矿井瓦斯预测与评价.pdf

1 9 9 4年 第 2期 矿业 世界 蝾 专 色 奎 爱 龟 妻 毛 _ 1 一 井 瓦 斯 预 测 与 评 价 中 国 矿 业 大 学型宦 _丝1 D 一 ／ ／ 摘要综 合应 用实刹植术 、 蜿计分析 和实 验植术 获取煤层 瓦斯 吝数 ， 磷定 了淮南 音 } 庄 孜煤矿 李区各煤层 的 瓦斯压 力、 含 量 与采深 的 关 枣。运 用 瓦斯 动力 学理论 ， 首次提 出 了包括层 问距 和瓦 斯 压力等因素的邻近层瓦斯涌出率方程和矿井瓦斯预测模型， 并将李区煤层 瓦斯预测结果与矿山统 计法 的兢计 值 与预 测值进 行 了验证 对 比分析 ． 模 型 预 测值 与兢 计值 的相 对误 差 小干 l 5 身 ． 分 了 高瓦斯煤 层 的 瓦斯 突 出危险 区域 。 关键 词瓦 斯涌 出突 出预 测 1 引官 煤层瓦斯的大小． 直接影响煤矿的设计、 建设、 安全生产及经济效益和瓦斯抽放的综合利用。我国 一 些矿井 由于瓦斯预测不准， 造成矿井投产后风量 不足或 偏大 ， 前 者影响矿 井达 产和安全 生产 ， 后 者造 成浪 费 。 对 于生 产矿井 随着采探 的增 加 ． 瓦 斯涌 出量 急剧增大， 并出现瓦斯动力现象 ． 威胁矿井生产 造 成通风系统改造频繁 因此． 准确丽迅速地预测矿井 瓦斯涌出量与突出危险区域 ， 采取经济而有效的防 治措施 ， 对煤矿安全生产和提高经济效益都有重大 的意义 。 本文 综合应 用实测 技术 、 统计 分析和 实验技 术获取煤层瓦斯参数 ， 运用瓦斯动力学理论 ． 提出了 包括层间距和瓦斯压力等因素的邻近层瓦斯涌出率 方程和矿井瓦斯预测模型 ， 并进行了验证对比分析 。 2 矿井瓦斯预测方法 瓦斯涌出量预测方法主要有三类 矿山统计法、 煤层瓦斯含量计算法 简称含量法 和瓦斯分源计算 法 简称分源法 。 矿山统计法的预测结果直观可靠 ， 但受条件限制 ， 预铡深度不超过 1 5 0 ] 3 rl ， 适用于生产 矿井 的探 部瓦斯 预测 。含量法和 分源法 都是 根据煤 层瓦斯含量、 煤层配采情况及采掘比倒 、 邻近层瓦斯 涌出率． 分别计算各种瓦斯源的涌 出量。两者的本 质相同， 不同点是含量法采 胃 煤层瓦斯含量和残余 含量来预测瓦斯的涌 出量，而分源法则是采用原始 含量和涌出系数来预测涌 出量。两者j 丕采取 了不同 的邻近层瓦斯涌出率方程．但都要有准确的瓦斯含 量 资料 。 2 ． 1 矿山统计法预铡模型 瓦斯涌 出量受 自然因素和开采技术条件 的影 响， 变化较大 。自然因素包括 开采煤屡及邻近煤层 的厚度和瓦斯含量、 开采深度、 地质条件等 ； 开采技 术因素包括 开采规模、 回采厚度及进度 叵采工艺、 通风状况等。1 9 3 7年李全 苏 提 出了同 一 开采煤层 在自然因素和开采技术条件相同时瓦斯涌出量与采 深 的关 系 H H 0 ， q 十 一 一 ⋯ 式 中g 预测 深度 m 下 的瓦斯涌 出量 _ 『 兀 H； q o 瓦斯风 化 下 限深 度 Ho 下 的涌 出 量 l 『 兀 Hi d 瓦斯梯 度 ． m t ／ m 。 1 式即为统计法的预测方程 。 