基于分源预测法的瓦斯涌出规律研究与应用.pdf

2023 年第 10 期2023 年 10 月矿井瓦斯是煤的生成和变质过程中伴生的气体，比空气轻，容易扩散，渗透性强，随采动从邻近层进入采空区或由综采面双巷进入回风巷排放出井。瓦斯浓度过高会造成人员缺氧窒息死亡，遇静电或火花能燃烧或爆炸，造成人员伤亡1。当前，随着煤矿的智能化、集约化发展，综放工作面煤炭采出和推进速度加快，造成瓦斯大量涌出，因此必须从源头入手，总结煤层瓦斯涌出规律，并采取有效的预防措施，合理设计通风系统，建立瓦斯抽采系统，稀释采掘地点瓦斯，避免发生瓦斯爆炸事故，确保安全生产2。本文就义络煤业 33060 综放工作面瓦斯涌出源展开研究，通过工业性试验，利用分源预测法进行实测分析，研究综放工作面几处瓦斯涌出源及其瓦斯涌出规律，结合 33060 综放工作面煤层赋存的地质条件参数和实测数据，建立相应模型对实测结果进行验证，提出 33060 综放工作面瓦斯治理方法。1工作面概况义络煤业位于河南省洛阳市宜阳县境内，其前身为宜洛矿务局，始建于 1951 年。33060 综放工作面位于井田中部，正前暗井煤柱东边。采面西北为二水平水仓，北为二水平一、二采区采空区，东为 34021 采空区，南为 36 采区二区段开拓区。工作面煤（岩）层倾向 205毅225毅，倾角 30毅47毅，平均倾角 35毅。综放工作面范围走向长度 390 m，可采斜面积 36 892 m2。根据下巷从切眼至中石门之间煤巷掘进及对西段采面内部的坑透勘探资料，工作面下部-30 m西石门向东 100 m 为薄煤区，薄煤范围呈不规则状，倾斜长度最大达 55 m，煤层最薄处只有 0.2 m，煤层变异系数 114.2，煤层沉积不稳定，可采性指数为 0.98。根据义络煤业实际地质条件，煤层顶板为灰、灰白色，薄-中厚层状细、中粒砂岩，夹薄层深灰色碳质泥岩，层理交错波状发展，顶板岩层表面富含大量的白云母碎片和碳质，岩层层内含黄铁矿结核，层厚 549 m。煤层底板为灰黑色碳质泥岩，含植物化石和黄铁矿结核，下部夹 12 层厚度 00.2 m 的透镜状硅质泥岩。33060 综放工作面地质构造情况如表 1 所示。2工作面瓦斯来源分析工作面位置和开采方法不同，其瓦斯涌出源也不同。石灰岩、碳质泥岩等围岩的瓦斯涌出量几乎为 0。收稿日期：2023-03-10第一作者简介：陈永让，1971 年生，男，河南洛阳人，高级工程师，主要从事矿山通风安全及生产工作。基于分源预测法的瓦斯涌出规律研究与应用陈永让，翟海涛，宣德全（义煤集团宜阳义络煤业有限责任公司，河南 宜阳 471600）摘要：根据综放工作面采煤特点袁 结合义络煤业的实际生产情况袁 利用分源预测法袁 将三区段 33060 综放工作面的瓦斯涌出源头细分为工作面煤壁瓦斯涌出尧 工作面落煤瓦斯涌出尧 采空区瓦斯涌出以及邻近层瓦斯涌出 4 部分遥 然后综合考虑这几种瓦斯涌出的影响因素袁 详细分析瓦斯涌出规律袁 得出瓦斯涌出量分源预测的数学模型袁 以更好地指导矿井瓦斯抽放袁 实现安全高效生产遥关键词：综放工作面曰 瓦斯涌出曰 涌出规律中图分类号：TD713文献标志码：A文章编号：2095-0802-(2023)10-0061-03Research and Application of Gas Emission Law Based on Source SeparationPrediction MethodCHEN Yongrang,ZHAI Haitao,XUAN Dequan(Yiyang Yiluo Coal Industry Co.,Ltd.,Yima Coal Industry Group,Yiyang 471600,Henan,China)Abstract:Based on the coal mining characteristics of the fully-mechanized top coal caving face and the actual productionsituation of Yiluo Coal Industry Co.,Ltd.,the gas emission sources of 33060 fully-mechanized top coal caving face in No.3section were subdivided into four parts:coal wall gas emission,coal caving gas emission,goaf gas emission gas emission fromadjacent coal seams using the source separation prediction method.Then,taking into account