易自燃特厚煤層綜放工作面瓦斯涌出量預(yù)測(cè)研究

郭元欣，洪建流，楊 培

（1.義馬煤業(yè)集團(tuán)股份有限公司地質(zhì)研究所，河南義馬 472300；2.義馬煤業(yè)集團(tuán)股份有限公司安全監(jiān)察局，河南義馬 472300）

易自燃特厚煤層綜放工作面瓦斯涌出量預(yù)測(cè)研究

郭元欣1，洪建流2，楊 培1

（1.義馬煤業(yè)集團(tuán)股份有限公司地質(zhì)研究所，河南義馬 472300；2.義馬煤業(yè)集團(tuán)股份有限公司安全監(jiān)察局，河南義馬 472300）

工作面瓦斯涌出量是采面通風(fēng)設(shè)計(jì)及制定采面瓦斯防治措施的主要依據(jù)。為了預(yù)測(cè)常村煤礦2120工作面的瓦斯涌出量，通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定、收集整理常村煤礦綜放面瓦斯資料，分析了易自燃特厚煤層綜采放頂煤工作面瓦斯涌出特點(diǎn)、來(lái)源、構(gòu)成及影響因素。結(jié)果表明：風(fēng)排瓦斯量、采空區(qū)瓦斯涌出量和鉆場(chǎng)抽放瓦斯量的比例分別為41.1%、50.8%和8.1%；綜放面瓦斯涌出量與產(chǎn)量、采面推進(jìn)距離、生產(chǎn)工序、大氣壓等因素有關(guān)；建立了易自燃煤層綜放工作面瓦斯涌出量預(yù)測(cè)模型，以對(duì)未采區(qū)域采面瓦斯涌出量進(jìn)行預(yù)測(cè)，以便為制定瓦斯防治措施提供科學(xué)依據(jù)。

易自燃煤層；綜采放頂煤；瓦斯涌出；預(yù)測(cè)模型

0 引言

綜采放頂煤采煤法開采特厚煤層，是一種技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理的采煤方法，已在我國(guó)條件具備的礦井安全生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用[1-2]。目前常村煤礦深部采用綜放開采技術(shù)，但開采時(shí)工作面絕對(duì)瓦斯涌出量會(huì)大幅度增高，采面瓦斯涌出的不均衡性和上隅角瓦斯超限幾率增加。為了解決回風(fēng)上隅角的瓦斯超限問題，需要加大采面供風(fēng)量，但同時(shí)也增大了采空區(qū)漏風(fēng)量，增加了采空區(qū)浮煤自然發(fā)火的危險(xiǎn)性。可見，對(duì)于易自燃煤層，綜放面瓦斯災(zāi)害治理與煤層自然發(fā)火災(zāi)害治理有矛盾，瓦斯問題已經(jīng)成為影響常村煤礦綜放面安全生產(chǎn)的隱患之一，制約礦井的安全高效生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)效益的發(fā)揮，因此進(jìn)行深部綜放面瓦斯涌出預(yù)測(cè)研究十分必要。

1 礦井概況

常村煤礦位于河南省義馬市境內(nèi)，1958年建礦，技術(shù)改造后核定生產(chǎn)能力220萬(wàn)t/a。主要開采侏羅系的2-1煤層和2-3煤層，二者層間距一般為23.49 m；2-1煤層厚度0～5.54 m，平均3.05 m；2-3煤層厚度0～21.50 m，平均厚10.63 m。現(xiàn)生產(chǎn)采區(qū)已轉(zhuǎn)入深部的21采區(qū)，兩層煤合并成為2-3特厚煤層，屬緩傾斜易自燃特厚煤層，煤的自然發(fā)火期15～30 d。雖屬低瓦斯礦井，但隨著開采范圍和開采深度的增加，瓦斯涌出量明顯增大，甚至出現(xiàn)瓦斯超限，為了有效預(yù)防綜放面上隅角瓦斯超限問題，在2120綜放面、2303綜放工作面采用了上隅角插管、采空區(qū)埋管及上巷低位鉆場(chǎng)高位鉆孔綜合抽放瓦斯等技術(shù)措施。

