201）

基于球向非穩(wěn)態(tài)擴散理論，構(gòu)建了煤粒瓦斯擴散數(shù)學模型，得出落煤瓦斯涌出強度和涌出量計算公式。結(jié)合孔莊煤礦7354采煤工作面生產(chǎn)現(xiàn)狀，對落煤瓦斯涌出強度進行現(xiàn)場實測和可靠性驗證，分析落煤瓦斯涌出規(guī)律。結(jié)果表明，實測數(shù)據(jù)與理論分析的相關(guān)性非常吻合，該工作面落煤瓦斯涌出強度在初始1 min、2 min和3 min內(nèi)分別衰減至初始強度的32.2%、10.4%和3%，因此在落煤工序初期的1 min內(nèi)是防治落煤瓦斯超限的關(guān)鍵時段。

采煤工作面 落煤 瓦斯涌出量 瓦斯涌出強度 可靠性驗證 瓦斯超限

隨著煤層開采深度的逐年延深、大型采煤機械設(shè)備的廣泛應(yīng)用、放頂煤開采工藝的逐步推廣，采煤工作面瓦斯涌出量也呈逐步增大的趨勢。目前，分源治理是瓦斯防治的基本思想和工作原則，而瓦斯涌出源地合理劃分和準確測定是瓦斯災(zāi)害分源治理的前提和基礎(chǔ)。落煤瓦斯涌出是采煤工作面主要涌出來源之一，由于落煤瓦斯涌出具有動態(tài)變化的特性，同時與其它涌出源涌出的瓦斯混合在一起，采用常規(guī)的檢測方法難以區(qū)分，因此落煤瓦斯涌出量的測定是煤礦現(xiàn)場技術(shù)人員面臨的實際問題。本文基于落煤瓦斯涌出特性，探討采煤工作面落煤瓦斯涌出強度測定方法和涌出量計算公式，結(jié)合孔莊礦7354采煤工作面生產(chǎn)實際，闡述其具體應(yīng)用過程，為現(xiàn)場瓦斯災(zāi)害的分源治理提供理論依據(jù)。

1　落煤瓦斯涌出強度

煤體是包含大量孔隙和裂隙的多孔介質(zhì)，其既是瓦斯儲存的場所，又構(gòu)成瓦斯運移的通道。實驗室對煤的瓦斯放散速度的測定表明，當煤粒的尺寸小于極限粒度時，瓦斯流動符合擴散定律，此時煤粒主要由孔隙結(jié)構(gòu)組成，其極限粒度隨煤質(zhì)而變化，大體在0.5～10 mm之間。當煤屑粒度大于極限粒度時，可看作是由極限粒度組成的集合體，煤屑的瓦斯放散速度保持不變，由此可將落煤看成是由粒度均勻且近似球體的煤粒組成，瓦斯擴散的特征是以煤粒中心為坐標原點的球坐標系中形成瓦斯壓力等壓線，煤粒的球坐標系如圖1所示。

圖1　煤粒瓦斯解吸球坐標示意圖

煤粒內(nèi)部的瓦斯流動符合球坐標系下非穩(wěn)定擴散定律。在初始條件下，煤粒瓦斯的吸附達到平衡狀態(tài)，當外部條件發(fā)生變化時，吸附狀態(tài)的瓦斯轉(zhuǎn)化為游離狀態(tài)，吸附瓦斯由煤粒中心向表面擴散，其流動遵循質(zhì)量守恒和連續(xù)性原理。在煤粒中心，吸附瓦斯的濃度符合Langmuir吸附定律；在煤粒表面，吸附瓦斯和游離瓦斯的質(zhì)量交換服從對流質(zhì)量交換定律。則由煤粒瓦斯的球向非穩(wěn)態(tài)擴散方程和初始條件、邊界條件組成的數(shù)學模型為:

式中:Cr——擴散半徑為r處煤粒的吸附瓦斯質(zhì)量濃度，kg/m3；

C0——平衡狀態(tài)下煤粒吸附瓦斯質(zhì)量濃度，kg/m3；

CP——煤粒間裂隙中游離瓦斯質(zhì)量濃度，kg/m3；

D——吸附瓦斯的擴散系數(shù)，m2/s；

α——煤粒表面吸附瓦斯與游離瓦斯的質(zhì)量交換系數(shù)，m/s；

r0——煤粒的半徑，m。

對煤粒擴散方程組采用分離變量法并借助計算機求出其數(shù)值解，結(jié)果表明在有限流場內(nèi)煤粒的瓦斯涌出強度呈負指數(shù)形式，該結(jié)果與實驗室的實測結(jié)果相符。工作面落煤瓦斯涌出強度與落煤在工作面停留時間之間符合:

式中:qt——t時刻單位質(zhì)量落煤的瓦斯涌出強度，m3/（t·min）；

q0——落煤的初始瓦斯涌出強度，m3/（t·min）；

n——落煤瓦斯涌出衰減系數(shù)，min-1；

t——落煤暴露時間，min。

為方便計算，將上述指數(shù)關(guān)系變換為線性方程形式，即:

則ln qt與時間t成直線關(guān)系，直線的斜率即為-n，直線的截距即為ln q0。采用最小二乘法對所測定的n組數(shù)據(jù)［ti，ln qti］進行擬合，即可求得落煤初始瓦斯涌出強度和衰減系數(shù)。

2　落煤瓦斯涌出量

由落煤瓦斯涌出強度qt即可得出任意時間t內(nèi)，單位重量落煤累計的瓦斯涌出量Q′t為:

式中:Q′t——任意時間t內(nèi)，單位重量落煤累計的瓦斯涌出量，m3/t。

由于落煤在工作面的停留時間t是個變量，為此以工作面進風隅角為原點，沿工作面傾向為X軸、工作面走向為Y軸建立坐標。若工作面長度為L，落煤位置為x，工作面刮板輸送機的牽引速度v，則落煤在工作面的停留時間t為:

若工作面采高為h，煤的密度為ρ，循環(huán)進尺為L1，工作面平均回采率為C，在工作面選取長度為d x的一段煤體，則其落煤量d A為:

考慮工作面進回風巷存在預(yù)排放寬度LH，則在一個循環(huán)進尺內(nèi)工作面落煤累計的瓦斯涌出量Q為:

式中:Q——工作面落煤在一個循環(huán)進尺內(nèi)累計的瓦斯涌出量，m3；

C——工作面回采率，%；

ρ——煤的密度，t/m3；

h——工作面采煤高度，m；

L1——循環(huán)進尺，m；

LH——工作面端頭瓦斯預(yù)排放寬度，m；

v——工作面刮板輸送機牽引速度，m/ min；

L——采煤工作面長度，m。

由落煤累計瓦斯涌出量Q和落煤的總重量A，可求得落煤的相對瓦斯涌出量Qr為:

若工作面平均推進速度為u，平均一個采煤循環(huán)進度的時間T0，則落煤的絕對瓦斯涌出量Qd:

從上述計算過程可知，落煤瓦斯涌出量大小及動態(tài)特性變化主要取決于落煤瓦斯涌出強度、工作面布置及采煤工藝參數(shù)。因此，對采煤工作面落煤瓦斯涌出進行深入研究的基礎(chǔ)是準確測定落煤的瓦斯涌出強度。

3　現(xiàn)場應(yīng)用

3.1工作面概況

孔莊礦7354綜放工作面走向長度541 m，傾向長度145 m，平均煤厚5 m。采用走向長壁、放頂煤一次采全高采煤方法，全部垮落法管理頂板，采煤高度2.2 m，放煤高度2.8 m。工作面采用“三八”工作制，中班和夜班為生產(chǎn)班，兩割兩放；早班檢修，一割一放。每日回采工作面循環(huán)5次，每次循環(huán)進度0.6 m，工作面平均進度3 m/d，每個循環(huán)平均時間為288 min，工作面平均推進速度0.002083 m/min。工作面進風巷道和回風巷道瓦斯預(yù)排寬度18 m，煤的密度1.35 t/m3，工作面回采率85%，工作面前、后部刮板輸送機的速度均為1.3 m/s。