the influencing factors of these typesof gas emissions,a detailed analysis of the gas emission law was conducted,and a mathematical model for predicting the gasemission amount by source was obtained to better guide the gas drainage in the mine and achieve safe and efficient production.Key words:fully-mechanized top coal caving face;gas emission;emission law（总第 217 期）能源产业612023 年第 10 期2023 年 10 月表 133060 综放工作面地质构造情况根据义络煤业 33060 综放工作面的实际情况，将 33060综放工作面的瓦斯涌出源分为工作面煤壁瓦斯涌出、采空区瓦斯涌出、工作面落煤瓦斯涌出以及上下邻近层瓦斯涌出 4 部分3，如图 1 所示。构造名称走向/(毅)倾向/(毅)倾角/(毅)性质落差/m揭露位置及层位对采掘的影响程度F1218（38）308 耀 31255正断层约 20+40 m 西二石门，集中巷口向南 17 m处；在本溪组至太原组内对采掘均影响不大F2102（282）1243正断层10+30 m 东二石门，集中巷口向南 16 m处；在本溪组内影响不大F352（232）14258 耀 67 正断层5 耀 8在上巷与西切眼拐点处断层附近煤层产状不一致，影响不大2.1工作面煤壁瓦斯涌出量基本参数的确定随着采动作业，煤体中初始瓦斯不断释放，初始瓦斯压力较大，瓦斯涌出量也较大。随着瓦斯压力变小，瓦斯流动性变弱。工作面瓦斯涌出量取决于裸露煤壁瓦斯涌出强度。煤壁瓦斯涌出强度的基本参数为瓦斯涌出初速度和瓦斯涌出衰减系数。煤壁瓦斯涌出初速度和衰减系数直接决定瓦斯涌出量4。采用巷道测定法测定煤壁瓦斯涌出量基本参数5。在33060 综放工作面上巷沿巷道回采方向连续布置瓦斯自动监测、记录及报警传感器，连续监测记录瓦斯浓度等。同时测定测点的风量qf及瓦斯体积分数渍，根据公式qb=渍qf对掘进巷道煤壁瓦斯涌出量qb进行计算，用Origin 软件生成煤壁瓦斯涌出强度与煤壁暴露时间关系函数。瓦斯涌出强度与煤壁暴露时间关系如表 2 所示。表 2煤壁瓦斯涌出强度与煤壁暴露时间关系通过工业性试验测定的原始记录，对数据进行整理和分析，得到煤壁瓦斯涌出的基本规律。通过软件分析，煤壁瓦斯涌出强度函数为：V1=0.010 71（1+t）-0.0816，(1)式中：V1为煤壁瓦斯涌出强度的数值，单位 m3/（min m2）；t为时间的数值，单位 min。2.2采空区瓦斯涌出量基本参数的确定瓦斯含量解吸测定结果如表 3 所示。表 3瓦斯含量解吸测定结果表根据相关数学模型6，采放煤瓦斯解吸强度可由式(2)进行计算：VL=q2-q1（t2-t1）m，(2)式中：VL为采放煤瓦斯解吸强度的数值，单位 m3/（min t）；q2为t2时间下瓦斯解吸总量的数值，单位 m3；q1为t1时间下瓦斯解吸总量的数值，单位 m3；t2，t1为测定时间的数值，单位 min；m为煤样质量的数值，单位 t。根据不同时间的瓦斯解吸量和煤样质量，可以确定落煤瓦斯含量随采落时间的变化规律。通过对实测数据的计算处理，通过 Origin 软件拟合如下：V2=0.014 87e-0.0346t，(3)式中：V2为采空区瓦斯涌出强度的数值，单位 m3/（min t）。2.3工作面落煤瓦斯涌出量基本参数的确定瓦斯解吸强度与落煤时间的关系如表 4 所示。对落煤瓦斯解吸强度与解吸时间的关系进行曲线拟合，如图 2 所示。图 1综放工作面瓦斯来源构成示意图煤壁暴露时间/min煤壁瓦斯涌出强度/（m3 min-1 m-2）煤壁暴露时间/min煤壁瓦斯涌出强度/（m3 min-1 m-2）10.015 3220.008 930.013 8280.008 450.011 8300.007 770.010 9400.007 090.010 5550.006 5110.010 0750.006 2130.009 4950.005 9150.009 31250.005 0测定地点孔深/m可燃基瓦斯损失量/（m3 t-1）可燃基瓦斯解吸量/（m3 t-1）可燃基瓦斯残存量/（m3 t-1）可燃基瓦斯含量/（m3 t-1）1201 回风巷 1 孔1200.9662.6351.7785.3791201 回风巷 2 孔1200.9862.9491.5295.4641201 回风巷 3 孔1201.1013.4121.5456.058综放工作面瓦斯涌出工作面煤壁瓦斯涌出采空区瓦斯涌出工作面落煤瓦斯涌出上下邻近层瓦斯涌出采空区围岩瓦斯涌出采空区遗煤瓦斯涌出622023 年第 10 期2023 年 10 月2.433060 综放工作面瓦斯涌出量的计算根据义络煤业 33060 综放工作面的具体情况，在结合各种影响因素的前提下，建立瓦斯涌出量分源预测的模型。