石屏一礦掘進(jìn)工作面煤層瓦斯參數(shù)反演模型研究及應(yīng)用

蔣和財 肖仕彬 李定強(qiáng) 殷郊 黃偉 戴英健

摘? 要：為提升煤與瓦斯突出預(yù)測和防治的準(zhǔn)確性、可靠性和效率，首先，基于煤層瓦斯賦存規(guī)律、吸附解吸特征及瓦斯運(yùn)移規(guī)律相關(guān)理論構(gòu)建掘進(jìn)工作面瓦斯參數(shù)反演模型；其次，將瓦斯反演模型內(nèi)嵌到煤與瓦斯突出實時監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)軟件中，對石屏一礦C19上煤層13019上機(jī)巷掘進(jìn)工作面的瓦斯含量和瓦斯壓力進(jìn)行反演預(yù)測；最后，采用DGC瓦斯含量直接測定法實測現(xiàn)場數(shù)據(jù)對模型反演結(jié)果進(jìn)行對比驗證。反算數(shù)值與實測數(shù)值對比表明，煤體瓦斯含量和壓力反演計算結(jié)果準(zhǔn)確可靠。

關(guān)鍵詞：掘進(jìn)工作面；瓦斯含量；瓦斯壓力；反演模型；煤炭

中圖分類號：TD712? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2024）19-0188-05

Abstract： In order to improve the accuracy， reliability and efficiency of coal and gas outburst prediction and prevention， firstly， based on the relevant theories of coal seam gas occurrence law， adsorption and desorption characteristics and gas migration law， the inversion model of gas parameters in heading face is constructed. Then， the gas inversion model is embedded into the real-time monitoring and early warning system software of coal and gas outburst to invert and predict the gas content and gas pressure of the heading face of 13019 upper machine roadway in coal seam C19 of Shiping No.1 Mine. Finally， the field data of DGC gas content direct measurement method are used to compare and verify the inversion results of the model. The comparison between the inverse calculation value and the measured value shows that the inversion calculation results of coal gas content and pressure are accurate and reliable.

Keywords： heading face; gas content; gas pressure; inversion model; coal

煤炭在相當(dāng)長時間內(nèi)依然是我國最重要的能源資源[1]。隨著我國淺部煤炭資源日益枯竭，煤礦開采轉(zhuǎn)向深部將成為保障我國能源需求的新常態(tài)[2]。深部煤層應(yīng)力環(huán)境復(fù)雜多變，煤與瓦斯突出危險性急劇增加[3-4]。煤與瓦斯突出災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警是實現(xiàn)瓦斯治理的有效手段之一，挖掘并提取煤與瓦斯突出前產(chǎn)生的信號特征并構(gòu)建模型來預(yù)測煤層的突出危險性能夠有效保障人員和財產(chǎn)的安全，對煤與瓦斯突出災(zāi)害的防治具有重要意義[5-8]。

國內(nèi)外專家學(xué)者利用各種研究方法建立了大量的突出預(yù)警模型，并對此進(jìn)行了大量的研究。曹康[9]利用層次分析法構(gòu)建了煤與瓦斯突出預(yù)警綜合模型，并在發(fā)耳煤礦得到了驗證。隆能增等[10]將K-means聚類、FOA及RF 3種算法結(jié)合構(gòu)建出了基于數(shù)據(jù)挖掘的煤與瓦斯突出實時預(yù)警模型，并進(jìn)行了現(xiàn)場應(yīng)用，與常規(guī)指標(biāo)對應(yīng)性較好，預(yù)警準(zhǔn)確。李忠輝等[11]提出了煤與瓦斯突出模糊物元預(yù)警模型，并利用3DMAX軟件實現(xiàn)了預(yù)警結(jié)果的可視化顯示。寧小亮[12]將關(guān)聯(lián)規(guī)則和證據(jù)理論兩算法相結(jié)合建立了基于多源信息融合的煤與瓦斯突出動態(tài)預(yù)警模型。姜鵬鵬等[13]以關(guān)聯(lián)函數(shù)作為計算模型，建立了基于可拓理論的突出預(yù)警模型。郭德勇[14]利用GIS技術(shù)和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立了煤與瓦斯突出預(yù)警模型。邵帆[15]建立了以 SVM算法為核心的煤與瓦斯突出預(yù)測模型。這些預(yù)警模型都在一定程度上提高了突出預(yù)警的準(zhǔn)確率，均取得了良好的預(yù)警效果。目前，煤礦實行的掘進(jìn)工作面煤與瓦斯突出預(yù)測方法多為靜態(tài)預(yù)測，基于煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)實時監(jiān)測大數(shù)據(jù)的突出危險性預(yù)測缺乏深入的分析。