矿 山统 计法分 两步 进行 第 一步 采 用追 踪法收 集整理历年的通风瓦斯报表资料 第二步将统计资 料输入计算机进行数据滤波整理 ， 并计算出瓦斯梯 度和预 测深 度的涌 出量 、 打 印结果 。 追 踪法 是根 据某 个采面的通风瓦斯报表计算每个月的平均涌出量 1 4 4 Y -． O x o 瓦一 L 将其输入计算机进行数据滤波 一 一 ≤ 0 或 一 { ≤ 3 8 s 一 垫 一 t s 式中口 采 面 j在 第 ； 月的 平 均 涌 出量 。 m ‘ 第 t 月 的 平 均 日产 量 ， t 1， d “ ～甸 平 均 风 维普资讯 3 8 矿业 世界 1 9 9 4 年第 2期 量 ， m。 ／ m i n ； 旬平均瓦斯浓度 ， Jw1 ． 2 ， 3 I 采面 的平均涌出量， m ／ t 一统计数据的 咩本标准 差 r m ， ； n ～统 计的 月数 对不满足 5 式或 6 式的 予 删除 ， 重新按 ～ 6 式进行摅渡处理， 直至满足为止。 数据滤波 处理 后 ， 可 消 除 自然 因索或 开采 技术 条 件的异 常 变化对统计结果的不利影响 珂一煤层相同栗探 下的多十 采 面的涌 出量 ， 甩 产量 加权 平均值 m一 ㈣ 代表该采深下的涌出量 ， 用两个或多个不同采深的 涌出量计算瓦斯梯度或平均瓦斯梯度 m 二 堡 8 1 一 一 L 1 或 0 最后根据 2 式计算预测深度的瓦斯涌出量 全矿井的瓦斯涌 出量预测． 接矿井总回风瓦斯 涌出量 ， 全矿井平均 日产量和平均采深按月进行统 计分析 n 札 1 I 口 旦 二 旦 1 2 一 十1“ 一 H * t - - H 1 3 式中 一统 计 月 的 全 矿 井 瓦 斯 涌 出 量 一 m。 f 坑 计 月 的 全 矿 井 平 均 日 产 量 ， t ／ d ； “ 、 C 统 计 月 的 旬平 均 风量 【 m。 ／ mf n 和 瓦 斯 浓 度 ； _ l f 一1 ， 2 ． 3 ； 日 统计 月的全 矿井 平均 采探 t m 一 矿 井 瓦斯 梯度 。 m t ／ m ； 口 ． - - 一一 预测深 度 打 州 m 下 的垒 矿井 瓦斯诵 出量 ， m ／ t 。 全 矿 井的涌 出量 受采 面 和采 掘 配 比的影 响 ， 变 化 太 。 特别是 对于煤 层群 的开采 ， 应针 对菜 一配 采方 案 c 瓦斯 涌 出虽 大情 况 进 统 计分 析 ， 才能 得到 正 确 的预 测结果 匿 l 含量 法预测模 型框 圈 2 ． 2 含量法预测模型 含量法根据煤层瓦斯古量及残余含量分别预测 回采 、 掘进 、 采 区和全 矿 井的 瓦斯 涌 出量 ， 它 主要 取 决于下列因素 1 瓦斯源 的瓦斯合量 及残 余含量 ； 2 瓦 斯涌 出率 ， 即 瓦斯 源的 瓦斯 涌人 巷道 所 占 瓦斯 含量 的比例 f 3 瓦斯 源 比厚度 ， 即 瓦斯 源 的厚 度与 回采煤 层 厚度的比值 ， 由此把瓦斯源的涌出量换算成开采煤 层 的相对 瓦斯 涌出量 I 维普资讯 矿井 瓦斯预测 与评 价 4 煤层 配采和采掘 比例 含量法 预测模 型框 图如 图 1 所 示 。 