影响矿井瓦斯涌出量的因素.doc

第五节 矿井瓦斯涌出量预测 一、矿井瓦斯涌出来源 矿井瓦斯来源分为回采区瓦斯（包括回采面和采空区）、掘进区瓦斯和已采区瓦斯（已封闭的老采空区）三部分。回采区瓦斯一般由开采层瓦斯、邻近层瓦斯和采空区瓦斯构成，掘进区瓦斯包括掘进煤壁瓦斯和掘进落煤瓦斯。 二、影响矿井瓦斯涌出量的因素 整个矿井的瓦斯涌出量称为矿井瓦斯涌出量；对个别煤层、水平、采区或工作面而言，则分别称为煤层、水平、采区或工作面的瓦斯涌出量。瓦斯涌出量的大小主要取决于下列自然因素和开采技术因素。 1．煤层和围岩的瓦斯含量 煤层（包括可采层和邻近层）和围岩的瓦斯含量是瓦斯涌出量大小的决定因素，它们的瓦斯含量越高，矿井瓦斯涌出量就越大。当前矿井的瓦斯涌出量预测把煤层瓦斯含量作为主要依据。 2．开采深度 随着开采深度的增大，煤层的瓦斯含量将增大，因而矿井瓦斯涌出量也会相应地增大。 3．开采规模 开采规模是指开拓、开采范围以及矿井的产量而言。对某一矿井来说，开采规模越大，矿井的绝对瓦斯涌出量也就越大；但就矿井的相对瓦斯涌出量来说，情况比较复杂。如果矿井是靠改进采煤工艺，提高工作面单产来增大产量的，则相对瓦斯涌出量会有明显的减少，原因为第一，与采面无关的瓦斯源的瓦斯涌出量在产量提高时无明显增大；二是随着开采速度加快，邻近层及采落煤的残存瓦斯量将增大。如果矿井仅是靠扩大开采规模来增大产量的，则矿井相对瓦斯涌出量或增大或保持不变。 4．开采顺序与开采方法 在开采煤层群中的首采煤层时，由于其涌出的瓦斯不仅来源于开采层本身，而且还来源于上、下邻近层，因此，开采首采煤层时的瓦斯涌出量往往比开采其它各层时大好几倍。为了使矿井瓦斯涌出量不发生大的波动，在开采煤层群时，应搭配好首采煤层和其他各层的比例。 在厚煤层分层开采时，不同分层的瓦斯涌出量也有很大的差别。一般情况是，第一分层瓦斯涌出量最大，最后一个分层瓦斯涌出量最小。 采煤方法的回采率越低，瓦斯涌出量就越大，因为丢煤中所含瓦斯的绝大部分仍要涌入巷道。在开采煤层群时，由于采用陷落法管理顶板比采用填法管理顶板时能造成顶板更大范围的破坏与松动，因而采用陷落法管理顶板的工作面的瓦斯涌出量比采用充填法管理顶板的工作面的瓦斯涌出量大。 5．地面大气压力的变化 地面大气压力的变化，会引起井下空气压力的变化。根据测定，地面大气压力在一年内的变化量可达5～810－3MPa，一天内的最大变化量可达2～410－3MPa，但与煤层瓦斯压力相比，地面大气压的变化量是很微小的。地面大气压的变化对煤层暴露面的瓦斯涌出量没有多大影响，但对采空区瓦斯涌出有较大的影响。在生产规模较大，采空区瓦斯涌出量占很大比重的矿井，当气压突然下降时，采空区积存的瓦斯会更多地涌入风流中，使矿井瓦斯涌出量增大；当气压变大时，矿井瓦斯涌出量会明显减小。例如，峰峰局羊渠河矿当气压由0.09976MPa增至0.1013MPa时，矿井瓦斯涌出量由11.61m3/min降至8.06m3/min。 三、矿井瓦斯涌出量预测的目的与任务 矿井瓦斯涌出量预测的任务是确定新矿井、新水平、新采区、新工作面投产前瓦斯涌出量的大小，为矿井、采区和工作面通风提供瓦斯涌出方面的基础数据，它是矿井通风设计、瓦斯抽放和瓦斯管理必不可少的基础参数。 四、矿井瓦斯涌出量预测方法分类 现有矿井瓦斯涌出量预测方法可概括为两大类矿山统计预测法和根据煤层瓦斯含量进行预测的分源预测法。 五、矿山统计预测法 矿山统计预测法的实质是根据对本井或邻近矿井实际瓦斯涌出量资料的统计分析得出的矿井瓦斯涌出量随开采深度变化的规律，来推算新井或延深水平的瓦斯涌出量。 该方法适用于以下几种情况生产矿井的延深水平，生产矿井开采水平的新区，与生产矿井邻近的新矿井。在应用中，必须保证预测区的开采技术条件（煤层开采顺序、采煤方法、顶板管理等）和地质条件（地质构造、煤层赋存条件、煤质等）与生产区相同或类似。