四川瀘州石屏一礦為典型的突出礦井，安全生產(chǎn)受瓦斯災(zāi)害，特別是煤與瓦斯突出災(zāi)害嚴(yán)重威脅，每年投入大量的人力、物力和財力用于防突，但存在常規(guī)突出指標(biāo)敏感度不高，測試工程量大，準(zhǔn)確率低，人為影響大，突出風(fēng)險可控性低等問題，迫切需要采用新技術(shù)提高突出預(yù)測和防治的準(zhǔn)確率、可靠性和效率。本文為準(zhǔn)確掌握掘進(jìn)工作面煤與瓦斯突出前瓦斯涌出異常基值，及研究基于瓦斯涌出的瓦斯含量、瓦斯壓力指標(biāo)，根據(jù)煤層瓦斯賦存規(guī)律、吸附解吸特征及瓦斯運(yùn)移規(guī)律等理論，推導(dǎo)得到了根據(jù)掘進(jìn)過程瓦斯?jié)舛确囱萦嬎忝后w瓦斯含量與瓦斯壓力的計算公式，構(gòu)建了掘進(jìn)工作面煤層瓦斯參數(shù)反演模型，闡明了石屏一礦C19上煤層13019上機(jī)巷回風(fēng)聯(lián)巷瓦斯含量和瓦斯壓力的動態(tài)變化規(guī)律，并采用直接測定法對預(yù)測結(jié)果進(jìn)行了驗證，驗證了反算模型的準(zhǔn)確性。

1? 煤層瓦斯參數(shù)反演計算相關(guān)理論

在井下采煤工程中，掘進(jìn)工作面的瓦斯涌出量包括落煤瓦斯涌出量和煤壁瓦斯涌出量，可用式（1）表示[16]

Q=Q落煤+Q煤罐， （1）

式中：Q落煤為落煤瓦斯涌出量，Q煤罐為煤壁瓦斯涌出量。

落煤瓦斯涌出量[17]可由下列式（2）、（3）計算

式中：Q1、Q0分別為t1時刻和t0時刻落煤瓦斯涌出強(qiáng)度，m3/t·min；β1為落煤的瓦斯衰減系數(shù)，min-1；t1為落煤停留時間，min；G落煤為落煤量，t；X為掘進(jìn)進(jìn)尺，m；S斷面為巷道斷面面積，m2；γ為煤體容重，t/m3。

煤壁瓦斯涌出量可由式（4）、（5）計算

式中：q為煤壁單位面積瓦斯涌出量，m3/m2·min；β2為煤壁的瓦斯衰減系數(shù)，min-1；t2為煤壁暴露時間，min。

假設(shè)dL為掘進(jìn)巷道的一個微段，dL上的工作面煤壁瓦斯涌出量符合式（6），且dL在t2時刻的瓦斯涌出量為

式中：A為掘進(jìn)巷道周長，m。當(dāng)巷道掘進(jìn)至X m后，式（7）在工作面至L處的積分為巷道煤壁瓦斯涌出量Q巷道，即

根據(jù)式（5）、（8）可知，煤壁瓦斯涌出量Q煤壁為

可將瓦斯氣體看作理想氣體[18-19]。瓦斯吸附過程符合朗格繆爾方程，瓦斯含量W表示為

式中：W為瓦斯含量，m3/t；a為煤的極限吸附量，m3/t；b為吸附平衡常數(shù)，MPa-1；p為瓦斯壓力，MPa；ω為煤體孔隙率；B為系數(shù)，m3/（t·MPa）。

，? ? ?（11）

式中：T0為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下絕對溫度，T0=273 K；T為瓦斯溫度，K；p0為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下大氣壓力，其值為 0.101 MPa；ξ為瓦斯壓縮系數(shù)；ρ為煤體視密度，t/m3。

煤層瓦斯流動過程符合達(dá)西定律，即

根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程，引入單位換算系數(shù)C，可將式（12）表示為

根據(jù)式（9）、（13）可得出煤壁瓦斯涌出量

根據(jù)式（10）、（13）及質(zhì)量守恒定律，煤層瓦斯壓力與煤體滲透率的關(guān)系可表示為

2? 煤層瓦斯含量及壓力反演模型構(gòu)建

根據(jù)式（1）、（3）、（14）和（15）可得到掘進(jìn)工作面瓦斯涌出動態(tài)模型

根據(jù)式（16），通過反演可以得到基于瓦斯動態(tài)變化的瓦斯壓力反演模型，即

式（17）聯(lián)合朗格繆爾方程，即可得出基于瓦斯動態(tài)變化的瓦斯含量反演模型，表示為

3? 煤層瓦斯含量及壓力反演模型應(yīng)用分析

石屏一礦位于四川省瀘州市古藺縣城東，行政區(qū)劃隸屬古藺縣石屏鄉(xiāng)和太平鎮(zhèn)，隸屬川南煤業(yè)集團(tuán)，是典型的煤與瓦斯突出礦井。在C19上煤層13019上機(jī)巷安裝聲電瓦斯監(jiān)測傳感器，監(jiān)測獲得瓦斯?jié)舛鹊葏?shù)，將上述瓦斯反演模型內(nèi)嵌于煤與瓦斯突出實時監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)軟件中，對掘進(jìn)工作面的瓦斯含量和瓦斯壓力進(jìn)行反演預(yù)測，如圖1所示。