各国研 究人 员采 用含量法 预测 瓦斯涌 出量 的计 算方法基本相同 即把回采工作面的瓦斯涌出量分 为 本层涌 出量 和邻 近 层涌 出量 ， 并分 别提 出 了各 自 的 邻近层 瓦斯涌 出率 曲线 ] 他 们所考 虑 的因 素 比 较多， 均适用于一定的开栗技术条件， 但都未考虑瓦 斯 压 力的 自身解放 作用 ， 因此 ， 难 以普遍适 用 。根 据 淮南瓦斯预测实践 ． 应用瓦斯动力学理论 ] ， 我们提 出了无抽放 瓦斯条 件下 的邻近层 瓦斯涌 出率方 程 上邻近层 聊 1 一号 1 4 月 L 一 下邻近层 1 1 ． 詈 1 式 中 _- - 七邻 近 层 瓦斯 涌 出率 ， { 一 F邻 近 层瓦斯 涌出率 ， ； 日 层 间距 ， ／ 3 。 一 Ⅲ 1 t一 ， 回采厚度 ， m 一 1 7 凰一 1 8 式 中 瓦斯 压力 ， MP a 。 当瓦斯 压力≤ 0 ． 5时 ，均按 0 5 MP a的涌出率计算 I 瓦斯压力6 ． O MP a 时 ， 均按 6 ． 0iI J R的涌 出率计 算 。 表 1 李区煤层瓦斯压力 表 2 新孜庄煤矿煤样吸附常数 维普资讯 矿 业世 界 1 9 9 4 年 第 2期 图 2 季 区构造示意 圈 3 淮南新庄孜矿李 区瓦斯预剽与实践验证 新 庄孜 矿李 区 南以 和 n州 断 层 为 界 ． 北 至新 庄 孜一 李 嘴孜 井 田边界 ， 平均 走 向 长约 2 7 0 0 m， 设计年产量 l 2 0 ～1 ∞ 万 t 。李区煤系地层总厚度 9 4 5 m， 自下 向上 划分 为 A B 、 C 、 D、 E 5个 含 煤组 7 个 含煤段 ， 含煤 3 2 层 总 厚度 3 1 ． 9 m。 主要开采 A、 B C三个 组 的 A B B 岛 B 马 和 1 s 共 7十 煤 层 图 2 3 ． 1 李区煤层瓦斯压力与含量 由于李区在早年的地质勘探中未收集煤层瓦斯 含量 资料 ， 因此 在 现有 的开 拓工 程 中补做 了大量 的 测定煤层瓦斯参数的工作 。李区煤层原始瓦斯压力 综合测定结果见表 1 ， 实验室对李区煤层的分析数 据见表 2 。煤层瓦斯含量计算采用综合修正公式 一 一 b ， 1 9 式中 煤层瓦斯含量， ／ t } 一0 ． 7 5 ． 综合修 正系数 } 一0 ． 5 m ／ t Ⅻ a ， 游离瓦斯系数 } d 、 6 吸附常数， 见表 2 ． 其余同前。煤层瓦斯含量计算结 果见表 3 t 用解吸法直接测定李区煤层的瓦斯含量 表 d 事匹煤层瓦斯含量对比分析 和压力与计算结果的对 比分析见表 { ， 最大相对误 差为 7 7 ． 两 者吻合 ， 满 足工 程预测 的要 求 。 3 ． 2 李匹瓦斯焉出量馕澍结果与评价 采 用含量 法分 别预 测 了 B m B s 岛 、 B ． 和 A 煤 分 层 回采 时 的相 对瓦 斯涌 出量 ， 并 与矿 山统计 法的统计值和预测值进行了对比分析 表 5 从表 中可以看到含量法的预测值与实际涌出量 统计平 均值 的最大相对误差为 1 4 、 7 ， 因此 预测结 果是 可靠的。 