瓦斯涌出量预测技术优化方案

对于新建、改扩建矿井或生产矿井的新水平、新采区，往往要预测其瓦斯涌出量大小，以便作为生产设计和通风瓦斯管理的依据。

由于影响矿井瓦斯涌出量的因素较多且很复杂，要想做到十分准确预测，几乎难以达到。目前预测矿井瓦斯涌出量的方法有多种，但主要可分为两大类：一是瓦斯梯度计算法，二是分源计算法。这两种方法预测的瓦斯涌出量均为近似值，其中梯度计算法前已述及，分源计算法述及如后。

分源计算法预测矿井瓦斯涌出量的实质，是以煤层瓦斯含量、煤层地质与开采技术条件为基础，根据瓦斯源的瓦斯涌出规律，分别计算出回采、掘进、采空区和矿井瓦斯涌出量。

一个矿井瓦斯涌出总量的大小，取决于瓦斯源的数量及其涌出瓦斯量的多少。一般来讲，构成矿井瓦斯涌出总量的直接瓦斯源按地点来分有以下6个，即开采层、邻近层、巷道煤壁和掘进落煤、开采结束的采空区，以及其他巷道及围岩等。矿井瓦斯源汇关系如图3－14所示。

一、回采瓦斯涌出量

（一）开采单一煤层时的回采瓦斯涌出量

可按下式计算：

式中qf—开采煤层瓦斯涌出量，m3／t；

μ—机械化程度系数，联合采煤机和风镐采煤时为1.0，截煤机掏槽落煤时为1.2；

Kp—瓦斯放出系数，即计算的瓦斯涌出量与煤层瓦斯含量的比例，由图3－15查得；

Wh—煤层瓦斯含量，m3／t。

图3－14　矿井瓦斯源、汇关系示意图

图3－15　瓦斯放出计算系数值曲线

（二）有邻近层条件下的回采瓦斯涌出量可按下式计算：

式中qf—开采煤层瓦斯涌出量，m3／t；

qb—开采层本层瓦斯涌出量，m3／t；

qn—邻近层瓦斯涌出量，m3／t；

Kw—围岩瓦斯涌出系数，一般取1.2；

C—损失率，%；

Kz—掘进回采巷道瓦斯预排系数；

L—工作面长度，m；

h—掘进预排宽度，无烟煤取10m，瘦煤、焦煤取14m，其他煤种取18m；

Ks—瓦斯涌出程度系数，一般取0.8（运到地面的煤中还残存一部分瓦斯，这部分残余瓦斯量占瓦斯含量的20%）；

m—开采层厚度，m；

m0—开采分层厚度，m；

Wh—本煤层瓦斯含量，m3／t；

mi—邻近煤层厚度，m；

bi—邻近煤层瓦斯涌出程度系数；

Wi—第i邻近层瓦斯含量，m3／t；

Wci—第i邻近层残余瓦斯量，m3／t；

Li—第i邻近层的瓦斯排放宽度，m；

Hi—第i煤层与开采层的间距，m；

δ—卸压角，按表3－5选取，（°）

L—回采工作面长度，m。

表3－5　开采层沿倾斜的卸压角

沿倾斜卸压角范围如图3－16所示。

图3－16　沿倾斜卸压角范围

（三）中厚、厚煤层分层开采时的回采瓦斯涌出量

可按下式计算：

式中qf—回采瓦斯涌出量，m3／t；

Wh—回采的自然分层煤中的瓦斯含量，m3／t；

Wc—煤运至地面残余瓦斯含量，m3／t；

W1—煤柱内剩余的瓦斯含量，m3／t；

W2—未采的自然分层煤中剩余的瓦斯量，m3／t；

m—回采的自然分层厚度，m；

r—回采的自然分层煤的容重，t／m3；

m1—未采的自然分层厚度，m；

r1—未采的自然分层煤的容重，t／m3；

n—围岩中涌出的瓦斯量占采煤中涌出的瓦斯量的比值系数，全部充填管理顶板时取0.1，局部充填管理顶板时取0.15，全部垮落管理顶板时取0.20；

M—煤柱煤量占采区煤量比，%；

Z—采空区残煤占采区煤量比，%。

［例题］某矿单一煤层长壁式工作面，煤层厚8m，分层采高2m，全部垮落管理顶板，预计瓦斯含量20m3／t。已知：围岩瓦斯涌出系数n＝0.20，煤中残存瓦斯量Wc＝8m3／t，煤柱内残留瓦斯含量W1＝12m3／t，煤柱煤量占采区煤量比M＝20%，未采的自然分层中剩余的瓦斯量W2＝10m3／t，采空区残煤占采区煤量比Z＝5%，煤的容重r＝1.4t／m3。求回采期间相对瓦斯涌出量。