3.2測試過程

7354工作面落煤瓦斯涌出強度采用瓦斯解吸儀直接測定法，解吸儀與煤樣罐的連接方式見圖2所示。

圖2　瓦斯解吸速度測定儀與煤樣罐連接示意圖

在綜采面落煤時直接采集剛破碎下來的塊粒煤裝入煤樣罐內(nèi)，要求煤樣采集迅速，煤樣罐密封完好，整個采樣過程在2 min內(nèi)完成。將煤樣罐與解吸儀連接，打開煤樣罐閥門進行解吸測定，開始解吸的初期，每間隔30 s記錄量管讀數(shù)和測定時間，當解吸強度逐漸降低時可適當延長記錄時間，直至5 min內(nèi)不再有氣泡冒出為止，整個解吸過程不低于30 min。之后，將煤樣罐帶至地面實驗室稱重，并記錄好相關(guān)數(shù)據(jù)。測定數(shù)據(jù)見表1。

3.3實測數(shù)據(jù)處理

依據(jù)式（3）將落煤瓦斯涌出強度與解吸時間的函數(shù)變換為線性方程形式，將所測數(shù)據(jù)進行整理并采用最小二乘法擬合，可得出孔莊礦7354工作面落煤瓦斯初始解吸強度為0.04142 m3/（t· min），落煤瓦斯解吸衰減系數(shù)為1.1315 min-1。具體計算過程如表2所示。

表1　落煤瓦斯解吸強度實測數(shù)據(jù)表

表2　落煤瓦斯涌出強度計算參數(shù)表

為驗證7354工作面落煤瓦斯解吸強度是否符合理論分析的負指數(shù)關(guān)系，將不同的（Xi，Yi）點繪制在二維直角坐標系中并擬合出線性直線。取置信水平為95%，則可查表得出相關(guān)系數(shù)的臨界值R為0.811，而由現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)擬合出的相關(guān)系數(shù)R計算值為0.9757，由此可驗證現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)之間完全符合線性相關(guān)性要求，因此7354工作面落煤瓦斯解吸強度的衰減規(guī)律符合理論分析的負指數(shù)關(guān)系，其計算結(jié)果可以作為落煤瓦斯涌出量計算的理論依據(jù)，擬合直線見圖3。

圖3　落煤瓦斯解吸強度擬合直線圖

按照得出的落煤瓦斯解吸強度方程，可推算孔莊礦7354綜放工作面落煤瓦斯解吸強度隨時間的變化關(guān)系如圖4所示。由圖4可直觀看出，孔莊礦7354工作面落煤瓦斯涌出在初始1 min內(nèi)瓦斯涌出強度衰減至初始強度的32.2%，在2 min內(nèi)瓦斯涌出強度衰減至初始強度的10.4%，在3 min內(nèi)瓦斯涌出強度衰減至初始強度的3%。因此在割煤、放煤等落煤工序中初期的1 min內(nèi)是防治落煤瓦斯超限的重點時期。

圖4　落煤瓦斯解吸強度隨時間變化關(guān)系圖

3.4工作面落煤瓦斯涌出量

（1）采煤循環(huán)落煤平均瓦斯涌出量。孔莊礦7354綜放工作面每個采煤循環(huán)的落煤量為565 t，平均循環(huán)時間為288 min。由式（7）計算可得每個循環(huán)內(nèi)落煤累計瓦斯涌出量10.48 m3，落煤瓦斯相對涌出量0.0186 m3/t，落煤平均絕對瓦斯涌出量0.0364 m3/min。

（2）割煤時段落煤動態(tài)瓦斯涌出量。在一個循環(huán)內(nèi)若采煤機連續(xù)割煤，則有效割煤時間為100 min，落煤的瓦斯正是在此動態(tài)采煤時間內(nèi)全部涌出。按照落煤瓦斯涌出量計算公式，可得本工作面在目前的生產(chǎn)狀態(tài)下，每個循環(huán)內(nèi)落煤累計瓦斯涌出量10.48 m3，落煤瓦斯相對涌出量0.0186 m3/t，落煤動態(tài)絕對瓦斯涌出量0.1048 m3/min。

