瓦斯涌出量預(yù)測(cè)及工作面通風(fēng)系統(tǒng)的研究分析

閆培斌

（山西高平科興云泉煤業(yè)有限公司，山西 高平 048400）

1 煤礦背景

山西高平科興云泉煤業(yè)有限公司9103綜采工作面9號(hào)煤層地理位置在太原組下部，煤層及其平均厚度分別是1.20（ZK1-1）～2.03（Y-1）m及1.45m，全區(qū)在很大程度上穩(wěn)定可采，結(jié)構(gòu)相對(duì)來(lái)說非常簡(jiǎn)單，不包含夾矸，煤層傾角0～7℃。煤層頂?shù)装宸謩e是石灰?guī)r或泥巖以及砂質(zhì)泥巖或細(xì)粒砂巖，其局部分別是粉砂質(zhì)泥巖以及粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖或泥巖。

根據(jù)2017年9月由煤科集團(tuán)沈陽(yáng)研究院有限公司編制的《山西高平科興云泉煤業(yè)有限公司礦井瓦斯涌出量預(yù)測(cè)報(bào)告》中采用的地勘鉆孔方式測(cè)定瓦斯含量結(jié)果如表1所示。

2017年山西省煤炭工業(yè)廳綜合測(cè)試中心對(duì)山西高平科興云泉煤業(yè)有限公司聯(lián)合試運(yùn)轉(zhuǎn)期間礦井瓦斯等級(jí)進(jìn)行鑒定，結(jié)果顯示：該公司礦井絕對(duì)及相對(duì)瓦斯與二氧化碳涌出量分別是0.9m3/min及0.94m3/t與1.24m3/min及1.29m3/t。井下回采以及掘進(jìn)工作面絕對(duì)瓦斯涌出量最大分別是0.32m3/min以及0.14m3/min。

表1 9號(hào)煤層檢測(cè)結(jié)果

根據(jù)晉煤瓦發(fā)〔2017〕308號(hào)文，2017年該礦開采9號(hào)煤層，其礦井瓦斯、掘進(jìn)工作面瓦斯以及二氧化碳絕對(duì)涌出量分別是0.26m3/min、0.13m3/min以及0.35m3/min，以此定義其是瓦斯礦井。

2 瓦斯涌出影響因素

瓦斯涌出量在很大程度上受到自然因素以及開采條件兩方面的擾動(dòng)。

2.1 自然因素

（1）大氣壓力變化

因?yàn)榈孛嫔系拇髿鈮毫﹄S著地質(zhì)以及氣象的不斷變化而改變，其在很大程度上也導(dǎo)致了煤礦井下的大氣壓力改變。由于9103綜采工作面煤層中的瓦斯是通過游離及吸附等狀態(tài)存在的，一般狀況下其將維持于一個(gè)平衡狀態(tài)，如果大氣壓力發(fā)生變化，游離態(tài)及吸附態(tài)的瓦斯之間將出現(xiàn)轉(zhuǎn)化，見圖1。

圖1 瓦斯在煤體中的賦存狀態(tài)

如果地面上的大氣壓強(qiáng)迅速降低，將導(dǎo)致瓦斯聚集區(qū)間的大氣壓在很大程度上超過風(fēng)壓，進(jìn)而使得瓦斯由吸附態(tài)向游離態(tài)轉(zhuǎn)化，其進(jìn)入風(fēng)流大大地?cái)U(kuò)增了工作面瓦斯涌出量。同理，如果地面大氣壓迅速升高，瓦斯從游離態(tài)轉(zhuǎn)化成吸附態(tài)，將使得工作面瓦斯涌出量縮減。

（2）地質(zhì)條件

① 地質(zhì)構(gòu)造，一般狀況其包含開放型和封閉型兩種。其中封閉型能夠存儲(chǔ)瓦斯使其不易于排放，相反，開放型易于其排放。根據(jù)9103進(jìn)、回風(fēng)順槽掘進(jìn)時(shí)實(shí)際揭露資料分析，9103回采工作面未發(fā)現(xiàn)構(gòu)造，頂?shù)装逋旰?，煤層賦存情況良好，層位穩(wěn)定，在很大程度上屬于封閉性。

