近距離煤層群開采工作面瓦斯涌出量預(yù)測方法研究

馬文偉，付 巍，薛彥平

(1.中煤科工集團(tuán)沈陽研究院有限公司，遼寧 沈陽 110016;2.煤礦安全技術(shù)國家重點實驗室，遼寧 撫順 122113)

0 引 言

新建礦井或生產(chǎn)礦井新水平，都必須進(jìn)行瓦斯涌出量預(yù)測，以確定新礦井、新水平、新采區(qū)投產(chǎn)后瓦斯涌出量的大小，預(yù)測結(jié)果作為礦井和采區(qū)通風(fēng)設(shè)計、瓦斯抽采及瓦斯管理的依據(jù)，因此必須準(zhǔn)確預(yù)測礦井或采掘工作面的瓦斯涌出量，提前采取必要的防治措施，以確保礦井的安全生產(chǎn)[1-3]。在礦井瓦斯涌出量預(yù)測方法的研究方面，專家學(xué)者進(jìn)行了大量的研究，并取得了豐富的成果。最早進(jìn)行礦井瓦斯涌出量方面研究的專家，提出礦山統(tǒng)計法和分源預(yù)測法，并在全國范圍內(nèi)進(jìn)行了廣泛的應(yīng)用，于2006年發(fā)布了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《礦井瓦斯涌出量預(yù)測方法》。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，特別是計算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用，學(xué)者們提出多種礦井瓦斯涌出量的計算方法，主要有數(shù)學(xué)模型法、灰色系統(tǒng)理論法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測法等[4-9]，但這些方法理論性較強(qiáng)，尚處于探索階段。分源預(yù)測法仍是目前應(yīng)用最為廣泛的一種方法[10-12]。

本煤層開采時，回采工作面的瓦斯涌出量是開采層和鄰近層瓦斯涌出量之和，傳統(tǒng)的分源預(yù)測法未考慮到上部鄰近層開采對本煤層瓦斯涌出的影響，造成預(yù)測結(jié)果有一定程度偏差[13-16]，特別是近距離煤層群開采時，下部本煤層由于受上部多個煤層開采的影響，瓦斯多次釋放，在按照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《礦井瓦斯涌出量預(yù)測方法》進(jìn)行本煤層瓦斯涌出量計算時，將不可避免地造成預(yù)測結(jié)果的偏差，針對此種情況，筆者在前人研究的基礎(chǔ)上，引入開采層對鄰近層瓦斯涌出影響系數(shù)，建立了開采層和鄰近層瓦斯涌出量計算公式，并利用河北某礦實測數(shù)據(jù)進(jìn)行初步應(yīng)用驗證，以期對近距離煤層群開采時工作面瓦斯涌出量的準(zhǔn)確預(yù)測提供參考。

1 回采工作面瓦斯涌出量計算

回采工作面的瓦斯涌出主要包括開采層(包括圍巖)和鄰近層瓦斯涌出，預(yù)測時一般用相對瓦斯涌出量表達(dá)，計算公式為

qc=q1+q2

(1)

式中：qc為回采工作面相對瓦斯涌出量，m3/t；q1為開采層相對瓦斯涌出量，m3/t；q2為鄰近層相對瓦斯涌出量，m3/t。

近距離煤層群開采時，回采工作面的瓦斯涌出量計算模型如圖1所示，由于近距離煤層群的開采順序一般為自上而下，故設(shè)定1號煤層為首采層，依次向深部n號煤層進(jìn)行回采，煤層間距設(shè)為h1、h2…h(huán)n-1，假設(shè)最深部n號煤層也在1號煤層回采影響范圍內(nèi)。

圖1 近距離煤層群回采工作面的瓦斯涌出量計算模型Fig.1 Calculation model of gas emission in the mining face of contiguous seams

1.1 開采層相對瓦斯涌出量計算

根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《礦井瓦斯涌出量預(yù)測方法》，薄及中厚煤層開采時，開采層相對瓦斯涌出量q1可表示為

(2)

式中：K1為圍巖瓦斯涌出系數(shù)；K2為工作面丟煤瓦斯涌出系數(shù)，其值為采出率的倒數(shù)；K3為準(zhǔn)備巷道預(yù)排瓦斯對開采層瓦斯涌出影響系數(shù)；m為開采煤層厚度，m；M為開采層工作面采高，m；W0為煤層原始瓦斯含量，m3/t；Wc為煤運出地面后的殘存瓦斯含量，m3/t。

1.1.1 煤的殘存瓦斯含量分析

式(2)中，Wc為計算開采層瓦斯涌出量的核心數(shù)據(jù)之一，在《礦井瓦斯涌出量預(yù)測方法》中指出，瓦斯含量大于10 m3/t的高變質(zhì)煤和低變質(zhì)煤的Wc可根據(jù)表1所示數(shù)據(jù)取值，原始瓦斯含量小于10 m3/t的高變質(zhì)煤的Wc可按式(3)計算。

(3)