应用统计预测法时的外推范围一般沿垂深不超过100～200m，沿煤层倾斜方向不超过600m。 1．基本公式 煤矿开采实践表明，在一定深度范围内，矿井相对瓦斯涌出量与开采深度呈如下线性关系 （5－1） 式中 q矿井相对瓦斯涌出量，m3/t； H开采深度，m； H0瓦斯风化带深度，m； a开采深度与相对瓦斯涌出量的比例常数，t/m2。 瓦斯风化带即为相对瓦斯涌出量为2m3/t时的开采深度。开采深度与相对瓦斯涌出量的比例常数a是指在瓦斯风化带以下、相对瓦斯涌出量每增加1m3/t时的开采下延深度。H0和a值根据统计资料确定，为此，至少要有瓦斯风化带以下两个水平的实际相对瓦斯涌出量资料，有了这些资料后，可按下式计算a值 （5－2） 式中 H1、H2分别为瓦斯带内1和2水平的开采垂深，m； q1、q2分别为在H1和H2深度开采时的相对瓦斯涌出量，m3/t。 a值确定后，瓦斯风化带深度可由下式求得 H0＝H1－a（q1－2）（5－3） 瓦斯风化带深度也可以根据地勘阶段实测的煤层瓦斯成份来确定。 a值的大小取决于煤层倾角、煤层和围岩的透气性等因素。当有较多水平的相对瓦斯涌出量资料时，可用图解法或最小二乘法按下式确定平均的a值 （5－4） 式中 Hi、qi第I个水平的开采深度和相对瓦斯涌出量，m、m3/t； n统计的开采水平个数。 对于某些矿井而言，相对瓦斯涌出量与开采深度之间并不呈线性关系，即a值不是常数，此时，应首先根据实际资料确定a值随开采深度的变化规律，然后才能进行深部区域瓦斯预测。 2．生产水平矿井瓦斯涌出量和平均开采深度的确定 应用矿山统计法预测矿井瓦斯涌出量，必需首先知道至少两个开采水平的瓦斯涌出量资料。在统计确定某一水平矿井瓦斯涌出量时，通风瓦斯旬报、矿井瓦斯等级鉴定以及专门进行的瓦斯涌出量测定资料均可加以利用；此外，还应掌握在统计期间的矿井开采和地质情况。对全矿井而言，可以统计某一生产时期的绝对瓦斯涌出量和采煤量，并用加权平均方法求出该时期的平均开采深度和平均相对瓦斯涌出量。 以下介绍利用矿井瓦斯等鉴定资料确定矿井瓦斯涌出量和平均开采深度的具体方法。 根据规程的规定，矿井瓦斯等级鉴定工作是在鉴定月份的上、中、下旬各选一天，分三班或四班进行的，且每班测定三次；按矿井、煤层、一翼、水平和采区分别计算日产1t煤的瓦斯涌出量，并选取相对瓦斯涌出量最大一天的数据作为确定矿井瓦斯等级的依据。在瓦斯预测工作中，与矿井瓦斯等级鉴定的要求不同，它是取3d测定结果的平均值作为确定相对瓦斯涌出量的依据。 确定全矿井相对瓦斯涌出量时，可采用矿井总回风的瓦斯鉴定资料。根据鉴定月份井下各采区的煤炭产量和采深，按下式计算鉴定月份全矿井的加权平均开采深度 （5－5） 式中 Hc全矿井加权平均开采深度，m； Hi、Ai鉴定月份第I采区的采深和产量，m、t。 根据历年的矿井相对瓦斯涌出量和加权平均深度，可用图解法或计算法找出相对瓦斯涌出量与采深间的关系。 3．瓦斯涌出量预测图编制 根据通风瓦斯旬报，按下式计算每个采区（或工作面）日瓦斯涌出量的月平均值 （5－6） 式中 G采区或工作面日瓦斯涌出量的月平均值，m3/d； Qi、Ci每次测得的采区或工作面回风量和风流中瓦斯浓度，m3/min、； n统计月份的测定次数。 统计月份的平均日产量按下列确定 （5－7） 式中 A统计月平均日产量，t/d； AM月采煤量，t； N月工作天数。 采区或工作面月平均相对瓦斯涌出量为 （5－8） 应当指出，在工作面开采初期，从开切眼形成到第一次放顶期间，由于瓦斯涌出尚未达正常状态，在该段时间内的测定数据不能在统计分析中应用；此外，在采煤不正常的情况下测得的瓦斯涌出量，以及地质变化带采区瓦斯涌出量变化很大的情况下测得的瓦斯涌出量，均不能在统计分析中应用。 在实施瓦斯抽放的采区或工作面，确定相对瓦斯涌出量时，还应考虑抽放瓦斯的影响。 