矿山统计法预测的瓦斯涌出量 ， 随着预测深 度 的增加与含量法预测值的偏差逐渐增大 ， 其原因 是瓦斯涌出量与采深并非线性关系， 在一定的预测 深 度 垂 深 1 5 0 m 内非 线 性 误 差 是 不 大 的 ， 因而 矿 山统计法 预测值 与含量法 预测值 也是 一致 的。超过 这一深度 ， 非线性误差就会超过工程允许的范围． 因 此， 含量法预测值更接近深部煤层的实际瓦斯涌出 量 。 根 据李 区的采 掘接 替情 况 ， 编 排 了四组 瓦斯 涌 出量 最大 的配 采条 件 ， 分别 计 算 了全 区的相 对瓦 斯 涌 出量 ， 预 测结 果 如下 ① 组配采平均 采探 --3 3 3 5 1 1 1 ， q 一2 2 、 6 m ； ② 组配采平均 采深 一3 1 I 、 8m， q 一1 9 ． 8 m ， 1 } 组配采平均采深 一4 9 5 、 6 m， q 一3 6 ． 7 m ／ t } ④ 组配采平均采深 -4 6 7 ． 0 m， q 一3 1 、 4 m ， 1 。 其余配采情况瓦斯涌出量较低 ， 不再计算 。 4 李 区煤层煤与瓦斯 突出危险 区域 的划分 4 ． 1 突出概况 新庄孜煤矿 的 c m B t h风 和 目煤层多次发生 煤 与瓦 斯 突出 ，其中 以石门 揭煤 的突出强度 大 ， 维普资讯 矿井瓦斯预涮与评价 表 5 李区高瓦斯煤层瓦斯涌出量对比分析 备注 q 统计的相对瓦斯涌出量平均值． ／ 计算按预测值 ． m a ／ ‘ } 2 相对误差计算公式 矿山统计法璜测值， m 。 加 ． 媒层瓦斯音量 e ／ q , ． 一 ／ 表 6 淮南矿区突出煤样的突出指标 且煤层上山掘进突出频繁， 且突出受小构造的控髓 ，如断层、 煤层变厚带等 。李区始突标高一l 7 4 m， 始 突 瓦斯 压力 0 ． 7 4 MP a ， 瓦 斯含 量 6 8 m i t 石 门突 出无 明显预 兆 ， 见煤炮 眼有瓦 斯泄放 的吱 吱声 。 煤 巷 突出前一般均有预兆 ， 如煤层层理紊乱 ， 煤质变软 ， 光泽变 暗， 底扳晃动、 煤 壁外鼓、 掉渣， 支架来劲， 棚 腿折断， 煤壁喷黑烟 瓦斯和煤柑 ， 喷出的瓦斯气体 发凉等。 4 ． 2 突 出指标 淮南矿区突出煤样指标实测值见表 6 ， 根据表 6 数据 ， 淮南矿区的突出煤层均 ≥2 0 ， 严重突出危险 煤层 4 0 。应当指出， 综合指标 K仅仅反映煤结 构本身发 生突出的难易程度， 它只是发生瓦斯 突出 的必要条件 ， 只有在地应力和瓦斯两个因素已具备 维普资讯 4 2 矿业 世界 1 9 9 4年 第 2期 表 7 李 区突 出煤层 的区域 突出危 险性预 蒲 突出的条件时 ， 才能单独用 K指标来预测突出的危 险性 。 防 治煤 与瓦斯 突出细则 瞩 了包括 地应力 、 瓦斯 压力 两个 因素的预测 区域 突出危 险性 的两个综 台 指标 D、 K． 即 D 一 O ． 9 9 7 5H ，一 3 一 O ． 7 4 2 O K 一 2 1 式 中 一 瓦 斯放 散初 速 度 } 卜 一 坚 固性 系数 。 