分析表1可見，原始瓦斯含量大于10 m3/t的高變質(zhì)煤和低變質(zhì)煤的Wc的選取主要依據(jù)為煤的揮發(fā)分，當(dāng)煤的揮發(fā)分大于26%時，純煤的殘存瓦斯含量均為2 m3/t，當(dāng)遇到原始瓦斯含量較低的低變質(zhì)煤時，可能會出現(xiàn)殘存瓦斯含量比原始瓦斯含量大的情況，與實際不相符。

對于原始瓦斯含量小于10 m3/t的高變質(zhì)煤，其殘存瓦斯含量Wc采用式(3)進(jìn)行計算，假設(shè)煤層原始瓦斯含量為8 m3/t，計算得到的殘存瓦斯含量為0.000 96 m3/t，也與實際不符合。

表1 純煤的殘存瓦斯含量取值Table 1 Residual gas content in pure coal

綜合分析，筆者認(rèn)為運出礦井后的煤的殘存瓦斯含量應(yīng)該與煤本身的物理性質(zhì)以及所處的環(huán)境有關(guān)，為統(tǒng)一計算且接近實際，可近似按照1個大氣壓下(地面氣壓)，殘留在煤中的瓦斯含量計算，可利用式(4)代替式(3)進(jìn)行計算。

(4)

式中：a、b為煤的吸附常數(shù)；Ad為煤的灰分，%；Mad為煤的水分，%；Φ為煤的孔隙率；γ為煤的視密度。

1.1.2 煤層原始瓦斯含量分析

在煤層群開采中，上部煤層的回采會引起下部煤層的瓦斯涌入上部煤層回采空間和采空區(qū)，當(dāng)下部煤層回采時，其瓦斯含量相比其原始瓦斯含量有較大的降低，尤其是最下部開采層，將受到上部多個煤層開采產(chǎn)生的影響，造成絕大部分瓦斯的釋放。筆者引入開采層i號煤層對鄰近層j號煤層的瓦斯涌出影響系數(shù)ηij，結(jié)合圖1的計算模型，各個煤層開采時的瓦斯含量可用式(5)計算。

(5)

式中：W01、W02、W03…W0n分別為1、2、3…n號煤層原始瓦斯含量，m3/t；W0(1)、W0(2)、W0(3)…W0(n)分別為1、2、3、…n號煤層開采時的瓦斯含量，m3/t；ηij里i的取值為1、2…(n-1)，j的取值為2、3…n，且i

故式(2)可改寫為

(6)

式中：Wc(k)為k號煤層煤運出礦井后的殘存瓦斯含量，m3/t，k的取值為1～n。

1.2 鄰近層相對瓦斯涌出量計算

以圖1計算模型為例，開采近距離煤層群中各個煤層時，其鄰近層的瓦斯涌出量計算如下。

1)開采1號煤層時，鄰近層的瓦斯涌出量為

(7)

2)開采2號煤層時，鄰近層的瓦斯涌出量為

(8)

3)開采3號煤層時，鄰近層的瓦斯涌出量為

(9)

4)以此類推，開采n-2號煤層時，鄰近層的瓦斯涌出量為

(10)

5)開采n-1號煤層時，鄰近層的瓦斯涌出量為

(11)

經(jīng)過式(7)—式(11)的類推分析后，鄰近層瓦斯涌出量可歸納為

(12)

式中：mj為第j個鄰近層煤層厚度，m；Mi為i號開采層工作面采高，m；ηkj為k號煤層開采時鄰近j號煤層的瓦斯涌出影響系數(shù)，%，當(dāng)k≥j時，ηkj=0。

2 算例分析

河北唐山某礦為高瓦斯礦井，井田內(nèi)煤系地層由石炭、二疊紀(jì)煤巖系組成，區(qū)內(nèi)自上而下7、8、9、12煤層為近距離煤層群，其中7、8、9煤層為全區(qū)可采煤層，12煤層為局部可采煤層。各煤層均以焦煤為主，局部為瘦煤或貧瘦煤，煤層賦存情況及各類參數(shù)見表2。

表2 煤層賦存情況及各類參數(shù)特征Table 2 Condition of coal seam and characteristics of various parameters

礦井在回采過程中，按照自上而下的順序，先開采7煤層，再開采8、9、12煤層。該礦在同一時間在各個煤層均有回采工作面進(jìn)行回采，故需對各個煤層的回采工作面瓦斯涌出量進(jìn)行預(yù)測。

將表2中各煤層的參數(shù)代入式(4)，可得7、8、9、12各煤層的殘存瓦斯含量分別為0.16、0.18、0.15、0.12 m3/t。根據(jù)式(5)同時結(jié)合圖1及表2的參數(shù)，計算可得各煤層在不同階段的殘余瓦斯含量，見表3—表5。

表3 7煤層開采后其余各煤層瓦斯含量Table 3 Gas content of other coal seams after No.7 coal seam mining

2.1 開采層瓦斯涌出量預(yù)測

根據(jù)式(6)及表2—表5的數(shù)據(jù)，各個煤層開采時，開采層瓦斯涌出量見表6。

表4 8煤層開采后其余各煤層瓦斯含量Table 4 Gas content of other coal seams after No.8 coal seam mining