若采区总抽出瓦斯量为Gd，采区总采出煤量为Am，则采区每采出1t煤抽出的瓦斯量，这时采区总的瓦斯涌出量应为qmqqd。 得出采区或工作面每月平均相对瓦斯涌出量后，把该值标在采掘工程平面图（15000）对应采区或工作面开采范围的中央，根据大量月份的统计资料，即可用插值法绘出瓦斯涌出量等值线图。从绘出的瓦斯涌出量等值线图上可以看出瓦斯涌出量在煤层走向和倾向上的变化。通常，相对瓦斯涌出量等值线的间距为2m3/t或5m3/t。根据该图，用外推法即可预测新区的相对瓦斯涌出量。图51为利用上述方法绘出的某矿煤层瓦斯涌出量等值线图。 六、分源预测法 （一）分源预测法的基本原理 含瓦斯煤层在开采时，受采掘作业的影响，煤层及围岩中的瓦斯赋存平衡状态即 图51 某矿煤层瓦斯涌出量等值线图 遭到破坏，破坏区内煤层、围岩中的瓦斯将涌入井下巷道。 汇矿井瓦斯涌出 生产采区瓦斯涌出 源已采采区采空区瓦斯涌出 回采工作面瓦斯涌出 源开采层瓦斯涌出 源生产采区采空区瓦斯涌出 掘进工作面瓦斯涌出 源邻近层瓦斯涌出出 源煤壁瓦斯涌出 源落煤瓦斯涌出 图5－2 矿井瓦斯涌出源、汇关系 井下涌出瓦斯的地点即为瓦斯涌出源。瓦斯涌出源的多少、各涌出源涌出瓦斯量的大小直接决定着矿井瓦斯涌出量的大小。根据抚顺分院的研究，矿井瓦斯涌出的源、汇关系如图5－2所示。 应用分源预测法预测矿井瓦斯涌出量，是以煤层瓦斯含量、煤层开采技术条件为基础，根据各基本瓦斯涌出源的瓦斯涌出规律，计算回采工作面、掘进工作面、采区及矿井瓦斯涌出量。 （二）预测所需的原始资料 应用分源预测法预测瓦斯涌出量时，需要准备如下的原始资料 （1）各煤层瓦斯含量测定资料、瓦斯风化带深度以及瓦斯含量等值线图； （2）地层剖面和柱状图，图上应标明各煤层和煤夹层的厚度、层间距离和岩性； （3）煤的工业分析指标（灰分、水分、挥发分和密度）和煤质牌号； （4）开拓和开采系统图，应有煤层开采顺序、采煤方法、通风方式等。 （三）计算方法 1． 开采煤层（包括围岩）瓦斯涌出量 （1）薄及中厚煤层不分层开采时按下式计算 （5－9） 式中 q1开采煤层（包括围岩）相对瓦斯涌出量，m3/t； k1围岩瓦斯涌出系数。其值取决于回采工作面顶板管理方法； k2工作面丢煤瓦斯涌出系数，其值为工作面回采率的倒数； k3准备巷道预排瓦斯对工作面煤体瓦斯涌出影响系数； m0煤层厚度（夹矸层按层厚1/2计算），m； X0煤层原始瓦斯含量，m3/t； X1煤的残存瓦斯含量，m3/t，与煤质和原始瓦斯含量有关，需实测；如无实测数据，可参考表5－1取值。 运至地表时煤在残存瓦斯含量 表5－1 煤的挥发份含量Vdaf（） 6～8 8～12 12～8 18～26 26～35 35～42 42～50 煤残存瓦斯含量X1’（m3/t） 9～6 6～4 4～3 3～2 2 2 2 采用长壁后退式回采时，系数k3按下式确定 （5－10） 式中 L回采工作面长度，m； h巷道瓦斯预排等值宽度，m；不同透气性的煤层其值可能不同，需实测；无实测值时，其值可按表5－2参考选取。 巷道预排瓦斯等值宽度h 表5－2 巷道煤壁暴露时间（d） 不同煤种巷道预排瓦斯等值宽度（m） 无烟煤 瘦 煤 焦 煤 肥 煤 气 煤 长焰煤 25 6.5 9.0 9.0 11.5 11.5 11.5 50 7.4 10.5 10.5 13.0 13.0 13.0 100 9.0 12.4 12.4 16.0 16.0 16.0 160 10.5 14.2 14.2 18.0 18.0 18.0 200 11.0 15.4 15.4 19.7 19.7 19.7 250 12.0 16.9 16.9 21.5 21.5 21.5 300 13.0 18.0 18.0 23.0 23.0 23.0 采用长壁前进式方法回采时，如上部相邻工作面已采，则k31；如上部相邻工作面未采，则可按下式计算k3值 （5－11） 式中 b巷道长度，m。 