2 瓦斯涌出特點(diǎn)

開采實(shí)踐表明，瓦斯涌出呈現(xiàn)出如下特點(diǎn)：①采面條件相同，采取綜放時(shí)的絕對(duì)瓦斯涌出量大于普通綜采[2]。②采用綜放開采時(shí)，由于放頂煤工藝較難控制，回采率一般低于普通綜采，大量的采空區(qū)遺煤使采空區(qū)瓦斯總量和涌出量會(huì)明顯增大。③綜放工作面的瓦斯涌出在時(shí)間和空間上具有不均衡性，即不同的采煤工序瓦斯涌出量差異較大，采場(chǎng)不同地點(diǎn)形成了低風(fēng)速與高瓦斯對(duì)應(yīng)區(qū)。

3 瓦斯涌出量的測(cè)定

在研究期間，針對(duì)2120綜放工作面，對(duì)瓦斯抽放系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)測(cè)，主要觀測(cè)了埋管、插管和高位抽放鉆孔。伴隨著工作面的回采推進(jìn)，在抽放管口埋入采空區(qū)15～25 m內(nèi)抽放瓦斯時(shí)，其效果欠佳，抽放濃度只有3%～5%；在距工作面25～60 m內(nèi)的采空區(qū)抽放瓦斯時(shí)，其效果最佳，抽放濃度可達(dá)6%～18%，對(duì)防止工作面上隅角瓦斯超限效果顯著，經(jīng)過抽放上隅角瓦斯?jié)舛确€(wěn)定在0.32%～0.76%，瓦斯積聚超限現(xiàn)象消失。測(cè)定結(jié)果還表明：采空區(qū)瓦斯涌出量(埋管抽放量和插管抽放量)平均值Qk為1.866 m3/min；鉆場(chǎng)抽放量平均值Qz為0.296 m3/min和風(fēng)排瓦斯量平均值QF為1.508 m3/min，所以綜放面瓦斯涌出總量平均值3.672 m3/min。

4 瓦斯涌出來(lái)源分析

綜放面瓦斯涌出量與含瓦斯煤巖層的賦存狀況及開采技術(shù)條件有關(guān)。該礦綜放面瓦斯來(lái)源主要是開采層（圖1），采面瓦斯來(lái)源主要由煤壁、割煤和放煤，以及采空區(qū)瓦斯四部分組成。包括煤壁瓦斯涌出量q1、頂煤瓦斯涌出量q2、落煤瓦斯涌出量q3、放煤瓦斯涌出量q4、和采空區(qū)浮煤瓦斯涌出量q5。其中瓦斯涌出量q1、q3和q4全部涌入綜放面風(fēng)流中；由于綜放面風(fēng)流較小，頂煤體中瓦斯涌出量q2被采面風(fēng)流帶走較少，而是上升到頂板裂隙中，在頂板裂隙帶中聚集起來(lái)，由工作面瓦斯抽放鉆場(chǎng)布置的高位鉆孔抽出；采空區(qū)浮煤瓦斯涌出量q5，少部分被漏風(fēng)風(fēng)流帶走，大部分則在采空區(qū)內(nèi)聚集起來(lái)，由采空區(qū)埋管抽出。

圖1 綜放面瓦斯涌出量來(lái)源示意圖Figure 1 A schematic diagram of fully mechanized caving face gas emission source