② 煤的變質(zhì)程度與其他條件一致的情況下，煤體對(duì)瓦斯氣體的吸附能力正相關(guān)于其變質(zhì)程度，其大小在一定程度上決定了瓦斯含量，進(jìn)而間接影響了其涌出量多少。9103綜采工作面主要包含成分是亮煤，然后是鏡煤，包含暗煤，金屬光澤。光亮型煤結(jié)構(gòu)非常緊密，燃點(diǎn)以及耐熱強(qiáng)度都比較高，內(nèi)生裂隙發(fā)育。其9號(hào)煤是低灰—中灰、低揮發(fā)、低硫—中高硫、中等—高固定碳、中熱值—特高熱值、特低磷之無(wú)煙煤。

③ 水文地質(zhì)條件，一般情況下瓦斯可溶于水，然而溫度和壓力等條件在很大程度上影響了其溶解度。如果外界壓力固定，其溶解度隨著溫度的提升而逐步升高，同樣如果溫度固定，其溶解度隨著壓力的提升也會(huì)逐步升高。如果煤田所在位置的地下水流非?；钴S，一些瓦斯溶解于水，進(jìn)而大大縮減煤層瓦斯的含量。

④ 煤層圍巖性質(zhì)，瓦斯在煤層圍巖中主要是經(jīng)過裂隙及孔縫完成移動(dòng)擴(kuò)散的。若頂板巖石的空隙較大，則瓦斯不易于存儲(chǔ)而出現(xiàn)擴(kuò)散。9103綜采工作面煤層頂?shù)装宸謩e是石灰?guī)r或泥巖以及砂質(zhì)泥巖或細(xì)粒砂巖，其局部分別是粉砂質(zhì)泥巖以及粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖或泥巖，相對(duì)來(lái)說空隙較少。

2.2 開采條件

（1）通風(fēng)

通風(fēng)形式、通風(fēng)壓力以及通風(fēng)量很大程度上影響瓦斯涌出量，運(yùn)用合理的通風(fēng)系統(tǒng)能夠非常有效地控制瓦斯涌出。

（2）采空區(qū)管理

煤礦的瓦斯涌出量很大一部分源自采空區(qū)，若采空區(qū)漏風(fēng)嚴(yán)重或密閉墻質(zhì)量差等，就會(huì)致使相當(dāng)一部分瓦斯被排出從而使其濃度提升。

3 9103工作面瓦斯涌出量預(yù)測(cè)

依照2017年9月由煤科集團(tuán)沈陽(yáng)研究院有限公司編制的《山西高平科興云泉煤業(yè)有限公司礦井瓦斯涌出量預(yù)測(cè)報(bào)告》，對(duì)礦井瓦斯涌出量進(jìn)行預(yù)測(cè)。

3.1 預(yù)測(cè)方法

擇取我國(guó)煤礦通常情況下運(yùn)用的分源預(yù)測(cè)法，其原理是依照煤層瓦斯含量與其涌出的源匯關(guān)系，運(yùn)用其涌出規(guī)律同時(shí)兼顧其賦存以及開采技術(shù)條件，經(jīng)過對(duì)回采以及掘進(jìn)工作面瓦斯涌出量的運(yùn)算分析，進(jìn)而完成對(duì)采區(qū)以及礦井的瓦斯涌出量預(yù)測(cè)。

3.2 預(yù)測(cè)條件

（1）開采9號(hào)煤層的過程中，常規(guī)運(yùn)作時(shí)分別配置一個(gè)綜采、綜掘以及普掘工作面，采掘比是1:2。

（2）普掘速度為150m/月，綜掘速度為500m/月，斷面積為13.44m2，順槽長(zhǎng)度均為750m。

（3）地勘時(shí)期測(cè)定的瓦斯含量數(shù)目偏少，數(shù)值偏小，參考價(jià)值很小，依照《礦井瓦斯涌出量預(yù)測(cè)方法》（AQ1018-2006）完成對(duì)瓦斯風(fēng)化帶下部邊界值的計(jì)算，其中9號(hào)煤為貧瘦煤。見表2。