表5 9煤層開采后12煤層瓦斯含量Table 5 Gas content of No.12 coal seams after No.9 coal seam mining

表6 開采層瓦斯涌出量計算結(jié)果Table 6 Calculation results of gas emission in mining

2.2 鄰近層瓦斯涌出量

依據(jù)式(12)及表3—表5，得出開采各煤層時，其鄰近層瓦斯涌出量見表7。

表7 鄰近層瓦斯涌出量計算結(jié)果Table 7 Calculation results of gas emission in adjacent layers

2.3 工作面瓦斯涌出量計算

結(jié)合表6和表7，綜采工作面瓦斯涌出量結(jié)果見表8。

表8 綜采工作面瓦斯涌出量結(jié)果Table 8 Results of gas emission in working face

3 工作面瓦斯涌出量計算結(jié)果分析

由表8可見，當(dāng)進(jìn)行首采7煤層的開采時，工作面的相對瓦斯涌出量為7.44 m3/t，瓦斯主要來源于本煤層，本煤層瓦斯涌出約占總涌出量的74.3%。

1)當(dāng)進(jìn)行8煤層開采時，由于上部7煤層已經(jīng)回采，在7煤層回采時8煤層作為鄰近層瓦斯大部分已經(jīng)釋放，8煤層工作面相對瓦斯涌出量為1.09 m3/t，其中本煤層瓦斯涌出量只占總瓦斯涌出量的3.7%。

2)當(dāng)進(jìn)行9煤層開采時，上部7、8煤層已經(jīng)回采，下部12煤層經(jīng)過7、8煤層回采的影響，瓦斯已多次釋放，9煤層工作面瓦斯涌出量為0.9 m3/t，其中本煤層瓦斯涌出量只占總瓦斯涌出量的25%。

3)當(dāng)進(jìn)行12煤層開采時，上部各煤層均已回采，且無鄰近層，12煤層工作面瓦斯涌出量為1.76 m3/t。

為更好地說明問題，將本次各煤層回采工作面的相對瓦斯涌出量計算結(jié)果與按照標(biāo)準(zhǔn)《礦井瓦斯涌出量預(yù)測方法》所計算的結(jié)果進(jìn)行對比，見表9?？梢?，兩者的計算結(jié)果在首采層開采時基本一致，偏差為0.35 m3/t，在其余煤層開采時計算結(jié)果偏差相對較大，最大偏差為計算8煤層工作面相對瓦斯涌出量時，按標(biāo)準(zhǔn)所計算的結(jié)果是按修正后公式計算結(jié)果的4.45倍，兩者偏差值達(dá)到3.76 m3/t。從礦井實際情況來講，按照修正后計算公式所計算的結(jié)果更接近于各煤層工作面的真實瓦斯涌出量。

表9 回采工作面計算結(jié)果對比Table 9 Comparison on calculation results of mining face

4 結(jié) 論

1)在煤層群開采中，上部煤層的回采會引起下部煤層的瓦斯涌入上部煤層回采空間和采空區(qū)，當(dāng)下部煤層回采時，其瓦斯含量相比其原始瓦斯含量有較大的降低，尤其是最下部開采層，由于受到上部多個煤層開采產(chǎn)生的影響，造成絕大部分瓦斯的釋放。在針對近距離煤層群開采條件下本煤層回采工作面瓦斯涌出量的計算時，引入開采層對鄰近層的瓦斯涌出影響系數(shù)，對煤的原始瓦斯含量和殘存瓦斯含量進(jìn)行修正，提出了修正后的開采層相對瓦斯涌出量計算公式。

2)在煤層群開采中，下部煤層的瓦斯會隨著其上部煤層的回采多次釋放，在引入開采層對鄰近層的瓦斯涌出影響系數(shù)的基礎(chǔ)上，通過遞推歸納總結(jié)，提出針對近距離煤層群開采時鄰近層相對瓦斯涌出量的計算公式。

3)利用修正后的開采層及鄰近層相對瓦斯涌出量計算公式對河北某礦近距離煤層群開采條件下各煤層回采工作面的瓦斯涌出量進(jìn)行算例分析，并與行標(biāo)所述方法進(jìn)行比對，結(jié)果表明，兩者之間在計算首采層瓦斯涌出量時結(jié)果基本一致，偏差為0.35 m3/t，在計算其余各煤層回采工作面的瓦斯涌出量時，計算值均有較大幅度的偏差，偏差最大時，按標(biāo)準(zhǔn)所計算的結(jié)果是按修正后公式計算結(jié)果的4.45倍，兩者偏差達(dá)到3.76 m3/t。結(jié)合礦井工作面實際瓦斯涌出情況，按照修正后的計算公式計算的工作面瓦斯涌出量結(jié)果更接近于礦井實際回采工作面的瓦斯涌出量，驗證了所提出的修正后的開采層瓦斯涌出量和鄰近層相對瓦斯涌出量計算公式的準(zhǔn)確性。