根據(jù)上述綜放面瓦斯涌出來(lái)源分析，回風(fēng)流風(fēng)排瓦斯量QF=q1+q3+q4；頂煤體瓦斯涌出量升浮到頂板裂隙后聚集，由鉆場(chǎng)抽放的瓦斯量Qz=q2；采空區(qū)浮煤瓦斯涌出量，最終由埋管抽放出來(lái)，即QK=q5。所以綜放面瓦斯涌出量Q=QF+Qz+QK。利用測(cè)定結(jié)果，經(jīng)計(jì)算風(fēng)排、鉆場(chǎng)、和采空區(qū)瓦斯涌出量比率依次為：

式中：QF、QZ和QK分別為風(fēng)排瓦斯量、鉆場(chǎng)瓦斯抽放量和采空區(qū)瓦斯抽放量。

5 影響瓦斯涌出量的因素分析

綜放面瓦斯涌出狀況受到各種因素的影響而發(fā)生變化[3-5]。

5.1 采面產(chǎn)量

研究結(jié)果表明：產(chǎn)量對(duì)瓦斯涌出量有直接影響，產(chǎn)量越高，瓦斯涌出量越大，但并非線性關(guān)系，如圖2、表1所示。

圖2 綜放面風(fēng)排瓦斯量與日產(chǎn)量之間實(shí)測(cè)曲線圖Figure 2 Measured curves showing relationship between fully mechanized caving face gas emission and daily output

5.2 采面推進(jìn)距離

隨著采面推進(jìn)距離的延長(zhǎng)，采空區(qū)空間容積逐漸加大，瓦斯涌出量隨之迅速上升，當(dāng)采面推進(jìn)到一定距離，采面瓦斯涌出量達(dá)到峰值后，不再隨采面推進(jìn)距離的延長(zhǎng)而增大，反而下降。

表1 工作面日產(chǎn)量與風(fēng)排瓦斯量統(tǒng)計(jì)表Table 1 Statistics of working face daily output and ventilation drained gas emission

5.3 采面生產(chǎn)工序

生產(chǎn)工序如移架、放頂煤、割煤時(shí)采面瓦斯涌出量較大，特別是移架、割煤和放頂煤時(shí)瓦斯涌出量大[6-7]，而非生產(chǎn)工序如設(shè)備檢修時(shí)則較小。

5.4 大氣壓力變化

地面大氣壓力的變化對(duì)綜放面回風(fēng)流中的瓦斯?jié)舛扔休^大影響，當(dāng)大氣壓降低時(shí)，不但煤壁、煤炭中的瓦斯釋放與解吸速度加快，更主要的是采空區(qū)氣體壓力相對(duì)增高，體積發(fā)生膨脹，致使部分采空區(qū)內(nèi)高濃度瓦斯涌入工作面導(dǎo)致回風(fēng)流瓦斯?jié)舛壬仙?。氣壓變化幅度和采空區(qū)空間越大，回風(fēng)流瓦斯?jié)舛仁苡绊懙某潭仍酱蟆?/p>

6 綜放面瓦斯量計(jì)算模型建立

由于綜放面地質(zhì)條件、生產(chǎn)技術(shù)條件的復(fù)雜多變，采面瓦斯涌出量的影響因素較多，故難以準(zhǔn)確建立預(yù)測(cè)數(shù)學(xué)模型，回歸出綜放面瓦斯涌出量預(yù)測(cè)公式。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)統(tǒng)計(jì)研究表明，在原煤瓦斯參數(shù)和生產(chǎn)技術(shù)條件等一定的條件下，綜放面產(chǎn)量是影響采面瓦斯涌出量的主要因素，并且兩者之間存在一定相關(guān)性，產(chǎn)量越高，瓦斯涌出量越大，但產(chǎn)量增加到一定程度后隨著產(chǎn)量增加瓦斯涌出量反而有所減小。所以，利用綜放面日產(chǎn)量和對(duì)應(yīng)的瓦斯涌出量實(shí)測(cè)統(tǒng)計(jì)值之間的關(guān)系，可以較有效地對(duì)同一采區(qū)綜放面瓦斯涌出量進(jìn)行預(yù)測(cè)。