表2 邊界值瓦斯含量選取計(jì)算表

3.3 預(yù)測(cè)結(jié)果

9103回采工作面瓦斯涌出量預(yù)測(cè)結(jié)果見表3。

表3 9103回采工作面瓦斯涌出量預(yù)測(cè)結(jié)果

4 9103工作面通風(fēng)量及風(fēng)流路線確定

4.1 9103工作面通風(fēng)量確定

（1）按氣象條件確定工作面通風(fēng)量

式中：

vcf-工作面的風(fēng)速，擇取為1.7m/s；

Scf-工作面有效橫截面積均值，m2；

Kch-采高調(diào)整系數(shù)，其工作面采高是1.46m，擇取為1.0；

Kcl-回采工作面長(zhǎng)度調(diào)整系數(shù)，其工作面長(zhǎng)度是150m，擇取為1.2；

70%-有效通風(fēng)斷面系數(shù)；

60-單位折算生成的系數(shù)。

（2）依照瓦斯以及二氧化碳涌出量運(yùn)算

根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》及晉市煤局瓦字〔2011〕516號(hào)文件規(guī)定，按回采工作面回風(fēng)流中瓦斯?jié)舛炔怀^0.8%的要求計(jì)算：

式中：

qcg-采煤工作面回風(fēng)巷風(fēng)流中平均瓦斯涌出量，依照2017年瓦斯等級(jí)報(bào)告擇取為0.33m3/min；

kcg-工作面瓦斯涌出不均勻的備用風(fēng)量系數(shù)，擇取為1.5；

125-依照回風(fēng)流中瓦斯的濃度≤0.8%的折算系數(shù)。

依照回采工作面回風(fēng)流中二氧化碳濃度≤1.5%運(yùn)算，其折算系數(shù)為67，則：

（3）依照工作人員數(shù)量驗(yàn)算

式中：

Ncf-工作面同時(shí)工作的人數(shù)最大值；

4-每人的需風(fēng)量，m3/min。

（4）無(wú)軌膠輪車需風(fēng)量計(jì)算

式中：

∑Q-掘進(jìn)工作面同時(shí)運(yùn)行多臺(tái)無(wú)軌膠輪車需風(fēng)量，m3/min；

4-井下每臺(tái)無(wú)軌膠輪車每分鐘所需風(fēng)量，4m3/min·kW；

I-掘進(jìn)工作面同時(shí)運(yùn)行的無(wú)軌膠輪車；

Q膠-礦用無(wú)軌膠輪車功率，26kW。

（5）按風(fēng)速進(jìn)行驗(yàn)算

① 最小風(fēng)量驗(yàn)算

Scb=lcb×hcf×70%=4.615×1.46×70%=4.72m2

Qmin=60×0.25×Scb=60×0.25×4.72=71m3/min

式中：

lcb-最大控頂距，m；

Scb-有效斷面積，m2；

hcf-實(shí)際采高，m；

0.25-應(yīng)許最低風(fēng)速，m/s；

70%—有效通風(fēng)斷面系數(shù)。

② 最大風(fēng)量驗(yàn)算

Scs=lcs×hcf×70%=4.015×1.46×70%=4.1m2

Qmin=60×4.0×Scs=60×4.0×4.1=984m3/min

式中：

lcs-最小控頂距，m；

Scs-有效斷面積，m2；

4.0-應(yīng)許最高風(fēng)速，m/s。

綜上計(jì)算，Qmin＜Q＜Qmax。

則9103綜采面需風(fēng)量為540m3/min。

4.2 9103工作面風(fēng)流路線確定

工作面風(fēng)流：本工作面采用“一進(jìn)一回”U形通風(fēng)方式。

新鮮風(fēng)流：主斜井→9#行人聯(lián)絡(luò)巷→9#集中膠帶巷→9#膠帶（軌道）大巷→9103運(yùn)輸順槽→9103綜采工作面。

回風(fēng)風(fēng)流：9103綜采工作面→9103回風(fēng)順槽→9103回風(fēng)繞道→9#回風(fēng)大巷→9#總回風(fēng)巷→回風(fēng)立井→地面。

5 結(jié)論

本文主要闡述了瓦斯涌出的相關(guān)概念，并且對(duì)影響瓦斯涌出的自然因素以及開采條件進(jìn)行了詳細(xì)分析，采用分源預(yù)測(cè)法預(yù)測(cè)9103工作面瓦斯涌出量為0.33m3/min，同時(shí)根據(jù)工作面預(yù)測(cè)瓦斯涌出量確定9103綜采面需風(fēng)量為540m3/min，為后續(xù)工作面瓦斯涌出防治研究奠定了基礎(chǔ)。