表5－1中残存瓦斯含量的单位为每一吨煤（即无灰干燥煤）的瓦斯体积，在应用式5－9时，应按下式换算为原煤残存瓦斯含量 （5－12） 式中 表5－1中查出的纯煤残存瓦斯含量，m3/t; 原煤中灰份含量，； 原煤中水份含量，。 （2）厚煤层分层开采时按下式计算 q1k1k2k3kfi（5－13） 式中 kfi取决于煤层分层数量和顺序的分层开采瓦斯涌出系数，kfi可按表5－3选取。 厚煤层分层开采瓦斯涌出系数kf 两分层开采 三分层开采 kf1 kf2 kf1 kf2 kf3 1.504 0.496 1.820 0.692 0.488 2．邻近层瓦斯涌出量 （5－14） 式中 邻近层相对瓦斯涌出量，m3/t 第i个邻近层厚度，m; 开采层的开采厚度，m; 第i邻近层原始瓦斯含量，m3/t; 第i邻近层残存瓦斯含量，m3/t。可按表5－1查取； 受多种因素影响但主要取决于层间距离的第i邻近层瓦斯排放率。 邻近层瓦斯排放率与层间距存在如下关系 （5－15） 式中 第i邻近层瓦斯排放率； 第i邻近层至开采层垂直距离，m; 受开采层采动影响顶底板岩层形成贯穿裂隙、邻近层向工作面释放卸压瓦斯的岩层破坏范围，m。 开采层顶板的影响范围由下式计算 m11.2 cosa516 式中 ky取决于顶板管理方式的系数。对采高小于等于2.5m的煤层，用全部陷落法管理顶板时，ky 60；用局部充填法管理顶板时，ky 45；用全部充填法管理顶板时，ky 25； m1开采层的开采厚度，m； a煤层倾角，度。 开采倾斜和缓斜煤层时，开采层底版的影响范围为3560m。开采急倾斜煤层时，底板的影响范围由下式计算 m11.2 - cosa517 国外主要采煤国不同研究者推荐的邻近层瓦斯排放率与层间距的关系曲线如图5-3a所示，国内研究得出的邻近层瓦斯排放率与层间距的关系曲线如图5-3b所示。 图5-3 邻近层瓦斯排放率与层间距的关系曲线 3．掘进巷道煤壁瓦斯涌出量 nm0q0（2－1）518 式中 掘进巷道煤壁瓦斯涌出量，m3/min； n 煤壁暴露面个数，单孔送道时，n2； m0煤层厚度，m； 巷道平均掘进速度，m/min； L巷道长度，m； q0 煤壁瓦斯涌出初速度，m3/m2min。按下式计算 0.026[0.0004 0.16]X0519 式中 煤中挥发份含量，； X0煤层原始瓦斯含量，m3/t。 4．掘进落煤的瓦斯涌出量 Sγ（X0 – X1）520 式中 掘进巷道落煤瓦斯涌出量，m3/min； S掘进巷道断面积，m2； 巷道平均掘进速度，m/min； γ煤的密度，t/m3； X0煤层原始瓦斯含量，m3/t； X1煤层残存瓦斯含量，m3/t。 5． 回采工作面瓦斯涌出量 回采工作面瓦斯涌出量由开采层（包括围岩）、邻近层瓦斯涌出量两部分组成，其计算公式为 521 式中 回采工作面相对瓦斯涌出量，m3/t。 6．掘进工作面瓦斯涌出量 掘进工作面瓦斯涌出量包括掘进巷煤壁和掘进落煤瓦斯涌出量两部分，又下式计算 522 式中 掘进工作面瓦斯涌出量，m3/min。 7． 生产采区瓦斯涌出量 生产采区瓦斯涌出量系采区内所有回采工作面、掘进工作面及采空区瓦斯涌出量之和，其计算公式为 （1k＇）（ 1440）/A0 523 式中 生产采区瓦斯涌出量，m3/t； k＇生产采区内采空区瓦斯涌出系数，取k＇ 0.150.25； 第i 回采工作面瓦斯涌出量，m3/t； A1第i 回采工作面平均日产量，t； 第I掘进工作面瓦斯涌出量，m3/min； A0生产采区平均日产量，t。 8． 矿井瓦斯涌出量 矿井瓦斯涌出量为矿井内全部生产采区和已采采区（包括其它辅助巷道）瓦斯涌出量之和，其计算公式为 8 524 式中 8矿井相对瓦斯涌出量，m3/t； 已采采区采空区瓦斯涌出量系数，其值为 0.100.25； 第I生产采区瓦斯涌出量，m3/t； 第I生产采区日平均产量，t。 10