由圖2所示，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)利用最小二乘法進(jìn)行曲線擬合，可得工作面風(fēng)排瓦斯量QF（x）與工作面日產(chǎn)量x之間的關(guān)系表達(dá)式為：

求導(dǎo)得：

令QF′(x)=0，得到有意義解x=2695.5 t/d。說(shuō)明在日產(chǎn)量為2695.5 t時(shí)，對(duì)應(yīng)的風(fēng)排瓦斯?jié)舛茸罡撸L(fēng)排瓦斯涌出量最大。通過對(duì)多項(xiàng)式的回歸分析可知，當(dāng)工作面產(chǎn)能從0增加到2 695.5 t/d時(shí)，瓦斯涌出量逐漸增大，而當(dāng)采面生產(chǎn)能力繼續(xù)逐漸增大時(shí)，瓦斯涌出量不再繼續(xù)增大，甚至?xí)兴陆怠?/p>

由公式（1）、（2）、（3）和公式（4）聯(lián)合求解，可得綜放面瓦斯涌出總量Q（x）與采面日產(chǎn)量x的關(guān)系計(jì)算公式：

式中擬合所用的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為每月的平均值，所以計(jì)算結(jié)果是工作面瓦斯涌出量的平均值。由于該式是根據(jù)綜放面實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)擬合而得，所以在常村礦現(xiàn)有技術(shù)條件下，可對(duì)深部綜放面進(jìn)行瓦斯涌出量預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)結(jié)果較準(zhǔn)確可靠。

7 結(jié)語(yǔ)

（1）2120綜放面風(fēng)排瓦斯量、采空區(qū)瓦斯涌出量和鉆場(chǎng)抽放瓦斯量的比例分別為41.1%、50.8%和8.1%。

（2）在保證綜放面合理供風(fēng)量，有效預(yù)防采空區(qū)自然火災(zāi)的前提下，建立起了本礦井易自燃煤層綜放面瓦斯涌出量預(yù)測(cè)數(shù)學(xué)模型，可以對(duì)礦井未采區(qū)域采面瓦斯涌出量預(yù)測(cè)，為礦井瓦斯防治工作提供依據(jù)。

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Gas Emission Prediction of Fully Mechanized Caving Face with Coal Seam Prone to Spontaneous Combustion and Extremely Thick

Guo Yuanxin1,Hong Jianliu2and Yang Pei1
(1.Geological Research Institute,Yima Coal Industry Co.Ltd.,Yima,Henan 472300; 2.Safety Supervision Bureau,Yima Coal Industry Co.Ltd.,Yima,Henan 472300)

The working face gas emission is main basis to design coal face ventilation and formulate control measures.To predict work?ing face gas emission,through site measuring,collecting and sorting of fully mechanized caving face gas data from the Changcun coalmine,have analyzed extremely thick coal seam prone to spontaneous combustion fully mechanized top coal caving face gas emis?sion features,source,composition and impacting factors.The result has shown that the proportion of ventilation drained gas emission, gob area gas emission and drilling site drained gas emission is 41.1%,50.8%and 8.1%respectively.Fully mechanized caving face gas emission is related to factors including output,coal face advancing distance,production process and barometric pressure etc.Estab?lished gas prediction model for coal seam prone to spontaneous combustion fully mechanized caving face can carry out prediction of vir?gin zone coal face gas emission,and provide scientific basis for formulation of gas control measures.

coal seam prone to spontaneous combustion;fully mechanized top coal caving;gas emission;prediction model

TD712.52

A

10.3969/j.issn.1674-1803.2017.03.08

1674-1803(2017)03-0041-03

國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)資助項(xiàng)目（41130419）

郭元欣（1963—），男，河南孟津縣人，高級(jí)工程師，學(xué)士，現(xiàn)從事礦井瓦斯地質(zhì)方面的研究工作。

2016-12-02

責(zé)任編輯：宋博輦