在進(jìn)行煤層瓦斯含量及壓力反演之前，需要輸入試驗礦井對應(yīng)工作面的煤層反演參數(shù)，根據(jù)消突報告中煤的極限吸附量a值（32.647 45）、極限吸附常數(shù)b值（1.366 45）、日掘進(jìn)進(jìn)尺（4.5）、煤體容重（1.45）、視密度（1.45）、煤層滲透率（3.14E-16）等參數(shù)以及掘進(jìn)工作面迎頭實時監(jiān)測瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)，對掘進(jìn)工作面前方瓦斯壓力和瓦斯含量進(jìn)行反算，反算參數(shù)設(shè)置如圖2所示。

以5月24日—6月22日13019上機(jī)巷回風(fēng)聯(lián)巷磧頭甲烷傳感器監(jiān)測瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)為基礎(chǔ)，根據(jù)以上瓦斯壓力和瓦斯含量反算公式，計算得到了瓦斯含量和瓦斯壓力動態(tài)變化規(guī)律，如圖3所示。由圖3可知，5月24日—6月8日之間煤層瓦斯含量主要分布在為2～4 m3/t之間，且大多時間在3 m3/t左右波動，可近似認(rèn)為其煤層瓦斯含量中位數(shù)為3 m3/t。6月9日20：45左右發(fā)生瓦斯超限，此時反演得到的煤層瓦斯含量約為8.202 m3/t，略大于8 m3/t。從6月9日—6月22日之間，瓦斯含量上升到5 m3/t左右。

2020年3月12日由四川古敘科技咨詢服務(wù)有限公司安排專人采用DGC瓦斯含量直接測定法，對該工作面C19、C19上煤層殘余瓦斯含量進(jìn)行測定，在132回風(fēng)石門共設(shè)計施工8個取樣鉆孔，實際共施工13個取樣鉆孔，其中有效檢驗孔有8個；取樣鉆孔間距均在50 m范圍內(nèi)不等，經(jīng)過實測該工作面C19、C19上煤層殘余瓦斯含量見表1。瓦斯含量分布范圍主要在3～6 m3/t之間，與本項目煤層瓦斯含量反算結(jié)果較為一致，驗證了以上提出的瓦斯壓力和含量反算模型的準(zhǔn)確性。

在工程應(yīng)用允許范圍內(nèi)，利用煤層瓦斯含量和壓力反演功能可以實時、連續(xù)、動態(tài)掌握掘進(jìn)過程前方煤層瓦斯含量及瓦斯壓力變化情況，對掘進(jìn)面區(qū)域消突效果、是否存在消突盲區(qū)及掘進(jìn)過程突出危險性及時把握。當(dāng)反演瓦斯參數(shù)異常時，可結(jié)合人工測試進(jìn)行核實及驗證，保證掘進(jìn)過程安全生產(chǎn)。

4? 結(jié)論

1）煤與瓦斯突出監(jiān)測預(yù)警是進(jìn)行突出治理工作的前提和基礎(chǔ)，準(zhǔn)確、有效的煤與瓦斯突出監(jiān)測預(yù)警，一方面可以提高煤與瓦斯突出預(yù)警的準(zhǔn)確率，防止漏報；另一方面，可以提高防突措施實施的目的性和針對性，減少額外的防突工程量，提高掘進(jìn)速度和安全性。

2）根據(jù)煤層瓦斯賦存規(guī)律、吸附解吸特征及瓦斯運(yùn)移規(guī)律等理論，研究得到了根據(jù)掘進(jìn)過程瓦斯?jié)舛确囱萦嬎忝后w瓦斯含量與瓦斯壓力的計算公式，構(gòu)建了瓦斯參數(shù)反應(yīng)模型，實現(xiàn)了掘進(jìn)工作面前方煤體瓦斯壓力和瓦斯含量的實時反演計算。

3）將瓦斯參數(shù)反演模型內(nèi)嵌于煤與瓦斯突出實時監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)軟件中，對掘進(jìn)工作面的瓦斯含量和瓦斯壓力進(jìn)行反演預(yù)測。反算數(shù)值與實測數(shù)值對比表明，煤體瓦斯含量和壓力反演計算結(jié)果準(zhǔn)確可靠。

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