根据 D、 K指 标 ， 瓦 斯地 质境 计 法和 淮 南 K、 P指 标 ， 李 区煤 层 的区域 突出危险性 预测 见表 7 ； 4 3 李 区煤层 区域突 出危险 性预测 与评价 根据 以 上分 析 ， 练台 考虑 地 应 力 、 瓦斯 压 力 、 煤 的结构参数 ， 将李区突 出煤层坷分突出威胁 区和突 出危险区。李 区C s 煤层赛出危险区域的上限标高 为一4 4 9 m临界瓦斯压力为 0 ． 8 MP a ， 由于受断层 的影响 ， 突出危 硷区域的上 限标 高沿走 向是变化 的 t 应以瓦斯压力等于 0 ． 8 M 的等压线作为突出危 险 区的界 限 。目前 C 煤层 的采掘深 度 已到 一4 5 0 来发生瓦斯动力现象 ， 与预掇 f 结果是一致 的。耀部 C 煤 层将处于 突 出危 险区 ， 必须 采取 预报和 防 突措 藏 ， 并 根据 揭穿 C a 煤 层 的实际情 况 ， 重新 验证煤 层 的突 出危 险性 ， 取得 C 煤 层突 出临界 指标 。 李 区B 浅部煤层较硬， 属 Ⅱ 类难突出煤层。但 该煤层的瓦斯压力及含量较高 ， 当煤层出现软分层 或破碎带时， 也会发生突出， 因此将 B 煤层突出危 险 区域 的上 限 标 高定 为 一3 1 0 ， 瓦 斯压 力为 L ． 3 6 M Pa。 孝 区B 煤层的煤 质普遍较软， 煤层瓦斯压力和 含量高 ， 是 一个 出较 典型 的突 出煤 层 窦 出危 险 区域 的上限标高为一1 7 4 ， 瓦斯压力 0 ． 7 4 M a ． 李区 B | 煤层的浅部属薄煤层， 煤质较硬 在一 2 0 0 m以 下煤 层 逐 渐变 厚 、 煤 质 变 软 ， 属 I、 类 易 突 出煤 ， B 煤 层 突 出危 险 匿域 的 上 限 标 高 为 一2 6 4 ，瓦斯压 力 1 ． 1 7蛐P a 。 李 区 、 和 A 煤 层均未 发 生过 瓦 斯 动 力 现 象 ， 但 这些煤 层 的瓦斯 压力 也较 大 、 含量 高 ， 应 进 行 突 出预测工 作 ， 并根 据揭穿这 些煤 层的实际情 况 ， 确 定煤 层 的突 出危 险性 。 5 结语 综合应用实测技术 、 统计分析和宴验技术获取 的谁南新庄孜煤矿李区煤层的瓦斯参数是可靠的。 运 用瓦斯 动 力学理 论 ， 首次 提 出的包 括 层间距 和 瓦 斯因素的邻近层涌 出率方程和矿井瓦斯预测模型 ， 蔼掇 f 精度高 ， 计算简便 ， 适用性好 采用 D、 K指标 、 瓦斯地质统计法和淮南的 K、 P 指标 ， 综合评价李区 突 出煤 层 的 突出危 险 区域 的可靠 性 高 t 突 出危 险 区 域划分合理， 为该矿的通风、 防突工作奠定了良好的 基础 ， 也 为 开采 高瓦 斯煤 层群 的大 型矿 井 的 瓦斯 预 掇 f 提供了可以借鉴的方法。 主要参考文献 l R i c h a r d，D t L r l JO r ．英茸 煤矿 的 瓦斯 预剖 方法 ．第二届 国俅 矿 山通 风音议 论 文译 文亲冶空 料学技 术情报研 完所 ， 1 9 8 5年． 2罗新 荣．煤 层 瓦斯运 秽精 理 与 数 值模 拟 分 析． 煤炭 学杜 ． 1 9 9 2 t 2 ． 维普资讯