解 由式（1－19）解得

则该工作面预计相对瓦斯涌出量为59.7 m3／t。

二、掘进瓦斯涌出量

掘进工作面瓦斯涌出量可按下面两种公式计算。

（一）计算式之一

其中

式中q掘—掘进工作面瓦斯涌出量，m3／min；

q壁—掘进煤壁涌出瓦斯量，m3／min，用公式（1－21）计算；

q煤—掘进落煤涌出瓦斯量，m3／min，用公式（1－22）计算；

n—暴露煤面个数，单巷掘进取n＝2；

m—煤层厚度，m；

v—煤巷平均掘进速度，m／min；

Wh—煤层瓦斯含量，m3／t；

Wc—煤层残存瓦斯量，m3／t；

S—掘进端头见煤面积，m2；

r—煤的容重，t／m3；

L0—巷道瓦斯涌出量达到最大稳定值时的巷道长度，m；

qv—煤壁瓦斯涌出初速度，m3／（m2·min－1）；

Vτ—煤的挥发分，%。

［例］某矿13－1煤层普掘工作面，有关参数如下：n＝2，m＝4.97m，v＝0.00347m／min，L0＝800m，Vτ＝38.67%，Wh＝8.18m3／t，Wc＝3.5m3／t，S＝8m2，r＝1.4t／m3。求掘进工作面瓦斯涌出量。

解 首先，应用式（1－23）求出煤壁瓦斯涌出初速度：

qv＝0.026［0.0004（Vτ）2＋0.16］Wh＝0.026［0.0004（38.67）2＋0.16］×8.18＝0.161m3／（m2·min－1）

其次，分别应用式（1－21）、式（1－22）计算出煤壁和落煤涌出的瓦斯量：

最后，应用式（1－20）计算掘进工作面瓦斯涌出量：

q掘＝q壁＝q煤＝5.32＋0.18＝5.5m3／min

则该掘进工作面预计瓦斯涌出量为5.5m3／min。

（二）计算式之二

1）单巷掘进时用下式计算：

式中q掘—掘进工作面瓦斯涌出量，m3／min；

m—煤层厚度，m；

v—煤巷平均掘进速度，m／d；

t—巷道掘进（暴露）时间，d；

b—巷道宽度，m；

Wh—煤层原始瓦斯含量，m3／t；

Wc—煤层残存瓦斯量，m3／t；

c1—单巷掘进煤壁瓦斯涌出系数，m3／（m2·min－1）或m3／（m2·d－1）。

煤壁涌出的瓦斯量随煤壁暴露时间的延长而衰减，当达到一定时间t1时，瓦斯涌出量接近于零。t1一般为6～12个月，称为瓦斯释放极限时间。当巷道掘进时间t＞t1时，则掘进工作面的瓦斯涌出量为

式中t1—煤壁暴露极限时间，d；

其他符号同前。

2）双巷掘进时用下式计算：

式中c2—双巷煤壁瓦斯涌出系数，m3／（m2·min－1）；

b1—双巷主巷宽度，m；

b2—双巷副巷宽度，m；

v1—巷道掘进速度，m／d；

其他符号同前。

同单巷一样，当巷道掘进时间t大于极限时间t1时，则双巷掘进工作面的瓦斯涌出量为(www.xing528.com)

式中t1—煤壁暴露极限时间，d；

其他符号同前。

（三）采空区瓦斯涌出量

采空区瓦斯涌出量可按下式计算：

式中q空—采空区瓦斯涌出量，m3／t；

q采—回采煤的瓦斯涌出量，m3／t；

q掘—掘进煤的瓦斯涌出量，m3／t；

K—采空区瓦斯涌出系数，一般取0.15～0.25。

（四）采区瓦斯涌出量

采区瓦斯涌出量可按下式计算：

式中q区—采区瓦斯涌出量，m3／t；

∑q采—采区采煤工作面瓦斯涌出量总和，m3／t；

∑q掘—采区掘进工作面瓦斯涌出量总和，m3／t；

q空—采区采空区瓦斯涌出量，m3／t；

A—采区日产煤量，t／d。

瓦斯涌出量预测是一项十分重要而较为复杂的工作，无论采用何种方法，其预测值也都有一定误差。为了尽量减小预测误差和较为准确地预测，在进行预测时，一定要考虑地质构造、煤质情况、顶底板岩性的变化、矿井的开采史和开采技术等因素对瓦斯涌出量的影响，并进行相应的调整，根据各个矿井的开采生产实际情况，对计算公式进行有针对性的修正。对于那些地质条件变化很大、煤层赋存很不稳定的煤田，如何取得可靠的预测值，还是一个有待进一步研究的问题。

三、分源法计算瓦斯涌出量实例

云盖山煤矿一矿设计年产45万t／a，设计一个综采放顶煤工作面和四个掘进工作面，根据矿井储量核查报告，煤层中瓦斯多以吸附状态存在，游离瓦斯占总瓦斯体积42.15%吸附瓦斯占51.85%，二1煤层各水平瓦斯平均含量如表3－6。