通过对综放工作面煤壁、落煤、采空区以及邻近层四部分瓦斯涌出的实测研究，将上述函数关系式代入参考文献2中的数学模型得出义络煤业 33060 综放工作面瓦斯涌出量为：q=qb+ql+qk+qj，(4)式中：q为 33060 综放工作面瓦斯涌出量的数值，单位m3/min；ql为落煤瓦斯涌出量的数值，1.042 m3/min；qk为采空区瓦斯涌出量的数值，0.016 5 m3/min；qj为邻近层瓦斯涌出量的数值，0.736 3 m3/min；qb=1.53 m3/min。将相应数值代入式(4)，可得出q=3.324 8 m3/min。3工作面瓦斯防治根据规定，在采掘工作面回风流中瓦斯体积分数大于 0.4%时必须进行抽放，防止瓦斯超限7。在 33 采区一区段瓦斯抽放泵站安装 2 台抽放量为 120 m3/min 的瓦斯泵，平时进行采空区瓦斯抽放，当下巷掘进瓦斯涌出异常时，进行本煤层瓦斯抽放。瓦斯抽放采用工作面回风隅角预留架木垛尾巷、工作面上部打顺层钻孔插管和工作面回采后密闭石门采空区综合抽放方式8；下巷掘进工作面瓦斯采用下顺槽掘进本煤层抽放方式。抽放管路敷设路线：抽放泵站采区回风巷回风上山+30 m 集中巷回采石门工作面上巷尾巷；抽放泵站采区回风巷回风上山+30 m 集中巷密闭抽放石门。瓦斯排放管路敷设路线：瓦斯抽放泵站采区回风巷回风上山。瓦斯抽放流程：33060 综放工作面回风隅角老塘、上巷预埋工作面抽放管路 过滤网150 mm 弹簧软管抽采管路瓦斯抽放泵入口滤网孔板流量计瓦斯抽放泵吸气侧阀门瓦斯抽放泵瓦斯抽放泵出气侧闸门防逆回气装置排放管路总回风巷风井地面。基于分源预测法的综放工作面瓦斯涌出规律研究，可以通过计算最佳参数，得出瓦斯涌出量，为瓦斯抽放工作提供依据，表明此方法是可行的9。4结束语利用分源预测法，将 33060 综放工作面的瓦斯涌出源头细分为工作面煤壁瓦斯涌出、采空区瓦斯涌出、工作面落煤瓦斯涌出以及邻近煤层瓦斯涌出四部分。然后综合考虑这几种瓦斯涌出的影响因素，在 33060综放工作面掘进及回采时超前布置包括抽放管路、钻场、老空区埋管抽放等部分的瓦斯治理系统，更好地分区分块进行瓦斯治理，实现安全高效生产。参考文献：1 马迅.分源预测法在回采工作面瓦斯涌出量预测中的应用 J.山东煤炭科技，2020，38(6)：101-103.2 程波，颜文学，杨亮，等.煤矿瓦斯涌出量预测方法的研究 J.中国煤炭，2019，45(11)：63-67.3 王永坤.综放工作面瓦斯涌出规律的研究 D.包头：内蒙古科技大学，2012.4 齐庆杰，夏世羽.基于分源预测法的瓦斯涌出量预测共享平台的构建 J.矿业安全与环保，2018，45(2)：59-64.5 杨晓红，焦治平.趋势面法在屯兰矿瓦斯涌出预测中的应用 J.煤矿安全，2011，42(8)：105-108.6 李朝辉.瓦斯预测技术在祁南煤矿 32煤层中的应用 J.煤炭技术，2006，25(7)：51-52.7 张耀平，叶青，贾真真，等.工作面瓦斯涌出量预测及瓦斯来源分析 J.中国矿业，2007，16(11)：46-52.8 王兆辉，肖东辉，陈向东.分源法预测望云煤矿瓦斯涌出量 J.煤，2008，17(6)：24-26.9 郭海东.综放工作面瓦斯涌出量预测及瓦斯运移规律的研究D.太原：太原理工大学，2009.（编辑：高志凤）累计时间/min驻t/min累计落煤瓦斯解吸量/（mL g-1）驻t 内的落煤瓦斯解吸量/（mL g-1）落煤瓦斯解吸强度/（mL min-1 g-1）00000330.4280.4280.142 67630.7690.3410.113 67931.3560.5870.195 671231.5310.1750.058 332081.9590.4280.053 502882.1760.2170.027 133572.2300.0540.007 7160252.2910.0610.002 4480202.3020.0110.000 5595152.3090.0070.000 47120252.3110.0020.000 08表 4落煤瓦斯解吸强度与落煤时间的关系注：驻t 为时间间隔。图 2落煤瓦斯解吸强度与解吸时间的关系曲线陈永让，等：基于分源预测法的瓦斯涌出规律研究与应用0.250.200.150.100.05204060801001200累计时间/min63