上述計算方法中，落煤累計瓦斯涌出量的計算過程充分考慮到工作面落煤量、落煤地點、落煤運出工作面的時間等動態(tài)因素，采用微元動態(tài)積分法求出落煤的累計瓦斯涌出量，計算結(jié)果較為精確；落煤相對瓦斯涌出量和平均絕對瓦斯涌出量的計算采用每個循環(huán)進度內(nèi)的平均產(chǎn)量和平均時間，是每天的落煤瓦斯涌出的平均值；動態(tài)絕對瓦斯涌出量表征采煤機割煤過程中落煤的瓦斯涌出大小，該指標最能突出反映落煤瓦斯涌出的波動性，應(yīng)作為工作面通風設(shè)計、風量配比、瓦斯治理等現(xiàn)場工程的基礎(chǔ)依據(jù)。

4　結(jié)論

（1）采煤工作面落煤瓦斯涌出符合球坐標系下非穩(wěn)定擴散定律。在煤粒中心，吸附瓦斯?jié)舛确螸angmuir吸附定律；在煤粒表面，吸附瓦斯和游離瓦斯的質(zhì)量交換服從對流質(zhì)量交換定律。

（2）工作面落煤的瓦斯涌出強度與時間符合負指數(shù)關(guān)系，落煤瓦斯涌出量與落煤瓦斯涌出強度、進回風巷道瓦斯預(yù)排放寬度、落煤量、落煤在工作面停留時間等因素有關(guān)。

（3）依據(jù)孔莊煤礦7354工作面生產(chǎn)實際，利用瓦斯解吸儀直接測定法得出其落煤瓦斯解吸強度計算公式；對計算結(jié)果進行可靠性分析，其相關(guān)系數(shù)計算值R為0.9757，大于置信水平為95%條件下臨界相關(guān)系數(shù)值，故測定結(jié)果準確可靠，可以作為計算落煤瓦斯涌出量的理論依據(jù)。

（4）按照孔莊煤礦7354工作面落煤瓦斯解吸強度隨時間的變化關(guān)系可知，在初始1 min內(nèi)落煤瓦斯涌出強度衰減至初始強度的32.2%，在2 min內(nèi)瓦斯涌出強度衰減至初始強度的10.4%，在3 min內(nèi)瓦斯涌出強度衰減至初始強度的3%。因此在割煤、放煤等落煤工序中初期1 min內(nèi)是防治落煤瓦斯超限的重點時期。

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（責任編輯 張艷華）

Study on measuring method and application of gas emission quantity from dropped coal at mining working face

Wang Zhiliang1，2，Chen Xuexi1，2，Yang Tao1，2
（1.Key Laboratory of Mine Disaster Prevention and Control in Hebei Province，Sanhe，Hebei 065201，China；2.College of Safety Engineering，North China Institute of Science&Technology，Sanhe，Hebei 065201，China）

Based on the theory of non-steady diffusion along sphere，mathematical diffusion model of gas in coal particle was established，calculation formulas of gas emission intensity and quantity of dropped coal were obtained.This paper，combining with the current production status of 7354 working face of Kongzhuang Mine，carried out in situ measurement and reliability investigation for gas emission intensity of dropped coal and analyzed the law of gas emission of falling coal.The result showed that the measured data correlated with theoretically analyzed data，gas emission intensity of dropped coal at the working face decreased to 32.2%，10.4%and 3%，respectively，of the original intensity in the beginning 1，2 and 3 minutes.Therefore，the starting 1 minute of coal falling progress is the key period for gas emission prevention.

mining working face，dropped coal，gas emission，gas emission intensity，reliability verification，gas quantity limitation

TD745.2

A

?國家自然科學基金面上項目（51574124，5164116），中央高校基本科研業(yè)務(wù)費資助（3142014012，3142015020），教育部新世紀優(yōu)秀人才支持計劃資助項目（NCET-11-0837），安全技術(shù)及工程（煤礦安全）省級重點學科（HKSJZD201401）

王志亮（1971-），男，山西陽泉人，博士，副教授，研究方向為礦井通風與瓦斯防治。