表3－6　二1煤层各水平瓦斯平均含量统计表

根据河南省工业和信息化厅“豫工信煤［2011］202号”文件，云煤一矿2010年度瓦斯等级批复结果为低瓦斯矿井，矿井相对瓦斯涌出量为5.69m3／t，绝对瓦斯涌出量为5.16 m3／t。

根据储量核查报告提供数据，本井田二1煤层瓦斯含量1.35～4.51m3／t，考虑井田范围内煤层瓦斯赋存的不均衡性，煤层瓦斯含量取平均值2.93m3／t。设计采用分源法预测采掘工作面瓦斯涌出量。

（一）采煤工作面相对瓦斯涌出量预测

本矿井二1煤开采方法为综采放顶煤一次采全高，则：

q采＝K1·K2·K3·（Wo－Wc）·m／M

式中q采—开采煤层相对瓦斯涌出量，m3／t；

K1—围岩瓦斯涌出系数，全部陷落法管理顶板，取K1＝1.3；

K2—工作面丢煤系数，取回采率的倒数。二1煤层为厚煤层，工作面回采率取0.93，则K2＝1／0.93＝1.075；

K3—工作面巷道瓦斯预排影响系数，K3＝（L－2h）／L；K3＝0.87；

L—工作面长度，150m；

h—掘进巷道预排等值宽度，取10m；

m—开采层厚高，二1煤平均厚4.57m；

M—开采层采高，二1煤平均采高4.57m；

Wo—二1煤层原始瓦斯含量，取平均值，2.93m3／t；

Wc—采落煤炭运至地表时残存瓦斯含量，二1煤层瓦斯含量为2.93m3／t＜10m3／t，按原始瓦斯含量的20%选取，Wc＝2.93×20%＝0.59m3／t。

经计算，二1煤层回采工作面相对瓦斯涌出量为2.84m3／t。绝对涌出量为q采绝＝q采×A＝2.84×1254／24／60＝2.47m3／min。

（二）掘进工作面瓦斯涌出量预测

掘进工作面瓦斯涌出量按下式计算：

q掘＝q3＋q4

式中：

q掘—掘进工作面瓦斯涌出量，m3／min；

q3—掘进巷道煤壁瓦斯涌出量，m3／min；

q4—掘进巷道落煤的瓦斯涌出量，m3／min；

D—巷道断面内暴露煤壁面的周边长度，m；二1煤层为厚煤层，D＝2h＋b＝2×3.3＋4.3＝10.9，h及b分别为巷道高度及宽度；

V—平均掘进速度，m／min；V＝150／28／24／60＝0.00372m／min；

q0—煤壁瓦斯涌出强度，m3／m2.min，按下式计算：

q0＝0.026［0.0004（Vr）2＋0.16］Wo

式中：Vr—煤的挥发分，15.3%；

Wo＝原始瓦斯含量，取平均值，2.93m3／t；

经计算：q0＝0.019m3／m2.min

L—巷道长度，取1500m；

S—掘进端头见煤面积，m2；S＝13.2m2；

γ—煤的容重，二1煤1.4t／m3；

Wc—采落煤炭运至地表时残存瓦斯含量，二1煤层瓦斯含量为2.93m3／t＜10m3／t，按原始与瓦斯含量的20%选取，Wc＝2.93×20%＝0.59m3／t。

经计算，二1煤层掘进工作面绝对瓦斯涌出量为0.79m3／min。

（三）生产采区瓦斯涌出量预测

生产采区瓦斯涌出量采用下式计算：

式中：

q区—生产采区相对瓦斯涌出量，m3／t；

q采i—第i个回采工作面相对瓦斯涌出量，2.84m3／t；

Ai—第i个回采工作面的日产量，627t；

q掘i—第i个掘进工作面绝对瓦斯涌出量，0.79m3／min；

A0—生产采区平均日产量，1364t；

K′—生产采区采空区内瓦斯涌出系数，取1.2。

本矿井生产采区一个回采工作面、两个煤巷掘进工作面，因此，计算得生产采区相对瓦斯涌出量q区＝5.14m3／t。

（四）矿井瓦斯涌出量预测

矿井瓦斯涌出量采用下式计算

式中：

q井—矿井相对瓦斯涌出量，m3／t；

q区i—第i个生产采区对瓦斯涌出量，5.14m3／t；

A0i—第i个生产采区平均日产量，1364t；

K″—已采采空区内瓦斯涌出系数，取1.15；

Kn—矿井瓦斯涌出不均衡系数，取1.1。

云煤一矿为一个采区，按上式计算得全矿井相对瓦斯涌出量6.50m3／t。

根据上述计算结果，利用储量核查报告提供的二1煤层深部水平瓦斯含量，采用分源法预测矿井的相对瓦斯涌出量大于2010年度瓦斯等级鉴定结果“矿井相对瓦斯涌出量为5.69m3／t”。故设计以预测的回采工作面绝对瓦斯涌出量（2.47m3／min）和掘进工作面绝对瓦斯涌出量（0.79m3／min）作为计算矿井回采工作面和煤巷掘进工作面需风量的依据。